Тип публикации: статья из журнала
Год издания: 2020
Идентификатор DOI: 10.31772/2587-6066-2020-21-4-565-573
Ключевые слова: scanning electron microscopy, mesoporous structure, inverse opal, lactic acid bacteria, erythrocyte, сканирующая электронная микроскопия, мезопористая структура, инверсный опал, молочнокислая бактерия, эритроцит
Аннотация: The purpose of this study is to test the possibility of using inorganic macroporous structures of inverse opal in sample preparation for scanning electron microscopy of biological objects. As an absorbent substrate we used silica inverse opals prepared by a sol-gel method to study the biological objects. The process of manufacturinПоказать полностьюg the inverse opal involves a complex multi-stage technological process. First, we synthesized submicron spherical particles from polymethylmethacrylate by the method of emulsifier-free emulsion polymerization of methylmethacrylate in an aqueous medium in the presence of a diazoinitiator. This method can be used to obtain an ensemble of particles with high monodispersity, the average size of which can vary in the range from 100 to 500 nm. Then, by self-assembly technique, we deposited the beads of polymethylmethacrylate into ordered matrices (templates), mainly with a face-centered cubic lattice. The resulting mesoporous structures, called artificial opals or colloidal crystals, had lateral dimensions of about 10 × 10 × 2 mm. Then we heat-treated the opals to 120 °C to harden the template before being impregnated with the precursor. Further, we impregnated the opals with silica sol with a particle size distribution from 1 to 5 nm, obtained by hydrolysis of tetraethoxysilane in the presence of hydrochloric acid, and then, after curing and drying the impregnating composition in air at room temperature, we multi-stage fired them up to 550 °C at normal pressure in the air atmosphere to remove all organic components. As a result, the macroporous metamaterial (the so-called inverse opals) with an open system of pores up to 400 nm in size, occupying about 80 % of the volume, were obtained. We studied lactic acid bacteria of cucumber brine and human red blood cells with TM4000 Plus, SU3500 and S-5500 scanning electron microscopes. Auxiliary substance for the sample preparation was ionic liquid VetexQ EM (Interlab LLC). We showed that it is possible to use the inverse opal as an absorbent substrate for sample preparation and rapid analysis in scanning electron microscopy without pre-drying, chemical treatment, or temperature exposure. To improve imaging in the electron microscope, we used sputter coater to cover the inverse opal surface with a thin film of platinum. The use of ionic liquid in combination with the absorbent porous medium allows preserving an original shape of the biological structures. Using the human red blood cells and lactic acid bacteria, we showed that it is possible to carry out of the morphological analysis of the cells using various scanning electron microscopes. We found that on the basis of the inverse opal, there is a fundamental possibility of creating the absorbent substrate suitable for repeated use in the study of the biological objects. At the same time, trace remnants of previous samples remaining after annealing the plate do not introduce significant distortions when conducting new series of observations. In this study, we obtained high-quality electronic micrographs of the biological objects with high resolution and contrast. At the same time, due to the use of the inverse opals as the absorbent substrate, time and financial costs for research are reduced. Целью данного исследования является апробация возможности применения неорганических макропористых структур инверсного опала при пробоподготовке для сканирующей электронной микроскопии биообъектов. Изготовленные золь-гель способом инверсные опалы на основе кремнезёма применялись в качестве впитывающей подложки для изучения биологических образцов. Изготовление инверсного опала представляет собой сложный многоступенчатый технологический процесс. Сначала методом безэмульгаторной эмульсионной полимеризации метилметакрилата в водной среде в присутствии диазоинициатора были синтезированы субмикронные сферические частицы из полиметилметакрилата. Таким способом можно получать ансамбль частиц с высокой монодисперсностью, средний размер которых может варьироваться в диапазоне от 100 до 500 нм. Затем методом самосборки субмикросферы полиметилметакрилата осаждались в упорядоченные матрицы (шаблоны) преимущественно с гранецентрированной кубической решёткой. Полученные мезопористые структуры, называемые искусственными опалами или коллоидными кристаллами, имели размеры порядка 10 ×10 × 2 мм. Затем опалы подвергались термической обработке до 120 °С для упрочнения шаблона перед пропиткой прекурсором. Далее опалы пропитывались золем кремнезёма с размером частиц от 1 до 5 нм, полученным путём гидролиза тетраэтоксисилана в присутствии соляной кислоты и затем, после отверждения и сушки пропитывающего состава на воздухе при комнатной температуре, подвергались многоступенчатому обжигу до 550 °С при нормальном давлении в воздушной атмосфере для удаления всех органических компонентов. В результате получались образцы макропористых метаматериалов (так называемые, инверсные или инвертированные опалы) с открытой системой пор размером до 400 нм, занимающих около 80 % объёма. В сканирующих электронных микроскопах TM4000 Plus, SU3500 и S-5500 с использованием макропористых структур были исследованы молочнокислые бактерии и красные кровяные тельца. Для улучшения визуализации использовались системы напыления металлов для покрытия поверхности инверсного опала тонкой плёнкой платины. Вспомогательным веществом в пробоподготовке выступала ионная жидкость VetexQ EM (Interlab LLC). Показано, что инверсный опал можно использовать как впитывающую подложку для пробоподготовки и экспресс-анализа в сканирующей электронной микроскопии без предварительной сушки, химической обработки или температурного воздействия биообъектов. Использование ионной жидкости в сочетании с впитывающей пористой средой позволяет сохранить первоначальную форму биологических структур. Показана возможность изучения морфологических особенностей биоструктур на примере эритроцитов человека и молочнокислых бактерий. Экспериментально установлено, что впитывающую подложку на основе инверсного опала можно использовать многократно при исследовании биологических объектов. Следовые остатки предыдущих проб, оставшиеся после отжига пластины, не вносят существенных искажений при проведении новых серий наблюдений. В нашем исследовании были получены высококачественные электронные микрофотографии биообъектов с высоким разрешением и контрастом. При этом за счёт использования инверсных опалов в качестве впитывающей подложки обеспечивается сокращение временных и финансовых затрат на исследования.
Журнал: Сибирский журнал науки и технологий
Выпуск журнала: Т. 21, № 4
Номера страниц: 565-573
ISSN журнала: 25876066
Место издания: Красноярск
Издатель: Сибирский государственный университет науки и технологий им. акад. М.Ф. Решетнева