Sidovy av det skräddarsydda elektronmikroskopet i Quantum Wave Microscopy Unit. Detta mikroskop var baserat på en kommersiell enhet som har anpassats och utökats för att nå ännu mindre skalor och hög upplösning. Inga optiska linser används för att skapa de mikroskopiska bilderna i detta unika elektronmikroskop. Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology
Att utveckla nya vetenskapliga apparater som tänjer på gränserna för vad vi kan observera och mäta sker inte över en natt. Det är vanligtvis babysteg involverade, små och kontinuerliga förbättringar för att motverka de många tekniska hinder som uppstår på vägen. Det nya toppmoderna elektronmikroskopet som utvecklats av prof. Tsumoru Shintake vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) är inget undantag från regeln. Genom utvecklingen av detta unika mikroskop, OIST-forskare rapporterade ett sådant avgörande steg i tidskriften Microscopy med användning av atomtunna lager av grafen för att förbättra mikroskopiska bilder av små virus.
Elektronmikroskop förlitar sig på en elektronstråle snarare än ljus för att belysa målprovet. Elektronstrålen skulle träffa provet, med den resulterande spridningen av elektronerna som gör det möjligt för forskare att bygga en korrekt bild av målet. Den här vägen, elektronmikroskop kan uppnå en mycket högre upplösning jämfört med ljusbaserade enheter. Prof. Shintakes unika mikroskop förlitar sig inte ens på optiska linser längre, använder istället en detektor för att avslöja vilka elektroner som träffar de små virusproverna och rekonstruerar bilden genom en datoralgoritm. Dessutom, medan konventionella elektronmikroskop kräver högenergielektroner, Det här mikroskopet fokuserar snarare på lågenergielektroner som potentiellt kan vara mycket effektivare för att avbilda virus om de associerade tekniska problemen kan övervinnas.
"Lågenergielektroner interagerar mycket starkt med materia, " förklarade Dr. Masao Yamashita, studiens första författare. "De är utmärkta för att avbilda biologiska prover, består av lätta material som kol, syre och kväve, som i princip är transparenta för högenergielektroner."
Att använda lågenergielektroner har dock en viktig nackdel:på grund av dess höga känslighet för materia, en lågenergielektronstråle skulle interagera med målprovet men också med allt annat som stödplattan och filmen som provet ligger på. Den resulterande bilden skulle inte skilja studiematerialet från bakgrunden.
För att motverka denna effekt, forskare från Quantum Wave Microscopy Unit vände sig till grafens unika egenskaper. De syntetiserade en film gjord av ett enda lager – en atom tunt – av grafen på vilken de biologiska proverna, som virusen de studerar, kommer att visas.
Grafen är extremt ledande, vilket innebär att elektroner kan passera lagret mycket lätt. Den här vägen, lågenergielektronerna kommer att interagera väldigt lite med bakgrundsgrafenskiktet och mycket mer med virusprovet som kommer att sticka ut med stor kontrast. Denna höga ledningsförmåga förhindrar också "uppladdning", en ansamling av elektroner på filmen som skulle förvränga den slutliga bilden. Filmens tunnhet ger också en mycket ljusare bakgrund - alltså en mycket bättre kontrast mot studiematerialet - än konventionella kolfilmer.
Att använda en grafenfilm ger en mycket hög kontrast som avslöjar detaljer. Elektronmikroskopibilder av bakteriofag T4-virus. Den vänstra bilden gjordes med konventionell kolfilm, den högra bilden med det tunna grafenskiktet med en atom. Mer detaljer om svansen och lemmar av virus kan skönjas. Den svarta stapeln som används för skala är 20 nanometer (0,00000002 meter). Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology
"Grafenfilmen tillåter oss att uppnå stor kontrast med elektroner med mycket låg energi, gör det möjligt att förbättra små detaljer" tillade Dr. Yamashita.
Dock, en grafenfilm är inte så lätt att hantera. Det är så tydligt att det måste vara fläckfritt och fritt från föroreningar, vilket ledde till att OIST-forskarna utvecklade en teknik för att noggrant rengöra grafenfilmen.
Det finns också ett problem med att ladda virusprovet på grafenfilmen. Grafenfilmen är oljig, medan biologiska preparat vanligtvis är vattenbaserade. De skulle inte blandas särskilt bra:om du bara lägger till virusen på filmen, Resultaten är virus som klänger ihop i spridda täta fläckar som gör det omöjligt att avslöja enskilda detaljer.
För att lösa detta andra problem, OIST-forskare använde centrifugalkraft för att sprida virusen på hela filmens yta, hindrar dem från att bilda klumpar. Virusen laddas i ett rör med grafenfilmen i ena änden, medan den andra änden är fäst vid en vertikal axel som snurras upp till 100, 000 varv per minut. Centrifugalkraften trycker in virusen på grafenfilmen och hindrar dem från att omgruppera, gör det möjligt att se distinkta detaljer på varje prov med elektronmikroskopet.
Resultatet av alla dessa ansträngningar är bilder med högre upplösning av virusskal, vars form och morfologiska detaljer kan ge ledtrådar om hur man bekämpar dem. För att visa deras framgångsrika arbete, OIST-forskare använde bakteriofagen T4, ett välkänt virus som angriper specifika bakterier. Genom att använda grafen och en lågspänningselektronstråle kunde de avslöja små detaljer som de fiberliknande lemmar som viruset använder för att haka på sitt bakteriella byte, tidigare osynligt på en konventionell kolfilm.
Dr Yamashita och hans team arbetar redan med nästa steg för att ytterligare öka kvaliteten på bilderna. För att rekonstruera bilder och studera morfologin hos olika typer av exemplar i framtiden, förmågan att säkert jämföra mikroskopiska bilder av biologiska material i så liten skala kräver mycket hög konsistens mellan proverna. För att uppnå detta tillstånd, forskarna utvecklar nu ett robust sätt att förbereda virusen genom att spraya dem på grafenfilmen i ett sterilt vakuum. Små virus kommer inte att kunna gömma sig utom synhåll särskilt mycket längre.
