グラフェン液セル透過型電子顕微鏡を使用してナノ結晶エッチングその場を研究するには
2018年5月17日
グラフェン液体セル電子顕微鏡を使用して、他液体セル電子顕微鏡技術よりも空間分解能の大きい液体の環境でナノ結晶のダイナミクスを観察できます。エッチングは、ナノ結晶とグラフェンの液晶セルの透過型電子顕微鏡を使用してその形状を得ることができます次ナノ粒子変換についての重要な機構をあらかじめ作られました。
この手順の全体的な目標は、透過型電子顕微鏡(TEM)を使用してナノ材料をイメージングするために、グラフェンシート間に液体の小さなポケットをカプセル化することです。この方法は、電子顕微鏡の高い空間分解能によるナノ結晶の成長やエッチングなど、ナノ材料分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、研究グループが既存のホルダーを使用して液体セルTEM実験を低スタートアップコストと高い空間分解能で実行できることです。
一般に、この方法に不慣れな人は、グラフェンでコーティングされたTMグリッドの取り扱いが難しく、多くの練習が必要なため、苦労するでしょう。まず、約6〜8個のTEMグリッドに収まる銅製の既製グラフェンの約2平方センチメートルを切り取ります。テキストプロトコルに詳述されているようにグラフェンを洗浄した後、銅片のグラフェンを滑らかにして、微細なしわを取り除きます。
これを行うには、2つのきれいなスライドガラスを取り、折りたたんだワイプを下のスライドガラスに置きます。ワイプの上に、グラフェンを銅片の上に置きます。最後に、2番目のスライドガラスを上に置きます。
トップスライドを押し下げ、銅片のグラフェンのしわを徐々に滑らかにします。組織内の折り目の数を減らし、プレスプロセスを繰り返します。ティッシュペーパーなしで2つのスライドガラスの間に最終的なプレスが行われるまで、プロセスを続けます。
最初に穴の開いたアモルファスカーボン支持箔TEMグリッドをグラフェン上に置き、アモルファスカーボンをグラフェンと接触させてグラフェンに敷き詰めることにより、銅片上のグラフェン上にTEMグリッドを置きます。グリッド上にイソプロパノールの液滴を数滴置きます。グリッドが適切に接着されていることを確認するために、グリッドを2時間以上乾燥させます。
この乾燥プロセスにより、穴の開いたアモルファスカーボンがグラフェンとよりよく接触します。次に、過硫酸ナトリウム溶液を使用して銅をエッチングします。ピンセットを使用して、銅面を下にして過硫酸ナトリウム溶液の銅片にグラフェンを慎重に置きます。
ピースを過硫酸ナトリウム溶液の上に浮かせます。グラフェンコーティングされたグリッドで溶液を一晩放置します。銅がエッチングされると溶液は青くなり、エッチングが終了したときにグラフェンシートの後ろに見える銅がなくなることに注意してください。
溶液からフローティンググリッドを取り出し、2番目のシャーレのきれいな脱イオン水の上に置くことにより、グリッドを洗浄して過硫酸ナトリウムをきれいにします。このプロセスを3回繰り返して、グラフェンコーティングされたグリッドから過硫酸ナトリウムの残留物をすべて取り除きます。ピンセットでグリッドを拾います。
グリッドをグラフェン側を上にして濾紙に置き、乾かします。グラフェンでコーティングされたTEMグリッドを2つ取り、グラフェン側を上にしてスライドガラスの上に置きます。小さな外科用メスの刃を使用して、グラフェンでコーティングされたTEMグリッドの1つのエッジを、グリッドの面積の約4分の1から8分の1に切り取ります。
次に、カプセル化する溶液の約0.5マイクロリットルの液滴を、カットされていないグラフェンコーティングTEMグリッド上に置きます。ピンセットを使用してTEMグリッドの端を押さえながら液滴を配置し、毛細管力がTEMグリッドを拾わないようにします。液滴をTEMグリッドの中央、できればできるだけ小さな液滴に配置することが重要です。
TEMグリッドが正しく作られている場合、液体は疎水性グラフェン表面にビーズ状の形状を形成します。グラフェンでコーティングされたTEMグリッドを、切り取った角を液滴の上にすばやく慎重に配置します。目標は、液体が絞り出されないように、2番目のグリッドを最初のグリッドの上に静止させることです。
グラフェン液体セルポケットが形成されるまで5分待ちます。2つ目のTEMグリッドを液滴の上に置くには、手作業で慎重に制御する必要があります。通常、最初に上部のグリッドの端を下にして配置し、次にピンセットを徐々に取り外すのが最適です。
グラフェン液体セルを従来のTEMシングルチルトホルダーに入れます。TEMホルダーをTEMカラムにセットします。テキストプロトコールに記載されているようにTEMを調製した後、線量率を低く抑えながら、液体ポケット内のナノ粒子の探索を開始します。
液体ポケットにナノ粒子が見つかった場合は、低線量率を維持しながらナノ粒子の焦点を微調整します。検量線を使用して、コンデンサーレンズ電流を目的の線量率に設定します。画像ファイルに埋め込まれた線量率とタイムスタンプのメタデータを持つTEM画像の時系列の収集を開始します。
ナノクリスタルエッチングのTEMビデオは、個々のフレームごとに分解できます。各フレームについて、画像解析ソフトウェアを使用してナノ結晶の輪郭を描くことができます。アウトラインから、ナノロッドの長軸と短軸を決定できます。
2次元のアウトラインは、長軸に沿ってカットできます。ナノロッドの半分のこれらの新しい輪郭のそれぞれを使用して、輪郭を主軸を中心に回転させることにより、3次元形状を再構築することができます。このビデオを見れば、電子顕微鏡を使用してナノ材料をイメージングするためのグラフェン液体セルの作製方法について十分に理解できるはずです。
この方法はナノ材料にも適用できますが、柔らかい材料や生体材料を天然の液体環境で研究するためにも使用できます。
概要
この記事では、液体環境におけるナノクリスタルダイナミクスを観察するためのグラフェン液体セル電子顕微鏡法の使用について説明します。この方法は従来の技術と比較して高い空間分解能を提供し、ナノ粒子の変化の詳細な研究を可能にします。
主要な研究要素
科学の分野
- ナノ材料
- 電子顕微鏡
- グラフェン技術
背景
- グラフェン液体セルTEMは液体中のナノ材料のイメージングを可能にします。
- ナノクリスタルの成長とエッチングを研究するには高い空間分解能が重要です。
- 既存のホルダーを使用できるため、初期コストを最小限に抑えられます。
- グラフェンコーティングされたグリッドの取り扱いには練習が必要です。
研究の目的
- ナノ材料のイメージング用の液体ポケットをカプセル化すること。
- ナノクリスタルのダイナミクスを高解像度で調査すること。
- この技術に新しく取り組む研究者に詳細なプロトコルを提供すること。
使用された方法
- TEMグリッド用の銅上のグラフェンの準備。
- グラフェン液体セルを作成するための銅のエッチング。
- グラフェングリッド間に液滴をカプセル化すること。
- 透過型電子顕微鏡を使用してナノ粒子をイメージングすること。
主な結果
- イメージング用の液体ポケットの成功的なカプセル化。
- ナノクリスタルダイナミクスの高解像度イメージング。
- グラフェン液体セルの準備の詳細な方法論。
- 時間経過イメージングを通じたナノ粒子変化の洞察。
結論
- グラフェン液体セルTEMはナノ材料の研究に効果的です。
- この方法は柔軟な材料や生物学的材料にも適用できます。
- 製造プロセスの理解は成功した応用に不可欠です。
よくある質問
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.
