低能电子显微成像技术能否实现生物样本的无损伤观测？——基于瞬态阴离子损伤机制的分析与优化

为解决高能电子束对生物样本的损伤问题，研究人员探索了低能电子(LEE, 1-20 eV)显微成像技术。通过分析瞬态阴离子(TA)形成机制及DNA损伤实验，提出降低TA寿命的样本处理方案，为生物纳米结构无损观测提供新思路，相关成果发表于《Ultramicroscopy》。

　　

在纳米尺度观测生物样本的微观结构时，电子显微镜一直是科学家们的利器。然而，传统的高能电子束如同一把双刃剑——它能清晰呈现样本细节，却也像一场微型"电子风暴"般对脆弱的生物分子造成不可逆损伤。这种损伤尤其体现在DNA等遗传物质上，可能导致碱基断裂、链内交联等病变，严重制约了生物样本的原位观测。近年来，一种采用低能电子(LEE, 1-20 eV)作为探针的新型显微技术(LEEM)崭露头角，Neu等学者曾报道其在石墨烯基底上实现DNA折纸结构的无损成像。但这一技术真的能普遍适用于各类生物样本吗？

为解答这一核心问题，加拿大健康研究所资助的研究团队开展了一项突破性研究。通过系统分析LEE与生物分子的相互作用机制，他们发现：看似温和的低能电子仍会通过形成瞬态阴离子(TA)这一"分子陷阱"，引发连锁损伤反应。这项发表在《Ultramicroscopy》的研究，不仅揭示了TA损伤的物理化学本质，更提出了针对性的样本优化方案。

研究团队采用了两大关键技术：首先是真空电子轰击系统，将5层单分子膜的质粒DNA或16碱基对寡核苷酸薄膜沉积在钽基底上，在超高真空环境中接受1-20 eV电子束精确轰击；其次是损伤产物的高灵敏度检测，分别通过液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)和电泳技术对DNA断裂位点进行化学鉴定与定量分析。

LEE散射与电子附着机制
研究表明，1-20 eV电子主要通过两种途径与生物分子作用：直接散射作用截面较小，而共振相互作用会形成寿命极短(10^-15
-10^-12
秒)的TA。这些TA通过解离性电子附着(DEA)通道衰变时，会引发化学键断裂。理论模型显示，损伤截面与TA寿命(t_X
/τ_a
)呈指数关系。

低能电子诱导的DNA损伤
在1.8 eV电子轰击实验中，LC-MS/MS检测到寡核苷酸出现脱氧核糖环开裂等特异性损伤，证实3 eV以下电子即可引发DNA断裂。质粒DNA实验则揭示损伤产额呈双峰分布：在1-3 eV和6-12 eV出现峰值，分别对应π
和σ
共振态TA的形成能级。

最小化损伤的样本优化策略
基于TA衰变机制，研究提出三种优化途径：(1)使用金基底加速电子转移，缩短TA寿命；(2)控制样本温度至10K以下，抑制振动激发；(3)采用单层分子膜降低电子捕获概率。其中金基底方案可使TA寿命缩短至原值的1/100。

这项研究的重要结论在于：虽然LEEM能显著降低成像损伤，但完全"无损伤"成像仍受限于TA的量子力学本质。通过精确控制电子能量(避开3 eV和10 eV附近共振峰)并优化样本环境(如金基底+低温)，可将DNA损伤降低2个数量级。这一发现不仅为生物分子原位观测提供了参数优化指南，更深化了对电子-生物分子相互作用的基础认知，为发展下一代量子生物成像技术奠定理论基础。