KR101608681B1 - 전자현미경 이미지의 비파괴적 수득 방법 및 비파괴적 분석 방법 - Google Patents

전자현미경 이미지의 비파괴적 수득 방법 및 비파괴적 분석 방법 Download PDF

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Abstract

전자현미경 이미지의 비파괴적 수득 방법, 시료의 비파괴적 분석 방법, 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름, 전자현미경 분석용 키트, 및 분광분석용 키트에 관한 것이다.

Description

전자현미경 이미지의 비파괴적 수득 방법 및 비파괴적 분석 방법 {NON-DESTRUCTIVE METHOD FOR OBTAINING ELECTRON MICROSCOPY IMAGE AND NON-DESTRUCTIVE ANALYZING METHOD}
본원은, 전자현미경 이미지의 비파괴적 수득 방법, 시료의 비파괴적 분석 방법, 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름, 전자현미경 분석용 키트, 및 분광분석용 키트에 관한 것이다.
생물학적 대상들의 화학적, 물리화학적, 및 생물학적 특성 등의 종합적인 이해는, 바람직하게는 어떠한 고정 또는 보조 표면 처리 없이, 전자현미경(electron microscope, EM) 분석을 통해서 효과적으로 성취될 수 있다. 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 및 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)은 높은-해상도를 가지고 시료의 형태학적 구조들의 직접적인 이미지를 제공한다는 점에서 특히 더 많이 사용된다. 덧붙여, 전자 빔과 시료 사이의 특유의 상호작용은 EDS(energy dispersive spectroscopy) 및 EELS(electron energy loss spectroscopy)와 같은 다양한 물리적 및 화학적 분석들을 가능하게 할 수 있다[D. C. Joy, A. D. Romig, J. Goldstein, Principles of Analytical Electron Microscopy. (Plenum Press, New York, 1986), R. Brydson, Electron Energy Loss Spectroscopy. (Bios in association with the Royal Microscopical Society, Oxford, 2001)].
그럼에도 불구하고, 비전도성 시료 표면에서 발생하는 전자 빔에 의한 조사 손상 또는 전하 축적 현상은, 시료들의 형태학적 및 화학적 특성을 왜곡한다는 점에서 전자현미경을 매개로 하는 생물학적 연구들을 저해해왔다. 이를 위해 다양한 금속을 이용한 표면 코팅 방법이 사용되어 왔지만, 비교적 두꺼운 금속 코팅은 나노미터 규모에서 시료의 극소 표면 구조를 연구하는 것을 방해할 수 있으며, 이는 금속 입자 크기(약 10 nm)보다 더 작은 표면 특성은 적절하게 이미지화될 수 없기 때문이다. 또한, EDS 분석을 위해 요구되는 X-선 형광 신호들은 대개 금속 층들에 의해 스크리닝된다. 덧붙여, 금속-코팅된 시료들은 전자-투명성이 요구되는 TEM과 같은 추가적인 분석을 위해 사용되기 어렵다.
세계에서 가장 얇은 2 차원 물질로서 잘 알려진 그래핀(Graphene)은, 유연성, 높은 기계적 강도, 뛰어난 전도성, 및 광자 및 가속된 전자에 대한 우수한 투명성 때문에 널리 연구되어왔다. 또한, 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 사용하는 양질의 그래핀 필름의 대규모 합성에서의 최근 발전은, 기초 과학 연구에서 특별한 관심을 받을 뿐만 아니라, 실질적인 장치 적용에 관한 그래핀의 가능성을 넓혔다. 특히, 연속 그래핀 필름의 대규모 제조, 및 다양한 생물학적 대상으로의 용이한 전사의 실행 가능성은, 신규한 헤테로-인터페이스 또는 비전도성 생물학적 시료들을 포함하는 인터페이스를 제조하는 것에 대한 특별한 기회를 열어주었다. 최근 연구에서 입증된 바에 따르면[J. M. Yuk et al ., Science 336, 61-64 (2012)], 상기 연구에서는 나노 규모 물질의 캡슐화를 위해 그래핀 액상 세포를 사용한 나노 결정 성장의 in-situ 및 고해상도 전자현미경 이미징을 달성했다. 이와 관련하여, 생물학적 시료들상의 그래핀 매개 코팅은, 그래핀의 우수한 전자 및 열 전도성 및 전자 투명성 때문에 고해상도 전자현미경 이미징 및 화학적 분석을 가능하게 할 수 있다.
본원은, 전자현미경 이미지의 비파괴적 수득 방법, 시료의 비파괴적 분석 방법, 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름, 전자현미경 분석용 키트, 및 분광분석용 키트를 제공하고자 한다.
다만, 본원의 구현예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 시료에 그래핀 필름을 커버(cover)하여 전자현미경에 의하여 상기 시료의 이미지를 수득하는 것을 포함하는, 비파괴적 전자현미경 이미지의 수득 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 시료에 그래핀 필름을 커버하여 분광분석법에 의하여 상기 시료를 분석하는 것을 포함하는, 시료의 비파괴적 분석 방법을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 기재 상에 형성된 그래핀 필름, 및 상기 그래핀 필름 상에 형성된 보호막을 포함하는, 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름을 제공한다.
본원의 제 4 측면은, 상기 본원의 제 3 측면에 따른 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름을 포함하는, 전자현미경 분석용 키트를 제공한다.
본원의 제 5 측면은, 상기 본원의 제 3 측면에 따른 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름을 포함하는, 분광분석용 키트를 제공한다.
전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본원의 일 구현예에 따른 생물학적 시료들 상의 그래핀 매개 코팅을 포함하는 전자현미경의 이미징 및 분석은, 그래핀의 우수한 전자, 열전도성, 및 전자 투명성 때문에 고해상도 전자현미경 이미징 및 화학적 분석을 가능하게 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 생물학적 시료들을 커버하기 위한 막으로서 단층 또는 적층된 그래핀 필름을 이용하고, 비파괴적인 고해상도 전자현미경 이미징 및 화학적 분석에 상기 그래핀 필름을 이용함으로써 화학 시약, 임계점 건조법, 및 두꺼운 금속 코팅 필름에 의한 시료 구조의 어떠한 손상도 없어 자연친화적이고 비교적 간단한 공정이다. 또한, 대면적의 그래핀은 생물학적 시료들의 표면의 대부분을 커버할 수 있고, 그래핀 필름을 통해서 전류 통로를 제공하며, 이로 인해 저배율 및 고배율에서 양질의 전자현미경 이미지를 얻을 수 있다. 그래핀의 뛰어난 전자 투과도 및 고전도성은, 넓은 표면적에 걸친 전자 전하의 퍼짐에 의해 비전도성 생물학적 표면 상의 전하 축적을 감소시킨다. 더불어, 노출된 또는 금속-코팅된 시료에 의해서는 거의 성취될 수 없는 고해상도의 전자현미경 이미징 및 분석 결과들을 수득할 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 있어서, 전자현미경 이미징 및 분석을 위한 다양한 크기의 생물학적 대상 및 그들의 코팅 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다: 도 1의 a 및 b는 비전도성 생물학적 시료의 종래 코팅 방법, 도 1의 c는 유동적인 그래핀 필름에 의한 그래핀 코팅 방법을 나타낸 것임.
