作者:丹尼·艾伦比，冲绳科学技术研究所 QWM研究所的研究人员
Hidehito Adaniya(左)和Dr
张宇人(右)展示新的冷冻电子显微镜
学分:冲绳科技学院 可视化病毒、蛋白质和其他小生物分子的结构可以帮助科学家更深入地了解这些分子是如何发挥作用的，从而有可能为疾病带来新的治疗方法
近年来，一种被称为低温电子显微术(cryo-EM)的强大技术已经使生物分子成像发生了革命性的变化，在这种技术中，快速冷冻的样本被嵌入玻璃样的冰中，并通过电子束进行探测
然而，这项技术所依赖的显微镜极其昂贵且使用复杂，使得许多研究人员无法使用
现在，OIST冲绳科学技术研究院的科学家们已经开发出一种更便宜、更方便用户的低温电子显微镜，最终可以让数千个实验室接触到低温电子显微镜
在六年的建造过程中，该团队通过在扫描电子显微镜上增加新的成像功能来建造显微镜
他们用混合显微镜对三种不同的生物分子成像:两种形状截然不同的病毒和一种蚯蚓蛋白
“制造这种显微镜是一个漫长而具有挑战性的过程，所以我们对目前为止的结果感到兴奋，”博士说
量子波显微镜(QWM)部门的研究员，该研究的第一作者之一，发表在《超微显微镜》杂志上
“除了更便宜、使用更简单，我们的显微镜还利用了低能电子，这有可能提高图像的对比度
" 目前，低温电磁的工作原理是向生物样本发射高能电子
电子与生物分子中的原子相互作用并散射，改变它们的方向
散射的电子然后击中探测器，特定的散射模式被用来建立样本的图像
扫描电子显微镜(SEM和STEM)的两种常规模式；左边和中间)不能生成生物分子的图像
然而，全息成像模式(右)，可用于成像生物分子，如烟草花叶病毒所示
信用:修改自张曼玉，阿达尼亚，卡西迪，山下，新田
用改进的扫描电子显微镜对玻璃冰包埋的小生物分子进行低能在线电子全息成像
超微显微镜，209 (2020) 112883，图3
但是在高能时，只有相对少量的散射事件发生，因为当电子快速通过时，它们与样品中的原子的相互作用非常弱
“生物分子主要由低原子质量的元素组成，如碳、氮、氢和氧，”合著者和研究人员Dr
张震扬
“高速电子几乎看不见这些较轻的元素
" 相比之下，低能电子传播速度较慢，与较轻元素的相互作用更强，从而产生更频繁的散射事件
然而，低能电子和较轻元素之间的这种强相互作用很难利用，因为样品周围的冰层也会散射电子，产生背景噪声，掩盖生物分子
为了克服这个问题，科学家们对显微镜进行了改造，这样它就可以切换到一种不同的成像技术:低温电子全息术
在全息成像模式下，电子束包围整个样品，形成参考波和物波
然后这些波相互干涉形成全息图，由探测器记录下来
信用:修改自张曼玉，阿达尼亚，卡西迪，山下，新田
用改进的扫描电子显微镜对玻璃冰包埋的小生物分子进行低能在线电子全息成像
超微显微镜，209 (2020) 112883，图2
形成全息图 在全息模式下，电子枪向样品发射一束低能电子，使电子束的一部分穿过冰和样品，形成物质波，而电子束的另一部分只穿过冰，形成参考波
电子束的两个部分然后相互作用，就像池塘中碰撞的波纹，产生一种独特的干涉图案——全息图
基于全息图的干涉图案，探测器可以区分样品散射和冰膜散射
科学家们还可以比较光束的两个部分，从电子中获得额外的信息，这些信息很难用传统的低温电磁法检测到
“电子全息术为我们提供了两种不同的信息——振幅和相位——而传统的低温电子显微镜技术只能检测相位，”Dr
Adaniya
他解释说，这些额外的信息可以让科学家获得更多关于标本结构的知识
当大气中的水蒸气冷却并在与过冷样品接触时结晶形成结晶冰
因此，研究人员必须在充满氮气的手套箱中进行准备程序，以防止与水接触
学分:冲绳科技学院 薄冰中的突破 除了建造混合显微镜，科学家们还必须优化样品制备
由于低能电子比高能电子更容易被冰散射，包裹样品的冰膜必须尽可能薄，以使信号最大化
科学家们使用水合氧化石墨烯薄片来固定生物分子，从而形成更薄的冰膜
张说，科学家们还必须采取特殊措施来防止结晶冰的形成，这对“低温电磁成像来说是个坏消息”
通过目前的设置和优化样本，显微镜产生的图像分辨率高达几纳米，研究人员承认，这远低于传统低温电磁获得的近原子分辨率
但即使以目前的分辨率，这种显微镜仍然填补了作为预筛选显微镜的一个重要空白
“因为低能电子与冰的相互作用非常强烈，所以我们便宜且用户友好的显微镜可以帮助研究人员在花费宝贵的时间和金钱使用传统的低温电磁显微镜之前测量冰的质量，”博士说
Adaniya
研究人员称，整个过程快速简单
扫描电镜/干细胞模式帮助科学家找到最佳成像点，然后无缝过渡到全息模式
更重要的是，这种模式转换技术能够应用到其他商业扫描电子显微镜中，使其成为一种广泛采用的成像方法
在未来，该团队希望通过将电子枪改为能产生更高质量电子束的电子枪来进一步提高图像分辨率
“这将是下一步，”他们说
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