Name: 液体細胞透過電子顕微鏡によるナノ粒子の核形成と成長に及ぼす温度の影響の研究 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-02-17T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 2 s
Description: 学ぶ 液体細胞透過電子顕微鏡を用いた温度制御ナノ粒子形成プロトコル。金ナノ粒子の核生成と成長における温度依存性をリアルタイムで観察し、ナノ材料合成の物理化学過程を解明する手法です。

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我々は、地域Ile-de-France(パリ大学に設置されたJEOL ARM 200 F電子顕微鏡のための大会SESAME E1845)、ラレックスシーム(GLOIREプロジェクト)およびCNRS(デフィナノプログラム)の財政的支援を感謝しています。マデリーン・デュークスとダニエル・フランクは、図1と2に示す液体細胞の回路図と光学写真を共有してくれたことに感謝します。

<ol><li>Willets, K. A., Van Duyne, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Localized+surface+plasmon+resonance+spectroscopy+and+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Physical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing.</a> Annual Review of Physical Chemistry. 58 (1), 267-297 (2007).</li>
<li>Dreaden, E. C., Alkilany, A. M., Huang, X., Murphy, C. J., El-Sayed, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+golden+age%3A+gold+nanoparticles+for+biomedicine%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Review%22%5BJournal%5D)">The golden age: gold nanoparticles for biomedicine.</a> Chemical Society Review. 41, 2740-2779 (2012).</li>
<li>You, H., Yang, S., Ding, B., Yang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+colloidal+metal+and+metal+alloy+nanoparticles+for+electrochemical+energy+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Review%22%5BJournal%5D)">Synthesis of colloidal metal and metal alloy nanoparticles for electrochemical energy applications.</a> Chemical Society Review. 42, 2880-2904 (2013).</li>
<li>Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+and+growth+mechanism+of+gold+nanorods+using+seed-mediated+growth+method%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry+of+Materials%22%5BJournal%5D)">Preparation and growth mechanism of gold nanorods using seed-mediated growth method.</a> Chemistry of Materials. 15, 1957-1962 (2003).</li>
<li>Hubert, F., Testard, F., Spalla, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cetyltrimethylammonium+bromid+silver+bromide+complex+as+the+capping+agent+of+gold+nanorods%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Cetyltrimethylammonium bromid silver bromide complex as the capping agent of gold nanorods.</a> Langmuir. 24, 9219-9222 (2008).</li>
<li>Xia, Y., Xiong, Y., Lim, B., Skrabalak, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape-controlled+synthesis+of+metal+nanocrystals%3A+Simple+chemistry+meets+complex+physics%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">Shape-controlled synthesis of metal nanocrystals: Simple chemistry meets complex physics.</a> Angewandte Chemie International Edition. 48, 60-103 (2009).</li>
<li>Zheng, Y., Zeng, J., Ruditskiy, A., Liu, M., Xia, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oxidative+etching+and+its+role+in+manipulating+the+nucleation+and+growth+of+noble-metal+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry+of+Materials%22%5BJournal%5D)">Oxidative etching and its role in manipulating the nucleation and growth of noble-metal nanocrystals.</a> Chemistry of Materials. 26, 22-33 (2014).</li>
<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 (3), 1470-1474 (2012).</li>
<li>Wu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+of+Auau+on+Pt+icosahedral+nanoparticles+revealed+by+low-dose+in+situ+TEM%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+letters%22%5BJournal%5D)">Growth of Auau on Pt icosahedral nanoparticles revealed by low-dose in situ TEM.</a> Nano letters. 15, 2711-2715 (2015).</li>
<li>Ahmad, N., Wang, G., Nelayah, J., Ricolleau, C., Alloyeau, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploring+the+formation+of+symmetric+gold+nanostars+by+liquid-cell+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+letters%22%5BJournal%5D)">Exploring the formation of symmetric gold nanostars by liquid-cell transmission electron microscopy.</a> Nano letters. 17, 4194-4201 (2017).</li>
<li>Woehl, T. J., Evans, J. E., Arslan, I., Ristenpart, W. D., Browning, N. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+in+situ+determination+of+the+mechanisms+controlling+nanoparticle+nucleation+and+growth%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Direct in situ determination of the mechanisms controlling nanoparticle nucleation and growth.</a> ACS Nano. 6, 8599-8610 (2012).</li>
<li>Tan, S. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intermediate+structures+of+pt-ni+nanoparticles+during+selective+chemical+and+electrochemical+etching%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+Letters%22%5BJournal%5D)">Intermediate structures of pt-ni nanoparticles during selective chemical and electrochemical etching.</a> The Journal of Physical Chemistry Letters. 10, 6090-6096 (2019).</li>
<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>

