최상 답변
세계에서 가장 강력한 현미경,이 현미경은 University of 빅토리아는 이제 완전히 조립 및 테스트되었으며이를 사용하고자하는 과학자 및 기업 라인업을 갖추고 있습니다.
7 톤, 4.5m 높이의 주사 투과 전자 홀로그래피 현미경 또는 STEHM, 최초의 현미경 작년에 대학에 부분적으로 나왔습니다.
초 고해상도, 초 안정 악기를 제작 한 Hitachi의 팀은 STEHM을 신중하게 조립하는 데 1 년을 보냈습니다. Bob Wright Center 지하에있는 통제 된 실험실.
STEHM은 인류 발전과 관련된 수많은 연구 프로젝트를 위해 지역, 지역, 국가 및 국제 과학자 및 엔지니어가 사용할 것입니다. 35 피코 미터 해상도의 현미경.
피코 미터 1 개는 tr 백만 분의 일 미터. 이 해상도는 캘리포니아의 로렌스 버클리 국립 연구소에서 촬영 한 49 개의 피코 미터 해상도로 이전의 최고 이미지보다 훨씬 낫고 인간의 시력의 약 2 천만 배입니다.
STEHM을 사용하면 연구자들이 원자를 볼 수 있습니다. 이전에는 불가능했던 방식. 존재하는 유형과 수 또는 요소를 파악할 수있는 완전한 분석 기능과 데이터 수집을위한 고해상도 카메라가 있습니다.
소규모 지식이 필요한 프로젝트를 위해 많은 과학 및 공학 분야의 연구원들이 사용할 것입니다. 원자 규모 구조 또는 나노 과학 및 나노 기술. 지역 과학자와 기업들도이 기술을 사용하기를 열망하고 있습니다.
뉴욕 현미경 회사 는이를 위해 사용되는 고해상도 반도체 방사선 검출기를 제조합니다. 핵 심장학, CT 스캐닝, 수하물 스캐닝 및 더러운 폭탄 탐지와 같은 것들은 STEHM이 회사의 연구 개발을 위해 개방되기를 기다리고 있습니다.
STEHM 현미경은 920 만 달러의 자금으로 지원됩니다. 캐나다 혁신 재단, BC 지식 개발 기금 및 UVic을 통해 캐나다 정부와 Hitachi의 상당한 지원을 받고 있습니다.
답변
대부분의 원자는 1 ~ 2입니다. 옹스트롬 (Å)은 가시광 선의 파장보다 3 배 낮습니다. 원자가 어떻게 생겼는지 확인하려면 근본적으로 다른 접근 방식을 사용해야합니다.
주사 터널링 현미경 (STM)
STM이 가장 중요합니다. 원자를 직접 “볼”수있는 장치. STM은 매우 얇은 바늘을 사용하여 샘플을 프로브합니다. 바늘 끝은 단일 원자입니다. 팁과 샘플의 표면이 원자보다 떨어져 있으면 전자가 틈을 통해 터널링 할 수 있습니다. 양자 터널링의 확률은 거리에 따라 기하 급수적으로 떨어지기 때문에 터널링 전류는 간격의 폭에 매우 민감하여 단일 원자까지 세부 사항을 드러 낼 수 있습니다.
STM의 한 가지 한계는 샘플이라는 것입니다. 지휘자 여야합니다. 결과적으로 STM은 금속 및 기타 전도성 물질 만 “볼”수 있지만 유리나 폴리머는 볼 수 없습니다.
원자력 현미경 (AFM)
문제를 해결하는 한 가지 방법은 AFM을 사용하는 것입니다. STM과 마찬가지로 AFM은 바늘을 사용하여 표면을 조사합니다. 멋진 이름에도 불구하고 그 메커니즘은 훨씬 “사소한”것으로 들립니다. 터널링 전류를 측정하는 대신 AFM은 표면과 직접 접촉하여 두 원자 사이의 작은 반발을 측정합니다! 그런 의미에서 AFM은 원자를 실제로 “보지”않고 시각 장애인과 코끼리처럼 “느끼는”것입니다.
바늘이 내부로 들어갈 수 없기 때문에 STM과 AFM 모두 표면의 원자 만 볼 수 있습니다. 내부를 보려면 고 에너지 전자 또는 광자 (X 선)와 같이 원자에 필적하는 파장을 가진 샘플을 통과 할 수있는 무언가가 필요합니다.
전자 현미경 (EM)
사실 우리는 전자가 빔은 충분히 높은 품질 (즉, 방출량이 낮음)이며, 이는 전계 방출 전자총의 출현으로 가능합니다. 위의 사진은 그래 핀의 TEM 현미경 사진입니다.
안타깝게도 TEM은 강력한 도구이지만 단백질과 같은 생체 분자의 3D 구조는 볼 수 없습니다. 그 이유는 생체 분자가 그래 핀 (세계에서 가장 단단한 물질입니다!)보다 훨씬 더 취약하기 때문에 충분한 정보를 추출하기 전에 고 에너지 전자에 의해 쉽게 손상되기 때문입니다.
