用石墨烯液细胞透射电镜研究原位纳米晶蚀刻
2018年5月17日
石墨烯液细胞电子显微镜可用于观察液体环境中的纳米晶动力学, 其空间分辨率比其它液态细胞电子显微镜技术更大。用石墨烯液细胞透射电镜对预制纳米晶及其形状进行蚀刻, 可以产生纳米粒子转化的重要机械信息。
该程序的总体目标是将小液体袋封装在石墨烯片之间，以便使用透射电子显微镜或 TEM 对纳米材料进行成像。这种方法可以帮助回答纳米材料领域的关键问题，例如纳米晶体的生长和蚀刻，具有电子显微镜的高空间分辨率。该技术的主要优点是研究小组能够使用现有的支架进行液池 TEM 实验，启动成本低，空间分辨率高。
一般来说，刚接触这种方法的人会很挣扎，因为处理石墨烯涂层的 TM 网格很困难并且需要大量的练习。首先，在铜上切出一块大约 2 平方厘米的预制石墨烯，它适合大约 6 到 8 个 TEM 网格。按照文本协议中的详细说明清洁石墨烯后，将铜片上的石墨烯抹平以去除任何微小的皱纹。
为此，取两张干净的载玻片，将折叠的抹布放在底部的载玻片上。在抹布的顶部，将石墨烯放在铜片上。最后，将第二个载玻片放在顶部。
按下顶部载玻片，逐渐抚平铜片上石墨烯中的任何皱纹。减少组织中的折叠次数并重复压制过程。继续该过程，直到在两个载玻片之间进行最后一次压制，没有组织擦拭。
首先将有孔的无定形碳支撑箔 TEM 网格放在石墨烯上，使无定形碳与石墨烯接触，将 TEM 网格放在石墨烯上。将几滴异丙醇放在网格上。让网格干燥两个多小时，以确保网格正确粘合。
这种干燥过程使有孔的无定形碳与石墨烯更好地接触。接下来，使用过硫酸钠溶液蚀刻铜。使用镊子小心地将石墨烯放在过硫酸钠溶液上的铜片上，铜面朝下。
让碎片漂浮在过硫酸钠溶液的顶部。将带有石墨烯涂层网格的溶液放置过夜。请注意，随着铜的蚀刻，溶液会变成蓝色，当蚀刻完成后，石墨烯片后面不会有可见的铜。
从溶液中去除漂浮的网格，然后将它们放在第二个培养皿中干净的去离子水上，清洗网格以清除过硫酸钠。重复此过程 3 次，以去除石墨烯涂层网格中的所有过硫酸钠残留物。用镊子捡起网格。
将网格，石墨烯面朝上放在滤纸上，让它们干燥。取两个涂有石墨烯的 TEM 网格，将它们石墨烯面朝上放在载玻片上。使用小手术手术刀刀片，切掉石墨烯涂层的 TEM 网格之一的边缘，大约是网格面积的四分之一到八分之一。
接下来，将大约 0.5 微升要封装的溶液滴放在未切割的石墨烯涂层 TEM 网格上。在放置液滴时，使用镊子按住 TEM 网格的边缘，以便毛细管力不会拾取 TEM 网格。将液滴放在 TEM 网格的中心至关重要，最好是尽可能小的液滴。
如果 TEM 网格制作正确，液体将在疏水性石墨烯表面形成珠状形状。快速、小心地将涂有石墨烯的 TEM 网格放在液滴顶部。目标是让第二个网格停在第一个网格的顶部，而不会挤出液体。
等待 5 分钟，让石墨烯液细胞袋形成。将第二个 TEM 网格放在液滴顶部需要小心的手动控制。通常，最好先将顶部网格的边缘放下，然后逐渐取下镊子。
将石墨烯液体池放入传统的 TEM 单倾斜支架中。将 TEM 支架加载到 TEM 柱中。按照文本方案中的说明准备 TEM 后，开始在液体口袋中寻找纳米颗粒，同时保持低剂量率。
当在液体袋中发现纳米颗粒时，在保持低剂量率的同时微调对纳米颗粒的关注。使用校准曲线将聚光镜电流设置为所需的剂量率。开始收集 TEM 图像的时间序列，并在图像文件中嵌入了剂量率和时间戳的元数据。
纳米晶体蚀刻的 TEM 视频可以分解为每一帧。对于每一帧，可以使用图像分析软件勾勒出纳米晶体的轮廓。从轮廓中，可以确定纳米棒的长轴和短轴。
二维轮廓可以沿长轴切割。纳米棒一半的这些新轮廓中的每一个都可用于通过围绕长轴旋转轮廓来重建三维形状。观看此视频后，您应该对如何使用电子显微镜制造用于纳米材料成像的石墨烯液体池有很好的了解。
虽然这种方法可以应用于纳米材料，但它也可用于研究天然液体环境中的软材料或生物材料。
概述
本文讨论了使用石墨烯液体电子显微镜来观察液体环境中的纳米晶动力学。该方法与传统技术相比提供了更高的空间分辨率，使得对纳米粒子转化的详细研究成为可能。
关键研究组成部分
科学领域
- 纳米材料
- 电子显微镜
- 石墨烯技术
背景
- 石墨烯液体电子显微镜允许在液体中成像纳米材料。
- 高空间分辨率对于研究纳米晶生长和蚀刻至关重要。
- 可以使用现有的持架，从而最小化启动成本。
- 处理石墨烯涂层网格需要练习。
研究目的
- 为成像纳米材料而封装液体囊泡。
- 以高分辨率研究纳米晶的动力学。
- 为新手提供详细的技术方案。
使用的方法
- 为透射电子显微镜网格在铜上制备石墨烯。
- 蚀刻铜以创建石墨烯液体电子显微镜。
- 在石墨烯网格之间封装液滴。
- 使用透射电子显微镜成像纳米粒子。
主要结果
- 成功封装液体囊泡以进行成像。
- 高分辨率成像纳米晶动力学。
- 为制备石墨烯液体电子显微镜提供详细的方法。
- 通过时间序列成像获得纳米粒子转化的见解。
结论
- 石墨烯液体电子显微镜对于研究纳米材料是有效的。
- 该方法也可以适用于软性和生物材料。
- 理解制造过程对于成功应用至关重要。
常见问题
Executive Industry Relevance
Graphene liquid cell TEM enables direct visualization of nanoscale chemical transformations in liquid, providing unprecedented insight into nanocrystal dynamics relevant to early-stage drug delivery and nanomaterial design. This capability supports mechanistic de-risking and predictive confidence at critical discovery inflection points. The method's compatibility with existing TEM infrastructure and low start-up costs make it accessible for enterprise R&D teams seeking to advance nanomaterial-enabled therapeutics.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables real-time observation of nanocrystal growth and etching mechanisms at atomic resolution.
