ナノ粒子の自己集合の追跡のため液晶セルの透過電子顕微鏡観察
2017年10月16日
ここで紹介する自己組織化プロセスのリアルタイム観測のための実験プロトコル液晶セルの透過型電子顕微鏡を用いたします。
この手順の全体的な目標は、液体-細胞透過型電子マイクロスクロピーを使用して、溶液相におけるナノ粒子の動きをリアルタイムで調査することです。この方法は、ナノサイエンスの分野における重要な問題、例えば、ナノ粒子が溶媒乾燥中に自己組織化構造をどのように形成するかについての質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、ナノ粒子の運動を実空間かつリアルタイムで確認できることです。
この液体細胞技術の意味するところは、従来の方法では示されないナノ粒子の個々の動きを追跡する傾向があります。この方法は、ナノ粒子の自己組織化に関する洞察を得ることができますが、ナノ粒子の配向性付着などの他のモデルにも適用できます。手順を開始するには、100ミリリットルの3ネックラウンドボトムフラスコに17.75ミリグラムのヘキサクロロロプラチン酸アンモニウム、3.72ミリグラムのテトラクロロ白金酸アンモニウム、および115.5ミリグラムの臭化テトラメチルアンモニウムを入れます。
フラスコに109ミリグラムのポリビニルピロリドンと10ミリリットルの無水エチレングリコールを加えます。フラスコに攪拌棒、ゴム製のセプタム、還流コンデンサーを装備します。攪拌モーターを始動し、1000rpmで攪拌しながら、反応フラスコを真空下で1時間脱気します。
次に、アルゴンの流れの下で、反応混合物を毎分10°Cで摂氏180度に加熱します。混合物を摂氏180度で20分間攪拌し、混合物を室温まで冷まします。冷却した混合物を50ミリリットルの遠心分離管に移します。
チューブに30ミリリットルのアセトンを加えて、白金ナノ粒子を沈殿させます。混合物をGの2400倍で10分間遠心分離します。上清を捨て、沈殿物を10ミリリットルのエタノールに分散させます。
約25ナノメートルの窒化ケイ素でコーティングされた4インチの100ミクロンシリコンウェーハを入手します。スピンコーターでフォトレジストをセットします。次に、フォトレジストを使用して、厚さ500ミクロンのシリコンウェーハに極薄ウェーハをマウントします。
ウェーハに10ミリリットルのポジ型フォトレジストを3000rpmで30秒間スピンコートします。ウエハースを摂氏85度で60秒間焼きます。次に、ウェーハをクロムマスクで覆い、ウェーハを365ナノメートルの光に10秒間さらします。
ウェーハを50ミリリットルの適切な現像液に40秒間浸し、次に50ミリリットルの脱イオン水に1分間浸します。ウェーハを50ミリリットルの脱イオン水に1分間浸し、パターン化されたウェーハを反応性イオンエッチャーに入れます。露出した窒化ケイ素を1分間エッチングします。
水浴を使用して、水酸化カリウムの水溶液1リットルあたり30ミリグラムの容器を摂氏85度に均一に加熱します。極薄ウェーハを高温の水酸化カリウムに2時間浸し、露出したシリコンをエッチングします。露出したシリコンが完全にエッチングされたように見える場合は、窒化ケイ素の窓が破裂しないように、ウェーハを斜めに溶液から慎重に取り出します。
2番目のクロムマスクでこのプロセスを繰り返して、上部と下部のチップを取得します。3番目のクロムマスクを使用して、インジウムスペーサーを下部チップにパターン化します。上部と下部のチップを位置合わせし、100°Cでチップを接着します。
調製したナノ粒子分散液の20マイクロリットルを5ミリリットルのバイアルに移します。溶媒を周囲条件下で10分間蒸発させます。光学顕微鏡で液体セルを検査し、窒化ケイ素の窓が損傷していないことを確認します。
次いで、ナノ粒子を1ミリリットルのオルトジクロロベンゼン、250マイクロリットルのペンタデカンおよび10マイクロリットルのオレイラミンの混合物に分散させる。光学顕微鏡下で液体セルを使用して、極細のキャピラリーを備えたインジェクターを使用して、100ナノリットルの分散液を液体セルリザーバーにロードします。濾紙を使用して、リザーバーの外側の余分な分散を吸収します。
細胞を周囲空気中に10分間置いて、オルトジクロロベンゼンを蒸発させます。次に、600ミクロンの穴が開いた2mmの銅製アパーチャーグリッドの片側にバキュームグリースを塗布します。開口部を液体セルの窓に合わせるように注意しながら、液体セルをグリッドで慎重に覆います。
セルを標準のTEMホルダーに取り付け、セルを装置にロードします。溶媒が乾燥するにつれて、連続画像取得モードで画像を取得します。画像処理ソフトウェアを使用して、取得した各画像内の粒子の半径分布関数を計算します。
窒化ケイ素液体セル内で乾燥する白金ナノ粒子懸濁液のTEM画像は、後退する溶媒フロントによってナノ粒子が内側に引っ張られていることを示しました。この挙動は、溶媒の薄層の強い毛細管現象と、溶媒界面におけるナノ粒子の自由エネルギーの減少に起因していました。ナノ粒子は、最初にアモルファス多層膜の凝集体を形成し、それらが引き寄せられました。
溶媒が乾燥すると、凝集体は平らになり、規則的な単分子膜になりました。この順序は、TEM イメージから導出される放射状分布関数に反映されます。90秒後に撮影された画像の半径方向分布関数は、8.3ナノメートルに大きなピークを持っていました。
オレイルアミンをキャップした白金ナノ粒子の直径は約8.3ナノメートルであり、かなりの数の粒子が可能な限り近くに組み立てられていたことが示唆されます。このテクニックを習得すると、適切に実行すれば2日で完了します。一般に、この方法に不慣れな個人は、液体細胞の製造と使用には、さまざまなナノ粒子または液体細胞組成に対して異なるレベルの最適化が必要であるため、苦労する可能性があります。
この手順を試みるときは、液体セルの窓が壊れないように保護することを忘れないでください。この手順に続いて、液体セルに電圧を印加するなどの他の方法を実行して、外力の存在下でのナノ粒子の自己組織化に関する追加の質問に答えることができます。その開発後、この技術は、ナノサイエンスの分野の研究者が全体的な乾燥メカニズムにおけるナノ粒子の組み立てプロセスを探求する道を開きました。
このビデオを見れば、TEM実験で液体細胞を調製し、ナノ粒子の動きを測定する方法についてよく理解できるはずです。KUHエージェントでの作業は非常に危険であることを忘れないでください。この実験を行う際には、常に安全メガネを着用するなどの予防措置を講じる必要があります。
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概要
この記事では、液体セル透過型電子顕微鏡を用いて、ナノ粒子の自己集合をリアルタイムで観察するための実験プロトコルを紹介します。この革新的な方法により、研究者は従来の技術では見えない個々のナノ粒子の動きを追跡することができます。
主要な研究要素
科学の分野
- ナノサイエンス
- 電子顕微鏡
- 自己集合プロセス
背景
- 液体セル透過型電子顕微鏡は、ナノ粒子の実時間観察を可能にします。
- この技術は、溶媒乾燥中のナノ粒子の挙動に関する重要な疑問に答えます。
- 従来の方法では、個々のナノ粒子のダイナミクスを捉えることができないことが多いです。
- この方法は、ナノ粒子の配向付加などの他の現象にも適用できます。
研究の目的
- 溶液相におけるナノ粒子の動きを調査すること。
- ナノ粒子の自己集合に関する洞察を提供すること。
- 乾燥プロセス中のナノ粒子間の相互作用の理解を深めること。
使用した方法
- 三首ラウンドボトムフラスコでナノ粒子溶液の調製。
- リアルタイム観察のための液体セル透過型電子顕微鏡の使用。
- 個々のナノ粒子の動きの追跡。
- 自己集合および配向付加プロセスの分析。
主な結果
- ナノ粒子の動きのリアルタイム追跡に成功しました。
- ナノ粒子の自己集合プロセスに関する洞察を得ました。
- 従来の方法では観察できない個々の動きをこの技術が明らかにしました。
- 他のナノ粒子挙動への応用可能性が確認されました。
結論
- 液体セル透過型電子顕微鏡は、ナノ粒子ダイナミクスを研究するための強力なツールです。
- この方法は、自己集合プロセスのより深い理解を提供します。
