Name: In Situ Caractérisation des particules de Boehmite dans l’eau à l’aide de liquide SEM (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 59 s
Description: Apprenez l'imagerie in situ de particules de boehmite dans l'eau par microscopie électronique à balayage liquide. Cette méthode permet la visualisation directe sans séchage ni congélation.

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Nous sommes reconnaissants à la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) nucléaire processus Science Initiative (NPSI)-laboratoire réalisé recherche et développement (LDRD) Fonds d’appui. Dr Sayandev Chatterjee a fourni les particules de la boehmite synthétisées. Accès instrumental a été fourni par une proposition d’utilisation générales de W. R. Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL). EMSL est une installation utilisateur scientifique national parrainée par la Office of Biological and Environmental Research (BER) à PPNL. PPNL est exploité par Battelle pour l’entité opérationnelle désignée en vertu du contrat DE-AC05-76RL01830.

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

SEM est une technique puissante dans la caractérisation de surface de matériaux organiques et inorganiques sur un niveau de l’échelle du nanomètre (nm) avec haute résolution1. Par exemple, il est largement utilisé pour analyser les échantillons secs et solides tels que les matériaux géologiques semi-conducteurs et26 27. Toutefois, il a des limites à caractériser les échantillons liquides et humides en raison de l’incompatibilité des liquides dans l’e...

Microscope électronique à balayage (MEB) a été largement appliqué pour enquêter sur une variété de spécimens en produisant d’imagerie haute résolution1. La spectroscopie de x dispersive en énergie (EDX) associée à la SEM permet la détermination de la composition élémentaire1. Traditionnellement, SEM est appliqué pour l’imagerie des échantillons seulement secs et solides. Au cours des 30 dernières années, SEM environnemental (ESEM) a été développé pour analyser les échantillons hydratés partielles dans une vapeur environnement2,3,4,5. Cependant, ESEM est incapable de représenter les échantillons humides, entièrement fluides avec désiré haute résolution6. Les cellules humides SEM ont également été développés aux spécimens image humide à l’aide de SEM7,8; Néanmoins, ces cellules ont été développés principalement pour les spécimens biologiques rétrodiffusée imagerie électronique et ne sont plus accessibles pour les applications avec ces conceptions9,10.
Pour relever les défis dans l’analyse des échantillons variés dans leur environnement natif de liquide à l’aide de SEM, nous avons inventé un dispositif microfluidique compatible sous vide, système d’analyse à l’Interface liquide de vide (SALVI), pour permettre une résolution spatiale élevée secondaire analyse élémentaire et d’imagerie électronique (SE) d’échantillons liquides utilisant le mode de vide élevé en SEM Cette nouvelle technique comprend les particularités suivantes : 1) est détecté directement en liquide dans une petite ouverture de 1 à 2 µm de diamètre ; 2) liquide est maintenu dans le trou par la tension superficielle ; et 3) SALVI est portable et peut être adapté à plus d’une plate-forme analytique11,12,13,14,15,16,17 ,,18.
SALVI se compose d’une membrane de nitrure (péché) de silicium épais nm 100 et un microchannel large de 200 µm en bloc de polydiméthylsiloxane (PDMS). La fenêtre de membrane de péché est appliquée pour sceller le microcanaux. Les détails de fabrication et les considérations clés de conception ont été détaillées dans les documents précédents et brevets11,19,20. Actuellement, un important fabricant et distributeur de consommables d’alimentation pour la microscopie a acheté la licence pour vendre des dispositifs SALVI commercialement pour liquide SEM demandes21,22.
Les applications de SALVI en instruments d’analyse axée sur la dépression ont été démontrées à l’aide d’une variété de solutions aqueuses et les mélanges liquides complexes dont les biofilms, les cellules de mammifères, nanoparticules et électrode matériaux12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. Cependant, la plupart des travaux susmentionné utilisés spectrométrie de masse à ions secondaires de temps de vol (ToF-SIMS) comme l’outil d’analyse clé, donc l’application du liquide SEM avec SALVI n’a pas été entièrement exploré. Dans cet ouvrage, SALVI a été utilisé pour étudier les plus grosses particules colloïdales non sphériques en liquide à l’aide de liquide SEM imagerie et analyse élémentaire EDX. L’échantillon est composé de particules AlOOH synthétisés dans notre laboratoire. Les particules de taille SUBMICROMETRIQUES boehmite sont connues pour exister dans les déchets hautement radioactifs sur le site de Hanford. Ils sont lents à se dissoudre et peuvent provoquer des problèmes rhéologiques dans le traitement des déchets. Par conséquent, il est important d’avoir la capacité de caractériser les particules de la boehmite en liquide25. Cette approche technique peut servir à étudier la boehmite dans diverses conditions physico-chimiques pour une meilleure compréhension de ces particules et des propriétés rhéologiques connexes. Ces particules ont été utilisés pour démontrer étape par étape comment appliquer SALVI à vide élevé SEM afin d’étudier les particules en suspension dans un liquide. Principaux points techniques d’intégration SALVI et SEM et d’acquisition de données SEM sont soulignées dans le document.
Le protocole prévoit la démonstration de l’analyse de l’échantillon liquide à l’aide de SALVI et l’imagerie SEM liquide, pour ceux qui sont intéressés à utiliser cette nouvelle technique dans diverses applications de liquide SEM à l’avenir.

