In Situ Caratterizzazione delle particelle Boehmite in acqua usando liquido SEM

L'obiettivo generale di questa procedura di imaging al microscopio elettronico a scansione di liquidi in situ è quello di fornire il know-how tecnico per l'imaging e l'analisi efficienti delle particelle nei liquidi nel SEM convenzionale ad alto vuoto utilizzando un modulo microfluidico compatibile con il vuoto. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della microscopia e della microanalisi, come ad esempio come caratterizzare l'evoluzione delle dimensioni e della morfologia delle particelle in risposta ai cambiamenti ambientali. Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo visualizzare direttamente le particelle polidisperse nel liquido senza essiccare o congelare il campione in modalità alto vuoto e anche senza ricorrere al SEM ambientale.

Le implicazioni di questa tecnica si estendono verso l'analisi efficiente dei vari materiali liquidi e dei campioni biologici utilizzando il SEM perché molti di essi funzionano o esistono solo in liquidi. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale in quanto le semplici fasi di montaggio e di imaging in situ sono difficili da apprendere perché sono diverse dai normali campioni solidi. Iniziare questa procedura con il rivestimento in carbonio del sistema per l'analisi all'interfaccia del vuoto liquido, o dispositivo SALVI, come descritto nel protocollo tecnico.

Il montaggio del dispositivo microfluidico sullo stadio SEM è fondamentale per il successo dell'analisi SEM liquida in situ. Assicurarsi che il dispositivo sia adeguatamente collegato a terra e fissato per ridurre al minimo l'effetto di carica prima dell'esperimento. Per montare il dispositivo SALVI sullo stadio SEM, una volta completato lo sfiato, aprire con cautela lo sportello della camera del campione SEM.

Selezionare il portacampioni SEM. Fissare il supporto al centro del tavolino utilizzando l'apposito bullone e la chiave esagonale. Posizionare due strisce di nastro biadesivo in carbonio sul portacampioni.

Quindi incollare il dispositivo SALVI sul nastro di carbonio posto sul supporto con il lato della membrana in nitruro di silicio rivolto verso l'alto. Immobilizzare saldamente il SALVI sul portacampioni utilizzando altre due strisce di nastro di rame monoadesivo per legare il blocco PDMS SALVI al portacampioni SEM. Inoltre, utilizzare i nastri di rame per collegare il telaio in nitruro di silicio e il portacampioni in metallo.

Assicurarsi che il nastro non copra completamente la membrana in nitruro di silicio. Per pompare la camera del campione, chiudere lo sportello della camera del campione, selezionare la modalità ad alto vuoto sulla GUI del software SEM sotto la pagina di controllo del raggio, fare clic sul pulsante della pompa nella pagina di controllo del raggio per avviare l'aspirazione. Applicare pressione a mano sullo sportello della camera fino a stabilire il vuoto desiderato.

Quindi crea aperture nella membrana in nitruro di silicio utilizzando un fascio ionico focalizzato, o FIB, come descritto nel protocollo della tecnologia. Dopo la procedura, spegnere sia il fascio di elettroni che il fascio ionico per sfiatare la camera facendo clic sul raggio quando viene attivata l'area di imaging del fascio corrispondente. Fare clic su Sfiato nella pagina di controllo del fascio per sfiatare la camera del campione.

Aprire con cautela lo sportello della camera SEM dopo che è completamente ventilato, lasciando il dispositivo SALVI così com'è sul tavolino. Aspirare un millilitro di acqua deionizzata in una siringa sterile e collegare la siringa con l'ingresso del dispositivo microfluidico utilizzando un raccordo adattatore per tubi in politetrafluoroetilene. Iniettare lentamente il liquido per tre-cinque minuti.

Ripetere questo processo tre volte utilizzando un millilitro di ossiidrossido di alluminio da 10 microgrammi per millilitro per garantire che la concentrazione del campione non venga diluita dall'acqua deionizzata precaricata. Dopo l'iniezione, rimuovere la siringa. Collegare l'ingresso e l'uscita di SALVI utilizzando il raccordo polietere etere chetone.

Asciugare qualsiasi liquido al di fuori di SALVI con salviette da laboratorio. Se sono presenti bolle all'interno del tubo o del microcanale, ripetere l'iniezione del campione fino a quando non si vedono bolle all'interno del tubo. Per scattare immagini utilizzando l'ETD e la modalità elettronica secondaria, chiudere prima lo sportello della camera del campione.

Dopo aver stabilito il vuoto desiderato sullo sportello della camera come in precedenza, attivare l'area di imaging del fascio di elettroni facendo clic sull'icona di pausa sulla barra degli strumenti. Accendere il fascio di elettroni facendo clic sul pulsante di accensione del raggio nella pagina di controllo del raggio. Selezionare l'ETD e la modalità dell'elettrone secondario per l'imaging dal menu a discesa del rivelatore.

Nella scelta delle condizioni ottimali è molto importante essere in grado di ottenere immagini di alta qualità. In questo lavoro, vi mostreremo una serie di condizioni adatte per un imaging elettronico secondario degli elementi leggeri come il silicio di alluminio. Quando si analizzano altri elementi come il ferro e il nichel, le condizioni operative devono essere modificate per ottimizzare l'imaging elettronico secondario.