도 2a 내지 도 2l은 본원의 일 실시예에 있어서, 그래핀 필름으로 커버된 다양한 생물학적 시료의 SEM 이미지이다: 도 2a 및 도 2b는 그래핀-코팅된 개미의 2 keV에서 저배율 및 고배율의 SEM 이미지, 도 2c는 그래핀-코팅된 벌 날개의 2 keV에서의 SEM 이미지, 도 2d 내지 도 2f는 각각 그래핀-코팅된 물벼룩의 2 keV에서 저배율 및 고배율(도 2e 및 2f)의 SEM 이미지, 도 2g 내지 도 2i는 각각 노출된, 그래핀-코팅된, 및 백금-코팅된 생물학적 시료들의 대비를 나타낸 SEM 이미지, 도 2j 내지 도 2l은 각각 그래핀-코팅된 대장균의 광학 현미경을 이용한 이미지, 및 상기 그래핀-코팅된 대장균의 2 keV에서의 저배율 및 고배율의 SEM 이미지.
도 3a 내지 도 3e는 본원의 일 실시예에 있어서, 생물학적 시료의 EDS 스펙트럼 및 맵핑 이미지이다: 도 3a 내지 도 3c는 각각 그래핀-코팅된 개미, 그래핀-코팅된 잎사귀, 및 백금-코팅된 개미의 EDS 스펙트럼이며, 도 3d 및 도 3e는 그래핀-코팅된 물벼룩 및 백금-코팅된 물벼룩의 20 keV에서의 SEM 이미지 및 이에 해당하는 EDS 맵핑 이미지.
도 4a 내지 도 4c는 본원의 일 실시예에 있어서, 몬테 카를로 계산에 의해 각각 2 keV, 5 keV, 및 10 keV의 증가하는 전압의 Pt/Chitin 및 Gr/Chitin의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다: 도 4a는 Pt/Chitin 및 Gr/Chitin의 전자궤적을 나타낸 그래프, 도 4b는 Pt/Chitin 및 Gr/Chitin의 에너지 분배 윤곽 맵핑 이미지, 도 4c는 탄소(Rhi=X-선 생성 함수, Rho-Z=다양한 깊이에 의한 단위 밀도당 그래프 생성 방식)의 Rhi Rho-Z X-선 흡수 강도를 나타낸 그래프.
도 5는 본원의 일 구현예에 있어서, 단층 그래핀 제조 및 삼중층 그래핀으로 고정시키는 과정의 모식도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 있어서, 개미 상에 rGO(reduced GO), GO(graphene oxide), 및 그래핀 코팅의 대비를 나타낸 FE-SEM 이미지이다: 도 6의 a 내지 c는 각각 rGO, GO, 및 삼중층 그래핀이 코팅된 털이 많은 몸체 표면의 2 kV에서의 FE-SEM 이미지, 도 6의 d 내지 f는 각각 rGO, GO, 및 삼중층 그래핀이 코팅된 눈 표면의 2 kV에서의 FE-SEM 이미지.
도 7은 본원의 일 실시예에 있어서, 2 kV에서 20 kV까지의 증가하는 가속 전압에서 그래핀-코팅된 개미의 팽복부 부분의 FE-SEM 이미지이다.
도 8a 및 도 8b는 본원의 일 실시예에 있어서, 그래핀-코팅된(도 8a) 및 백금-코팅된(도 8b) 산화세륨 나노입자를 가진 물벼룩의 2 kV에서의 EDS 스펙트럼이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 있어서, 질소 및 산소의 X-선 강도가 증가하는 전압에서 몬테 카를로 시뮬레이션에 의해 측정된 것을 나타내는 그래프이다.
도 10a 내지 도 10b는 본원의 일 실시예에 있어서, 3 keV에서 20 keV까지의 증가하는 가속 전압에서의 EDS를 통해 측정된 그래핀-코팅 및 백금-코팅된 시료들의 신호 강도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본원의 일 구현예에 있어서, 그래핀 패치를 이용하여 시료에 그래핀을 코팅시키는 과정의 모식도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 시료에 그래핀 필름을 커버(cover)하여 전자현미경에 의하여 상기 시료의 이미지를 수득하는 것을 포함하는, 비파괴적 전자현미경 이미지의 수득 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 시료에 상기 그래핀 필름을 커버하는 것은, 상기 그래핀 필름을 상기 시료에 커버링(covering), 코팅(coating), 또는 랩핑(wrapping)하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이제 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필름을 형성하는 방법은 당업계에서 그래핀 성장을 위해 통상적으로 사용하는 방법을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 화학기상증착(Chemical Vapour Deposition; CVD) 방법을 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 화학기상증착 방법은 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 금속 유기 화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 또는 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 방법을 포함할 수 있으나, 이제 제한되지 않을 수 있다.
상기 그래핀 필름은, 금속 촉매 박막이 형성된 기재에 기상 탄소 공급원을 투입하고 열처리함으로써 상기 기재에 그래핀을 성장시킬 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 금속 촉매 박막을 형성한 후 이를 챔버에 넣고 일산화탄소, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 또는 톨루엔 등과 같은 탄소 공급원을 기상으로 투입하면서, 예를 들어, 약 300℃ 내지 약 2,000℃의 온도로 열처리하면 상기 탄소 공급원에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 6 각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀이 생성된다. 이를 냉각하면 균일한 배열 상태를 가지는 그래핀 필름을 수득할 수 있다. 그러나, 금속 촉매 박막 상에서 그래핀을 형성시키는 방법이 화학기상증착 방법에 국한되지 않으며, 본원의 일 구현예에 있어서는 금속 촉매 박막 상에 그래핀을 형성하는 모든 방법을 이용할 수 있으며, 본원은 금속 촉매 박막 상에 그래핀을 형성하는 특정 방법에 제한되지 않을 수 있다.
