Untersuchung der Auswirkungen der Temperatur auf die Keimbildung und das Wachstum von Nanopartikeln mittels Flüssigzell-Transmissionselektronenmikroskopie

Die Temperaturregelung ist eine neuere Entwicklung, die einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Untersuchung der Nanochemie durch Flüssigzell-Transmissionselektronenmikroskopie bietet, insbesondere die Bildung von Goldnanopartikeln in Lösung. Diese Methodik ermöglicht die Abbildung der Dynamik einzelner Nanostrukturen in Flüssigkeiten mit großer Kontrolle über die Zusammensetzung und Temperatur der Umgebung unter realistischen synthetischen Bedingungen. Interessanterweise kann diese Methode verwendet werden, um die Auswirkungen der Temperatur auf die strukturelle Entwicklung weicher oder biologischer Nanoobjekte in flüssigen Umgebungen zu untersuchen, indem ihr Bildungs- oder Anwendungsmedium nachgeahmt wird.

Die wesentlichen Erfolgsfaktoren für flüssige TEM-Experimente sind eine saubere Probenvorbereitung und die Berücksichtigung der Elektronenstrahleffekte auf die Nanopartikeldynamik. Für die Flüssigzellvorbereitung füllen Sie zunächst ein Glas Petrischale mit Aceton und ein weiteres mit Methanol in einen Abzug. Legen Sie einen kleinen und einen großen E-Chip für zwei Minuten in das Aceton, bevor Sie beide Chips für zwei Minuten in das Methanol bewegen.

Verwenden Sie nach der Methanolwäsche eine Luftpistole und eine Pinzette, um die Zellen zu trocknen, und verwenden Sie eine binokulare Lupe oder ein optisches Mikroskop, um die Integrität des Siliziumnitridfensters zu überprüfen. Sind die Chips intakt, reinigen Sie die E-Chips zwei Minuten lang plasma mit einem Gemisch aus Argon und Sauerstoffgas und laden die Dichtungs-O-Ringe in den Flüssigkeitszellhalter. Legen Sie den kleinen E-Chip in den Flüssigkeitszellhalter und lassen Sie etwa zwei Mikroliter der interessierenden Flüssigkeitsprobe auf den Chip fallen.

Entfernen Sie mit einem scharf geschnittenen Stück Filterpapier überschüssige Flüssigkeit aus dem Chip, bis der Flüssigkeitströpfchen eine flache Kuppel bildet, und legen Sie den großen E-Chip auf die kleine E-Chip-Vorderseite nach unten. Schieben Sie den Deckel wieder auf den Flüssigkeitszellenhalter und ziehen Sie jede Schraube nach und nach fest. Verwenden Sie Filterpapier, um überschüssige Flüssigkeit aus den Chips zu entfernen, und drehen Sie den Flüssigkeitszellenhalter um seine Achse, um sicherzustellen, dass die gesamte Flüssigkeit aufgefangen wird.

Testen Sie die Vakuumversiegelung der Flüssigkeitszelle in einer Pumpstation. Wenn das Vakuumniveau der Pumpe fünfmal 10 bis zu den negativen zwei Pascal erreicht, überprüfen Sie ein letztes Mal die Integrität des Siliziumnitridfensters und laden Sie den Flüssigkeitszellhalter auf das Mikroskop. Um den Flow-Modus einzurichten, laden Sie eine Spritze mit der interessierende Lösung und schließen Sie zwei externe Peak-Rohre an die Spritze an.

Legen Sie die Spritze auf die Spritzenpumpe und führen Sie die externen Spitzenrohre in die Eingänge des Flüssigkeitszellhalters ein. Legen Sie ein zusätzliches externes Spitzenrohr für den Ausgang des Flüssigkeitszellenhalters ein. Dann injizieren Sie die Lösung mit einer Durchflussrate von fünf Mikrolitern pro Minute in jeden Einlass.

