探索纳米宇宙

电子显微镜的应用范围很广,从半导体检验到材料研究再到分子生物学研究无处不在。在传统的TEM以及较新的2017年获得诺贝尔奖的Cryo-TEM中,样本必须在XYZ坐标中以高精度进行纳米定位,然后围绕一根轴倾斜以生成一定数量的图像重建用透射图像。尤其在使用通常厚度为50纳米的超薄玻璃化样本切片的Cryo-TEM中,对比度较低。因此,通常需要多个倾斜角度的数千张图像才能进行重建。

然而,使用TEM或SEM(扫描电子显微镜)扫描样本时,不仅试样的精密初始定位是该方法的主要考量因素,而且在纳米级和亚纳米级范围内对试样进行极为精密的扫描亦是如此。

这意味着,所有电子显微镜法均需要针对多个维度的自由度的精密驱动器,通常在3至6个维度之间,包括XYZ、旋转和倾斜运动,具体取决于特定的硬件装置。

为实现最高的动态性、最小的显微镜外型尺寸以及最大的用户便利性,最好应将驱动器放置在压力要求通常在10-4毫巴到10-6毫巴之间的真空室内。对驱动器的进一步要求是使用非磁性材料,而Cryo-TEM则要求液态乙烷(-160摄氏度)甚至液态氮(-196摄氏度)的工作温度。

当前Cryo-TEM的一个示例应用案例是抗击新型冠状病毒(COVID-19)。这项技术在鉴别SARS-CoV-2病毒的蛋白质表面结构方面起着至关重要的作用。获得的关于病毒外壳的知识为抗击病毒的机理和可能性提供了重要线索。球形冠状病毒通常具有从其表面突出的所谓刺突。这些刺突不仅使其得名,冠状物 = 冠,而且可能是该病毒具有高传染性的原因。这些刺突很容易附着在人体细胞上,并且能够在细胞上停留足够长的时间,乃至可以将病毒的DNA与人体细胞的DNA相融合。由于病毒可以快速改变其结构,即不断变异,因此其外观是变异的指标之一。

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