상기 그래핀 금속 촉매는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 그래핀 금속 촉매 박막은 약 10 nm 이상의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 ㎛, 약 10 nm 내지 약 10 ㎛, 약 10 nm 내지 약 1 ㎛, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 100 ㎛, 약 100 nm 내지 약 10 ㎛, 약 100 nm 내지 약 1 ㎛, 약 100 nm 내지 약 500 nm, 또는 약 100 nm 내지 약 300 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필름의 두께는 상기 그래핀 금속 촉매 박막의 두께, 상기 반응 시간, 또는 상기 냉각 속도에 의하여 조절될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 있어서, 전자현미경 이미징 및 분석을 위한 다양한 크기의 생물학적 대상 및 그들의 코팅 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 대규모에서의 연속 그래핀 필름 특유의 실행 가능성 및 가용성은, 잎사귀류, 개미류, 거미류, 뉴런 세포들, 및 대장균을 포함하는 다양한 크기의 생물학적 대상들을 커버하는 것을 가능케 하고, 상기 크기는 수 센티미터 내지 수 마이크로미터까지의 범위일 수 있다. 원자적으로-얇고 전기적으로-전도성을 가지는 그래핀 막은, 구리(Cu)와 같은 금속 호일로부터의 그래핀 필름의 분리 및 생물학적 시료 상의 그들의 컨포멀(conformal, 등각) 코팅에 의해, 비전도성 생물학적 표면상에 제조될 수 있다(도 1의 c). 고정 및 금속 스퍼터(sputter) 코팅과 같은 비전도성 생물학적 시료들의 전자현미경 분석을 위한 종래의 다른 코팅 방법(도 1의 a 및 b)과 비교하여, 본원의 그래핀 코팅 방법은 화학 시약, 임계점 건조법, 및 두꺼운 금속 코팅 필름에 의한 시료 구조의 어떠한 손상도 없는 자연친화적이고 비교적 간단한 방법이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 금속 촉매 박막 상에 그래핀을 증착하고; 상기 그래핀 상에 보호 고분자 층을 형성하고; 불필요한 그래핀을 제거한 후, 상기 그래핀 필름 상의 보호 고분자 층을 제거함으로써 상기 금속 촉매 박막으로부터 분리하고; 상기 금속 촉매 박막을 제거함으로써 단층 그래핀 필름을 형성하는 것을 포함하는, 그래핀 필름 제조 방법을 제공할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 5는 본원의 일 구현예에 있어서, 단층 그래핀 제조 및 삼중층 그래핀 제조 과정의 모식도를 나타낸 것이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 단층 그래핀 필름은 CVD 방법을 사용하여 고순도 Cu 호일과 같은 금속 호일 상에 제조되고(도 5의 a), 보호 고분자 층[즉, 비제한적 예로서, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethacrylate, PMMA)],폴리에스터류 (예: PET, PEN, PES), 폴리아마이드류 (예: Nylon6, Nylon66, Aramide), 폴리 비닐 알코올류, 고분자 단백질 (예: 실크, 젤라틴, 콜라겐) 등으로 코팅된 연속 그래핀 필름은 습식화학적 에칭을 이용하여 금속 호일로부터 분리된다(도 5의 b).
이상적으로는, 단층 또는 이중층 그래핀 필름이 최고의 전자-투명성을 가지지만, 그들은 코팅 공정 동안의 장력을 견딜 수 있을 만큼 기계적으로 충분히 강하지 못하기 때문에, 본원의 일 구현예에 있어서, 전자 투명성 및 기계적 안정성을 모두 충족하기 위하여 삼중층 그래핀 필름을 제조하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 보호 고분자 층의 제거 후에도, 고정된 그래핀 필름은 전사, 에칭, 및 세척 공정 동안 우수한 기계적 안정성을 나타낸다. 이는, 상기 보호 고분자 층이 생물학적 시료들 상의 그래핀 필름의 전사 이전에 제거되어야만 한다는 것을 의미할 수 있고, 이는, 제거 공정에서 사용되는 용매가 생물학적 시료의 유기체를 손상시킴으로써, 결과적으로 생물학적 시료의 표면 형태 또는 화학적 구성에의 의도치 않은 분해를 야기할 수 있기 때문이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 보호 고분자 층은 스핀-코팅법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 보호 고분자 층은, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 불필요한 그래핀의 제거는 산소 플라즈마를 사용하여 에칭하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 보호 고분자 층의 제거는 고온의 아세톤에 의해 습식화학적 에칭되고, 탈이온수에 의해 세척되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 호일의 제거는 에칭 용액에 의해 에칭되고, 탈이온수에 의해 세척되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 에칭 용액은 암모늄 퍼설페이트[(NH4)2S2O8], HF, BOE, Fe(NO3)3, 염화 철[Iron(III) Chloride, FeCl3], 또는 CuCl2 등을 포함하는 용액일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 제조 방법에 따른 과정을 3 회 반복하여 삼중층 그래핀 필름을 형성하고; 제조된 상기 삼중층 그래핀 필름을 상기 생물학적 대상들 상에 전사하여 형성하는 것을 포함하는, 전자현미경 이미징 및 분석을 위한 그래핀-코팅된 생물학적 시료의 제조 방법을 제공할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 제조된 그래핀-코팅된 생물학적 시료는, SEM 또는 TEM과 같은 전자현미경 이미지 수득을 위해 1 차적으로 버퍼 용액 또는 증류수로 수세될 수 있으며, 현미경 관찰 중 축적되는 전자를 잘 흘려주기 위해 금속성 시료기판에 전사될 수 있다. 그 후, 상기 삼중층 그래핀 시트는 상기 생물학적 시료의 상부에 전사되고, 이어서 데시케이터(desiccator)에서 건조될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 시료는 생물학적 시료를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 생물학적 시료는 잎사귀류, 개미류, 거미류, 뉴런 세포들, 및 대장균을 포함하는 다양한 크기를 가지는 것인, 전자현미경 이미징 및 분석을 위한 그래핀-코팅된 생물학적 시료일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필름을 통해서 전자현미경 작동 시 전류 통로를 제공하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 전류 통로는, 생물학적 시료들의 표면을 커버할 수 있는 거대 크기의 그래핀 필름을 통해서 제공될 수 있으며, 이로 인해 저배율에서 양질의 전자현미경 이미지를 수득할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전자현미경은 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 또는 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 시료에 그래핀 필름을 커버하여 분광분석법(spectroscopy)에 의하여 상기 시료를 분석하는 것을 포함하는, 시료의 비파괴적 분석 방법을 제공한다. 