Name: In Situ Caracterización de partículas de bohemita SEM líquido con agua (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 59 s
Description: Aprende a caracterizar partículas de bohemita en agua desionizada mediante microscopía electrónica de barrido in situ líquido con un módulo microfluídico compatible con vacío.

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Agradecemos al laboratorio nacional del Noroeste Pacífico (PNNL) Nuclear proceso ciencia iniciativa (NPSI)-laboratorio de investigación dirigida y el desarrollo (LDRD) Fondo de apoyo. Dr. Sayandev Chatterjee proporcionó las partículas sintetizadas bohemita. Se ofrece acceso instrumental a través de una propuesta General de usuario de W. R. Wiley ambiental Molecular Ciencias laboratorio (Page). Page es una instalación de usuario científico nacional patrocinada por la oficina de biológicas y ambientales (BER) de investigación en PNNL. PNNL es operado por Battelle para la coneja bajo contrato DE-AC05-76RL01830.

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Los autores no tienen nada que revelar.

SEM es una poderosa técnica en caracterización superficial de materiales orgánicos e inorgánicos a nivel de la nanoescala (nm) con alta resolución1. Por ejemplo, es ampliamente utilizado para el análisis de las muestras sólidas y secas como materiales geológicos semiconductores y26 27. Sin embargo, tiene limitaciones en la caracterización de las muestras de líquido y húmedas debido a la incompatibilidad del líquido dentro del entorno altamente maneja...

Microscopio electrónico de barrido (SEM) ha sido ampliamente aplicado para investigar una gran variedad de especímenes por producir imágenes de alta resolución1. La espectroscopia de rayos x de energía (EDX) asociada con el SEM permite la determinación de la composición elemental1. Tradicionalmente, SEM se aplica para muestras sólo secas y del sólido de la proyección de imagen. En los últimos 30 años, SEM ambiental (ESEM) fue desarrollado para el análisis de las muestras hidratadas parciales en un vapor ambiente2,3,4,5. Sin embargo, ESEM es incapaz de imagen las muestras mojadas, totalmente fluidas con alta resolución deseada6. Las células mojadas de SEM también se desarrollaron a los especímenes de imagen húmeda usando SEM7,8; sin embargo, estas células fueron desarrolladas principalmente para muestras biológicas y proyección de imagen de electrones de retrodispersión y son más accesibles para los usos con los diseños de9,10.
Para abordar los desafíos en el análisis de diversas muestras en su entorno nativo de líquido utilizando SEM, inventamos un dispositivo microfluídico compatibles vacío, sistema de análisis en el líquido vacío interfaz (SALVI), para secundaria de alta resolución espacial análisis elemental y proyección de imagen electrónica (SE) de muestras líquidas usando el modo de alto vacío en SEM. Esta nueva técnica incluye las siguientes características únicas: 1) líquido es sondeado directamente en una abertura pequeña de 1-2 μm de diámetro; 2) líquido se lleva a cabo dentro del agujero por la tensión de superficie; y 3) SALVI es portátil y puede ser adaptado a más de una plataforma analítica11,12,13,14,15,16,17 ,18.
SALVI se compone de una membrana de nitruro (pecado) de silicona gruesa nm 100 y un microcanal amplia de 200 μm de polidimetilsiloxano (PDMS) bloque. La ventana de membrana de pecado se aplica para sellar el microchannel. Los detalles de fabricación y consideraciones clave de diseño fueron detallados en los anteriores documentos y patentes11,19,20. Actualmente, un fabricante líder y distribuidor de suministro de consumible para microscopía ha adquirido la licencia para vender dispositivos SALVI comercialmente para líquido SEM aplicaciones21,22.
Las aplicaciones de SALVI en instrumentos analíticos basados en el vacío se ha demostrado usando una variedad de soluciones acuosas y mezclas líquidas complejas como biofilms, células de mamíferos, nanopartículas, materiales de electrodo12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. sin embargo, la mayoría de los trabajos antes mencionados utiliza spectrometry total de ion secundario de tiempo de vuelo (ToF-SIMS) como la herramienta clave de análisis, por lo tanto la aplicación de líquido SEM con SALVI no ha sido explorado totalmente. En este trabajo, SALVI se ha utilizado para estudiar partículas coloidales no esféricas más grandes de líquido con líquido proyección de imagen de SEM y EDX análisis elemental. La muestra consiste en partículas AlOOH sintetizadas en nuestro laboratorio. Partículas de tamaño Submicrométrica bohemita se saben que existen en alto nivel residuos radiactivos en el sitio de Hanford. Son lentos para disolver y puede provocar problemas reológicos en tratamiento de residuos. Por lo tanto, es importante tener la capacidad para caracterizar partículas boehmite en líquido25. Este enfoque técnico puede utilizarse para el estudio de bohemita en diferentes condiciones fisicoquímicas para mejorar la comprensión de estas partículas y propiedades reológicas relacionadas. Estas partículas fueron utilizadas para demostrar paso a paso cómo aplicar SALVI a alto vacío SEM para estudiar las partículas en suspensión en líquido. Puntos técnicos claves para la integración de SALVI y SEM y adquisición de datos SEM se destacan en el papel.
El protocolo proporciona demostración del análisis de la muestra líquida con SALVI y proyección de imagen de SEM líquido, para aquellos que estén interesados en utilizar esta nueva técnica en diversas aplicaciones de líquido SEM en el futuro.

