Name: Estudio De Los Efectos De La Temperatura En La Nucleación Y El Crecimiento De Las Nanopartículas Por Microscopía Electrónica De Transmisión De Células Líquidas (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-02-17T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 2 s
Description: Aprende a estudiar la nucleación y crecimiento de nanopartículas de oro mediante microscopía electrónica de transmisión de células líquidas con control térmico. Este protocolo permite observar dinámicas en tiempo real hasta 100°C.

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Agradecemos el apoyo financiero de la Región de Ile-de-France (convención SESAME E1845 para el microscopio electrónico JEOL ARM 200 F instalado en la Universidad de París), el Labex SEAM (Proyecto GLOIRE) y el CNRS (Programa Defi Nano). Agradecemos a Madeline Dukes y Daniel Franck por compartir los esquemas y las imágenes ópticas de las células líquidas que se ven en las figuras 1 y 2.

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<li>Xin, H. L., Zheng, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+observation+of+oscillatory+growth+of+bismuth+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">In situ observation of oscillatory growth of bismuth nanoparticles.</a> Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).</li>
<li>Aliyah, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+in+situ+observations+reveal+a+double+role+for+ascorbic+acid+in+the+anisotropic+growth+of+silver+on+gold%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+Letters%22%5BJournal%5D)">Real-time in situ observations reveal a double role for ascorbic acid in the anisotropic growth of silver on gold.</a> The Journal of Physical Chemistry Letters. 11 (8), 2830-2837 (2020).</li>
<li>Alloyeau, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unravelling+kinetic+and+thermodynamic+effects+on+the+growth+of+gold+nanoplates+by+liquid+transmission+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Unravelling kinetic and thermodynamic effects on the growth of gold nanoplates by liquid transmission microscopy.</a> Nano Letters. 15 (4), 2574-2581 (2015).</li>
<li>Gao, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+in+situ+observation+and+analysis+of+the+formation+of+palladium+nanocrystals+with+high-index+facets%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Direct in situ observation and analysis of the formation of palladium nanocrystals with high-index facets.</a> Nano Letters. 18 (11), 7004-7013 (2018).</li>
<li>Liao, H. -G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Facet+development+during+platinum+nanocube+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Facet development during platinum nanocube growth.</a> Science. 345, 916-919 (2014).</li>
<li>Tan, S. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+imaging+of+the+formation+of+Au-Ag+core-shell+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Real-time imaging of the formation of Au-Ag core-shell nanoparticles.</a> Journal of the American Chemical Society. 138 (16), 5190-5193 (2016).</li>
<li>Khelfa, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selective+shortening+of+gold+nanorods%3A+when+surface+functionalization+dictates+the+reactivity+of+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Selective shortening of gold nanorods: when surface functionalization dictates the reactivity of nanostructures.</a> Nanoscale. 12, 22658-22667 (2020).</li>
<li>Schneider, N. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron-water+interactions+and+implications+for+liquid+cell+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Electron-water interactions and implications for liquid cell electron microscopy.</a> Journal of Physical Chemistry C. 118, 22373-22382 (2014).</li>
<li>Ahmad, N., Le Bouar, Y., Ricolleau, C., Alloyeau, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+of+dendritic+nanostructures+by+liquid-cell+transmission+electron+microscopy%3A+a+reflection+of+the+electron-irradiation+history%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Structural+and+Chemical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Growth of dendritic nanostructures by liquid-cell transmission electron microscopy: a reflection of the electron-irradiation history.</a> Advanced Structural and Chemical Imaging. 2, 9(2016).</li>
<li>Khelfa, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+analysis+of+single+nanoparticles+in+liquid+by+low-dose+STEM+nanodiffraction%5BTitle%5D)+AND+%22Micron%22%5BJournal%5D)">Structural analysis of single nanoparticles in liquid by low-dose STEM nanodiffraction.</a> Micron. 116, 30-35 (2019).</li>
<li>Ahmad, N., Wang, G., Nelayah, J., Ricolleau, C., Alloyeau, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Driving+Reversible+Redox+Reactions+at+Solid%2FLiquid+Interfaces+with+the+Electron+Beam+of+a+Transmission+Electron+Microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Microscopy%22%5BJournal%5D)">Driving Reversible Redox Reactions at Solid/Liquid Interfaces with the Electron Beam of a Transmission Electron Microscope.</a> Journal of Microscopy. 269, 127-133 (2018).</li>
<li>Schneider, N. M., Park, J. H., Norton, M. M., Ross, F. M., Bau, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+analysis+of+evolving+interfaces+during+in+situ+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Structural+and+Chemical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Automated analysis of evolving interfaces during in situ electron microscopy.</a> Advanced Structural and Chemical Imaging. 2, (2016).</li>
<li>Yao, L., Ou, Z., Luo, B., Xu, C., Chen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Machine+learning+to+reaveal+nanoparticle+dynamics+from+liquid-phase+TEM+videos%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Central+Science%22%5BJournal%5D)">Machine learning to reaveal nanoparticle dynamics from liquid-phase TEM videos.</a> ACS Central Science. 6, 1421-1430 (2020).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

