Graphenoxid (GO) Trägerfilme

Transkript

1 Graphenoxid (GO) Trägerfilme

2 Graphenoxid (GO) Trägerfilme von EM RESOLUTIONS Graphenoxid (GO) Trägerfilme bieten gegenüber herkömmlichen Carbon/Formvar- Filmen deutliche Vorteile für die Anwendung im TEM. Im Vergleich zu amorphen Carbon-Filmen (3nm) ist das Hintergrundsignal einer GO-Monolage um mehr als die Hälfte reduziert und ermöglicht neue Anwendungsmöglichkeiten und eine verbesserte Auflösung im TEM. Graphen gilt als neues Wundermaterial und auch das Potential von Graphenoxid als dünner Trägerfilm ist seit einiger Zeit bekannt. Obwohl Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) als durchgängige Monolage hergestellt werden kann, ist die Anwendbarkeit aufgrund der technisch komplexen und teuren Herstellung als Trägerfilmmaterial für TEM-Grids eingeschränkt. GO bietet eine kostengünstige Alternative zu Graphen für routinemäßige TEM Anwendungen. Die GO-Monolage bedeckt größere Flächen, ist ultradünn (<1nm) und dadurch ideal für Anwendungen im TEM geeignet, bei denen durchgängige Trägerfilme benötigt werden (z.b. Analyse von Nanopartikeln). GO-Trägerfilme sind nahezu transparent im Elektronenstrahl und im Lichtmikroskop kaum darstellbar. In Abbildung 1 ist der Dickenunterschied von GO und dem Carbon-Trägerfilm deutlich erkennbar. Abb. 1: Die Graphenoxid Monolage ist nahezu elektronentransparent und ist im TEM nur schwer erkennbar. GO-Monolage auf löchrigen Carbon-Trägerfilm veranschaulicht durch das charakteristische hexagonale Beugungsmuster (am Zentrum des Lochs aufgenommen). Struktur und Zusammensetzung von Graphenoxid Graphenoxid besteht aus einer graphenähnlichen Lage, die stochastisch mit sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen (z.b. Epoxy-, Hydroxyl-Gruppen) bestückt ist. Durch das graphenartige Kohlenstoffgerüst (siehe Beugungsmuster in Abbildung 1) bleibt Graphenoxid, auch als Monolage, stabil genug, um löchrige Trägerfilme auf TEM-Grids zu bedecken. Graphenoxid wird aus Graphitpulver durch ein modifiziertes Hummers-Verfahren synthetisiert. Auf diese Weise hergestellt sind GO-Trägerfilme hydrophil. Falls erforderlich, kann jedoch durch Erhitzen an Luft eine hydrophobe Oberfläche erzeugt werden [1]. T: +49 (0) Info@ScienceServices.de - 1/5