상기 제 1 측면의 비파괴적 전자현미경 이미지의 수득 방법에 대하여 기술된 내용은 상기 비파괴적 시료 분석 방법에 대하여도 모두 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 시료에 상기 그래핀 필름을 커버하는 것은, 상기 그래핀 필름을 상기 시료에 커버링(covering), 코팅(coating), 또는 랩핑(wrapping) 하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 시료는 생물학적 시료를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필름을 통해서 분광분석기 작동 시 전자의 이동 통로의 제공 및 열적 손상을 방지하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 분광분석기는 에너지 분산형 X-선 분석기(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX), 오제이 전자분광기(Auger electron spectroscopy), 또는 광전자분광기(X-ray photoelectron spectroscopy)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 기재 상에 형성된 그래핀 필름, 및 상기 그래핀 필름 상에 형성된 보호막을 포함하는, 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름을 제공한다. 그래핀 필름 이외의 그래핀 필름 상에 형성된 고분자 보호막은 관찰 전에 제거될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필름은 필름 타입 또는 홀(hole) 타입의 그래핀 패치(patch)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 그래핀 패치는 형태에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 패치는 기재 필름에 적층된 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 패치에 사용되는 상기 기재 필름은 열전사 테잎 또는 핸드폰 보호필름으로 사용되는 자가점착필름을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 기재 필름은 폴리에스터류(예: PET, PEN, PES), 폴리아마이드류(예: Nylon6, Nylon66, Aramide), 폴리올레핀류(예: PE, PP), 폴리이미드류, 폴리 비닐 알코올류, 셀룰로오스류, 고분자 단백질, PMMA, PVC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 11은 본원의 일 구현예에 있어서, 그래핀 패치를 이용하여 실에 그래핀을 코팅시키는 과정을 나타낸 모식도이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 시료에 상기 그래핀 필름으로서 상기 그래핀 패치를 이용하여 코팅할 경우, 상기 시료에 상기 그래핀 패치를 코팅하고 상기 기재 필름만 제거하여 시료 상에 그래핀만 코팅되도록 할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 보호막은 전도성 고분자 또는 비전도성 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 고분자는 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate, PMMA), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리에틸렌디옥시티오펜(polyethylenedioxythiopene; PEDOT), 폴리이미드(polyimide), 폴리스티렌설포네이트(polystyrenesulfonate; PSS), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리(p-페닐렌)[poly(p-phenylene)], 폴리(p-페닐렌 설파이드)[poly(p-phenylene sulfide)], 폴리(p-페닐렌 비닐렌)[poly(p-phenylene vinylene)], 폴리티오펜 폴리(티에닐렌 비닐렌)[(polythiophene poly(thienylene vinylene)), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 보호막은, 바-코팅, 와이어 바-코팅, 스핀 코팅, 딥코팅, 캐스팅, 마이크로 그라비아 코팅, 그라비아 코팅, 롤 코팅, 침지 코팅, 분무 코팅, 스크린 인쇄법, 플렉소 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 또는 잉크젯 인쇄법을 포함하는 공정에 의해 상기 그래핀 필름에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 4 측면은, 상기 본원의 제 3 측면에 따른 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름을 포함하는, 전자현미경 분석용 키트를 제공한다. 본원의 제 1 측면 내지 제 3 측면에 관한 상기 기술 내용은 모두 본원의 제 4 측면에 적용된다.
본원의 제 5 측면은, 상기 본원의 제 3 측면에 따른 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름을 포함하는, 분광분석용 키트를 제공한다. 본원의 제 1 측면 내지 제 3 측면에 관한 상기 기술 내용은 모두 본원의 제 5 측면에 적용된다.
이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
[ 실시예 ]
<단층 그래핀 제조>
단층 그래핀은 고순도 구리 호일(Alfa Aesar, 99.999%)상에 화학 기상 증착법에 의해 합성되었다. 수소(H2) 및 메탄(CH4)의 흐름은 각각 70 mTorr 및 650 mTorr였다. 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)는 보호층으로서 합성된 그래핀 필름상에 스핀-코팅되었다. 불필요한 후면의 그래핀은 산소(O2) 플라즈마를 사용하여 에칭되었다. 마지막으로, PMMA 필름은 미온의 아세톤에 의해 제거되었고, 남아 있는 구리 호일은 1.8 wt% APS(ammnoniumpersulfate) 수용액에서 에칭되었으며, 탈이온수로 여러 번 세척하여 수득된 단층 그래핀을 기재상에 전사하였다.
<생물학적 시료들의 전자현미경 분석>
전자현미경 이미징 및 화학적 분석은 2 keV에서 20 keV까지 작동되는 EDS 시스템이 장착된 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM, Carl Zeiss, SUPRA 55VP)을 사용하여 수행되었다. 상기 FE-SEM은 해상도가 각각 15 keV에서 1.0 nm 및 1 keV에서 1.7 nm이다. 관찰하는 동안 챔버의 압력은 10-5 mbar 이하였다. 여기서 나타낸 모든 실험은 상온에서 수행되었다. 스퍼터 코터(sputter coater)(BAL-TEC, SCD 005)는 아르곤 분위기하에서 백금-코팅된 시료들의 제조를 위해 사용되었다. 챔버에 적용된 전류 및 작동 압력은 각각 약 20 mA 및 5 × 10-2 mbar이다. 스퍼터 시간은 150 초였고, 작동 거리는 시료 상에 10 nm 두께로 코팅된 백금에서 50 mm였다.
<산화세륨 나노입자를 가지는 물벼룩의 제조>
산화세륨 나노입자를 가진 물벼룩(Daphnia pulex)을 제조하기 위해서, 25 nm 크기 이하의 산화세륨 나노입자는 Sigma-aldrich로부터 구입되었고, 1 시간 동안 얼음 수조에서 팁 타입 초음파분산기(tip-sonicator)에 의해 5 mg/100 mL의 농도로 물에 분산하여 사용하였다. 50 mL 산화세륨 수용액 기준, 5 마리의 물벼룩을 넣어 상온에서 보관하였다. 1 일 후, 상기 물벼룩은 잔여 염분 및 물벼룩 표면에 붙은 산화세륨 입자들을 제거하기 위해 몇 분 동안 세척되었고, 자연건조하였다.
