Name: preparation of graphene-supported microwell liquid cells for in situ transmission electron microscopy
Uploaded: 2019-07-15T12:30:00
Duration: 8 min 30 s
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我々は、HAuCl4ソリューションの準備のためにティロ・シュムツラーに感謝します。さらに、R.クリスチャン・マルテンスに対して、校正を行ってくださってありがとうございます。ドイツ研究財団(DFG)による研究研修グループGRK 1896「電子、X線、走査プローブによる顕微鏡検査」とエクセレンスEXC 315/2 EAM「先端材料の工学」を通じて、ドイツ研究財団(DFG)による財政的支援感謝の気持ちを認める。

1. マイクロウェルベースの液体細胞テンプレートの製造
<ol><li>175 μmの厚さ、単結晶性、ホウ素ドープ(1~30)Ωcm、100mm径(100)シリコンウェーハから有機残渣および天然酸化物層を除去します。H2O2および TMAH で酸化ステップを適用し、続いて HF ディップを 1 ~ 5% HF 溶液に入します。</li>
	<li>800°Cの乾燥酸素雰囲気中でウエハを熱酸化し、厚さ11nmの酸化物層を成長させる(図2a)。3% ジクロレテイン(DCE)は、金属汚染を結合するために使用されます。</li>
	<li>低圧化学蒸着(LPCVD)を介して化学的Si3 N4層を堆積させる。Si3N4層の厚さは、井戸の深さを定義します。計画実験に適した値(例えば、500 nm)を選択してください(図2b)。</li>
	<li>フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチング(RIE)を介して前面側を構造化することにより、横井戸形状を定義します(図2c)。適切な寸法は、例えば、六角形の配列に配置された2.5 μm半径の円形構造である。構造物の不安定を避けるために、ウェル距離(例えば5 μm)を慎重に選択してください。</li>
	<li>液体細胞の底膜を形成するLPCVDによって、さらに20nmの石化体Si3N4を堆積させる(図2d)。上記の手順に従ってください (手順 1.3 を参照)。</li>
	<li>2 番目のフォトリソグラフィー/RIE ステップを使用して、後で LC フレームとその TEM ウィンドウの幾何学的寸法を定義する背面を構造化します(図2e)(フレーム直径:3 mm)。</li>
	<li>60°Cで20%KOHでバルクマイクロマシニングを行い、あらかじめ定義された領域でSiを除去し、自立型Si3N4膜を作成します(図2f)。</li>
	<li>10%HCl溶液で最終洗浄工程で残留金属イオンを除去し、脱イオン化(DI)水を使用します。</li>
</ol>2. グラフェンをTEMグリッドに移す
<ol><li>PMMA上に商業的に獲得された数層(6-8)CVD-グラフェンが配置されている組織を湿製する。PMMAコーティングされたグラフェンをDI水で満たされたペトリ皿に浸します(図3a)。 注:グラフェンの層の数は、実現可能な技術32、33を使用して決定することができる。</li>
	<li>グラフェン層をフィルターペーパーの上に置き、すべての作製井戸(例えば、4mm²)を覆うのにふさわしい部分に切ります(図3b)。</li>
	<li>切り取った部分をペトリ皿に再浸します(図3c)。</li>
	<li>穴のあいた炭素の支持層でコーティングされたTEMグリッドを使用して、DI水から生産された部分を釣り上げます。これを行うには、慎重に水にグリッドをダイビングし、表面に浮かぶグラフェンをキャッチします。抗毛細血管ピンセットでグリッドを保持します(図3d,e)。 注:グラフェン-PMMAスタックのグラフェン部位が全体の手順中に上に残るように注意してください。それ以外の場合、その後のPMMA除去はグラフェン層を持ち上げます。</li>
	<li>シーツを数時間乾燥させます。</li>
	<li>30分間アセトン浴中のPMMA保護層を取り出し、その間に試料を乾燥させずにエタノールとDI水に浸漬して、さらに洗浄工程を追加します。平らな容器(例えば、ペトリ皿)を使用して、後で標本の移動を簡素化する。</li>
	<li>その後、周囲条件で30分間乾燥させます。</li>
</ol>3. 検体調
<ol><li>GSMLCに組み込む試料を準備します。そうするために、0.5 LのDI水でHAuCl4·3H2O結晶の196.915 mgを溶かして1mMストック溶液を調作する。</li>
