低壓透射電子顯微鏡LVEM在病毒學(xué)研究中的應(yīng)用

病毒作為一種病原體一直受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。然而由于病毒通常尺寸較小，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡往往難以滿足其形態(tài)觀測的需求，這使得高分辨率的透射電子顯微鏡成為了當(dāng)前病毒學(xué)研究的一個重要手段（圖1），可以用來研究病毒的結(jié)構(gòu)和成分。

目前使用的透射電子顯微鏡進(jìn)行病毒顆粒的檢測和識別仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這是因?yàn)椴《镜闹饕�組成部分多為含碳的輕元素有機(jī)物，這類樣品很容易被高能電子束穿過，造成其光學(xué)襯度較低，且由于共價鍵化合物的低穩(wěn)定性使得其在傳統(tǒng)電子顯微鏡的高加速電壓 (一般為80-200 kV) 下非常不穩(wěn)定，不適合直接進(jìn)行觀察。因此病毒的形態(tài)學(xué)觀察一般采用負(fù)染色成像技術(shù)，需要在觀測前對樣品進(jìn)行復(fù)雜的負(fù)染操作，占有大量的時間，且可能會掩蓋掉一些病毒的形貌特征，造成使用透射電子顯微鏡觀測病毒的門檻較高。

圖1. （A）80 kV 和 （B）5 kV加速電壓下透射電子顯微鏡下觀測到的SV40感染的小鼠胰腺切片（Microscopy Research and Technology, DOI:10.1002/jemt.20603）

為了解決這一難題，低壓透射電子顯微鏡（Low Voltage Electron Microscope, LVEM）應(yīng)運(yùn)而生。LVEM突破了傳統(tǒng)透射電子顯微鏡的80 kV加速電壓的最低限，研究人員可在低壓下觀察輕質(zhì)生物樣品，無需染色，簡化了樣品制備流程；同時該設(shè)備可在保證高圖像對比度的前提下，使用溫和的加速電壓進(jìn)行病毒形態(tài)學(xué)的檢測和識別，能夠識別以往可能被污漬和負(fù)染的瑕疵所掩蓋的病毒特征。Delong Instruments公司的LVEM 5&25是一類專門針對低電壓設(shè)計(jì)研發(fā)出的透射電子顯微鏡。LVEM使用特殊設(shè)計(jì)的倒置式肖特基（Schottky）場發(fā)射電子槍，提供高亮度高相干性的電子束，這種低能電子束與樣品的相互作用比傳統(tǒng)透射電子顯微鏡中的高能電子要強(qiáng)得多，使得電子被輕質(zhì)有機(jī)材料強(qiáng)烈散射，導(dǎo)致了特征的異常分化(Microscopy Research and Technology, DOI: 10.1002/jemt.22428)。在病毒學(xué)研究方面，該設(shè)備最大放大倍數(shù)高于通常觀測病毒所需要的大約50，000倍的放大率，且依然保持不錯的分辨率（<2 nm），可滿足病毒形態(tài)和結(jié)構(gòu)研究的需求。相比于高電壓，5kV 的加速電壓提供的電子束與樣品的作用更強(qiáng)，對密度和原子序數(shù)有更高的靈敏度，對低至0.005 g/cm3的密度差別仍能得到很好的樣品圖像對比度，有效提高了輕元素樣品的成像質(zhì)量，適合針對病毒學(xué)的研究。需要指出的是，LVEM 25與LVEM 5建立在相同的平臺之上，前者在一個稍高的加速電壓下工作，在滿足輕元素樣品觀測的要求下可進(jìn)一步提高最終的圖像分辨率。

圖2. LVEM 5的結(jié)構(gòu)示意圖（A）和小鼠心臟超微結(jié)構(gòu)成像 (B) 。（Microscopy Research and Technology， DOI:10.1002/jemt.22659）

LVEM 5&25顯微鏡可用于檢測腺病毒(圖3A)、HIV(圖3B)、輪狀病毒(圖3C)、球狀病毒(圖3F)、棒狀病毒(圖3 G-H)、星形病毒、杯狀病毒、諾瓦克樣病毒、皰疹病毒和乳頭瘤病毒等。另外對于類病毒載體的研究，LVEM 5&25也是一項(xiàng)利器。它能夠在不負(fù)染的情況下直接觀測類病毒載體的形態(tài)，幫助研究者快速篩選載體，解決傳統(tǒng)電鏡制樣難，機(jī)時緊張等問題(Journal of Nanobiotechnology, DOI: 10.1186/s12951-016-0241-6)。

圖3. (A-C) LVEM 5觀察多種非負(fù)染的病毒樣品; (D-E) LVEM 5&25 實(shí)物圖; (F-H) LVEM 25觀察多種負(fù)染后的病毒樣品。 圖片來源于網(wǎng)絡(luò) (www.lv-em.com)

LVEM的高對比度成像技術(shù)匹配快速的時間-圖像周期、高通量研究，可作為一種快速診斷方法，用于識別病毒感染源和輔助病理研究，是快速檢測具有公共衛(wèi)生重要性病原體的有力工具。
LVEM 5&25 更是一臺多種功能集成的電子顯微鏡，具有四種不同的成像模式——透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、掃描透射電鏡(STEM)和電子衍射(ED)，能夠?yàn)椴《緦W(xué)研究工作者同時提供多種表征所需的成像模式，全面的對病毒樣品的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析（圖4）。

圖4. 使用LVEM 5 對HIV膜蛋白結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行（A）TEM和（B）ED分析。（Journal of Virology，DOI:10.1128/JVI.01526-19.）

除了擁有高質(zhì)量成像和多功能集成的特點(diǎn)外，LVEM 5&25的體積小 (無需專業(yè)實(shí)驗(yàn)室)，維護(hù)費(fèi)用低廉（無需冷卻水和專用電源），在使用期間基本不會產(chǎn)生任何額外的費(fèi)用，大大降低了研究所需的成本。另外它采用了真空自閉鎖技術(shù)，換樣僅需3分鐘，降低了儀器操作難度，對廣大的非專業(yè)用戶變得更加友善。我們相信隨著低壓透射電鏡的不斷發(fā)展，LVEM 5&25將成為一個強(qiáng)有力的工具，使得病毒形態(tài)的觀測變得越來越簡單，更多以往被傳統(tǒng)電鏡所忽略的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)信息將被挖掘出來，極大的提高研究人員對病毒結(jié)構(gòu)和成分的認(rèn)知，為人們的科研和生活服務(wù)。