JP7370042B2 - Transmission electron microscope sample support, its manufacturing method, and sample preparation method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、透過電子顕微鏡試料支持体、その製造方法及びそれを用いたサンプル調整方法に関する。 The present invention relates to a transmission electron microscope sample support, a method for manufacturing the same, and a sample preparation method using the same.
クライオ電子顕微鏡法は、構造生物学、細胞生物学等の分野において用いられる透過電子顕微鏡法の一種である。クライオ電子顕微鏡法は、対象試料に対し一切の染色および化学固定を行うことなく、水溶液等と共に瞬間凍結することで対象試料を非晶質の薄氷内部に固定して観察を行うものである。 Cryo-electron microscopy is a type of transmission electron microscopy used in fields such as structural biology and cell biology. Cryo-electron microscopy is a method in which the target sample is fixed inside thin amorphous ice by flash freezing with an aqueous solution, etc., and then observed without performing any staining or chemical fixation on the target sample.
クライオ電子顕微鏡法のためのサンプル調整には、一般的に、銅、金、又はモリブデン等の金属グリッド支持体に、多数の孔があけられた非晶質カーボン薄膜等が張られた構造を有するグリッドが用いられる。このグリッドに対して、水に溶解させたタンパク質等の対象試料を滴下し、グリッド両面から濾紙等を用いて余分な水分を吸い取り、急速凍結させることで、非晶質カーボン膜の孔の中に対象試料を閉じ込めた薄氷膜を調整してきた。 Sample preparation for cryo-electron microscopy generally involves a structure in which a metal grid support such as copper, gold, or molybdenum is covered with an amorphous carbon thin film with a large number of holes. A grid is used. A target sample such as protein dissolved in water is dropped onto this grid, excess water is absorbed from both sides of the grid using filter paper, etc., and the sample is rapidly frozen to allow it to enter the pores of the amorphous carbon membrane. We have prepared a thin ice film that confines the target sample.
しかしながら、この手法においては、水膜および氷膜の厚さは非晶質カーボン膜の厚みに依存し、さらに液化エタンにより急速凍結させる間に水膜が弾け消失してしまうという問題があり、再現性の高い試料調整法とは言えない。 However, this method has the problem that the thickness of the water film and ice film depends on the thickness of the amorphous carbon film, and that the water film bursts and disappears during rapid freezing with liquefied ethane. It cannot be said that this is a highly accurate sample preparation method.
このような問題に対して、水溶液等に分散させた酸化グラフェンを非晶質カーボン膜上に滴下し、非晶質カーボン膜の孔をふさぐ形で酸化グラフェン膜を形成させる手法も用いられてきた。しかしながら、滴下による酸化グラフェン膜の形成では、層数の制御が困難であり、また電気伝導性が金属等に比べ劣るため、チャージアップやそれによるドリフトによる観察時の像の劣化が懸念されている。 To address this problem, a method has also been used in which graphene oxide dispersed in an aqueous solution is dropped onto an amorphous carbon film to form a graphene oxide film by blocking the pores of the amorphous carbon film. . However, when forming a graphene oxide film by dropping, it is difficult to control the number of layers, and the electrical conductivity is inferior to metals, etc., so there are concerns that image deterioration during observation due to charge-up and resulting drift may occur. .
なお、親水化するために、単層のグラフェンを水素プラズマにて部分的に水素化することで水素化グラフェンを生成して透過電子顕微鏡試料支持体に用いる従来技術は存在しているが、親水化の程度は低く、単層であるため電気伝導性も機械的強度も低い。 In order to make it hydrophilic, there is a conventional technology in which single-layer graphene is partially hydrogenated with hydrogen plasma to produce hydrogenated graphene, which is used as a transmission electron microscope sample support. The degree of corrosion is low, and since it is a single layer, its electrical conductivity and mechanical strength are low.
よって、本発明の目的は、一側面によれば、親水性及び電気伝導性において優れた特性を有する透過電子顕微鏡試料支持体及びその製造方法を提供することである。 Therefore, according to one aspect, an object of the present invention is to provide a transmission electron microscope sample support having excellent properties in terms of hydrophilicity and electrical conductivity, and a method for manufacturing the same.
また、本発明の別の目的は、一側面によれば、親水性及び電気伝導性において優れた特性を有する透過電子顕微鏡試料支持体を用いたサンプル調整方法を提供することである。 According to one aspect, another object of the present invention is to provide a sample preparation method using a transmission electron microscope sample support having excellent properties in terms of hydrophilicity and electrical conductivity.
本発明に係る透過電子顕微鏡試料支持体は、複数の孔を有する支持要素と、複数の孔の少なくとも一部の孔をカバーする2層のグラフェンとを有する。そして、2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜が、欠陥の少なくとも一部分に親水基が付着した親水化グラフェン膜であり、第1のグラフェン膜の欠陥量が、第1のグラフェン膜以外のグラフェン膜の欠陥量より多いことを特徴とする。 A transmission electron microscope sample support according to the present invention includes a support element having a plurality of holes and two layers of graphene that cover at least some of the plurality of holes. The first graphene film of the two layers of graphene is a hydrophilized graphene film in which a hydrophilic group is attached to at least a portion of the defects, and the amount of defects in the first graphene film is greater than that of the graphene film other than the first graphene film. It is characterized by having more defects than the amount of defects in the film.
また、本発明に係る透過電子顕微鏡試料支持体の製造方法は、複数の孔を有する支持要素を有する透過電子顕微鏡試料支持体に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法で成膜された2層のグラフェンを貼り付け、2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜に対して、紫外線オゾン処理を行うことを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a transmission electron microscope sample support according to the present invention includes a method for manufacturing a transmission electron microscope sample support having a support element having a plurality of holes, and a two-layer film formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The method is characterized in that graphene is attached and the first graphene film of the two layers of graphene is subjected to ultraviolet ozone treatment.
さらに、本発明に係る透過電子顕微鏡用のサンプル調整方法は、上記透過電子顕微鏡試料支持体に、分析対象を含む水溶液を滴下し、凍結させるものである。 Further, in the method for preparing a sample for a transmission electron microscope according to the present invention, an aqueous solution containing an object to be analyzed is dropped onto the above-mentioned transmission electron microscope sample support and frozen.
一側面によれば、親水性及び電気伝導性において優れた特性を有する透過電子顕微鏡試料支持体が得られる。 According to one aspect, a transmission electron microscope sample support having excellent properties in terms of hydrophilicity and electrical conductivity is obtained.
また、他の側面によれば、このような透過電子顕微鏡試料支持体を用いることで、より薄い氷膜を形成できるようになり、クライオ電子顕微鏡法等でより良好な像を得ることができるようになる。 In addition, according to another aspect, by using such a transmission electron microscope sample support, it becomes possible to form a thinner ice film, making it possible to obtain better images in cryo-electron microscopy, etc. become.
以下、本発明に係る透過電子顕微鏡試料支持体、その製造方法、及びそれを用いたサンプル調整方法について、実施形態と実施例に基づいて説明する。重複説明は適宜省略する。なお、ふたつの数値の間に「~」を記載して数値範囲を表す場合には、これらのふたつの数値も数値範囲に含まれるものとする。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the transmission electron microscope sample support body based on this invention, its manufacturing method, and the sample preparation method using the same are demonstrated based on embodiment and an Example. Duplicate explanations will be omitted as appropriate. In addition, when a numerical range is indicated by writing "~" between two numerical values, these two numerical values are also included in the numerical range.