	<li>ストック溶液から所望の量の試料を取ります。ここでは、0.5 μLが適用されます。これは、注射器またはエッペンドルフピペットを使用して行うことができます。</li>
</ol>4. GSMLC の読み込み
<ol><li>アセトンとエタノールで作製した液体細胞テンプレートをすすいでください。</li>
	<li>アンビエント O2/N2 (20%/80%)膜の湿気を高めるために5分間のプラズマ。</li>
	<li>テンプレートまたはグラフェン層に0.5 μLの試料溶液を分配します。蒸発による濃度の変化を最小限に抑えるために、スムーズな作業手順を確保してください。</li>
	<li>テンプレートに面したグラフェンを使用して、TEMグリッドをマイクロパターンのSi3N4層に配置します。グラフェンコーティングされたTEMグリッドをテンプレートに押します。底部Si 3N4膜を破壊しないように注意してください。</li>
	<li>細胞乾燥を加速し、濃度変化を緩和するために組織で余分な溶液を除去する(図4a)。約2〜3分後、グラフェン-Si 3N4ファンデルワール相互作用は液体細胞を十分に密封する(図4b)。あるいは、余分な溶液を取り除かずに完全に乾燥させる細胞を残す。後者は、細胞処理においてより高い成功率を提供する。しかしながら、この方法を用いると、試料溶液中の蒸発ベースの濃度変化がより厳しくなると予想される。 注:成功した乾燥プロセスは、周辺のコントラスト変化で検証することができます(図4a、bを比較してください)。</li>
	<li>グリッドとGSMLCフレームの間にツイザーチップを押して、TEMグリッドをツイザーで慎重に取り外します。 注:発疹の動きは、基礎となる膜を壊す可能性があります。せん断力の損傷を軽減するには、グリッド サイトから小さいウィンドウ エッジに平行に開始します。</li>
	<li>GSMLCの少なくとも1つの膜が光学顕微鏡検査を介してまだ無傷であるかどうかを確認してください(図4c)。すべての膜が壊れていたら、LCTEMは不可能であろう。</li>
</ol>5. TEMイメージングおよびビデオ解析
<ol><li>標準のTEMホルダーを使用して、調製後にサンプルを(S)TEMに直接ロードします。 注: GLC19で報告されているように、GSMLC は時間の経過とわりに乾燥する可能性があります。したがって、読み込みとイメージングの間の時間を最小限に抑える必要があります。</li>
	<li>サンプルと顕微鏡の両方に応じて、適切なイメージング技術でサンプルを画像化します。ここで、300kVの加速度で動作する(S)TEM装置が利用される。ビーム誘発アーティファクトを最小限に抑え、運動関連のぼかし34を避けるために短い露光時間を最小限に抑えるために低用量を使用してください。長期実験の場合は、ビームをブロックして放射線の損傷を減らします。 注:より良い時間分解能のために、TEMは運動分析34および減少したイオン減少35のためのSTEMより好ましい。しかし、STEMは、厚い標本34、35における空間分解能が高いため、厚い液体層および高Z元素の調査に好ましい。</li>
	<li>
画像セグメンテーション方法
	<ol>
<li>適切な画像処理プラットフォームを使用して、関心のあるフィーチャを抽出します。パーティクルトラッキングと解析には、オープンソースの ImageJ 分布 FIJI36を使用します。</li>
		<li>[パーティクルの解析]機能を使用して、各フレーム内のすべてのパーティクルの正確な情報(投影面積、気圧センター)を取得します。 注: この関数にはバイナリ イメージが必要です。</li>
		<li>プラグインTrackMate37の助けを借りて、フレーム間のパーティクルを接続します。デフォルトでは、TrackMateは暗い背景で明るいパーティクルを検索しているので、TrackMateを開始する前に画像(BF-TEMの場合)を反転させます。</li>
		<li>トラックメイトの結果を組み合わせて、パーティクルを分析し、Python ベースのオープンソースエコシステム SciPy38,39を利用した適切なスクリプトを使用します。</li>
		<li>FIJI を使用して、デンドライトなどのより複雑な構造の正確な輪郭を抽出します。ここでは、パーティクルの分析も適用できます (図 6aのインセットを参照)。 注: 対象のフィーチャを手動で分析することは可能な場合があります。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