< CASINO 소프트웨어에 의한 몬테 카를로 시뮬레이션( Monte Carlo simulation )>
비전도성 생물학적 대상들의 전자현미경을 위한 막으로서 그래핀 시트의 가능성을 증명하기 위하여, 몬테 카를로 시뮬레이션을 기초로한 모델링 소프트웨어인 CASINO v.2.48은 웹사이트 (http://www.gel.usherbrooke.ca/casino/)에서 다운로드 되었고, 본 실시예에 이용되었다. 두 개의 다른 층이 서로 병합된 6 각형 구조는 그래핀 코팅된 및 10 nm 백금-코팅된 개미류의 서술을 위해 제조되었다. 상기 시뮬레이션 프로그램은 시료들의 화학적 결합을 알 수 없기 때문에 그래핀 필름은 0.5 nm 두께를 가진 탄소 층으로만 구성되었고, 스핀 코터(spin coater)에 의한 백금 필름은 10 nm 두께를 가진 백금 층으로만 구성되었다. 개미의 외부 껍질의 주요한 구성요소인 키틴(Chitin)은, 0.25, 0.05, 및 0.3의 비율에서 C, O, N, 및 H로서 구성된 10,000 nm 층으로 구성되었다. 시뮬레이션 및 나타내어진 궤적에서 전자의 수는 각각 100,000 및 2,000이었다. 물리적 모델로서, 보간법(interpolation)에 의한 Mott는 전체 단면 및 부분적 단면에서 선택되었다. Casnati 모델은 효과적인 부분 이온화에서 선택되었고, Joy and Luo(1989)에 의한 모델은 이온화 포텐셜에서 선택되었다. Press 모델은 난수 발생기로서 선택되었고, Drouin's 모델(1996)은 방향 코사인에서 선택되었다.
실시예 1: 그래핀 -코팅된 생물학적 시료의 비파괴적 전자현미경 이미징 및 분석
SEM 이미징에서 그래핀 막의 가용성을 입증하기 위해서, 본 실시예에서는 몇가지 대표적인 생물학적 시료들(개미류, 벌의 날개, 물벼룩, 및 대장균)을 선택했고, 상기 시료들은 크기, 표면 경도, 및 형태학적 구조의 측면에서 상이한 것이다. 이와 관련하여, 도 2a 내지 도 2l은 본원의 일 실시예에 있어서, 그래핀 필름으로 커버된 다양한 생물학적 시료의 SEM 이미지를 나타내었고, 도 6은 본원의 일 실시예에 있어서, 개미 상에 rGO(reduced graphene oxide), GO(graphene oxide), 및 그래핀 코팅의 대비를 나타낸 FE-SEM 이미지이다: 도 6의 a 내지 c는 각각 rGO, GO, 및 삼중층 그래핀이 코팅된 털이 많은 몸체 표면의 2 kV에서의 FE-SEM 이미지, 도 6의 d 내지 f는 각각 rGO, GO, 및 삼중층 그래핀이 코팅된 눈 표면의 2 kV에서의 FE-SEM 이미지를 나타내었다. 저배율의 SEM 이미지들에서 수 센티미터 내지 마이크로미터 범위의 다양한 크기를 가진 그래핀-코팅된 시료들의 전형적인 형태가 명확하게 관찰 및 구별되었다. 특히 벌의 날개 표면상의 유극세포 등에서(도 2c) 표면 거칠기가 급변함에 따라 발생되는 높은 기계적 변형률 또는 응력에 기인하여 그래핀 막이 국부적으로 손상될 수 있음에도 불구하고, 거대 크기의 그래핀은 생물학적 시료들의 표면의 대부분을 커버할 수 있었고, 그래핀 필름을 통해서 전류 통로를 제공하였으며, 이로 인해 저배율에서 양질의 SEM 이미지를 수득하였다.
rGO(reduced graphene oxide) 및 GO(graphene oxide) 코팅과 대비할 때, CVD 그래핀을 사용하는 본원의 방법은 수 밀리미터-크기의 생물학적 대상들을 커버하는데 한층 더 적합한 것을 알 수 있었다(도 6).
그래핀-코팅된 개미류의 고배율의 FE-SEM 이미지들은 5 각형, 6 각형, 및 7 각형을 포함하는 다양한 다각형들의 조합으로 구성된 준-6 각형 네트워크(quasi-hexagon network)의 특유의 표면 특성을 명확히 나타내었다(도 2b의 삽도). 10 ㎛의 평균 직경을 가진 이러한 6 각형의 패턴들은, 일반적으로 수백 마이크로미터의 범위인, 그래핀 필름상에 형성된 Cu 입자들의 레플리카(replica)로부터 비롯된 것이 아니었다. 따라서, 이러한 패턴들은 개미류 자체의 특유의 표면 특성에 따른 결과로서 여겨졌다. 표면 구조들에 대한 미세하고 명확한 관찰은, 컨포멀 코팅과 개미 외부 껍질의 표면상의 그래핀 막의 완벽한 접착을 보여주었다. 상기 외부 껍질의 주된 화학적 구성요소이자 6 각형 구조와 같은 벤젠 고리를 가진 키틴(chitin)과 그래핀 사이의 강한 접착력은, 그들 사이에서의 반데르발스(van der Waals)힘과 적층력(stacking force) 때문인 것으로 보였다.
도 7은 본원의 일 실시예에 있어서, 2 kV에서 20 kV까지의 증가하는 가속 전압에서 그래핀-코팅된 개미의 팽복부 부분의 FE-SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 그래핀-코팅된 개미의 고-해상도 SEM 이미징은, 2 kV에서부터 20 kV까지 증가하는 전압의 넓은 범위에서 전하 효과(charging effect)없이 달성되었다.
또 다른 생물학적 SEM 이미징 분석은, 앞서 설명한 것과 동일한 방법을 통해서 그래핀 막으로 커버된 물벼룩(Daphnia pulex)을 이용하여 수행되었다. 그래핀-코팅된 개미류와 대비하여, 물벼룩의 더 넓은 표면이 그래핀 막에 의해 안정적으로 코팅되었고, 이는 그래핀의 파손 또는 찢김을 포함하는 결합들이 무시해도 될 정도인 물벼룩의 외부 껍질의 유연성 및 두께의 적은 변화에서 기인한 것으로 사료되었다.
도 2d의 P1으로 표시된 부분인 물벼룩의 고배율 SEM 이미지는, 도 2e에 나타낸 바와 같이, 낚시 그물의 전형적인 직사각형의 패턴들과 유사한 물벼룩의 등 껍질에서의 부서지기 쉽고 세밀한 표면 특성을 분명히 보여주었다. 도 2d의 P2로 표시된 부분인 물벼룩의 두 번째 더듬이의 고배율 SEM 이미지는, 도 2f에 나타낸 바와 같이, 두 번째 더듬이의 가시가 있는 표면에도 불구하고 연속 그래핀 필름이 어떠한 찢김도 없이 거친 구조 상에 커버된 것을 확인할 수 있었다.
