低压透射电镜在医药和生物学研究中对于微小颗粒的形态学观测

来源: QUANTUM量子科学仪器贸易(北京)有限公司   2019-3-18   访问量:1998评论(0)

低压电镜的特性

在医药和生物学研究中对于微小颗粒诸如DNA、RNA、细胞器、外泌体、纳米颗粒、纳米药物等的形态学观测一直是有着刚性的需求。而光学显微镜受到光学衍射极限的限制往往不能够良好的观察小于200 nm的微小粒子。因此到目前为止,直接观测纳米尺度的微小颗粒的最佳手段仍然是使用电子显微镜。
然而传统电镜由于为保证图像质量而需要高压电子枪,因此需要使用大体积腔体和配套的低温、真空设施才能够工作。这不仅导致占地面积过大,还需要相当的资金维持运转和专门的人员进行操作。给使用带来了极大的不便。

另外,虽然高电压能够带来更好的电子顺从性,但是基于碳基的有机物往往不能够承受较高的电子束冲击,因此在实际使用中往往必须使用电镜的最低电压来进行观测以避免损坏样品,这极大地浪费了大型电镜本身的机能。而且由于有机物中的碳类物质不能很好地吸收电子,使得有机物在大型电镜中的衬度很低,往往需要使用金属物质进行负染来提高衬度,而这不可避免的会破坏蛋白、DNA 等有机物的结构。

因此低电压透射电镜将有望解决这一问题。虽然在传统认知中,高的电压总会带给图像更好的成像效果。但在技术发展的当下,即使只使用较低的电压也能够获得较好的成像质量,并且由于低电压的低穿透力使得原本被忽略的细节图像也能够被呈现出来。

美国德隆公司所开发的LVEM5 和LVEM25 便是专门针对低电压所开发的透射电镜,如图1所示。这种设备只需要很少的空间和资源就将其他成像模式,如扫描电子显微镜( SEM )、扫描透射电子显微镜( STEM )或电子衍射( ED )结合在一个设备中。另外,所使用的肖特基场发射枪与低电压电子加速相结合,对于有机物来说又十分的友善。能够很好地避免重金染色属对组织、蛋白、基因、药物、聚合物等有机物的污染和损害,同时保持合理的分辨率(<2 nm)。而这一点在许多文献的报道中也均有体现,如图2a-c所示,而即使5-10 nm的微小金颗粒在使用LVEM5时也能够被顺利的观测,如图2d所示。那么究竟低压透射电镜和传统大电镜相比有多大区别这个问题,今年C. Dazon等发表文献就此问题进行了专门的对比,如图3所示。他们将几种典型纳米颗粒分别使用LVEM5(5 kV)和CM200(200 kV)进行拍照并比较认为两者的图像质量并无明显差别。

图1:LVEM5 结构示意图
图2:典型的纳米粒子表征的LVTEM 应用示例图:
( a )纤维素,( b )脂质体,( c )海水中的纳米塑料颗粒和( d )金纳米颗粒。
图3:用LVEM5 和TEM CM200获得的四种典型材料的显微照片

近一年中的典型案例

由于低压电镜所具有的独特优势使得在近几年中有越来越多的文献报道使用了LVEM系列电镜。下面就列举了近一年中的部分发表文章中展示的电镜照片:
Nimisha Bhattarai等使用LVEM5 TEM模式观察线粒体和
生理pH溶液环境下的nanoGUMBOS(有机盐材料)的形态。
Xiaohong Zheng等使用LVEM5观察NO2传感器中所使用的材料WO3的纳米表征结构TEM图。
Claudel Mickael等使用LVEM5对CDs与bPEI600衍生物的纳米TEM结构表征。
Claudia Melissa等对冰川假单胞菌BNF20的形态使用LVEM5 SEM模式进行观测的图像。
Adolfo Marican等使用LVEM5对环糊精衍生物凝胶CDHSA1(a-b)
和包裹有PDN(c-d)的CDHSA1进行SEM图像表征。
Hadi Ranji-Burachaloo等使用LVEM5拍摄TEM模式下的
有机聚合材料MOF(a)和rMOF(b)的纳米结构图像。
总结

低压透射电镜具有体积小、易操作、高衬度、良好的成像质量等特性。在近几年中,使用这种电镜进行结构表征的文章也越来越多。相信随着生物分子机制研究的深入和纳米材料、药物的发展,这种小巧而灵活的低压透射电镜将会有更加宽广的应用前景。

参考文献

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.
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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



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