在液相电子显微镜实验中进行温度控制,为研究纳米颗粒在模拟其形成或应用环境的液体条件下的动态行为提供了新的视角。利用近期开发的加热型液体池,我们直接观察了温度对金纳米颗粒在水中成核与生长过程的影响。
方法文章
在液相电子显微镜实验中进行温度控制,为研究纳米颗粒在模拟其形成或应用环境的液体条件下的动态行为提供了新的视角。利用近期开发的加热型液体池,我们直接观察了温度对金纳米颗粒在水中成核与生长过程的影响。
温度控制是近年来的一项新进展,为利用液体池透射电子显微镜研究纳米化学提供了额外的自由度。本文中,我们描述了如何制备原位加热实验,以研究温度对水中辐射还原驱动的金纳米颗粒形成过程的影响。该实验方案相对简单,涉及一种可均匀加热至100 °C的特殊液体池、一种具备液体流动功能的液体池透射电镜样品杆,以及一个集成化的温度控制系统接口。我们发现,金纳米颗粒的成核与生长机制在液体池中受到温度的显著影响。通过扫描透射电子显微成像(STEM)和纳米衍射技术,实时揭示了生长中纳米颗粒的密度、尺寸、形貌及原子结构的演化过程。利用自动化图像处理算法,从视频序列中提取出有用的定量数据,例如纳米颗粒的成核速率和生长速率。该方法为理解纳米材料液相合成过程中复杂的物理化学过程提供了新的依据。
金属纳米颗粒(NPs)具有优异的物理化学性质,可广泛应用于光学传感1、医学2和能源3等领域。湿化学合成法是一种高度通用的方法,可用于制备尺寸和形貌均一的金属纳米颗粒。在过去几十年中,研究人员已发展出多种策略以实现对纳米颗粒合成过程的调控,包括种子介导生长法4、晶面阻断法5、动力学控制合成法6、选择性刻蚀法7以及温度控制合成法8。然而,尽管驱动合成的化学反应本身相对简单,成核与生长机制却十分复杂,因为在纳米材料形成过程中有诸多参数共同作用,而仅通过在特定时间点从反应体系中取出样品进行离原位表征,难以准确解析各个参数的独立影响。为了真正理解成核与生长过程并建立有效的调控方法,我们必须采用原位表征技术,以实现在精确控制的液相环境中对这些过程进行实时观测。
在这一方面,液相透射电子显微镜(LCTEM)已成为揭示金属纳米颗粒合成过程的强有力方法9,10,11,12,13。通过在液体反应环境中直接成像单个纳米结构的动态演化过程,该技术加深了人们对成核与生长机制的理解,特别是晶体缺陷、晶种形貌以及有机配体在调控定向生长或刻蚀过程中的作用,从而获得具有特定形貌的纳米材料(如纳米棒、纳米星、纳米片、纳米壳)10,11,12,13,14,15,16,17,18,19。当透射电子显微镜的电子束与液体相互作用时,辐射分解过程会产生强还原性和氧化性物质,改变辐照区域内的溶液化学环境,进而可用于驱动生长或刻蚀过程。值得注意的是,辐射产物的浓度已知随电子剂量率的增加而升高,而电子显微镜中的该参数可实现精确调控20。因此,研究人员已利用辐射分解对剂量率的依赖性来控制反应速率,并揭示其对纳米结构形成过程及最终形貌的动力学影响11,15,20。
尽管温度是纳米材料合成中的一个关键参数,但由于具备可靠温度控制的商用液体池最近才得以开发,此前利用液相透射电子显微镜(LCTEM)对其效应的研究尚未得到充分开展。然而,此类原位研究对于揭示温度变化所引发的复杂动力学和热力学效应至关重要。事实上,一方面,升高温度会显著影响生长过程中的晶面形成,加快原子和分子在液体中的扩散速率,并改变反应速率;另一方面,纳米结构的纳米相图对温度也极为敏感。本文中,我们利用近期开发的加热型液体池,在室温至100 °C的温度控制范围内,实时追踪金纳米颗粒在水中的辐射还原生长过程。该方法结合扫描透射电子显微成像与衍射技术,在日益接近真实合成条件的环境中进行观察,从而缩小了原位透射电镜观测与常规实验规模合成之间的差距。
1. Align the transmission electron microscope for STEM HAADF imaging
2. E-chip handling
NOTE: Commercial liquid-holders fit on almost all TEM but use the holder that is specifically design for the microscope brand and pole piece. A liquid cell is made of two MEMS-based silicon chips called E-chips, both of which are silicon substrates with a 500 x 50 µm window covered by a 50 nm thick amorphous silicon nitride (SiN) film that is electron transparent (Figure 1A). These two e-chips have different sizes. The small one is 2 x 2 mm with gold spacers that fix the distance between the two E-chips (150 nm here) and the liquid thickness. The large one is 4 x 6 mm and it has a resistance