Kryo-TEM-Bildgebung von Komplexen zur künstlichen Lichtgewinnung außerhalb des Gleichgewichts

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 5552 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Der Energietransport in natürlichen Lichtsammelkomplexen kann unter Laborbedingungen über selbstorganisierte supramolekulare Strukturen untersucht werden. Eine solche Struktur entsteht durch die amphiphilen Farbstoffmoleküle C8S3, die sich in einem wässrigen Medium selbst zu einer doppelwandigen zylindrischen Nanoröhre zusammenlagern, die an natürliche Lichtsammelkomplexe erinnert, die in grünen Schwefelbakterien vorkommen. In diesem Artikel berichten wir über eine Möglichkeit, die Struktur innerer Nanoröhren (NTs) allein zu untersuchen, indem wir die äußeren NTs in einer mikrofluidischen Umgebung auflösen. Das resultierende thermodynamisch instabile System wurde schnell eingefroren, wodurch der Zusammenbau des äußeren NT aus den gelösten Molekülen verhindert wurde, und mithilfe der kryogenen Transmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM) abgebildet. Die experimentellen Kryo-TEM-Bilder und die Molekülstruktur wurden durch Simulation hochauflösender TEM-Bilder verglichen, die auf der molekularen Modellierung von C8S3-NTs basierten. Wir fanden heraus, dass der innere NT, dessen Außenwände während des Flash-Verdünnungsprozesses entfernt wurden, eine ähnliche Größe hatte wie die doppelwandigen Eltern-NTs. Darüber hinaus wurde nach der Blitzverdünnung keine strukturelle Inhomogenität im inneren NT beobachtet. Dies eröffnet spannende Möglichkeiten für die Funktionalisierung innerer NTs, bevor die äußeren NTs wieder zusammengesetzt werden, was weitreichend ausgeweitet werden kann, um die Intra-Architektur anderer selbstorganisierter Nanostrukturen zu modifizieren.

In der Natur spielen Lichtsammelkomplexe mit starken intermolekularen Kopplungen eine entscheidende Rolle im Prozess der Photosynthese, indem sie den Transport von Anregungsenergie zu den Reaktionszentren erleichtern1,2. Um die Energietransportprozesse besser zu verstehen, wurden die natürlichen Systeme umfassend durch einfachere und besser kontrollierbare künstliche Systeme modelliert3,4. Unter diesen sind doppelwandige Nanoröhren (DWNTs), die sich aus amphiphilen C8S3-Molekülen (Abb. 1A) in einer wässrigen Umgebung selbst zusammensetzen5,6, besonders interessant, da sie eine starke strukturelle Ähnlichkeit mit Chlorosomen aufweisen, die in grünen Schwefelbakterien vorkommen7,8. 9, die für die Photosynthese in schlecht beleuchteten Umgebungen optimiert sind8. Es besteht allgemein Einigkeit darüber, dass das C8S3-DWNT-System aus stark gekoppelten Chromophoren besteht, die in inneren und äußeren supramolekularen zylindrischen Strukturen organisiert sind (Abb. 1B, linker Einschub), was einen erheblichen Einfluss auf die optischen Eigenschaften des Systems hat.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Flash-Verdünnung von C8S3-DWNTs. (A) Struktur des amphiphilen C8S3-Moleküls (rot: Sauerstoff, gelb: Schwefel, grün: Chlor, grau: Kohlenstoff, blau: Stickstoff), wobei verschiedene funktionelle Einheiten hervorgehoben sind (blau – hydrophile Gruppe, orange – Chromophor, grau – hydrophobe Gruppe). ). (B) Die beiden Spritzenpumpen versorgen den mikrofluidischen Tropfenmischer mit der DWNT-Lösung und der Methanol-Wasser-Mischung, wo der Flash-Verdünnungsprozess kontrolliert durchgeführt wird. Der Auslass des Mischers ist kurz mit einer mikrofluidischen Durchflusszelle verbunden, in der das Absorptionsspektrum der blitzverdünnten NTs kontinuierlich überwacht wird. Die blitzverdünnten NTs werden am Ende der Durchflusszelle gesammelt, in der Kryo-TEM-Station schnell eingefroren und mit Kryo-TEM abgebildet. Die Einschübe zeigen eine visuelle Darstellung (gerendert mit Blender) von DWNTs und blitzverdünnten NTs zusammen mit gelösten Molekülen; Der Einfachheit halber sind die Lösungsmittelmoleküle nicht dargestellt.

Eine starke Kopplung zwischen den Chromophoren führt zur Bildung delokalisierter Anregungen, der Exzitonen10,12. Diese wandern entlang der Nanoröhren (NTs) hin und her, könnten aber auch von einem NT zum anderen wandern11. Um ein solches Übersprechen zwischen den NTs zu verhindern, kann das innere NT durch einen Prozess namens Flash-Verdünnung10,13 von der DWNT-Struktur entkoppelt werden, d. h. schnelles Mischen der wässrigen DWNT-Lösung mit einer Mischung aus Methanol und Wasser. Dies ermöglicht die selektive Auflösung des äußeren NT (Abb. 1B, rechter Einschub), wie aus dem Verschwinden des mit dem äußeren NT verbundenen excitonischen Absorptionspeaks geschlossen wurde6,11. Die Modellierung der optischen Eigenschaften des inneren NT erfordert Kenntnisse über seine Struktur, Strukturstudien (z. B. Kryo-TEM) sind jedoch durch den schnellen Wiederzusammenbau (innerhalb weniger Minuten10) der gelösten, außerhalb des Gleichgewichts befindlichen äußeren NT-Moleküle begrenzt.