著者らは開示するものは何もない。

このプロトコルは、温度制御された液体媒体における放射線による金ナノ粒子の核形成および成長を可能にする。自動ビデオ処理と組み合わせることで、ナノ粒子の密度、サイズ、形状、原子構造などのナノ粒子合成の主要パラメータに対する温度の影響を測定できます。これらの貴重な入力は、核生成および成長速度に対する温度の影響を評価し、可能な相転移を検出し、コロイド溶液の最終的な結果を決定するファセットプロセスを視覚化することを可能にする。反応性媒体の組成を制御する可能性と共に、温度制御液体細胞TEMは、現実的な合成条件における様々なナノ構造の核生成および成長過程の直接観察に向けたもう一つのステップである。本稿で提示された結果の解釈と核生成および成長モデルとの比較は、他の場所で議論される。ここでは、Situ TEM実験に関連する必要があるいくつかの方法論的側面を強調したいと考えています。
まず、実験結果に大きな影響を与える可能性があるため、反応媒体における電子線の効果を特定することが重要です。ここで、水のラジオリシスがナノ粒子形成の原動力であるほど、ナノオブジェクト11,15の最終形状に影響を与える電子線量速度とともに成長速度が急速に上昇する。したがって、ナノ粒子の核生成及び成長に対する温度の影響を研究するために、同じ電子線量率で得られた成長実験を比較する必要がある。STEMモードでは、電子線量速度は、ビーム電流(電子/秒)を画像サイズで割った値(nm2)で割った値に対応する。したがって、一定の電子線量率は、同じビーム電流(すなわち、同じ凝縮器開口と同じスポットサイズ)を維持することを意味し、各実験に対して同じ倍率を維持する。CCDカメラやファラデーカップを使用して、撮像条件のビーム電流を定量化することは、データを解釈して再現するために重要です。倍率および結果として得られる線量率は、ナノ粒子の大規模な集合体の成長を可視化して、成長動態(図5)または単一ナノ粒子スケールでの成長メカニズムを抽出して、ナノ粒子表面上の優先吸着部位を同定することを望むかどうかに応じて選択すべきである(図10)。核生成および成長過程が速すぎる場合、特に高倍率では、小さな凝縮器絞りと小さなスポットサイズを選択して、線量を最小限に抑える必要があります。ナノ粒子の核化と成長はまた、分析された溶液中の金属前駆体の濃度を低下させることによって減速することができるが、放射線分解物の濃度は温度とともに増加することに注意してください。一般的に、試料全体の電子照射履歴を考慮することも重要である。ここで、例えば、複数の成長実験が互いに近い領域で迅速に行われる場合、研究領域における金前駆体の濃度が低下するため、ナノ粒子の密度は時間の経過とともに減少する。この効果は、空間と時間の両方で成長実験を分離し、フローモードで液体ホルダーを使用することによって最小限に抑えることができます。
インターフェース追跡アルゴリズムは、ビデオの解析を自動化し、大規模なナノ粒子アセンブリの核生成と成長に関する定量的な結果を抽出するのに非常に有用です。ただし、画像二値化ステップは常にデータ固有であり、ナノ粒子/液体界面の検出を最適化するために画像に適用する必要のあるフィルタとデータ処理は実験によって異なることを意味します。さらに、画像処理ワークフローを最適化し、その限界を知るためには、これらの自動分析の結果をいくつかの画像で実行された手動測定と比較することが不可欠です。ここで、例えば、高温で形成される増え強い厚さの3Dナノ粒子における複数の散乱事象は、散乱電子の角広がりを環状検出器の角範囲で収集された信号の減少をもたらすため、30秒間の観察後にコアのコントラスト反転を誘導する。これらのナノ粒子の真の表面積を測定し続けるために、リング形状のコントラストの内側の円を埋める画像の二値化後の「フィルホール」データプロセスを用いた(図7F,G)。しかし、これらのリング形状のコントラストが常に完全に接続されていることを確認するために、オブジェクトの小さな拡張を使用する必要がありました。この後者のステップは、自動測定におけるナノ粒子の平均表面積のわずかな過大評価をもたらす(図9)。同様に、ナノ粒子の検出のために、ノイズの検出を避けるために検出された物体の最小サイズ(Smim)を定義する必要がありますが、このパラメータは測定された核生成速度に影響を与えます。図8に示すように、実験開始時に検出されたナノ粒子の数が増加し、高原に到達する。Sminが大きい場合(1543nm2に対応する50ピクセル2)、自動および手動測定はこの高原(60秒後の835ナノ粒子)のレベルで合意したが、835ナノ粒子は12秒後に手動で数えられるので、ナノ粒子の検出は遅れるが、後で自動的に検出されない。この検出時間の延長は、核生成率の過小評価につながります。Sminを20ピクセル2(すなわち、617nm2)に減らすことは、ナノ粒子アセンブリの核生成時間の誤差を減少させるが、特に実験の初期段階におけるナノ粒子密度の過大評価につながる(図8)また、核生成速度に影響を与える。極めて動的な挙動と低い信号対雑音比を有するナノ物体の検出およびサイズおよび形状測定は、他のセグメンテーションおよび脱ノイジング法24または機械学習アプローチ25を用いてさらに改善することができる液相TEMにおける一般的な課題である。
最後になりましたが、液体セルの調製と液体ホルダーの洗浄は、反応媒体の汚染を避けるために非常に慎重に行う必要があります。
一般に、LCTEM 分析中にサンプルの温度を制御することで、固体と液体の界面で発生する化学反応に対する熱的影響を調査する機会が得られます。したがって、温度制御された液体媒体における硬、軟質、または生物学的物質のダイナミクスを明らかにするために設計されたsitu TEM実験において、本方法が他の方法への道を開くことを期待しています。

