Photoemission and Characterization of Neutrophils and Nanoparticles : Energy Mapping and Elemental Composition with sub-µm Resolution

Imaging and visualization of cells and tissues are important when studying various biological phenomena. The ability to provide spatial information with molecular and chemical specificity may increase our insight and understanding of biological problems within life sciences. There is a need for well suited analytical imaging tools for addressing challenges that can increase our knowledge from the visualization on the cellular and subcellular level. In this thesis, we have focused on the use of surface analytical techniques based on the photoemission process. Synchrotron based surface analytical tools such as mirror electron microscopy, low energy electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray photoemission electron microscopy and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy were used to obtain highly resolved chemical information for both fundamental biological systems and technical innovations. A combined photoemission electron microscopy and imaging X-ray photoelectron spectroscopy instrument have been used for visualization and characterization of neutrophils attached to silicon and gold surfaces. Neutrophils are white blood cells and a major part of our innate immune system. In the body they circulate and scavenge for possible threats, such as pathogens. The neutrophils possess three main defense mechanisms to tackle any possible threat in the body. One of these mechanisms is the release and formation of extracellular traps used for entrapping and capturing. We have visualized the extracellular trap formation in presence of nanoparticles and images of the neutrophils have been obtained with threshold mapping and work function contrast from energy-filtering operations together with element specific imaging and chemical maps. We demonstrated work function variation in imaging mode for the cellular morphology and the characteristic polymorphonuclear morphology of the nucleus. These results demonstrate the potential and extend the use of photoemission electron microscopy and imaging X-ray photoelectron spectroscopy as analytical tools for visualization of biological materials and processes on the cellular level. The use of nanoparticles in recent years have significantly increased. Today, nanoparticles are being used in a wide range of applications, such as in electronics, energy, biology, and medicine. One hot topic in medicine is the development of contrast enhancement agents for magnetic resonance imaging. We report the development of two types of nanoparticles to be used as contrast enhancers for magnetic resonance imaging. The first type is water-dispersible and ultra-small Fe3O4 nanoparticles coated with polyacrylic acid. The Fe3O4 nanoparticles exhibit good magnetic properties, biocompatibility, excellent relaxivity properties and can be employed as a potential dual T1 and T2 weighted contrast agent. The second type is cerium oxide nanoparticles with the integration of gadolinium. Cerium oxide has unique redox properties due to the coexistence of Ce3+ and Ce4+ states making them suitable for scavenging reactive oxygen species. The integration of gadolinium makes these nanoparticles promising contrast agents with both therapeutic and diagnostic properties. We have designed a new technical innovative energy saving process where a reduction in the annealing temperature for oxide removal is obtained, by the presence of europium doped gadolinium oxide nanoparticles in comparison to Eu3+ and Gd3+. A low coverage of nanoparticles and ions revealed a significant reduction in annealing temperature for the oxide removal. These results deliver a promising one step energy saving strategy of producing silicon-based contacts. In summary, this thesis work demonstrates the power of element specific imaging and chemical mapping of bio-related surfaces as well as nanoparticle tracking in the sub-micro and nano region.Avbildning av celler och vävnader är en viktig del i att studera biologiska processer. Förmågan att visualisera biologiska prover med molekylär och kemisk specificitet kan öka vår insikt och förståelse för de biologiska processerna. Idag finns det ett behov av att använda anpassade analytiska avbildningstekniker för att hantera dessa utmaningar som kan öka vår kunskap genom avbildning på den cellulära och molekylära nivån. I detta avhandlingsarbete ligger fokus på avbildning av neutrofila granulocyter, en typ av vita blodkroppar med hjälp av ett fysikaliskt fenomen, den så kallade fotoelektriska effekten. Den fotoelektriska effekten kan förklaras genom att elektroner slås ut från ett material om man belyser det med ljus som har en tillräcklig hög frekvens. Dessa kallas då fotoemitterade elektroner. Vi har fokuserat på instrument som är baserad på den fotoelektriska effekten för visualisering och karakterisering av neutrofiler. Neutrofiler är den vanligaste celltypen av vita blodkroppar och fyller en mycket viktig funktion i det medfödda immunförsvaret. Dessa celler cirkulerar i blodet och är bland de första vid en akut inflammation. Neutrofilernas främsta uppgifter är att ta hand om och oskadliggöra främmande patogener. De använder sig av olika typer av försvarsstrategier och en av dessa består av att neutrofilen bildar och kastar ut ett nätverk som består av dess egna DNA. Vi har specifikt använt oss av ett instrument för avbildning av neutrofiler som kombinerar teknikerna från både fotoemissionelektronmikroskopi och avbildande röntgenfotoelektronspetroskopi. Dessa instrument erbjuder ytanalyser och skapar en kraftigt förstorad bild genom de fotoemitterade elektronerna. Utöver den förstorade bilden ges spatial information om olika atomslag och den elektroniska strukturen hos de ingående molekylära komponenterna. Dessa resultat belyser potentialen och utökar användningen av fotoemissionselektronmikroskopi och avbildande röntgenfotoelektronspektroskopi som analysverktyg för visualisering av biologiska material och processer på cellnivå. Nanotekniken och användningen av nanopartiklar har under de senaste åren ökat markant. Nanopartiklar är små partiklar med en diameter på mindre än några miljarddels meter. Idag används nanopartiklar i en uppsjö av olika tillämpningar, till exempel inom elektronik, energi, biologi och medicin. En utmaning idag är att tillverka och utveckla kontrastförstärkande medel baserade på nanopartiklar för användning inom bildgivande magnetresonanstomografi, en teknik för avbildning av mjuk vävnad. I denna avhandling har vi utvecklat två typer av kontrasförstärkande medel där den ena består av extremt små nanopartiklar av järnoxid som genom dess storlek kan användas som både ett positivt och negativt kontrastmedel och där den andra består av nanopartiklar som baseras på ceriumoxid med integrerat gadolinium. Dessa nanopartiklar har antioxidativa egenskaper på grund av samexistens av två oxidationstillstånd. Detta möjliggör ett kontrastmedel med både terapeutiska och diagnostiska egenskaper. En annan tillämpning av nanopartiklar som vi har undersökt är reducering av annealingtemperaturen av kiseloxid med hjälp av närvaron av europium-dopade gadoliniumoxid-nanopartiklar. En låg täckning av nanopartiklar och joner avslöjade en signifikant minskning av annealingtemperaturen för oxidavlägsning. Synkrotronljusbaserade tekniker har använts för att karakterisera ytan med högupplöst kemisk information. Under annealingsprocessen inträffade en fragmentering av nanopartiklarna där gadolinium migrerade till kiseloxidrika områden, medan europium migrerade till rena kiselområden. Dessa resultat visar ett lovande energisparande sätt att producera kiselbaserade kontakter