Hier haben wir dieses Problem gelöst, indem wir eine Kombination aus Mikrofluidik und Kryo-TEM (Abb. 1B) verwendet haben, um das isolierte innere NT abzubilden. An den inneren NTs wurde eine Kryo-TEM-Bildgebung durchgeführt, die ca. 40 s nach der mikrofluidischen Blitzverdünnung schnell eingefroren wurde, wodurch der Wiederzusammenbau verhindert wurde. Die experimentellen Kryo-TEM-Bilder wurden mit denen verglichen, die mit der Software für hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM)14 berechnet wurden, unter Einbeziehung der Eingaben aus der molekularen Modellierung von C8S3-NTs. Wir fanden heraus, dass die inneren NTs im Vergleich zu ihren DWNT-Gegenstücken von der Blitzverdünnung weitgehend unberührt blieben. Darüber hinaus war das resultierende Ensemble innerer NTs trotz der potenziell zerstörerischen Wirkung der Blitzverdünnung strukturell genauso homogen wie die übergeordneten DWNTs. Diese Erkenntnisse eröffnen spannende Möglichkeiten für kontrollierte Modifikationen der Intraarchitektur selbstorganisierter Nanostrukturen, die die optischen Eigenschaften des Systems verändern würden.

Die Zugabe von Wasser zu einer Stammlösung von in Methanol gelösten C8S3-Farbstoffmolekülen (siehe „Materialien und Methoden“) führt zur Bildung von DWNTs10,15, die spektroskopisch durch eine starke Rotverschiebung von ∼70 nm (∼2300 cm−1) beobachtet wird ) im Absorptionsspektrum (Abb. 2, blaues Spektrum). Zwei schmale Peaks bei ∼600 nm (∼16.673 cm−1) und ∼590 nm (∼16.963 cm−1) entsprechen excitonischen Übergängen im inneren bzw. äußeren NTs16,17. Die Schulter unter 580 nm wird auf höher liegende excitonische Übergänge zurückgeführt16.

Absorptionsspektren von C8S3-Monomeren gelöst in Methanol (braun), DWNTs (blau) und blitzverdünnten NTs (rot). Zu Vergleichszwecken werden die Spektren von DWNTs und blitzverdünnten NTs auf die Amplitude des Peaks bei ∼600 nm normiert, während das Monomerspektrum auf die Amplitude des Peaks bei ∼520 nm normiert wird. Beachten Sie eine Blauverschiebung von ∼40 cm−1 des 600-nm-Peaks von blitzverdünnten NTs im Vergleich zum Spektrum von DWNTs.

Der Prozess der Flash-Verdünnung wird durch Mischen der DWNT-Lösung mit einer 1:1-Mischung (v/v) aus Methanol und Wasser in einem mikrofluidischen Tropfenmischer18 durchgeführt. Das Verschwinden des Peaks bei ∼590 nm wurde zuvor auf die Auflösung des äußeren NT10,18 zurückgeführt. Ein breiter Peak bei ∼574 nm entspricht höherenergetischen excitonischen Übergängen10,16; Der Beitrag von Bündeln kann ausgeschlossen werden, da sie in Kryo-TEM-Bildern der DWNT-Lösung kaum beobachtet wurden (Ergänzungsinformation I). Darüber hinaus wurde der für die Bündel charakteristische Absorptionspeak bei ∼604 nm kaum beobachtet (Ergänzungsinformation I).

Um die spektroskopischen Daten mit den Strukturdaten in Beziehung zu setzen, wurden sowohl DWNTs als auch blitzverdünnte NTs mittels Kryo-TEM abgebildet. Um identische Bildgebungsbedingungen für die weitere Analyse sicherzustellen, haben wir das Kryo-TEM-Bild betrachtet, das sowohl DWNTs als auch blitzverdünnte NTs enthält (Abb. 3A), und ihre jeweiligen vergrößerten Abschnitte sind in den Abb. 1 und 2 dargestellt. 3B,C. Wir betonen, dass dies ein seltener (aber ansonsten praktischer) Anlass war, da die Gesamtwirksamkeit des Blitzverdünnungsprozesses auf bis zu 90 % geschätzt wird, wobei die Wirksamkeit als Verhältnis der Anzahl der blitzverdünnten NTs zu berechnet wird die Gesamtzahl der NTs in allen Kryo-TEM-Bildern (Ergänzende Informationen II). Weitere Kryo-TEM-Bilder, die unter verschiedenen Defokussierungsbedingungen aufgenommen wurden, werden in den Zusatzinformationen III analysiert.

