在最新的《ACS Nano》雜志上，由加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)、芬蘭阿爾托大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)的研究人員所組成的國(guó)際化團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了具有新型直棒狀結(jié)構(gòu)的甲殼素納米晶體（chitin nanocrystal）的可控制備，并將冷凍透射電子顯微鏡（Cryogenic-TEM，cryo-TEM）與電子斷層掃描（Electron Tomography，ET）技術(shù)相結(jié)合，精細(xì)解析重構(gòu)了其手性結(jié)構(gòu)。該研究展現(xiàn)了超低溫冷凍電鏡與計(jì)算機(jī)輔助模擬在天然可再生高分子材料精細(xì)結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用前景，為新型綠色材料的開發(fā)提供了更好的幫助。研究論文題目為“Chirality from Cryo-Electron Tomograms of Nanocrystals Obtained by Lateral Disassembly and Surface Etching of Never-Dried Chitin”眾所周知，纖維素納米晶體（CNC）具有紡錘形棒狀形貌。在常見的酸水解制備甲殼素納米晶體過程中，與CNC相似的紡錘形貌也普遍存在。本研究中，英屬哥倫比亞大學(xué)的Orlando J. Rajas教授團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)的酸水解制備方法的基礎(chǔ)上，將表面乙酰化調(diào)節(jié)引入到酸水解反應(yīng)前（圖1），賦予可離子化氨基于疏水性甲殼素纖維簇表面，使纖維簇在酸水解過程中帶有表面正電特性。這種帶有電荷的纖維簇結(jié)構(gòu)自發(fā)地形成了簇與簇及簇內(nèi)部的靜電斥力，因此，酸分子更容易滲透進(jìn)入甲殼素簇內(nèi)部，從而使得緊湊排列的簇狀結(jié)構(gòu)可以容易的發(fā)生橫向脫組裝 （圖2）。于此同時(shí)，表面陽離子化也在一定程度上增強(qiáng)了甲殼素纖維的表面親水性，使其能夠更均勻的受到酸分子的蝕刻，有利于甲殼素納米晶直棒狀結(jié)構(gòu)的形成。正如該文第一作者英屬哥倫比亞大學(xué)的白龍博士所說，“僅需要簡(jiǎn)單的預(yù)處理過程，就可以實(shí)現(xiàn)天然高分子甲殼素納米顆粒在微觀形貌上的巨大改變，這是極具深入研究探索的科學(xué)現(xiàn)象”。圖1.新型直棒狀甲殼素納米晶體的制備流程及其原位表征的微觀形貌（cryo-TEM和AFM）。圖2.可控調(diào)節(jié)甲殼素纖維簇表面乙酰化程度促進(jìn)了酸水解過程中甲殼素纖維的表面蝕刻與橫向脫組裝過程，進(jìn)而使得單根直棒狀納米晶得以釋放。在該研究中，冷凍電子顯微鏡的成功運(yùn)用為表征甲殼素納米晶體的直棒狀形貌提供了有力的支持。眾所周知，生物質(zhì)材料在電鏡觀察中很容易受到電子束的破壞，為直接觀測(cè)帶來了困難。芬蘭阿爾托的科研人員經(jīng)過探索，對(duì)電鏡樣品制備工藝與觀測(cè)中的參數(shù)設(shè)置都進(jìn)行了優(yōu)化，很好地實(shí)現(xiàn)了天然高分子材料的原位觀察。在得到甲殼素納米晶體于不同電子束角度下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)后，通過電子斷層掃描技術(shù)將其重構(gòu)成三維模型，進(jìn)而可以精細(xì)地解析其微觀形貌及固有的結(jié)構(gòu)特性（圖3）。研究表明，制得的直棒狀納米晶體不具有顯著的手性結(jié)構(gòu)，即其單根納米晶不具備扭轉(zhuǎn)特性。這種不具備手性結(jié)構(gòu)的直棒狀甲殼素納米晶體在開發(fā)特殊用途材料方向具有理想的前景，如取向型紡絲、光學(xué)器件等。于此同時(shí)，本研究還證明了低溫電子斷層掃描技術(shù)在生物質(zhì)天然高分子材料領(lǐng)域的可行性，為進(jìn)一步分析生物質(zhì)基納米材料的特性、豐富其結(jié)構(gòu)認(rèn)知提供了技術(shù)保障。圖3. 通過cryo-TEM的表征和ET的重構(gòu)模擬，實(shí)現(xiàn)了隊(duì)單根甲殼素納米晶體微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)重現(xiàn)，并分析了其在不同制備條件下的手性扭轉(zhuǎn)行為。https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c01327