3 TEM Anwendungen für Graphenoxid GO-Lagen als Film für TEM-Grids sind robust, leitfähig und nahezu elektronentransparent. Die niedrige Ordnungszahl des Kohlenstoffs und die ultradünne Lagendicke erzeugen ein signifikant niedrigeres Hintergrundsignal gegenüber konventionellen Trägerfilmen. Das geringe Hintergrundsignal begünstigt Aufnahmen von Nanopartikeln oder Nanodrähten, deren Struktur mit konventionellen Carbon-Trägerfilmen nicht aufgelöst werden kann (Abb. 2) [2]. Abb. 2: Ferritin-Komplexe auf GO Monolage als Anwendungsbespiel. Ferritin in wässriger Lösung wurde mit einem Tropfen auf ein GO-Grid gegeben und angetrocknet (Courtesy Dr.J Skepper, University of Cambridge). Die inhärente hydrophile Natur der GO-Lagen ermöglicht das Anheften von Makromolekülen und dadurch Imaging und Analyse polymerer, makromolekularer und biologischer Proben ohne den Gebrauch von Schwermetallfärbung [1]. GO-Trägerfilme sind zudem für die Analyse unbehandelter, vitrifizierter, biologischer Makromoleküle für Cryo-TEM [3] geeignet. Durch die Kontrastverbesserung werden eine höhere Auflösung und damit eine genauere Strukturanalyse sichergestellt. Die kristalline Natur des Graphenoxids ist verantwortlich für das charakteristische Beugungsmuster. Das Beugungsbild kann somit praktischerweise auch zur Kalibrierung bei der Analyse von Proben mittels hochauflösendem TEM oder Elektronenbeugung verwendet werde [1,2]. GO Grid Morphologie Um ein Grid bedecken zu können benötigen GO-Monolagen unterstützendes Material in Form von speziellen löchrigen Carbon-Trägerfilmen (mit unregelmäßigen Löchern wie Holey-, LaceyCarbonfilm oder mit regelmäßigen Löchern wie Quantifoil etc. siehe Abb. 1, 3, 4 und 6). Letztere sind besonders geeignet für automatisierte mikroskopische Anwendungen in der Strukturbiologie. Abb. 3: GO-Monolage auf Quantifoil-Trägerfilm (Lochform: R2/4) gezeigt durch das charakteristische Beugungsmuster (Anmerkung: An einigen Stellen ist eine Faltung erkennbar). T: +49 (0) Info@ScienceServices.de - 2/5

4 Bei der Herstellung verteilt sich der GO-Film stochastisch auf dem Grid, so dass manche Bereiche frei bleiben, andere von GO-Monolagen, Doppel- oder Mehrfachlagen bedeckt werden (Abb. 4 und 5). Durchschnittlich sind ca % der Löcher mit GO-Trägerfilm bespannt und davon ca. 50% mit einer Monolage. Abb. 4: Kontrastverstärkung der GO-Lage durch starke De-Fokussierung. Die dunklen Bereiche zeigen die Ausbreitung des Graphenoxid Films auf dem löchrigen Carbon-Trägerfilm eines hexagonalen Grids. GO-Trägerfilme auf Holey- und Lacey-Carbonfilm auf 300 Mesh hexagonalen Kupfer-Grids sind ab Lager erhältlich. Weitere Grid-Typen sind auf Anfrage verfügbar. GO-Trägerfilme sind zudem auch auf R1.2/1.3, R2/2 und R2/4 Quantifoils auf 200, 300 und 400 Mesh Kupfer-Grids erhältlich. Weitere Quantifoil Grid-Typen, wie Gold oder Nickel sind auf Anfrage verfügbar. Abb. 5: Kontrastverstärkung der GO-Monolage durch starke De-Fokussierung. Die dunklen Bereiche zeigen das Graphenoxid auf Lacey Carbon-Trägerfilm. Gewährleisten von qualitativ hochwertigen GO-Trägerfilmen Die Herstellung hochwertiger Graphenoxid-Trägerfilme erfordert eine regelmäßige Chargen- Kontrolle mittels TEM, um eine korrekte Bedeckung mit GO-Monolagen zu gewährleisten. Die GO-Monolage ist so dünn, dass sie unter dem Elektronenstrahl oft nur in Form kleiner Falten oder Knicke sichtbar ist. Die Bestimmung der Monolagenverteilung erfolgt durch die Ermittlung des hexagonalen Beugungsmusters (Abb. 1). Mehrfachlagen weisen durch Überlagerung mit unterschiedlicher Orientierung oft ein verdrehtes multi-hexagonales Beugungsmuster auf (Abb. 6) [1,4]. T: +49 (0) Info@ScienceServices.de - 3/5