Kryo-TEM-Bild (A), das sowohl DWNTs (markiert mit *) als auch blitzverdünnte NTs, vergrößerte (85-fach, durch weißes Oval dargestellt) Abschnitte von DWNTs (B), blitzverdünnten NTs (C) und Linienprofile von enthält DWNTs (blau) und blitzverdünnte (rot) NTs (D). Das Kryo-TEM-Bild (A) wird bei einem Defokuswert von ∼1,5 µm aufgenommen. Die Linienprofile werden über 30 TEM-Linienprofile mit einer Länge von jeweils 22,5 nm gemittelt (Ergänzende Informationen IV) (zwei Beispiele sind durch die weißen Rechtecke dargestellt). Die Linienprofile werden zum Vergleich nach Abzug des Hintergrunds auf einen Mindestwert von –1 normiert (Ergänzende Informationen IV). Die durchgezogenen und gestrichelten schwarzen Pfeile zeigen die beiden verwendeten Metriken: die Grenz- bzw. Dip-to-Dip-Abstände, wobei ain der innere Dip-to-Dip-Abstand ist, während bdw und bFD Grenzabstände von DWNTs und blitzverdünnten NTs sind , jeweils.

Die gemittelten Linienprofile von DWNTs und blitzverdünnten NTs sind in Abb. 3D dargestellt, wobei die Minima bei ∼ ± 3,5 nm als „innere Dips“ bezeichnet werden. Der Grenzabstand wird traditionell aus dem Schnittpunkt der Fresnel-Streifen mit der Basislinie bestimmt13,17,20, während der Abstand von Neigung zu Neigung durch Ermittlung der inneren Minima des Linienprofils10,13 ermittelt wird (Abb. 3D und Zusatzinformationen IV). ). Die Histogramme der Grenzen und Dip-to-Dip-Abstände einzelner TEM-Linienprofile (dh von 22,5-nm-Segmenten) sind in Abb. 4 dargestellt, während Tabelle 1 sowohl Metriken für DWNTs als auch blitzverdünnte NTs auflistet. Die Homogenität der DWNTs und blitzverdünnten NTs kann aus der Verteilung der Grenz- und Neigungsabstände mehrerer TEM-Linienprofile bestätigt werden (Abb. 4). Die Standardabweichungen (SDs) der Histogramme aller berücksichtigten Parameter sind relativ gering – kleiner als 5 % der jeweiligen Werte. Dies weist darauf hin, dass sowohl DWNTs als auch blitzverdünnte NTs entlang der NT-Länge sowie untereinander ziemlich homogen sind.

Histogramme der Grenzabstände (braun) und der inneren Dip-to-Dip-Abstände (grün) von DWNTs (A) und blitzverdünnten NTs (B). Für DWNTs und blitzverdünnte NTs wurden 30 Linienprofile mit einer Gesamtlänge von ∼0,7 µm berücksichtigt. Jedes Linienprofil wurde über eine Länge von 22,5 nm gemittelt und ad hoc mit vier (DWNT) oder zwei (blitzverdünnten NT) Gaußschen Kurven angepasst, aus denen die mittleren Positionen extrahiert wurden (Ergänzende Informationen IV). Die Parameter der Histogramme sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Der Grenzabstand der DWNTs von 13,6 ± 0,4 nm stimmt mit den in der Literatur veröffentlichten Werten überein6,13,21,22. Die Wandstärke, berechnet aus der Differenz zwischen den Grenzabständen von DWNTs und blitzverdünnten NTs, beträgt (13,6–10,2)/2 = 1,7 nm, was unter Berücksichtigung der Interdigitalisierung gut mit der Größe des C8S3-Moleküls (∼2 nm)23 übereinstimmt aliphatische Schwänze21. Mit anderen Worten, der Grenzabstand der blitzverdünnten NTs entspricht dem Grenzabstand der DWNTs mit entfernter äußerer Schicht, was stark darauf hindeutet, dass die inneren NTs nach der Blitzverdünnung intakt bleiben.

Verschiedene in der Kryo-TEM-Literatur13,20,21,24 verwendete Metriken (z. B. Grenzabstand und Dip-to-Dip-Abstand) sollten beim Herstellen von Verbindungen zur (molekularen) Makrostruktur21 mit großer Vorsicht betrachtet werden, da sich die von ihnen dargestellten Werte unter Umständen ändern können unterschiedliche Defokussierungsbedingungen. Im Allgemeinen können Spitzen und Täler in TEM-Bildern nicht direkt als Zeichen einer hohen und niedrigen (projizierten) Ladung oder Massendichte interpretiert werden25, und in der Literatur finden sich Beispiele für das Auftreten von „Geisterröhren“ in mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren26. Daher sollte ein Zusammenhang zwischen der molekularen Struktur der Nanoröhren und Kryo-TEM-Bildern hergestellt werden. Zu diesem Zweck verwendeten wir ein atomistisches Molekülmodell (im Folgenden als „Probe“ bezeichnet; Einzelheiten siehe „Materialien und Methoden“), bestehend aus einem einwandigen (SW) und einem doppelwandigen (DW) Abschnitt in Wasser gelöst. Eine Reihe hochauflösender TEM-Bilder (HRTEM), die dieser Konfiguration entsprechen, wurde mit dem Multi-Slice-Algorithmus unter Verwendung der Programmsuite abTEM14 erstellt und Linienprofile senkrecht zur Nanoröhrenachse erhalten (Einzelheiten siehe „Materialien und Methoden“). .