El protocolo descrito permite seguir la nucleación y el crecimiento de nanopartículas de oro impulsadas por radiólisis en un medio líquido de temperatura controlada. Combinado con el procesamiento de vídeo automatizado, permite medir el efecto de la temperatura sobre parámetros clave de la síntesis de nanopartículas como la densidad, el tamaño, la forma y la estructura atómica de las nanopartículas. Estos valiosos insumos permiten evaluar el efecto de la temperatura sobre las tasas de nucleación y crecimiento, detectar posibles transiciones de fase y visualizar los procesos de facetado que dictan el resultado final de las soluciones coloidales. Junto con la posibilidad de controlar la composición de los medios reactivos, la TEM de células líquidas con temperatura controlada es otro paso hacia la observación directa de los procesos de nucleación y crecimiento de diversas nanoestructuras en condiciones de síntesis realistas. La interpretación de los resultados presentados en este artículo y su comparación con los modelos de nucleación y crecimiento se discutirá en otra parte. Aquí, queremos destacar varios aspectos metodológicos que deben ser considerados para llevar a cabo experimentos tem in situ relevantes.
En primer lugar, es crucial identificar los efectos del haz de electrones en los medios de reacción porque pueden influir drásticamente en los resultados del experimento. Aquí, como la radiólisis del agua es la fuerza impulsora de la formación de nanopartículas, la velocidad de crecimiento aumenta rápidamente con la tasa de dosis de electrones que afectará la forma final de los nanoobjetivos11,15. Por lo tanto, para estudiar los efectos de la temperatura sobre la nucleación y el crecimiento de las nanopartículas, es necesario comparar los experimentos de crecimiento adquiridos con la misma tasa de dosis de electrones. En el modo STEM, la tasa de dosis de electrones corresponde a la corriente del haz (en electrones por segundo) dividida por el tamaño de la imagen (en nm2). Por lo tanto, una tasa de dosis de electrones constante implica mantener la misma corriente de haz (es decir, la misma apertura del condensador y el mismo tamaño de punto) y el mismo aumento para cada experimento. Cuantificar la corriente del haz de las condiciones de imagen utilizando una cámara CCD o una taza de Faraday es importante para interpretar y reproducir los datos. La magnificación y la tasa de dosis resultante deben seleccionarse en función de si se desea visualizar el crecimiento de un gran conjunto de nanopartículas para extraer resultados estadísticamente relevantes sobre la cinética de crecimiento (Figura 5) o los mecanismos de crecimiento a escala de nanopartícula única para identificar los sitios de adsorción preferencial en las superficies de nanopartículas (Figura 10). Si los procesos de nucleación y crecimiento son demasiado rápidos, particularmente a gran aumento, se debe seleccionar una apertura de condensador pequeña y un tamaño de punto pequeño para minimizar la tasa de dosis. La nucleación y el crecimiento de las nanopartículas también pueden ralentizarse al reducir la concentración de precursores metálicos en la solución analizada, pero tenga en cuenta que la concentración de productos radiolíticos aumentará con la temperatura. De manera general, también es importante tener en cuenta el historial de irradiación de electrones de toda la muestra. Aquí, por ejemplo, si se realizan rápidamente varios experimentos de crecimiento en áreas cercanas entre sí, la densidad de nanopartículas disminuirá con el tiempo porque la concentración de precursores de oro en el área estudiada disminuye. Este efecto se puede minimizar separando los experimentos de crecimiento tanto en el espacio como en el tiempo y utilizando el soporte de líquido en modo de flujo.
Los algoritmos de seguimiento de interfaz son extremadamente útiles para automatizar el análisis de videos y extraer resultados cuantitativos sobre la nucleación y el crecimiento de grandes ensamblajes de nanopartículas. Sin embargo, vale la pena señalar que el paso de binarización de imágenes siempre es específico de los datos, lo que significa que los filtros y el procesamiento de datos que se deben aplicar en las imágenes para optimizar la detección de la interfaz nanopartícula / líquido variarán de un experimento a otro. Además, es esencial comparar los resultados de estos análisis automatizados con las mediciones manuales realizadas en unas pocas imágenes para optimizar el flujo de trabajo de procesamiento de imágenes y conocer sus limitaciones. Aquí, por ejemplo, múltiples eventos de dispersión en las nanopartículas 3D cada vez más gruesas formadas a alta temperatura induce una inversión de contraste de su núcleo después de 30 segundos de observación porque el ensanchamiento angular de electrones dispersos resulta en una disminución de la señal recogida en el rango angular del detector anular. Para seguir midiendo el área de superficie real de estas nanopartículas, utilizamos un proceso de datos de "agujeros de relleno" después de la binarización de la imagen que llena el círculo interno de contrastes de forma de anillo (Figura 7F,G). Sin embargo, tuvimos que usar una pequeña dilatación de los objetos para asegurarnos de que estos contrastes de forma de anillo siempre estén completamente conectados. Este último paso conduce a una ligera sobrevaloración de la superficie media de las nanopartículas en las mediciones automatizadas (Figura 9). Del mismo modo, para la detección de nanopartículas, tenemos que definir un tamaño mínimo de objetos detectados (Smim)para evitar detectar el ruido, pero este parámetro afecta a la tasa de nucleación medida. Como se ve en la Figura 8,el número de nanopartículas detectadas aumenta al comienzo del experimento hasta alcanzar una meseta. Cuando Smin es grande (50 píxeles2 correspondientes a 1543 nm2),las mediciones automáticas y manuales se acuerdan sobre el nivel de esta meseta (835 nanopartículas después de 60 segundos) pero la detección de nanopartículas se retrasa en el análisis automático ya que 835 nanopartículas se cuentan manualmente después de solo 12 s, pero no se detectan automáticamente hasta más tarde. Este tiempo de detección extendido conduce a una subvaloración de la tasa de nucleación. La reducción de Smin a 20 píxeles2 (es decir, 617 nm2)reduce el error en el tiempo de nucleación del ensamblaje de nanopartículas, pero conduce a una sobrevaloración de la densidad de nanopartículas, especialmente en la etapa temprana de los experimentos (Figura 8), que también afecta a la tasa de nucleación. La detección y las mediciones de tamaño y forma de nanoobjetos con un comportamiento muy dinámico y una baja relación señal/ruido es un desafío común en tem en fase líquida que puede mejorarse aún más utilizando otros métodos de segmentación y denoización24 o enfoques de aprendizaje automático25.
Por último, pero no menos importante, la preparación de la célula líquida y la limpieza del soporte de líquido deben realizarse con mucho cuidado para evitar contaminaciones de los medios de reacción.
En general, el control de la temperatura de la muestra durante los análisis LCTEM ofrece la oportunidad de investigar los efectos térmicos sobre las reacciones químicas que se producen en la interfaz entre sólidos y líquidos. Por lo tanto, esperamos que el presente método allane el camino a otros experimentos tem in situ diseñados para revelar la dinámica de materiales duros, blandos o biológicos en medios líquidos de temperatura controlada.