何も開示することはない

市販の液体セルとは対照的に、カスタムメイドのGSMLCは、容易に入手可能なTEMホルダーに収まるように設計することができ、高価な専用の液体セルTEMホルダーを必要としないという利点があります。
ここで示した GSMLC アーキテクチャは、SiLC と GLC の側面を組み合わせることで、独自の利点につながる可能性があります。一方、SiLCは細胞の位置および形の精密な決定を可能にするが、最終的に達成可能な決断を減らしながら膨らみ効果を減らすために比較的厚いSi3N4膜を要求する。一方、GLCはグラフェンからなる非常に薄い膜壁を示すが、ランダムなポケットサイズと位置に苦しんでいる。GSMLCを介してこれら2つの膜アプローチを組み合わせることにより、細胞境界35によって引き起こされる分解能制限をバイパスすることができる。ウェル構造がSi3 N4層に直接分解されるため、実際のSi3N4膜はSiLCよりもさらに小さく構築でき、GSMLC 6で既に実証されているHRTEM解析を簡素化.それでも、HRTEMは一般的にSiLCでも48でも可能である。さらに、個々の標本室の小さい膜区域による重度の窓の膨らみなしで大きい観覧区域は実現することができる。それによって、膨らみ関連の厚み35は、Dukes et al.49に示すように、大部分に除外することができる。これは図 7で示されています。この画像はデュアルビームシステムを使用して取得されました。この設定で得られた画像の明るさは、試料の厚さに直接関係しているので、密閉されたマイクロウェルは小さな負の膨らみしか示さなことがはっきりと分かっています。Kelly et al.24は、図7に示す負の膨らみおよび部分的な井戸乾燥が井戸直径に依存することを実証した。したがって、井戸径を小さくすることは、液体の厚さをさらに均質化するための実現可能なアプローチです。
GLCの平衡ポケット形状に起因して、液体の厚さも強く部位依存35である。SiLCは異なったSiウエハから起因する2つの膜の設計に従う。上部Si 3N4膜をグラフェンに置き換えることにより、液体細胞の製造が簡素化される。これは、後続のウェットエッチングステップ中に2つの接合されたSi-ウェーハの可能性をデアミネーションすることができ、細胞ローディング中に2つのウエハ片の位置合わせを省略できることを意味します。このセルアーキテクチャの片側の平坦な表面は、急なSiエッジでのシャドウ効果によって従来のSiLCアーキテクチャで制限されている試料6のEDXS解析などの現場分析方法で補完を可能にします50.
底部および上部ウェル部位の両方にグラフェンを使用したプレパターン化されたマイクロウェルのシールは、24,25の前に実証されている。2つのグラフェン膜を適用すると、達成可能な分解能を高めることができる。しかし、グラフェンの二重の転写は、準備プロセスをさらに複雑にします。これは最も敏感な準備ステップであることが証明されているので、特に(下記参照)。さらに、グラフェンはSi3 N4層よりもはるかに柔軟であるため、2つのグラフェン膜の場合には、上記の膜膨らみがさらに重要であることが予想されます。これらのアーキテクチャでは、マイクロウェルは、シーケンシャルフォーカスイオンビーム(FIB)ミリングを使用して構築されました。このアプローチは、高品質の結果を生み出すことを証明していますが、FIBフライス加工は複雑で高価な細胞製造技術です。しかし、ナノインプリントやフォトリソグラフィーなど、今日の半導体業界で既に標準となっている並列シングルショットパターニング技術を活用することは、大量生産に対して高速、安価、スケーラブルであるという大きな利点があります。
ここで提示されるアプローチは、他の設計28によって達成可能である液体流れ動作を可能にしないことに留意すべきである。積載量と液体容積はGSMLCおよびGLCに匹敵するので、膜の破裂による高真空の汚染は19を避けることができる。これは面倒なシールの点検のための必要性を除去する。SiLC と GLC の利点は組み合わされていますが、両方のアプローチの欠点は GSMLC にまだ存在します。細胞の製造には、シリコン技術のためのクリーンルームインフラストラクチャが必要であり、必ずしもTEMラボに存在するとは限りません。また、液体の負荷は些細ではありません。グラフェン細胞と同様に、専用のトレーニングが必要です。ただし、市販のシステムにも当てはまります。ここで、最も敏感な調製工程は、発疹運動またはジッタリングがSi3N4層を破壊する可能性があるため、グラフェン転写後のTEMグリッド除去である。しかし、冗長な膜窓は、少なくとも1つの膜領域を保存する可能性を高めます。その結果、訓練を受けた実験者によって達成される収量(作動可能なGSMLCチップの量)は、4つの6のうち3つであり、したがってグラフェン系細胞(4つのうち1~2個)で達成されたものを超える19。
GLC と同様に、GSMLC の液体カプセル化は、ファン デル・ワールス相互作用18に基づいています。その結果、インターフェイスの汚染は、GSMLC19の処理の成功率を低下させる可能性があります。さらに、封入される液体相のHamaker定数に応じて、積載手順中の湿式特性(したがって達成可能な収率)は51と異なる可能性があるため、調製が複雑になる可能性があります。我々の経験は、例えば、親和性種が存在する場合に、これがそうであることを示しています。
GSMLC アーキテクチャを使用すると、深度の柔軟な構成が可能になり、さまざまな実験的前提条件への適応が可能になります。さらに、このアーキテクチャは±75°の広い傾斜角範囲にわたる電子断層撮影の調査に適しており、その場で電子断層撮影52を可能にする。したがって、液体中の標本の死後断層撮影においても、GSMLCsで確立することができる。