金属ナノ粒子(NPs)は、光学センシング1、医薬2、 エネルギー3などの様々な領域で使用できる有望な物理化学的特性を有する。ウェット化学合成は、明確に定義されたサイズと形状を持つ金属のNPsを製造するための非常に汎用性の高い方法です。過去数十年にわたり、多くの戦略が開発されたNPs合成の制御を得るために:種子介在成長4、顔遮断法5、キネチカル制御合成6、選択的エッチング7 または温度制御合成8。しかし、合成を駆動する化学反応はかなり単純であるが、核生成および成長メカニズムは、多くのパラメータが形成プロセスにおいて役割を果たし、その個々の影響が合成の所定の時点でそれらの形成媒体から抽出された元の現場のスナップショットから取り出すのが難しいため、そうではない。核生成と成長過程を真に理解し、それらを制御する方法を確立するためには、細かく制御された液体環境でリアルタイムの観察を可能にする場で使用する必要があります。
その点、液体細胞透過型電子顕微鏡(LCTEM)は、金属ナノ粒子9、10、11、12、13の合成に新たな光を当てる非常に強力な方法であった。個々のナノ構造体のダイナミクスを液体形成媒体に直接イメージングすることにより、 この技術は、結晶欠陥、種子形態および有機リガンドの役割を深く理解し、方向性成長またはエッチングプロセスを駆動し、特定の形状(ナノロッド、ナノスター、ナノプレート、ナノシェル)10、11、12、13、14、15、16、17、18を提供する。TEMの電子ビームが液体と相互作用すると、放射線溶解プロセスは、照射領域の溶液化学を変更し、成長またはエッチングプロセスを駆動するために使用することができる強力な還元および酸化種を生成します。興味深いことに、放射線分解物の濃度は電子線量率とともに増加することが知られており、電子顕微鏡20で細かく調整できるパラメータである。従って、この放射線分解の用量速度依存性は、反応速度を制御し、ナノ構造11、15、20の形成過程および最終形態に対する運動学的影響を明らかにするために利用されてきた。
温度はナノ材料合成の重要なパラメータですが、温度制御が確実な市販の液体細胞が最近開発されたばかりであるため、LCTEMではこれまでのところその効果を慎重に調査していません。しかし、このような研究では、温度変化によって引き起こす複雑な運動学や熱力学的効果を解明するために不可欠です。確かに、温度を上げると、成長中のファセットプロセスに大きな影響を与え、液体中の原子および分子拡散をスピードアップし、反応速度を変更します。一方、ナノ構造のナノ相図も温度に対して非常に敏感である。本稿では、最近開発された加熱液体細胞を利用して、室温と100°Cの間の温度制御を伴う水中の金ナノ粒子の放射線増殖に従う。 この方法論は、実際の合成条件に近づいている環境におけるSTEMイメージングと回折を組み合わせることで、Situ TEM観測とベンチスケールの合成のギャップを減少させます。