Die Abbildungen 5A und B zeigen C8S3-Moleküle, die in einer röhrenförmigen Struktur für das Molekülmodell bzw. das simulierte HRTEM-Bild der Probe angeordnet sind. Simulierte HRTEM-Linienprofilkontraste für DW- und SW-Abschnitte sowie die entsprechenden Profile der projizierten Kernladungsdichte (Einzelheiten siehe Zusatzinformationen VII) des Atommodells (einschließlich aller Lösungsmittel- und Gegenionen) sind in Abb. dargestellt. 5C bzw. D. Die projizierten Kernladungsdichten der DW- und SW-Abschnitte überlappen sich eng, wobei der Peak der Dichte fast im gleichen Abstand von der Mitte der Röhre liegt (∼3,3 nm). Darüber hinaus liegen die Positionen der inneren Maxima der projizierten Kernladungsdichten (dargestellt durch gestrichelte Linien) einigermaßen nahe (innerhalb von 0,5 nm) an den Positionen der inneren Einbrüche (dh den Minima der Linienprofile bei ∼ ± 3,5 nm) für sowohl die DW- als auch die SW-Abschnitte (Abb. 5C,D).

Molekulares Modell von C8S3-NTs (A), simuliertes HRTEM-Bild bei Defokussierung von 1,2 µm (B) und Linienprofile mit gemitteltem Kontrast von DW- (blau) (C) und SW- (rot) (D) Abschnitten zusammen mit ihrer jeweiligen projizierten Kernladung Dichten (ρn). Das Molekülmodell (A) und das simulierte HRTEM-Bild (B) zeigen sowohl DW- als auch SW-Abschnitte, die in letzterem durch blaue bzw. rote Rechtecke hervorgehoben sind. Fünf Linienprofile von jeweils 20 nm aus dem simulierten HRTEM-Bild werden gemittelt und geglättet, indem ein gleitender Durchschnitt über sieben Punkte (C, D) gebildet wird. Die Linienprofile (projizierte Kerndichten) werden zur Vereinfachung des Vergleichs auf einen minimalen (maximalen) Wert von −0,5 (+ 1) normiert. In den Feldern (C) und (D) zeigen die gestrichelten Linien die Positionen der inneren Einbrüche (∼ ± 3,5 nm) der Linienprofile, die einigermaßen nahe (innerhalb von 0,5 nm) an den Positionen der inneren Maxima des projizierten liegen Kerndichten.

Die aus den experimentellen Kryo-TEM-Bildern erhaltenen Kontrastlinienprofile von DWNTs und blitzverdünnten NTs (Abb. 3D) weisen große Ähnlichkeit mit den simulierten Linienprofilkontrasten auf (Abb. 5C, D). Die Gesamtformen der Linienprofile werden gut reproduziert, und die inneren Einbrüche stimmen im Experiment (für DWNTs und blitzverdünnte NTs, Abb. 4, grüne Histogramme) und in der Theorie (für DW- und SW-Proben, Abb. 5C) gut überein. D). Aus der Feststellung, dass der SW-Abschnitt durch einfaches Entfernen der Moleküle des äußeren NT erhalten wurde, ohne die Molekülstruktur des inneren NT zu verändern, schließen wir, dass die Blitzverdünnung die Innenwand nicht beeinträchtigt. Die Positionen der Einbrüche driften bei unterschiedlichen Werten der Defokussierung leicht (Zusatzinformation III, Abb. S8); Dennoch tun sie dies für die SW- und inneren DW-Abschnitte weitgehend auf die gleiche Weise (Ergänzende Informationen III, Abb. S9). Die Abweichungen bei den jeweiligen Defokuswerten (1,2 µm für theoretische Berechnungen vs. 1,5 µm im Experiment) und der Abstandsskalierung (ca. 10 % zwischen Experiment und Berechnungen, nicht explizit gezeigt) können auf Unterschiede in der Probendicke und endlicher transversaler Kohärenz zurückzuführen sein des Elektronenstrahls und die Genauigkeit des bei der Multislice-Methode verwendeten Potentials. Dennoch stützen die allgemeinen Trends, die in den simulierten HRTEM-Bildern zu sehen sind, unsere Schlussfolgerung, dass die Innenwand die Blitzverdünnung intakt übersteht.

