その場で液体の SEM を用いた水中のベーマイト粒子のキャラクタリゼーション

このin situ液体走査型電子顕微鏡イメージング手順の全体的な目標は、真空適合マイクロ流体モジュールを使用して、従来の高真空SEMで液体中の粒子を効率的にイメージングおよび分析するための技術的ノウハウを提供することです。この方法は、環境変化に対応して進化する粒子サイズや形態をどのように特徴付けるかなど、顕微鏡およびマイクロアナリシス分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、高真空モードでサンプルを乾燥または凍結することなく、また環境SEMに頼ることなく、液体中の多分散粒子を直接視覚化できることです。

この手法の意味するところは、SEMを使用したさまざまな液体材料や生体サンプルの効率的な分析にまで及びます。なぜなら、それらの多くは液体中にのみ機能するか、または存在するからです。この方法は、単純な取り付けやin situイメージングステップが通常の固体サンプルとは異なるため習得が難しいため、視覚的なデモンストレーションが重要です。この手順は、技術者のプロトコルに記載されているように、液体真空界面またはSALVIデバイスでの分析のためにシステムのカーボンコーティングから始めます。

マイクロ流体デバイスをSEMステージに取り付けることは、in situ液体SEM分析を成功させるために非常に重要です。実験の前に、デバイスが適切に接地され、充電の影響を最小限に抑えるために固定されていることを確認してください。SALVIデバイスをSEMステージに取り付けるには、ベントが完了したら、まずSEM試料チャンバーのドアを慎重に開きます。

SEM試料ホルダーを選択します。適切なボルトと六角レンチを使用して、ホルダーをステージの中央に固定します。両面カーボンテープを2枚、試料ホルダーに貼ります。

次に、窒化ケイ素膜面を上にして、ホルダーに貼られたカーボンテープにSALVIデバイスを貼り付けます。さらに2本の片面銅テープを使用して、SALVI PDMSブロックをSEM試料ホルダーに結合し、SALVIを試料ホルダーに固定します。さらに、銅テープを使用して窒化ケイ素フレームと金属試料ホルダーを接続します。

テープが窒化ケイ素膜を完全に覆っていないことを確認してください。試料室をポンプダウンするには、試料室のドアを閉め、ビーム制御ページの下のSEMソフトウェアGUIで高真空モードを選択し、ビーム制御ページのポンプボタンをクリックして真空化を開始します。希望の真空が確立されるまで、チャンバードアに手で圧力をかけます。

次に、技術のプロトコルで説明されているように、集束イオンビーム(FIB)を使用して窒化ケイ素膜に開口部を作ります。手順に従って、電子ビームとイオンビームの両方をオフにして、対応するビームイメージングエリアがアクティブになったときにビームオンをクリックしてチャンバーをベントします。ビーム制御ページのベントをクリックして、試料チャンバーをベントします。

SEMチャンバーのドアが完全に通気されたら、SALVIデバイスをステージ上に残し、慎重に開きます。1ミリリットルの脱イオン水を滅菌シリンジに引き込み、ポリテトラフルオロエチレンチューブアダプターフィッティングを使用してシリンジをマイクロ流体デバイスの入口に接続します。液体を3〜5分間ゆっくりと注入します。

1ミリリットルあたり10マイクログラムのオキシ水酸化アルミニウムを使用してこのプロセスを3回繰り返し、サンプルの濃度が予めロードされた脱イオン水によって希釈されないようにします。注射後、シリンジを取り外してください。ポリエーテルエーテルケトンユニオンを使用してSALVIの入口と出口を接続します。

SALVIの外側にある液体は、ラボワイプで乾かします。チューブまたはマイクロチャネル内に気泡がある場合は、チューブ内に気泡が見えなくなるまでサンプル注入をやり直します。ETDおよび二次電子モードで画像を撮影するには、まず試料チャンバーのドアを閉めます。

前と同じようにチャンバードアに目的の真空度を設定した後、ツールバーの一時停止アイコンをクリックして電子ビームイメージングエリアをアクティブにします。ビーム制御ページのビームオンボタンをクリックして、電子ビームをオンにします。検出器のドロップダウンメニューから、イメージング用のETDと二次電子モードを選択します。

最適な条件を選択するには、高品質の画像を取得できることが非常に重要です。本研究では、アルミニウムシリコンのような軽元素の二次電子イメージングに適した条件のセットを紹介します。鉄やニッケルなどの他の元素を分析する場合は、操作条件を変更して二次電子イメージングを最適化する必要があります。