<table><tbody><tr><td>2100 Plus 電子顕微鏡</td><td>Jeol</td><td></td><td></td></tr><tr><td>アセトン</td><td>メルク</td><td></td><td></td></tr><tr><td>エアピストル</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ARM 200F 電子顕微鏡</td><td>Jeol</td><td></td><td></td></tr><tr><td>双眼鏡または光学顕微鏡</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>カーボンチップピンセット</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>加熱ソフトウェア付きコンピューター</td><td>ソフトウェア:Protochips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Distlilled water</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ダミーeチップス</td><td>Protochipsガスケット</td><td></td><td></td></tr><tr><td>/Oリング</td><td>Protochips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>金水溶液</td><td>メルク</td><td></td><td>1 mM のHAuCl4 - 事前に準備</td></tr><tr><td>大型液体加熱 Eチップ</td><td>Protochips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>メタノール</td><td>メルク</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ワンビューカメラ</td><td>ガタン</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ペトリ皿</td><td></td><td></td><td>ナンバー : 2</td></tr><tr><td>プラズマクリーナー</td><td>ガタン</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ポセイドン セレク</td>ト<td>プロトチップス</td><td></td><td>液体セルホルダー</td></tr><tr><td>電源 ケースレー 2450</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>保護手袋</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>赤いPEEK</td><td></td><td></td>チューブ<td>番号:トルク</td></tr><tr><td>付き</td><td></td><td></td><td></td>ドライバー3</tr>本 <tr><td>小型液体Eチップ</td><td>プロトチップ</td><td></td><td>150nmスペーサー</td></tr><tr><td>STEM HAADF検出器</td><td>Jeol</td><td></td><td></td></tr><tr><td>STEMxソフトウェア</td><td>Gatan</td><td></td><td></td></tr><tr><td>シリンジ</td><td></td><td></td><td>番号:2</td></tr><tr><td>シリンジポンプ</td><td>ハーバード大学装置</td><td></td><td>番号:2</td></tr><tr><td>真空ポンプ</td><td>ガタン</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

