กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบใหม่นำเสนอการติดตามไอโซโทปที่ปราศจากความเสียหายในระดับนาโนในกรดอะมิโน

นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ของ Department of Energy ได้อธิบายไว้ในวารสารScienceถึงการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นครั้งแรกเพื่อระบุไอโซโทปในกรดอะมิโนโดยตรงในระดับนาโนโดยไม่ทำลายตัวอย่าง ไอโซโทปมักใช้เพื่อติดฉลากโมเลกุลและโปรตีน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถติดตามไอโซโทปด้วยความแม่นยำเชิงสเปกตรัมและความละเอียดเชิงพื้นที่อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน ด้วยการวัดความแปรผันของลายเซ็นการสั่นของโมเลกุล เทคนิคนี้ไม่ทำลายกรดอะมิโน ทำให้สามารถสังเกตการณ์เคมีไดนามิกในพื้นที่จริงได้ และสร้างรากฐานสำหรับการค้นพบทางวิทยาศาสตร์มากมายตั้งแต่โครงสร้างทางชีววิทยาที่เรียบง่ายไปจนถึงโครงสร้างทางชีววิทยาที่ซับซ้อนทั่วทั้งวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต "วิธีที่เราเข้าใจการลุกลามของโรค เมแทบอลิซึมของมนุษย์ และปรากฏการณ์ทางชีววิทยาที่ซับซ้อนอื่นๆ นั้นขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีน" จอร์แดน แฮชเทล เพื่อนร่วมงานหลังปริญญาเอกของ ORNL และผู้เขียนนำกล่าว "เราศึกษาปฏิสัมพันธ์เหล่านี้โดยการติดฉลากโปรตีนเฉพาะด้วยไอโซโทป จากนั้นติดตามผ่านปฏิกิริยาเคมีเพื่อดูว่ามันไปที่ไหนและทำอะไร" "ตอนนี้ เราสามารถติดตามฉลากไอโซโทปได้โดยตรงด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งหมายความว่าเราสามารถทำได้ด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่ที่เทียบได้กับขนาดจริงของโปรตีน" Hachtel กล่าวเสริม การทดลองใหม่ของพวกเขาซึ่งจัดขึ้นที่ศูนย์วิทยาศาสตร์วัสดุนาโนเฟสของ ORNL ใช้สเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอนแบบโมโนโครมหรือ EELS ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบส่องกราดหรือ STEM เทคนิคที่นักวิทยาศาสตร์ใช้นั้นไวพอที่จะแยกความแตกต่างระหว่างโมเลกุลที่ต่างกันด้วยนิวตรอนเดี่ยวในอะตอมเดียว EELS ถูกใช้เพื่อจับการสั่นสะเทือนเล็กน้อยในโครงสร้างโมเลกุลของกรดอะมิโน ฮวน คาร์ลอส อิโดรโบ นักวิทยาศาสตร์ของ ORNL และผู้เขียนที่เกี่ยวข้องกล่าวว่า "ฉลากไอโซโทปมักจะมองเห็นได้ในระดับมหภาคโดยใช้แมสสเปกโตรเมทรี ซึ่งเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่เผยให้เห็นน้ำหนักอะตอมและองค์ประกอบ ไอโซโทป ของตัวอย่าง" "แมสสเปกโตรเมตรีมีความละเอียดของมวลที่น่าทึ่ง แต่โดยทั่วไปแล้วจะไม่มีความละเอียดเชิงพื้นที่ระดับนาโนเมตร มันเป็นเทคนิคทำลายล้าง" แมสสเปกโตรมิเตอร์ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อแยกโมเลกุลออกจากกันเป็นชิ้นส่วนที่มีประจุซึ่งกำหนดลักษณะโดยอัตราส่วนมวลต่อประจุ จากการสังเกตตัวอย่างในระดับมหภาค นักวิทยาศาสตร์สามารถอนุมานทางสถิติได้ว่ามีพันธะเคมีใดบ้างในตัวอย่าง ตัวอย่างถูกทำลายระหว่างการทดลอง ทำให้ข้อมูลที่มีค่าไม่ถูกค้นพบ เทคนิคการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบใหม่ที่ทีม ORNL นำมาใช้ นำเสนอแนวทางที่อ่อนโยนกว่า ด้วยการวางตำแหน่งลำแสงอิเล็กตรอนให้ใกล้กับตัวอย่างมาก แต่ไม่ต้องสัมผัสโดยตรง อิเล็กตรอนสามารถกระตุ้นและตรวจจับการสั่นสะเทือนได้โดยไม่ทำลายตัวอย่าง ทำให้สามารถสังเกตตัวอย่างทางชีวภาพที่อุณหภูมิห้องได้เป็นระยะเวลานานขึ้น ผลลัพธ์ของพวกมันถือเป็นความก้าวหน้าสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วลำแสงอิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะไวต่อโปรตอนเท่านั้น ไม่ใช่นิวตรอน "อย่างไรก็ตาม ความถี่ของการสั่นของโมเลกุลขึ้นอยู่กับน้ำหนักอะตอม และการวัดความถี่ของการสั่นเหล่านี้อย่างแม่นยำจะเปิดช่องสัญญาณโดยตรงช่องแรกในการวัดไอโซโทปในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน" อิโดรโบกล่าว ทีมวิจัยที่นำโดย ORNL คาดว่าเทคโนโลยีที่อาจเปลี่ยนแปลงเกมของพวกเขาจะไม่เข้ามาแทนที่ แต่แทนที่ด้วยแมสสเปกโตรเมตรีและเทคนิคที่ใช้แสงและนิวตรอนแบบธรรมดาอื่นๆ ที่ใช้ในปัจจุบันเพื่อตรวจจับฉลากไอโซโทป Hachtel กล่าวว่า "เทคนิคของเราเป็นส่วนเสริมที่สมบูรณ์แบบสำหรับการทดลองแมสสเปกโตรเมตรี "ด้วยความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับแมสสเปกโตรเมทรี เราสามารถเข้าไปหาและระบุตำแหน่งที่ฉลากไอโซโทปสิ้นสุดในตัวอย่างอวกาศจริงได้" นอกเหนือจากวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตแล้ว เทคนิคนี้ยังสามารถนำไปใช้กับสสารเนื้ออ่อนอื่นๆ เช่น โพลิเมอร์ และเป็นไปได้ในวัสดุควอนตัม ซึ่งการแทนที่ด้วยไอโซโทปสามารถมีบทบาทสำคัญในการควบคุมตัวนำยิ่งยวด