Préparation de cellules liquides Microwell soutenues par le graphène pour la microscopie électronique de transmission in situ

Un protocole pour la préparation des cellules liquides microwell supportées par le graphène pour la microscopie électronique in situ des nanocristaux d'or de la solution précurseur de HAuCl₄ est présenté. De plus, une routine d'analyse est présentée pour quantifier la gravure et la dynamique de croissance observées.

La microscopie électronique à cellules liquides est une technique puissante pour étudier les nano-caractéristiques en C2 dans les médias liquides à haute résolution et fournit des informations uniques en temps réel sur les processus dynamiques à l’échelle nanométrique. La cellule liquide microwell soutenue par le graphène combine les avantages des architectures cellulaires basées sur le graphène et le silicium. Il permet une corrélation avec les méthodes analytiques, telles que la spectroscopie EDX, à vue.

La technique nous permet de suivre directement les processus d’un matériau dans les liquides, pendant qu’ils se produisent. Cette observation in situ est au cœur même de notre groupe de formation en recherche. Microscopie in situ avec électrons, rayons X et sondes de balayage financée par la Fondation allemande de la recherche.

La démonstration de la procédure sera Diplom-Chimiste, Robert Branscheid, un membre du personnel de mon laboratoire. Pour commencer, transférez le graphène sur les grilles TEM, mouillant d’abord le tissu soutenant les six à huit couches de graphène CVD sur PMMA. Faites en sorte que l’eau ne soit pas appliquée directement sur la membrane PMMA.

Plongez complètement le graphène enduit de PMMA dans une boîte de Petri remplie d’eau DI, puis utilisez du papier filtre pour ramasser la couche de graphène. Faites en sorte que le côté graphène de la pile PMMA de graphène reste au-dessus pendant toute la procédure. Couper la couche de graphène en morceaux suffisamment grands pour couvrir tous les puits fabriqués.

Puis, immerger les morceaux coupés dans la boîte de Pétri. Ensuite, à l’aide d’une paire de pinces anti-capillaires, ramasser une grille TEM recouverte d’une couche de soutien de carbone troué. Plongez soigneusement la grille dans l’eau et attrapez le graphène flottant à la surface.

Laisser sécher les feuilles pendant quelques heures. Ensuite, retirez la couche de protection PMMA en la transférant dans un bain d’acétone pendant 30 minutes. Après le bain d’acétone, plongez immédiatement l’échantillon dans de l’éthanol et de l’eau DI sans sécher l’échantillon entre les solutions.

Utilisez un récipient plat pour enlever facilement le spécimen par la suite. Une fois terminé, retirer l’échantillon de l’eau DI et le sécher par la suite pendant 30 minutes dans des conditions ambiantes. Créez un modèle de cellule liquide avec des micro-puits à motifs micro en suivant le protocole texte.

Rincer le modèle de cellules liquides fabriqué avec de l’acétone, suivi de l’éthanol. Ensuite, appliquez un plasma ambiant de 20%oxygène, 80% azote pendant cinq minutes pour améliorer la wettabilité de la membrane. Distribuez 0,5 microlitres de la solution de spécimen sur le modèle ou la couche de graphène.

Assurer une procédure de travail fluide pour minimiser les changements de concentration dus à l’évaporation. Ensuite, placez la grille TEM sur la couche de nitride de silicium à micro-motifs avec le graphène face au modèle. Appuyez soigneusement sur la grille TEM recouverte de graphène sur le modèle, en vous assurant de ne pas détruire la membrane inférieure de nitride de silicium.

Enlever l’excès de solution avec un tissu pour accélérer le séchage cellulaire et atténuer les changements de concentration. Après environ deux à trois minutes, observez un changement de contraste à mesure que les interactions entre le nitride de silicium graphène Van der Waals scellent la cellule liquide. Ensuite, placez l’échantillon sous un microscope optique.

