Grafen-prøvestøtteteknik til lavspændings-STEM-billeddannelse

Udvikling af nye videnskabelige enheder, der skubber grænserne for, hvad vi kan observere og måle, sker ikke fra den ene dag til den anden. Der er typisk babytrin involveret, små og løbende forbedringer for at imødegå de mange tekniske forhindringer, der opstår på vejen. Det nye state-of-the-art elektronmikroskop udviklet af prof. Tsumoru Shintake ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) er ingen undtagelse fra reglen. Gennem udviklingen af ​​dette enestående mikroskop, OIST-forskere rapporterede om et så afgørende trin i tidsskriftet Microscopy ved hjælp af atom-tynde lag af grafen for at forbedre mikroskopiske billeder af små virus.

Elektronmikroskoper er afhængige af en elektronstråle i stedet for lys til at belyse målprøven. Elektronstrålen ville ramme prøven, med den resulterende spredning af elektronerne, der gør det muligt for videnskabsmænd at bygge et nøjagtigt billede af målet. Denne måde, elektronmikroskoper kan opnå en meget højere opløsning sammenlignet med lysbaserede enheder. Prof. Shintakes unikke mikroskop er ikke engang afhængig af optiske linser længere, i stedet bruge en detektor til at afsløre, hvilke elektroner der ramte de små virusprøver og rekonstruere billedet gennem en computeralgoritme. I øvrigt, mens konventionelle elektronmikroskoper kræver højenergielektroner, dette mikroskop fokuserer snarere på lavenergielektroner, som potentielt kan være meget mere effektive til at afbilde vira, hvis de tilknyttede tekniske problemer kan overvindes.

"Elektroner med lav energi interagerer meget stærkt med stof, "forklarede Dr. Masao Yamashita, undersøgelsens første forfatter. "De er gode til billeddannelse af biologiske prøver, lavet af lette materialer som kulstof, ilt og nitrogen, som grundlæggende er gennemsigtige for højenergielektroner."

Brugen af ​​lavenergielektroner har dog en vigtig ulempe:på grund af dens høje følsomhed over for stof, en elektronstråle med lav energi ville interagere med målprøven, men også med alt andet som støttepladen og filmen, som prøven ligger på. Det resulterende billede ville ikke adskille studiematerialet fra baggrunden.

For at imødegå denne effekt, forskere fra Quantum Wave Microscopy Unit vendte sig mod grafens unikke egenskaber. De syntetiserede en film lavet af et enkelt lag - et atom tyndt - af grafen, hvorpå de biologiske prøver, ligesom de vira, de studerer, vil blive vist.

Graphene er ekstremt ledende, hvilket betyder, at elektroner meget let kan krydse laget. Denne måde, lavenergielektronerne vil interagere meget lidt med baggrundsgrafenlaget og meget mere med virusprøven, som vil skille sig ud med en stor kontrast. Denne høje ledningsevne forhindrer også "opladning", en ophobning af elektroner på filmen, der ville forvrænge det endelige billede. Filmens tyndhed giver også en meget lysere baggrund - dermed en meget bedre kontrast til studiematerialet - end konventionelle kulfilm.

"Grafenfilmen giver os mulighed for at opnå stor kontrast med elektroner med meget lav energi, gør det muligt at forbedre små detaljer" tilføjede Dr. Yamashita.

Imidlertid, en grafenfilm er ikke så let at håndtere. Det er så tydeligt, at det skal være pletfrit og fri for forurenende stoffer, førte OIST-forskerne til at udvikle en teknik til omhyggeligt at rense grafenfilmen.

Der er også et problem med at indlæse virusprøven på grafenfilmen. Grafenfilmen er fedtet, mens biologiske præparater typisk vil være vandbaserede. De ville ikke blande sig særlig godt:hvis du bare tilføjer vira til filmen, resultaterne er virus, der klæber sammen på spredte tætte pletter, hvilket gør det umuligt at afsløre individuelle detaljer.

For at løse dette andet problem, OIST -forskere tyede til at bruge centrifugalkraft til at sprede vira på hele filmens overflade, forhindrer dem i at lave klumper. Viraene indlæses i et rør med grafenfilmen siddende i den ene ende, mens den anden ende er fastgjort til en lodret akse, der er spundet op til 100, 000 omdrejninger i minuttet. Centrifugalkraften skubber vira ind på grafenfilmen og forhindrer dem i at omgruppere sig, giver mulighed for at se karakteristiske detaljer om hver prøve med elektronmikroskop.

Resultatet af alle disse anstrengelser er billeder i højere opløsning af virusskaller, hvis form og morfologiske detaljer kan give fingerpeg om, hvordan man bekæmper dem. For at demonstrere deres succesfulde arbejde, OIST-forskere brugte bakteriofagen T4, en velkendt virus, der angriber specifikke bakterier. Ved hjælp af grafen og en lavspændings elektronstråle fik de mulighed for at afsløre små detaljer som de fiberlignende lemmer, som virussen bruger til at koble til sit bakterielle bytte, tidligere usynlig på en konventionel carbonfilm.

Dr. Yamashita og hans team arbejder allerede på det næste skridt for yderligere at øge kvaliteten af ​​billederne. At rekonstruere billeder og studere morfologien af ​​forskellige typer af prøver i fremtiden, Evnen til sikkert at sammenligne mikroskopiske billeder af biologiske materialer i så lille en skala kræver meget høj konsistens mellem prøverne. For at opnå denne betingelse, forskerne er nu ved at udvikle en robust måde at forberede vira på ved at sprøjte dem på grafenfilmen i et sterilt vakuum. Små vira vil ikke være i stand til at gemme sig ude af syne ret meget længere.