米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）、纳米材料研究部、电子显微镜组、首席研究员：Kazutomo Suenaga教授、大阪大学科学工业研究所、日本科学技术振兴机构（JST）、JEOL有限公司透射电子显微镜用于产生极少量的几个原子同位素我们开发了一种元素检测技术。
可以调整发射电子的能量单色电子源计算一个中子的重量差原子振动能中的差异来检测空间分辨率小于1纳米的同位素元素的技术。该空间分辨率比现有使用光或离子的同位素检测技术高一到两个数量级。随着这一发展，透射电子显微镜不仅能够分析材料的结构和组成元素，还能够分析以前无法区分的同位素类型。将来同位素标记在单原子/单分子水平上，有可能直接详细地分析化学和生物反应发生的地点和方式，这有望为材料科学和生物学的基础研究以及药物发现研究等广泛领域做出贡献。该技术的详细信息将于 2022 年 3 月 2 日（英国时间）公布自然
通过电子束光谱石墨烯里面碳同位素鉴定图解
同位素是具有相同化学性质但仅重量（中子数）不同的元素。由于其特性，它们被用作跟踪生物和化学反应的标记（同位素标签），并且还被广泛应用于环境研究以及矿物和化石年代测定等广泛领域。现有的同位素检测技术使用光束或离子束，如果有足够量的样品，则可以高精度测量质量比。另一方面，在分析有价值的艺术品或微化石时，需要从极少量的样品中检测出少量的同位素，这需要很高的检测灵敏度。此外，就现有同位素检测技术的空间分辨率而言，即使在显微测量中，空间分辨率也一般在数十至数百纳米量级，这使得针对单个原子或单个分子的分析变得困难。然而，为了使用同位素标记更详细地跟踪化学反应、原子扩散、材料生长过程等，有必要在单原子水平上识别同位素位置。因此，需要一种具有高检测灵敏度和空间分辨率的新同位素分析技术。
AIST 和大阪大学科学与工业研究所一直与 JEOL Ltd 合作，改进透射电子显微镜技术的功能和性能，以便详细捕捉原子和分子的行为。到目前为止，我们已经在单原子水平上进行了材料分析，电子能量损失谱（以下简称“EELS”）最近，我们开发了一种可以排列电子束能量的单色电子源，通过大大提高EELS的能量分辨率，我们成功地直接检测了原子振动（晶格振动和分子振动）的能量。2019 年 8 月 13 日 AIST 新闻稿）。这次，我们开发了一种技术，可以根据这些原子的振动能量在原子水平上识别和可视化同位素。
这项研究和开发得到了日本科学技术振兴机构委托的“PRESTO 项目：利用创新光学科学技术创造尖端科学（2020-2025 年）”和“CREST 项目：原子和分子的自由排列和定向技术以及分子系统功能”的支持。
透射电子显微镜是一种强大的分析工具，可以在原子水平上分析材料的结构和组成元素。然而，由于典型的透射电子显微镜图像反映了原子的带电状态，因此图像中不反映不带电中子的数量。因此，仅从透射电子显微镜图像中不可能区分具有不同中子数的同位素。在这项研究中，我们使用配备单色电子源的透射电子显微镜（JEOL Ltd制造，图1）开发了一种利用EELS精确测量原子振动能量的技术。这使他们能够检测单个中子重量的差异作为振动能量的差异，并成功地使用透射电子显微镜识别同位素并在原子水平上可视化它们，这在以前是不可能的。
图1 实验中使用的配备单色电子源的透射电子显微镜（JEOL Triple C No2）
在本研究中，如图2左侧所示，电子分散在稍微偏离电子束通过的中心轴的位置暗场法检测到同位素。所有少数报告的使用 EELS 进行同位素检测的案例均已得到证实明场法的东西，其空间分辨率只有几百纳米，因此它相对于现有的使用光或离子的同位素检测技术的优越性并不是那么大。另外，这个方法是极性可以测量。新开发的方法选择性地利用靠近原子核并以大角度散射的电子，消除导致信号展宽从而降低空间分辨率的小角度散射电子，从而实现高空间分辨率。另一个优点是，无论被测材料的极性如何，都可以使用待测材料的极性，因为它检测单个原子内由于振动而产生的电荷的极性。
图 2 右侧显示了自然世界同位素比12C石墨烯)和13由 C 同位素替代气体制成的石墨烯 (13C石墨烯）获得的实际振动谱。12C 和13C 有 6 个质子和 6 个中子 (12C) 或 7 件 (13C) 是碳的稳定同位素。图 2 右侧 160-180 meV 附近的峰值光学振动模式，峰值位置的差异（大约7到8meV）反映了一个中子重量的差异，因此同位素（这里12C 和13C) 可以区分。两者都是从单片石墨烯中获得的，即使从只有一个原子厚度的样品中也可以获得足够的信号。此次测量实现的空间分辨率约为 03 纳米，相当于石墨烯中的四个碳原子（图 2，中）。由于当这四种原子中的任何或全部被同位素取代时，可以检测振动能量的差异，因此测量灵敏度能够检测1至4种同位素。
图2 实验方法与实际结果12C 和13C石墨烯的晶格振动谱
也作为应用程序13C 石墨烯的一部分12C 取代和同位素扩散的过程。首先13C 制成的石墨烯，并重点关注石墨烯中称为裂纹的裂缝（图 3，左）。通过将样品的温度设置在 650°C 至 700°C 之间，并用聚焦在几十纳米的电子束照射该裂纹，可以生长石墨烯来填充裂纹（图 3，中）。这可以在电子显微镜下实时生长石墨烯现场观察，使用附着在裂纹上的硅原子作为催化剂，透射电子显微镜内的残留气体作为碳源，以及热和电子束作为能量。电镜下残留的气体，也就是碳源，是自然界中发现的同位素比值的碳氢化合物，所以回收面积为12C变成石墨烯。当使用这次开发的方法实际识别同位素时，它们最终会被填埋。12C是集中的（图3底部中心）。此外，当样品在600℃下加热约2小时时，发现埋入后立即聚集12C 大部分是扩散的（图 3 右下角）。迄今为止，仅使用理论方法讨论了石墨烯内部碳原子在相互交换位置（自扩散）时的运动，但通过使用这种方法，研究人员首次成功地通过实验对其进行了跟踪。
图 3 通过透射电子显微镜中的同位素分析追踪石墨烯的自扩散
该方法将应用于其他元素和材料，以扩大检测元素和适用材料的范围。例如，通过区分氢及其同位素氘，可以追踪氘化标记分子，从而可以分析聚合物复合物等纳米级结构物质的结构，并追踪各种反应过程。我们将建立一种纳米级或以下的同位素标记方法，这在以前是不可能的。
未来，除了提高能量分辨率和空间分辨率外，我们的目标是通过提高检测效率，高速、高精度地测量每个原子的振动状态。这将能够在化学反应和材料生长过程中实时跟踪单原子和单分子同位素标记，目的是将其应用于使用同位素作为标记的药物发现研究。
已出版的杂志：自然
论文标题：使用原子级振动光谱对同位素扩散进行成像
作者：Ryosuke Senga、Yung-Chang Lin、Shigeyuki Morishita、Ryuichi Kato、Takatoshi Yamada、Masataka Hasekawa 和 Kazu Suenaga