Las nanopartículas metálicas (NPs) tienen propiedades fisicoquímicas prometedoras que pueden ser utilizadas en diversos dominios como la detección óptica1,la medicina2 o la energía3. La síntesis química húmeda es un método muy versátil para fabricar NPs de metal con un tamaño y una forma bien definidos. En las últimas décadas, se han desarrollado muchas estrategias para obtener control sobre la síntesis de NPs: crecimiento mediado por semillas4,método de bloqueo facial5, síntesiscinéticamente controlada6,grabado selectivo7 o síntesis de temperatura controlada8. Sin embargo, mientras que las reacciones químicas que impulsan la síntesis son bastante simples, los mecanismos de nucleación y crecimiento no lo son, porque muchos parámetros juegan un papel en los procesos de formación y su influencia individual es difícil de recuperar de las instantáneas ex situ de los nanomateriales resultantes extraídos de su medio de formación en puntos de tiempo dados de la síntesis. Para comprender realmente los procesos de nucleación y crecimiento y establecer formas de controlarlos, debemos emplear herramientas in situ que permitan su observación en tiempo real en un entorno líquido finamente controlado.
En ese sentido, la Microscopía Electrónica de Transmisión de Células Líquidas (LCTEM) ha sido un método muy poderoso para arrojar nueva luz sobre la síntesis de nanopartículas metálicas9,10,11,12,13. Al obtener imágenes de la dinámica de nanoestructuras individuales directamente en sus medios de formación líquida, esta técnica ha proporcionado una comprensión más profunda de los mecanismos de nucleación y crecimiento, en particular el papel de los defectos cristalinos, la morfología de semillas y los ligandos orgánicos que permiten impulsar procesos de crecimiento direccional o grabado yobtener nanomateriales con formas específicas (nanorods, nanoestrellas, nanoplacas, nanoconchas)10,11, 12,13,14,15,16,17,18,19. Cuando el haz de electrones de un TEM interactúa con líquidos, los procesos de radiólisis producen fuertes especies reductoras y oxidantes que modifican la química de la solución en el área irradiada y se pueden utilizar para impulsar procesos de crecimiento o grabado. Curiosamente, se sabe que la concentración de productos radiolíticos aumenta con la tasa de dosis de electrones, un parámetro que se puede ajustar con precisión en un microscopio electrónico20. Por lo tanto, esta dependencia de la tasa de dosis de la radiólisis se ha explotado para controlar la velocidad de reacción y revelar efectos cinéticos sobre los procesos de formación y la morfología final de las nanoestructuras11,15,20.
Aunque la temperatura es un parámetro crucial en la síntesis de nanomateriales, sus efectos no han sido investigados cuidadosamente hasta ahora por LCTEM, porque las células líquidas comerciales con un control de temperatura confiable se han desarrollado recientemente. Sin embargo, tales estudios in situ son indispensables para desentrañar la compleja cinética y los efectos termodinámicos inducen por los cambios de temperatura. De hecho, por un lado el aumento de la temperatura tiene impactos drásticos en los procesos de facetado durante el crecimiento, acelera la difusión atómica y molecular en líquido y modifica las velocidades de reacción. Por otro lado, el diagrama de nanofases de nanoestructuras también es muy sensible a la temperatura. En este artículo, explotamos las células líquidas de calentamiento recientemente desarrolladas para seguir el crecimiento radiolítico de nanopartículas de oro en agua con un control de temperatura entre la temperatura ambiente y 100 °C. Esta metodología que combina imágenes STEM y difracción en un entorno que se acerca cada vez más a las condiciones reales de síntesis reduce la brecha entre las observaciones tem in situ y las síntesis a escala de banco.

