نقشه‌برداری دقیق از ذرات زیستی منجمد با فناوری تصویربرداری نوین
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، میکروسکوپ الکترونی عبوری کرایو (cryo-TEM) شیوه مطالعه دانشمندان در مورد مواد بیولوژیکی و آلی را متحول کرده است.
انجماد سریع نمونه‌ها، ساختار آنها را در حالتی نزدیک به حالت طبیعی حفظ می‌کند.
محققان سال‌هاست که از این تکنیک برای مطالعه اندازه، شکل و پراکندگی مواد بیولوژیکی با وضوح بالا استفاده می‌کنند.
اما cryo-TEM یک نقطه کور بزرگ دارد: در آشکارسازی ترکیب عنصری، که یک عامل اساسی برای درک عملکرد مواد است، با مشکل مواجه است.
راه‌حل‌های فعلی مانند TEM فیلتر شده با انرژی (EF-TEM) و طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS) می‌توانند سیگنال‌های عنصری را تشخیص دهند، اما دارای اشکالاتی هستند.
آنها اغلب باعث آسیب به نمونه می‌شوند، از رانش تصویر رنج می‌برند و بیشتر برای فلزات یا مواد فله‌ای استفاده شده‌اند.
تصویربرداری فراتر از ساختار
تیمی در دانشگاه توهوکو اکنون این محدودیت را حل کرده است. آنها یک تکنیک جدید cryo-EELS/EF-TEM توسعه داده‌اند که هم ساختار و هم ترکیب عنصری نمونه‌ها را در حلال‌های منجمد ثبت می‌کند.
این روش به محققان اجازه می‌دهد تا نانومواد آلی ظریف را بدون به خطر انداختن وضوح تصویر یا آسیب رساندن به نمونه مطالعه کنند.
مشکل تصویربرداری EELS معمولی دو جنبه دارد: یخ درون نمونه سیگنال‌های پس‌زمینه ناخواسته را افزایش می‌دهد و رانش در طول اسکن باعث تاری تصاویر می‌شود.
این مسائل، تفکیک مواد واقعی مورد بررسی، به ویژه در نمونه‌های بیولوژیکی یا آلی نرم، را دشوار می‌کند.
برای پرداختن به این موضوع، تیم توهوکو «روش ۳ پنجره‌ای»، یک رویکرد اصلاح پس‌زمینه EELS شناخته‌شده، را اصلاح و آن را برای شرایط یخبندان تنظیم کرد.
این تفریق پس‌زمینه بهبود یافته به حذف تداخل از یخ کمک می‌کند و باعث می‌شود سیگنال‌های عنصری از ماده هدف به وضوح نمایان شوند.
حل مشکل رانش با ابزار‌های جدید
رانش در طول اسکن‌های طولانی EELS همچنان یک چالش بود. برای مقابله با این مشکل، تیم یک سیستم جبران رانش معرفی کرد که تصویر را در طول جمع‌آوری داده‌ها تثبیت می‌کند.
آنها همچنین یک افزونه نرم‌افزاری برای سیستم کنترل میکروسکوپ ParallEM توسعه دادند. این ابزار، تنظیمات تغییر انرژی را در طول نقشه‌برداری عنصری خودکار می‌کند و فرآیند را ساده می‌سازد.
با استفاده از این روش جدید، محققان با موفقیت توزیع سیلیکون را در نانوذرات سیلیکا به کوچکی ۱۰ نانومتر مشاهده کردند.
این ذرات در حلال منجمد معلق شدند و شرایط بیولوژیکی دنیای واقعی را به دقت شبیه‌سازی کردند.
آنها همچنین این تکنیک را روی ذرات هیدروکسی آپاتیت، یک ماده فسفات کلسیم موجود در استخوان‌ها و دندان‌ها، آزمایش کردند.
این روش به وضوح توزیع کلسیم و فسفر، دو عنصر مهم بیولوژیکی، را در کنار ساختار ذرات نشان داد.
توانایی نقشه‌برداری از ساختار و ترکیب با چنین وضوح دقیقی، امکانات بزرگی را فراهم می‌کند.
این تکنیک اکنون می‌تواند از تحقیقات در زمینه مواد زیستی، ایمپلنت‌های پزشکی، فناوری مواد غذایی، کاتالیزور‌ها و حتی جوهر‌های کاربردی پشتیبانی کند.
این یافته‌ها در مجله‌ی شیمی تحلیلی در تاریخ ۳۱ جولای ۲۰۲۵ منتشر شد.
با غلبه بر محدودیت‌های اصلی cryo-EELS و EF-TEM، یعنی رانش، آسیب و نویز پس‌زمینه، تیم دانشگاه توهوکو مرز‌های توانایی cryo-TEM را جابجا کرده است.
محققان در رشته‌های مختلف اکنون ابزار جدید و قدرتمندی برای بررسی شیمی پنهان مواد نانومقیاس بدون از دست دادن جزئیات یا یکپارچگی نمونه‌های آنها در اختیار دارند.