&

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(wǎng)整理來源：材料科技在線分享至：

    該顯微鏡建立于商業(yè)設(shè)備的基礎(chǔ)之上，其已經(jīng)能被定制和擴(kuò)展以達(dá)到更小的尺度和高的分辨率。在這種獨(dú)特的電子顯微鏡中，并沒有使用光學(xué)透鏡來產(chǎn)生顯微圖像。圖片由OIST研究生院提供。

    研發(fā)新的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)而大幅推進(jìn)我們觀察事物與測量時(shí)的極限，這種事情不會在一夜之間發(fā)生。這其中包含有典型的類似于“嬰兒學(xué)步”時(shí)的初始步驟，還有小而持續(xù)的改進(jìn)，這些改進(jìn)被用來應(yīng)對在使用過程中產(chǎn)生的眾多技術(shù)障礙。沖繩科技研究生院（OIST）的TsumoruShintake教授開發(fā)的最先進(jìn)的新型電子顯微鏡也不例外。通過開發(fā)這種獨(dú)一無二的顯微鏡，OIST的研究人員于《顯微鏡》學(xué)報(bào)中報(bào)道了這一關(guān)鍵步驟——使用原子厚度的薄石墨烯來增強(qiáng)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(biāo)樣品的。電子束會撞擊樣品，產(chǎn)生的散射電子使科學(xué)家們能夠創(chuàng)建出目標(biāo)樣品的精確圖像。這樣，電子顯微鏡就可以獲得比光學(xué)器件更高的分辨率。Shintake教授所擁有的獨(dú)特顯微鏡甚至不再依靠光學(xué)鏡頭，而是使用一個(gè)探測器顯示電子所擊中的微小病毒樣本，再通過計(jì)算機(jī)算法重建圖像。此外，傳統(tǒng)的電子顯微鏡需要高能量的電子，而這種顯微鏡更側(cè)重于使用低能量的電子，如果能夠克服相關(guān)的技術(shù)問題，則更可能有效地將病毒成像。

    這項(xiàng)研究的第一作者M(jìn)asao Yamashita博士提到：“低能量的電子與物質(zhì)的相互作用非常強(qiáng)烈，它們對于生物標(biāo)本的成像很有用，這些生物標(biāo)本由碳、氧和氮等輕物質(zhì)組成，而這些輕物質(zhì)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(gè)很大的缺點(diǎn)：由于它對物質(zhì)的靈敏度很高，低能電子束會與目標(biāo)樣品發(fā)生作用，但也會與樣品上的支撐板和薄膜等其他物質(zhì)相互作用。由此產(chǎn)生的圖像無法將研究的目標(biāo)材料和周圍的環(huán)境材料區(qū)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(zhuǎn)而研究石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)。他們合成了一層薄膜，在僅一個(gè)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(dǎo)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(chǎn)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(dǎo)電性也防止了”充電“現(xiàn)象的發(fā)生，薄膜上電子的堆積會扭曲最終的圖像。與傳統(tǒng)的碳膜相比，石墨烯膜的厚度也為圖像提供了一個(gè)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(bǔ)充說：”石墨烯薄膜使我們能夠與能量非常低的電子實(shí)現(xiàn)很明顯的對比，從而提升觀察的細(xì)節(jié)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(huán)境，這也促使OIST科學(xué)家們開發(fā)出了一種十分細(xì)致地清潔石墨烯薄膜的技術(shù)。將病毒樣本放置到到石墨烯膜上也是一個(gè)問題。石墨烯膜是油性的，而生物制劑通常是以水為基礎(chǔ)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(jié)果是病毒分散在其密集的斑點(diǎn)上，無法顯示個(gè)體的細(xì)節(jié)。

    為了解決第二個(gè)問題，OIST研究人員利用離心力將病毒分散到膜的整個(gè)表面上，防止它們產(chǎn)生團(tuán)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(zhuǎn)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(tuán)，從而可以用電子顯微鏡觀察每個(gè)樣品的不同細(xì)節(jié)。

    所有這些努力的結(jié)果是得到了分辨率更高的病毒殼的圖片，其形狀和形態(tài)細(xì)節(jié)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(xì)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(xì)節(jié)，如病毒用于鉤住其細(xì)菌性獵物的纖維樣四肢，這在以前的常規(guī)碳膜上是不可見的。

    Yamashita博士及其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在做進(jìn)一步提高成像質(zhì)量的工作。為了重構(gòu)圖像和研究未來各種樣本的形態(tài)，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(dá)到這個(gè)條件，研究人員現(xiàn)在開發(fā)出一種強(qiáng)大的方法：通過在無菌真空環(huán)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。