Abschließend kommentieren wir eine kleine, aber auffällige Blauverschiebung von ∼40 cm−1, die im Absorptionsspektrum des inneren NT nach der Blitzverdünnung beobachtet wurde (Abb. 2). Früher wurde angenommen, dass diese Blauverschiebung entweder auf die Änderung des inneren NT-Durchmessers nach der Blitzverdünnung18 oder auf die Verkürzung der Länge der NTs (auf 100 nm oder kürzer) aufgrund der Nanobeschränkung der Exzitonen27 zurückzuführen ist. Wie hier gezeigt, verändert der Flash-Dilution-Prozess die innere NT nicht. Darüber hinaus wurden bei Betrachtung der Sicht auf das Kryo-TEM-Gitter keine signifikanten Änderungen in der Länge der blitzverdünnten NTs beobachtet (Ergänzungsinformation V, Abb. S12). Der letztgenannte Befund bestätigt eine frühere Schlussfolgerung, die auf dem hohen Grad der geometrischen Ausrichtung der blitzverdünnten NTs im Mikrofluidikkanal basiert18. Dementsprechend ist die blaue Spektralverschiebung höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass das innere NT direkt dem Lösungsmittel ausgesetzt wird, was zu einer Änderung der Dielektrizitätskonstante der Umgebung führt. Dies steht im Einklang mit dem vorherigen Befund5 zur Wirkung des Lösungsmittels auf das DWNT-System, bei dem das Absorptionsspektrum von DWNTs, die über den alkoholischen Weg hergestellt wurden, im Vergleich zu DWNTs, die über den direkten Weg hergestellt wurden (d. h. kein Methanol im Lösungsmittel), blauverschoben war. .

Durch den Einsatz von Mikrofluidik, optischer Spektroskopie und Kryo-TEM konnten wir die transienten inneren NTs abbilden, bevor sich die äußeren NTs unter starken Nichtgleichgewichtsbedingungen neu formieren. Experimentelle Kryo-TEM-Bilder wurden mit simulierten HRTEM-Bildern verglichen, die aus der molekularen Modellierung des C8S3 NT-Systems erhalten wurden. Die enge Übereinstimmung zwischen den beiden ließ uns den Schluss ziehen, dass die innere NT nach der Blitzverdünnung unverändert bleibt. Es wurde auch gezeigt, dass die hohe Homogenität des inneren NT durch den Blitzverdünnungsprozess erhalten bleibt, was beweist, dass die Blitzverdünnung selektiv nur den äußeren NT auflöst, während die molekulare Struktur des inneren NT größtenteils intakt bleibt. Diese Schlussfolgerung eröffnet einen neuen Forschungsweg zur Einführung zusätzlicher Nanostrukturen (wie z. B. Quantenpunkte) in den inneren NT, bevor sich der äußere NT zu reformieren beginnt, um die elektronische Kopplung zwischen den Wänden oder die Exzitonendiffusionslänge zu verändern.

Der C8S3-Farbstoff (3,3'-Bis(2-sulfopropyl)-5,5',6,6'-tetrachlor-1,1'-dioctylbenzimidacarbocyanin, MW = 903 g/mol) wurde von FEW Chemicals (Wolfen, Deutschland) bezogen ) und wurde wie erhalten verwendet. C8S3-DWNTs wurden über den in Lit. 5 beschriebenen alkoholischen Weg hergestellt. Kurz gesagt, 2,32 mM Monomerstamm wurden durch Auflösen von C8S3-Farbstoffmolekülen in Methanol (Biosolve BV) hergestellt. Anschließend erfolgte die Zugabe von Milli-Q-Wasser zur Monomer-Stammlösung im Verhältnis 1:0,26 v/v. Es kam zu einem sofortigen Farbumschlag von Orange nach Rosa, was ein Hinweis auf die Selbstorganisation der Monomere ist, die zur Bildung von DWNTs führt. Die resultierende Lösung wurde 15 – 18 Stunden lang bei Raumtemperatur an einem dunklen Ort gelagert. Anschließend wurde 1 ml Milli-Q-Wasser zugegeben, was zu einer endgültigen C8S3-Farbstoffkonzentration von 0,267 mM und 9 % (Gew./Gew.) Methanol in der DWNT-Lösung führte.

Die Flash-Verdünnung erfolgte durch Mischen der DWNT-Lösung mit einer Mischung aus Methanol und Wasser (1:1 v/v) in einem mikrofluidischen Tropfenmischer aus Borosilikat (Micronit), dessen Geometrie ein kontrolliertes und effizientes Mischen bei niedrigen Reynolds-Zahlen gewährleistet ( RE < 100) mit klar definiertem Beginn des Flash-Dilution-Prozesses. Zwei Spritzenpumpen (New Era, Modell NE–300) wurden verwendet, um die DWNT-Lösung und die Methanol-Wasser-Mischung in einem Durchflussverhältnis von 1:1,6 in den Mikrofluidikmischer zu pumpen, mit einer Gesamtdurchflussrate von 2,6 ml/h. Nach dem Mischen flossen die blitzverdünnten NTs zur mikrofluidischen Durchflusszelle (Micronit), wo das Absorptionsspektrum in einem kompakten, tragbaren, selbstgebauten Absorptionsaufbau, der in der Nähe des Kryo-TEM-Einfrierens betrieben werden kann, ständig überwacht wurde Bahnhof. Als Lichtquelle kamen ein weißes LED-Licht und ein Ocean Optics USB-400 Spektrometer zum Einsatz. Die Gesamtzeit, die die Reagenzien vom Mischer bis zum Ende der Durchflusszelle benötigten, betrug etwa 10 s. Die blitzverdünnten NTs wurden am Ende der Durchflusszelle gesammelt und innerhalb von 30 Sekunden nach der Sammlung schnell eingefroren.

