一种新的电子显微镜技术可以保持样品的完整性，同时检测纳米蛋白重量的微小变化，这可以为更深入、更全面地研究生命的基本结构开辟新的途径。

能源部橡树岭实验室的科学家在《科学》杂志中描述，这是首次在不破坏样品的情况下，利用电子显微镜直接鉴定纳米氨基酸中的同位素。

同位素通常用于标记分子和蛋白质。通过测量分子振动特性的变化，电子显微镜可以以前所未有的光谱精度和空间分辨率跟踪同位素。

这项技术不破坏氨基酸，允许动态化学的真实空间观测，为生命科学中生物结构从简单到复杂的大量科学发现奠定了基础。

博士后研究员、《ORNL》的第一作者Jordan Hachtel说：“我们理解疾病进展、人类新陈代谢和其他复杂生物现象的方式是基于蛋白质之间的相互作用。”我们通过用同位素标记特定的蛋白质来研究这些相互作用，然后通过化学反应跟踪它，看看它去了哪里，做了什么。"

“现在，我们可以用电子显微镜直接追踪同位素标记，这意味着我们可以以相当于蛋白质实际大小的空间分辨率完成这项工作，”Hachtel补充道。

他们的新实验是在ORNL的纳米材料科学中心进行的，在扫描透射电子显微镜或STEM中使用单色电子能量损失光谱学或EELS。科学家使用的技术足够灵敏，可以区分单个原子上具有不同中子的分子。EELS用于捕捉氨基酸分子结构中的微小振动。

“同位素标记通常可以通过质谱在宏观层面上看到，这是一种显示样品原子量和同位素组成的科学工具，”ORNL的科学家和记者胡安卡洛斯海德鲁博说。“质谱具有令人难以置信的质量分辨率，但通常没有纳米空间分辨率。这是一项破坏性技术。”

质谱仪使用电子束将分子分解成带电碎片，然后通过它们的质荷比进行表征。在宏观尺度上观察样品，科学家只能从统计数据中推断出样品中可能存在的化学键。这些样本在实验过程中被销毁，留下了未被发现的宝贵信息。

ORNL团队应用的新的电子显微镜技术提供了一种更温和的方法。通过将电子束定位在非常靠近样品的位置，但不与样品直接接触，电子可以激发和检测振动而不损坏样品，从而允许在室温下观察生物样品更长时间。

他们的结果构成了电子显微镜的突破，因为带负电的电子束通常只对质子敏感，而对中子不敏感。“然而，分子振动的频率取决于原子量，对这些振动频率的精确测量开启了在电子显微镜中测量同位素的第一个直接通道，”Idrobo说。

由ORNL领导的研究小组预计，他们潜在的改变游戏规则的技术不会取代质谱和其他基于光学和中子的传统技术。

“我们的技术是对宏观质谱实验的完美补充，”Hachtel说。“通过预先了解质谱，我们可以进入并在空间上求解同位素标志物最终在真实空间样品中存在的位置。”

除了生命科学，这项技术还可以应用于其他软材料，如聚合物和量子材料，其中同位素替代在控制超导性方面可以发挥关键作用。