<table><tbody><tr><td>Carbon Coater</td><td>Cressington</td><td>208 Carbon</td><td>Se acompaña con monitor de espesor MTM-10.</td></tr><tr><td>SEM</td><td>FEI</td><td>Quanta 3D FEG</td><td>Proporciona microscopía electrónica de barrido de alta resolución y análisis elemental.</td></tr><tr><td>Sistema de análisis en la interfaz de vacío líquido (SALVI)</td><td>Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico</td><td>N/A</td><td>SALVI es una celda microfluídica única compatible con el vacío que permite la caracterización de la muestra líquida utilizando un instrumento científico basado en vacío.</td></tr><tr><td>Unión PEEK</td><td>Valco</td><td>ZU1TPK</td><td>La unión de poliéter éter cetona se utiliza para conectar la entrada y salida de SALVI</td></tr><tr><td>Jeringa</td><td>BD</td><td>309659</td><td>1</td></tr><tr><td>mL Pipeta</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>21-377-821</td><td>Rango: 100 a 1.000 mL</td></tr><tr><td>Punta de pipeta 1</td><td>Neptune</td><td>2112.96.BS</td><td>1.000 &micro; L</td></tr><tr><td>Punta de pipeta 2</td><td>Rainin</td><td>17001865</td><td>20 &micro; </td></tr><tr><td>L Bomba de jeringa</td><td>Harvard Apparatus</td><td>70-2213</td><td>Se utiliza para inyectar la muestra líquida en el dispositivo SALVI.</td></tr><tr><td>Medidor de pH</td><td>Fisher Scientific/accumet</td><td>13-636-AP72</td><td>Se utiliza para medir el pH de AlOOH en agua desionizada.</td></tr><tr><td>Sistema de agua ultrapura Barnstead, UV/UF</td><td>Thermo Scientific Barnstead</td><td>Nanopure diamond D11931</td><td>Se utiliza para producir agua desionizada.</td></tr><tr><td>Tubos de centrífuga</td><td>Fisher scientific/Falcon</td><td>15-527-90</td><td>15 mL</td></tr><tr><td>Limpiador ultrasónico Bransonic</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>2510</td><td>Se utiliza para ultrasicular la muestra líquida de AlOOH.</td></tr><tr><td>Balance</td><td>Mettler Toledo</td><td>11106015</td><td>XS64</td></tr><tr><td>AlOOH</td><td>Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico</td><td>N/A</td><td>Es sintetizado por científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.</td></tr><tr><td>Control de microscopio</td><td>xT</td><td>FEI Quanta 3D FEG</td><td>Software de control de microscopio predeterminado de SEM Quanta 3D FEG</td></tr><tr><td>EDAX Genesis software</td><td>EDAX</td><td>N/A</td><td>El software se utiliza para recopilar la información elemental EDX de las muestras.</td></tr><tr><td>Tubo de teflón</td><td>SUPELCO</td><td>58697-U</td><td>Se utiliza para introducir la muestra en el microcanal y retener un volumen adecuado de líquido.</td></tr></tbody></table>

