Development, characterization and application of in-liquid electron imaging and diffraction techniques for high-resolution structural analysis : Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung von In-liquid-Elektronenabbildungs- und Beugungstechniken für die hochauflösende Strukturanalyse

Spotting the mesoscale structural dynamics of biochemical processes in vivo with atomic-level detail has been a great technological challenge. Since a majority of these occur naturally in the solution phase, techniques allowing in-liquid observations are particularly attractive to the scientific community. Even though spectroscopic techniques permit straightforward solution-phase measurements, they nevertheless fail to provide direct structural information. Scattering techniques are mostly applied for such applications. In-liquid sample preparation techniques for electrons, which offer a greater scattering cross-section compared to X-rays, is quite challenging. The low penetration depth of the electrons imposes an additional constraint on the sample thickness. This thesis presents the author’s contribution towards the modification of the existing liquid cell technology for in-liquid real-space imaging and diffraction. Silicon based micro- and nanofabrication technology has been used to produce 20 nm thin silicon nitride windows for nanofluidic cells. The behaviour of nanofluidic cells under vacuum was characterized using a thin-film interferometer. These measurements provided insight into the deformation occurring in the silicon nitride windows, which resulted in an increase in specimen thickness. These issues led to the idea of the environmental liquid cell (ELC), where the environmental cell concept was combined with nanofluidic cell technology. The newly developed ELC method was shown to demonstrate controllable liquid thickness, which allowed imaging of gold nanoparticles, polystyrene beads, and ferritin molecules with sub-nm spatial resolution. The same technique was utilized to acquire diffraction from liquid water at room temperature. The scattering data provided information about the O•••H and O•••O pair distribution function, from which the coordination number was extracted and the values were 1.91 and 5,01, respectively. Further, the number of hydrogen bonds per water molecule was computed to be 3.8, implying a nearly tetrahedral structure of water. Despite delivering very promising results, the ELC technique still cannot be used for phase contrast imaging which require windows as thin as 10 nm. Moreover, the windows in the ELC are prone to failure. These shortcomings prompted the design idea of the elliptical multi-window liquid cell for phase-contrast imaging.

Die Untersuchung von Strukturdynamik biochemischer Prozesse mit atomarer räumlicher Auflösung in vivo ist eine große technische Herausforderung. Da diese Prozesse meist in wässrigem Milieu auftreten sind Techniken, die Beobachtungen in flüssiger Form ermöglichen, für Wissenschaftler besonders attraktiv. Auch wenn spektroskopische Techniken einfache Messungen in der Lösungsphase erlauben, liefern sie dennoch keine direkten Strukturinformationen. Für solche Anwendungen werden meist Streuungstechniken eingesetzt. Präparationstechniken für flüssige Proben, welche mittels Elektronenmikroskopie oder Elektronenbeugung untersucht werden sollen, stellen im Vergleich zu den auf Röntgenstrahlen basierten Analogen eine große Herausforderung dar. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der größere Streuquerschnitt der Elektronen, welcher zu einer geringeren Eindringtiefe führt und somit sehr dünne Proben erfordert. In dieser Arbeit wird der Beitrag des Autors zur Modifizierung der bestehenden Flüssigkeitszellentechnologie für die Realabbildung als auch Beugung von flüssigen Proben vorgestellt. Auf Silizium basierende Mikro- und Nanofabrikationstechnologien wurden eingesetzt, um 20 nm dünne Siliziumnitridfenster für Nanofluidikzellen herzustellen. Das Verhalten von Nanofluidikzellen unter Vakuum wurde mit Hilfe eines Dünnschichtinterferometers charakterisiert. Diese Messungen gaben Aufschluss über die in den Siliziumnitridfenstern auftretende Verformung, die zu einer unerwünschten Zunahme der Probendicke führte. Um dieses Problem zu umgehen, wurde die Idee der Umgebungsflüssigkeitszelle (ELC) konzipiert. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um eine Kombination von Ansätzen herkömmlicher environmental Transmissionselektronenmikroskopie mit der Nanofluidik-Zellentechnologie. Die neu entwickelte ELC-Methode erlaubte die Verwirklichung eines Flüssigkeitsfilms kontrollierbarer Dicke, was seinerseits die Abbildung von Goldnanopartikeln, Polystyrolkügelchen und Ferritinmolekülen mit einer räumlichen Auflösung von besser als einem Nanometer ermöglichte. Dieselbe Technik wurde zur Erfassung der Beugung an flüssigem Wasser bei Raumtemperatur verwendet. Die Streudaten lieferten Informationen über die O---H- und O---O-Paar-Verteilungsfunktion, aus denen die Koordinationszahl extrahiert wurde und die Werte 1,91 bzw. 5,01 betrugen. Weiterhin wurde berechnet, dass die Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen pro Wassermolekül 3,8 beträgt, was eine nahezu tetraedrische Struktur des Wassers impliziert. Obwohl die ELC-Technik sehr vielversprechende Ergebnisse liefert, konnte sie bisher noch nicht für die Phasenkontrast-Bildgebung eingesetzt werden. Hierfür sind Siliziumnitridfenster von etwa 10 nm Dicke erforderlich. Darüber hinaus sind die soweit genutzten Fenster in der ELC fragil, und somit unzuverlässig. Diese Unzulänglichkeiten gaben den Anstoß zu der Konstruktionsidee der elliptischen Mehrfenster-Flüssigkeitszelle für die Phasenkontrast-Bildgebung.