Impostare la tensione di accelerazione a otto kiloelettronvolt e la corrente del fascio a circa 0,47 nanoampere dalle caselle di riepilogo corrispondenti visualizzate sulla barra degli strumenti della GUI nell'area di imaging del fascio di elettroni. Impostare la distanza di lavoro su sette millimetri digitando sette nella casella di testo della coordinata Z nella pagina di navigazione quando è selezionata la distanza effettiva. Ingrandisci la funzione a 1.000 X e ruota le manopole di contrasto, luminosità, grossolana e fine sull'interfaccia utente manuale per ottimizzare l'immagine della funzione particella.

Centrare il primo foro nell'immagine dal vivo dell'area di imaging del fascio di elettroni ruotando le manopole di spostamento X e Y sulla scheda dell'interfaccia utente manuale, ingrandire le immagini con particelle fino a un ingrandimento di 200, 000 X ruotando la manopola di ingrandimento sulla scheda dell'interfaccia utente manuale. Selezionare la risoluzione dello schermo su 1, 024 x 884 dalla casella di riepilogo sulla barra degli strumenti. Quindi impostare la velocità di scansione su 30 microsecondi dalla casella di riepilogo sulla barra degli strumenti.

Premere il tasto F4 per scattare l'istantanea dell'immagine corrente mostrata nell'area di imaging del fascio di elettroni. Premere i tasti Ctrl e S per salvare l'immagine come file TIF nella posizione desiderata con il nome del file definito che include un numero incrementale. Ridurre lo zoom ruotando la manopola di ingrandimento per individuare il foro adiacente successivo.

Ripetere queste operazioni per visualizzare le particelle di ossiidrossido di alluminio nel resto dei fori. Per condurre l'analisi elementare utilizzando la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia, o EDX, inserire i rivelatori di spettroscopia a dispersione di energia nella camera. Selezionare l'ETD sul monitor di controllo del microscopio.

Quindi selezionare la modalità elettronica secondaria per visualizzare il campione sull'area di imaging del fascio di elettroni e impostare i parametri come prima. Ingrandire le particelle di ossidrossido di alluminio in ciascun foro con un ingrandimento di 200, 000 X ruotando la manopola di ingrandimento sulla scheda di interfaccia utente manuale. Quindi, apri il software EDAC associato.

Fare clic su Avvia registrazione nuovi spettri nell'interfaccia utente per raccogliere lo spettro EDX. Selezionare ID picco per scegliere gli elementi probabili dello spettro. Quindi digita gli elementi osservati nel campo dell'elemento.

Fare clic su Aggiungi per applicare l'elemento allo spettro. Fare clic su file, quindi su Salva con nome. Salvare i dati spettrali in formato CSV utilizzando il nome file desiderato per la stampa con un software grafico.

Dopo aver terminato l'imaging e la registrazione dello spettro per ciascuna delle fore, spegnere il fascio di elettroni facendo clic sul pulsante di accensione del raggio nella pagina di controllo del fascio quando l'area di imaging del fascio di elettroni è attiva. Sfiatare la camera SEM facendo clic su sfiato nella stessa pagina. Estrarre con cautela il campione dal tavolino rimuovendo tutti i nastri dopo l'apertura della porta della camera.

Ripetere la procedura per condurre gli esperimenti di controllo utilizzando acqua deionizzata e un microcanale vuoto. Infine, traccia lo spettro EDX come descritto nel protocollo della tecnologia. Utilizzando l'interfaccia microfluidica SALVI, il fascio di elettroni può bombardare direttamente la piccola apertura di dimensioni micrometriche con il liquido sottostante.

Le particelle di boehmite nell'acqua deionizzata sono state confrontate con il controllo dell'acqua deionizzata e il controllo del canale vuoto nelle loro immagini elettroniche secondarie. Ciò fornisce la prova diretta dell'imaging elettronico secondario delle particelle di Boehmite nel liquido. La visualizzazione della particella in acqua deionizzata all'interno del foro di un micrometro dimostra la fattibilità di osservare particelle in liquido in situ.

Nel campione di Boehmite, si osserva un forte picco di alluminio. Al contrario, nel campione deionizzato si osserva solo un forte picco di ossigeno, che indica l'osservazione dell'acqua. Nel canale vuoto, si vede il residuo del fascio ionico focalizzato sul gallio.

Il picco di ossigeno è piuttosto piccolo perché non c'è acqua all'interno. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in un paio d'ore se eseguita correttamente. Generalmente gli individui che non conoscono questo metodo avranno difficoltà perché è difficile visualizzare direttamente i liquidi nel SEM ad alto vuoto.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come caratterizzare le particelle in un liquido utilizzando il SEM liquido in situ con SALVI. Durante il tentativo di questa procedura è molto importante ricordare che il microreattore deve essere privo di perdite prima di essere montato allo stadio SEM. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi come TOF-SIMS o NMR per rispondere a ulteriori domande come la composizione molecolare e la mappatura del campo fluidico.

Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo delle scienze dei materiali, dell'ingegneria chimica e dell'ingegneria nucleare per esplorare le dimensioni delle particelle e i cambiamenti morfologici in un ambiente liquido caustico. Non dimenticare che quando si lavora con l'analisi delle superfici utilizzando il SEM, è necessario indossare guanti e occhiali protettivi durante l'esecuzione di questa procedura.