突破性成像技术精准绘制冷冻生物颗粒元素分布图

抖音推荐 2025年08月03日 17:45 1 admin

一项新技术结合了增强的背景校正与稳定扫描，可揭示敏感材料的完整元素分布信息。

冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）彻底改变了科学家研究生物和有机材料的方式。快速冷冻样品可将其结构保存在接近自然状态。

多年来，研究人员利用该技术高分辨率地研究生物物质的尺寸、形状和分散情况。但冷冻电镜有一个主要盲点：它难以揭示元素组成，而这是理解材料功能的关键因素。

现有的解决方案，如能量过滤透射电镜（EF-TEM）和电子能量损失谱（EELS），可以检测元素信号，但它们存在缺点：经常损伤样品、存在图像漂移问题，且主要用于金属或块体材料的研究。

超越结构的成像

日本东北大学（Tohoku University）的一个团队现已解决了这一局限。他们开发了一种新型冷冻-EELS/EF-TEM技术，能够在冷冻溶剂中同时捕获样品的结构和元素组成。

该方法使研究人员能够在不影响图像清晰度或损伤样品的情况下，研究敏感的有机纳米材料。

传统EELS成像的问题有两点：样品内部的冰层会增加不必要的背景信号，而扫描过程中的漂移会导致图像模糊。这些问题使得难以分辨所研究的实际材料，特别是在生物或软有机样品中。

为解决此问题，东北大学团队改进了“三窗口法”（3-window method），这是一种已知的EELS背景校正方法，并针对冷冻环境进行了专门优化。这种改进的背景扣除有助于消除冰层的干扰，使目标材料的元素信号清晰显现。

用新工具解决漂移问题

在长时间的EELS扫描中，漂移仍然是个挑战。为应对此问题，该团队引入了一种漂移补偿系统，可在整个数据采集过程中稳定图像。他们还为ParallEM显微镜控制系统开发了一个软件扩展。该工具可在元素分布图绘制过程中自动调整能量偏移，从而简化流程。

应用新方法后，研究人员成功地在冷冻溶剂中（高度模拟真实生物环境）可视化了小至10纳米的二氧化硅纳米颗粒中的硅元素分布。

他们还在羟基磷灰石（骨骼和牙齿中的一种磷酸钙材料）颗粒上测试了该技术。该方法清晰地揭示了钙和磷这两种具有重要生物学意义的元素分布，同时呈现了颗粒的结构。

广阔应用前景

能够以如此精细的分辨率同时绘制结构和成分分布图，开辟了巨大的可能性。该技术现在可支持生物材料、医用植入物、食品技术、催化剂甚至功能性墨水等领域的研究。

该研究成果于2025年7月31日发表在《分析化学》期刊上。

通过克服冷冻-EELS和EF-TEM的核心限制 —— 即漂移、损伤和背景噪声，东北大学团队拓展了冷冻电镜的应用边界。如今，跨学科的研究人员拥有了一种强大的新工具，可以在不损失样品细节或完整性的情况下，探索纳米尺度材料隐藏的化学信息。

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