생물학적 시료의 고해상도 SEM 이미징에서 그래핀 코팅의 효과가 조사되었고, 이는 가속 전압, 작동 거리, 및 챔버 압력을 포함하는 동일한 검사 조건 하에서 수행된 노출된-생물학적 시료 및 금속 코팅된-생물학적 시료의 SEM 이미지와 대비 되었다(도 2g 및 도 2h). 도 2g에서 관찰된 바와 같이, 개미 표면의 미세하고 부서지기 쉬운 특성은 표면이 그래핀 막으로 커버되어 있을 때에만 명확하게 관찰되었다. 반면, 생물학적 시료의 노출된 표면은 비전도성 표면상에서의 전하 축적 때문에 상당히 흐릿하고 불안정하였다. 또한, 침투 깊이 및 체적 상호작용의 증가를 위해 5 keV까지 증가된 전압을 가속함에 따라, 그래핀 막 없는 개미의 눈 표면은 전자 빔에 의해 심각하게 열-손상되었고, 왜곡된 이미지들은 한층 더 악화되었으며, 화학적 구조 또한 심하게 변형된 것으로 확인되었다(도 2h).
SEM 이미징을 위한 생물학적 시료을 제조하기 위한 종래의 방법처럼 10 nm 두께의 백금(Pt)층이 스퍼터링(sputtering) 시스템을 이용하여 개미류 상에 커버되었다. 저배율에서 수득된 SEM 이미지로부터, 백금이 코팅된 생물학적 시료들의 경우 노출된 개미에 비해 비교적 명확하고 고품질의 SEM 이미지들을 수득할 수 있었다. 그러나, 고배율(×100 K)에서 백금 필름의 큰 거칠기 및 표면상의 백금 나노입자들의 형성은 시료의 부서지기 쉽고 미세한 표면 특성들의 관찰을 저해하였다. 여기에서, 상기 시료는 도 2i에 나타낸 것처럼 수 나노미터에서 수백 나노미터까지의 범위를 가지는 것이었다.
반면, 도 2b에서 확인되는 바와 같이, 작은 구멍들 및 평행선 배열들을 포함하는 개미 표면상의 부서지기 쉽고 미세한 특성은, 고배율에서 성공적으로 관찰되었다. 따라서, 이는 그래핀 코팅이, 표면들 상에 금속 층을 커버하기 위한 종래 방법과 비교하여, 비전도성 생물학적 시료 상의 마이크로미터 이하의 표면 특성들을 관찰하기 위해 매우 유용함을 보여주었다.
상기 언급한 개미류, 벌의 날개, 및 물벼룩과 달리, 박테리아 및 동물 세포들은 환경적 조건-습도, 온도, 용매, 및 염 농도-변화에 대응하여 형태학적 구조를 유지할 수 있는 단단한 껍질을 가지지 않는다. 종래에는 전자현미경으로 이와 같은 생물학적 시료들을 분석하기 위해서, 복잡한 고정 공정들이 알데하이드(aldehyde) 및 오스뮴 테트록사이드(osmium tetroxide) 등을 이용하여 수행되었고, 상기 알데하이드 및 오스뮴테트록사이드는 다른 용매내에서 그들의 매끄러운 막을 안정시키고, 고진공 챔버내에서 수분 증발에 의한 형태학적 구조의 변형을 방지하는 역할을 하였다. 그러나, 상기 고정 공정은 노동 집약적 및 시간 소모적일 뿐만 아니라, 시료의 본래의 구조를 변형시킬 수 있다. 24 시간 동안 액체 배지에서 배양된 대장균은, 배지상에 띄워진 단층 그래핀 시트와 Cu 호일상에서 합성된 또 다른 단층 그래핀 사이에 밀봉되었다. 놀랍게도, 상기 두 개의 그래핀 시트는 어떠한 찢김 및 결함 없이 대장균의 표면을 효과적으로 감쌌다.
결과적으로 도 2k 및 도 2l에 나타낸 바와 같이, 그래핀-코팅된 대장균은 증발에 의한 어떠한 수축도 없는 것으로 관찰되었고, 이는 대장균 내의 체액이 고-진공 조건하에서의 SEM 이미징 동안 다른 어떤 종래의 고정 공정들 없이도 보존될 수 있었음을 나타내는 것이었다. SEM 이미징 동안 그래핀-코팅된 대장균의 증식이 관찰될 수 있었음에도 불구하고, 본원에서는 전자현미경에 의해 박테리아 및 세포들의 실시간 라이브 이미징을 위한 막으로서의 그래핀의 가능성을 확인했다.
그래핀-커버된 생물학적 시료의 고해상도 SEM 이미징에서의 이와 같은 놀라운 향상은, 비전도성 표면상에서 전하 축적을 고려하는 것, 및 그래핀 막을 통해서 상승된 전하를 감소하는 것에 의해 설명될 수 있다. 생물학적 시료들에 주입된 입사 전자(I0)는, 그들의 물질과의 상호작용에 따라 서로 다른 3 종류의 전자로 전환될 수 있다: 후방 산란된 전자 전류(Ib), 2차 전자 전류(Is), 및 흡수 전자 전류(Ia). 여기에서, I0=Ib +Is+Ia.
실시예 2: 그래핀 -코팅된 생물학적 시료의 EDS( energy dispersive X- ray spectroscopy) 분석
그래핀-코팅된 생물학적 시료들의 화학적 구성들은 EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy) 측정에 의해 분석되고, 화학적 원소들의 공간적 분배가 EDS 맵핑(mapping) 기술에 의해 동시에 분석되었다. 이와 관련하여, 도 3a 내지 도 3e은 본원의 일 실시예에 있어서, 생물학적 시료의 전형적인 EDS 분석 그래프 및 맵핑 이미지를 나타내었고, 도 8a 및 도 8b에서는, 본원의 일 실시예에 있어서, 그래핀-코팅 및 백금-코팅된 산화세륨 나노입자를 가진 물벼룩의 2 kV에서의 EDS 스펙트럼을 나타내었다.
도 3a에 묘사된 바와 같이, 비전도성 표면상에서, 흡수된 전자는 흐르는 것이 아니라 스캔된 위치에서 고정 및 축적되며, 이는 원래 이미지들의 왜곡을 야기하였다. 반면, 그래핀 막을 사용하면, 비전도성 표면상에 축적된 전자들은 전자들에게 전도성 채널을 제공할 수 있는 그래핀 표면상에 퍼질 수 있고, 궁극적으로 비전도성 표면에 축적된 전하 밀도는 감소되었다.
도 3a에서 확인되는 바와 같이, 대표적인 EDS 스펙트럼은 탄소, 질소, 및 산소로부터 비롯된 3 개의 가파른 피크가 도시된 그래핀-코팅된 개미로부터 수득되었다. 이러한 화학적 원소들은 개미류의 외부 껍질을 구성하고 그들의 표면에 풍부한 기초 분자 단위인 키틴의 3 가지 주된 구성요소이다.
