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石墨烯拓寬了我們在微小的事物上的視野

2017-06-16 14:57:06 作者：本網整理來源：材料科技在線分享至：

    該顯微鏡建立于商業設備的基礎之上，其已經能被定制和擴展以達到更小的尺度和高的分辨率。在這種獨特的電子顯微鏡中，并沒有使用光學透鏡來產生顯微圖像。圖片由OIST研究生院提供。

    研發新的實驗儀器進而大幅推進我們觀察事物與測量時的極限，這種事情不會在一夜之間發生。這其中包含有典型的類似于“嬰兒學步”時的初始步驟，還有小而持續的改進，這些改進被用來應對在使用過程中產生的眾多技術障礙。沖繩科技研究生院（OIST）的TsumoruShintake教授開發的最先進的新型電子顯微鏡也不例外。通過開發這種獨一無二的顯微鏡，OIST的研究人員于《顯微鏡》學報中報道了這一關鍵步驟——使用原子厚度的薄石墨烯來增強微小病毒微觀圖像的清晰程度。

    電子顯微鏡依靠的是電子束而不是光來照射目標樣品的。電子束會撞擊樣品，產生的散射電子使科學家們能夠創建出目標樣品的精確圖像。這樣，電子顯微鏡就可以獲得比光學器件更高的分辨率。Shintake教授所擁有的獨特顯微鏡甚至不再依靠光學鏡頭，而是使用一個探測器顯示電子所擊中的微小病毒樣本，再通過計算機算法重建圖像。此外，傳統的電子顯微鏡需要高能量的電子，而這種顯微鏡更側重于使用低能量的電子，如果能夠克服相關的技術問題，則更可能有效地將病毒成像。

    這項研究的第一作者Masao Yamashita博士提到：“低能量的電子與物質的相互作用非常強烈，它們對于生物標本的成像很有用，這些生物標本由碳、氧和氮等輕物質組成，而這些輕物質對高能量電子來說基本上是透明的。

    然而，使用低能量電子有一個很大的缺點：由于它對物質的靈敏度很高，低能電子束會與目標樣品發生作用，但也會與樣品上的支撐板和薄膜等其他物質相互作用。由此產生的圖像無法將研究的目標材料和周圍的環境材料區分開來。

    為了抵消這種影響，量子波顯微鏡的研究人員開始轉而研究石墨烯的獨特性質。他們合成了一層薄膜，在僅一個原子薄的石墨烯上面顯示生物樣本，就像他們研究的病毒一樣。

    石墨烯具有良好的導電性，這意味著電子很容易穿過石墨烯層。這樣，低能量的電子將與石墨烯層產生很小的相互作用，從而使病毒樣品在圖像中更加突出。這種高導電性也防止了”充電“現象的發生，薄膜上電子的堆積會扭曲最終的圖像。與傳統的碳膜相比，石墨烯膜的厚度也為圖像提供了一個更明亮的背景，從而使研究材料與背景有了更好的對比。

    Yamashita博士補充說：”石墨烯薄膜使我們能夠與能量非常低的電子實現很明顯的對比，從而提升觀察的細節的清晰度。“然而，石墨烯薄膜并不容易處理。很顯然，首先它需要一塵不染，沒有任何污染物的環境，這也促使OIST科學家們開發出了一種十分細致地清潔石墨烯薄膜的技術。將病毒樣本放置到到石墨烯膜上也是一個問題。石墨烯膜是油性的，而生物制劑通常是以水為基礎的。他們不會很好地混合在一起：如果你只是將病毒添加到薄膜中，結果是病毒分散在其密集的斑點上，無法顯示個體的細節。

    為了解決第二個問題，OIST研究人員利用離心力將病毒分散到膜的整個表面上，防止它們產生團塊。再將病毒裝在管中，其中石墨烯膜位于一端，而另一端連接到垂直軸上，該垂直軸每分鐘旋轉10萬次。離心力將病毒推到石墨烯膜上，防止它們重新聚成一團，從而可以用電子顯微鏡觀察每個樣品的不同細節。

    所有這些努力的結果是得到了分辨率更高的病毒殼的圖片，其形狀和形態細節可以為如何對抗病毒提供線索。為了證明他們的工作取得成功，OIST的研究人員使用T4噬菌體，一種著名的攻擊特定細菌的病毒。使用石墨烯和低壓電子束，使得它們能夠顯示很小的細節，如病毒用于鉤住其細菌性獵物的纖維樣四肢，這在以前的常規碳膜上是不可見的。

    Yamashita博士及其團隊已經在做進一步提高成像質量的工作。為了重構圖像和研究未來各種樣本的形態，這種非常可靠的比較不同生物材料顯微鏡圖像的能力------需要樣品之間具有非常高的一致性。為了達到這個條件，研究人員現在開發出一種強大的方法：通過在無菌真空環境中將它們噴灑到石墨烯膜上來制備病毒。這些微小的病毒將無法長久的隱藏在視線之外。