現代の材料科学、化学、細胞生物学は、サブミクロンスケールでの基礎となる動的プロセスと効果を深く理解する必要があります。刺激放出・枯渇蛍光顕微鏡1などの高度な光学顕微鏡技術の力にもかかわらず、詳細な形態にアクセスするための直接イメージング技術は電子顕微鏡を必要とする。特に、その場所(走査)透過電子顕微鏡(S)TEMは、専用の真空密閉細胞2に液体を封入することにより、プロセスダイナミクスに関する貴重な洞察を照らすことが示されている。ナノ構造形成運動学および熱力学3,4,5,6,生物標本のイメージング7の定量的研究などの様々な実験、8,9,10およびエネルギー貯蔵関連メカニズムの研究11,12腐食プロセスダイナミクス13またはナノバブル物理学の包括的な研究14,15, 16は、標準的な顕微鏡検査技術を用いてアクセスできなかった(S)TEMを用いて多くの現象を解明した。
この10年間で、液体セルTEM(LCTEM)を実現するための2つの主要なアプローチが確立されました。最初のアプローチでは、液体はSiプロセス技術17を介して製造された2つのSi3N4膜の間の空洞に封入され、2番目のアプローチでは、小さな液体ポケットが2つのグラフェンまたはグラフェン酸化物シートの間に形成される。10、18.シリコン系液体セル(SiLC)とグラフェン系液体細胞(GLC)の両方の取り扱いが19,20,21で実証されている。いずれのアプローチも22、23、24、25の大幅な改善を受けているが、それぞれの利点の組み合わせにはまだ欠けている。一般に、高分解能イメージング18を可能にする小さな液体体積を持つ未定義のグラフェンポケットにサンプルを封入することと、より厚い膜および液体層をもたらす細胞容積との間にはトレードオフが存在し、これは、解像度2を犠牲にしてバルク液体26の自然な状況に近い環境を提供します。さらに、いくつかの実験は、SiLCアーキテクチャでのみ実現され、専用のTEMホルダー28を必要とする液体流れ26、27に依存する。
ここでは、TEM分析用の静的グラフェン支持マイクロウェル液体細胞(GSMLC)を用いて、LCTEMにおける高性能化のための液体セルアプローチの製造と取り扱いを紹介する。GSMLC のスケッチを図 1に示します。GSMLCは、高分解能透過電子顕微鏡(HRTEM)結果6において可能であることが証明されており、その中で電子顕微鏡29を走査することも可能である。 Si技術ベースのフレームは、単一のウエハから調整された液体の厚さと超薄膜を持つ再現可能な形状の細胞の大量生産を可能にします。これらの細胞を覆うグラフェン膜はまた、電子ビームが最初に上のグラフェン膜を通過するので、電子ビーム誘発摂動8、30、31を緩和する。細胞の平坦な地形は、液体細胞自体から生じる影の影響なしにエネルギー分散X線分光法(EDXS)6などの相補的な分析方法を可能にし、その場で様々な高品質を可能にします。液体細胞電子顕微鏡実験。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>50488858</td>
			<td>VLSI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deionized water</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>own production</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dumont Anti-Capillary tweezers</td>
			<td>Carl Roth GmbH + Co. KG</td>
			<td>LH72.1</td>
			<td>0203-N5AC-PO Dumoxel alloyed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>85651.360</td>
			<td>VLSI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FIJI Is Just ImageJ</td>
			<td>FIJI.sc</td>
			<td>Version 1.51</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold Quantifoil, Amorphous Carbon TEM Grids</td>
			<td>Plano GmbH</td>
			<td>S173-8</td>
			<td>R 2/2 Au 300 mesh</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HAuCl4 &#183; 3 H2O crystal</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>36400.06</td>
			<td>5 g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Jupyter Notebook</td>
			<td>Project Jupyter</td>
			<td>Version 5.7.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matplotlib-Package</td>
			<td>John Hunter, Darren Dale, Eric Firing, Michael Droettboom and the Matplotlib development team</td>
			<td>Version 3.0.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NumPy-Package</td>
			<td>NumPy developers</td>
			<td>Version 1.15.4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pandas-Package</td>
			<td>AQR Capital Management, LLC, Lambda Foundry, Inc. and PyData Development Team</td>
			<td>Version 0.23.4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Python</td>
			<td>Python Software Foundation</td>
			<td>Version 3.7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scipy-Package</td>
			<td>SciPy developers</td>
			<td>Version 1.1.0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Seaborn-Package</td>
			<td>Michael Waskom</td>
			<td>Version 0.9.0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Si wafer</td>
			<td>Siegert Wafer GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Thin silicon (100) wafer 175 +/-5 &#181;m, 4&#34;, p-type, boron doped (1-30 Ohm cm), double-sided polished</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>single tilt TEM holder</td>
			<td>Philips</td>
			<td></td>
			<td>Ensure that cell fits</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission Electron Microscope</td>
			<td>Philips</td>
			<td>CM 30 (S)TEM</td>
			<td>300 kV</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trivial Transfer Graphene</td>
			<td>ACS Material</td>
			<td>TTG60011</td>
			<td>PMMA-covered, 6 -- 8 MLs</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation of graphene-supported microwell liquid cells for in situ transmission electron microscopy