<table><tbody><tr><td>Microscopio electrónico 2100 Plus</td><td>Jeol</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Acetona</td><td>Merck</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pistola</td><td></td><td></td><td></td>de aire</tr><tr><td>comprimido ARM 200F Microscopio electrónico</td><td>Jeol</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Prismáticos o microscopio</td><td></td><td></td><td></td>óptico</tr><tr><td>Pinzas</td><td></td><td></td><td></td>con punta de carbono</tr><tr><td>Ordenador con software de calefacción</td><td>Software de Protochips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Agua</td><td></td><td></td><td></td>destilada</tr><tr><td>Chips electrónicos ficticios</td><td>Protochips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Juntas/juntas tóricas</td><td>Protochips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Solución acuosa de oro</td><td>Merck</td><td></td><td>1 mM de HAuCl4 - Preparado de antemano</td></tr><tr><td>Protochips</td><td></td><td></td> <td>E-chip de calentamiento de líquidos de gran tamaño</td></tr><tr><td>Metanol</td><td>Cámara Merck</td><td></td><td></td></tr><tr><td>One View Placa</td><td></td> de Petri Gatan <td></td><td></td></tr><tr><td>Número : 2</td><td></td> Limpiador de plasma Gatan Poseidon Select Protochips Soporte de celda líquida Fuente de alimentación Keithley 2450 Guantes de protección <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tubo de</td><td></td><td></td> PEEK rojo <td>Número : 3</td></tr><tr><td>Destornillador con par de apriete</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Protochips</td><td></td><td>E-chip de líquido pequeño</td><td>Espaciadores de 150 nm</td></tr><tr><td>Detector STEM HAADF</td> Software <td>Jeol</td><td></td><td></td></tr><tr><td>STEMx Número</td><td></td> de jeringa Gatan <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>: 2</td>Bomba de jeringa <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Número de aparato</td><td></td> Harvard <td>: 2</td></tr><tr><td>Bomba de vacío</td><td>Gatan</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

estudio de los efectos de la temperatura en la nucleación y el crecimiento de las nanopartículas por microscopía electrónica de transmisión de células líquidas

