凍結溶媒内のナノ材料の元素分布を直接可視化できる技術を開発~生命科学から材料科学に至る広範な物質研究への寄与に期待~

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2025-08-01 東北大学

東北大学多元物質科学研究所の研究チームは、クライオ電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光を組み合わせ、凍結溶媒中のナノ粒子やタンパク質由来の元素分布を高精度に可視化する技術を開発した。これにより、従来観察が難しかった溶液中の元素情報が取得可能となり、ナノ材料の構造・状態・元素分布を同時に分析できる。生命科学から材料科学に至る広範な研究分野への応用が期待される。本成果は「Analytical Chemistry」に掲載された。

凍結溶媒内のナノ材料の元素分布を直接可視化できる技術を開発~生命科学から材料科学に至る広範な物質研究への寄与に期待~
図1. クライオ電子顕微鏡を用いた表面修飾ナノ粒子の元素マッピング観察。(左下)通常のクライオ電顕像からは、ナノ粒子の大きさ・形状・分散状態などが分かる。(右上)ケイ素のマッピングでは、シリカナノ粒子由来のケイ素が検出・可視化された。(右下)炭素のマッピングでは、表面修飾タンパク質由来の炭素に加え、グリッド支持膜由来の炭素が検出・可視化された。

<関連情報>

液体相材料中の軽元素の低線量元素マッピングをクライオ-EELSを用いて実施 Low-Dose Elemental Mapping of Light Atoms in Liquid-phase Materials Using Cryo-EELS

Daisuke Unabara,Yohei K. Sato,Tasuku Hamaguchi,and Koji Yonekura
Analytical Chemistry  Published July 31, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5c02121

Abstract

Cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) enables the visualization of liquid-phase materials, including nanoparticles and soft/biomaterials, under cryogenic conditions while minimizing radiation damage. Cryo-TEM imaging provides insights into particle size, shape, and dispersion. Beyond such conventional structural information, acquiring elemental composition data allows for a more detailed analysis and evaluation. In this study, we developed a method for elemental mapping of nanoparticles and soft/biomaterials in frozen solvent by integrating electron energy loss spectroscopy (EELS) with energy-filtered (EF) cryo-EM. Cryo-EELS and analysis were performed using the three-window method, following the alignment and correction of stage drift during image acquisition and interexposure drift between different energy windows. This approach, by balancing accurate and reliable signal extraction with electron dose, enabled the generation of elemental maps for nanoparticles as small as 10 nm in frozen solvent. Furthermore, we extended the technique to protein-coated silica nanoparticles and hydroxyapatite (HAp) nanoparticles in vitrified solvent, selecting specific energy loss values to identify multiple constituent elements. As a result, we successfully mapped silica from the nanoparticle cores, carbon from the protein shell of the nanoparticles, and phosphorus and calcium─key light elements in biological systems─within the same imaging area of the HAp particles.

0505化学装置及び設備
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