Flash-verdünnte NTs wurden etwa 40 s nach Beginn des Flash-Verdünnungsprozesses eingefroren (gemäß dem in Ref. 13 beschriebenen Protokoll). Zunächst wurden etwa 3 µL blitzverdünntes NT auf einem hydrophilisierten Kupfergitter mit einem löchrigen Kohlenstofffilm (Quantifoil 3,5/1) abgeschieden. Anschließend wurde eine dünne Schicht der Probe (ca. 100 nm) durch 5-sekündiges Abtupfen des Überschusses gebildet. Anschließend erfolgte die schnelle Vitrifizierung des Gitters bei −184 °C in flüssigem Ethan mit einem Vitrobot (FEI Eindhoven). Zur Bildgebung wurde ein Transmissionselektronenmikroskop FEI Tecnai T20 mit einer bei 200 keV betriebenen LaB6-Kathode verwendet, wobei die verglasten Gitter in einen Kryotransferhalter (Gatan-Modell 626) gelegt wurden. Die Kryo-TEM-Bilder wurden mit einer UltraScan 4000 UHS CDD-Kamera (Gatan, Pleasanton) im Niedrigdosismodus aufgenommen. Jeweils vier Proben von DWNTs und blitzverdünnten NTs wurden mit unterschiedlicher Defokussierung und Vergrößerung abgebildet. Davon wurden zwei mikroskopische Aufnahmen von DWNTs und drei mikroskopische Aufnahmen von blitzverdünnten NTs willkürlich im Haupttext und in den Zusatzinformationen verwendet. Mit dem in den gemeldeten Bildern verwendeten Vergrößerungswert von 100.000 × (sofern nicht anders angegeben) wird die räumliche Auflösung auf ∼0,5 nm geschätzt, während die Unsicherheit des Defokuswerts des Mikroskops ∼0,5 µm beträgt. Weitere Bildgebungsparameter sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Die Kryo-TEM-Bilder wurden mit der Fiji Image J2-Software analysiert; Die Einzelheiten werden in den Zusatzinformationen IV erläutert.

Als Ausgangsstruktur für unsere Simulationen wurde das C8S3-Nanoröhrenmodell von Bondarenko et al.28 verwendet. Das spezifische Modell reproduzierte die experimentellen Absorptionsspektren der C8S3-Nanoröhren und behielt seine röhrenförmige Struktur während einer Produktionsphase von 100 ns bei. Der Prozess der Konstruktion von C8S3-Nanoröhren basierte auf der Erstellung von 2D-Gittern aus verschiedenen Elementarzellen und deren Rollen zu Zylindern mit spezifischen Radien und Rollwinkeln (Einzelheiten siehe Ergänzende Informationen VI). Der Radius für den Innenwandzylinder dieses Modells betrug 3,72 nm und der Rollwinkel 30,96°, während diese Werte für den Außenwandzylinder 5,49 nm bzw. 31,53° betrugen. Die Einzelheiten sind in Ref. 21,28 beschrieben.

Um die Linienprofilkontraste zu berechnen, wurde ein Nanoröhrenstück mit einer Länge von 20 nm aus dem C8S3-Nanoröhrenmodell (ursprünglich 75 nm) abgeschnitten. Anschließend wurden die C8S3-Moleküle der unteren Hälfte der Nanoröhre entfernt. Die resultierende Struktur bestand aus einer vollständigen C8S3-Nanoröhre von 10 nm, die an eine freiliegende C8S3-Innenröhre von 10 nm gebunden war (Abb. 5A). Die zugeschnittene Nanoröhre wurde in der Mitte einer 40 × 40 × 40 nm großen Box solvatisiert und Na+-Ionen wurden hinzugefügt, um die Ladung des Systems zu neutralisieren. Um sicherzustellen, dass die Abmessungen der Innenwand des Röhrchens in den SW- und DW-Abschnitten gleich waren, wurden Positionsbeschränkungen auf das Chromophor der C8S3-Moleküle in der Innenwand angewendet. Die Gesamtzahl der C8S3-Moleküle betrug 1068 (inneres NT: 604 und äußeres NT: 464) und die Gesamtzahl der Atome betrug 6.807.144. Weitere Einzelheiten finden Sie in den Zusatzinformationen VI und in den Referenzen 21 und 28.

Die Atompositionen aller Atome im Modell (insgesamt etwa 6,8 Millionen) wurden verwendet, um mithilfe der Module des abTEM-Pakets14 simulierte hochauflösende TEM-Bilder (HRTEM) zu erzeugen, indem eine ebene Welle mit einer Realraumauflösung von numerisch propagiert wurde 1,0 Angström über dem elektrostatischen Potential unter Verwendung des Multislice-Algorithmus29. Es wurde die Lobato-Parametrisierung30 der Atompotentiale verwendet, mit einer Schichtdicke von 0,1 Angström und mit exakter Integration in Richtung der ebenen Welle über der Schicht. Die Austrittswelle wurde anschließend durch Anwendung einer Kontrastübertragungsfunktion (CTF) in ein HRTEM-Bild umgewandelt. Die CTF-Einstellungen entsprachen denen des im Experiment verwendeten Elektronenmikroskops (siehe Zusatzinformationen VII), wir variierten jedoch die Defokussierung. Linienprofilkontraste für die SW- und DW-Abschnitte wurden aus dem Bild generiert, indem fünf Linienprofile mit jeweils 20 nm Länge über das Rohr in den SW- und DW-Abschnitten gemittelt wurden. Die Methode zum Erhalten von Kernladungsdichteprofilen wird in den Zusatzinformationen VII erläutert.