Studying the Effects of Temperature on the Nucleation and Growth of Nanoparticles by Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy

El control de temperatura es un desarrollo reciente que proporciona un grado adicional de libertad para estudiar la nanoquímica mediante microscopía electrónica de transmisión de células líquidas. En este trabajo, se describe cómo preparar un experimento de calentamiento in situ para estudiar el efecto de la temperatura en la formación de nanopartículas de oro impulsadas por la radiólisis en el agua. El protocolo del experimento es bastante simple, involucrando una celda líquida especial con capacidades de calentamiento uniformes de hasta 100 °C, un soporte TEM de celda líquida con capacidades de flujo y una interfaz integrada para controlar la temperatura. Mostramos que los mecanismos de nucleación y crecimiento de las nanopartículas de oro se ven drásticamente afectados por la temperatura en las células líquidas. Utilizando imágenes STEM y nanodiffraction, la evolución de la densidad, el tamaño, la forma y la estructura atómica de las nanopartículas en crecimiento se revelan en tiempo real. Los algoritmos automatizados de procesamiento de imágenes se explotan para extraer datos cuantitativos útiles de secuencias de vídeo, como las tasas de nucleación y crecimiento de las nanopartículas. Este enfoque proporciona nuevos insumos para comprender los complejos procesos fisicoquímicos en juego durante la síntesis en fase líquida de nanomateriales.