in situ caracterización de partículas de bohemita sem líquido con agua

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

In situ imágenes y elemental análisis de bohemita (AlOOH) partículas de agua se realiza utilizando el sistema para el análisis de la interfaz de vacío líquidos (SALVI) y microscopia electrónica de barrido (SEM). Este documento describe el método y los pasos clave en integrar el vacío compatible SAVLI SEM y obtención de electrones secundarios (SE) imágenes de partículas en líquido en alto vacío. Espectroscopia de energía dispersiva de rayos x (EDX) se utiliza para obtener análisis elemental de las partículas en muestras de líquido y control incluyendo sólo agua desionizada (DI) y un canal vacío así. Bohemita sintetizado (AlOOH) partículas suspendidas en líquido se utilizan como un modelo en el líquido figura de SEM. Los resultados demuestran que las partículas pueden ser reflejadas en el modo de SE con buena resolución (es decir, 400 nm). El espectro EDX AlOOH muestra significativa señal de aluminio (Al) en comparación con el agua DI y el control del canal vacío. In situ de líquido SEM es una técnica poderosa para el estudio de las partículas de líquido con muchas aplicaciones interesantes. Este procedimiento tiene como objetivo proporcionar conocimientos técnicos para realizar proyección de imagen de SEM líquido y análisis EDX con SALVI y reducir peligros potenciales cuando se utiliza este enfoque.

Se presentan los resultados representativos para mostrar cómo las partículas son imagen y analizaron en situ líquida SEM la proyección de imagen juntada con EDX. Los resultados incluyen SE imágenes y espectros EDX. Las imágenes SE obtuvieron 100.000 X e 200.000 X aumento en la figura 1. Figura 1a representa la imagen SE de AlOOH, Figura 1b DI agua y c de la figura 1</str...

Presentamos un procedimiento para la proyección de imagen en tiempo real y análisis de la composición elemental de las partículas de la bohemita en agua desionizada por líquido en situ microscopia electrónica de barrido.

In Situ Caracterización de partículas de bohemita SEM líquido con agua

In situ imaging and elemental analysis of boehmite (AlOOH) particles in water is realized using the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface ...

