Livet på nanoskala

Levende organismer er utrolig komplekse, men hva om vi kunne avbilde deres minste bestandeler? Tenk å kunne se helt nære på hårene til en flue, eller detaljene på overflaten til et rosekronblad.

SEM (Sveipe-Elektronmikroskop) er et veldig kraftig instrument i nanoteknologens verktøykasse som kan brukes til å se på veldig små ting eller små detaljer på større ting. Kort fortalt brukes en strøm av elektroner istedenfor lys for å se på overflater. Sjekk ut denne tidligere artikkelen om SEM for å gå mer i dybden på hvordan dette fungerer.

Det er utrolig mange spennende ting man kan lære ved å se på prøver med SEM, så selvsagt er det ønskelig å også kunne se på livet på denne skalaen. På samme måte som SEM kan gi oss informasjon om topografien og sammensetningen til livløse overflater, er det spennende og nyttig å kunne gjøre det samme med noe levende. Slik kan detaljer som ikke er mulig å se med et vanlig lysmikroskop oppdages. Dessverre er det noen begrensninger ved tradisjonell SEM som gjør dette vanskelig, men heldigvis finnes det også løsninger på mange av problemene som kan oppstå.

 

Utfordringer ved SEM

Når ladningen hoper seg opp kan det se ut som det gløder (http://mcff.mtu.edu/acmal/electronmicroscopy/images/FE_Positive_Negative.jpg)

Når ladningen hoper seg opp ser det ut som det gløder [2]

For å se på noe i en SEM må det være vakuum. Dette sikrer at nok elektroner når prøven og at bildet blir bra nok. Derfor må prøver med høyt vanninnhold, som for eksempel celler, planter eller små dyr, tørkes ut eller fryses før det er mulig å se på dem. Ellers ville vannet fordampet eller ført til at prøven eksploderte. En annen uheldig sideeffekt av vakuum er at levende organismer i et slikt miljø veldig fort kollapser og dør, akkurat slik et menneske uten romdrakt hadde gjort i rommet.

Når noe som er levende dør, eller noe som er vått tørkes eller fryses, skjer det endringer. Vi kan ofte lures til å tro at vi ser virkeligheten, men det vi egentlig ser er en endret overflate eller cellestruktur. Forskjellen er veldig tydelig på de to bildene side om side lenger ned. Dette er hovedgrunnen for hvorfor vi helst vil se på ting som fortsatt inneholder vann og fremdeles lever.

Når ladning hoper seg opp, kan det blir linjer i bildet (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0d/Hildenbrandia_rivularis_gemma_SEM.jpg/800px-Hildenbrandia_rivularis_gemma_SEM.jpg)

Når ladning hoper seg opp, kan det bli linjer i bildet [1]

I tillegg til alle problemene som vakuum innebærer, er det viktig å tenke på hva som skjer når alle disse elektronene bombarderer en overflate. For å kunne se med elektroner må de ha svært høy energi, så når denne strålen treffer prøven kan det sammenliknes med at den blir blitt truffet av et lyn. Mye energi er ugunstig hvis målet er å se på skjøre biologiske strukturer. Ofte blir prøvene for varme og ødelegges.

En annen egenskap ved elektroner er ladning de bærer. Elektroner kan bare ledes vekk av det som kalles en leder (vanligvis metaller), mens de fleste levende, biologiske og vandige prøver er isolerende, som vil si at ladningen ikke ledes bort og isteden bygger seg opp. Denne opphopede ladningen tilfører aspekter til bildet som ikke finnes i virkeligheten.


Det finnes løsninger

Det er gjort mange forsøk på å løse alle problemene som oppstår i en vanlig SEM. Det er blant annet gjort studier på tøffeldyr, som er i stand til å overleve i vakuum. Forskere har også prøvd å bruke stråling for å skape «nanodrakter» utenpå levende organismer, for å motvirke vakuumets ødeleggende effekter.

Elektroner ioniserer litt av gassen

Elektroner ioniserer litt av gassen

Et verktøy som har blitt tatt i bruk mer og mer er VPSEM, også kalt ESEM. VPSEM står for Variabelt Trykk SEM, mens ESEM betyr «Environmental» SEM. I denne formen for SEM er det en gass (for eksempel hydrogen, argon eller vanndamp) i kammeret sammen med prøven, som gjør at nesten samtlige av problemene som oppsto før plutselig forsvinner.

Selv om gasstrykket må være ganske lavt for å få gode bilder, er det tydelig at problemene som oppstår i vakuum blir betydelig begrenset. Samtidig løses problemet med opphoping av ladning. Når elektronene som reflekteres fra prøven farer gjennom gassen, vil noen av dem treffe gassmolekylene og ionisere dem. Det er dette som fører til et svakere signal fra prøven. Det gunstige ved disse kollisjonene er at ionene som dannes er positive, mens ladningsoverskuddet på overflaten er negativ. De positive ionene nøytraliserer altså den negative ladningen.

 

Overflaten til et rosekronblad i tradisjonell SEM (venstre) og i ESEM (høyre)

Overflaten til et rosekronblad i tradisjonell SEM (venstre) og i ESEM (høyre) [3]

Selvsagt er det noen negative sider ved bruk av denne typen SEM. Blant annet kan gassen gjøre det vanskeligere å få god oppløsning på bildene og sterke nok signaler fra prøven, og ionene som akselererer mot overflaten kan være ødeleggende. Selv når alt dette tas med i beregning er VPSEM/ESEM en av de beste og enkleste løsningene når det gjelder å få nanometrisk oppløsning på det levende og vandige. Tenk hva som kan oppdages når det er mulig å se på en helt uendret celle. Kanskje dukker det opp noen overraskelser?

1) http://mcff.mtu.edu/acmal/electronmicroscopy/images/FE_Positive_Negative.jpg
2) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hildenbrandia_rivularis_gemma_SEM.jpg
3) Bryony James, Research Center for Surface and Materials Science, University of Auckland

Facebooktwittergoogle_plusredditpinterestlinkedinmailby feather
 


Sandra Tonstad

Om

Jeg trodde det var best med ting som hadde fasit. Nå vet jeg hvor mye mer spennende det er med det ukjente, og fasineres av alle oppdagelsene som gjøres der man minst venter dem. Jeg er spesielt glad i alt som har med kjemi og materialer å gjøre, og lærer masse mens jeg skriver om dette på smallPrint. Til daglig er jeg en ganske alminnelig masterstudent.


'Livet på nanoskala' har ingen kommentarer

Vær den første til å kommentere dette innlegget

Del dine tanker

Your email address will not be published.

© smallPrint A.S. All right reserved. Page based on Old Paper by ThunderThemes.net