- 将来の研究は、ナノサイエンスにおけるこの技術の応用を拡大することができます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Liquid-cell TEM enables real-time tracking of nanoparticle self-assembly, providing mechanistic insights into solvent-driven aggregation processes. This capability supports target validation in nanomedicine by clarifying how physicochemical parameters influence nanostructure formation. The method enhances predictive confidence in early-stage nanomaterial design by revealing de-risking opportunities related to assembly pathways and interfacial forces.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates thermodynamic drivers of nanoparticle aggregation to clarify structure-property relationships.
- Operational Value: Enables direct observation of solvent boundary effects on particle motion, informing formulation stability assessments.
- Predictive Value: Identifies conditions leading to amorphous versus ordered assemblies, supporting rational design of nanocarriers.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative radial distribution function data to characterize interparticle spacing during drying.
- Operational Value: Standardizes liquid-cell fabrication protocols for reproducible nanoparticle dispersion analysis.
- Scalability: Supports platform reuse across nanoparticle types (e.g., platinum, lead selenide) and liquid-cell compositions.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Links real-time assembly observations to downstream functional performance in biological environments.
- Mechanistic De-risking: Clarifies role of capillary forces and interfacial energy in nanostructure evolution, reducing ambiguity in preclinical interpretation.
- Decision Support: Provides visual and quantitative evidence for go/no-go criteria in nanomaterial advancement.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from hypothesis testing in nanoscience to preclinical evaluation of nanostructured therapeutics, particularly when assembly behavior impacts bioavailability or targeting.
- Discovery Biology: Tests hypotheses about solvent-mediated self-assembly mechanisms using direct visualization.
- Screening: Delivers assay-ready, standardized liquid cells for evaluating nanoparticle dispersion stability under controlled evaporation.
- Analytics: Employs radial distribution function analysis to quantify nanoscale organization and detect transitions from disordered to ordered states.
- Translational Research: Connects assembly pathway insights to preclinical continuity by linking nanostructure morphology to potential biological interactions.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for assessing nanomaterial behavior across diverse core formulations and solvent systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in nanoparticle self-assembly by capturing real-time dynamics invisible to bulk techniques.
- Operational Value: Promotes standardization through detailed microfabrication and loading protocols, enhancing lab-to-lab reproducibility.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, visual evidence of assembly risks that could compromise nanomedicine performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of nanomaterial candidates based on predictable assembly pathways and interfacial stability.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nanomaterial synthesis, microfluidic device fabrication, and TEM operation.
- Depends on access to liquid-cell TEM holders, vacuum systems, and image processing software for radial distribution analysis.
- Necessitates cross-team standardization of solvent evaporation protocols and window handling procedures to prevent artifacts.
- Involves adaptation considerations when extending to different nanoparticle core materials, ligands, or liquid-cell window thicknesses.
- Includes practical limitations such as fragility of silicon nitride windows and solvent evaporation rates affecting observation windows.
