親水化処理

hydrophilic treatment

親水化処理とは、物質表面の水に対する濡れ性を向上させる処理である。親水化処理には化学薬品を使用した方法や高エネルギープラズマを照射することで、表面を親水性の官能基に変化させる方法がある。プラズマによる親水化処理では、電極間に窒素や希ガス、または酸素を流し、電圧を印加し、それらの分子がイオンと電子に分かれた状態であるプラズマを発生させる。発生したプラズマが当該物質の表面の分子と反応して官能基を作ることで表面が活性化し、濡れ性が向上する。

TEM試料作製における親水化処理とは、カーボン支持膜の水に対する濡れ性を向上させることである。図aに示す親水化処理装置 (日本電子製DⅡ-29020HD)では、チャンバー内を低真空にし、数十から数百ボルトの電圧を印加することで酸素分子のプラズマを発生させる。酸素プラズマはカーボン支持膜のC-C結合を切断しC-O極性官能基を形成するので、カーボン膜の濡れ性が上がる。カーボン支持膜の濡れ性の向上によって、試料溶液や染色液が支持膜上で滑らかに広がり、試料の分散性が向上する(図b)。親水化処理に用いるプラズマは、支持膜の表面に付着した有機汚染物質を洗浄するクリーニング効果もあり、クリーニングにより支持膜の濡れ性を向上させる作用もある。また、親水化処理装置(図a)は、ウルトラミクロトームに用いるダイヤモンドナイフの濡れ性の向上にも使われることもある。

図(a) 電子顕微鏡用親水化処理装置 DⅡ-29020HD

図(b) グリッドのカーボン支持膜にたいする親水化処理の効果

Hydrophilic treatment is a treatment method to improve the wettability of the surface of a substance to water. Hydrophilic treatment can be done by using chemicals or by irradiating high-energy plasma to change the surface molecules into a hydrophilic functional group. In the plasma hydrophilic treatment, nitrogen, rare gas or oxygen molecules are introduced between the electrodes, and a certain voltage is applied to the electrodes to generate plasma where these molecules separate into ions and electrons. The generated plasma reacts with the molecules of the substance surface to form functional groups, which activates the surface to water and improve the wettability of the surface.

Hydrophilic treatment in TEM specimen preparation is to improve the wettability of a carbon supporting film to water. In the hydrophilic treatment apparatus (DⅡ-29020HSD of JEOL) shown in Fig.(a), a plasma of oxygen molecules is generated by applying a voltage of a tens to a hundreds volts to a low vacuum in the chamber. The oxygen plasma cut the C-C bonds of the carbon supporting film to form C-O polar functional groups, which increases the wettability of the carbon film. As a result, a specimen solution or a staining solution is smoothly spread on the carbon film and dispersion of the specimen is improved (Fig.(b)).

The plasma used in hydrophilic treatment also has a cleaning effect of the organic contaminants of the supporting film surface and diamond knife surface. This cleaning also improves the wettability of the supporting film. The hydrophilic treatment apparatus (Fig. (a)) is also used sometimes to improve the wettability of diamond knifes used in ultramicrotomes.

Fig. (a) Hydrophilic treatment apparatus for electron microscopy, DⅡ-29020HSD

Fig. (b) Effect of hydrophilic treatment for the carbon supporting film on a grid