低壓透射電鏡在醫(yī)藥和生物學研究中對于微小顆粒的形態(tài)學觀測
低壓電鏡的特性
在醫(yī)藥和生物學研究中對于微小顆粒諸如DNA、RNA、細胞器、外泌體、納米顆粒、納米藥物等的形態(tài)學觀測一直是有著剛性的需求。而光學顯微鏡受到光學衍射極限的限制往往不能夠良好的觀察小于200 nm的微小粒子。因此到目前為止，直接觀測納米尺度的微小顆粒的最佳手段仍然是使用電子顯微鏡。
然而傳統(tǒng)電鏡由于為保證圖像質(zhì)量而需要高壓電子槍，因此需要使用大體積腔體和配套的低溫、真空設(shè)施才能夠工作。這不僅導致占地面積過大，還需要相當?shù)馁Y金維持運轉(zhuǎn)和專門的人員進行操作。給使用帶來了極大的不便。
另外，雖然高電壓能夠帶來更好的電子順從性，但是基于碳基的有機物往往不能夠承受較高的電子束沖擊，因此在實際使用中往往必須使用電鏡的最低電壓來進行觀測以避免損壞樣品，這極大地浪費了大型電鏡本身的機能。而且由于有機物中的碳類物質(zhì)不能很好地吸收電子，使得有機物在大型電鏡中的襯度很低，往往需要使用金屬物質(zhì)進行負染來提高襯度，而這不可避免的會破壞蛋白、DNA 等有機物的結(jié)構(gòu)。
因此低電壓透射電鏡將有望解決這一問題。雖然在傳統(tǒng)認知中，高的電壓總會帶給圖像更好的成像效果。但在技術(shù)發(fā)展的當下，即使只使用較低的電壓也能夠獲得較好的成像質(zhì)量，并且由于低電壓的低穿透力使得原本被忽略的細節(jié)圖像也能夠被呈現(xiàn)出來。
另外，雖然高電壓能夠帶來更好的電子順從性，但是基于碳基的有機物往往不能夠承受較高的電子束沖擊，因此在實際使用中往往必須使用電鏡的最低電壓來進行觀測以避免損壞樣品，這極大地浪費了大型電鏡本身的機能。而且由于有機物中的碳類物質(zhì)不能很好地吸收電子，使得有機物在大型電鏡中的襯度很低，往往需要使用金屬物質(zhì)進行負染來提高襯度，而這不可避免的會破壞蛋白、DNA 等有機物的結(jié)構(gòu)。
因此低電壓透射電鏡將有望解決這一問題。雖然在傳統(tǒng)認知中，高的電壓總會帶給圖像更好的成像效果。但在技術(shù)發(fā)展的當下，即使只使用較低的電壓也能夠獲得較好的成像質(zhì)量，并且由于低電壓的低穿透力使得原本被忽略的細節(jié)圖像也能夠被呈現(xiàn)出來。
美國德隆公司所開發(fā)的LVEM5 和LVEM25 便是專門針對低電壓所開發(fā)的透射電鏡，如圖1所示。這種設(shè)備只需要很少的空間和資源就將其他成像模式，如掃描電子顯微鏡( SEM )、掃描透射電子顯微鏡( STEM )或電子衍射( ED )結(jié)合在一個設(shè)備中。另外，所使用的肖特基場發(fā)射槍與低電壓電子加速相結(jié)合，對于有機物來說又十分的友善。能夠很好地避免重金染色屬對組織、蛋白、基因、藥物、聚合物等有機物的污染和損害，同時保持合理的分辨率（<2 nm）。而這一點在許多文獻的報道中也均有體現(xiàn)，如圖2a-c所示，而即使5-10 nm的微小金顆粒在使用LVEM5時也能夠被順利的觀測，如圖2d所示。那么究竟低壓透射電鏡和傳統(tǒng)大電鏡相比有多大區(qū)別這個問題，今年C. Dazon等發(fā)表文獻就此問題進行了專門的對比，如圖3所示。他們將幾種典型納米顆粒分別使用LVEM5（5 kV）和CM200（200 kV）進行拍照并比較認為兩者的圖像質(zhì)量并無明顯差別。
圖1：LVEM5 結(jié)構(gòu)示意圖
圖2：典型的納米粒子表征的LVTEM 應用示例圖：
( a )纖維素，( b )脂質(zhì)體，( c )海水中的納米塑料顆粒和( d )金納米顆粒。
圖3：用LVEM5 和TEM CM200獲得的四種典型材料的顯微照片
近一年中的典型案例
由于低壓電鏡所具有的獨特優(yōu)勢使得在近幾年中有越來越多的文獻報道使用了LVEM系列電鏡。下面就列舉了近一年中的部分發(fā)表文章中展示的電鏡照片：
Nimisha Bhattarai等使用LVEM5 TEM模式觀察線粒體和生理pH溶液環(huán)境下的nanoGUMBOS（有機鹽材料）的形態(tài)。
Xiaohong Zheng等使用LVEM5觀察NO2傳感器中所使用的材料WO3的納米表征結(jié)構(gòu)TEM圖。
Claudel Mickael等使用LVEM5對CDs與bPEI600衍生物的納米TEM結(jié)構(gòu)表征。
Claudia Melissa等對冰川假單胞菌BNF20的形態(tài)使用LVEM5 SEM模式進行觀測的圖像。
Adolfo Marican等使用LVEM5對環(huán)糊精衍生物凝膠CDHSA1（a-b）
和包裹有PDN（c-d）的CDHSA1進行SEM圖像表征。
Hadi Ranji-Burachaloo等使用LVEM5拍攝TEM模式下的
有機聚合材料MOF（a）和rMOF（b）的納米結(jié)構(gòu)圖像。
有機聚合材料MOF（a）和rMOF（b）的納米結(jié)構(gòu)圖像。
總結(jié)
低壓透射電鏡具有體積小、易操作、高襯度、良好的成像質(zhì)量等特性。在近幾年中，使用這種電鏡進行結(jié)構(gòu)表征的文章也越來越多。相信隨著生物分子機制研究的深入和納米材料、藥物的發(fā)展，這種小巧而靈活的低壓透射電鏡將會有更加寬廣的應用前景。
參考文獻
1. C. Dazon, B. Maxit, O. Witschger, 2019, Comparison between a low-voltage benchtop electron microscope and conventional TEM for number size distribution of nearly spherical shape constituent particles of nanomaterial powders and colloids. Micron, 116, 124–129
2. de la Calle, I., Menta, M., Klein, M., Maxit, B., Séby, F., 2018. Towards routine analysis of TiO2 (nano-)particle size in consumer products: evaluation of potential techniques. Spectrochim. Acta B: Atom. Spectroscopy 147, 28–42.