<table><tbody><tr><td>Revêtement de carbone</td><td>Cressington</td><td>208 Carbon</td><td>Il est accompagné d’un moniteur d’épaisseur MTM-10.</td></tr><tr><td>SEM</td><td>FEI</td><td>Quanta 3D FEG</td><td>Il fournit une microscopie électronique à balayage à haute résolution et une analyse élémentaire.</td></tr><tr><td>Système d’analyse à l’interface du vide liquide (SALVI)</td><td>Pacific Northwest National Laboratory</td><td>N/A</td><td>SALVI est une cellule microfluidique unique, compatible avec le vide, qui permet la caractérisation de l’échantillon liquide à l’aide d’un instrument scientifique à vide vide.</td></tr><tr><td>Union PEEK</td><td>Valco</td><td>ZU1TPK</td><td>L’union polyéther éther cétone est utilisée pour connecter l’entrée et la sortie de la seringue SALVI</td></tr><tr><td></td><td>BD</td><td>309659</td><td>1 mL</td></tr><tr><td>Pipette</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>21-377-821</td><td>Gamme : 100 à 1 000 mL</td></tr><tr><td>Pointe de pipette 1</td><td>Neptune</td><td>2112.96.BS</td><td>1 000 &micro ; L</td></tr><tr><td>Pointe de pipette 2</td><td>Rainin</td><td>17001865</td><td>20 &micro ; L</td></tr><tr><td>Pompe à seringue</td><td>Harvard Apparatus</td><td>70-2213</td><td>Il est utilisé pour injecter l’échantillon liquide dans le dispositif SALVI.</td></tr><tr><td>pH-mètre</td><td>Fisher Scientific/accumet</td><td>13-636-AP72</td><td>Il est utilisé pour mesurer le pH de l’AlOOH dans l’eau DI.</td></tr><tr><td>Système d’eau ultra-pure Barnstead, UV/UF</td><td>Thermo Scientific Barnstead</td><td>Diamant nanopur D11931</td><td>Il est utilisé pour la production d’eau DI.</td></tr><tr><td>Tubes à centrifuger</td><td>Fisher scientific/Falcon</td><td>15-527-90</td><td>15 mL</td></tr><tr><td>Nettoyeur à ultrasons Bransonic</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>2510</td><td>Il est utilisé pour ultrasoniser l’échantillon liquide AlOOH.</td></tr><tr><td>Balance</td><td>Mettler Toledo</td><td>11106015</td><td>XS64</td></tr><tr><td>AlOOH</td><td>Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique</td><td>N/A</td><td>Il est synthétisé par les scientifiques du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique.</td></tr><tr><td>Contrôle du microscope xT</td><td>FEI</td><td>Quanta 3D FEG</td><td>Logiciel de contrôle de microscope par défaut de SEM Quanta 3D FEG</td></tr><tr><td>EDAX Logiciel Genesis</td><td>EDAX</td><td>N/A</td><td>Le logiciel est utilisé pour collecter les informations élémentaires EDX des échantillons.</td></tr><tr><td>Tube en téflon</td><td>SUPELCO</td><td>58697-U</td><td>Il est utilisé pour introduire l’échantillon dans le microcanal et maintenir un volume adéquat de liquide.</td></tr></tbody></table>

in situ caractérisation des particules de boehmite dans l’eau à l’aide de liquide sem