La Figura 5 muestra dos series de imágenes STEM HAADF de formación de nanopartículas de oro adquiridas durante 80 segundos a 25 °C y 85 °C. En todos estos experimentos la nucleación y el crecimiento de nanopartículas es impulsado por la radiólisis del agua. Entre las especies químicas generadas por este fenómeno inducido por el haz de electrones, los agentes reductores fuertes (es decir, electrones acuosos y radicales de hidrógeno) pueden reducir el ácido tetracloroáutico que conduce a la formación de nanocristales de oro en la interfaz entre las ventanas de SiN y el líquido. Estas dos observaciones in situ realizadas con la misma tasa de dosis de electrones confirman que el presente método permite visualizar el impacto drástico de la temperatura en la formación de nanopartículas en medios líquidos. A baja temperatura, observamos el crecimiento de un conjunto muy denso de pequeñas nanopartículas, mientras que a alta temperatura se obtienen unas cuantas nanoestructuras grandes y bien facetadas. Como el contraste de las imágenes STEM HAADF es proporcional al grosor de las nanopartículas de oro, podemos ver que durante estos experimentos de crecimiento se forman dos poblaciones de objetos: nanopartículas 3D altamente contrastadas y grandes nanoestructuras 2D con forma triangular o hexagonal y un contraste más bajo (indicado por flechas rojas en la Figura 5).
El método de análisis de vídeo descrito en este protocolo permite cuantificar los procesos de nucleación y crecimiento midiendo a lo largo del tiempo el número de nanopartículas y su superficie media en la zona observada. Como se ve en la Figura 8,a baja temperatura se forman más de 800 nanopartículas en unas pocas decenas de segundos de observación, mientras que solo se forman 30 nanopartículas a alta temperatura. Aparte de dos nanoplacas triangulares y hexagonales, todas las nanopartículas ya están presentes en la primera imagen del seguimiento a alta temperatura. La Figura 9 muestra que el área media de superficie de las nanopartículas aumenta 40 veces más rápido a 85 °C que a 25 °C.
La Figura 6 representa una imagen STEM típica y el patrón de difracción de dos nanopartículas de oro que han sido seleccionadas directamente en la imagen (indicadas por flechas rojas en la Figura 6A). Aquí, podemos identificar la estructura cúbica centrada en la cara (FCC) del oro orientado a lo largo de los ejes de zona [001] (Figura 6B) y [112] (Figura 6C).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig01.jpg"> Figura 1: Esquema de los E-chips y la punta del soporte de celda líquida. (A) El e-chip grande con la resistencia utilizada para calentar la celda líquida (arriba) y el pequeño E-chip (abajo). (B) Ambos E-chips se cargan en el soporte de celda líquida. Los electrodos del E-chip grande están en contacto con las almohadillas del electrodo del soporte de la célula líquida. La resistencia del E-chip grande puede calentar la célula líquida. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.</a> 
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig02.jpg"> Figura 2: Imágenes de microscopio óptico de E-chips que ilustran: (A) Una ventana de SiN intacta que es necesaria para el experimento. (B) Una oblea de silicio dañada en el borde del E-Chip. Este tipo de E-chips se puede utilizar si el área dañada está fuera del área húmeda una vez que la celda líquida está sellada (es decir, si el daño está fuera del área definida por las juntas tóricas). (C) Residuos en la superficie del E-chip. Si dichos residuos no salen después de repetir los procesos de limpieza (ver sección 4.1), no utilice el chip E. (D a F) Ventanas SiN dañadas (E-chips inutilizables). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig02large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig03.jpg"> Figura 3: Fotos del proceso paso a paso de la carga de la celda líquida en el soporte TEM. (A) Porta muestra solamente. (B) Coloque la junta tórica en la cavidad. (C) Inserte el pequeño E-chip en las juntas tóricas de la junta. (D) Poner una gota de solución en los pequeños E-chips. (E) Ponga el E-chip grande sobre el pequeño. (F) Selle toda la celda líquida atornillando la tapa. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig03large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig04.jpg"> Figura 4: Captura de pantalla del software de calefacción que controla la temperatura de la celda líquida. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig04large.jpg" target="_blank">figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig05.jpg"> Figura 5:Serie de imágenes STEM HAADF de bajo aumento del crecimiento de nanopartículas de oro. a) a 25 °C. b) a 85 °C. La hora correspondiente se indica en la esquina inferior izquierda de cada imagen. Las nanoestructuras 2D están indicadas por flechas rojas. Todas las imágenes se adquieren con la misma tasa de dosis de electrones de 3,4 electrones·s-1·nm-2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig05large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig06.jpg"> Figura 6:Nanodiffraction STEM de nanopartículas individuales. (A) Imagen STEM utilizada para seleccionar las nanopartículas de difracción (las posiciones de la sonda durante las adquisiciones de difracción se indican mediante flechas rojas). B, C) Patrón de difracción de las dos nanopartículas seleccionadas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig06large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig07.jpg"> Figura 7:Procesamiento de datos y análisis de imágenes STEM HAADF utilizando Fiji. Las imágenes fueron adquiridas 40 segundos después del comienzo del crecimiento. (A a C) Imagen adquirida a 25 °C. (D a G) Imagen adquirida a 85 °C. (A,D) Imagen STEM en bruto. B, E) Imagen procesada (filtro mediano). (C,F) Imagen binaria. (G) Se aplica una dilatación de los píxeles dos veces y se aplica el proceso de "Rellenar agujeros". <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig07large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig08.jpg"> Figura 8: Gráfico que representa el número de nanopartículas de oro en función del tiempo a 25 °C y 85 °C. Las dos curvas a 25°C se miden automáticamente con un tamaño de detección mínimo (Smin)de 20 (rojo) y 50 (azul) píxeles2. Los puntos verdes medidos después de 12 y 60 segundos de adquisición representan el número de nanopartículas contadas manualmente en el video adquirido a 25 °C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig08large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig09.jpg"> Figura 9: Gráficos que representan la superficie media de las nanopartículas de oro en función del tiempo para 25 °C y 85 °C. Los puntos verdes representan mediciones manuales del área promedio de nanopartículas en puntos de tiempo dados del video adquirido a 85 ° C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig09large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig10.jpg"> Figura 10:Serie de imágenes STEM HAADF de alto aumento del crecimiento de un solo nanocubo de oro a 85 °C. Esta serie de imágenes se adquirió con una tasa de dosis de electrones de 83,6electrones-1.nm-2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig10large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.</a>

El control de la temperatura durante los experimentos de microscopía electrónica en fase líquida abre nuevas perspectivas para estudiar la dinámica de las nanopartículas en entornos líquidos que imitan su formación o medios de aplicación. Utilizando células líquidas de calentamiento recientemente desarrolladas, observamos directamente la influencia de la temperatura en los procesos de nucleación y crecimiento de las nanopartículas de oro en el agua.

