CLAIRE –非侵入性纳米尺度成像的新突破技术

Al纳米结构的CLAIRE图像，插图显示了六个Al纳米结构的簇。

研究人员已经开发出一种新的非侵入性纳米成像技术，该技术使他们能够将电子显微镜转换为非侵入性成像方式，以研究软材料并在纳米级上提供有关它们的光谱特定信息。

软物质涵盖了广泛的材料，包括液体，聚合物，凝胶，泡沫，以及最重要的是生物分子。决定其整体性能和功能的软材料的核心是纳米级组件的相互作用。观察这些相互作用背后的动态对于理解关键的生物过程（例如蛋白质的结晶和代谢）至关重要，并且可以帮助加速重要的新技术的开发，例如人工光合作用或高效光伏电池。以足够的分辨率观察这些动态变化是一项重大挑战，但是现在，这种新的无创纳米级成像技术（CLAIRE的缩写）已经可以解决这一挑战。

CLAIRE代表“通过共振能量转移的阴极发光激活成像”。CLAIRE由美国能源部（DOE）的劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和加利福尼亚大学（UC）伯克利大学的研究人员发明，将电子显微镜的惊人分辨率扩展到了软物质的动态成像。

“传统的电子显微镜会损坏柔软的材料，因此，主要用于提供有关坚固的无机固体或生物样品固定部分的形貌或成分信息，” CLAIRE研究负责人的化学家Naomi Ginsberg说。“ CLAIRE使我们能够将电子显微镜转换为新的非侵入式成像方式，用于研究软材料并在纳米级上提供有关它们的光谱特定信息。”

金斯伯格（Ginsberg）曾任职于伯克利实验室的物理生物科学部及其材料科学部，以及加州大学伯克利分校的化学和物理系。她还是伯克利Kavli能源纳米科学研究院（Kavli-ENSI）的成员。她和她的研究小组最近将CLAIRE的成像功能应用于铝纳米结构和无法通过电子显微镜直接成像的聚合物薄膜，从而证明了CLAIRE的成像能力。

“分子固体中哪些微观缺陷会导致其功能性的光学和电子特性？最初在溶液化阶段，这些固体是由它们的单个微观成分通过何种潜在可控的过程形成的？答案需要观察电子激发或分子自身在凝结相系统中探索空间异质景观时的动力学。”“在我们的演示中，我们获得了具有46纳米分辨率的铝纳米结构的光学图像，然后通过对共轭聚合物薄膜进行成像验证了CLAIRE的非侵入性。我们通过CLAIRE展示的高分辨率，速度和非侵入性使我们改变了当前对关键生物分子相互作用的理解。”

CLAIRE成像芯片由一个由LaAlO3和SrTiO3缓冲层支撑的YAlO3：Ce闪烁体膜和一个Si框架组成。嵌入SiO2中的Al纳米结构位于闪烁体膜的下方并直接靠在其上。ProTEK B3用作蚀刻的保护层。

CLAIRE的工作原理是将光学和扫描电子显微镜的最佳属性实质上整合到一个成像平台中。扫描电子显微镜使用电子束而不是光进行照明和放大。由于电子束的波长比可见光的光子短得多，因此可以用来观察比使用光学显微镜分辨的物体小数百倍的物体。但是，这些电子束会破坏大多数形式的软物质，并且无法进行光谱特定的分子激发。

Ginsberg和她的同事通过采用一种称为“阴极发光”的方法来解决这些问题，在该方法中，将约20纳米厚的超薄闪烁膜插入到电子束和样品之间，该膜由掺铈的钇铝钛矿制成。当闪烁膜被低能电子束（大约1 KeV）激发时，它发出的能量被转移到样品上，从而导致样品辐射。记录该发光并将其与电子束位置相关联以形成不受光学衍射极限限制的图像。

金斯伯格说，开发闪烁膜并将其集成到微芯片成像设备中是一项艰巨的任务，她赞扬研究小组的“才能和奉献精神”取得了成功。她还对美国能源部科学用户设施办公室Molecular Foundry的工作人员和能力给予了很多赞扬，并在该办公室进行了CLAIRE成像演示。

她说：“ ​​Molecular Foundry真正使CLAIRE成像成为现实。”“我们与那里的科研人员合作，在Foundry的一台扫描电子显微镜中设计并安装了一个高效的光收集装置，他们的建议和建议非常棒。我们可以与Foundry科学家合作来修改仪器并增强其功能，这不仅适用于我们自己的实验，还适用于其他用户。”

尽管仍有许多工作要做，以使CLAIRE广泛可用，但Ginsberg和她的团队正朝着针对某些特定应用的进一步改进前进。

她说：“我们对软功能材料进行无创成像，例如太阳能电池和发光设备中的活性层。”“在有机物和有机/无机杂化物中尤其如此，这些材料的形态非常复杂，需要纳米级分辨率才能将形态特征与功能关联起来。”

金斯伯格（Ginsberg）和她的研究小组还致力于创建液体细胞，以观察生理条件下的生物分子相互作用。由于电子显微镜只能在高真空下操作，因为空气中的分子会破坏电子束，并且由于液体在高真空下会蒸发，因此水性样品必须冷冻干燥或密封在特殊的细胞中。

“我们需要液体细胞用于CLAIRE，以研究光合膜中光捕获蛋白的动态组织，” Ginsberg说。“我们还应该能够进行膜生物物理学方面的其他研究，以了解分子如何在复杂的环境中扩散，并且我们希望能够在单分子水平上研究分子识别。”

此外，Ginsberg和她的小组将使用CLAIRE来研究一般用于软材料的纳米级系统的动力学。

她说：“我们希望能够观察结晶过程或观察由纳米级成分制成的材料退火或经历相变的过程。”“我们也希望能够在带电表面观察双电层的演变，因为这种现象对于电池科学至关重要。”

在Nano Nanos杂志上发表了一篇描述CLAIRE最新工作的论文。该论文的标题为“阴极发光激活的纳米成像：无创近距离

电子显微镜中的现场光学显微镜。”金斯伯格（Ginsberg）是通讯作者。其他作者还有Connor Bischak，Craig Hetherington，Zhe Wang，Jake Precht，David Kaz和Darrell Schlom。

这项研究主要由美国能源部科学办公室和美国国家科学基金会支持。

出版物：Connor G. Bischak等，“阴极发光激活的纳米成像：电子显微镜中的非侵入性近场光学显微镜”，Nano Letters，2015，15（5），第3383–3390页； DOI：10.1021 / acs.nanolett.5b00716

图片：劳伦斯·伯克利国家实验室