液体細胞透過電子顕微鏡によるナノ粒子の核形成と成長に及ぼす温度の影響の研究

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

温度制御は、液体細胞透過電子顕微鏡によるナノ化学の研究にさらなる自由度を提供する最近の開発である。本論文では、水中の放射線による金ナノ粒子の形成に対する温度の影響を研究するためのin at citu加熱実験を準備する方法を説明する。実験の議定書は100 °Cまでの均一な暖房機能を持つ特別な液体セル、流れ能力および温度を制御するための統合されたインターフェイスを備えた液体電池TEMのホールダーを含むかなり簡単である。金ナノ粒子の核生成・成長機構は、液体細胞の温度に大きく影響することを示す。STEMイメージングとナノディフ分を用いて、成長するナノ粒子の密度、大きさ、形状、原子構造の進化がリアルタイムで明らかになる。自動画像処理アルゴリズムを利用して、ナノ粒子の核生成や成長速度などのビデオシーケンスから有用な定量データを抽出します。このアプローチは、ナノ材料の液相合成中に遊ぶ複雑な物理化学的プロセスを理解するための新しいインプットを提供します。

図5は、25°Cおよび85°Cで80秒間にわたって獲得した金ナノ粒子形成の2つのSTEM HAADF画像系列を示す。 これらの実験では、ナノ粒子の核形成と成長は、水の放射線による駆動されます。この電子ビーム誘導現象によって生成される化学種の中でも、強力な還元剤(すなわち、水性電子および水素ラジカル)は、SiN窓と液体との界面で金ナノ結晶の形成につながるテトラクロロウ酸を減少させることができる。この2つの場で同じ電子線量速度で行われた観測は、本手法が液体媒体中のナノ粒子の形成に対する温度の劇的な影響を可視化することを確認する。低温では、小さなナノ粒子の非常に密な組み立ての成長を観察し、一方、高温ではいくつかの大きく、よくファセットされたナノ構造が得られます。STEM HAADF画像のコントラストは金ナノ粒子の厚さに比例するため、これらの成長実験では、高コントラストの3Dナノ粒子と、三角形または六角形の形状と低いコントラストを持つ大きな2Dナノ構造( 図5の赤い矢印で示される)の2つの集団が形成されていることがわかります。
このプロトコルで説明するビデオ解析法は、観察領域におけるナノ粒子の数とその平均表面積を経て測定することによって、核生成および成長プロセスを定量化することを可能にする。 図8に示すように、低温では、800個を超えるナノ粒子が数十秒以内に形成され、高温で30ナノ粒子しか形成されていない。2つの三角形および六角形のナノプレートを除いて、すべてのナノ粒子は、すでに高温フォローアップの最初の画像に存在しています。 図9 は、ナノ粒子の平均表面積が25°Cよりも85°Cで40倍速く増加することを示す。
図6は、画像上で直接選択された2つの金ナノ粒子の典型的なSTEM画像と回折パターンを表す(図6Aの赤い矢印で示される)。ここでは、[001]と[図6B](図6C)のゾーン軸に沿って配向した金の面中心の立方体(FCC)構造を特定することができます。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig01.jpg"> 図1:Eチップと液体セルホルダーの先端の概略 (A) 液体セル(上)と小さなEチップ(底)を加熱するために使用される抵抗を有する大きなeチップ。 (B) 両方のEチップが液体セルホルダーに積載されています。大きいEチップの電極は液体電池のホールダーの電極パッドと接触している。大きいEチップの抵抗は液体の細胞を熱することができる。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig01large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig02.jpg"> 図2:Eチップの光学顕微鏡写真を示す:(A) 実験に必要な無傷のSiNウィンドウ。 (B)E チップの端にシリコンウエハが破損している。このタイプのEチップは、液体セルが密封されると、損傷領域が濡れた領域の外側にある場合(すなわち、損傷がOリングによって定義された領域の外にある場合)に使用できます。 (C)E チップ表面上の残基。洗浄処理を繰り返した後に残存する場合(4.1項参照)、Eチップを使用しないでください。 (D から F) SiN ウィンドウが破損しました (使用できない E チップ)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig02large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig03.jpg"> 図3:TEMホルダ内の液体セルのローディングのステップバイステップのプロセスの写真。