Wykorzystanie mikroskopii elektronowej transmisji ciekłych komórek grafenowych do badania trawienia nanokryształów in situ
May 17th, 2018
Mikroskopia elektronowa z ciekłych komórek grafenowych może być używana do obserwacji dynamiki nanokryształów w środowisku ciekłym z większą rozdzielczością przestrzenną niż inne techniki mikroskopii elektronowej w ciekłych komórkach. Wytrawianie gotowych nanokryształów i śledzenie ich kształtu za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej z ciekłymi ogniwami grafenowymi może dostarczyć ważnych informacji mechanistycznych na temat przemian nanocząstek.
Ogólnym celem tej procedury jest zamknięcie małych kieszeni cieczy między arkuszami grafenu w celu obrazowania nanomateriałów za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). Metoda ta może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie nanomateriałów, takie jak wzrost i trawienie nanokryształów z wysoką rozdzielczością przestrzenną mikroskopii elektronowej. Główną zaletą tej techniki jest możliwość przeprowadzania przez grupy badawcze eksperymentów TEM z wykorzystaniem płynnej komórki przy użyciu istniejącego uchwytu przy niskich kosztach uruchomienia i wysokiej rozdzielczości przestrzennej.
Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowe w tej metodzie, będą miały trudności, ponieważ obsługa siatek TM pokrytych grafenem jest trudna i wymaga dużo praktyki. Na początek wytnij na miedzi kawałek gotowego grafenu o grubości około dwóch centymetrów kwadratowych, który mieści się w około sześciu do ośmiu siatkach TEM. Po oczyszczeniu grafenu zgodnie z opisem w protokole tekstowym, wygładź grafen na kawałku miedzi, aby usunąć wszelkie mikroskopijne zmarszczki.
Aby to zrobić, weź dwa czyste szkiełka podstawowe i umieść złożoną chusteczkę na dolnym szkiełku podstawowym. Na wierzchu chusteczki umieść grafen na kawałku miedzi. Na koniec umieść drugie szklane szkiełko na górze.
Dociśnij górny szkiełko, stopniowo wygładzając wszelkie zmarszczki w grafenie na kawałku miedzi. Zmniejsz liczbę fałd w tkance i powtórz proces prasowania. Kontynuuj proces, aż do ostatecznego naciśnięcia między dwoma szklanymi szkiełkami bez wycierania chusteczek.
Ułóż siatki TEM na grafenie na kawałku miedzi, najpierw umieszczając dziurawe siatki TEM z amorficznej folii nośnej z węgla w dół na grafenie z amorficznym węglem stykającym się z grafenem. Umieść kilka kropelek izopropanolu na rusztach. Pozostaw kratki do wyschnięcia na ponad dwie godziny, aby upewnić się, że są prawidłowo połączone.
Ten proces suszenia sprawia, że dziurawy amorficzny węgiel ma lepszy kontakt z grafenem. Następnie wytraw miedź za pomocą roztworu nadsiarczanu sodu. Za pomocą pęsety ostrożnie umieść grafen na kawałku miedzi na roztworze nadsiarczanu sodu miedzianą stroną do dołu.
Niech kawałek unosi się na wierzchu roztworu nadsiarczanu sodu. Utrzymuj roztwór z siatkami pokrytymi grafenem na noc. Zwróć uwagę, że roztwór zmieni kolor na niebieski, gdy miedź będzie wytrawiana, a po zakończeniu trawienia nie będzie widocznej miedzi za arkuszem grafenu.
Umyj kratki, aby oczyścić z nadsiarczanu sodu, usuwając pływające kratki z roztworu i umieszczając je na wierzchu czystej, dejonizowanej wody na drugiej szalce Petriego. Powtórz ten proces trzy razy, aby usunąć wszystkie pozostałości nadsiarczanu sodu z siatek pokrytych grafenem. Podnieś siatki pęsetą.
Umieść kratki grafenową stroną do góry na bibule filtracyjnej i pozwól im wyschnąć. Weź dwie siatki TEM pokryte grafenem i umieść je grafenową stroną do góry na szklanym szkiełku. Za pomocą małego ostrza skalpela chirurgicznego odetnij krawędź jednej z siatek TEM pokrytych grafenem, w przybliżeniu od jednej czwartej do jednej ósmej powierzchni siatki.
Następnie umieść około 0,5 mikrolitra kropli roztworu, który ma być zamknięty w kapsułkach, na nieciętej siatce TEM pokrytej grafenem. Użyj pęsety, aby przytrzymać krawędź siatki TEM w dół podczas umieszczania kropli, tak aby siły kapilarne nie podnosiły siatki TEM. Bardzo ważne jest, aby umieścić kroplę na środku siatki TEM, najlepiej jak najmniejszą kroplę.