Estudio De Los Efectos De La Temperatura En La Nucleación Y El Crecimiento De Las Nanopartículas Por Microscopía Electrónica De Transmisión De Células Líquidas

Temperature control is a recent development that provides an additional degree of freedom to study nanochemistry by liquid cell transmission electron ...

El control de temperatura es un desarrollo reciente que proporciona un grado adicional de libertad en el estudio de la nanoquímica mediante microscopía electrónica de transmisión de células líquidas, en particular la formación de nanopartículas de oro en solución. Esta metodología permite obtener imágenes de la dinámica de nanoestructuras individuales en líquido con un gran control sobre la composición y temperatura del medio ambiente en condiciones sintéticas realistas. Curiosamente, este método se puede utilizar para estudiar los efectos de la temperatura en la evolución estructural de nanoobjetos blandos o biológicos en ambientes líquidos imitando su formación o medio de aplicación.Los factores clave de éxito para los experimentos tem líquidos son una preparación de muestra limpia y una consideración de los efectos del haz de electrones en la dinámica de nanopartículas. Para la preparación de células líquidas, primero llene una placa de Petri de vidrio con acetona y otra con metanol en una campana extractora de humos. Coloque un E-Chip pequeño y uno grande en la acetona durante dos minutos antes de mover ambos chips al metanol durante dos minutos.Después del lavado de metanol, use una pistola de aire y pinzas para secar las células y use una lupa binocular o un microscopio óptico para verificar la integridad de la ventana de nitruro de silicio. Si los chips están intactos, limpie por plasma los E-Chips con una mezcla de argón y gas oxígeno durante dos minutos y cargue las juntas tóricas de la junta en el soporte de la célula líquida. Coloque el pequeño E-Chip en el soporte de la celda líquida y deje caer aproximadamente dos microlitros de la muestra líquida de interés en el chip.Usando un pedazo de papel de filtro cortado bruscamente, retire cualquier exceso de líquido del chip hasta que la gota de líquido forme un domo plano y coloque el E-Chip grande en el pequeño lado frontal del E-Chip mirando hacia abajo. Deslice la tapa de nuevo sobre el soporte de la celda líquida y apriete gradualmente cada tornillo. Use papel de filtro para eliminar cualquier exceso de líquido de las virutas, girando el soporte de celda líquida alrededor de su eje para asegurarse de que todo el líquido se capture.Pruebe el sellado al vacío de la celda líquida en una estación de bombeo. Si el nivel de vacío de la bomba alcanza cinco veces 10 a los dos pascales negativos, verifique la integridad de la ventana de nitruro de silicio una última vez y cargue el soporte de celda líquida en el microscopio. Para configurar el modo de flujo, cargue una jeringa con la solución de interés y conecte dos tubos de pico externos a la jeringa.Coloque la jeringa en la bomba de la jeringa e inserte los tubos de pico externos en las entradas del soporte de células líquidas. Inserte un tubo de pico externo adicional para la salida del soporte de celda líquida. Luego inyecte la solución en cada entrada a una velocidad de flujo de cinco microlitros por minuto.Para calentar el ambiente líquido, abra el software de calefacción y enciriendo la fuente de alimentación. Haga clic en el botón Comprobación del dispositivo y abra la pestaña Experimento. Haga clic en Manual para activar el modo de calentamiento manual y seleccione la temperatura objetivo para cambiar la velocidad de temperatura según corresponda al experimento.A continuación, haga clic en Aplicar para calentar los E-Chips a la temperatura objetivo. Para obtener imágenes de la formación impulsada por radiólisis de nanopartículas de oro con una buena relación señal-ruido, en modo STEM-HAADF, identifique un área prístina de la muestra cerca de una esquina de la ventana de observación en la que el espesor del líquido está en un mínimo. Tenga en cuenta las condiciones de imagen, incluido el tamaño del punto, el tamaño de la apertura del condensador y la ampliación para permitir la calibración posterior de la tasa de dosis de electrones y la dosis acumulativa de electrones que irradia el área analizada.A continuación, adquiera videos del crecimiento de nanopartículas a diferentes temperaturas utilizando las mismas condiciones de imagen. Para una sola nanopartícula nanodiffraction, adquiera una imagen STEM-HAADF de varios nanoobjetos y utilice el software STEMx para adquirir el patrón de difracción de nanopartículas individuales dentro de la imagen. Como se observa en estas dos series de imágenes STEM-HAADF, el crecimiento de un conjunto muy denso de pequeñas nanopartículas se puede observar a bajas temperaturas.Mientras que a altas temperaturas, se obtienen unas pocas nanoestructuras grandes y bien facetadas. Como el contraste de las imágenes STEM-HAADF es proporcional al espesor de las nanopartículas de oro, se pueden observar dos poblaciones de objetos formados durante estos experimentos de crecimiento: nanopartículas 3D altamente contrastadas y grandes nanoestructuras 2D con una forma triangular o hexagonal y un contraste más bajo. El procesamiento automatizado de vídeo, como se demuestra en este método, permite medir las tasas de nucleación y crecimiento de las nanopartículas.A bajas temperaturas, se forman más de 800 nanopartículas en unas pocas decenas de segundos de observación, mientras que solo se forman 30 nanopartículas en la misma cantidad de tiempo a una temperatura alta. Por el contrario, el área media de superficie de las nanopartículas aumenta 40 veces más rápido a 85 grados Centígrados que a 25. Aquí, se puede observar el patrón de difracción de dos nanopartículas de oro que se han seleccionado directamente de una imagen STEM típica.Se puede identificar la estructura cúbica centrada en la cara de los ejes de zona 001 y 112 de vista larga orientada al oro. El estudio de los efectos de la temperatura sobre la nucleación y el crecimiento de nanopartículas por TEM de células líquidas requiere una comparación de los vídeos adquiridos con la misma tasa de dosis de electrones porque la radiólisis también tiene un impacto en la formación de nanopartículas. Las caracterizaciones ex situ sem o TEM se pueden realizar después de desprenstembrar la celda líquida para analizar más a fondo las estructuras de nanoobjetos.La temperatura controlada de células líquidas TEM proporciona una oportunidad para investigar el efecto de la temperatura en las muchas otras reacciones químicas que ocurren en la interfaz entre sólidos y líquidos, abriendo muchas vías en materiales, vida y ciencias de la Tierra.