Um die flüssige Umgebung zu erwärmen, öffnen Sie die Heizsoftware und schalten Sie das Netzteil ein. Klicken Sie auf die Schaltfläche Geräteprüfung und öffnen Sie die Registerkarte Experiment. Klicken Sie auf Manuell, um den manuellen Heizmodus zu aktivieren, und wählen Sie die Zieltemperatur aus, um die Temperaturrate entsprechend dem Experiment zu ändern.

Klicken Sie dann auf Anwenden, um die E-Chips auf die Zieltemperatur zu erhitzen. Um die radiolysegetriebene Bildung von Goldnanopartikeln mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis abbilden zu können, identifizieren Sie im STEM-HAADF-Modus einen unberührten Bereich der Probe in der Nähe einer Ecke des Beobachtungsfensters, in dem die Flüssigkeitsdicke minimal ist. Beachten Sie die Bildgebungsbedingungen, einschließlich der Spotgröße, der Größe der Kondensatoröffnung und der Vergrößerung, um eine anschließende Kalibrierung der Elektronendosisleistung und der kumulativen Elektronendosis zu ermöglichen, die den analysierten Bereich bestrahlt.

Dann erfassen Sie Videos des Nanopartikelwachstums bei verschiedenen Temperaturen unter Verwendung der gleichen Bildgebungsbedingungen. Erfassen Sie für eine einzelne Nanopartikel-Nanodifferenzierung ein STEM-HAADF-Bild mehrerer Nanoobjekte und verwenden Sie die STEMx-Software, um das Beugungsmuster einzelner Nanopartikel im Bild zu erfassen. Wie in diesen beiden STEM-HAADF-Bildserien beobachtet, kann das Wachstum einer sehr dichten Ansammlung kleiner Nanopartikel bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden.

Bei hohen Temperaturen werden einige große und gut facettierte Nanostrukturen erhalten. Da der Kontrast von STEM-HAADF-Bildern proportional zur Dicke der Goldnanopartikel ist, können zwei Populationen von Objekten beobachtet werden, die während dieser Wachstumsexperimente gebildet wurden: stark kontrastreiche 3D-Nanopartikel und große 2D-Nanostrukturen mit dreieckiger oder sechseckiger Form und geringerem Kontrast. Die automatisierte Videoverarbeitung, wie sie in dieser Methode demonstriert wird, ermöglicht die Messung der Keimbildungs- und Wachstumsraten von Nanopartikeln.

Bei niedrigen Temperaturen bilden sich innerhalb weniger zehn Sekunden nach der Beobachtung mehr als 800 Nanopartikel, während bei hoher Temperatur nur 30 Nanopartikel in der gleichen Zeit gebildet werden. Umgekehrt nimmt die mittlere Oberfläche der Nanopartikel bei 85 Grad Celsius 40-mal schneller zu als bei 25 Grad Celsius. Hier kann das Beugungsmuster von zwei Goldnanopartikeln beobachtet werden, die direkt aus einem typischen STEM-Bild ausgewählt wurden.

Die gesichtszentrierte kubische Struktur der goldorientierten Long View 001 und 112 Zonenachsen kann identifiziert werden. Die Untersuchung der Auswirkungen der Temperatur auf die Keimbildung und das Wachstum von Nanopartikeln durch Flüssigezell-TEM erfordert einen Vergleich von Videos, die mit der gleichen Elektronendosisleistung aufgenommen wurden, da die Radiolyse auch einen Einfluss auf die Bildung von Nanopartikeln hat. Ex-situ-SEM- oder TEM-Charakterisierungen können nach dem Entsiegeln der Flüssigen Zelle durchgeführt werden, um die Nanoobjektstrukturen weiter zu analysieren.

Temperaturgesteuertes Flüssigzellen-TEM bietet die Möglichkeit, den Einfluss der Temperatur auf die vielen anderen chemischen Reaktionen zu untersuchen, die an der Grenzfläche zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten ablaufen, was viele Wege in den Material-, Lebens- und Geowissenschaften eröffnet.