低压透射电子显微镜LVEM在病毒学研究中的应用

病毒作为一种病原体一直受到学术界的广泛关注。然而由于病毒通常尺寸较小，传统的光学显微镜往往难以满足其形态观测的需求，这使得高分辨率的透射电子显微镜成为了当前病毒学研究的一个重要手段（图1），可以用来研究病毒的结构和成分。

目前使用的透射电子显微镜进行病毒颗粒的检测和识别仍面临着巨大的挑战。这是因为病毒的主要组成部分多为含碳的轻元素有机物，这类样品很容易被高能电子束穿过，造成其光学衬度较低，且由于共价键化合物的低稳定性使得其在传统电子显微镜的高加速电压 (一般为80-200 kV) 下非常不稳定，不适合直接进行观察。因此病毒的形态学观察一般采用负染色成像技术，需要在观测前对样品进行复杂的负染操作，占有大量的时间，且可能会掩盖掉一些病毒的形貌特征，造成使用透射电子显微镜观测病毒的门槛较高。

图1. （A）80 kV 和 （B）5 kV加速电压下透射电子显微镜下观测到的SV40感染的小鼠胰腺切片（Microscopy Research and Technology, DOI:10.1002/jemt.20603）

为了解决这一难题，低压透射电子显微镜（Low Voltage Electron Microscope, LVEM）应运而生。LVEM突破了传统透射电子显微镜的80 kV加速电压的最低限，研究人员可在低压下观察轻质生物样品，无需染色，简化了样品制备流程；同时该设备可在保证高图像对比度的前提下，使用温和的加速电压进行病毒形态学的检测和识别，能够识别以往可能被污渍和负染的瑕疵所掩盖的病毒特征。Delong Instruments公司的LVEM 5&25是一类专门针对低电压设计研发出的透射电子显微镜。LVEM使用特殊设计的倒置式肖特基（Schottky）场发射电子枪，提供高亮度高相干性的电子束，这种低能电子束与样品的相互作用比传统透射电子显微镜中的高能电子要强得多，使得电子被轻质有机材料强烈散射，导致了特征的异常分化(Microscopy Research and Technology, DOI: 10.1002/jemt.22428)。在病毒学研究方面，该设备最大放大倍数高于通常观测病毒所需要的大约50，000倍的放大率，且依然保持不错的分辨率（<2 nm），可满足病毒形态和结构研究的需求。相比于高电压，5kV 的加速电压提供的电子束与样品的作用更强，对密度和原子序数有更高的灵敏度，对低至0.005 g/cm3的密度差别仍能得到很好的样品图像对比度，有效提高了轻元素样品的成像质量，适合针对病毒学的研究。需要指出的是，LVEM 25与LVEM 5建立在相同的平台之上，前者在一个稍高的加速电压下工作，在满足轻元素样品观测的要求下可进一步提高最终的图像分辨率。

图2. LVEM 5的结构示意图（A）和小鼠心脏超微结构成像 (B) 。（Microscopy Research and Technology， DOI:10.1002/jemt.22659）

LVEM 5&25显微镜可用于检测腺病毒(图3A)、HIV(图3B)、轮状病毒(图3C)、球状病毒(图3F)、棒状病毒(图3 G-H)、星形病毒、杯状病毒、诺瓦克样病毒、疱疹病毒和乳头瘤病毒等。另外对于类病毒载体的研究，LVEM 5&25也是一项利器。它能够在不负染的情况下直接观测类病毒载体的形态，帮助研究者快速筛选载体，解决传统电镜制样难，机时紧张等问题(Journal of Nanobiotechnology, DOI: 10.1186/s12951-016-0241-6)。

图3. (A-C) LVEM 5观察多种非负染的病毒样品; (D-E) LVEM 5&25 实物图; (F-H) LVEM 25观察多种负染后的病毒样品。 （图片来源于Delong Instruments官网）

LVEM的高对比度成像技术匹配快速的时间-图像周期、高通量研究，可作为一种快速诊断方法，用于识别病毒感染源和辅助病理研究，是快速检测具有公共卫生重要性病原体的有力工具。

LVEM 5&25 更是一台多种功能集成的电子显微镜，具有四种不同的成像模式——透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、扫描透射电镜(STEM)和电子衍射(ED)，能够为病毒学研究工作者同时提供多种表征所需的成像模式，全面的对病毒样品的结构和成分进行分析（图4）。

图4. 使用LVEM 5 对HIV膜蛋白结构同时进行（A）TEM和（B）ED分析。（Journal of Virology，DOI:10.1128/JVI.01526-19.）

除了拥有高质量成像和多功能集成的特点外，LVEM 5&25的体积小 (无需专业实验室)，维护费用低廉（无需冷却水和专用电源），在使用期间基本不会产生任何额外的费用，大大降低了研究所需的成本。另外它采用了真空自闭锁技术，换样仅需3分钟，降低了仪器操作难度，对广大的非专业用户变得更加友善。我们相信随着低压透射电镜的不断发展，LVEM 5&25将成为一个强有力的工具，使得病毒形态的观测变得越来越简单，更多以往被传统电镜所忽略的细节结构信息将被挖掘出来，极大的提高研究人员对病毒结构和成分的认知，为人们的科研和生活服务。