3. Debia, M., Bakhiyi, B., Ostiguy, C., Verbeek, J.H., Brouwer, D.H., Murashov, V., 2016. A systematic review of reported exposure to engineered nanomaterials. Ann. Occup. Hyg. 60, 916–935.
4. Drummy, L.F., 2014. Electron microscopy of organic – inorganic interfaces: Advantages of low voltage. Ultramicroscopy 145, 74–79.
5. Loza, K., Diendorf, J., Sengstock, C., Ruiz-Gonzalez, L., Gonzalez-Calbet, J.M., Vallet-Regi, M., et al., 2014. The dissolution and biological effects of silver nanoparticles in biological media. J. Mater. Chem. B. 2, 1634–1643.
6. Nimisha Bhattarai, J. Michael Mathis, Mi Chen, Rocio L Perez, Noureen Siraj, Paul K.S. Magut, Karen McDonough, Girija Sahasrabudhe, and Isiah M Warner. 2018, Mol. Pharmaceutic, 15, 3837–3845
7. Xiaohong Zheng, Cheng Zhang, Jinfeng Xia, Guohong Zhou, Danyu Jiang, Shiwei Wang, XinLi, Yibo hen, Mengting Dai, Bing Wang, Qiang Li , 2019, Mesoporous tungsten oxide electrodes for YSZ-based mixed potential sensors to detect NO2 in the sub ppm-range, Sensors and Actuators B: Chemical, 284, 1, 575-581
8. Claudel Micka¨el,Fan Jiahui, Rapp Micka¨el, Pons Françoise and Lebeau Luc，2019，Influence of carbonization conditions on luminescence and gene delivery properties of nitrogen-doped carbon dots，RSC Adv., 2019, 9, 3493
9. Claudia Melissa, Muñoz-Villagrán, Katterinne N. Mendez, Fabian Cornejo, Maximiliano Figueroa, Agustina Undabarrena, Eduardo Hugo Morales, Mauricio Arenas-Salinas, Felipe Alejandro Arenas1, Eduardo Castro-Nallar and Claudio Christian Vásquez，2018， Comparative genomic analysis of a new tellurite-resistant Psychrobacter strain isolated from the Antarctic Peninsula， DOI 10.7717/peerj.4402
10. Adolfo Marican, Fabián Avila-Salas, Oscar Valdés, Sergio Wehinger, Jorge Villaseñor, Natalia Fuentealba, Mauricio Arenas-Salinas, Yerko Argandoña, Verónica Carrasco-Sánchez and Esteban F. Durán-Lara, 2018, Rational Design, Synthesis and Evaluation of CD-Containing Cross-Linked Polyvinyl Alcohol Hydrogel as a Prednisone Delivery Platform, Pharmaceutics 2018, 10(1), 30
11. Hadi Ranji-Burachaloo, Qiang Fu, Paul A. Gurr, Dave E. Dunstan and Greg G. Qiao, 2018, Improved Fenton Therapy Using Cancer Cell Hydrogen Peroxide, Australian Journal of Chemistry 71(10) 826-836
低壓透射電鏡具有體積小、易操作、高襯度、良好的成像質(zhì)量等特性。在近幾年中，使用這種電鏡進行結(jié)構(gòu)表征的文章也越來越多。相信隨著生物分子機制研究的深入和納米材料、藥物的發(fā)展，這種小巧而靈活的低壓透射電鏡將會有更加寬廣的應用前景。
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11. Hadi Ranji-Burachaloo, Qiang Fu, Paul A. Gurr, Dave E. Dunstan and Greg G. Qiao, 2018, Improved Fenton Therapy Using Cancer Cell Hydrogen Peroxide, Australian Journal of Chemistry 71(10) 826-836
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