Alle im Rahmen dieser Studie generierten oder verarbeiteten Daten sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Mirkovic, T. et al. Lichtabsorption und Energieübertragung in den Antennenkomplexen photosynthetischer Organismen. Chem. Rev. 117, 249–293. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00002 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Chenu, A. & Scholes, GD Kohärenz bei Energieübertragung und Photosynthese. Annu. Rev. Phys. Chem. 66, 69–96. https://doi.org/10.1146/annurev-physchem-040214-121713 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Eisele, DM, Knoester, J., Kirstein, S., Rabe, JP & Vanden Bout, DA Gleichmäßige Exzitonenfluoreszenz von einzelnen molekularen Nanoröhren, die auf festen Substraten immobilisiert sind. Nat. Nanotechnologie. 4, 658–663. https://doi.org/10.1038/nnano.2009.227 (2009).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Haedler, AT et al. Energietransport über große Entfernungen in einzelnen supramolekularen Nanofasern bei Raumtemperatur. Natur 523, 196–199. https://doi.org/10.1038/nature14570 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Von Berlepsch, H., Kirstein, S., Hania, R., Pugžlys, A. & Böttcher, C. Modifikation der nanoskaligen Struktur des J-Aggregats eines sulfonatsubstituierten amphiphilen Carbocyaninfarbstoffs durch Einbau oberflächenaktiver Additive . J. Phys. Chem. B 111, 1701–1711. https://doi.org/10.1021/jp065826n (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Eisele, DM et al. Robuste Exzitonen bewohnen weiche supramolekulare Nanoröhren. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. Vereinigte Staaten Am. 111, E3367–E3375. https://doi.org/10.1073/pnas.1408342111 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Günther, LM et al. Struktur lichtsammelnder Aggregate in einzelnen Chlorosomen. J. Phys. Chem. B 120, 5367–5376. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.6b03718 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Scholes, GD, Fleming, GR, Olaya-Castro, A. & Van Grondelle, R. Lehren aus der Natur über die Nutzung von Sonnenlicht. Nat. Chem. 3, 763–774. https://doi.org/10.1038/nchem.1145 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Brixner, T. et al. Zweidimensionale Spektroskopie elektronischer Kopplungen in der Photosynthese. Natur 434, 625–628. https://doi.org/10.1038/nature03429 (2005).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Eisele, DM et al. Nutzung der Redoxchemie zur Aufklärung der Natur von Exzitonenübergängen in supramolekularen Farbstoff-Nanoröhren. Nat. Chem. 4, 655–662. https://doi.org/10.1038/nchem.1380 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kriete, B. et al. Zusammenspiel zwischen struktureller Hierarchie und Exzitonendiffusion bei der künstlichen Lichtgewinnung. Nat. Komm. 10, 4615. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12345-9 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Clark, KA, Krueger, EL & Vanden Bout, DA Direkte Messung der Energiemigration in supramolekularen Carbocyanin-Farbstoff-Nanoröhren. J. Phys. Chem. Lette. 5, 2274–2282. https://doi.org/10.1021/jz500634f (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kriete, B. et al. Steuerung der Selbstorganisation amphiphiler molekularer Nanostrukturen durch Halogenaustausch. J. Phys. Chem. Lette. 8, 2895–2901. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b00967 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Madsen, J. & Susi, T. abTEM: ab Initio Transmissionselektronenmikroskopie-Bildsimulation. Mikrosk. Mikroanal. 26, 448–450. https://doi.org/10.1017/s1431927620014701 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Berlepsch, HV, Ludwig, K., Kirstein, S. & Böttcher, C. Mischungen achiraler amphiphiler Cyaninfarbstoffe bilden helikale röhrenförmige J-Aggregate. Chem. Physik. 385, 27–34. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2011.04.027 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Clark, KA, Cone, CW & Vanden Bout, DA Quantifizierung der Polarisation von Exzitonenübergängen in doppelwandigen nanoröhrenförmigen J-Aggregaten. J. Phys. Chem. C 117, 26473–26481. https://doi.org/10.1021/jp409573h (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Didraga, C. et al. Struktur, Spektroskopie und mikroskopisches Modell röhrenförmiger Carbocyanin-Farbstoffaggregate. J. Phys. Chem. B 108, 14976–14985. https://doi.org/10.1021/jp048288s (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Kriete, B., Feenstra, CJ & Pshenichnikov, MS Mikrofluidische Ungleichgewichtskontrolle molekularer Nanoröhren. Physik. Chem. Chem. Physik. 22, 10179–10188. https://doi.org/10.1039/d0cp01734e (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Clark, KA, Krueger, EL & Vanden Bout, DA Temperaturabhängige Exzitoneneigenschaften zweier zylindrischer J-Aggregate. J. Phys. Chem. C 118, 24325–24334. https://doi.org/10.1021/jp507791q (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Qiao, Y. et al. In-situ-Synthese von Halbleiter-Nanokristallen an der Oberfläche röhrenförmiger J-Aggregate. J. Mater. Chem. C 2, 9141–9148. https://doi.org/10.1039/c4tc01724b (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Patmanidis, I. et al. Strukturelle Charakterisierung supramolekularer hohler Nanoröhren mit atomistischen Simulationen und SAXS. Physik. Chem. Chem. Physik. 22, 21083–21093. https://doi.org/10.1039/d0cp03282d (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Von Berlepsch, H., Kirstein, S. & Böttcher, C. Wirkung von Alkoholen auf die J-Aggregation eines Carbocyaninfarbstoffs. Langmuir 18, 7699–7705. https://doi.org/10.1021/la0203640 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Prokhorov, V., Petrova, M., Kovaleva, N. & Demikhov, E. Atomkraft- und optische Nahfeldmikroskopie-Untersuchung von Carbocyanin-Farbstoff-J-Aggregaten. Curr. Nanowissenschaften. 10, 700–704. https://doi.org/10.2174/1573413710666140411000614 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Eisele, DM et al. Photoinitiiertes Wachstum von Silbernanodrähten mit einer Größe von weniger als 7 nm innerhalb einer chemisch aktiven organischen nanoröhrenförmigen Matrize. Marmelade. Chem. Soc. 132, 2104–2105. https://doi.org/10.1021/ja907373h (2010).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Fultz, B. & Howe, J. High-Resolution TEM Imaging, 521–586 (Springer, 2013).

