In Situ Karakterisering van böhmiet deeltjes in het Water met behulp van vloeibare SEM

Het algemene doel van deze in situ vloeistof-scanning elektronenmicroscopie-beeldvormingsprocedure is het bieden van technische expertise voor efficiënte beeldvorming en analyse van deeltjes in vloeistoffen in conventionele hoogvacuüm SEM met behulp van een vacuümcompatibele microfluïdische module. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het veld van de microscopie en microanalyse, zoals het karakteriseren van de evoluerende deeltjesgrootte en morfologie als reactie op omgevingsveranderingen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat we polydisperse deeltjes in vloeistof direct kunnen visualiseren zonder het monster in hoogvacuümmodus te drogen of te bevriezen, en zonder terug te grijpen op omgevings-SEM.

De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot de efficiënte analyse van diverse vloeibare materialen en biologische monsters met behulp van SEM, aangezien veel van deze stoffen alleen functioneren of bestaan in vloeibare vorm. Een visuele demonstratie van deze methode is essentieel, omdat de eenvoudige montage- en in situ-beeldvormingsstappen moeilijk aan te leren zijn, aangezien ze verschillen van die bij reguliere vaste monsters. Begin deze procedure met het koolstofcoaten van het systeem voor analyse aan de vloeistof-vacuüminterface, of SALVI-apparaat, zoals beschreven in het protocol van de techniek.

Het monteren van het microfluïdische apparaat op de SEM-tafel is van cruciaal belang voor het succes van in situ vloeistof-SEM-analyse. Zorg ervoor dat het apparaat correct is geaard en stevig is bevestigd om het opladingeffect vóór het experiment te minimaliseren. Om het SALVI-apparaat op de SEM-tafel te monteren, opent u eerst voorzichtig de deur van de SEM-monsterkamer zodra het ontluchten is voltooid.

Selecteer de SEM-monsteraanhouder. Bevestig de houder in het midden van de tafel met de juiste bout en inbussleutel. Plaats twee stroken dubbelzijdige koolstoftape op de monsteraanhouder.

Plak vervolgens het SALVI-apparaat op de koolstofstapel op de houder, waarbij de kant met het siliciumnitride-membraan naar boven is gericht. Immobiliseer de SALVI stevig op de monsterhouder door twee extra stroken enkelzijdige kopertape te gebruiken om het SALVI PDMS-blok aan de SEM-monsterhouder te bevestigen. Gebruik daarnaast de kopertapes om het siliciumnitride-frame met de metalen monsterhouder te verbinden.

Zorg ervoor dat de tape het siliciumnitride membraan niet volledig bedekt. Om de monsterkamer vacuüm te trekken, sluit u de deur van de monsterkamer, selecteert u de hogevacuümmodus in de GUI van de SEM-software op de pagina voor straalbesturing en klikt u op de pompknop op de pagina voor straalbesturing om het vacuümproces te starten. Oefen met de hand druk uit op de deur van de kamer totdat het gewenste vacuüm is bereikt.

Maak vervolgens openingen in het siliciumnitride-membraan met een gefocuste ionenbundel, of FIB, zoals beschreven in het protocol van de technicus. Zet na het volgen van de procedure zowel de elektronenbundel als de ionenbundel uit om de kamer te ontluchten door op 'beam on' te klikken wanneer het overeenkomstige bundelbeeldingsgebied is geactiveerd. Klik op 'vent' op de pagina voor bundelbesturing om de monsterkamer te ontluchten.

Open voorzichtig de deur van de SEM-kamer nadat deze volledig is ontlucht, waarbij het SALVI-apparaat ongewijzigd op de objecttafel blijft staan. Trek één milliliter gedeïoniseerd water op in een steriele spuit en verbind de spuit met de inlaat van het microfluïdische apparaat met behulp van een polytetrafluoretheleen-slangadapter. Injecteer de vloeistof langzaam gedurende drie tot vijf minuten.

Herhaal dit proces drie keer met één milliliter van 10 micrograms per milliliter aluminiumoxyhydroxide om te voorkomen dat de concentratie van het monster wordt verdund door het vooraf geladen gedeïoniseerde water. Verwijder na de injectie de spuit. Verbind de inlaat en uitlaat van de SALVI met polyetheretherketon-koppelingen.

Droog eventuele vloeistof aan de buitenkant van de SALVI af met laboratoriumdoekjes. Als er luchtbellen in de slang of het microkanaal zitten, herhaal dan de monsterinjectie totdat er geen bellen meer in de slang zichtbaar zijn. Om beelden op te nemen met de ETD en de secundaire elektronenmodus, sluit eerst de deur van de monsterkamer.

Nadat het gewenste vacuüm op de kamerdeur is gecreëerd zoals eerder beschreven, activeert u het elektronstraalbeeldgebied door op het pauze-icoon in de werkbalk te klikken. Schakel de elektronenstraal in door op de knop 'beam on' op de pagina voor straalbesturing te klikken. Selecteer de ETD en de secundaire elektronenmodus voor beeldvorming in het vervolgkeuzemenu van de detector.

Bij het selecteren van de optimale omstandigheden is het essentieel om in staat te zijn beelden van hoge kwaliteit te verkrijgen. In dit werk tonen we u een set omstandigheden die geschikt zijn voor secundaire elektronenbeeldvorming van lichte elementen zoals aluminium en silicium. Bij het analyseren van andere elementen zoals ijzer en nikkel moeten de bedrijfsomstandigheden worden aangepast om de secundaire elektronenbeeldvorming te optimaliseren.