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

Analyse des particules de la boehmite (AlOOH) dans de l’eau élémentaire et d’imagerie in situ est réalisée en utilisant le système d’analyse à l’Interface liquide de vide (SALVI) et la microscopie électronique à balayage (MEB). Cet article décrit la méthode et les principales étapes d’intégration le vide compatible SAVLI SEM et obtention d’électrons secondaires (SE) images de particules dans un liquide en vide poussé. Spectroscopie de rayons x dispersive en énergie (EDX) est utilisée pour obtenir l’analyse élémentaire des particules dans les échantillons de liquide et de contrôle dont seulement l’eau désionisée (DI) et un canal vide aussi bien. Particules synthétisées boehmite (AlOOH) en suspension dans le liquide sont utilisés comme modèle dans l’illustration liquide de SEM. Les résultats démontrent que les particules peuvent être photographiées dans la mode SE avec une bonne résolution (c'est-à-dire400 nm). Le spectre de AlOOH EDX montre un signal important de l’aluminium (Al) en comparaison avec l’eau de DI et le contrôle de la chaîne vide. In situ liquide SEM est une technique puissante pour étudier les particules dans un liquide avec de nombreuses applications intéressantes. Cette procédure a pour but de fournir le savoir-faire technique pour mener à bien liquide SEM imagerie et analyse EDX SALVI et de réduire les pièges potentiels lors de l’utilisation de cette approche.

Les résultats représentatifs sont présentés pour montrer comment les particules sont imagés et analysées in situ liquide SEM imagerie associée à EDX. Les résultats incluent SE images et spectres EDX. Les images SE ont été obtenus à X de 100 000 et 200 000 niveaux de grossissement de X dans la Figure 1. Figure 1 a représente l’image SE de la AlOOH, Figure 1 b DI eau et Fi...

Nous présentons une procédure d’imagerie en temps réel et analyse de la composition élémentaire de la boehmite particules dans l’eau désionisée par in situ en microscopie électronique à balayage liquide.

In Situ Caractérisation des particules de Boehmite dans l’eau à l’aide de liquide SEM