5 Dies kann jedoch auch durch Faltung einer Monolage auftreten und sollte bei der Interpretation der Beugungsmuster berücksichtigt werden. Während der Produktion wird die Filmdicke jeder Charge mittels TEM und Beugungsmuster überprüft. Vor dem Verpacken in spezielle Grid-Boxen wird jedes Grid einer weiteren Qualitätsprüfung im Lichtmikroskop unterzogen. Abb. 6: GO-Doppellage als vielfältig einsetzbarer, ultra-dünner Trägerfilm (links). Nachweis der flächig deckenden Doppellage auf dem löchrigen Carbon-Trägerfilm durch das doppelt hexagonale Beugungsmuster. Auf Anfrage produziert EM Resolutions auch Grids mit verschiedenen Graphenoxid-Schichtdicken, die auf Ihre speziellen Wünsche angepasst sind. Bei Sonderanfertigungen muss ein Mittelweg zwischen optimaler Bedeckung und Anzahl der GO-Lagen (Lagendichte) gefunden werden. Natürlich werden Sonderfertigungen auch unserer Qualitätskontrolle mittels TEM und Beugungsmuster unterzogen. Wir versichern, dass GO eine bestimmte prozentuale Anzahl der Löcher eines Trägerfilms bedeckt und verwenden dafür 3 Kriterien: 1. prozentual mit Go-Film bedeckte Fläche der freien Flächen eines Grids 2. durchschnittliche Zahl der GO-Lagen pro Loch 3. prozentuale Anzahl der Löcher die von GO-Monolagen bedeckt werde Für eine gute Bedeckung mit Monolagen erwarten wir eine Gesamtbedeckung von ca % der freien Fläche des Grids, wobei ein Großteil davon aus Monolagen besteht (das entspricht einer Gesamtbedeckung von etwa 30% der freien Fläche des Grids). Je nach Anwendung muss entschieden werden, ob eine höhere Gesamtbedeckung oder ein höherer Monolagen-Anteil erforderlich ist. Bei einer Gesamtbedeckung von >80% der Grid-Fläche besteht der Großteil des Graphenoxids aus zwei- bis dreifach-lagen, der Monolagen-Anteil liegt dann erfahrungsgemäß bei <20%. Diese Art des GO-Films ist besonders für kohlenstoffhaltige Partikel geeignet, bei denen Carbon- Trägerfilme nicht erwünscht sind. Wir bieten GO-Schichten auf einer Reihe ausgewählter beschichteter Grids an. EM Resolutions verwendet speziell angefertigte Holey und Lacey Carbon-Trägerfilme auf hexagonalen Grids, um die größtmögliche Abdeckung mit GO gewährleisten zu können. T: +49 (0) Info@ScienceServices.de - 4/5

6 Danksagung Die hier beschriebenen GO Trägerfilme wurden von Dr. Neil Wilson und Kollegen (Department of Physics, University of Warwick, UK) in Zusammenarbeit mit Gill Tudor (EM Resolutions Ltd, UK) entwickelt. EM Resolutions möchte vor allem Neil Wilson und Alex Marsden danken für ihre Beratung und die fortwährende Betreuung, um dieses Produkt auf den Markt zu bringen. Literatur: [1] A simple approach to characterizing block copolymer assemblies: graphene oxide supports for high contrast multi-technique imaging Joseph P. Patterson, Ana M. Sanchez, Nikos Petzetakis, Thomas P. Smart, Thomas H. Epps, III, Ian Portman, Neil R. Wilson and Rachel K. O Reilly. Soft Matter 8, 3322 (2012). [2] Graphene Oxide: Structural Analysis and Application as a Highly Transparent Support for Electron Microscopy. N.R. Wilson, P.A. Pandey, R. Beanland, R.J. Young, I.A. Kinloch, L. Gong, Z. Liu, K. Suenaga, J.P. Rourke, S.J. York, and J. Sloan, ACS Nano 3 (9), 2547 (2009). org/ /nn900694t [3] Graphene oxide: a substrate for optimizing preparations of frozen-hydrated samples. Pantelic RS, Meyer JC, Kaiser U, Baumeister W, Plitzko JM. (2010) J Struct Biol. Apr;170(1): [4] Pandey, Priyanka A. (2012) Structure and applications of chemically modified graphene. PhD thesis, University of Warwick. T: +49 (0) Info@ScienceServices.de - 5/5

7 Science Services GmbH Unterhachinger Straße München, Deutschland T +49 (0) F +49 (0) Info@ScienceServices.de