その中の電子顕微鏡検査用グラフェン支持マイクロウェル液体細胞(GSMLC)の製造および調製は、段階的なプロトコルで提示される。GSMLCsの汎用性は、HAuCl4前駆体溶液からの金ナノ構造のエッチングおよび成長ダイナミクスに関する研究の文脈で実証される。GSMLCは、従来のシリコンおよびグラフェン系液体セルの利点を組み合わせることで、樹脂細胞の製造と調査中の試料の取り扱いと共に、再生可能な深さを提供します。GSMLCは単一のシリコン基板で製造され、2ウエハベースの液体セル設計と比較して製造プロセスの複雑さを大幅に軽減します。ここでは、接合またはアライメントプロセスステップは必要ありません。さらに、封じられた液体体積は、窒化ケイ素層の厚さを調整するだけで、それぞれの実験要件に合わせて調整することができる。これにより、電子顕微鏡真空中の窓の膨らみを大幅に低減できます。最後に、オープンソースソフトウェアのみを用いた液体細胞実験における単一粒子追跡およびデンドライト形成の最先端の定量的評価を提示する。

細胞のロード後、グラフェンの移動に成功すると、光学顕微鏡下の井戸に異なるシェーディングされた外観で示されます。これは、例えば図3cの右の膜に見える。前述のように、薄いSi 3N4層を壊さないためには、TEMグリッドを慎重に除去することが重要である。壊れた膜の場合、図3cの左2つの膜に示すように、光沢と湾曲した残留物が光学顕微鏡ではっきりと見える。利用されるGSMLCの設計の複数の視野区域のために、細胞は少なくとも1つの膜が無傷である限り使用することができる。壊れた膜は、試料を電子線にさらすことなくTEMアライメントに使用できます。
試料溶液の正常なカプセル化は、電子顕微鏡検査中に検証することができる。図5は、ナノ粒子のアンサンブルの溶解と樹状構造の成長がGSMLCで統計的に評価される補足ビデオ1の個々の顕微鏡写真を示す。画像のドリフト誘発運動に加えて、小さな個々の直交粒子の動きが見え、溶液中の粒子が存在することを示す。さらに、粒子溶解の有病率は、液体を封じ入れなければ不可能であろう湿式化学反応が存在することを証明する。封じられた液体に対する他の典型的な徴候は、ビーム誘発気泡形成19または粒子運動である。グラフェン特色細胞におけるAu粒子の存在は、決定的に液体環境を示すものではなく、粒子はまた、HAuCl440のグラフェン誘発還元に起因する可能性があるためである。電子エネルギー損失分光法(EELS)を介して封じられた液体の酸素ピークの定量化を行うこともでき、液体環境41を検証することができる。
粒子の成長および溶解動態に関する洞察を得るためには、平均パラメータ42の発達を分析するのではなく、各粒子を個別に調べることが重要である。また、このようなパーティクルのドリフト効果に関連する位置の変化は、成長または溶解プロセスと誤解される可能性があるため、カメラによって部分的にしかキャプチャされないフレームエッジのパーティクルを除外することも重要です。エッチングは、電子線誘導放射線化43によって生成される酸化種によって引き起こされると考えられている。十分な統計を得るためには、計算上の単一粒子追跡が必要です。個々の粒子の同等の半径変動の成長指数αを経度に推定することにより、基礎となる反応動態の情報を得ることができる。これを行うには、すべての粒子が完全に球状6、44であっても、投影された粒子領域に基づいて同等の半径を導入することができる。図5bは、図5aで強調表示されている6つの代表的な粒子について、時間の経過に相当する半径の追跡を示す。図5cは、本研究から73個の溶解粒子に基づくαの分布を示す。同種モデルが半径の減少を少なくとも 50% (調整された決定係数) に説明するパーティクルのみが考慮されます。
さらに、図6aに示す同じウェルで約42s後にデンドライト構造が急速に出現する。デンドライト形成は、液体細胞45、46における別の典型的な、よく文書化されたプロセスである。デンドライトの成長を定量化するために、構造アウトライン(図6aのインセットを参照)を分析する。時間の経過に伴う先端半径と速度の進化 (図 6b,cを参照) は、予想される双曲線関係47 (図 6d)を明らかにします。デンドライトの成長は、前述の粒子エッチングによるAuイオンの局所的な過飽和によって引き起こされる。図5aでは、過飽和系がデンドライトの成長にリラックスしている間、粒子がまだ溶解していることが明らかに見える。これは、6より前に観察されたGSMLC中の液体の高粘度の結果として、Auイオンと酸化種の両方の局所濃度変動によって引き起こされる可能性があります。しかし、この現象の詳細な議論は、この研究の範囲を超えています。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59751/59751fig1.jpg"> 図1:GSMLCのスケッチ:グラフェン支持マイクロウェル液体細胞の構造の回路図。6https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03388から転載。 さらなる許可は、米国化学会(ACS)に向けられていく予定です。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59751/59751fig1large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59751/59751fig2.jpg"> 図 2: GSMLC フレームの製造。GSMLC フレームの製造プロセスは概略的にスケッチされます。(a)洗浄後のSiウエハの酸化(b) Si3N4の LPCVD .(c)前面側Si3N4パターニングをフォトリソグラフィーとRIEによりセル体積を定義する。(d)底部セルウィンドウを形成するSi3N4の堆積。 (e)裏面リソグラフィーとRIE。(f)KOHを使用したバルクマイクロマシニングにより、マイクロウェルを含む自立したSi3 N4膜を作成する。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59751/59751fig2large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59751/59751fig3.jpg"> 図3:の転送TEMグリッド上のPMMA保護層を持つ少数層CVDグラフェン。