(A) サンプルホルダーのみ。 (B) ガスケットOリングをキャビティに入れます。 (C) 小さなEチップをガスケットOリングに挿入します。 (D) 小さなEチップに溶液を一滴入れる。 (E) 大きいEチップを小さいチップの上に置きます。 (F) 蓋をねじ込んで液電池全体をシールします。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig03large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig04.jpg"> 図4:液体セルの温度を制御する加熱ソフトウェアのスクリーンショット。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig04large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig05.jpg"> 図5:金ナノ粒子の成長の低倍率STEM HAADF画像系列(A)25°C(B)で85°C。 対応する時間は、各画像の左下隅に示されています。2Dナノ構造体は赤い矢印で示されます。すべての画像は、同じ電子線量率3.4電子量速度で取得されます。·s-1·nm-2.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig05large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig06.jpg"> 図6:単一ナノ粒子のSTEMナノ回折(A) 回折ナノ粒子の選択に使用されるSTEM画像(回折獲得時のプローブの位置は赤い矢印で示される)。 (B,C) 2つの選択されたナノ粒子の回折パターン。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig06large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig07.jpg"> 図7: フィジーを用いたSTEM HAADF画像のデータ処理と解析画像は、成長の開始40秒後に取得されました。(A~C)画像は、85°C(A,D)生STEM画像で取得した25°C(D〜G)画像で取得した画像です。 (B,E)処理された画像(中央値フィルタ)。(C,F)バイナリ イメージ。(G)ピクセルの拡張が 2 回適用され、「穴を埋める」プロセスが適用されます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig07large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig08.jpg"> 図8:金ナノ粒子の数を25°C及び85°Cでの時間の関数として表すグラフ。 25°C の 2 つの曲線は、最小検出サイズ (Smin)が 20 (赤) と 50 (青) ピクセル2で自動的に測定されます。取得後の12秒と60秒後に測定された緑色の点は、25°Cで撮影したビデオで手動で計数されたナノ粒子 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig08large.jpg" target="_blank">の数を表し、この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig09.jpg"> 図9:金ナノ粒子の平均表面積を25°Cおよび85°Cの時間の関数として表すグラフ。緑色のドットは、85°Cで取得したビデオの所定の時点でのナノ粒子の平均面積の手動測定を表 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig09large.jpg" target="_blank">します。</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62225/62225fig10.jpg"> 図10:85°Cでのシングルゴールドナノキューブの成長の高倍率STEM HAADF画像シリーズこの画像シリーズは電子線量率83.6電子-1 .nm-2で取得した。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62225/62225fig10large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