[本発明の実施の形態の概要]
本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、金属基板上にプラズマCVD法により制御性高く2層成長させたグラフェン膜を金属グリッド支持体に貼り合わせ、紫外線オゾン処理を2層グラフェンの片面に限定して施すことで2層グラフェンのうち1層を選択的に親水化可能であるという知見を得た。これにより、高い表面親水性の機能を有する親水化グラフェン膜が、グラフェン本来の高電気伝導性を有する高結晶性グラフェン膜に支持された、2原子層分の超薄膜を伴う透過電子顕微鏡試料支持体を得られる。
[Summary of embodiment of the present invention]
As a result of extensive research to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have grown a graphene film in two layers with high controllability on a metal substrate using the plasma CVD method, bonded it to a metal grid support, and treated it with ultraviolet ozone treatment. We have obtained the knowledge that it is possible to selectively make one layer of two-layer graphene hydrophilic by applying it only to one side of the two-layer graphene. As a result, a hydrophilized graphene film with a high surface hydrophilic function is supported by a highly crystalline graphene film with high electrical conductivity inherent to graphene, which supports a transmission electron microscope sample with an ultra-thin film of two atomic layers. You can get a body.
このように、2層グラフェンのうち1層分を選択的に親水化することで、親水化されたグラフェン膜は、対象試料を含む水溶液との親和性を向上させる膜として機能し、もう一方のグラフェン膜は本来の特性である高電気伝導性を提供し、さらには滴下された対象試料を含む水溶液を支える支持膜の強度を強化するように機能する。これら高親水性、高電気伝導性、および高強度性を有する2層グラフェンは、クライオ電子顕微鏡法における非晶質氷のさらなる薄膜化及びチャージアップによる観察像の劣化という2つの従来の課題を克服可能である。 In this way, by selectively making one layer of bilayer graphene hydrophilic, the hydrophilized graphene film functions as a film that improves the affinity with the aqueous solution containing the target sample, and the other layer becomes hydrophilic. The graphene membrane provides its inherent high electrical conductivity and also functions to strengthen the support membrane that supports the dropped aqueous solution containing the target sample. These bilayer graphenes, which have high hydrophilicity, high electrical conductivity, and high strength, overcome two conventional problems in cryo-electron microscopy: making the amorphous ice thinner and deteriorating the observed image due to charge-up. It is possible.
[実施の形態]
本実施の形態に係る透過電子顕微鏡試料支持体は、複数の孔を有する支持要素(例えば図3の多孔非晶質カーボン膜2又は金属グリッド支持体1)と、複数の孔の少なくとも一部の孔をカバーする2層のグラフェン(例えば図3の2層グラフェン3’)とを有する。そして、この2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜(例えば図3の上層のグラフェン膜)が、欠陥の少なくとも一部分に親水基が付着した親水化グラフェン膜であり、第1のグラフェン膜の欠陥量が、第1のグラフェン膜以外のグラフェン膜(例えば図3の下層のグラフェン膜)の欠陥量より多いものである。
[Embodiment]
The transmission electron microscope sample support according to the present embodiment includes a support element having a plurality of holes (for example, the porous amorphous carbon membrane 2 or the metal grid support 1 in FIG. 3), and at least a portion of the plurality of holes. It has two layers of graphene (for example, two-layer graphene 3' in FIG. 3) that cover the holes. Of these two layers of graphene, the first graphene film (for example, the upper graphene film in FIG. 3) is a hydrophilized graphene film in which a hydrophilic group is attached to at least a portion of the defects, and the defects in the first graphene film are The amount of defects is greater than the amount of defects in graphene films other than the first graphene film (for example, the lower layer graphene film in FIG. 3).
このような2層のグラフェンを設けることにより、第1のグラフェン膜により親水性を高めることができ、第1のグラフェン膜以外のグラフェン膜により高電気伝導性も得られる。さらに、1層ではなく2層のグラフェン膜にすることで、機械的強度も高められる。これによって、サンプル調整時に、マイクロピペットなどによる試料の滴下ではなく、インクジェット技術を用いてノズルから滴下量を制御しつつ試料を射出するような形で滴下する場合においても、試料滴下による衝撃に十分に耐え得る強度を有すると考えられる。 By providing such two layers of graphene, hydrophilicity can be increased by the first graphene film, and high electrical conductivity can also be obtained by the graphene films other than the first graphene film. Furthermore, by using a two-layer graphene film instead of one layer, mechanical strength can also be increased. As a result, even when preparing a sample, instead of dropping the sample with a micropipette, etc., the sample is ejected from a nozzle using inkjet technology while controlling the amount of the droplet. It is considered to have the strength to withstand.
なお、上で述べた支持要素は、メッシュを有する金属グリッド支持体に貼られた支持膜(例えば図3の多孔非晶質カーボン膜2)または金属グリッド支持体(例えば図3の金属グリッド支持体1)である。この支持膜は、非晶質カーボン膜のようなものであってもよいし、一般的に用いられている他の素材、例えば窒化ケイ素膜、酸化シリコン膜などであってもよい。なお、このような支持膜を用いずに、メッシュを有する金属グリッド支持体に、2層のグラフェンを貼り付けるようにしてもよい。 It should be noted that the support element described above may be a support film attached to a metal grid support having a mesh (for example, the porous amorphous carbon membrane 2 in FIG. 3) or a metal grid support (for example, the metal grid support in FIG. 3). 1). This support film may be an amorphous carbon film, or may be other commonly used materials such as a silicon nitride film or a silicon oxide film. Note that two layers of graphene may be attached to a metal grid support having a mesh without using such a support film.
上記2層のグラフェンのラマンスペクトルにおけるGバンド強度に対するDバンド強度の割合は、好ましくは0.04以上0.5以下である。この程度の欠陥量であれば十分な電気伝導性を得られる。また、機械的強度も保持されている。 The ratio of the D band intensity to the G band intensity in the Raman spectrum of the two-layer graphene is preferably 0.04 or more and 0.5 or less. Sufficient electrical conductivity can be obtained with this amount of defects. Moreover, mechanical strength is also maintained.
また、上記2層のグラフェンのθ/2法による接触角は、好ましくは25°以上60°以下であり、より好ましくは25°以上40°以下である。このように親水化度合い(濡れ性)の幅は広く、様々なサイズの分析対象(例えばタンパク質などの生体試料)に対応できる。 Further, the contact angle of the two layers of graphene measured by the θ/2 method is preferably 25° or more and 60° or less, more preferably 25° or more and 40° or less. As described above, the degree of hydrophilicity (wettability) is wide, and it can be used for various sizes of analysis targets (eg, biological samples such as proteins).
このような透過電子顕微鏡試料支持体は、複数の孔を有する支持要素を有する透過電子顕微鏡試料支持体に、プラズマCVD法で成膜された2層のグラフェンを貼り付け(例えば図2のS4)、上記2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜に対して、紫外線オゾン処理を行う(例えば図2のS6)ことによって作製される。 Such a transmission electron microscope sample support is made by pasting two layers of graphene formed by a plasma CVD method on a transmission electron microscope sample support having a support element having a plurality of holes (for example, S4 in FIG. 2). , is produced by subjecting the first graphene film of the two layers of graphene to ultraviolet ozone treatment (for example, S6 in FIG. 2).