El objetivo general de este procedimiento de microscopía electrónica de barrido en líquido in situ es proporcionar conocimientos técnicos para la obtención eficiente de imágenes y el análisis de partículas en líquidos mediante un microscopio electrónico de barrido convencional de alto vacío, utilizando un módulo microfluídico compatible con el vacío. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en los campos de la microscopía y la microanálisis, como la caracterización del tamaño y la morfología de partículas cambiantes en respuesta a variaciones ambientales. La principal ventaja de esta técnica es que permite visualizar directamente partículas polidispersas en estado líquido sin necesidad de secar o congelar la muestra en modo de alto vacío, ni recurrir a microscopía electrónica de barrido ambiental.La implicación de esta técnica se extiende hacia el análisis eficiente de diversos materiales líquidos y muestras biológicas mediante SEM, ya que muchos de ellos solo funcionan o existen en estado líquido. La demostración visual de este método es fundamental, ya que los pasos sencillos de montaje y de obtención de imágenes in situ son difíciles de aprender porque difieren de los procedimientos habituales con muestras sólidas. Comience este procedimiento con el recubrimiento de carbono del sistema para el análisis en la interfaz líquido-vacío, o dispositivo SALVI, tal como se describe en el protocolo técnico.Montar el dispositivo microfluídico en la platina del MEB es crucial para el éxito del análisis de líquidos in situ por MEB. Asegúrese de que el dispositivo esté correctamente conectado a tierra y fijado para minimizar el efecto de carga antes del experimento. Para montar el dispositivo SALVI en la platina del MEB, primero abra cuidadosamente la puerta de la cámara de la muestra del MEB una vez finalizado el venteo.Seleccione el portamuestras para SEM. Fije el portamuestras en el centro del platino utilizando el tornillo adecuado y una llave hexagonal. Coloque dos tiras de cinta de carbono doble cara sobre el portamuestras.Luego, coloque el dispositivo SALVI sobre la cinta de carbono colocada en el soporte, con el lado de la membrana de nitruro de silicio hacia arriba. Inmovilice firmemente el SALVI en el portamuestras utilizando dos tiras adicionales de cinta de cobre de un solo lado para unir el bloque de PDMS del SALVI al portamuestras del MEB. Además, utilice las cintas de cobre para conectar el marco de nitruro de silicio con el portamuestras metálico.Asegúrese de que la cinta no cubra por completo la membrana de nitruro de silicio. Para hacer el vacío en la cámara de la muestra, cierre la puerta de la cámara de la muestra, seleccione el modo de alto vacío en la interfaz gráfica de usuario del SEM en la página de control del haz y haga clic en el botón de bomba en la página de control del haz para comenzar el proceso de vaciado. Aplique presión manualmente sobre la puerta de la cámara hasta que se alcance el vacío deseado.A continuación, realice aberturas en la membrana de nitruro de silicio utilizando un haz de iones enfocado, o FIB, como se describe en el protocolo del técnico. Tras seguir el procedimiento, apague tanto el haz de electrones como el haz de iones para ventilar la cámara haciendo clic en "beam on" cuando el área de imagen correspondiente al haz esté activada. Haga clic en "vent" en la página de control de haces para ventilar la cámara de la muestra.Abra cuidadosamente la puerta de la cámara de MEB después de que se ventile completamente, dejando el dispositivo SALVI tal como está sobre la platina. Aspire un mililitro de agua desionizada en una jeringa estéril y conecte la jeringa a la entrada del dispositivo microfluídico utilizando un adaptador de conexión de tubo de politetrafluoroetileno. Inyecte lentamente el líquido durante tres a cinco minutos.Repita este proceso tres veces utilizando un mililitro de oxihidróxido de aluminio al diez microgramos por mililitro para asegurar que la concentración de la muestra no se diluya por el agua desionizada pre-cargada. Después de la inyección, retire la jeringa. Conecte la entrada y la salida de SALVI utilizando un unión de poliéter éter cetona.Seque cualquier líquido en el exterior del SALVI con toallitas de laboratorio. Si hay burbujas dentro del tubo o del microcanal, repita la inyección de la muestra hasta que no se observen burbujas dentro del tubo. Para tomar imágenes utilizando el ETD y el modo de electrones secundarios, primero cierre la puerta de la cámara de la muestra.Después de establecer el vacío deseado en la puerta de la cámara como antes, active el área de imagen con haz de electrones haciendo clic en el icono de pausa en la barra de herramientas. Encienda el haz de electrones haciendo clic en el botón de encendido del haz en la página de control del haz. Seleccione el ETD y el modo de electrones secundarios para la imagen desde el menú desplegable del detector.Al seleccionar las condiciones óptimas, es realmente importante poder obtener imágenes de alta calidad. En este trabajo, le mostraremos un conjunto de condiciones adecuadas para la obtención de imágenes de electrones secundarios de elementos ligeros como aluminio y silicio. Al analizar otros elementos como hierro y níquel, las condiciones de operación deben modificarse para optimizar la imagen de electrones secundarios.Establezca el voltaje de aceleración en ocho kiloelectrón-voltios y la corriente del haz en aproximadamente 