透射电子显微镜|探索物质结构之透射电子显微镜( 二 )

在化学领域，原位透射电镜因其超高的空间分辨率为原位观察气相、液相化学反应提供了一种重要的方法。利用原位透射电子显微镜进一步理解化学反应的机理和纳米材料的转变过程，以期望从化学反应的本质理解、调控和设计材料的合成。目前，原位电子显微技术已在材料合成、化学催化、能源应用和生命科学领域发挥着重要作用。透射电镜可以在极高的放大倍数下直接观察纳米颗粒的形貌和结构，是纳米材料最常用的表征手段之一。天津大学的杜希文和美国Brookhaven 国家实验室的Houlin L.xin 等用原位透射电镜观察了Co Ni双金属纳米粒子在氧化过程中形貌的变化，充分混合的Co、Ni 合金粒子经过氧化后，Co 和Ni 发生了空间上的部分分离，并在理论上对该现象进行了解释。
在生物学领域，X 射线晶体学技术和核磁共振常被用来研究生物大分子的结构，已经能够将蛋白质的位置精度确定到0.2 nm，但是其各有局限。X 射线晶体学技术基于蛋白质晶体，研究的常常是分子的基态结构，而对解析分子的激发态和过渡态无能为力。生物大分子在体内常常发生相互作用并形成复合物而发挥作用，这些复合物的结晶化非常困难。核磁共振虽然能够获得分子在溶液中的结构并且能够研究分子的动态变化，但主要适合用来研究分子量较小的生物大分子。近年来冷冻电镜技术突破了冷冻成像和图像处理瓶颈，发展成为当今结构生物学广泛应用的新兴技术。它可以以快速、高效、简易、高分辨率解析高度复杂的超大生物分子结构，在很大程度上超越了传统的X 射线晶体学技术。清华大学施一公研究组利用酵母细胞内源性蛋白提取获得了性质良好的样品，利用单颗粒冷冻电子显微镜技术，解析了酵母剪接体近原子水平的高分辨率三维结构，阐述了剪接体对信使RNA前体执行剪接的工作机理。
透射电子显微镜的发展方向
目前，透射电子显微术有几个重要的发展方向。第一，分辨率的提升。分辨率一直是透射电镜发展的目标和方向，发展新一代单色器和球差校正器，进一步提高透射电镜的能量分辨率和空间分辨率，尤其是对低压电镜。第二，发展原位透射电镜技术。原位透射电镜在材料合成、化学催化、生命科学和能源材料领域有着重要应用，可以通过在原子尺度下实时观察和控制气相反应和液相反应的进行，从而研究反应的本质机理等科学问题。第三，更加广泛的应用在生物大分子结构研究中。冷冻电镜在生物大分子结构研究中的广泛应用，将推动冷冻电镜技术的不断发展。冷冻电镜在生物学领域的应用越来越受到重视，成为连接生物大分子和细胞的纽带和桥梁。
从透射电子显微镜的诞生到今天的八十多年来，人们借助透射电镜解决了很多科学难题。透射电镜也在不断发展进步，功能日益全面，性能日益改善，虽然在发展过程中还存在一些问题和挑战，相信在众科研工作者的共同努力下，问题终将解决，透射电镜的各项技术也将进一步发展和突破。