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Research

Investigación

JoVE Journal

Chemistry

Química

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El presente protocolo describe modificaciones del microscopio electrónico de transmisión (TEM) con un sistema de iluminación de luz, la fabricación de células líquidas y observaciones TEM in situ de interacciones inducidas por la luz entre células bacterianas y un fotosensibilizador. También se discuten los métodos de preparación de muestras, el daño del haz de electrones y las imágenes.

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Aquí, presentamos un protocolo para utilizar software de visión artificial para estabilizar procesos dinámicos durante las imágenes TEM, mientras indexamos simultáneamente múltiples flujos de metadatos a cada imagen en una línea de tiempo navegable. Demostramos cómo esta plataforma permite la calibración automatizada y el mapeo de la dosis de electrones en el transcurso de un experimento.

Un enfoque de visión artificial para flujos de trabajo de microscopía electrónica de transmisión, análisis de resultados y gestión de datos

Traza vapores explosivos de TNT y RDX recogidos en tubos de desorción térmica de sorbente lleno se analizaron mediante un sistema de desorción a temperatura programada acoplada a GC con un detector de captura de electrones. El análisis instrumental se combina con el método de deposición directa de líquido para reducir la variabilidad de la muestra y de la cuenta de la deriva y las pérdidas de la instrumentación.

Detección Cuantitativa de la traza vapores explosivos por desorción a temperatura programada Gas Detector de Captura de Electrones Cromatografía

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Fotoquímico oxidativo Crecimiento de iridio nanopartículas de óxido de CdSe @ CdS Nanorods

Aprende a estudiar la nucleación y crecimiento de nanopartículas de oro mediante microscopía electrónica de transmisión de células líquidas con control térmico. Este protocolo permite observar dinámicas en tiempo real hasta 100°C.

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Estudio De Los Efectos De La Temperatura En La Nucleación Y El Crecimiento De Las Nanopartículas Por Microscopía Electrónica De Transmisión De Células Líquidas

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