Stel de versnellingsspanning in op 8 keV en de bundelstroom op ongeveer 0,47 nA via de overeenkomstige keuzelijsten in de GUI-werkbalk bij het afbeeldingsgebied van de elektronenbundel. Stel de werkafstand in op 7 mm door 7 in te typen in het tekstvak van coördinaat Z op de navigatiepagina wanneer de actuele afstand is geselecteerd. Vergroot het kenmerk tot 1.000 X en draai aan de knoppen voor contrast, helderheid, grove en fijne instelling op de handmatige gebruikersinterface om het beeld van het partikelkenmerk te optimaliseren.

Centreer het eerste gat in het live-beeld van het elektronenstraal-beeldgebied door aan de X- en Y-verschuivingsknoppen op het handmatige gebruikersinterfacepaneel te draaien, en vergroot de beelden met deeltjes tot een vergroting van 200 000 X door aan de vergrotingsknop op het handmatige gebruikersinterfacepaneel te draaien. Selecteer de schermresolutie 1 024 bij 884 uit de lijst in de werkbalk. Stel vervolgens de scansnelheid in op 30 microseconds via de lijst in de werkbalk.

Druk op de F4-toets om een momentopname te maken van het huidige beeld dat in het elektronenstraal-beeldgebied wordt getoond. Druk op de Ctrl- en S-toetsen om het beeld als TIF-bestand op de gewenste locatie op te slaan met de gedefinieerde bestandsnaam, inclusief een oplopend nummer. Zoom uit door aan de vergrotingsknop te draaien om het volgende aangrenzende gat te lokaliseren.

Herhaal deze handelingen om de aluminiumoxyhydroxide-deeltjes in de overige gaten te beelden. Om elementanalyse uit te voeren met behulp van energiedispersieve röntgenspectroscopie, oftewel EDX, plaatst u de energiedispersieve spectroscopedetectoren in de kamer. Selecteer de ETD op de monitor voor de besturing van de microscoop.

Select vervolgens de secundaire elektronenmodus om het monster in het beeldvormingsgebied van de elektronenstraal te bekijken en stel de parameters in zoals voorheen. Vergroot de aluminiumoxyhydroxide-deeltjes in elk gat tot een vergroting van 200 000 X door aan de vergrotingsknop op het handmatige gebruikersinterfacepaneel te draaien. Open daarna de bijbehorende EDAC-software.

Klik in de gebruikersinterface op 'start recording new spectra' om het EDX-spectrum te verzamelen. Selecteer 'peak ID' om de waarschijnlijke elementen van het spectrum te kiezen. Typ vervolgens de waargenomen elementen in het elementenveld.

Klik op toevoegen om het element op het spectrum toe te passen. Klik op bestand en vervolgens op opslaan als. Sla de spectrale gegevens op in CSV-formaat met de gewenste bestandsnaam om deze te kunnen plotten met behulp van een grafiekprogramma.

Nadat de beeldvorming en spectrumopname voor elk van de gaten zijn voltooid, schakelt u de elektronenbundel uit door op de knop 'beam on' op de pagina voor bundelbesturing te klikken terwijl het beeldvormingsgebied van de elektronenbundel is ingeschakeld. Laat de SEM-kamer vacuümvrij door op 'vent' op dezelfde pagina te klikken. Verwijder het monster voorzichtig van de houder door alle tapes te verwijderen nadat de kamerdeur is geopend.

Herhaal de procedure om de controle-experimenten uit te voeren met gedeïoniseerd water en een leeg microkanaal. Zet tot slot het EDX-spectrum uit zoals beschreven in het protocol van de technicus. Met de SALVI microfluïdische interface kan de elektronenbundel direct bombarderen op de kleine, micrometer-grote opening met vloeistof eronder.

Boehmietdeeltjes in gedeïoniseerd water werden in hun secundaire elektronenbeelden vergeleken met de controle met gedeïoniseerd water en de controle met een leeg kanaal. Dit levert direct bewijs voor de secundaire elektronenbeeldvorming van boehmietdeeltjes in de vloeistof. De visualisatie van het deeltje in gedeïoniseerd water binnen het gat van één micrometer demonstreert de haalbaarheid om deeltjes in vloeistof in situ te observeren.

In het boehmiet-monster is een sterke aluminiumpiek waarneembaar. In contrast hiermee is in het gedeïoniseerde monster alleen een sterke zuurstofpiek zichtbaar, wat duidt op de aanwezigheid van water. In het lege kanaal zijn residuen van de gallium-focused ion beam te zien.

De zuurstofpiek is vrij klein omdat er geen water aanwezig is. Eenmaal beheerst kan deze techniek in een paar uur worden uitgevoerd als deze correct wordt toegepast. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite hebben, omdat het moeilijk is om vloeistoffen direct te visualiseren in een SEM met hoog vacuüm.

Na het bekijken van deze video moet u een goed begrip hebben van hoe deeltjes in vloeistof kunnen worden gekarakteriseerd met behulp van in situ vloeistof-SEM met SALVI. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het zeer belangrijk om te onthouden dat de microreactor lekvrij moet zijn voordat deze op de SEM-houder wordt gemonteerd. Na deze procedure kunnen andere methoden, zoals TOF-SIMS of NMR, worden uitgevoerd om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals de moleculaire samenstelling en het in kaart brengen van het vloeistofveld.

Na de ontwikkeling heeft deze techniek de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in de materiaalkunde, chemische technologie en kerntechniek om veranderingen in partikelgrootte en morfologie in een bijtende vloeistofomgeving te onderzoeken. Vergeet niet dat bij oppervlakteanalyse met SEM handschoenen en een veiligheidsbril gedragen moeten worden bij het uitvoeren van deze procedure.