穴のあいたカーボンコーティングされたTEMグリッドの上部にPMMA上の数層CVDグラフェンの転送が表示されます。(a) DI水で満たされたペトリ皿にPMMA上の数層CVDグラフェンの浸漬。(b)フィルターペーパー上に転置されたグラフェン/PMMAスタックは、GSMLCフレームを覆うのにふさわしい部分に切断されます。(c)カットグラフェン/PMMAピースの再浸漬(d)グラフェン/PMMA層を、正常な転写後に穴があいたカーボンコーティングされたTEMグリッド(e)グラフェン/PMMAスタックに転写する。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59751/59751fig3large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59751/59751fig4.jpg"> 図 4: 上部の TEM グリッドを削除します。荷を積まれたGSMLCの乾燥プロセスは光学顕微鏡の助けを借りて文書化される。(a)グラフェンコーティングされたTEMグリッドは、ロード直後にGSMLCの上に配置されます。グラフェン層は、3つの表示領域すべてをカバーするターコイズの長方形として表示されます。その輪郭は、黒い長方形で大まかにスケッチされています。(b)ほぼ完全に付着した膜は、約2分後に湿った(暗い、(a)と比較して)と付着した領域(ターコイズ)とのコントラスト変化によって見える。(c) TEMグリッドのリフトオフ後のGSMLCが示され、2つの壊れた膜(左と中央)、および正常にロードおよび密封されたマイクロウェル(右)を持つ1つの膜が明らかになる。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59751/59751fig4large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59751/59751fig5v2.jpg"> 図5:ナノ粒子半径の代表的な開発。183個の個々の粒子の半径の発達が追跡された。(a) 補足ビデオ1から撮影した画像シーケンス。6 つの代表的なパーティクルがハイライト表示されます。色付きの円は、取得した同等の半径に対応します。(b)粒子半径の対数プロット。(c)負の同種指数αが自動化ルーチンを用いて決定された73個の粒子のヒストグラム。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59751/59751fig5v2large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59751/59751fig6.jpg"> 図 6: デンドライトダイナミクス:5つのデンドライトの枝の先端半径が分析される。誤差バーは、それぞれの標準偏差を占める。(a) 補足ビデオ1から撮影された画像シーケンスは、約42s後に見える新しいデンドライトを示す。右のイメージのインセットは、進化するデンドライトの輪郭を示しています。ここでは、ピンクのアウトラインは42.09sに対応し、赤から42.7s、および43.3 sに紫色(b)時間の経過に伴う(平均)先端半径の開発に対応しています。(c)時間の経過に合ってプロットされる平均先端速度。(d)平均チップの半径を平均チップ速度に対して対数的にプロットし、双曲線依存性(オレンジ曲線)を明らかにする。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59751/59751fig6large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59751/59751fig7.jpg"> 図7:ロードされたGSMLCのSEM画像:低加速度電圧(29 kV)でロードされたGSMLCのSEMでHAADF STEMモードで取得された代表的なSEM画像が表示されます。顕著な5μm幅のマイクロウェルに加えて、上記で解明されたグラフェン転写に起因する2つの部分的に重なり合う円形孔状炭素グリッド(2μm径)が見える。最初の炭素グリッドは、グラフェンの転写が失敗したことから生じる。膜シェーディングは、井戸領域の上にほとんど一定のままですが、ウェル中心に向かってわずかに暗くなることは明らかに見えます。これは、弱い、負の膨らみを説明します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59751/59751fig7large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足ビデオ1:Auナノ粒子のエッチングと周囲の試料溶液の過飽和によって引き起こされるデンドライト構造のその後の成長の液体細胞明るいフィールドTEM研究の代表的な結果を示す現場ビデオで。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59751/Supplementary_Video_1.avi">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

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Preparation of Graphene-Supported Microwell Liquid Cells for In Situ Transmission Electron Microscopy

その中透過電子顕微鏡におけるグラフェン支持マイクロウェル液体細胞の調製

HAuCl4前駆体溶液から金ナノ結晶のその中の電子顕微鏡検査用グラフェン支持マイクロウェル液体細胞の調製のためのプロトコルが提示される。さらに、観察されたエッチングと成長ダイナミクスを定量化するための分析ルーチンが提示されます。

The fabrication and preparation of graphene-supported microwell liquid cells (GSMLCs) for in situ electron microscopy is presented in a stepwise protocol. ...