この紫外線オゾン処理は、例えば目標とする親水化度合いに応じて調節する。例えば、親水化度合いを高くする場合には、紫外線強度を高めたり、紫外線オゾン処理の時間を長くする。一方、親水化度合いを低くする場合には、紫外線強度を低めたり、紫外線オゾン処理の時間を短くする。これによって、試料に含まれる分析対象の大きさが小さい場合には、紫外線強度を強めたり、処理時間を長くして親水化度合いを高めることで、より薄い氷膜を形成できるようになる。一方、試料に含まれる分析対象の大きさが大きい場合には、紫外線強度を低くしたり、処理時間を短くすることで、分析対象を包含する厚さの氷膜を形成できるようになる。 This ultraviolet ozone treatment is adjusted depending on, for example, the target degree of hydrophilicity. For example, in order to increase the degree of hydrophilization, the intensity of ultraviolet rays may be increased or the time of ultraviolet ozone treatment may be lengthened. On the other hand, in order to lower the degree of hydrophilization, the intensity of ultraviolet rays is lowered or the time of ultraviolet ozone treatment is shortened. As a result, if the size of the analyte contained in the sample is small, a thinner ice film can be formed by increasing the intensity of the ultraviolet rays or increasing the degree of hydrophilization by increasing the treatment time. On the other hand, if the size of the analyte contained in the sample is large, by lowering the intensity of the ultraviolet rays or shortening the treatment time, it becomes possible to form an ice film thick enough to encompass the analyte.
なお、紫外線オゾン処理の程度は、様々な要素によって決められるので、上記2層のグラフェンのラマンスペクトルにおけるGバンド強度に対するDバンド強度の割合が0.04以上0.5以下となるように、または、上記2層のグラフェンのθ/2法による接触角が25°以上60°以下となるように調節するようにしてもよい。 Note that the degree of ultraviolet ozone treatment is determined by various factors, so that the ratio of D band intensity to G band intensity in the Raman spectrum of the two-layer graphene is 0.04 or more and 0.5 or less, or The contact angle of the two layers of graphene measured by the θ/2 method may be adjusted to be 25° or more and 60° or less.
サンプル調整時には、上で述べたような透過電子顕微鏡試料支持体に、分析対象を含む水溶液を滴下し、凍結させる。これによって、従前に比して薄い氷膜を作製できるので、クライオ電子顕微鏡法による観察においてより鮮明な像を得ることができるようになる。なお、非晶質カーボン膜を使用した場合の氷膜の膜厚は、約74~114nmであり、本実施の形態ではその1/3~1/5程度に抑えられる。 During sample preparation, an aqueous solution containing the target to be analyzed is dropped onto the transmission electron microscope sample support as described above and frozen. This makes it possible to create a thinner ice film than before, making it possible to obtain clearer images when observed using cryo-electron microscopy. Note that the thickness of the ice film when an amorphous carbon film is used is about 74 to 114 nm, and in this embodiment, it can be suppressed to about 1/3 to 1/5 of that.
なお、好ましくは、分析対象の大きさに応じた親水化度合いを有する透過電子顕微鏡試料支持体を用いる。上でも述べたように、分析対象に適切な厚みの氷膜を形成できるためである。より具体的には、分析対象の大きさが大きいほど親水化度合いが低い透過電子顕微鏡試料支持体を選択し、上記凍結によって得られる氷の膜厚が厚くなる。逆に、分析対象の大きさが小さいほど親水化度合いが高い透過電子顕微鏡試料支持体を選択し、上記凍結によって得られる氷の膜厚が薄くなる。 Preferably, a transmission electron microscope sample support having a degree of hydrophilicity depending on the size of the object to be analyzed is used. As mentioned above, this is because an ice film with an appropriate thickness can be formed on the object to be analyzed. More specifically, a transmission electron microscope sample support with a lower degree of hydrophilicity is selected as the size of the object to be analyzed becomes larger, and the thickness of the ice film obtained by the above-mentioned freezing becomes thicker. Conversely, the smaller the size of the object to be analyzed, the higher the degree of hydrophilicity selected as the transmission electron microscope sample support, and the thinner the ice film obtained by the above-mentioned freezing becomes.
以下、本発明について、実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
<透過電子顕微鏡試料支持体の製造方法>
本実施例では、金属グリッド支持体に対して多数の孔を有する多孔非晶質カーボン膜が貼られた多孔非晶質カーボン膜付き金属グリッド支持体が既に得られていることを前提にする。そして、多孔非晶質カーボン膜付き金属グリッド支持体に、紫外線オゾン処理(UVオゾン処理とも記す)が行われる前の2層グラフェンを貼り付ける第1の工程と、この2層グラフェンの上層に対して紫外線オゾン処理を行う第2の工程とを行う。
<Method for manufacturing a transmission electron microscope sample support>
In this example, it is assumed that a metal grid support with a porous amorphous carbon film, in which a porous amorphous carbon film having a large number of holes is attached to the metal grid support, has already been obtained. Then, a first step of pasting the two-layer graphene before ultraviolet ozone treatment (also referred to as UV ozone treatment) on the metal grid support with a porous amorphous carbon film, and and a second step of performing ultraviolet ozone treatment.
以下の説明を分かりやすくするために、図1に、第1の工程後の透過電子顕微鏡試料支持体の構成を先に示しておく。金属グリッド支持体1上には多孔非晶質カーボン膜2が形成されており、さらに多孔非晶質カーボン膜2上に2層グラフェン3が貼り付けられており、透過電子顕微鏡試料支持体はこれらの積層体である。2層グラフェン3は、多孔非晶質カーボン膜2の少なくとも一部の孔にわたって延在している。
In order to make the following explanation easier to understand, FIG. 1 first shows the structure of the transmission electron microscope sample support after the first step. A porous amorphous carbon film 2 is formed on the metal grid support 1, and a two-
なお、金属グリッド支持体1におけるメッシュの1つの孔は例えば一辺約100μmの矩形となっており、多孔非晶質カーボン膜2の孔は例えば直径2μmの円形となっている。多孔非晶質カーボン膜2の膜厚は、約10~25nmである。また、2層グラフェンの膜厚は、おおよそ0.67~0.70nmである。 Note that one hole of the mesh in the metal grid support 1 is, for example, rectangular with a side of about 100 μm, and each hole in the porous amorphous carbon film 2 is circular with a diameter of 2 μm, for example. The thickness of the porous amorphous carbon film 2 is about 10 to 25 nm. Further, the film thickness of the bilayer graphene is approximately 0.67 to 0.70 nm.
次に、透過電子顕微鏡試料支持体の製造方法を図2を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing a transmission electron microscope sample support will be explained using FIG. 2.
まず、銅箔触媒層(すなわち金属基板)上に炭素源ガスを用いたプラズマCVD法により2層グラフェン3を生成する(S1)。2層グラフェン3の生成方法については、例えば、"Bilayer graphene synthesis by plasma treatment of copper foils without using a carbon-containing gas", R. Kato et al., Carbon 77 (2014) 823-828.などを参照のこと。
First, two-
次に、成長した2層グラフェン3に対してポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、フォトレジスト(PR)等をスピンコーターにより塗布し、厚さ100nm~10μm程度の有機薄膜層(保護膜)を形成する(S2)。
Next, polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), photoresist (PR), etc. are applied to the grown
そして、10~30分程度の大気中または真空環境下で有機薄膜層を乾燥させた後、化学的エッチング法を用いて金属基板を除去する(S3)。ここで、エッチャント溶液としては、塩化第二鉄(FeCl3)、過硫酸アンモニウム((NH4)2S2O8)、塩酸(HCl)、水酸化カリウム(KOH)などの反応性イオンエッチング溶液が使用可能である。エッチャント溶液上に、有機薄膜層を形成した2層グラフェンを備えた構造体を浮かべ、完全に金属基板が除去するまで浸潤を行う。金属基板が完全にエッチングしたのち、濾紙、ガラス、SiO2等を用いてエッチャント溶液相より洗浄液相に移し替える。洗浄溶液には、超純水や脱イオン交換水などが使用できる。 After drying the organic thin film layer in the air or in a vacuum environment for about 10 to 30 minutes, the metal substrate is removed using a chemical etching method (S3). Here, as the etchant solution, reactive ion etching solutions such as ferric chloride (FeCl 3 ), ammonium persulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ), hydrochloric acid (HCl), and potassium hydroxide (KOH) are used. Available for use. A structure including bilayer graphene with an organic thin film layer formed thereon is floated on an etchant solution, and infiltration is performed until the metal substrate is completely removed. After the metal substrate is completely etched, the etchant solution phase is transferred to the cleaning solution phase using filter paper, glass, SiO 2 , etc. Ultrapure water, deionized exchange water, or the like can be used as the cleaning solution.