0,47 nanoamperios mediante los cuadros de lista correspondientes que aparecen en la barra de herramientas de la interfaz gráfica de usuario en el área de imagen del haz de electrones. Establezca la distancia de trabajo en siete milímetros escribiendo siete en el cuadro de texto de la coordenada Z en la página de navegación cuando se selecciona la distancia real. Amplíe la característica a 1.000 X y gire los controles de contraste, brillo, enfoque grueso y enfoque fino en la interfaz de usuario manual para optimizar la imagen de la característica de la partícula.Centre el primer orificio en la imagen en directo del área de imagen del haz de electrones girando los mandos de desplazamiento X e Y en la placa de interfaz de usuario manual, amplíe las imágenes con partículas hasta una magnificación de 200.000 X girando el mando de magnificación en la placa de interfaz de usuario manual. Seleccione la resolución de pantalla como 1.024 por 884 desde el cuadro de lista en la barra de herramientas. Luego, establezca la velocidad de barrido en 30 microsegundos desde el cuadro de lista en la barra de herramientas.Pulse la tecla F4 para tomar la instantánea de la imagen actual mostrada en el área de imagen del haz de electrones. Pulse las teclas Control y S para guardar la imagen como un archivo TIF en la ubicación deseada con el nombre de archivo definido que incluye un número incremental. Reduzca el aumento girando el mando de magnificación para localizar el siguiente agujero adyacente.Repita estas operaciones para obtener imágenes de las partículas de oxihidróxido de aluminio en el resto de los orificios. Para realizar el análisis elemental mediante espectroscopía de rayos X por dispersión de energía, o EDX, inserte los detectores de espectroscopía de dispersión de energía en la cámara. Seleccione el ETD en el monitor de control del microscopio.Luego, seleccione el modo de electrones secundarios para visualizar la muestra en el área de imagen del haz de electrones y configure los parámetros como antes. Amplíe las partículas de oxihidróxido de aluminio en cada orificio con un aumento de 200.000 X girando el mando de aumento en el panel de interfaz manual. A continuación, abra el software EDAC asociado.Haga clic en iniciar grabación de nuevos espectros en la interfaz de usuario para recopilar el espectro EDX. Seleccione identificación de picos para elegir los elementos probables del espectro. Luego, escriba los elementos observados en el campo de elementos.Haga clic en agregar para aplicar el elemento al espectro. Haga clic en archivo y luego en guardar como. Guarde los datos espectrales en formato CSV utilizando el nombre de archivo deseado para su representación gráfica mediante un software de gráficos.Después de finalizar la obtención de imágenes y la grabación del espectro para cada uno de los orificios, apague el haz de electrones haciendo clic en el botón de encendido del haz en la página de control del haz cuando el área de imagen del haz de electrones esté activa. Ventile la cámara del MEB haciendo clic en "vent" en la misma página. Retire cuidadosamente la muestra del portador eliminando todas las cintas una vez que la puerta de la cámara esté abierta.Repita el procedimiento para realizar los experimentos de control utilizando agua desionizada y un microcanal vacío. Finalmente, grafique el espectro de EDX según se describe en el protocolo técnico. Usando la interfaz microfluídica SALVI, el haz de electrones puede bombardear directamente la pequeña abertura de tamaño micrométrico con líquido debajo.Se compararon partículas de boehmita en agua desionizada con el control de agua desionizada y el control del canal vacío en sus imágenes de electrones secundarios. Esto proporciona evidencia directa de la obtención de imágenes por electrones secundarios de partículas de boehmita en el líquido. La visualización de la partícula en agua desionizada dentro del orificio de un micrómetro demuestra la viabilidad de observar partículas en líquido in situ.En la muestra de boehmita, se observa un pico fuerte de aluminio. En contraste, en la muestra desionizada solo se observa un pico fuerte de oxígeno, lo que indica la presencia de agua. En el canal vacío, se observa residuo del haz de iones enfocado de galio.El pico de oxígeno es bastante pequeño porque no hay agua en el interior. Una vez dominada esta técnica, puede realizarse en un par de horas si se lleva a cabo correctamente. Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque es difícil visualizar directamente los líquidos en un MEB de alto vacío.Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo caracterizar partículas en líquido utilizando SEM líquido in situ con SALVI. Al intentar este procedimiento, es muy importante recordar que el microreactor debe estar libre de fugas antes de montarlo en la etapa del MEB. Tras seguir este procedimiento, se pueden realizar otros métodos como TOF-SIMS o RMN para responder preguntas adicionales, como la composición molecular y la cartografía del campo fluido.Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de las ciencias de materiales, la ingeniería química y la ingeniería nuclear exploraran cambios en el tamaño de partículas y en la morfología en un entorno líquido cáustico. No olvide que al trabajar con análisis de superficies mediante SEM, se deben usar guantes y gafas protectoras al realizar este procedimiento.

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