embedded inside the silicon substrate that allows a uniform heating of the liquid sample (Figure 1B). Because of the way they are fabricated in clean rooms, the E-chips have two different sides: one where the window looks small (here after called the front side) and the other where the window is large with a sink shape (here after called the back side).
3. Cleaning of the liquid cell holder (before the experiment)
4. Preparation of the liquid cell (E-chips)
5. Use the liquid holder in flow mode
6. Heating of the liquid environment
7. STEM imaging of nanoparticles growth
8. STEM nanodiffraction of single nanoparticles
9. Cleaning of the liquid cell holder (after the experiment)
NOTE: Here we describe a standard cleaning procedure for the liquid cell holder. If this cleaning is not efficient enough, it is possible to use diluted nitric acid and methanol to flush out the eventual nanoparticle aggregates in the liquid cell holder. The chemical compatibility documentation of the liquid cell holder should be consulted before. In any case, always finish the cleaning with the injection of distilled water.
10. Post-experiment analysis using Fiji (ImageJ)
NOTE: It is recommended to split each frame of the video taken into single images. The purpose of this post-experiment analysis step is to transform the original videos of the nanoparticles into binary videos that can be analyzed by Fiji. A median filter is used in order to enhance the contrast of the nanoparticles on the background (Figures 7B & 7E). This is essential to facilitate the binarization of the video.
图5 展示了在25 °C和85 °C下,历时80秒采集的两组金纳米颗粒形成的STEM HAADF图像序列。在所有这些实验中,纳米颗粒的成核与生长均由水的辐射分解驱动。在电子束诱导产生的各种化学物种中,强还原剂(即水合电子和氢自由基)可还原四氯金酸,从而在SiN窗口与液体的界面处形成金纳米晶体。这两项在相同电子剂量率下进行的原位观察证实,本方法能够直观展示温度对液相中纳米颗粒形成过程的显著影响。在低温条件下,观察到大量小尺寸纳米颗粒形成的致密聚集体;而在高温条件下,则生成少数尺寸较大且晶面清晰的纳米结构。由于STEM HAADF图像的衬度与金纳米颗粒的厚度成正比,因此可以看出,在这些生长实验过程中形成了两类不同结构:一类是衬度较高的三维纳米颗粒,另一类是衬度较低、呈三角形或六边形的大尺寸二维纳米结构(如图5中红色箭头所示)。
本方案中描述的视频分析方法可通过随时间测量观察区域内纳米颗粒的数量及其平均表面积,从而对成核和生长过程进行量化。如图8所示,在低温条件下,观察的数十秒内可形成超过800个纳米颗粒,而在高温条件下仅形成30个纳米颗粒。除两个三角形和六边形纳米片外,所有纳米颗粒在高温跟踪过程的第一张图像中就已全部存在。图9显示,在85 °C下纳米颗粒的平均表面积增长速度比25 °C下快40倍。
图6 展示了两个金纳米颗粒的典型扫描透射电子显微镜(STEM)图像及其衍射图样,这两个纳米颗粒直接在图像上被选中(由图6A中的红色箭头指示)。在此,我们可以识别出金的面心立方(FCC)结构,其分别沿[001](图6B)和[112](图6C)晶带轴取向。