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

L'objectif général de cette procédure d'imagerie par microscopie électronique à balayage en milieu liquide *in situ* est de fournir les connaissances techniques nécessaires à l'acquisition efficace d'images et à l'analyse de particules en milieu liquide dans un MEB conventionnel à haut vide, à l'aide d'un module microfluidique compatible avec le vide. Cette méthode permet de répondre à des questions essentielles dans les domaines de la microscopie et de la microanalyse, notamment sur la manière de caractériser l'évolution de la taille et de la morphologie des particules en réponse à des changements environnementaux. Le principal avantage de cette technique réside dans la possibilité de visualiser directement des particules polydisperses en milieu liquide, sans avoir à sécher ou à congeler l'échantillon en mode haut vide, ni à recourir à un MEB environnemental.L'application de cette technique s'étend à l'analyse efficace de divers matériaux liquides et d'échantillons biologiques à l'aide de la MEB, car beaucoup d'entre eux ne fonctionnent ou n'existent qu'en phase liquide. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car les étapes simples de montage et d'imagerie in situ sont difficiles à apprendre, étant donné qu'elles diffèrent de celles utilisées pour les échantillons solides classiques. Commencez cette procédure par le revêtement au carbone du système destiné à l'analyse à l'interface liquide-vide, ou dispositif SALVI, tel que décrit dans le protocole technique.Le montage du dispositif microfluidique sur la platine du MEB est crucial pour la réussite de l'analyse en MEB liquide in situ. Veillez à ce que le dispositif soit correctement mis à la terre et solidement fixé afin de minimiser l'effet de charge avant l'expérience. Pour monter le dispositif SALVI sur la platine du MEB, ouvrez d'abord soigneusement la porte de la chambre d'échantillons du MEB une fois la ventilation terminée.Sélectionnez le porte-échantillon de MEB. Fixez le porte-échantillon au centre de la platine à l’aide du boulon approprié et d’une clé hexagonale. Placez deux bandes de ruban adhésif en carbone double face sur le porte-échantillon.Ensuite, fixez le dispositif SALVI sur le ruban de carbone placé sur le porte-objet, avec le côté de la membrane de nitrure de silicium orienté vers le haut. Immobilisez fermement le SALVI sur le porte-objet à l’aide de deux bandes supplémentaires de ruban de cuivre simple face, afin de lier le bloc PDMS du SALVI au porte-objet de microscope électronique à balayage (MEB). En outre, utilisez les rubans de cuivre pour relier le cadre en nitrure de silicium au porte-objet métallique.Veillez à ce que le ruban ne recouvre pas complètement la membrane de nitrure de silicium. Pour faire le vide dans la chambre d'échantillon, fermez la porte de la chambre d'échantillon, sélectionnez le mode vide élevé dans l'interface logicielle du MEB sous la page de contrôle du faisceau, puis cliquez sur le bouton de pompage de la page de contrôle du faisceau pour commencer la mise sous vide. Appliquez manuellement une pression sur la porte de la chambre jusqu'à ce que le vide souhaité soit établi.Ensuite, créez des ouvertures dans la membrane de nitrure de silicium à l’aide d’un faisceau d’ions focalisés, ou FIB, comme décrit dans le protocole technique. Après avoir suivi la procédure, éteignez le faisceau d’électrons et le faisceau d’ions pour dépressuriser la chambre en cliquant sur « beam on » lorsque la zone d’imagerie correspondante est activée. Cliquez sur « vent » dans la page de contrôle du faisceau pour dépressuriser la chambre d’échantillon.Ouvrez soigneusement la porte de la chambre du MEB après qu'elle soit complètement ventilée, en laissant le dispositif SALVI en place sur la platine. Aspirez un millilitre d'eau déionisée dans une seringue stérile, puis reliez la seringue à l'entrée du dispositif microfluidique à l'aide d'un raccord adaptateur en tétrafluoroéthylène. Injectez lentement le liquide pendant trois à cinq minutes.Répétez ce processus trois fois en utilisant un millilitre d'hydroxyde d'aluminium à dix microgrammes par millilitre afin de garantir que la concentration de l'échantillon ne soit pas diluée par l'eau déionisée préchargée. Après l'injection, retirez la seringue. Connectez l'entrée et la sortie du SALVI à l'aide d'un raccord en polyéthercétone.Asséchez tout liquide à l'extérieur du SALVI à l'aide de lingettes de laboratoire. S'il y a des bulles dans le tube ou le microcanal, recommencez l'injection de l'échantillon jusqu'à ce qu'aucune bulle ne soit visible dans le tube. Pour acquérir des images en utilisant le mode ETD et les électrons secondaires, fermez d'abord la porte de la chambre à échantillons.Après avoir établi le vide souhaité sur la porte de la chambre comme précédemment, activez la zone d'imagerie par faisceau d'électrons en cliquant sur l'icône de pause dans la barre d'outils. Allumez le faisceau d'électrons en cliquant sur le bouton d'activation du faisceau dans la page de contrôle du faisceau. Sélectionnez le DTE et le mode d'électrons secondaires pour l'imagerie dans le menu déroulant du détecteur.Lors du choix des conditions optimales, il est essentiel de pouvoir obtenir des images de haute qualité. Dans ce travail, nous vous présenterons un ensemble de conditions adaptées à l'imagerie d'électrons secondaires d'éléments légers tels que l'aluminium et le silicium. Lors de l'analyse d'autres éléments comme le fer et le nickel, les conditions de fonctionnement doivent être modifiées afin d'optimiser l'imagerie par électrons secondaires.Régler la tension d'accélération à huit kiloélectron-volts et le courant du faisceau à environ 