Jeśli siatki TEM zostaną prawidłowo wykonane, ciecz utworzy na hydrofobowej powierzchni grafenu kształt przypominający kulkę. Szybko i ostrożnie umieść pokrytą grafenem siatkę TEM ściętym rogiem na wierzchu kropli. Celem jest, aby druga siatka spoczęła na pierwszej siatce i nie wyciskała z niej płynu.
Odczekaj pięć minut, aby utworzyły się kieszenie komórek cieczy grafenowej. Umieszczenie drugiej siatki TEM na kropli cieczy wymaga starannej kontroli ręcznej. Zwykle najlepiej jest najpierw położyć krawędź górnej siatki w dół, a następnie stopniowo usuwać pęsetę.
Umieść ciekłą komórkę grafenową w tradycyjnym uchwycie TEM z pojedynczym przechyłem. Załaduj uchwyt TEM do kolumny TEM. Po przygotowaniu TEM zgodnie z opisem w protokole tekstowym należy rozpocząć poszukiwanie nanocząstek w kieszeniach cieczy, utrzymując niską dawkę dawki.
Gdy nanocząstka zostanie znaleziona w kieszeni cieczy, należy precyzyjnie dostroić ostrość na nanocząstce, utrzymując niską dawkę dawki. Użyj krzywej kalibracyjnej, aby ustawić prąd soczewki kondensatora dla żądanej wielkości dawki. Rozpocznij zbieranie serii czasowych obrazów TEM z metadanymi dawki i znacznikami czasu osadzonymi w pliku obrazu.
Film TEM z wytrawiania nanokryształów można podzielić na poszczególne klatki. Dla każdej klatki nanokryształ może zostać narysowany za pomocą oprogramowania do analizy obrazu. Na podstawie konturu można określić główną i mniejszą oś nanopręta.
Dwuwymiarowy kontur można przeciąć wzdłuż osi głównej. Każdy z tych nowych konturów połowy nanopręta może być wykorzystany do zrekonstruowania trójwymiarowego kształtu poprzez obrócenie konturu wokół głównej osi. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wytwarzać ogniwa ciekłe grafenu do obrazowania nanomateriałów za pomocą mikroskopii elektronowej.
Chociaż metoda ta może być stosowana do nanomateriałów, może być również stosowana do badania materiałów miękkich lub biologicznych w ich naturalnym środowisku ciekłym.
Przegląd
Ten artykuł dotyczy zastosowania mikroskopi elektronowy z komórką płynną z grafenu do obserwacji dynamiki nanokryształów w środowiskach płynnych. Metoda ta oferuje większą rozdzielczość przestrzenną w porównaniu z tradycyjnymi technikami, umożliwiając szczegółowe badania transformacji nanocząstek.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nanomateriały
- Mikroskopia elektronowa
- Technologia grafenu
Tło
- TEM z komórką płynną z grafenu umożliwia obrazowanie nanomateriałów w płynie.
- Wysoka rozdzielczość przestrzenna jest kluczowa dla badania wzrostu i trawienia nanokryształów.
- Można wykorzystać istniejące uchwyty, minimalizując koszty uruchomienia.
- Obsługa siatek pokrytych grafenem wymaga praktyki.
Cel badania
- Aby uwięzić kieszenie płynu do obrazowania nanomateriałów.
- Aby zbadać dynamikę nanokryształów z wysoką rozdzielczością.
- Aby zapewnić szczegółowy protokół dla badaczy, którzy nie mieli jeszcze doświadczenia z tą techniką.
Zastosowane metody
- Przygotowanie grafenu na miedzi dla siatek TEM.
- Trawienie miedzi w celu stworzenia komórek płynnych z grafenu.
- Uwięzienie kropel płynu między siatkami z grafenu.
- Obrazowanie nanocząstek za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowy.
Główne wyniki
- Udane uwięzienie kieszeni płynu do obrazowania.
- Wysokorozdzielcze obrazowanie dynamiki nanokryształów.
- Szczegółowa metodologia przygotowania komórek płynnych z grafenu.
- Wgląd w transformacje nanocząstek poprzez obrazowanie w serii czasowej.
Wnioski
- TEM z komórką płynną z grafenu jest skuteczna w badaniu nanomateriałów.
- Metoda ta może być również zaadaptowana dla miękkich i biologicznych materiałów.
- Zrozumienie procesu produkcji jest niezbędne do pomyślnego zastosowania.
Często zadawane pytania
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.