その後、多孔非晶質カーボン膜2を備えた金属グリッド支持体1を用いて、洗浄液相上の、有機薄膜層を形成した2層グラフェン3を掬い上げるように付着させた後、室温~90℃程度の温度下で乾燥させる(S4)。本実施例では、多孔非晶質カーボン膜2付き金属グリッド支持体1にはQuantifoil(登録商標):R2/2 Holey Carbon film TEM grids, Mo 200 meshを使用した。完全乾燥後、アセトン等の有機溶剤中に浸潤することで有機薄膜層を除去する(S5)。
Thereafter, using the metal grid support 1 equipped with the porous amorphous carbon film 2, the two-
有機薄膜層の除去後、有機薄膜層の除去用溶剤をイソプロピルアルコール等に浸潤することで洗浄を行う。洗浄完了後に真空環境下で乾燥させることで、図1に示すような、2層グラフェン3、多孔質非晶質カーボン膜2、及び金属グリッド支持体1を備えた積層体を得ることができる。
After removing the organic thin film layer, cleaning is performed by infiltrating isopropyl alcohol or the like with a solvent for removing the organic thin film layer. By drying in a vacuum environment after cleaning is completed, a laminate including the two-
真空乾燥により得た、2層グラフェン3を備えた金属グリッド支持体1をさらに高真空化で温度200~600℃において1~5時間程度加熱処理を行うことで有機溶剤により除去しきれなかった有機薄膜層の除去を行うことが可能である。これによりグラフェン表面のさらなる清浄化の効果が期待できる。
The metal grid support 1 provided with the
高真空下での加熱処理後にUVオゾンクリーナーによりグラフェンの親水化を実施する(S6)。UVオゾン処理には、5本の低圧水銀ランプを備えたFilgen社製UV253V12を使用した。本装置の紫外線強度はUVランプ一本あたり5.2mW/cm2であり、極短波長184.9nm(647KJ/mol)および短波長253.7nm(472KJ/mol)の紫外線が照射される。グラフェンを構成する炭素原子同士の結合エネルギーは単結合、二重結合において、それぞれ347.7KJ/mol、607KJ/molであるため、紫外線照射により2層グラフェンのうち上層のグラフェンにおける炭素間結合が切断され、小さな欠陥が生じる。その欠陥にヒドロキシル基(-OH)、カルボキシル基(-COOH)等の親水基が吸着することで、グラフェンは親水化される。 After heat treatment under high vacuum, graphene is made hydrophilic using a UV ozone cleaner (S6). For UV ozone treatment, a Filgen UV253V12 equipped with five low-pressure mercury lamps was used. The ultraviolet intensity of this device is 5.2 mW/cm 2 per UV lamp, and ultraviolet rays with an extremely short wavelength of 184.9 nm (647 KJ/mol) and a short wavelength of 253.7 nm (472 KJ/mol) are irradiated. Since the bond energy between carbon atoms that make up graphene is 347.7 KJ/mol and 607 KJ/mol for single and double bonds, respectively, the carbon-carbon bonds in the upper layer of two-layer graphene are broken by ultraviolet irradiation. small defects will occur. Graphene becomes hydrophilic by adsorbing hydrophilic groups such as hydroxyl groups (-OH) and carboxyl groups (-COOH) to the defects.
2層グラフェン3が転写された金属グリッド支持体1を、スライドガラス、石英ガラス、Si基板、又は金属支持体等に載せ、片面にのみ紫外光が照射されるように、上記装置内部に設置した。まず、初めに上記装置内に酸素ガスを30分程度導入し、上記装置内の大気雰囲気を酸素雰囲気に置換した。酸素ガスの導入時間は、場合によっては10~30分程度である。その後、紫外線を1~30分照射した。紫外線ランプとサンプルとの間隔は10cmで実施した。この間隔は、場合によっては5~20cm程度である。
The metal grid support 1 onto which the
このような処理を行うことで、図3に示すように、UVオゾン処理前の2層グラフェン3は、上層については欠陥の少なくとも一部に親水基が付着した高親水性グラフェン膜と、下層については元の高電気伝導性を維持しているグラフェン膜とを有する2層グラフェン3’に変化する。
By performing such treatment, as shown in FIG. 3, the two-
すなわち、本実施例に係る透過電子顕微鏡試料支持体は、金属グリッド支持体1と、多孔非晶質カーボン膜2と、高親水性グラフェン膜と高電気伝導性グラフェン膜とを含む2層グラフェン3’との積層体である。
That is, the transmission electron microscope sample support according to this example includes a metal grid support 1, a porous amorphous carbon film 2, and a two-
<接触角(濡れ性)による親水性評価について>
2層グラフェン3’の親水化度合いを評価するためにθ/2法による接触角の測定を実施した。接触角測定には協和界面科学株式会社製接触角計Dropmaster501を使用し、液滴には超純水を使用した。2層グラフェンの接触角を測定するにあたり、銅箔触媒(金属基板)上の2層グラフェン3(UVオゾン処理時間0分)と、各UVオゾン処理時間(5分、10分、20分)の2層グラフェン3’とに対して5回測定を実施し、その平均値を算出した。
<About hydrophilicity evaluation by contact angle (wettability)>
In order to evaluate the degree of hydrophilization of the bilayer graphene 3', the contact angle was measured by the θ/2 method. Contact angle meter Dropmaster 501 manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd. was used to measure the contact angle, and ultrapure water was used as the droplet. In measuring the contact angle of two-layer graphene, two-
<結晶性評価(ラマン分光測定方法)について>
以下に記載する検証例および実施例に関しては、ラマン散乱分光スペクトル測定を行った。ラマンスペクトル測定装置には(株)堀場製作所製XploRa型機を使用した。励起用レーザーは半導体レーザーを使用し、励起波長は638nm、レーザービームスポットは直径1μm、分光器のグレーティングは600本、アパーチャーは300μm、スリットは100μm、レーザー源の出力は9.8mWとした。ラマンスペクトルは露光時間5秒間で5回の測定の積算により取得した。
<About crystallinity evaluation (Raman spectroscopy measurement method)>
Regarding the verification examples and examples described below, Raman scattering spectroscopic measurements were performed. As the Raman spectrum measurement device, an XploRa model manufactured by Horiba, Ltd. was used. A semiconductor laser was used as the excitation laser, the excitation wavelength was 638 nm, the laser beam spot was 1 μm in diameter, the spectrometer had 600 gratings, the aperture was 300 μm, the slit was 100 μm, and the output of the laser source was 9.8 mW. The Raman spectrum was acquired by integrating five measurements with an exposure time of 5 seconds.