X- 선 결정학 (XRD)
XRD는 단백질의 3D 구조를 볼 수있게 해준 최초의 도구이며 생체 분자의 구조 결정을위한 주요 방법으로 남아 있습니다. 결정에 의한 X 선의 회절은 20 세기 초에 연구자들에 의해 오랫동안 발견되었습니다. 그 이유는 X 선이 원자의 전자에 의해 약하게 산란되기 때문입니다. 그러나 X 선의 파장 (~ 1Å)은 원자와 비슷하기 때문에 결정에서 원자의 주기적 배열은 회절 격자 처럼 작용합니다. 특정 방향 ( Bragg의 법칙 )으로 재 임대를 확대했습니다. 회절 패턴을 분석하여 전자를 재구성 할 수 있습니다. 밀도지도 및 결정 구조.
1910 년대에 브래그 법칙이 발견되었지만 그 당시에는 계산 능력이 좋지 않았기 때문에 첫 번째 단백질 구조를 해결하는 데 거의 반세기가 걸렸는데, 이는 식용 소금만큼 간단한 구조를 풀기에 충분했습니다. 단백질 구조를 풀려면 배열을 통해 결정으로 만들어야합니다. 수십억 개의 복사본이 주기적 구조로 복사됩니다.이 단계는 “ 결정화 “라고합니다. 전자빔과 마찬가지로 단백질도 X 선에 의해 강하게 손상됩니다. 결과적으로 전문가는 tein 결정은 극저온으로 냉각되어 훨씬 더 단단해지며 (천 배) 각 단백질이받는 평균 복사 전력은 매우 낮은 수준으로 유지됩니다. 결정이 충분히 크면 여전히 강한 회절 패턴을 생성 할 수 있습니다. 결정화에 적합한 조건을 찾는 것은 쉬운 일이 아니며 크고 복잡하거나 막 횡단 단백질의 결정화는 현재까지 어려운 과제입니다.
전자 cryomicroscopy (Cryo -EM)
Cryo-EM은 구조 생물학에서 유망한 도구입니다. 속도 제한 결정화 단계는 대부분의 내화성 단백질을 해결할 수있는 잠재력을 부여합니다. XRD와 마찬가지로 Cryo-EM은 극저온 냉각 및 선량 감소로 인한 방사선 손상을 방지합니다. 단백질은 물의 박막에 현탁되어 액체 질소로 냉각 된 액체 에탄에 빠르게 담근다. 얼어 붙는 속도가 너무 빨라서 얼음 결정이 생기지 않습니다. 대신 단백질과 물 분자는 문자 그대로 “고정 프레임”입니다. 단백질은 결정이 아닌 현탁액으로 준비되기 때문에 결정의 단단한 모양 대신 기본 구성을 채택 할 수 있습니다.
각 단백질은 매우 적은 양의 전자로 이미지화됩니다. 복용량이 적기 때문에 흐린 그림자 만 얻을 수 있습니다. 그러나 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 수많은 이미지 ( “수”는 백만을 의미 함)를 평균화함으로써 이미지를 원자 해상도로 정제 할 수 있습니다. 단백질은 현탁액에서 무작위로 배향되기 때문에 이러한 이미지를 재정렬하려면 정교한 알고리즘이 필요합니다. 그러나 더 작은 단백질의 이미지는 재정렬하기에 너무 작아서 Cryo-EM으로 해결되는 단백질의 크기에 하한 (~ 200kDa)을 설정합니다.
자세한 내용은
Cryo-EM의 노벨
또 다른 새로운 기술은 X- 레이 자유 전자 레이저 (XFEL) . XFEL은 펨토초에 이르는 기간 동안 어떤 X 선 광원보다 10 배 더 밝은 매우 강력한 X 선 빔을 생성합니다. X 선 펄스는 매우 짧기 때문에 단백질 구조가 떨어져 나가기 전에 캡처 할 수 있습니다 (소위 “파괴 전 회절”). 이러한 접근법은 매우 작은 결정을 사용하거나 결정 없이도 활성 상태의 실온에서 단백질 구조를 해결할 수있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 그 잠재력을 최대한 실현하기 위해서는 많은 연구가 필요합니다.
두 X-ray 모두 그리고 전자빔은 원자 구조를 해결할 수 있으며 미묘한 차이가 있습니다 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3060. X- 선은 전하와 직접 상호 작용하는 광자이기 때문에 (광자는 전자기력의 운반자임을 기억하십시오) X- 선에서 밝혀진 것은 진정한 전자 밀도입니다. 지도 (전자는 원자핵보다 훨씬 가볍기 때문). 전자 OTOH는 전하를 통해 원자와 간접적으로 상호 작용하는 하전 입자입니다. 결과적으로 Cryo-EM은 실제로 전자 구름 대신 전위 분포를 반영합니다 (불행히도 “밀도 맵”으로 잘못 명명 됨). 결과 중 하나는 원자와 이온이 비슷한 크기와 전자 밀도로 인해 X- 선에서 거의 동일하지만 이온은 하전되고 원자가 아닌 전자 현미경에서는 근본적으로 다릅니다.예를 들어, 양성자 화 된 카르복실기 (-COOH)는 수소 이온이 X- 선 하에서 보이지 않기 때문에 XRD에서 탈 양성자 화 된 카르 복실 (-COO-)과 동일합니다. 그러나 탈 양성자 화 된 카르 복실은 음전하를 띠기 때문에 전자 현미경에서 양성자 화 된 것과 쉽게 구별됩니다. 결과적으로 Cryo-EM은 X-ray에서 볼 수없는 몇 가지 세부 사항을 밝힐 가능성이 있습니다.