Utilisez une paire de pinces à épiler pour enlever soigneusement la grille TEM en poussant la pointe entre la grille et le cadre de cellules liquides microwell supporté par le graphène. Pour réduire les dégâts de force, commencez à partir du site du réseau parallèle au bord plus petit de la fenêtre. Assurez-vous qu’au moins une membrane des cellules liquides microwell soutenues par le graphène est encore intacte.

À l’aide d’un support TEM standard, chargez l’échantillon dans le support. Directement après sa préparation, chargez le support et l’échantillon dans le microscope électronique de transmission de balayage. Imagez l’échantillon de façon appropriée en ce qui concerne les caractéristiques de l’échantillon et du microscope.

Utilisez une faible dose pour minimiser les artefacts pré-induits, et un temps d’exposition court pour éviter le flou lié au mouvement. Pendant de longues expériences, bloquez le faisceau pour réduire les dommages causés par les radiations. Après l’acquisition d’images, utilisez une plate-forme de traitement d’image appropriée pour extraire des fonctionnalités d’intérêt.

Pour le suivi et l’analyse des particules, utilisez la distribution open source ImageJ, Fidji. Après le chargement d’une image et sa conversion en image binaire, utilisez la fonction particules analysées pour obtenir des informations précises sur la zone projetée et le barycentre de la particule pour chaque particule dans chaque image. Inversez l’image d’origine de sorte que les particules apparaissent comme des taches lumineuses.

Ensuite, connectez les particules entre les cadres à l’aide du plugin, TrackMate. Par défaut, TrackMate recherche des particules brillantes sur un fond sombre. Enfin, combinez les résultats de TrackMate et analysez les particules avec un script approprié, en utilisant l’écosystème open source basé sur Python, SciPy.

Une encapsulation réussie de la solution de spécimen peut être vérifiée pendant la microscopie électronique. Cette vidéo montre la dissolution d’un ensemble de nanoparticules, et la croissance d’une structure dendritique. Afin d’avoir un aperçu de la croissance des particules et de la cinétique de dissolution, il est important d’étudier chaque particule individuellement, plutôt que d’analyser le développement de paramètres moyens.

En estimant l’exposant de croissance, alpha, de la variation équivalente de rayon des particules individuelles au fil du temps, l’information de la cinétique sous-jacente de réaction peut être obtenue. Ici, la distribution de l’alpha, basée sur 73 particules dissolvantes, est affichée. Seules les particules où un modèle allométrique explique le déclin du rayon à au moins 50% sont considérées.

À la fin de la vidéo, une structure dendrite émerge. La formation de dendrite est un autre processus typique et bien documenté dans les cellules liquides. Pour quantifier la croissance des dendrites, les contours structurels sont analysés.

L’évolution du rayon de pointe et de la vitesse au fil du temps révèle la relation hyperbolique attendue. La croissance du dendrite est causée par la super saturation locale des ions dorés due à la gravure sur particules susmentionnée. À cette partie de la vidéo, il est clairement visible que les particules sont encore en train de se dissoudre, tandis que le système sursaturé se détend dans la croissance de dendrite.

Ceci peut être provoqué par des variations locales de concentration dans les ions d’or et les espèces oxydatives. La charge liquide et le suhrf dépendent fortement de l’échantillon d’intérêt parce que l’adhérence au graphène et les temps de séchage requis peuvent varier si différentes solutions de spécimen sont appliquées. L’architecture des cellules liquides microwell soutenues par le graphène permet également des méthodes in situ complémentaires telles que les rendements en EDSX.

En outre, sem dans le mode de transmission et les expériences de tomographie ont été exécutées avec succès. Après le développement de cette technique, il est devenu possible de démêler le mécanisme de croissance de l’or, de l’argent, du kawsh-en et d’autres particules jusqu’à la résolution atomique. Les résultats sont un excellent accord avec les mesures de résonance plasmatique acquises par nos collègues du département de physique qui participent également au groupe de formation à la recherche.

Bien qu’elle ne soit pas montrée ici, la production de cadres porteurs utilise des corrosifs et des espèces toxiques. Veuillez être prudent pendant l’opération et prendre les précautions requises.