2Dバンド、Gバンド、Dバンドのピーク位置はグラフェンの層数やラマンスペクトル取得時のレーザー波長に依存することが示されている。使用励起波長514.5nmにおいて単層グラフェンの場合、2Dバンド、Gバンド、Dバンドのピーク位置は、それぞれ2700cm-1、1582cm-1、1350cm-1付近にみられる。Gバンドは正常六員環に起因するものであり、Dバンドは正常六員環の欠陥に起因するピークである。また2DバンドはDバンドの倍音によるものである。ラマンスペクトルにおいてGバンド、2Dバンドの双方が観測される場合、その膜はグラフェンであると同定される。一般的にグラフェンの層数が増加すると2Dバンドのピーク位置は高波長側にシフトすることと、ピークの半値幅が増加することが知られている。さらに使用励起波長が短くなると、2Dバンドは高波長側にシフトする。 It has been shown that the peak positions of the 2D band, G band, and D band depend on the number of graphene layers and the laser wavelength at the time of Raman spectrum acquisition. In the case of single-layer graphene at an excitation wavelength of 514.5 nm, the peak positions of the 2D band, G band, and D band are found around 2700 cm -1 , 1582 cm -1 , and 1350 cm -1 , respectively. The G band is a peak resulting from a normal six-membered ring, and the D band is a peak resulting from a defect in the normal six-membered ring. Furthermore, the 2D band is based on overtones of the D band. If both the G band and 2D band are observed in the Raman spectrum, the film is identified as graphene. It is generally known that as the number of graphene layers increases, the peak position of the 2D band shifts to the higher wavelength side and the half-width of the peak increases. Furthermore, as the excitation wavelength used becomes shorter, the 2D band shifts to higher wavelengths.
<ラマンスペクトルの2Dピークフィッティングについて>
グラフェンの2Dバンドは、フォノンによる電子散乱過程で二重共鳴散乱プロセスが起こり、単層グラフェン、2層グラフェン、3層グラフェンなど層数の増大により、半値幅が変化することが知られており、単層グラフェンでは1本、2層グラフェンにおいては4本、3層グラフェンにおいては計6本のLorentzianピークで各々フィッティングできることが知られている。
<About 2D peak fitting of Raman spectrum>
It is known that in the 2D band of graphene, a double resonance scattering process occurs during the electron scattering process by phonons, and the half-width changes as the number of layers increases, such as single-layer graphene, bilayer graphene, and trilayer graphene. It is known that fitting can be performed using one Lorentzian peak for single-layer graphene, four for two-layer graphene, and a total of six Lorentzian peaks for three-layer graphene.
<シート抵抗による電気伝導性の評価について>
電気伝導性の特性評価として、厚さ118μmのPETフィルム上に転写されたグラフェンに対して、非接触抵抗測定装置((株)ナプソン製 model: EC-80)を用いてシート抵抗を測定した。まず初めに、銅箔触媒層(金属基板)上に形成させたグラフェン膜に対して熱剥離シートを張り合わせた後、化学的エッチング法を用いて銅箔触媒層(金属基板)を除去した。エッチャント溶液として過硫酸アンモニウム((NH4)2S2O8)を使用した。銅箔触媒層(金属基板)のエッチングにより得られた熱剥離シート/グラフェン積層体を超純水により洗浄し、熱剥離シート/グラフェン積層体のグラフェン面側に対してPETフィルムを張り合わせた。その後、大気下で80℃の加熱処理を施すことで熱剥離シート/グラフェン/PETフィルム積層体から熱剥離シートを剥離し、グラフェン/PETフィルム積層体を得た。本実施例による電気伝導性は4.0cm×4.0cmのグラフェン/PETフィルム積層体のサンプルに対して5回測定を行いその平均値により評価した。
<About evaluation of electrical conductivity by sheet resistance>
As a characteristic evaluation of electrical conductivity, the sheet resistance of graphene transferred onto a 118 μm thick PET film was measured using a non-contact resistance measuring device (model: EC-80, manufactured by Napson Co., Ltd.). First, a thermal release sheet was attached to the graphene film formed on the copper foil catalyst layer (metal substrate), and then the copper foil catalyst layer (metal substrate) was removed using a chemical etching method. Ammonium persulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) was used as the etchant solution. The thermal release sheet/graphene laminate obtained by etching the copper foil catalyst layer (metal substrate) was washed with ultrapure water, and a PET film was attached to the graphene side of the thermal release sheet/graphene laminate. Thereafter, the thermal release sheet was peeled from the thermal release sheet/graphene/PET film laminate by performing heat treatment at 80° C. in the atmosphere to obtain a graphene/PET film laminate. The electrical conductivity in this example was measured five times on a 4.0 cm x 4.0 cm graphene/PET film laminate sample and evaluated based on the average value.
<UVオゾン処理前後の2層グラフェンの、STEMによる評価について>
走査透過電子顕微鏡(STEM)によって、UVオゾン処理前後の2層グラフェンの観察を実施した。STEM観察には(株)日本電子製DELTA収差補正装置を搭載したJEM-2100F型機を加速電圧60kVに設定し使用した。冷陰極電解放出銃のゼロロスエネルギー分解能は0.4eVであり、およそ0.1nmの電子プローブ直径と30pAの電流値で使用した。
<About STEM evaluation of bilayer graphene before and after UV ozone treatment>
Bilayer graphene was observed before and after UV ozone treatment using a scanning transmission electron microscope (STEM). For STEM observation, a JEM-2100F model equipped with a DELTA aberration corrector manufactured by JEOL Ltd. was used with an accelerating voltage of 60 kV. The zero-loss energy resolution of the cold field emission gun was 0.4 eV and was used with an electron probe diameter of approximately 0.1 nm and a current value of 30 pA.
STEM像観察にはGatan社製イメージングファイルター検出器GIF Quantumを用いて、環状暗視野(ADF:Annular Dark Field)像の観察を実施した。また観察には電子顕微鏡内の環境下からくるコンタミネーションによるサンプルの汚染を防ぐために(株)日本電子社製加熱ホルダーを使用し、およそ500℃に制御しながら実施した。
<氷包埋法によるサンプル作成について>
UVオゾン処理した2層グラフェン3’を備えた金属グリッド支持体1(すなわち透過電子顕微鏡試料支持体)を用いて氷包埋法によるサンプル調整を実施した。氷包埋法によるサンプル調整においては、FEI社製bitrobotを使用した。まず初めに装置内の環境設定として湿度90%以上、温度5℃以下とした。次にXピンセットにより金属グリッド支持体1を固定し、装置のチャンバー内部に設置した。その後、タバコモザイクウイルス(TMV:Tabaco Mosaic Virus)が含まれた水溶液をマイクロピペットにより1.7μmLだけ金属グリッド支持体1に対して真横から滴下し、濾紙によって余剰溶液を吸い取り、瞬時に液化エタン内に浸潤させることで瞬間凍結を行った。
For STEM image observation, an annular dark field (ADF) image was observed using an imaging filter detector GIF Quantum manufactured by Gatan. In order to prevent the sample from being contaminated by contamination from the environment inside the electron microscope, the observation was carried out while controlling the temperature to approximately 500° C. using a heating holder manufactured by JEOL Ltd.