Google Scholar

Hayashi, T. et al. TEM-Bildsimulationsstudie von kleinen Kohlenstoffnanoröhren und Kohlenstoffnanodrähten. Kohlenstoff 44, 1130–1136. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.11.017 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Bondarenko, AS, Jansen, TL & Knoester, J. Exzitonenlokalisierung in röhrenförmigen Molekülaggregaten: Größeneffekte und optische Reaktion. J. Chem. Physik. 152, 194302. https://doi.org/10.1063/5.0008688 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Bondarenko, AS et al. Multiskalenmodellierung der molekularen Struktur und optischen Eigenschaften komplexer supramolekularer Aggregate. Chem. Wissenschaft. 11, 11514–11524. https://doi.org/10.1039/d0sc03110k (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cowley, JM & Moodie, AF Die Streuung von Elektronen durch Atome und Kristalle: I: Ein neuer theoretischer Ansatz. Acta Cryst. 10, 609–619. https://doi.org/10.1107/s0365110x57002194 (1957).

Artikel MathSciNet CAS Google Scholar

Lobato, I. & Van Dyck, D. Eine genaue Parametrisierung für Streufaktoren, Elektronendichten und elektrostatische Potentiale für neutrale Atome, die allen physikalischen Einschränkungen unterliegen. Acta Crystallogr. Sekte. A: Foundations Adv. 70, 636–649. https://doi.org/10.1107/S205327331401643X (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken H. von Berlepsch für die Herausforderung, die inneren NTs nach der Blitzverdünnung abzubilden. Wir danken BJ Kooi für hilfreiche Ratschläge zur Analyse von Kryo-TEM-Bildern, F. de Haan für allgemeine Laborunterstützung und J. Madsen für Feedback zu TEM-Bildsimulationen mit dem abTEM-Paket. Wir danken B. Kriete und TLC Jansen für ihre Beiträge beim Lesen der ersten Version des Manuskripts. MSP und SRK danken der Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO, Projekt OCENW.KLEIN.356) für die finanzielle Unterstützung.

Zernike Institute for Advanced Materials, Universität Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG, Groningen, Niederlande

Sundar Raj Krishnaswamy, Ivo A. Gabrovski und Maxim S. Pshenichnikov

Groninger Biomolekularwissenschaften und Biotechnologie-Institut, Universität Groningen, Nijenborgh 7, 9747 AG, Groningen, Niederlande

Elias Patmanidis, Marc CA Stuart und Alex H. de Vries

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MSP und SRK haben das Projekt entwickelt. IAG und SRK bereiteten Proben vor und führten Flash-Verdünnungsexperimente durch. MCAS führte ein schnelles Einfrieren der blitzverdünnten NTs durch und erhielt Kryo-TEM-Bilder. Die Daten wurden von SRKIP analysiert und AHdV entwickelte ein molekulares Modell von DWNT und berechnete die Linienprofilkontraste. Das Manuskript wurde von SRK, AHdV und MSP unter Mitwirkung aller Autoren verfasst.

Korrespondenz mit Maxim S. Pshenichnikov.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Krishnaswamy, SR, Gabrovski, IA, Patmanidis, I. et al. Kryo-TEM-Bildgebung von Komplexen zur künstlichen Lichtgewinnung außerhalb des Gleichgewichts. Sci Rep 12, 5552 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-09496-z

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Eingegangen: 11. November 2021

Angenommen: 24. März 2022

Veröffentlicht: 01. April 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-09496-z

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