液体セル電子顕微鏡は、C2のナノ機能を高解像度で液体メディアで調べる強力な技術であり、ナノスケールでの動的プロセスに対するユニークでリアルタイムな洞察を提供します。グラフェンをサポートするマイクロウェル液体セルは、グラフェンとシリコン技術ベースのセルアーキテクチャの両方の利点を兼ね備えています。それは視覚のEDX分光法のような分析方法との相関関係を可能にする。この技術により、液体中の材料のプロセスに直接従うことができます。この現場観察は、研究研修グループの中核です。ドイツ研究財団が資金を提供する電子、X線、および走査プローブを用いたその後の顕微鏡検査。この手順のデモンストレーションは、私の研究室のスタッフであるディプロム・ケミスト、ロバート・ブランシャイトです。まず、グラフェンをTEMグリッドに移し、まずPMMA上のCVDグラフェンの6〜8層を支える組織を湿潤させる。水がPMMA膜に直接適用されないことに注意してください。PMMAコーティングされたグラフェンをDI水で満たされたペトリ皿に完全に浸し、フィルターペーパーを使用してグラフェン層をすくい上げます。グラフェンPMMAスタックのグラフェン側が全体の手順の間、上にとどまることを注意してください。グラフェン層を、製造されたすべての井戸を覆うのに十分な大きさの部分にカットします。その後、ペトリ皿に切った部分を再び浸します。次に、抗毛細血管ピンセットのペアを使用して、穴あき炭素の支持層でコーティングされたTEMグリッドを拾う。慎重に水にグリッドをダイビングし、表面に浮かぶグラフェンをキャッチ。シートを数時間乾燥させます。次いで、PMMA保護層を30分間アセトン浴中に移して除去した。アセトン浴に続き、溶液間に試料を乾燥させることなく、すぐに試料をエタノール及びDI水に浸漬する。平らな容器を使用して、その後簡単に標本を取り除きます。完了したら、DI水からサンプルを取り出し、その後30分間周囲の条件で乾燥させます。テキストプロトコルに沿って従ってマイクロパターンマイクロウェルを持つ液体セルテンプレートを作成します。作製した液体細胞テンプレートをアセトンでリンスし、エタノールを続けます。次いで、周囲20%酸素、80%の窒素プラズマを5分間塗布し、膜の濡れ性を高める。0.5マイクロリットルの標本溶液をテンプレートまたはグラフェン層に分配します。蒸発による濃度の変化を最小限に抑えるための円滑な作業手順を確保します。次に、テンプレートに面したグラフェンを使用して、TEM グリッドをマイクロパターン化された窒化ケイ素層の上に配置します。グラフェンコーティングされたTEMグリッドをテンプレートに慎重に押し込み、底の窒化ケイ素膜を破壊しないようにします。細胞乾燥を促進し、濃度変化を軽減するために、組織で余分な溶液を除去します。約2〜3分後、グラフェンシリコン窒化ファンデルワールス相互作用が液体細胞を封止するコントラスト変化を観察する。次に、試料を光学顕微鏡の下に置きます。一対のピンセットを使用して、グリッドとグラフェン対応マイクロウェル液体セルフレームの間の先端を押してTEMグリッドを慎重に取り除きます。完全な力の損傷を減らすために、グリッドサイトから小さい窓の端に平行に開始します。グラフェンをサポートするマイクロウェル液体細胞の少なくとも1つの膜がまだ無傷であることを確認してください。標準のTEMホルダーを使用して、サンプルをホルダーに積み込みます。その準備の直後に、ホルダーとサンプルを走査型透過型電子顕微鏡に積み込みます。サンプルと顕微鏡の両方の特性に関して適切にサンプルを画像化します。低用量で事前に誘発されたアーティファクトを最小限に抑え、移動関連のぼかしを避けるために短い露光時間を使用してください。長時間の実験では、ビームをブロックして放射線損傷を軽減します。画像を取得した後、目的の機能を抽出するために適切な画像処理プラットフォームを使用します。粒子追跡および分析のために、オープンソースの ImageJ ディストリビューション、フィジーを使用します。イメージをロードしてバイナリイメージに変換した後、解析パーティクル関数を利用して、各フレーム内のすべてのパーティクルの投影領域とパーティクルの重心に関する正確な情報を得ます。元のイメージを反転して、パーティクルが明るいスポットとして表示されるようにします。次に、プラグインの助けを借りてフレーム間のパーティクルを接続, TrackMate.デフォルトでは、TrackMate は暗い背景の明るいパーティクルを検索します。最後に、Python ベースのオープンソースエコシステム SciPy を利用して、TrackMate の結果を組み合わせて適切なスクリプトを使用してパーティクルを解析します。標本溶液のカプセル化が成功すれば、電子顕微鏡検査の間に確認することができる。このビデオは、ナノ粒子のアンサンブルの溶解と樹状構造の成長を示しています。粒子成長と溶解動態に関する洞察を得るためには、平均パラメータの開発を分析するのではなく、各粒子を個別に調査することが重要です。成長指数、α、経時の個々の粒子の等価半径変動を推定することによって、基になる反応キネティクスの情報が得られる。ここで、αの分布は、73の溶解粒子に基づいて、表示される。同種モデルが半径の減少を少なくとも50%に説明するパーティクルのみが見なされます。ビデオの最後に、樹状突起構造が現れます。デンドライト形成は、液体細胞におけるもう一つの典型的な、十分に文書化されたプロセスである。樹状突起の成長を定量化するために、構造アウトラインを分析します。先端の半径と時間の経過に対する速度の進化は、予想される双曲線関係を明らかにします。樹状突起の成長は、前述の粒子エッチングによる金イオンの局所的な過飽和によって引き起こされる。ビデオのこの部分では、過飽和系が樹状突起成長に緩和している間、粒子がまだ溶解していることははっきりと見えます。これは、金イオンと酸化種の両方の局所濃度変動によって引き起こされる可能性があります。液体の負荷およびsuhrfは、異なる標本溶液が適用される場合、グラフェン接着および必要な乾燥時間が異なる可能性があるため、目的の標本に大きく依存する。グラフェンサポートマイクロウェル液体セルアーキテクチャはまた、EDSXの収率などのその場で補完的な方法を可能にします。また、トランスミッションモードでのSEMおよび断層撮影実験も成功している。この技術の開発後、金、銀、カウシュエン、およびその他の粒子の成長機構を原子分解能まで解明することが可能となった。この成果は、研究訓練に参加する物理学部門の同僚が得たプラズマ共鳴測定との優れた一致です。ここには示されていませんが、キャリアフレーム生産は腐食性および有毒種を採用しています。運転中は注意し、必要な予防措置を講じてください。

