新型电子显微镜可提供氨基酸中的纳米级 无损伤同位素追踪

一种新的电子显微镜技术可以检测纳米级蛋白质重量的细微变化 - 同时保持样品的完整性 - 可以为更深入，更全面的生命基本构建研究开辟新的途径。

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家在“ 科学 ”杂志上描述了第一次使用电子显微镜直接识别纳米级氨基酸中的同位素而不损坏样品。

同位素通常用于标记分子和蛋白质。通过测量分子振动特征的变化，电子显微镜可以以前所未有的光谱精度和空间分辨率跟踪同位素。

该技术不会破坏氨基酸，允许动态化学的真实空间观察，并为生命科学中从简单到复杂的生物结构的大量科学发现奠定基础。

“我们了解疾病，人体新陈代谢和其他复杂生物现象的进展方式是基于蛋白质之间的相互作用，”ORNL博士后研究员，第一作者Jordan Hachtel说。“我们通过用同位素标记特定蛋白质来研究这些相互作用，然后通过化学反应跟踪它，看看它去了哪里以及它做了什么。”

“现在，我们可以直接用电子显微镜跟踪同位素标记，这意味着我们可以用与蛋白质实际大小相当的空间分辨率来做到这一点，”Hachtel补充道。

他们的新实验发生在ORNL的纳米材料科学中心，在扫描透射电子显微镜或STEM中使用单色电子能量损失光谱或EELS。科学家使用的技术足够敏感，可以区分单个原子上单个中子不同的分子。EELS用于捕获氨基酸分子结构中的微小振动。

“通常使用质谱法在宏观层面上看到同位素标记，质谱是一种显示样品原子量和同位素组成的科学工具，”ORNL的科学家兼通讯作者Juan Carlos Idrobo说。“质谱分析具有令人难以置信的质量分辨率，但它通常不具有纳米空间分辨率。这是一种破坏性技术。”

质谱仪使用电子束将分子分解成带电碎片，然后通过它们的质荷比表征。在宏观尺度上观察样本，科学家们只能从统计学上推断出样本中可能存在的化学键。样本在实验过程中被破坏，留下未被发现的有价值的信息。

由ORNL团队应用的新电子显微镜技术提供了一种更温和的方法。通过将电子束定位得非常靠近样品，但不直接接触它，电子可以在不破坏样品的情况下激发和检测振动，从而允许在更长的时间段内在室温下观察生物样品。

它们的结果构成了电子显微镜的突破，因为带负电的电子束通常仅对质子敏感，而不对中子敏感。“然而，分子振动的频率取决于原子量，并且这些振动频率的精确测量开启了在电子显微镜中测量同位素的第一个直接通道，”Idrobo说。

ORNL领导的研究团队预计他们潜在的改变游戏规则的技术不会取代现在用于检测同位素标记的质谱和其他传统的基于光学和中子的技术。

“我们的技术是宏观质谱实验的完美补充，”Hachtel说。“通过对质谱的预先了解，我们可以进入并在空间上解决同位素标记最终存在于真实空间样本中的位置。”

除了生命科学之外，该技术还可以应用于其他软物质，如聚合物，也可能应用于量子材料，其中同位素替代可以在控制超导性方面发挥关键作用。

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