クライオ電子顕微鏡法を有機溶媒系へ適用拡大 〜メタノールおよび分散ナノ材料の元素分布を初めて可視化〜

2026-05-29 東北大学

東北大学多元物質科学研究所の海原大輔技術職員、米倉功治教授らの研究グループは、これまで主に水系試料に限定されていたクライオ電子顕微鏡法(Cryo-EM)を有機溶媒系へ拡張する新技術を開発した。研究では、揮発性が高く凍結薄膜の作製が難しいメタノールを対象に、グリッドの半分のみをろ紙に接触させる「グラジエント・ブロッティング法」を考案し、観察に適した厚さの凍結メタノール薄膜を高い再現性で形成することに成功した。さらに、研究グループが独自開発した電子エネルギー損失分光(EELS)を用いた元素マッピング技術を適用し、凍結メタノール中の炭素や酸素、さらに分散ナノ粒子由来のケイ素元素の分布を直接可視化した。従来、有機溶媒系では電子線損傷や試料調製の困難さから詳細な元素分析が難しかったが、本技術により溶媒中でのナノ材料の状態を高精度に解析できるようになった。本成果は、材料科学やナノテクノロジー分野における有機溶媒系試料の構造・元素解析を可能にし、新たな材料開発や機能評価手法としての活用が期待される。

クライオ電子顕微鏡法を有機溶媒系へ適用拡大 〜メタノールおよび分散ナノ材料の元素分布を初めて可視化〜
図1. メタノール凍結グリッドの作製。
(a)従来法では、グリッド全面をろ紙に接触させ、余分な溶液を除去する。しかし、メタノールは揮発速度が速いため、グリッド全体が乾燥するか、膜が厚くなり過ぎて、クライオ電子顕微鏡観察に適した凍結薄膜を再現よく得ることは困難であった。
(b)本研究で用いた「グラジエント・ブロッティング法」。グリッドの約半分のみをろ紙に接触させることで、グリッド上で試料溶液の厚さの勾配が形成される。その結果、厚い領域と薄い領域の中間に、クライオ電子顕微鏡観察に適した厚みの凍結薄膜を再現よく形成できる。

<関連情報>

有機溶媒系のクライオEELS元素マッピング Cryo-EELS elemental mapping of organic-solvent systems

Daisuke Unabara ,Yohei K Sato ,Tasuku Hamaguchi ,Koji Yonekura
Microscopy  Published:29 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1093/jmicro/dfag027

Abstract

Cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) is a powerful method that enables the observation of nanomaterials while preserving the specimen in a vitrified state, and minimizing damage caused by the electron-beam irradiation. Although cryo-TEM has been widely applied to aqueous specimens, its application to organic solvent systems remains limited. Because the physicochemical properties of organic solvents differ markedly from those of water, efficient vitrification methods have not yet been well established to date. More critically, organic solvents are highly susceptible to electron-beam irradiation. In this study, we selected methanol–the smallest polar alcohol molecule –and optimized the vitrification protocol for the observation of samples containing organic solvents. This resulted in a reproducible blotting method for forming thin solvent films, along with suitable freezing conditions for producing amorphous methanol. We further aimed to expand the application of cryo-TEM to materials in organic solvent systems by performing cryogenic electron energy-loss spectroscopy (cryo-EELS) elemental mapping. The technique, recently developed by our group for frozen aqueous solutions, enabled the detection of elemental signals even from frozen methanol and provided insights into their spatial distributions. Furthermore, silicon signals from mesoporous silica nanoparticles (MSNs) dispersed in methanol were clearly observed. These results demonstrate that both solvent components and nanomaterials can be visualized and analyzed within frozen organic solvents, thereby expanding the potential of cryo-TEM for advanced materials research involving organic solvent systems.

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