研究人员加速成像技术，用石墨烯捕获小分子结构

(Nanowerk News）由Pinshane Huang领导的伊利诺伊大学厄巴纳 – 香槟分校的一项研究工作正在加速成像技术，以清晰地可视化小分子的结构 – 这一过程曾经被认为是不可能的（Nano Letters，“石墨烯上小有机分子的原子分辨率成像”）。他们的发现在改善日常生活应用方面释放了无穷无尽的潜力 – 从塑料到药品。

材料科学与工程系副教授与共同主要作者Blanka Janicek合作，Blanka Janicek是加利福尼亚州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的’21校友和博士后，以及化学系研究生Priti Kharel，以证明允许研究人员可视化小分子结构并加速当前成像技术的方法。

其他合著者包括研究生Sang hyun Bae和本科生Patrick Carmichael和Amanda Loutris。他们的同行评审研究最近发表在Nano Letters上。

最左边的Pinshane Huang加入了Priti Kharel（左二），Justin Bae和Patrick Carmichael（最右）在材料研究实验室。平板电脑上的照片是Blanka Janicek。（摄影：Heather Coit/Grainger Engineering）

该团队的努力揭示了分子的原子结构，使研究人员能够了解它如何反应，了解其化学过程并了解如何合成其化合物。

“分子的结构是其功能的基础，”黄说。“我们在工作中所做的是使人们有可能直接看到这种结构。

观察小分子结构的能力至关重要。Kharel通过举例一种称为沙利度胺的药物来分享其重要性。

沙利度胺在60年代被发现，被处方给孕妇治疗孕吐，后来被发现会导致严重的出生缺陷，甚至在某些情况下甚至死亡。

哪里出错了？该药物具有混合分子结构，一种负责治疗孕吐，另一种不幸对胎儿造成破坏性的不良影响。

对积极主动的，而不是被动的科学的需求促使黄和她的学生继续这种最初纯粹出于好奇心的研究工作。

“准确确定这些分子的结构至关重要，”Kharel说。

通常，分子结构是用间接技术确定的，这是一种耗时且困难的方法，使用核磁共振或X射线衍射。更糟糕的是，间接方法可能会产生不正确的结构，使科学家几十年来对分子构成的错误理解。通过使用直接成像方法可以消除围绕小分子结构的模糊性。

在过去的十年中，黄仁勋见证了低温电子显微镜技术的重大进步，生物学家冷冻大分子以捕获其结构的高质量图像。

“我的问题是：是什么阻止他们对小分子做同样的事情？”黄说。“如果我们能做到这一点，你也许能够解决结构（并）弄清楚如何合成植物或动物产生的天然化合物。这可能变得非常重要，就像一个伟大的疾病斗士，“黄说。
挑战在于，小分子通常比大分子小100倍甚至1000倍，这使得它们的结构难以检测。

Huang的学生决心开始使用现有的大分子方法作为开发成像技术的起点，以使小分子的结构出现。

与大分子不同，来自小分子的成像信号很容易被周围环境淹没。该团队没有使用冰，冰通常作为保护层免受电子显微镜恶劣环境的影响，而是设计了另一个保持小分子结构完整的计划。

如何调节分子的环境？通过使用石墨烯。

石墨烯是一层碳原子，形成紧密的六边形蜂窝晶格，在成像过程中消散破坏性反应。

稳定小分子的环境只是伊利诺伊州研究人员必须处理的一个问题。该团队还必须限制对电子的使用，低至通常使用的选举次数的百万分之一，以照亮分子。

低剂量的电子确保分子仍然足够移动，以便研究人员捕获图像。

“我喜欢思考它的方式是分子不喜欢被高能选举轰炸，但我们需要这样做才能看到结构，石墨烯有助于从分子中消散一些电荷，以便我们实际上可以获得它的良好图像，”Janicek说。

不幸的是，一旦被捕获，分子在图像中几乎不可见。

“当他们拍摄低剂量图像时，它最初看起来像噪音或电视静态 – 几乎就像那里什么都没有一样，”黄说。

诀窍是通过使用傅里叶变换（一种分解小分子图像的数学函数）将原子结构与噪声隔离开来，以查看其空间频率。

“我们拍摄了数十万个分子的图像，并将它们加在一起以构建一个单一，清晰的图像，”Kharel说。

这种平均方法使该团队能够创建分子原子的清晰图像，而不会损害任何单个分子的完整性。

“月复一月，周复一周，我们的决心提高了，”黄说。“然后有一天，我的学生进来向我展示了单个碳原子 – 这是一项重大成就。当然，这是在他们获得所有这些深入知识之后获得的，以设计成像实验以及如何从看似一无所有的东西中解锁数据。

这一集体发现为更多的结构分子成像发现铺平了道路。

“可以说，整个小分子领域都被冷落了。我们正在照亮我们如何作为一个领域到达那里？我们怎么会让这个现在对我们来说如此困难的事情呢？”黄说。“总有一天不会是这样——这就是希望。

伊利诺伊州研究人员的努力是将这一梦想变为现实的第一步。

“总有一天，这将是我们解决小分子结构的方法，”黄说。“人们只会把分子扔进电子显微镜里，拍一张照片就完成了。

这个梦想激励着黄和她的伊利诺伊州团队坚持这一路线。

“这可能会改变生活，我们已经让它存在了，”黄说。“我们还没有让它变得容易，但像这样的成像技术将改变科学和技术的很多。

资料来源：Emily Jankauski，伊利诺伊大学