<About sample preparation using ice embedding method>
Sample preparation by an ice embedding method was carried out using a metal grid support 1 (ie, a transmission electron microscope sample support) provided with a UV ozone-treated bilayer graphene 3'. A bitrobot manufactured by FEI was used for sample preparation using the ice embedding method. First, the environment inside the apparatus was set such that the humidity was 90% or higher and the temperature was 5° C. or lower. Next, the metal grid support 1 was fixed using X tweezers and placed inside the chamber of the apparatus. Thereafter, 1.7 μmL of an aqueous solution containing Tobacco Mosaic Virus (TMV) was dropped onto the metal grid support 1 from the side using a micropipette, the excess solution was sucked up with a filter paper, and the mixture was instantly poured into liquefied ethane. Flash freezing was performed by infiltrating the
<クライオ電子顕微鏡法について>
凍結させたサンプルの低温TEM観察には、ショットキー電界放出銃、DELTA収差補正装置およびダブルウィーンフィルターモノクロメーターを搭載した日本電子社製TEMシステムを使用した。観察像の撮影にはGatan社製OneViewCMOSカメラを用いた。
<About cryo-electron microscopy>
A JEOL TEM system equipped with a Schottky field emission gun, a DELTA aberration corrector, and a double Wien filter monochromator was used for low-temperature TEM observation of the frozen sample. A Gatan OneView CMOS camera was used to take the observation images.
また凍結させたサンプルの電子顕微鏡内への輸送および電子顕微鏡内での低温維持のためにGatan社製クライオトランスファーホルダー(cryo-holder-626 Gatan US)を用いた。電子顕微鏡内での温度はGatan社製SmartControllerによりおよそ-175℃になるように維持した。 In addition, a cryo-transfer holder manufactured by Gatan (cryo-holder-626 Gatan US) was used to transport the frozen sample into the electron microscope and maintain the low temperature within the electron microscope. The temperature inside the electron microscope was maintained at approximately -175°C using a Gatan Smart Controller.
<電子エネルギー損失分光法によるガラス状薄氷の厚さの測定について>
包氷埋法にて作成したガラス状薄氷の膜厚測定のため、STEMに電子分光器を組みあわせた電子エネルギー損失分光法(STEM-EELS)により実施した。
<Measurement of the thickness of glassy thin ice using electron energy loss spectroscopy>
To measure the film thickness of glassy thin ice created by the ice embedding method, we used electron energy loss spectroscopy (STEM-EELS), which combines STEM with an electron spectrometer.
STEM-EELS法では非弾性散乱電子と弾性散乱電子の割合から対象試料の膜厚を測定可能である。対象試料の膜厚をt、全非弾性散乱の平均自由工程をλとしたとき、対象試料の相対膜厚は以下の式により与えられることが知られている。
<ラマン分光法による解析結果>
図4に、銅箔触媒層(金属基板)上のUVオゾン未処理(UVオゾン処理0分)の2層グラフェン3(実線)、UVオゾン処理10分(一点鎖線)および20分後(細点線)の2層グラフェン3’についての典型的なラマンスペクトルを示す。図4において、縦軸は強度(任意単位)を表しており、横軸はラマンシフト[cm-1]を表す。
<Analysis results by Raman spectroscopy>
Figure 4 shows
図4に示す通り、すべてのラマンスペクトルにおいて顕著なGバンド、2Dバンドが確認される。またUVオゾン処理10分及び20分後の2層グラフェン3’には欠陥由来であるDバンドがわずかであるが観察される。 As shown in FIG. 4, prominent G bands and 2D bands are confirmed in all Raman spectra. In addition, a small amount of D band originating from defects is observed in the two-layer graphene 3' after 10 and 20 minutes of UV ozone treatment.
さらに図5に、2Dバンドの詳細なカーブフィッティング解析結果を示す。図5において、細い一点鎖線はローレンツ(Lorentzian)サブピークを表し、太い一点鎖線はUVオゾン処理10分後の2層グラフェン3’のラマンスペクトルを表し、実線はUVオゾン処理0分の2層グラフェン3のラマンスペクトルを表し、細点線はUVオゾン処理20分の2層グラフェン3’のラマンスペクトルを表す。
Further, FIG. 5 shows detailed curve fitting analysis results of the 2D band. In Figure 5, the thin dot-dash line represents the Lorentzian subpeak, the thick dot-dash line represents the Raman spectrum of bilayer graphene 3' after 10 minutes of UV ozone treatment, and the solid line represents the Raman spectrum of bilayer graphene 3' after UV ozone treatment of 0 minutes. The thin dotted line represents the Raman spectrum of two-
その結果、すべてのラマンスペクトルの2Dバンドは計4つのLorentzianサブピークによりフィッティングされることから2層グラフェンであり、本ラマン分光法の実施により得られた2層グラフェンの積層構造は図4にみられるようにG/2Dバンドの強度比が2~3程度であることからAB積層構造であることを示している。 As a result, the 2D bands of all Raman spectra were fitted by a total of four Lorentzian subpeaks, indicating bilayer graphene, and the stacked structure of bilayer graphene obtained by implementing this Raman spectroscopy can be seen in Figure 4. The intensity ratio of the G/2D band is about 2 to 3, which indicates an AB laminated structure.
また本実施例で用いたレーザースポットは1.0μmであることを考慮すると、UVオゾン処理後においてわずかなDバンドの増加は見られるが1.0μmを超えるような欠陥の導入はなく、また2層の構造を維持していると考えられる。 Furthermore, considering that the laser spot used in this example was 1.0 μm, a slight increase in the D band was observed after UV ozone treatment, but no defects exceeding 1.0 μm were introduced, and 2 It is thought that the layered structure is maintained.
次に図6に、ラマンスペクトルにおけるDバンドとGバンドの強度比とUVオゾン処理時間の関係性を示す。図6において、縦軸はD/Gバンド強度比(任意単位)を表し、横軸はUVオゾン処理時間[分]を表す。 Next, FIG. 6 shows the relationship between the intensity ratio of the D band and G band in the Raman spectrum and the UV ozone treatment time. In FIG. 6, the vertical axis represents the D/G band intensity ratio (arbitrary unit), and the horizontal axis represents the UV ozone treatment time [minutes].
図6では、D/Gバンド強度比はUVオゾン処理時間とともに増加傾向にあることが示される。図4に示されるラマンスペクトルとD/G比の関係性を基に考察するに、紫外線照射により2層グラフェンとしての構造を維持しながらも、上層のあるサイトにおいて欠陥形成が始まり、形成された欠陥の拡大または違うサイトへの新たな欠陥形成が始まることで、欠陥量が増大し、欠陥由来であるDバンドの増加が確認されるものと考えられる。 FIG. 6 shows that the D/G band intensity ratio tends to increase with UV ozone treatment time. Based on the relationship between the Raman spectrum and the D/G ratio shown in Figure 4, it can be seen that even though the structure as a two-layer graphene is maintained by UV irradiation, defects begin to form at a certain site in the upper layer. It is thought that the amount of defects increases due to the expansion of defects or the start of new defect formation at different sites, and an increase in the D band originating from defects is confirmed.
