Het ontwikkelen van nieuwe wetenschappelijke apparaten die de grenzen verleggen van wat we kunnen waarnemen en meten, gebeurt niet van de ene op de andere dag. Er zijn meestal babystapjes bij betrokken, kleine en continue verbeteringen om de talrijke technische hindernissen die zich onderweg voordoen op te lossen. De nieuwe state-of-the-art elektronenmicroscoop ontwikkeld door Prof. Tsumoru Shintake aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) is geen uitzondering op de regel. Door de ontwikkeling van deze unieke microscoop, OIST-onderzoekers rapporteerden zo'n cruciale stap in het tijdschrift Microscopy met behulp van atoomdunne lagen grafeen om microscopische beelden van minuscule virussen te verbeteren.

Elektronenmicroscopen vertrouwen op een elektronenstraal in plaats van licht om het doelmonster te verlichten. De elektronenstraal zou het monster raken, met de resulterende verstrooiing van de elektronen waardoor wetenschappers een nauwkeurig beeld van het doelwit kunnen bouwen. Op deze manier, elektronenmicroscopen kunnen een veel hogere resolutie bereiken in vergelijking met op licht gebaseerde apparaten. De unieke microscoop van prof. Shintake vertrouwt niet eens meer op optische lenzen, in plaats daarvan een detector gebruiken om te onthullen welke elektronen de kleine virusmonsters raken en het beeld reconstrueren via een computeralgoritme. Bovendien, terwijl conventionele elektronenmicroscopen hoogenergetische elektronen nodig hebben, deze microscoop richt zich eerder op laagenergetische elektronen die mogelijk veel efficiënter kunnen zijn in het afbeelden van virussen als de bijbehorende technische problemen kunnen worden overwonnen.

"Lage energie-elektronen hebben een zeer sterke wisselwerking met materie, " verklaarde Dr. Masao Yamashita, de eerste auteur van de studie. "Ze zijn geweldig voor het in beeld brengen van biologische monsters, gemaakt van lichte materialen zoals koolstof, zuurstof en stikstof, die in principe transparant zijn voor elektronen met hoge energie."

Het gebruik van laagenergetische elektronen heeft echter een belangrijk nadeel:vanwege de hoge gevoeligheid voor materie, een elektronenstraal met lage energie zou interageren met het doelmonster, maar ook met al het andere, zoals de steunplaat en film waarop het monster ligt. Het resulterende beeld zou het studiemateriaal niet van de achtergrond onderscheiden.

Om dit effect tegen te gaan, onderzoekers van de Quantum Wave Microscopy Unit wendden zich tot de unieke eigenschappen van grafeen. Ze synthetiseerden een film gemaakt van een enkele laag – één atoom dun – grafeen waarop de biologische monsters, zoals de virussen die ze bestuderen, zullen worden tentoongesteld.

Grafeen is extreem geleidend, wat betekent dat elektronen de laag heel gemakkelijk kunnen passeren. Op deze manier, de elektronen met lage energie zullen zeer weinig interactie hebben met de achtergrondgrafeenlaag en veel meer met het virusmonster dat opvalt met een groot contrast. Deze hoge geleidbaarheid voorkomt ook "opladen", een opeenhoping van elektronen op de film die het uiteindelijke beeld zou vervormen. De dunheid van de film zorgt ook voor een veel helderdere achtergrond - dus een veel beter contrast met het studiemateriaal - dan conventionele koolstoffilms.

"De grafeenfilm stelt ons in staat een groot contrast te bereiken met elektronen met zeer lage energie, waardoor kleine details kunnen worden verbeterd", voegde Dr. Yamashita eraan toe.

Echter, een grafeenfilm is niet zo gemakkelijk te hanteren. Het is zo duidelijk dat het vlekkeloos en vrij van verontreinigingen moet zijn, waardoor de OIST-wetenschappers een techniek ontwikkelden om de grafeenfilm minutieus te reinigen.

Er is ook een probleem met het laden van het virusmonster op de grafeenfilm. De grafeenfilm is olieachtig, terwijl biologische preparaten doorgaans op waterbasis zijn. Ze zouden niet goed mengen:als je de virussen gewoon op de film toevoegt, het resultaat is dat virussen aan elkaar kleven op verspreide, dichte plekken waardoor het onmogelijk is om individuele details te onthullen.

Om dit tweede probleem op te lossen, OIST-onderzoekers namen hun toevlucht tot het gebruik van centrifugale kracht om de virussen over het hele oppervlak van de film te verspreiden, voorkomen dat ze klontjes maken. De virussen worden in een buis geladen met de grafeenfilm aan het ene uiteinde, terwijl het andere uiteinde is bevestigd aan een verticale as die tot 100 wordt rondgedraaid, 000 omwentelingen per minuut. De middelpuntvliedende kracht duwt de virussen op de grafeenfilm en voorkomt dat ze zich hergroeperen, waardoor u onderscheidende details op elk exemplaar kunt zien met de elektronenmicroscoop.

Het resultaat van al deze inspanningen zijn afbeeldingen met een hogere resolutie van de omhulsels van virussen, wiens vorm en morfologische details aanwijzingen kunnen geven over hoe ze te bestrijden. Om hun succesvolle werk te demonstreren, OIST-onderzoekers gebruikten de bacteriofaag T4, een bekend virus dat specifieke bacteriën aanvalt. Door grafeen en een laagspanningselektronenstraal te gebruiken, konden ze minuscule details onthullen, zoals de vezelachtige ledematen die het virus gebruikt om aan zijn bacteriële prooi te haken, voorheen onzichtbaar op een conventionele koolstoffilm.

Dr. Yamashita en zijn team werken al aan de volgende stap om de kwaliteit van de beelden verder te verhogen. Om afbeeldingen te reconstrueren en de morfologie van verschillende soorten specimen in de toekomst te bestuderen, het vermogen om microscopisch kleine afbeeldingen van biologische materialen op zo'n kleine schaal met vertrouwen te vergelijken, vereist een zeer hoge consistentie tussen monsters. Om deze toestand te bereiken, de onderzoekers ontwikkelen nu een robuuste manier om de virussen voor te bereiden door ze in een steriel vacuüm op de grafeenfilm te spuiten. Kleine virussen zullen zich niet veel langer uit het zicht kunnen verbergen.