0,47 nanoampère à l'aide des listes déroulantes correspondantes affichées dans la barre d'outils de l'interface graphique dans la zone d'imagerie par faisceau d'électrons. Régler la distance de travail à sept millimètres en saisissant « 7 » dans la zone de texte des coordonnées Z de la page de navigation lorsque la distance réelle est sélectionnée. Agrandir l'élément à 1 000 X et ajuster les boutons de contraste, de luminosité, de réglage grossier et de réglage fin situés sur l'interface utilisateur manuelle afin d'optimiser l'image de la caractéristique de la particule.Centrer le premier trou dans l'image en direct de la zone d'imagerie du faisceau d'électrons en tournant les boutons de décalage X et Y sur la carte d'interface utilisateur manuelle, agrandir les images contenant des particules à un grossissement de 200 000 X en tournant le bouton de grossissement sur la carte d'interface utilisateur manuelle. Sélectionner la résolution d'écran à 1 024 par 884 dans la zone de liste située sur la barre d'outils. Ensuite, régler la vitesse de balayage à 30 microsecondes dans la zone de liste située sur la barre d'outils.Appuyez sur la touche F4 pour prendre une capture de l'image actuelle affichée dans la zone d'imagerie par faisceau d'électrons. Appuyez sur les touches Contrôle et S pour enregistrer l'image au format TIF à l'emplacement souhaité avec le nom de fichier défini, incluant un numéro incrémentiel. Dézoomez en tournant le bouton de grossissement pour localiser le trou adjacent suivant.Répétez ces opérations pour imager les particules d'oxyhydroxyde d'aluminium dans les autres trous. Pour effectuer une analyse élémentaire par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie, ou EDX, insérez les détecteurs de spectroscopie de dispersion d'énergie dans la chambre. Sélectionnez l'ETD sur l'écran de commande du microscope.Ensuite, sélectionnez le mode d'électrons secondaires pour visualiser l'échantillon dans la zone d'imagerie par faisceau d'électrons et réglez les paramètres comme précédemment. Agrandissez les particules d'oxyhydroxyde d'aluminium dans chaque trou avec un grossissement de 200 000 X en tournant le bouton de grossissement situé sur le panneau d'interface utilisateur manuel. Ouvrez ensuite le logiciel EDAC associé.Cliquez sur Démarrer l'enregistrement de nouveaux spectres dans l'interface utilisateur pour collecter le spectre EDX. Sélectionnez Identification des pics pour choisir les éléments probables du spectre. Saisissez ensuite les éléments observés dans le champ d'éléments.Cliquez sur ajouter pour appliquer l'élément au spectre. Cliquez sur fichier, puis sur enregistrer sous. Enregistrez les données spectrales au format CSV en utilisant le nom de fichier souhaité pour leur représentation graphique à l'aide d'un logiciel de tracé.Après avoir terminé l'acquisition des images et l'enregistrement du spectre pour chacun des trous, désactivez le faisceau d'électrons en cliquant sur le bouton d'activation du faisceau dans la page de contrôle du faisceau lorsque la zone d'imagerie par faisceau d'électrons est activée. Ventilez la chambre du MEB en cliquant sur « vent » dans la même page. Retirez soigneusement l'échantillon de la platine en enlevant tous les rubans adhésifs une fois la porte de la chambre ouverte.Répétez la procédure pour réaliser les expériences de contrôle en utilisant de l'eau déionisée et un microcanal vide. Tracez enfin le spectre EDX comme décrit dans le protocole technique. À l'aide de l'interface microfluidique SALVI, le faisceau d'électrons peut directement bombarder l'ouverture petite, de taille micrométrique, avec le liquide en dessous.Des images d'électrons secondaires des particules de boehmite dans l'eau déionisée ont été comparées à celles du témoin eau déionisée et du témoin canal vide. Cela fournit une preuve directe de l'imagerie par électrons secondaires de particules de boehmite dans le liquide. La visualisation de la particule dans l'eau déionisée à l'intérieur d'un trou d'un micromètre de diamètre démontre la faisabilité d'observer des particules dans un liquide in situ.Dans l'échantillon de boehmite, un pic intense d'aluminium est observé. En revanche, seul un pic intense d'oxygène est observé dans l'échantillon désionisé, indiquant la présence d'eau. Dans le canal vide, on observe un résidu du faisceau d'ions focalisé au gallium.Le pic d'oxygène est assez faible car il n'y a pas d'eau à l'intérieur. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quelques heures si elle est effectuée correctement. Généralement, les personnes novices dans cette méthode éprouvent des difficultés car il est difficile de visualiser directement les liquides en MEB sous vide élevé.Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de caractériser des particules en milieu liquide à l’aide de la MEB en liquide in situ avec SALVI. Lors de la réalisation de cette procédure, il est essentiel de se rappeler que le microréacteur doit être étanche avant d’être fixé sur la platine de la MEB. Après cette procédure, d'autres méthodes comme la TOF-SIMS ou la RMN peuvent être réalisées afin de répondre à des questions supplémentaires, telles que la composition moléculaire ou la cartographie du champ fluide.Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans les domaines des sciences des matériaux, du génie chimique et du génie nucléaire pour explorer les variations de taille des particules et les changements morphologiques dans un environnement liquide corrosif. N'oubliez pas que lors de travaux d'analyse de surface utilisant la MEB, des gants et des lunettes de protection doivent être portés lors de l'exécution de cette procédure.

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