In-liquid Electron Microscopy and Diffraction for real-time observation and structural analysis

Abstract

Eine der größten Herausforderungen im Gebiet der Lebenswissenschaften ist die Untersuchung chemischer und biologischer Reaktionen unter möglichst naturnahen Bedingungen. Gleichzeitig wird eine zeitliche Auflösung angestrebt, die es ermöglicht die Korrelation zwischen Struktur und Funktion aufzudecken. Im Allgemeinen wird in den Naturwissenschaften immer angestrebt, Bewegungen abzubilden wir sie geschehen – bis zum atomarem Niveau. In der Biochemie möchte man dies in einer naturnahen Umgebung darstellen, was bedeutet, dass die Probe in wässriger Lösung beobachtet wird. Die ultimative Abbildungsmethode mit Elektronen fehlt für diesen Zweck, wobei hauptsächlich Fragen der Probenerstellung und die Strahltechnologie selbst zu beantworten sind. Innerhalb dieser Dissertation lag der Hauptschwerpunkt auf der Verbesserung der Probenvorbereitung für konventionelle Transmission – Elektronenmikroskopie (CTEM) und Femtosekunden - Elektronendiffraktion (FED) im flüssigen Zustand. Silizium basierte Mikro- und Nanofabrikationstechniken wurden angewandt um die neueste Generation nanofluider Zellen herzustellen und um ihre Effektivität bezüglich der Verbesserung räumlicher Auflösung zu erhöhen. Diese Probenhalter für Elektronenmikroskopie in Flüssigkeit wurden hauptsächlich für zwei verschiedene Systeme zum Einsatz gebracht: Erstens wurde eine statische Variante der Zelle verwendet, um die Dynamik von DNA Hybridisierung in Lösung zu beobachten. Zweitens wurden Krebszellen im TEM in-situ abgebildet, um ihre Morphologie und die Aufnahme von an Goldnanopartikel gebundene Oligonukleotide zu beobachten, die potenziellen Nutzen bei der gezielten Verabreichung von Medikamenten haben. Das Verhalten der Fenster abhängig von den Dimensionen der nanofluiden Zelle wurde im Hochvakuum mit Hilfe eines Interferometers charakterisiert. Wir können die Dicke der Zelle im Vakuum interferometrisch bestimmen und einen Zusammenhang zwischen der im TEM erreichten räumlichen Auflösung herstellen. Die erhaltenen Ergebnisse sind für die weitere Entwicklung von nanofluiden Zellen für die Abbildung und Diffraktion mit Elektronen wichtig. Innerhalb dieser Arbeit wurde Elektronenbeugung erstmals in einer nanofluide Zelle beobachtet. Dabei wurde eine die Dicke der Flüssigkeitsschicht durch differentielles Pumpen kontrolliert. Die Methode erlaubt es direkt vor Ort die Probe zu liefern und fließen zu lassen. Die Ergebnisse heben das Potential der nanofluiden Zelle für die Untersuchung molekularer Dynamik in Lösung hervor, besonders für stroboskopische Messungen auf der Zeitskala von Femtosekunden

One of the biggest challenges in life sciences is to investigate chemical and biological reactions as they occur under natural conditions with sufficient spatiotemporal resolution to fully reveal the structure-function correlation. As a more general aspect in science, the aim has been to watch atomic motions as they occur. In biochemistry, natural environment refers to solution. An ultimate method to be implemented for this purpose is lacking for electrons mainly due to the difficulties in sample preparation and probe source design. In this thesis, we focused on improving sample preparation methods for conventional transmission electron microscopy (CTEM) and femtosecond electron diffraction (FED) in solution phase. Silicon based micro- and nanofabrication techniques are used to manufacture the current generation of nanofluidic cells and developed new methods to improve its effectiveness regarding the spatial resolution with electrons. This device is used for mainly two different systems with in-liquid TEM in this thesis work. We used a no-flow version of the nanofluidic cell first to investigate DNA hybridization dynamics in solution. Secondly, we imaged cancer cells in situ with TEM to investigate their morphology differentiation and oligonucleotide bound gold nanoparticle uptake for potential use in targeted drug delivery. The behavior of the nanofluidic cell windows in high vacuum has been characterized for different window lateral dimensions using custom designed thin-film interferometer. We can measure the sample cell thickness interferometrically and associate it with the obtained spatial resolution in TEM. The obtained results have importance for developing more advanced nanofluidic cells for both real space imaging and diffraction with electrons. The nanofluidic cell was used first time for electron diffraction from liquid water in the course of this thesis. We used a differential pressure method to control the thickness of the liquid layer in flow cell allowing in situ sample exchange. The obtained results highlight the potential of the nanofluidic cell to study molecular dynamics in solution in femtosecond time scale with ultra-fast stroboscopic techniques.