液体相電子顕微鏡実験における温度制御は、その形成または応用媒体を模倣した液体環境におけるナノ粒子の動的な研究の新たな視点を開く。最近開発された加熱液細胞を用いて、水中の金ナノ粒子の核生成および成長過程における温度の影響を直接観測した。

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

温度制御は、液体細胞透過電子顕微鏡によるナノケミストリーの研究において、特に溶液中の金ナノ粒子の形成にさらなる自由度を提供する最近の開発である。この方法論は現実的な合成条件の下で環境の組成および温度を大きく制御する液体の個々のナノ構造の動態のイメージ投射を可能にする。興味深いことに、この方法は、液体環境における軟質または生物学的ナノオブジェクトの構造進化に対する温度の影響を、その形成または応用媒体を模倣することによって研究するために使用することができる。液体TEM実験の主な成功要因は、クリーンなサンプル調製とナノ粒子ダイナミクスに対する電子ビーム効果の考慮です。液体細胞の調製のために、最初に1つのガラスペトリ皿にアセトンを、もう1つをフュームフードにメタノールで充填します。2分間メタノールに両方のチップを移動する前に、1つの小さなEチップと1つの大きなEチップをアセトンに2分間入れます。メタノール洗浄後、エアピストルとピンセットを使用して細胞を乾燥させ、双眼鏡拡大鏡または光学顕微鏡を使用して窒化ケイ素の膜の完全性を検証します。チップがそのままの場合、プラズマはアルゴンと酸素ガスの混合物でEチップを2分間洗浄し、ガスケットOリングを液体セルホルダーにロードします。小さなEチップを液体セルホルダーに入れ、関心のある液体サンプルの約2マイクロリットルをチップに落とします。鋭く切られたろ紙を使用して、液体液滴が平らなドームを形成するまでチップから余分な液体を取り除き、大きなEチップを下向きの小さなEチップ前面に置きます。蓋を液体セルホルダーに戻し、各ネジを徐々に締めます。フィルターペーパーを使用してチップから余分な液体を取り除き、液体セルホルダーを軸の周りに回転させ、液体がすべて取り込まれるようにします。ポンプ場で液体セルの真空シーリングをテストします。ポンプの真空レベルがマイナス2パスカルに対して5倍10倍に達した場合、最後に窒化ケイ素の窓の完全性を確認し、液体セルホルダーを顕微鏡に積み込みます。フローモードを設定するには、目的の溶液で1つのシリンジをロードし、2つの外部ピークチューブをシリンジに接続します。シリンジをシリンジポンプに置き、外部ピークチューブを液体セルホルダーのエントリに挿入します。液体セルホルダーの出力用に、外部ピークチューブを1つ追加挿入します。次に、毎分5マイクロリットルの流量で各注入口に溶液を注入する。液体環境を加熱するには、加熱ソフトウェアを開き、電源を入れます。[デバイスチェック]ボタンをクリックし、[実験]タブを開きます。[手動]をクリックして手動加熱モードを有効にし、目的の温度を選択して実験に適した温度レートを変更します。次に[適用]をクリックして、Eチップを目標温度に加熱します。シグナル対ノイズ比の良好な金ナノ粒子のラジオリシス駆動の形成を画像化するには、STEM-HAADFモードで、液体の厚さが最小である観察ウィンドウの隅付近のサンプルの手付かずの領域を特定します。なお、画像化条件は、スポットサイズ、凝縮器開口サイズ及び倍率を含む電子線量速度及び分析領域を照射する累積電子線量の後の較正を可能にする。次に、同じイメージング条件を使用して、異なる温度でナノ粒子成長のビデオを取得します。単一ナノ粒子ナノディフショナルの場合、いくつかのナノオブジェクトのSTEM-HAADF画像を取得し、STEMxソフトウェアを使用して、画像内の個々のナノ粒子の回折パターンを取得します。これら2つのSTEM-HAADF画像系列で観察されるように、小さなナノ粒子の非常に密な組み立ての成長は、低温で観察することができる。高温では、いくつかの大きく、顔のふれたナノ構造が得られます。STEM-HAADF画像のコントラストは金ナノ粒子の厚さに比例するため、これらの成長実験の間に形成された物体の2つの集団が観察され得る:高コントラスト3Dナノ粒子と三角形または六角形の形状と低いコントラストを有する大きな2Dナノ構造体。この方法で示されているように、自動ビデオ処理は、ナノ粒子の核生成および成長速度の測定を可能にする。低温では、数十秒の観測内に800個以上のナノ粒子が形成され、高温で同じ時間に30個のナノ粒子しか形成されません。逆に、ナノ粒子の平均表面積は、25度よりも摂氏85度で40倍速く増加する。ここで、代表的なSTEM画像から直接選択された2つの金ナノ粒子の回折パターンが観察できる。金指向の長い視野001および112のゾーン軸の面中心の立方体構造を識別することができる。液体細胞TEMによるナノ粒子の核形成と成長に対する温度の影響を研究するには、放射線の起点がナノ粒子形成にも影響を及ぼすため、同じ電子線量率で取得したビデオの比較が必要です。Ex sEMまたはTEM特性は、液体細胞を密封解除した後にナノオブジェクト構造をさらに解析するために行うことができる。温度制御液体セルTEMは、固体と液体の界面で起こる他の多くの化学反応に対する温度の影響を調査する機会を提供し、材料、生命、地球科学の多くの道を開きます。

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Research

JoVE Journal

Chemistry

化学

マルチスペクトルイメージングフローサイトメトリーによるナノ粒子と細菌の細胞内在化を分析する

我々は、透過型電子顕微鏡を用いて液体を介して撮像を可能にする自己完結型の液晶セルを開発した。液体中のナノ粒子の動的なプロセスは、サブナノメートルの分解能でリアルタイムに明らかにすることができる。...

