[發明專利]一種還原氧化石墨烯膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201911043381.0
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN111908455A
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 王宏偉;陳亞楠;劉楠;徐潔
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;G01N23/04;G01N23/046;G01N23/2005;G01N23/207
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 王春霞

本發明公開了一種還原氧化石墨烯膜及其制備方法。所述還原氧化石墨烯膜的制備方法包括如下步驟：將氧化石墨烯轉移至電鏡載網上，經還原即得；所述還原的步驟如下：在氬氫氣的環境下，加熱至300～600℃并恒溫，實現對所述氧化石墨烯的還原。本發明還原氧化石墨烯膜的導電性更強，因而能夠減少拍照曝光時電子造成的漂移；與氧化石墨烯相比，還原氧化石墨烯的導電性更高，減少光束照射帶來的樣品漂移問題。此外，還原氧化石墨烯的厚度更薄，因此透射電子顯微鏡照片的背景噪音也更低。本發明提供的還原氧化石墨烯膜能夠給冷凍電鏡的制樣以及后期三維重構帶來極大便利。

技術領域

本發明涉及一種還原氧化石墨烯膜及其制備方法，屬于生物冷凍電鏡技術領域。

背景技術

冷凍電鏡技術長期的發展，尤其是近幾年在數據處理和相機硬件方面接連取得的突破性的進展，使得該方法突破了以往分辨率的局限性，近原子分辨率的結構解析變得較為普遍。該技術將處于生理條件下的溶于水中的樣品快速冷凍，使得樣品保存于非晶玻璃態的冰中。再用透射電子顯微鏡進行觀察并收集照片。最后結合相關算法以及圖像處理技術對分子進行三維重構。之前，由于不能達到很高的分辨率，該方法應用不廣。近二十年來，直接電子探測相機的發明以及相關算法的優化基本上解決了這個問題，使得冷凍電鏡能夠達到近原子分辨率。冷凍電鏡革命性的突破使其獲得了蓬勃的發展。我國也抓住了這次機遇，應用該技術取得了一系列成績，并在冷凍電鏡領域占據一席之地。

經過近幾年的應用和發展，冷凍電鏡技術后期圖像收集和處理已經較為成熟。然而，冷凍樣品制作的技術發展，相對來說收效甚微。直至今天，樣品的可重復性仍然不高，制作樣品的條件仍需要根據不同樣品不斷去摸索。良好的冷凍樣品需要非晶玻璃態冰的厚度適宜、生物大分子分布均勻并且處于非變性狀態。由于后期圖像處理技術的成熟，前期樣品制作的問題逐漸凸顯。一個良好的樣品，往往成為得到高分辨率結構的關鍵。

應用于冷凍電鏡樣品制備的樣品支撐載網上一般覆蓋一層多孔碳膜，如果沒有另外覆蓋支持膜，孔中的大部分樣品會存在于氣液界面，而存在于氣液界面的生物大分子往往會產生變性進而影響結構。多孔碳膜表面性質不均勻、導電性不佳并且機械剛性不強。導電性不佳會造成生物大分子在拍照時產生漂移進而影響最終結構的分辨率。通常情況下，為了解決這些問題，研究人員會在多孔碳膜上鋪制一層無定形超薄碳膜。然而，這層無定型碳膜會帶來較大的背景噪音，對后期圖像處理帶來極大困擾。近年來，也有課題組在嘗試采用氮化硅或者金等材料作為支持膜。然而由于存在導電性差、在液氮溫度下剛性差、制備工藝不成熟等問題，這些載網并沒有得到廣泛的應用。后來人們考慮一種背景很小的二維材料—石墨烯作為支持膜。石墨烯很薄，電子能夠輕易穿過。此外，石墨烯超高的導電性和機械強度使得它成為一種理想的載網材料。然而，由于石墨烯的疏水性，生物大分子不易附著。有一種方法是將石墨烯氧化，氧化后的石墨烯具有親水性，可以與生物大分子結合。然而，這降低了石墨烯的導電性，導電性降低會帶來一系列困擾。此外，氧化石墨烯表面具有很多官能團，使得石墨烯膜厚度增加，背景噪音較強。因此，需要提供一種理想的新型冷凍電鏡載網支持膜材料。

發明內容

本發明的目的是提供一種還原氧化石墨烯膜(負載于電鏡載網上)及其在生物冷凍電鏡中的應用。

由于石墨烯超強的導電性和機械性能、均勻性以及超薄的特性，可以部分甚至完全消除目前電鏡載網存在的背景噪音強、導電性差、大分子分布于氣液界面等問題。由于氧化石墨烯雖然解決了石墨烯疏水的特性，但是降低了導電性，而還原之后可以補償降低的導電性。此外，氧化石墨烯層與層之間存在較多官能團，層間距較大，而還原之后層間距減小，因此噪音相對更小。

本發明提供的還原氧化石墨烯膜的制備方法，包括如下步驟：

將氧化石墨烯轉移至電鏡載網上，經還原即得到還原氧化石墨烯膜。

其中，所述氧化石墨烯可采用改進的Hummers法制備，具體可包括如下步驟：