個々のナノ粒子の3次元元素マッピングのためのエネルギー分散型X線トモグラフィー
2016年7月5日
走査型透過型電子顕微鏡におけるエネルギー分散型X線トモグラフィーの使用が、単一のナノ粒子内の元素分布を3次元で特徴づけるために説明されています。
この実験の全体的な目標は、ガルバニック置換反応によって合成される銀-金ナノ粒子内の元素の分布を調査することです。この方法は、特定のナノ粒子組成物が触媒性能の向上を示す理由など、触媒作用の分野における重要な疑問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、ナノメートルスケールで元素の分布を調査できることです。
これにより、3次元で信じられないほどの高解像度が可能になります。この手法は、ここでは金属ナノ粒子の研究に使用されていますが、半導体量子ドットなど、ナノメートル長スケールの他の材料の研究にも使用でき、その光学特性や細胞内での性能を理解するのに役立ちます。ナノ粒子合成を開始するには、5グラムのPVPを室温で37.5ミリリットルのエチレングリコールに溶解します。
次に、この溶液に200ミリグラムの硝酸銀を加えます。硝酸銀が完全に溶解するまで溶液を攪拌し、次にホットプレート上で1分間に摂氏1度の一定速度で溶液を摂氏100度の温度に加熱します。次の1時間半の間、摂氏100度で反応を進行させます。
次に、87.5ミリリットルの蒸留水を加え、溶液を室温まで冷却します。次に、溶液を8000倍Gで遠心分離し、上清を取り除き、銀ナノ粒子を50ミリリットルの蒸留水に再分散させます。新しい丸底フラスコに、50ミリグラムのPVPを50ミリリットルのエチレングリコールに室温で溶解します。
2.78ミリリットルの銀ナノ粒子懸濁液を加え、フラスコを摂氏100度で10分間加熱します。次に、100ミリリットルの0.2またはテトラクロロオーリン酸水素三水和物を準備します。10、20、30、または40ミリリットルの溶液を滴下して銀ナノ粒子溶液の別々の調製物に滴下し、さまざまな比率で金銀ナノ粒子を得ます。
室温まで冷まし、蒸留水で3回洗浄します。約0.02ミリリットルのナノ粒子溶液をカーボンTEMグリッドに直接ピペットで固定します。可能であれば、ベリリウムTEMグリッドを使用してスプリアスX線を制限し、大きなメッシュサイズを使用してグリッドからのシャドウイングを最小限に抑えます。
ナノ粒子溶液が乾いたら、100%メタノールまたはエタノールを10〜20滴TEMグリッド上にピペッティングし、抗毛細管クロスオーバーピンセットでグリッドを保持しながらTEMグリッドを洗浄します。濾紙を使用して、各滴の後に余分な液体をそっと取り除きます。最後に、グリッドを真空下で摂氏80度でアニールして、残っている汚染を除去または固定します。
ナノ粒子でコーティングされたグリッドをトモグラフィーホルダーにセットし、TEMに挿入します。顕微鏡の真空度が適切な安定値に達したら、カラムバルブを開き、電子ビームが画面上で観察できることを確認します。スキャニングTEMモードでは、回折が選択されていることを確認してから、「Search」タブに移動し、「Alpha Wobbler」ボタンを押してステージをプラスマイナス15度に傾
けます。Z高さをユーセントリック高さに調整することにより、サンプルの動きを最小限に抑えます。次に、ビームがサンプルの穴の上に来るようにサンプルを移動します。プローブの焦点が合っていない画像に絞りの影を中央に配置することにより、適切なコンデンサー絞りが正しく位置合わせされていることを確認します。
強度をぐらつかせて、集束したプローブがビームテールのずれをチェックするために動かないようにします。次に、[検索]タブで[トラックの表示]を選択し、イメージング中にグリッドの正方形の輪郭をたどって、グリッド正方形の輪郭をトレースします。グリッドの正方形の中央部分に代表的なパーティクルを見つけます。
イメージング中にサンプルをホルダーの最大傾斜範囲まで傾けて、大きなホルダーの傾きでナノ粒子がグリッドバーによって隠されないようにします。5度から10度の角度増分を使用して、傾斜角度の全範囲にわたって5分間の一定の取得時間で、高角度の暗視野およびエネルギー分散型X線スペクトル画像を取得します。まず、[イメージング] ウィンドウで [取得] をクリックして、オーバービューの高角度角度暗視野画像を取得します。
次に、この画像上でボックスをドラッグしてAcquireを押し、ナノ粒子の周りのマッピングウィンドウを選択します。次に、最初にスペクトルデータキューブをRAWファイルとして開いて、特性X線カウントを抽出します。次に、Slice 2D 関数と Sum 関数を使用して、対象のピークのエネルギー チャネルに対応するデータ キューブ スライスの強度を合計します。