Research

JoVE Journal

Chemistry

Preparation of Graphene-Supported Microwell Liquid Cells for In Situ Transmission Electron Microscopy

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry (UPLC-HRMS)

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry UPLC-HRMS

ウルトラパフォーマンス液体クロマトグラフィー - 高分解能質量分析（UPLC-HRMS）を使用した生物源から非標的メタボロミクス

Here we present a workflow to analyze the metabolic profiles for biological samples of interest including; cells, serum, or tissue. The sample is first ...

Isolation and Preparation of Bacterial Cell Walls for Compositional Analysis by Ultra Performance Liquid Chromatography

超高性能液体クロマトグラフィーによる組成解析のための細菌細胞壁の分離と調製

The bacterial cell wall is critical for the determination of cell shape during growth and division, and maintains the mechanical integrity of cells in the ...

Radiolabeling and Quantification of Cellular Levels of Phosphoinositides by High Performance Liquid Chromatography-coupled Flow Scintillation

高速液体クロマトグラフィー結合フローシンチレーションにより放射性標識およびホスホイノシチドの細胞レベルの定量化

Phosphoinositides (PtdInsPs) are essential signaling lipids responsible for recruiting specific effectors and conferring organelles with molecular ...

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

電子常磁性共鳴イメージングを使用した多孔質体でゲスト分子の拡散の場の監視で

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with ...

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

その場で液体の SEM を用いた水中のベーマイト粒子のキャラクタリゼーション

In situ imaging and elemental analysis of boehmite (AlOOH) particles in water is realized using the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface ...

Liquid-cell Transmission Electron Microscopy for Tracking Self-assembly of Nanoparticles

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

Drying a nanoparticle dispersion is a versatile way to create self-assembled structures of nanoparticles, but the mechanism of this process is not fully ...

Obtaining 3D Chemical Maps by Energy Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography

エネルギー化学 3 D マップの取得フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィー

Energy filtered transmission electron microscopy tomography (EFTEM tomography) can provide three-dimensional (3D) chemical maps of materials at a ...

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

シリアル結晶の結晶 x 線回折その場その場での動的光散乱のためのマイクロ流体チップ

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The ...

Analysis of Minerals Produced by hFOB 1.19 and Saos-2 Cells Using Transmission Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Microanalysis

HFOB 1.19 によって生成される鉱物と Sao 2 セルを使用して透過型電子顕微鏡エネルギー分散型 x 線微小分析での分析

This video presents the use of transmission electron microscopy with energy dispersive X-ray microanalysis (TEM-EDX) to compare the state of minerals in ...

Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching

Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching

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

Graphene liquid cell electron microscopy provides the ability to observe nanoscale chemical transformations and dynamics as the reactions are occurring in ...