石墨烯：幫助我們更好地觀察病毒！

導讀

最近，日本科學家採用石墨烯材料承載病毒樣本，改善了電子顯微鏡對於病毒樣本的成像質量。

關鍵字

石墨烯、電子顯微鏡、病毒

背景

「工欲善其事，必先利其器」。許多微觀現象是肉眼無法觀測到的，比如說病毒，其體積十分微小，一半用納米為單位來度量，不同病毒的大小大概在20～450納米之間。所以，此時我們就需要依賴於強大的科學儀器，例如電子顯微鏡。

為了獲得病毒的最佳成像效果，電子顯微鏡技術，與其他各領域的技術一樣，都需要不斷地創新和改進，這些改進是點點滴滴積累而成的。

那麼，石墨烯又會帶來什麼幫助呢？

創新

最近，沖繩科學技術大學院大學（OIST）的教授 Tsumoru Shintake 領導的團隊，在開發最先進的電子顯微鏡過程中，採用了二維材料石墨病毒樣本，從而改善了微小病毒的顯微成像效果。換句話說，也就是可以幫助我們更好地觀察病毒。相關論文發表於在《顯微鏡學》雜誌。

（圖片來源於：OIST）

對於石墨烯，筆者在之前的文章中多次介紹，有興趣的朋友可以參考閱讀一下。這裡，我再一次簡單介紹一下：

石墨烯，是一種典型的二維材料，它是由單層碳原子組成蜂窩狀的二維晶體。它在力學、電學 、光學 、熱學等方面具有許多優異特性，享有「新材料之王」的美譽。

技術

從技術的角度，我們還是首先介紹研究人員對於電子顯微鏡的研究。

一般來說，不同於光學顯微鏡，電子顯微鏡是通過電子束照射目標樣本，而不是光線。電子束擊中樣本後，會產生電子散射，從而構建目標的準確圖像。正是由於方式，電子顯微鏡能比光學顯微鏡具有更好的解析度。

Shintake 教授設計的這種顯微鏡，甚至不再依賴光學鏡頭，而是使用探測器去檢測哪些電子擊中了病毒樣本，再通過計算機演算法重建出圖像。

（圖片來源於：OIST）

更進一步說，傳統的電子顯微鏡依賴於高能電子，這種電子顯微鏡卻是利用低能電子。它在病毒成像方面更加高效。論文的第一作者 Masao Yamashita 博士稱：

「低能電子和物質之間的交互非常強烈，這對於生物標本成像來說這樣很好。這些標本是由例如碳、氧和氮等輕質材料組成。它們對於高能電子來說，基本上是透明的。」

但是，低能電子顯微鏡仍然需要克服一些技術障礙，使用低能電子會存在一個重要缺陷：

因為對物質高度敏感，低能電子束在和目標樣本發生相互作用的同時，也會和其他任何東西，例如承載樣本的支撐板和薄膜，發生相互作用。生成的圖像會無法將需要研究的目標材料與背景區分開來。

為了解決這個問題，研究人員開始想到了石墨烯。他們合成了石墨烯薄膜，用於承載生物標本例如需要研究的病毒，然後對於它們進行成像。

石墨烯的導電性非常好，所以電子穿過石墨烯層非常容易。這樣一來，低能電子與背景的石墨烯層之間的交互將非常少，而與病毒樣本之間交互就會更多，所以它們將形成強烈的對比。

這種良好的導電性，也可以防止「charging-up」現象的發生，即薄膜上累積的電子對於最終圖像形成扭曲。由於這種薄膜非常薄，所以它也能提供更加亮的背景，相對於傳統的碳薄膜來說，它和要研究的材料之間會形成更好的對比。

Yamashita 博士說：

「這種石墨薄膜讓我們可以通過低能電子，達到更高的對比度，從而改善微小的細節。」

然而，石墨烯薄膜也不是那麼容易控制的。它必須非常純潔，並且不受到任何污染。因此，OIST的科學家們開發了一種新技術，用於一絲不苟地清潔石墨烯薄膜。

將病毒樣本載入到石墨烯薄膜上，還存在另外一個問題。石墨烯薄膜是油性的，而生物製劑往往是水基的，它們將無法很好的混合：

如果你將病毒添加到石墨烯薄膜上，結果將是病毒粘在一起，以密集的點分布，從而根本無法看到單獨的細節。

為了解決這個問題，OIST的研究人員採用了離心力，使得病毒可以分散到整個薄膜的表面，防止它們聚成一團。這種病毒添加的時候，會通過一根管子，管子一端是石墨烯薄膜，而另外一端連接到一個每分鐘旋轉多達10萬次的垂直軸。離心力將病毒推送到石墨烯薄膜上，且防止病毒聚集在一起。這樣一來，電子顯微鏡就可以觀察到每個標本的細節。

價值

所有這些努力帶來的成果，就是一幅更高解析度的病毒外殼圖像。了解它的形狀和形態的細節，有助於我們更好地與它作鬥爭。為了演示研究成果，OIST的研究人員使用了T4噬菌體，顧名思義，這種病毒能夠「捕食」細菌。

石墨烯和低電壓的電子束，能幫助我們揭示出病毒極其微小的細節，例如纖維般的「尾巴」，用於鉤住它們的獵物細菌，這個細節在傳統的碳薄膜上無法觀測到。

讓我們來看電子顯微鏡下T4噬菌體的圖像，左邊是使用傳統的碳薄膜，右邊的是採用的石墨烯薄膜。明顯可以看出，右邊這幅圖具有更多的細節顯示。用於表示比例的黑色條線的長度是20納米。

（圖片來源於：OIST）

未來

Yamashita 教授和他的團隊的下一步，就是進一步提高圖像質量。為了未來重新構建圖像和研究各種類型標本的形態，在如此小的尺度下對比生物樣本，需要樣本之間高度的一致性。

為了創造這個條件，研究人員正在開發一種更加強大的方式來準備病毒，就是在無菌真空的條件下，將病毒噴洒到石墨烯薄膜上。這樣一來，這些微小的病毒將得到更加清晰的顯示。

參考資料

【1】https://www.oist.jp/news-center/news/2017/6/9/graphene-enhancing-our-vision-infinitely-small

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