图1:电子芯片(E-chips)及液体池支架尖端的示意图。 (A) 用于加热液体池的大尺寸电子芯片(顶部)及其电阻结构,以及小尺寸电子芯片(底部)。(B) 两个电子芯片均装入液体池支架中。大尺寸电子芯片的电极与液体池支架上的电极焊盘接触,其电阻可对液体池进行加热。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:E芯片的光学显微镜图像,显示:(A)实验所需的完整SiN窗口。(B) E芯片边缘处破损的硅晶圆。如果破损区域位于液体池密封后形成的湿润区域之外(即破损区域位于O形圈所界定区域之外),则此类E芯片仍可使用。(C) E芯片表面的残留物。若此类残留物在重复清洗步骤后仍无法去除(参见第4.1节),则不应使用该E芯片。(D至F) SiN窗口破损的E芯片(不可使用)。请点击此处查看此图的高清版本。

图3:液体池装入透射电镜样品杆的分步操作照片。(A) 单独的样品杆。(B) 将垫圈O型圈放入腔体内。(C) 将小型E芯片插入垫圈O型圈中。(D) 在小型E芯片上滴加一滴溶液。(E) 将大型E芯片覆盖在小型E芯片之上。(F) 通过拧紧盖子密封整个液体池。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:控制液体池温度的加热软件界面截图。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 5:金纳米颗粒生长过程的低倍STEM HAADF图像序列。(A) 在25 °C下。(B) 在85 °C下。每幅图像左下角标注了相应的时间。红色箭头指示二维纳米结构。所有图像均采用相同的电子剂量率3.4 electron·s-1·nm-2采集。请点击此处查看此图的放大版本。

图6:单个纳米颗粒的扫描透射电子显微纳米衍射。(A) 用于选择发生衍射的纳米颗粒的STEM图像(衍射采集过程中探针位置以红色箭头标示)。(B,C) 两个选定纳米颗粒的衍射图样。请点击此处查看该图的放大版本。

图7:使用Fiji对STEM HAADF图像进行数据处理与分析。 图像采集于生长开始后40秒。(A至C) 在25 °C下采集的图像。(D至G) 在85 °C下采集的图像。(A, D) 原始STEM图像。(B, E) 处理后的图像(中值滤波)。(C, F) 二值图像。(G) 对像素进行两次膨胀操作,随后应用“填充孔洞”处理。请点击此处查看该图的放大版本。

图8:在25 °C和85 °C下金纳米颗粒数量随时间变化的曲线图。 25°C下的两条曲线是通过自动测量获得的,其最小检测尺寸(Smin)分别为20(红色)和50(蓝色)像素2。绿色圆点表示在25 °C下采集视频后,通过人工计数得到的12秒和60秒时的纳米颗粒数量。 请点击此处查看该图的放大版本。

图9:金纳米颗粒平均表面积随时间变化的图表,分别表示在 25 °C 和 85 °C 条件下的结果。绿色圆点代表在 85 °C 下采集的视频中,特定时间点金纳米颗粒平均面积的手动测量值。请点击此处查看该图的放大版本。