前の手順と同じ方法でエネルギー分散型X線スペクトル画像を取得しますが、定数の取得時間に関するデータから決定された時間間隔を使用します。ハイアングル角度暗視野TIFF画像を画像シーケンスとしてインポートします。これらを使用して、画像視覚化ソフトウェアのMRCライターを使用して、一連の傾斜角度暗視野画像をMRCファイル形式にコンパイルします。
次に、高角度の角度暗視野画像を相互相関させて、傾斜シリーズの大まかな位置合わせを取得します。アライメントデータを SFT ファイルまたはファイルXCORR.TXTとして保存します。続いて、[Calculate Alignment Shifts] ウィンドウで [Proceed] を押して、チルト シリーズ全体の相互相関を実行します。
ローカルシフトが1ピクセル未満になるまで整列を繰り返し、各ステップのすべてのシフトファイルをテキストとして保存してください。次に、集録したスペクトル データ キューブを読み込み、Slice 3D スクリプト関数と Sum スクリプト関数を使用して、対象の要素に対応するエネルギー チャネルのスライスを合計したマップを抽出します。トモグラフィー再構成ソフトウェアで、「アライメントの適用」タブに移動し、「アライメントデータビューからのシフトを使用」を選択して、抽出されたエネルギー分散型X線元素マップに高角度の角度暗視野アライメントを適用します。
必要に応じて、高角度角度暗視野画像シリーズで傾斜軸調整を実行し、[位置合わせの適用]タブの[傾斜軸調整からの補正を使用]タスクをチェックして、暗視野画像とX線マップの両方に調整を適用します。次に、断層撮影ソフトウェアパッケージ内に実装された同時反復再構成アルゴリズムを使用して、抽出されたエネルギー分散型X線元素信号のそれぞれについて断層撮影データセットを再構築します。画像視覚化ソフトウェアで、[画像]、[スタック]の順に選択し、[直交ビュー]を選択して、個別の要素再構成のオルソスライスを抽出します。
視覚化ソフトウェアを使用して、再構成からさらにオルソスライス、ボリューム、およびサーフェスレンダリングを構築し、視覚化します。スケールが正しく設定されていることを確認するには、スケールがRECファイルからうまく転送されないことが多いため、すべての要素再構成をロードしてチェックします。次に、オブジェクトプール内のリコンストラクションオブジェクトを選択して右クリックし、オルソスライスを抽出するためにOrtho Sliceモジュールを選択します。
リコンストラクションを右クリックし、[ボリュームレンダリング]を選択してボリュームレンダリングを抽出します。最後に、再構築を右クリックして[Isosurface]を選択して、等値面を抽出します。エネルギー分散型X線トモグラフィーを用いて行った三次元元素マッピングにより、ガルバニック反応により合成された低金含有銀-金ナノ粒子内に明確な金表面偏析が明らかになった。
ただし、金含有量が増加すると、この表面偏光が切り替わり、金含有量が最も高い場合、明確な銀表面偏析が発生しました。この技術は、個々のナノ粒子の表面組成を特徴付ける能力を実証しています。X線光電子分光法などの補完的な技術により、アンサンブルナノ粒子集団に関する情報を得ることができます。
このビデオを見れば、エネルギー分散型X線トモグラフィーを使用してナノ粒子の3次元化学画像を取得する方法についてよく理解できるはずです。
概要
本記事では、走査透過電子顕微鏡におけるエネルギー分散X線トモグラフィーを用い、銀-金ナノ粒子の内部における元素分布を三次元的に分析する方法について解説します。この手法は、ナノ粒子の組成に関する高解像度な知見を提供し、これはナノ粒子の触媒特性を理解する上で極めて重要です。
研究の主要構成要素
科学分野
- ナノテクノロジー
- 材料科学
- 触媒作用
背景
- 銀-金ナノ粒子は、ガルバニック置換反応を通じて合成されます。
- 元素分布を理解することで、特定の組成がなぜ向上した触媒性能を示すのかを解明できます。
- この手法はナノメートルスケールでの分析を可能にし、さまざまな材料に関する知見を提供します。
- 応用範囲は、半導体量子ドットおよびその光学特性にまで及びます。
研究目的
- 銀-金ナノ粒子の内部における元素分布を調査すること。
- ナノ粒子の組成に関連する触媒分野の重要な課題に取り組むこと。
- ナノ粒子の特性評価におけるエネルギー分散型X線トモグラフィーの能力を実証すること。
使用した手法
- PVPおよびエチレングリコールを用いた銀ナノ粒子の合成。
- テトラクロロ金(III)酸三水和物の添加による金-銀ナノ粒子の調製。
- イメージングのためのカーボンTEMグリッド上への試料調製。
- 高角環状暗視野（HAADF）像およびエネルギー分散型X線分光（EDX）スペクトル像の取得。
主な結果
- 様々な比率における銀-金ナノ粒子の合成に成功した。
- 高解像度イメージングにより、詳細な元素分布が明らかになった。
- データ解析により、ナノ粒子の触媒特性に関する知見が得られた。