<シート抵抗による電気伝導性の評価結果>
電気伝導性の評価としてUVオゾン処理の有無によるシート抵抗の比較を実施した。本実施例における電気伝導性の比較としてUVオゾン処理時間を20分実施した試料を用いた。UVオゾン未処理の2層グラフェン3の平均のシート抵抗は328±2.3Ω/□であり、UVオゾン処理20分後の2層グラフェン3’では364±10Ω/□であった。この結果より、20分のUVオゾン処理によるシート抵抗の増加率はおよそ11%程度である。20分程度のUVオゾン処理による親水化工程を実施した試料においても高い電気伝導性を維持しており、これは従来使用されてきた非晶質カーボン膜や酸化グラフェン等と比べても格段に良い電気伝導性であると考えられる。したがって低温時のTEM観察においてもチャージアップ等による像の劣化を抑制するための機能として必要十分な電気伝導性を有すると考えられる。
<Evaluation results of electrical conductivity based on sheet resistance>
As an evaluation of electrical conductivity, sheet resistance was compared with and without UV ozone treatment. For comparison of electrical conductivity in this example, a sample subjected to UV ozone treatment for 20 minutes was used. The average sheet resistance of the
<濡れ性評価結果>
銅箔(金属基板)上の2層グラフェン3に対するUVオゾン処理による親水化度の結果として、図7に、UVオゾン処理時間とグラフェンと超純水との接触角の関係性を示す。図7において、縦軸は接触角[°]を表し、横軸はUVオゾン処理時間[分]を表す。
<Wettability evaluation results>
FIG. 7 shows the relationship between the UV ozone treatment time and the contact angle between graphene and ultrapure water as a result of the degree of hydrophilicity due to UV ozone treatment on the two-
図7に示す通り、UVオゾン処理時間10分程度まではリニアに接触角が減少し10分後ではおよそ30°程度であった。10分以上のUVオゾン処理では接触角に大きな変化が見られなくなるが、平均偏差が増大する傾向にあった。これはおそらく紫外線照射による炭素間結合の切断量が大きくなり2層グラフェンのうち上層のグラフェンの欠陥量の増大と欠陥自体の拡大に伴い、親水化させていない下層のグラフェン表面が水と接触する面積が増大することが影響していると考えられる。UVオゾン処理によるグラフェンの親水化においては、およそ25°~80°程度までの幅広い親水化度を有した2層グラフェンをUVオゾン処理時間の選択により自由に作り分けることが可能である。 As shown in FIG. 7, the contact angle decreased linearly until the UV ozone treatment time was about 10 minutes, and after 10 minutes, it was about 30°. When UV ozone treatment was carried out for 10 minutes or more, no significant change was observed in the contact angle, but the average deviation tended to increase. This is probably because the amount of carbon-carbon bonds broken by ultraviolet irradiation increases, and the number of defects in the upper layer of two-layer graphene increases and the defects themselves expand, causing the surface of the lower graphene that has not been made hydrophilic to come into contact with water. This is thought to be due to the increase in area. In hydrophilizing graphene by UV ozone treatment, it is possible to freely create two-layer graphene having a wide range of hydrophilicity degrees from about 25° to about 80° by selecting the UV ozone treatment time.
<高分解能STEM観察結果>
UVオゾン処理前後の2層グラフェンのSTEM観察の一例を図8A及び図8Bに示す。図8Aは、UVオゾン処理前の2層グラフェン3のSTEM-ADF観察像を示す。図8Aでは、13°程度配向がずれた積層を形成しており、モアレパターンが確認できる。UVオゾン処理前には双方のグラフェン膜には欠陥は確認されない。これはプラズマCVD法により高結晶な2層グラフェンが形成されており、金属グリッド支持体1への転写工程等での欠陥導入はないことを示している。
<High-resolution STEM observation results>
An example of STEM observation of bilayer graphene before and after UV ozone treatment is shown in FIGS. 8A and 8B. FIG. 8A shows a STEM-ADF observation image of
図8Bは、20分のUVオゾン処理を施した2層グラフェン3’のSTEM-ADF像を示す。UVオゾン処理後には炭素原子の欠落による欠陥が見られる。STEM観察におけるADF像のコントラストの明暗は、原子番号のおよそ2乗に比例して観察される。そのため、図8Bにみられる暗い部分は、単層グラフェンに対応した領域を示している。本実施例により確認された欠陥部の大きさは、図8Bで観察されるように数百個程度の欠如から成る欠陥であった。しかしながら、下層の単層グラフェン部分では一つの炭素原子の欠如も確認されない。これは欠陥形成が上層にのみ生じていることを示しており、20分程度のUVオゾン処理による炭素間結合の乖離と紫外線照射により形成された親水基の導入は、上層にのみに働いていると考えられる。このことは上記のラマンスペクトルの解析結果と相違しない結果である。 FIG. 8B shows a STEM-ADF image of bilayer graphene 3' subjected to UV ozone treatment for 20 minutes. Defects due to missing carbon atoms are seen after UV ozone treatment. The contrast of an ADF image in STEM observation is observed to be approximately proportional to the square of the atomic number. Therefore, the dark portions seen in FIG. 8B indicate regions corresponding to single-layer graphene. The size of the defect confirmed in this example was a defect consisting of about several hundred defects, as observed in FIG. 8B. However, not a single carbon atom is observed to be missing in the underlying single-layer graphene portion. This indicates that defect formation occurs only in the upper layer, and the dissociation of carbon-carbon bonds by UV ozone treatment for about 20 minutes and the introduction of hydrophilic groups formed by UV irradiation act only in the upper layer. it is conceivable that. This result is not different from the above Raman spectrum analysis result.
これらラマン分光法による解析、濡れ性評価、及びSTEMによる高分解能観察の結果は、2層グラフェン3に対して行われるUVオゾン処理は、2層グラフェンの下層への欠陥導入を引き起こすことなく、上層を高親水性化できることを示している。これはすなわち高親水性グラフェンを高電気伝導性グラフェン上に簡便な表面処理で形成可能であることを示している。
The results of these Raman spectroscopy analyses, wettability evaluations, and high-resolution STEM observations show that the UV ozone treatment performed on
<電子エネルギー損失分光法によるガラス状薄氷の厚さの測定結果>
本実施例により得られた2層グラフェン3’を有する透過電子顕微鏡試料支持体を用いて2層グラフェン3’上でガラス状氷の調整を実施し、氷の膜厚をエネルギー損失分光法(EELS)により測定した。
<Results of measuring the thickness of glassy thin ice using electron energy loss spectroscopy>
Glassy ice was prepared on the bilayer graphene 3' using the transmission electron microscope sample support having the bilayer graphene 3' obtained in this example, and the ice film thickness was measured using energy loss spectroscopy (EELS). ).
図9Aは、ガラス状氷を形成した後の2層グラフェン3’及び多孔非晶質カーボン膜2の積層体の環状暗視野像(STEM-ADF像)を示す。図9A中の破線は本実施例において測定が行われた箇所を示している。 FIG. 9A shows an annular dark-field image (STEM-ADF image) of the stack of bilayer graphene 3' and porous amorphous carbon film 2 after forming glassy ice. The broken line in FIG. 9A indicates the location where measurements were performed in this example.
図9Bに、2層グラフェン3’が架橋している孔部分より得られた典型的なLow-loss領域の価電子励起スペクトルを示す。氷のバンド間遷移に帰属するピークが8.8eV、10.6eV及び14.5eVに観察される。さらには17eV及び21eVに、それぞれ表面および体積プラズモンに起因するピークが観察される。従って、孔に架橋した2層グラフェン3’上には氷の存在が認められる。また弾性散乱電子と非弾性散乱電子の割合を用いて算出した氷の膜厚のラインプロファイルを図9Cに示す。2層グラフェン3’が架橋した部分の氷の膜厚は平均で24.5nm±2.9nmであり、孔の直径2.0μmの架橋部分内でかなり均一な氷の膜が形成されていることが示唆される。 FIG. 9B shows a typical valence electron excitation spectrum in the low-loss region obtained from the hole portion where the bilayer graphene 3' is bridged. Peaks attributed to interband transitions of ice are observed at 8.8 eV, 10.6 eV, and 14.5 eV. Furthermore, peaks attributable to surface and volume plasmons are observed at 17 eV and 21 eV, respectively. Therefore, the presence of ice is recognized on the two-layer graphene 3' that bridges the pores. Further, a line profile of the ice film thickness calculated using the ratio of elastically scattered electrons to inelastically scattered electrons is shown in FIG. 9C. The average thickness of the ice film in the crosslinked part of the bilayer graphene 3' is 24.5 nm ± 2.9 nm, and a fairly uniform ice film is formed within the crosslinked part of the pore with a diameter of 2.0 μm. is suggested.