- Supports functional validation of nanomaterial behavior in physiologically relevant liquid environments.
- Facilitates mechanistic de-risking by revealing atomistic transformation pathways.
- Improves predictive confidence for nanomaterial selection and optimization.
Screening & Assay Development
- Provides quantitative imaging outputs for nanomaterial morphology and transformation kinetics.
- Supports standardization of nanomaterial preparation and encapsulation protocols.
- Enables reproducible assessment of nanomaterial stability and reactivity under controlled conditions.
- Prepares validated nanomaterial systems for downstream functional assays.
Translational & Preclinical Research
- Allows study of nanomaterial interactions in native-like liquid environments, supporting translational relevance.
- Facilitates continuity from discovery imaging to preclinical model development for nanomedicine applications.
- Enables risk-adjusted advancement decisions based on direct mechanistic evidence.
- Supports alignment with translational biomarker strategies when studying nanomaterial-cell interactions.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling direct visualization of nanomaterial transformations, informing both early discovery and translational research workflows.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and mechanistic clarification of nanomaterial behavior in liquid.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible imaging outputs for nanomaterial assessment.
- Analytics: Provides time-resolved, metadata-rich datasets for comparative analysis of nanocrystal dynamics.
- Translational Research: Bridges discovery imaging with preclinical model validation for nanomaterial-enabled therapeutics.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging platform for diverse nanomaterial and soft matter studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in nanomaterial R&D.
- Operational Value: Offers standardized, scalable imaging workflows compatible with existing TEM holders.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and improves capital efficiency by de-risking nanomaterial selection.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of nanomaterial candidates for further development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in graphene handling and TEM sample preparation.
- Needs access to transmission electron microscopy and image analysis infrastructure.
- Demands cross-team standardization of encapsulation and imaging protocols.
- Adaptation may be needed for different nanomaterial or biological systems.
- Current limitations include delicate sample handling and lack of flow capability in the liquid cell.