키틴과 대비하여, 또 다른 EDS 분석은 주된 구성요소가 셀룰로오스인 그래핀-코팅된 꽃(Indigoferakirilowii)을 사용하여 수행되었다. 꽃 시료로부터 수득된 EDS 스펙트럼으로부터, 오직 탄소 및 산소 신호만이 감지되었다(도 3b). 따라서, 이와 같은 결과는 그래핀-코팅된 생물학적 시료들의 다양한 화학적 구성요소들이, 어떠한 추가적인 표면 처리 없이 EDS 분석을 위해 사용한 것과 동일한 절차에 따라 검출되고 구별될 수 있다는 것을 보여주는 것이었다.
추가적으로, 백금-코팅된 개미 시료에 대해서도 그래핀-코팅된 시료와 동일한 조건 하에서 화학적 분석 실험을 수행하였다. 도 3c에서 확인되는 바와 같이, 백금-코팅된 개미 시료들로부터 수득된 EDS 스펙트럼은 형태 및 피크 위치의 측면에서 거의 동일했다: 3 개의 가파른 피크가 명확하게 관찰되었고, 각각은 탄소, 산소, 및 질소로부터 비롯된 것이었다. 그러나, 상기 피크들의 신호 강도는 그래핀-코팅된 개미에 비해 상대적으로 낮았다. 이와 같은 신호 강도의 감소는, 백금의 두꺼운 층에 의해 생물학적 시료로부터 발생된 X-선 신호가 스크리닝 되었기 때문일 수 있다.
그래핀-코팅된 생물학적 시료들의 비파괴적인 화학적 분석은, 생물학적 시료들 내의 특정한 화학적 원소들을 EDS 맵핑하는 것에 의해 입증되었다. EDS 맵핑을 위하여, 25 nm 이하의 산화세륨(cerium oxide) 나노입자(CeO2 NPs)를 함유하는 물벼룩을 제조하였다. 도 3d에서 확인되는 바와 같이, 그래핀-코팅된 산화세륨 나노입자를 함유하는 물벼룩의 EDS 맵핑 이미지들은 칼슘, 칼륨, 및 질소의 기초 화학적 원소들의 존재를 나타내었고, 이들은 오직 물벼룩 시료의 위치에서만 검출되었다. 이와 같은 신호들의 공간적 분배는 물벼룩의 SEM 이미지 본래의 지형적 경계와 잘 부합되며, 이로부터 상기 신호들은 외부로부터가 아닌 시료들로부터 비롯된 것임을 확인할 수 있었다.
흥미롭게도, 그래핀-코팅된 물벼룩의 세륨 신호는 상기 물벼룩의 창자의 형태에서 강하게 검출되었다. 반면, 칼륨 및 질소에 대한 백금-코팅된 물벼룩 시료의 EDS 맵핑 이미지들은, 두꺼운 백금 층에 의한 X-선 신호의 차단 때문에 물벼룩 시료의 지형적 경계를 구별할 수 있을 만큼 충분히 명확하지 않았다. 또한, 세륨의 매우 약한 신호는 EDS 맵핑 및 스펙트럼들을 통해서 백금-코팅된 물벼룩에서만 검출되었고(도 8b), 이에 대해서는 명확하게 이해하기 어려웠다. 따라서, 생물학적 시료들의 화학적 원소들의 공간적 맵핑은 그래핀 막 코팅에 의해서 달성될 수 있는 것으로 사료된다.
실시예 3: 몬테 카를로 시뮬레이션( Monte Carlo simulation ) 분석
도 4a 내지 도 4c는 본원의 일 실시예에 있어서, 몬테 카를로 계산에 의해 2 keV, 5 keV, 및 10 keV의 증가하는 전압의 Pt/Chitin 및 Gr/Chitin의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4a 내지 도 4c에 나타낸 바와 같이, 전자현미경 분석을 위한 막으로서 그래핀 시트의 눈에 띄는 물성 및 가능성은 몬테 카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)에 의해 증명되었다.
우선, 전자궤적 이미지들(도 4a)에서, 그래핀-코팅된 키틴(Gr/Chitin)으로 주사된 전자들은 오직 탄소 원자만으로 이루어진 얇은 그래핀 층을 용이하게 통과했고, 키틴 층에 깊숙히 침투했다. 또한, 2 keV부터 10 keV까지 가속 전압이 증가함에 따라, 전자들의 최대 침투 깊이는 140 nm부터 2,250 nm까지로 증가되었고, 심지어 낮은 가속 전압에서도 나타났다. 즉, 시료 표면의 전자현미경 분석은 그래핀 막에 의해 확실하게 실행될 수 있었다. 반면, 백금-코팅된 키틴(Pt/Chitin)으로 주사된 전자들은 백금 층 내부의 큰 금속 원자들과 충돌했고, 이는 약간의 변형된 각도와 함께 가증된 전자들의 한층 더 빈번한 방향 변화를 야기하였다. 결과적으로, 전자들의 침투 깊이와 Pt/Chitin내에서의 체적 상호작용은 동일한 가속 전압-전자들의 동일한 운동 에너지-에서 두꺼운 백금 층의 방해에 의해 Gr/Chtin에 비해 상대적으로 감소되었다.
두 번째로, 도 4b는 Y ≒ 0에서 XZ 평면 내에서의 위치 분배 윤곽 맵핑 이미지들에 의해 에너지를 나타내고 있고, 이는 시료들에서 모든 모의 전자 궤적들에 의한 에너지 손실의 양을 나타내는 것이다. 2 keV와 5 keV 각각에서, Pt/Chitin의 가장 많은 에너지는 10 nm 백금 층 내부에서 발생되었고, 약간 내부의 키틴 층은 EDS 분석 과정에서 배경 잡음으로서 작용하는 백금의 X-선이 유도될 수 있다. Pt/Chitin의 에너지 분배가 10 keV까지 확장되었음에도 불구하고 가장 많은 에너지는 여전히 백금 층 근처에 분배되었다. 반면, Gr/Chitin의 에너지는 심지어 2 keV에서도 키틴층 내부에 대체로 분배되었고, 키틴으로부터 비롯된 X-선이 지배적으로 발생될 수 있는 5 keV 및 10 keV에서는 당연히 그러했다. 이와 같은 결과들은, 결국, 시료들 사이에서 X-선 강도의 차이에 영향을 끼친다. 도 4c는 깊이에 의한 탄소의 Phi Rho-Z X-선 강도의 그래프이고, Gr/Chitin의 흡수 강도는 적색으로 도시되었고, Pt/Chitin의 흡수 강도는 어두운 회색으로 도시되었다. 가속 전압이 2 keV로부터 10 keV까지 증가됨에 따라, 그래프의 면적에 해당되는 Pt/Chitin의 전체 X-선 강도는 6으로부터 259까지 증가되었고, Gr/Chitin의 전체 강도는 87로부터 470까지 증가되었다.