- 本手法は、様々なナノ材料を研究する上での汎用性を実証した。
結論
- エネルギー分散型X線トモグラフィーは、ナノ粒子の特性評価に有効です。
- この手法により、組成と触媒性能との関係についての理解が深まります。
- これらの知見は、ナノ材料およびその応用に関する今後の研究に役立てることができます。
よくある質問
産業上の重要性
STEMにおけるエネルギー分散X線トモグラフィーにより、個々のナノ粒子のナノスケール3D元素マッピングが可能となり、組成・構造・特性の関係について重要な知見が得られます。この機能は、元素分布を直接可視化することでメカニズムに関する仮説のリスクを低減し、ナノ医療や触媒応用におけるターゲット検証を支援します。また、生物学的相互作用や触媒活性に影響を与える表面偏析パターンを明らかにすることで、ナノ粒子ベースの治療薬および診断薬のリード化合物同定における予測信頼性を向上させます。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期発見およびターゲット検証
- 科学的価値： 個々のナノ粒子内における元素分布をマッピングすることで、治療仮説を検証し、構造と機能の関係を明らかにします。
- 運用的価値： 金や銀の濃縮などの表面偏析の直接的な証拠を提供し、バイメタリックナノ粒子システムにおける標的メカニズムを検証します。
- 予測的価値： 組成の不均一性と触媒能または生物学的性能を関連付けることでポートフォリオの選別を支援し、後期段階での脱落リスクを低減します。
スクリーニングおよびアッセイの開発
- アッセイの準備： ナノ粒子処方間で信頼性の高い比較を可能にする、標準化され再現性のある3D元素マップを作成します。
- 定量的出力： スクリーニングキャンペーンの定量的な読み取り値として機能する、元素特異的な強度測定値を提供します。
- プラットフォームの拡張性： 一貫したナノ粒子特性評価のための、高スループットなティルトシリーズの取得および再構成を促進します。
トランスレーショナルおよび前臨床研究
- トランスレーショナルな連続性：元素分布が生物学的システムにおけるナノ粒子の挙動にどのように影響するかというメカニズム的な洞察を提供することで、発見から前臨床検証までの橋渡しをします。
- バイオマーカーの整合性：治療効果や触媒活性と相関する組成バイオマーカーの同定を支援します。
- リスク調整後の進展：生体内分布、クリアランス、またはターゲットへの結合に影響を及ぼす可能性のある組成バリアントを明らかにすることで、go/no-go決定に情報を与えます。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、初期のナノ粒子合成からリード化合物の同定、さらには前臨床評価に至るまでの一連の探索プロセスに統合されており、3D組成データに基づいた設計と検証の反復的なサイクルを可能にします。
- 発見生物学：ナノ粒子の機能に関するメカニズムモデルの根拠となる元素局在パターンを明らかにすることで、仮説検証を支援する。
- スクリーニング：再現性のあるスペクトルイメージングとティルトシリーズの取得によりアッセイの標準化を可能にし、一貫したナノ粒子のプロファイリングを実現する。
- 分析：定量的な読み取り値として元素マップと強度合計を提供し、条件の比較や処方の最適化を導く。
- トランスレーショナルリサーチ：表面組成（例：AuやAgの偏析）を想定される生物学的または触媒的な結果に結びつけることで、前臨床研究への橋渡しを行う。
- 企業内再利用：量子ドットや合金ナノ粒子を含む多様なナノ材料を複数のプロジェクトにわたって特性評価するための、再利用可能なプラットフォームを構築する。
運用および企業への影響
- 科学的価値：元素分布と表面組成の曖昧さを軽減することで、ターゲット検証における予測の信頼性を向上させる。
- 運用上の価値：制御された取得プロトコルとアライメントワークフローを通じて、再現性と標準化を強化する。
- 戦略的価値：ナノスケールの組成に関する知見に基づき、ナノ粒子候補の早期リスク低減を可能にすることで、資本効率を改善する。
- ポートフォリオへの影響：望ましい表面特性を持つ組成バリアントを特定して推進させることで、リスク調整後の優先順位付けを支援する。
実施上の検討事項
- STEM操作、トモグラフィーホルダーの使用、およびスペクトルデータ処理に関する専門知識が必要です。
- EDX検出器およびトモグラフィー機能を備えた走査透過電子顕微鏡へのアクセスが必須となります。
- 試料調製、チルトシリーズの取得、および再構成プロトコルのチーム間標準化が必要です。
- 異なるナノ粒子タイプ（例：量子ドットと金属合金）におけるビーム感度や信号対雑音比に関する適応上の検討が含まれます。
- 実用上の制限として、試料の厚さの制約や、長時間の取得中に発生する可能性のあるビーム誘起アーティファクトがあります。
