石墨烯拓宽了我们在微小的事物上的视野

2017-06-16 14:57:06 作者：本网整理来源：材料科技在线分享至：

    该显微镜建立于商业设备的基础之上，其已经能被定制和扩展以达到更小的尺度和高的分辨率。在这种独特的电子显微镜中，并没有使用光学透镜来产生显微图像。图片由OIST研究生院提供。

    研发新的实验仪器进而大幅推进我们观察事物与测量时的极限，这种事情不会在一夜之间发生。这其中包含有典型的类似于“婴儿学步”时的初始步骤，还有小而持续的改进，这些改进被用来应对在使用过程中产生的众多技术障碍。冲绳科技研究生院（OIST）的TsumoruShintake教授开发的最先进的新型电子显微镜也不例外。通过开发这种独一无二的显微镜，OIST的研究人员于《显微镜》学报中报道了这一关键步骤——使用原子厚度的薄石墨烯来增强微小病毒微观图像的清晰程度。

    电子显微镜依靠的是电子束而不是光来照射目标样品的。电子束会撞击样品，产生的散射电子使科学家们能够创建出目标样品的精确图像。这样，电子显微镜就可以获得比光学器件更高的分辨率。Shintake教授所拥有的独特显微镜甚至不再依靠光学镜头，而是使用一个探测器显示电子所击中的微小病毒样本，再通过计算机算法重建图像。此外，传统的电子显微镜需要高能量的电子，而这种显微镜更侧重于使用低能量的电子，如果能够克服相关的技术问题，则更可能有效地将病毒成像。

    这项研究的第一作者Masao Yamashita博士提到：“低能量的电子与物质的相互作用非常强烈，它们对于生物标本的成像很有用，这些生物标本由碳、氧和氮等轻物质组成，而这些轻物质对高能量电子来说基本上是透明的。

    然而，使用低能量电子有一个很大的缺点：由于它对物质的灵敏度很高，低能电子束会与目标样品发生作用，但也会与样品上的支撑板和薄膜等其他物质相互作用。由此产生的图像无法将研究的目标材料和周围的环境材料区分开来。

    为了抵消这种影响，量子波显微镜的研究人员开始转而研究石墨烯的独特性质。他们合成了一层薄膜，在仅一个原子薄的石墨烯上面显示生物样本，就像他们研究的病毒一样。

    石墨烯具有良好的导电性，这意味着电子很容易穿过石墨烯层。这样，低能量的电子将与石墨烯层产生很小的相互作用，从而使病毒样品在图像中更加突出。这种高导电性也防止了”充电“现象的发生，薄膜上电子的堆积会扭曲最终的图像。与传统的碳膜相比，石墨烯膜的厚度也为图像提供了一个更明亮的背景，从而使研究材料与背景有了更好的对比。

    Yamashita博士补充说：”石墨烯薄膜使我们能够与能量非常低的电子实现很明显的对比，从而提升观察的细节的清晰度。“然而，石墨烯薄膜并不容易处理。很显然，首先它需要一尘不染，没有任何污染物的环境，这也促使OIST科学家们开发出了一种十分细致地清洁石墨烯薄膜的技术。将病毒样本放置到到石墨烯膜上也是一个问题。石墨烯膜是油性的，而生物制剂通常是以水为基础的。他们不会很好地混合在一起：如果你只是将病毒添加到薄膜中，结果是病毒分散在其密集的斑点上，无法显示个体的细节。

    为了解决第二个问题，OIST研究人员利用离心力将病毒分散到膜的整个表面上，防止它们产生团块。再将病毒装在管中，其中石墨烯膜位于一端，而另一端连接到垂直轴上，该垂直轴每分钟旋转10万次。离心力将病毒推到石墨烯膜上，防止它们重新聚成一团，从而可以用电子显微镜观察每个样品的不同细节。

    所有这些努力的结果是得到了分辨率更高的病毒壳的图片，其形状和形态细节可以为如何对抗病毒提供线索。为了证明他们的工作取得成功，OIST的研究人员使用T4噬菌体，一种著名的攻击特定细菌的病毒。使用石墨烯和低压电子束，使得它们能够显示很小的细节，如病毒用于钩住其细菌性猎物的纤维样四肢，这在以前的常规碳膜上是不可见的。

    Yamashita博士及其团队已经在做进一步提高成像质量的工作。为了重构图像和研究未来各种样本的形态，这种非常可靠的比较不同生物材料显微镜图像的能力------需要样品之间具有非常高的一致性。为了达到这个条件，研究人员现在开发出一种强大的方法：通过在无菌真空环境中将它们喷洒到石墨烯膜上来制备病毒。这些微小的病毒将无法长久的隐藏在视线之外。