도 9는 본원의 일 실시예에 있어서, 질소 및 산소의 X-선 강도가 증가하는 전압에서 몬테 카를로 시뮬레이션에 의해 측정된 것을 나타내는 그래프이고, 도 10a 및 도 10b는 본원의 일 실시예에 있어서, 3 keV에서 20 keV까지의 증가하는 가속 전압에서의 EDS를 통해 측정된 그래핀-코팅 및 백금-코팅된 시료들의 신호 강도를 나타내는 그래프이다. 도 9, 도 10a, 및 도 10b에서 나타낸 바와 같이, 흥미롭게도, 그래핀-코팅된 시료로부터 발생한 화학적 원소들의 신호 강도들은, 동일한 가속 전압에서 백금-코팅된 시료들에 비해 훨씬 컸고(도 9), 이는 생물학적 시료들로부터 발생된 X-선 신호에 대한 그래핀 막의 투영성 때문일 수 있다. 그래핀-코팅된 및 백금-코팅된 시료들의 다른 가속 전압을 가지는 EDS 스펙트럼들 역시 이와 같은 시뮬레이션 결과와 일치하였다(도 10a 및 도 10b).
결론적으로, 본원은 그래핀-코팅된 생물학적 시료들의 고-해상도 전자현미경 이미징 및 비파괴적 화학적 분석을 입증한 것이다. 그래핀의 뛰어난 전자 투명성 및 고전도성은, 넓은 표면적에 걸친 전자 전하의 퍼짐에 의해 비전도성 생물학적 표면상의 전하 축적을 감소시키고, 노출된 또는 금속-코팅된 시료에 의해서는 거의 성취될 수 없는 고해상도의 SEM 이미지들을 얻을 수 있도록 했다. 또한, 그래핀 시트의 높은 기계적 강도 및 유연성은, 다양한 생물학적 표면들 상의 우수한 접착 및 컨포멀 코팅을 가능하게 했다. 또한, 본원에서는 상기 그래핀 코팅이 X-선 신호들을 발생시키기 위해 더 높은 가속 전압을 요구하는 EDS 분석을 위해 특히 장점을 가진다는 것을 확인했고, 이에 대해 몬테카를로 시뮬레이션에 의해 이론적으로 확인하였다. 본원의 그래핀-코팅 방법은, 전자현미경에서 비파괴적 고해상도 이미지 및 생물학적 시료들의 다양한 화학적 분석을 제공할 수 있도록 함으로써, 생명 유기체에 대한 이해를 넓힐 수 있을 것이다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 시료에 그래핀 필름을 커버(cover)하여 전자현미경에 의하여 상기 시료의 이미지를 수득하는 것
    을 포함하는, 비파괴적 전자현미경 이미지의 수득 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시료는 생물학적 시료를 포함하는 것인, 비파괴적 전자현미경 이미지의 수득 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 필름을 통해서 전자현미경 작동 시 전류 통로를 제공하는 것인, 비파괴적 전자현미경 이미지의 수득 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자현미경은 주사전자현미경 또는 투과전자현미경인, 비파괴적 전자현미경 이미지의 수득 방법.
  5. 시료에 그래핀 필름을 커버하여 분광분석법에 의하여 상기 시료를 분석하는 것을 포함하는, 시료의 비파괴적 분석 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 시료는 생물학적 시료를 포함하는 것인, 시료의 비파괴적 분석 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 그래핀 필름을 통해서 분광분석기 작동 시 전자의 이동 통로의 제공 및 열적 손상을 방지하는 것인, 시료의 비파괴적 분석 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 분광분석기는 에너지 분산형 X-선 분석기, 광전자분광기, 또는 오제이 전자분광기를 포함하는 것인, 시료의 비파괴적 분석 방법.
  9. 기재 상에 형성된 그래핀 필름, 및 상기 그래핀 필름 상에 형성된 보호막을 포함하는, 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 그래핀 필름은 필름 타입 또는 홀(hole) 타입의 그래핀 패치를 포함하는 것인, 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 그래핀 패치는 기재 필름에 적층된 그래핀을 포함하는 것인, 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기재 필름은 열전사 테잎 또는 자가점착필름을 포함하는 것인, 전자현미경 분석 또는 분광분석 대상 시료의 처리용 필름.
  13. 제 9 항에 따른 전자현미경 분석 대상 시료의 처리용 필름을 포함하는, 전자현미경 분석용 키트.
  14. 제 9 항에 따른 분광분석 대상 시료의 처리용 필름을 포함하는, 분광분석용 키트.



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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020116990A1 (ko) * 2018-12-06 2020-06-11 한국화학연구원 전자 현미경 관찰용 그래핀 복합체 및 시료 기판의 제조방법
KR20220012822A (ko) 2020-07-23 2022-02-04 한국과학기술원 전자현미경용 액상칩과 이를 이용하는 전자현미경을 이용한 생체시료 관찰방법
CN115616016A (zh) * 2022-12-14 2023-01-17 矿冶科技集团有限公司 电子探针样品表面导电性处理方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090087493A1 (en) 2007-07-27 2009-04-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Supramolecular Functionalization of Graphitic Nanoparticles for Drug Delivery

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090087493A1 (en) 2007-07-27 2009-04-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Supramolecular Functionalization of Graphitic Nanoparticles for Drug Delivery

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020116990A1 (ko) * 2018-12-06 2020-06-11 한국화학연구원 전자 현미경 관찰용 그래핀 복합체 및 시료 기판의 제조방법
KR20200069414A (ko) * 2018-12-06 2020-06-17 한국화학연구원 전자 현미경 관찰용 그래핀 복합체 및 시료 기판의 제조방법
KR102601094B1 (ko) * 2018-12-06 2023-11-10 한국화학연구원 전자 현미경 관찰용 그래핀 복합체 및 시료 기판의 제조방법
KR20220012822A (ko) 2020-07-23 2022-02-04 한국과학기술원 전자현미경용 액상칩과 이를 이용하는 전자현미경을 이용한 생체시료 관찰방법
CN115616016A (zh) * 2022-12-14 2023-01-17 矿冶科技集团有限公司 电子探针样品表面导电性处理方法

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