图 10:85 °C 下单个金纳米立方体生长过程的高倍 STEM HAADF 图像序列。 该图像序列的电子束剂量率为 83.6 electron.s-1.nm-2。 请点击此处查看此图的放大版本。
本方案描述了在温度可控的液体介质中,通过辐射分解驱动金纳米颗粒成核与生长过程的实验方法。结合自动化的视频处理技术,可测量温度对纳米颗粒合成关键参数的影响,如纳米颗粒的密度、尺寸、形貌及原子结构。这些重要数据可用于评估温度对成核速率和生长速率的作用,检测可能发生的相变过程,并可视化决定胶体溶液最终形态的晶面形成过程。结合对反应介质成分的调控能力,温度可控的液体池透射电子显微镜(TEM)技术为进一步在接近真实合成条件的情况下直接观察各类纳米结构的成核与生长过程提供了新的途径。本文结果的解读及其与成核-生长模型的比较将在他处讨论。本文旨在强调开展有意义的原位TEM实验时必须考虑的若干方法学要点。
首先,必须明确反应介质中的电子束效应,因为这些效应可能极大地影响实验结果。在此,由于水的辐射分解是纳米颗粒形成的驱动力,因此随着电子剂量率的增加,生长速度迅速加快,从而影响最终纳米结构的形貌11,15。因此,为了研究温度对纳米颗粒成核与生长的影响,有必要在相同电子剂量率下进行生长实验的比较。在STEM模式下,电子剂量率等于束流(单位:电子/秒)除以成像区域面积(单位:nm2)。因此,保持恒定的电子剂量率意味着每次实验需维持相同的束流(即相同的聚光镜光阑和束斑尺寸)以及相同的放大倍数。使用CCD相机或法拉第杯对成像条件下的束流进行量化,对于数据的解释和可重复性至关重要。放大倍数及相应的剂量率应根据研究目的进行选择:若希望观察大量纳米颗粒的生长过程,以获得具有统计意义的生长动力学数据(图5);或在单个纳米颗粒尺度上研究生长机制,以识别纳米颗粒表面的优先吸附位点(图10)。如果成核和生长过程过快,尤其是在高倍率下,应选择较小的聚光镜光阑和较小的束斑尺寸,以尽量降低剂量率。此外,通过降低分析溶液中金属前驱体的浓度也可减缓纳米颗粒的成核与生长,但需注意,辐射产物的浓度会随温度升高而增加。一般而言,还必须考虑整个样品所经历的电子辐照历史。例如,若在相邻区域快速连续进行多次生长实验,由于研究区域内金前驱体浓度逐渐降低,纳米颗粒的密度将随时间减少。该效应可通过在空间和时间上分隔生长实验,并采用流动模式的液体样品台来最小化。
界面追踪算法对于自动分析视频并定量提取大尺寸纳米颗粒组装体的成核与生长结果极为有益。然而需要注意的是,图像二值化步骤始终依赖于具体的数据,这意味着为优化纳米颗粒/液体界面的检测而需施加在图像上的滤波方法和数据处理流程会因实验不同而有所差异。此外,将这些自动分析的结果与在少量图像上进行的手动测量结果进行对比至关重要,以便优化图像处理流程并明确其局限性。例如,在本研究中,随着高温下形成的三维纳米颗粒逐渐增厚,多重散射事件导致其核心在观察30秒后出现对比度反转,这是因为散射电子的角度展宽使得环形探测器角度范围内的信号收集减少。为了持续准确测量这些纳米颗粒的真实表面积,我们在图像二值化后采用了"填充孔洞"的数据处理方法,以填充环状对比结构的内部圆形区域(图7F,G)。然而,我们还需对物体进行轻微膨胀处理,以确保这些环状对比结构始终保持完全连接。后一步骤导致自动测量中纳米颗粒的平均表面积略有高估(图9)。类似地,在纳米颗粒检测过程中,我们必须设定一个被检测物体的最小尺寸(Smim),以避免将噪声误判为信号,但该参数会影响测得的成核速率。如图8所示,实验初期检测到的纳米颗粒数量逐渐增加,最终趋于平稳。当Smin较大时(50像素2,相当于1543 nm2),自动测量与手动测量在平台期数值上一致(60秒时为835个纳米颗粒),但在自动分析中,纳米颗粒的检测出现延迟:手动计数在12秒时已达到835个,而自动检测则需更长时间才能达到相同数量。这种检测延迟导致成核速率被低估。将Smin降低至20像素2(即617 nm2)可减小纳米颗粒组装成核时间的误差,但会导致纳米颗粒密度被高估,尤其是在实验早期阶段(图8),这也会影响成核速率的准确性。在液相透射电镜中,对具有高度动态行为且信噪比较低的纳米物体进行检测及其尺寸与形状测量是一项普遍挑战,未来可通过其他分割与去噪方法24或机器学习方法25进一步改善。
最后但同样重要的是,液体池的制备以及液体样品 holder 的清洗必须非常仔细地进行,以避免反应介质受到污染。
通常,在液相透射电子显微镜(LCTEM)分析过程中控制样品温度,能够为研究固-液界面化学反应的热效应提供机会。因此,我们希望本方法能够为其他原位透射电镜实验开辟道路,以揭示在温度可控的液体环境中硬质材料、软质材料或生物材料的动态行为。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们衷心感谢法兰西岛大区(为安装在巴黎大学的 JEOL ARM 200 F 电子显微镜提供的 SESAME E1845 号资助)、SEAM 实验室卓越计划(GLOIRE 项目)以及法国国家科学研究中心(纳米计划专项)提供的经费支持。 我们感谢 Madeline Dukes 和 Daniel Franck 分享图 1 和图 2 中所示液体池的示意图与光学照片。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2100 Plus 电子显微镜 | Jeol | ||
| 丙酮 | Merck | ||
| 气动喷枪 | |||
| ARM 200F 电子显微镜 | Jeol | ||
| 双目镜或光学显微镜 | |||
| 碳尖镊子 | |||
| 配备加热软件的计算机 | Protochips 公司软件 | ||
| 蒸馏水 | |||
| 假 e-chip | Protochips | ||
| 垫圈/O型圈 | Protochips | ||
| 金水溶液 | Merck | 1 mM HAuCl4 —— 需预先配制 | |
| 大型液体加热 E-chip | Protochips | ||
| 甲醇 | Merck | ||
| One View 相机 | Gatan | ||
| 培养皿 | 数量:2 | ||
| 等离子清洗仪 | Gatan | ||
| Poseidon Select | Protochips | 液体池样品杆 | |
| 电源 Keithley 2450 | |||
| 防护手套 | |||
| 红色 PEEK 管 | 数量:3 | ||
| 带扭矩的螺丝刀 | |||
| 小型液体 E-chip | Protochips | 150 nm 间隔层 | |
| STEM HAADF 探测器 | Jeol | ||
| STEMx 软件 | Gatan | ||
| 注射器 | 数量:2 | ||
| 注射泵 | Harvard Apparatus | 数量:2 | |
| 真空泵 | Gatan |
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