<クライオ電子顕微鏡法によるデモンストレーション>
次に本実施例により得た透過電子顕微鏡試料支持体を使用してウイルスの観察を実施した。対象試料である直径18nm、長さ30nmの線状の構造をとるTMVを包含するガラス状薄氷を包氷埋法により2層グラフェン3’上に形成させた。図10に2層グラフェン3’上に形成されたガラス状氷に埋包されたTMVのTEM観察像を示す。
<Demonstration using cryo-electron microscopy>
Next, the virus was observed using the transmission electron microscope sample support obtained in this example. Glassy thin ice containing the target sample, TMV having a linear structure with a diameter of 18 nm and a length of 30 nm, was formed on the bilayer graphene 3' by an ice embedding method. FIG. 10 shows a TEM image of TMV embedded in glassy ice formed on bilayer graphene 3'.
図10においては、何本もの線状のオブジェクトが並んでいる様子が認められ、TMVの周期構造が高分解能かつ高コントラストで観察される。この結果はグラフェン本来に期待される高いシグナル/ノイズ比、高電子線透過性、および高電気伝導性に起因するものであると考えられる。 In FIG. 10, it can be seen that many linear objects are lined up, and the periodic structure of the TMV can be observed with high resolution and high contrast. This result is considered to be due to the high signal/noise ratio, high electron beam transparency, and high electrical conductivity expected from graphene.
以上のように、2層グラフェンの片面に限定してUVオゾン処理することで上層に対して高い親水性を与えることでグラフェン表面と水溶液との高い親和性がガラス状氷の薄膜化が高次元で可能となり、さらにグラフェン本来の特性である高電気伝導性がTEM観察時の像劣化を抑制するため、低温生体構造観察に対して高い適応性があるといえる。 As described above, UV ozone treatment limited to one side of bilayer graphene gives high hydrophilicity to the upper layer, which increases the affinity between the graphene surface and the aqueous solution, which leads to the thinning of glassy ice to a higher level. Furthermore, graphene's inherent high electrical conductivity suppresses image deterioration during TEM observation, making it highly adaptable to low-temperature biological structure observation.
1 金属グリッド支持体
2 多孔非晶質カーボン膜
3 2層グラフェン(UVオゾン処理前)
3’ 2層グラフェン(UVオゾン処理後)
1 Metal grid support 2 Porous
3' Bilayer graphene (after UV ozone treatment)
Claims (9)
前記複数の孔の少なくとも一部の孔をカバーする2層のグラフェンと、
を有し、
前記2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜が、紫外線オゾン処理による欠陥の少なくとも一部分に親水基が付着した親水化グラフェン膜であり、
前記第1のグラフェン膜の欠陥量が、前記第1のグラフェン膜以外のグラフェン膜の欠陥量より多く、
前記2層のグラフェンのラマンスペクトルにおけるGバンド強度に対するDバンド強度の割合が、0.04以上0.5以下である
ことを特徴とする透過電子顕微鏡試料支持体。 a support element having a plurality of holes;
two layers of graphene covering at least some of the plurality of holes;
has
The first graphene film of the two layers of graphene is a hydrophilized graphene film in which hydrophilic groups are attached to at least a portion of defects caused by ultraviolet ozone treatment ,
The amount of defects in the first graphene film is greater than the amount of defects in graphene films other than the first graphene film,
A transmission electron microscope sample support characterized in that the ratio of D band intensity to G band intensity in the Raman spectrum of the two-layer graphene is 0.04 or more and 0.5 or less.
前記複数の孔の少なくとも一部の孔をカバーする2層のグラフェンと、
を有し、
前記2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜が、紫外線オゾン処理による欠陥の少なくとも一部分に親水基が付着した親水化グラフェン膜であり、
前記第1のグラフェン膜の欠陥量が、前記第1のグラフェン膜以外のグラフェン膜の欠陥量より多く、
前記2層のグラフェンのθ/2法による接触角が、25°以上60°以下である
ことを特徴とする透過電子顕微鏡試料支持体。 a support element having a plurality of holes;
two layers of graphene covering at least some of the plurality of holes;
has
The first graphene film of the two layers of graphene is a hydrophilized graphene film in which hydrophilic groups are attached to at least a portion of defects caused by ultraviolet ozone treatment ,
The amount of defects in the first graphene film is greater than the amount of defects in graphene films other than the first graphene film,
A transmission electron microscope sample support, wherein the contact angle of the two layers of graphene measured by the θ/2 method is 25° or more and 60° or less.
請求項1又は2記載の透過電子顕微鏡試料支持体。 The transmission electron microscope sample support according to claim 1 or 2, wherein the support element is a support film attached to a metal grid support having a mesh or the metal grid support.
前記2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜に対して、前記2層のグラフェンのラマンスペクトルにおけるGバンド強度に対するDバンド強度の割合が0.04以上0.5以下となるように紫外線オゾン処理を行う、
ことを特徴とする透過電子顕微鏡試料支持体の製造方法。 Two layers of graphene formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method are attached to a transmission electron microscope sample support having a support element having multiple holes,
The first graphene film of the two graphene layers is treated with ultraviolet ozone so that the ratio of the D band intensity to the G band intensity in the Raman spectrum of the two graphene layers is 0.04 or more and 0.5 or less. I do,
A method for manufacturing a transmission electron microscope sample support, characterized in that:
前記2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜に対して、目標とする親水度合いに応じて調節した紫外線オゾン処理を行う
ことを特徴とする透過電子顕微鏡試料支持体の製造方法。 Two layers of graphene formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method are attached to a transmission electron microscope sample support having a support element having multiple holes,
A method for manufacturing a transmission electron microscope sample support, characterized in that a first graphene film of the two layers of graphene is subjected to ultraviolet ozone treatment adjusted according to a target degree of hydrophilicity.
前記複数の孔の少なくとも一部の孔をカバーする2層のグラフェンと、
を有し、
前記2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜が、紫外線オゾン処理による欠陥の少なくとも一部分に親水基が付着した親水化グラフェン膜であり、
前記第1のグラフェン膜の欠陥量が、前記第1のグラフェン膜以外のグラフェン膜の欠陥量より多く、
前記2層のグラフェンの平均のシート抵抗が、364±10Ω/□である
ことを特徴とする透過電子顕微鏡試料支持体。 a support element having a plurality of holes;
two layers of graphene covering at least some of the plurality of holes;
has
The first graphene film of the two layers of graphene is a hydrophilized graphene film in which hydrophilic groups are attached to at least a portion of defects caused by ultraviolet ozone treatment ,
The amount of defects in the first graphene film is greater than the amount of defects in graphene films other than the first graphene film,
A transmission electron microscope sample support characterized in that the two layers of graphene have an average sheet resistance of 364±10Ω/□.
前記2層のグラフェンのうち第1のグラフェン膜に対して、前記2層のグラフェンのシート抵抗の増加率が11%以下に収まるように紫外線オゾン処理を行う、
ことを特徴とする透過電子顕微鏡試料支持体の製造方法。 Two layers of graphene formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method are attached to a transmission electron microscope sample support having a support element having multiple holes,
Performing ultraviolet ozone treatment on the first graphene film of the two layers of graphene so that the rate of increase in sheet resistance of the two layers of graphene is 11% or less.
A method for manufacturing a transmission electron microscope sample support, characterized in that:
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US20130277573A1 (en) | 2011-01-07 | 2013-10-24 | Dune Sciences, Inc. | Functionalized carbon membranes |
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