液晶セルの透過型電子顕微鏡を使用して液体の材料の動的過程を明らかにする

このプロトコルは、ナノスケールの動的プロセスを観察するために使用されるような、水にAuNPsの透過型電子顕微鏡を走査するための液体流試料ホルダの動作を説明します。...

走査型透過電子顕微鏡を用いて、液体中にナノサイズのオブジェクトの動的プロセスを学びます

ここで紹介する自己組織化プロセスのリアルタイム観測のための実験プロトコル液晶セルの透過型電子顕微鏡を用いたします。...

ナノ粒子の自己集合の追跡のため液晶セルの透過電子顕微鏡観察

グラフェン液体セル電子顕微鏡を使用して、他液体セル電子顕微鏡技術よりも空間分解能の大きい液体の環境でナノ結晶のダイナミクスを観察できます。エッチングは、ナノ結晶とグラフェンの液晶セルの透過型電子顕微鏡を使用してその形状を得ることができます次ナノ粒子変換についての重要な機構をあらかじめ作られました。...

グラフェン液セル透過型電子顕微鏡を使用してナノ結晶エッチングその場を研究するには

HAuCl4前駆体溶液から金ナノ結晶のその中の電子顕微鏡検査用グラフェン支持マイクロウェル液体細胞の調製のためのプロトコルが提示される。さらに、観察されたエッチングと成長ダイナミクスを定量化するための分析ルーチンが提示されます。...

その中透過電子顕微鏡におけるグラフェン支持マイクロウェル液体細胞の調製

本プロトコルは、光照明システムによる透過型電子顕微鏡(TEM)の修飾、液体細胞の作製、および細菌細胞と光増感剤との間の光誘起相互作用の in situTEM 観察について説明する。サンプル調製方法、電子線損傷、およびイメージングについても説明します。...

液体-ソフトマター相互作用観察のための光誘起 In situ 透過型電子顕微鏡

ここでは、マシンビジョンソフトウェアを利用してTEMイメージング中の動的プロセスを安定化させると同時に、各画像のメタデータの複数のストリームをナビゲート可能なタイムラインにインデックス化するプロトコルを紹介します。このプラットフォームが、実験の過程で電子線量の自動キャリブレーションとマッピングをどのように可能にするかを示します。...

透過型電子顕微鏡ワークフロー、結果分析、データ管理へのマシンビジョンアプローチ

吸着剤が充填された熱脱着チューブ上に集めTNT及びRDXの爆発性蒸気をトレースは、電子捕獲型検出器でGCに結合され、プログラムされた昇温脱離ガスシステムを用いて分析した。機器分析は、インスツルメンテーション·ドリフトおよび損失のためのサンプルの変動やアカウントを減らすために直接液体蒸着法と組み合わされる。...

プログラムされた温度脱着ガスクロマトグラフィー - 電子捕獲型検出器による微量爆発性気体の定量的検出

播種ロッドナノ粒子の表面上の小さな結晶性酸化イリジウムナノ粒子の光化学的酸化成長のためのプロトコルCdSe@CdS提示されます。...

CdSeの@のCdSナノロッド上にイリジウム酸化物ナノ粒子の光化学酸化成長

学ぶ 液体細胞透過電子顕微鏡を用いた温度制御ナノ粒子形成プロトコル。金ナノ粒子の核生成と成長における温度依存性をリアルタイムで観察し、ナノ材料合成の物理化学過程を解明する手法です。

液体細胞透過電子顕微鏡によるナノ粒子の核形成と成長に及ぼす温度の影響の研究

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