捕捉分子的运动并非易事，基础科学研究所(IBS)软物质与生命物质中心(Center for Soft and Living Matter)的科学家们能够观察储存在石墨烯口袋里的分子运动，而无需对其进行染色。发表在《高级材料》(Advanced Materials)上的项研究为观察生命构建模块(如蛋白质和DNA)的动力学以及其他材料的自组装铺平了道路。人类头发直径的三分之一大约是人类肉眼所能看到的最小尺寸。为了区分更小的物体，我们需要显微镜。可以用光学显微镜观察细胞和细菌，而病毒和分子只能在电子显微镜下才能看到。在后者中，图像是由射到样本上的电子形成的。由于电子的波长比光短得多，电子显微镜比光学显微镜提供更高的放大倍数。
石墨烯的口袋里，为了在标准透射电子显微镜(TEM)下观察移动的分子，IBS的科学家们制作了薄而结实的石墨烯口袋(顶部)；石墨烯层包含样品，并且平均100秒内不受电子束的影响；电子显微镜图像(底部)显示了聚苯磺酸盐的单个分子(红色圆圈)。图片：Institute for Basic Science
博科园-科学科普：然而，电子束会破坏样品，如果有水存在，它就会分解成气泡。因此电子显微镜适合于观察惰性的，死的样品，而活的材料被化学锁在适当的位置。IBS的科学家们打破了这一规则，将非固定的原子链可视化，称为聚合物，在石墨烯口袋里的液体中游动。它们由底部的3-5层石墨烯和顶部的2层石墨烯组成。这些薄片对小分子是不可渗透的，同时也防止了电子束对样品的瞬间伤害：科学家们平均有100秒的时间来观察单个聚合物分子的动态运动，然后这些分子被电子束摧毁。在这宝贵的几秒钟里，分子会改变位置，重新排列或者“跳跃”。论文第一作者Hima Nagamanasa说：看到这些灵活的有机大分子在周围跳舞真是太棒了。
分子的体积运动速度要快得多，发现他们在这里移动得更慢，对口袋表面的依恋有助于我们放慢速度，如果没有它，可能只会看到模糊的图像。此前科学家需要用金属或染料分子对样品进行染色，使其在石墨烯口袋内可见。金属具有很高的弹性，这意味着它可以发光，所以它可以用来得到好的图像。然而样品与金属或染料之间的化学键改变了样品分子的特性。在本研究中，石墨烯口袋足够薄，可以在不进行任何染色的情况下实时观察其含量。特别是科学家们研究了两种聚合物：一种含有硫，聚苯乙烯磺酸盐，另一种不含聚乙烯氧化物。这使得他们能够证明显微镜下的对比来自于由碳和氢原子组成的聚合物结构，而不是硫。
(A)石墨烯袋保护液体中的样品；(B)石墨烯口袋照片；(C)由于入射的电子束，在很短的一段时间后，气泡会填满口袋的大部分；(D)气泡形成时间，取决于充填袋的溶液类型；当口袋里装满a)重水(D2O)时，最长的无泡时间为:水(H2O)， b) 50%甘油，c) 100mm NaCl, d) 10mm没食子酸正丙酯，e) 3%甘油，f)水。图片：Institute for Basic Science
大多数由生物体产生的分子都有一个由碳和氢组成的骨架，这就是为什么我们希望将这项研究扩展到DNA和蛋白质之间相互作用的研究。此外由于科学家们使用的是标准电子显微镜，预计这项技术将被用于其他实验室。由于生命主要以水为基础，分子在液体环境中运动、振动和翻腾。但是电子显微镜——一种研究这种纳米飞行器静态版本的技术——几乎不可能用来观察移动的分子，因为入射的电子束损坏了样品。基础科学研究所(IBS)软物质和生命物质中心的科学家们报告了这一领域的重大进展。这项发表在ACS Nano上的研究首次在透射电镜(TEM)领域使用重水(D2O)：一种含有氘(D)而不是氢的水。这种方法极大地延迟了样品损伤，这是广泛应用液相TEM于脆弱生物样品的主要障碍之一。
在电子显微镜下，对样品发射的电子比光的波长短得多，因此它们更适合提供关于单个分子的信息。另一方面，电子束是非常强大的，由于其高能量会产生电荷并破坏化学键，有损坏样品的危险。IBS的研究人员使用了一个小口袋，里面装满了夹在原子薄的石墨烯薄片之间的液体。在这个口袋里，样品分子可以自由移动，并且不受电荷的影响。研究报告的合著者王欢(音译)说：与通过降低电子束的能量来延缓样品损伤的常见方法不同，关注的是环境的调节——感兴趣的分子溶解在其中的水。IBS的科学家已经证明，使用重水比其他方法有一些优势。D2O最有效地延缓了气泡的形成，也延缓了单个聚合物分子的结构损伤。与H2O相比，D2O多了一个中子，这意味着它更重，因此更难以分解成自由基，在随后的破坏过程中反应性更小。
当接触到电子束时，聚合物分子(聚苯乙烯磺酸盐)在甘油溶液中的降解速度比在D2O中更快。图片：Institute for Basic Science
?重水治疗法至少比其他治疗法的效果好两到五倍，由于气泡的形成被推迟，分子的可见时间是原来的两倍。同样重要的优势是D2O是一种无害的防晒霜。该样品为聚苯乙烯磺酸盐聚合物，在D2O和水中显示出相同的动力学模式和相似的对比。IBS中心主任、该研究的通讯作者Steve Granick说：在未来，计划将这项研究扩展到更复杂的大分子，如DNA和蛋白质，此外这项研究为观察其他相关显微技术的长期现象开辟了道路，比如低温oem(低温电子显微镜)，并获得更多关于复杂现象的统计信息，比如单个分子自组装成更复杂的生物结构。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《ACS Nano》,《Advanced Materials》｜研究/来自：基础科学研究所，DOI: 10.1021/acsnano.8b04190，DOI: 10.1002/adma.201703555
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