加速電圧を8キロ電子ボルトに、ビーム電流を約0.47ナノアンペアに、電子ビームイメージングエリアのGUIツールバーに表示される対応するリストボックスから設定します。実際の距離を選択したときに、ナビゲーション ページの座標 Z のテキスト ボックスに 7 を入力して、作動距離を 7 ミリメートルに設定します。機能を 1, 000 X に拡大し、手動ユーザーインターフェースのコントラスト、明るさ、粗いノブと細かいノブをひねって、粒子フィーチャーのイメージを最適化します。

手動ユーザーインターフェースボード上のXとYシフトノブをひねって、電子ビームイメージングエリアのライブ画像の最初の穴を中央に配置し、手動ユーザーインターフェースボードの倍率ノブをひねって、粒子を含む画像を倍率200、000 Xに拡大します。ツールバーのリストボックスから画面解像度を1, 024 x 884に選択します。次に、ツールバーのリストボックスからスキャンレートを30マイクロ秒に設定します。

F4キーを押すと、電子ビームイメージングエリアに表示されている現在の画像のスナップショットを撮影できます。Control キーと S キーを押して、イメージを TIF ファイルとして目的の場所に保存します。定義されたファイル名 (増分番号を含む)拡大ノブをひねってズームアウトし、次に隣接する穴を見つけます。

これらの操作を繰り返して、残りの穴の中のオキシ水酸化アルミニウム粒子を画像化します。エネルギー分散型X線分光法(EDX)を使用して元素分析を行うには、エネルギー分散型分光検出器をチャンバーに挿入します。顕微鏡制御モニターでETDを選択します。

次に、電子ビームイメージングエリアでサンプルを表示するための二次電子モードを選択し、以前と同様にパラメータを設定します。各穴の酸化アルミニウムオキシ水酸化物粒子を 200 、 000 X の倍率で拡大するには、手動ユーザーインターフェースボードの倍率ノブをひねります。次に、関連するEDACソフトウェアを開きます。

ユーザーインターフェースで「新しいスペクトルの記録を開始」をクリックして、EDXスペクトルを収集します。ピークIDを選択して、スペクトルの可能性のある要素を選択します。次に、観測された要素を要素フィールドに入力します。

「追加」をクリックして、要素をスペクトルに適用します。[ファイル]をクリックし、[名前を付けて保存]をクリックします。グラフ作成ソフトウェアを使用してプロットするために、目的のファイル名を使用してスペクトルデータをCSV形式で保存します。

各ホールのイメージングとスペクトル記録が終了したら、電子ビームイメージングエリアがONの状態で、ビームコントロールページのビームオンボタンをクリックして電子ビームをオフにしてください。同じページのベントをクリックして、SEMチャンバーをベントします。チャンバーのドアが開いた後、すべてのテープをはがして、サンプルをステージから慎重に取り出します。

この手順を繰り返して、脱イオン水と空のマイクロチャネルを使用して制御実験を行います。最後に、技術者のプロトコルに記載されているようにEDXスペクトルをプロットします。SALVIマイクロ流体インターフェースを使用すると、電子ビームは、マイクロメートルサイズの小さな開口部の下に液体を直接照射できます。

脱イオン水中のベーマイト粒子を、二次電子像における脱イオン水制御および空チャネル制御と比較した。これは、液体中のベーマイト粒子の粒子二次電子イメージングの直接的な証拠を提供します。1マイクロメートルの穴内の脱イオン水中の粒子を可視化することで、液体中の粒子をその場で観察する可能性が実証されました。

ベーマイトのサンプルでは、強いアルミニウムのピークが観察されます。対照的に、脱イオンしたサンプルでは強い酸素ピークのみが観察され、水の観察を示しています。空のチャネルには、ガリウム集束イオンビームの残留物が見られます。

内部に水が入っていないため、酸素のピークはかなり小さいです。このテクニックを習得すると、適切に実行すれば数時間で完了できます。一般に、この方法に不慣れな人は、高真空SEMで液体を直接視覚化するのが難しいため、苦労するでしょう。

このビデオを見れば、SALVIとin situ液体SEMを使用して液体中の粒子を特性評価する方法を十分に理解できるはずです。この手順を試みる際には、SEMステージに取り付ける前にマイクロリアクターに漏れがないことを覚えておくことが非常に重要です。この手順に続いて、分子組成や流体場マッピングなどの追加の質問に答えるために、TOF-SIMSやNMRなどの他の方法を実行できます。

その開発後、この技術は、材料科学、化学工学、原子核工学の分野の研究者が、腐食性液体環境における粒子サイズと形態学的変化を探求する道を開きました。SEMを使用して表面分析を行う場合は、この手順を実行する際に手袋とゴーグルを着用する必要があることを忘れないでください。