Name: Odkrywanie dynamicznych procesów materiałów w cieczach za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji komórek ciekłych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-12-20T12:55:00.000+00:00
Duration: 7 min 37 s
Description: Poznaj mikroskopię elektronową transmisji z komórką ciekłą do obserwacji dynamicznego wzrostu nanocząstek w czasie rzeczywistym z rozdzielczością subnanometrową. Ta metoda umożliwia badanie procesów krystalizacji w cieczach.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Zheng dziękuje Prof. A. Paulowi Alivisatosowi i Dr. Ulrichowi Dahmenowi za pomoc.
dyskusje podczas wczesnego rozwoju ogniw płynnych EM. Jest wdzięczna za wsparcie, jakie udzielają jej
Program Badawczy Wczesnej Kariery Biura Nauki DOE.

1. Mikrofabrykacja komórek płynnych
<ol>
	<li>Przygotuj płytki krzemowe (domieszkowane p, o grubości 100 μm i średnicy 4 cali) i wyczyść płytki za pomocą standardowej procedury czyszczenia w kąpieli waflowej.</li>
	<li>Osadzanie cienkich warstw azotku krzemu o niskim naprężeniu (o grubości 20 nm) po obu stronach płytek krzemowych metodą niskociśnieniowego chemicznego osadzania z fazy gazowej (LPCVD). Do osadzania wykorzystywana jest specjalnie opracowana receptura, która umożliwia wzrost azotku bogatego w krzem (SiNx, x<4/3).</li>
	<li>Wytwarzać dolny układ scalony (2,6 × 2,6 mm; o średnicy 3 mm) z okienkiem kontrolnym (1 × 50 μm) oraz górny układ scalony (2,6 × 2,6 mm; 3 mm średnicy) z okienkiem kontrolnym (1 × 50 μm) i dwoma zbiornikami (0,6 × 1,2 × 0,1 mm), postępując zgodnie z sekwencją standardowych procesów produkcyjnych, w tym modelowanie fotolitograficzne, wytrawianie plazmowe membrany SiNx (przy użyciu SF6 jako gazu aktywnego), trawienie na mokro KOH odsłoniętej płytki krzemowej itp. Stosujemy najpowszechniejszy proces fotolitograficzny, taki jak powlekanie spinowe fotorezystu (fotorezystor dodatni o prędkości wirowania 3 000 obr./min przez 1 min; grubość fotorezystu wynosi około 1 μm), naświetlanie UV pod maską Cr komórek cieczowych, modelowanie litograficzne przy użyciu wywoływacza i utrwalacza (woda dejonizowana) itp. Istnieją różne możliwości wyboru fotorezystu do powlekania wirowego i wywoływacza do modelowania. Odpowiednie parametry procesów mogą się również różnić. Ponieważ cechy wzoru są stosunkowo duże (setki μm lub więcej), proces ten jest łatwy do wykonania. Roztwór KOH przygotowuje się przez rozpuszczenie wodorotlenku potasu w wodzie dejonizowanej o stosunku wodorotlenku potasu do masy wody wynoszącym 1:2. Roztwór KOH utrzymuje się w temperaturze 80 °C podczas trawienia. Można osiągnąć szybkość wytrawiania 1 μm na minutę. Membrana SiNx to idealna maska ochronna do wytrawiania KOH krzemu. Ponieważ stosowane są linie do wytrawiania, poszczególne wióry są łączone cienkimi liniami wytrawionego wafla po wytrawieniu KOH. Kawałki wiórów można łatwo oddzielić od wafla za pomocą ostrej pęsety do kolejnych procesów. Nie jest potrzebny proces krojenia w kostkę.</li>
	<li>Umieść przekładkę indu na płaskiej stronie dolnego chipa. Po pierwsze, wykonaj litograficzne wzory chipów, postępując zgodnie z podobnym procesem w 1.3. Aby ułatwić obsługę wiórów, przyklej pojedyncze wióry (może to być kawałek kilku wiórów) na cienkiej tafli szkła za pomocą fotorezystu i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez 5 minut przed wirowaniem, ekspozycją na promieniowanie UV itp. Po drugie, wyczyść wzorzyste wióry za pomocą czyszczenia plazmowego O2 o mocy 50 watów przez 1 minutę; Po trzecie, nałóż cienką warstwę indu o grubości 100 nm na chipie za pomocą parownika; Po trzecie, przeprowadzany jest proces lift-off w celu wygenerowania przekładki indu.</li>
	<li>Połącz ze sobą dolny i górny żeton. Najpierw ustawiamy dwa okienka podglądu z azotku krzemu dolnego i górnego chipa pod mikroskopem optycznym i przykładamy nacisk około 0,1 MPa za pomocą zacisku. Wymaga to wprawy, aby precyzyjnie wyrównać okna względem siebie. Następnie komórki płynów są wypiekane w piecu próżniowym w temperaturze 120 °C przez 1 godzinę. Na koniec zbieramy ogniwa i przechowujemy przygotowane ogniwa w eksykatorze próżniowym do wykorzystania w przyszłości.</li>
</ol>
Cały proces produkcji jest pokazany na rysunku 1. Wszystkie procesy produkcyjne przeprowadzamy w Laboratorium Nanofabrykacji Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.
2. Przygotowanie roztworów reakcyjnych
Przygotowujemy roztwory reakcyjne dla wzrostuPt 3Fe nanoprętów jako przykład. Octyloacetonian platyny (II) (20 mg/ml) i acetyloacetonian żelaza (II) (20 mg/ml) rozpuszczono w mieszaninie rozpuszczalników pentadekanu i oleiloaminy (7:3 obj./obj.) lub mieszaninie pentadekanu, oleylaminy i kwasu oleinowego (6:3:1 obj./obj./obj.) stosuje się do porównania działania środków powierzchniowo czynnych.
3. Rozwiązania reakcji na obciążenie
<ol>
	<li>Około 50 nl roztworu reakcyjnego umieszcza się w jednym ze zbiorników w ciekłej komórce za pomocą strzykawki i nanorurek teflonowych (zakupionych od Cole-Parmer, IL). Następnie drugi zbiornik jest napełniany w ten sam sposób.</li>
	<li>Około 30 pl roztworu reakcyjnego jest wciągane do komórki przez siłę kapilarną i tworzy warstwę cieczy (~100 nm) umieszczoną między dwiema membranami z azotku krzemu w okienku podglądu.</li>
	<li>Ciekła cela jest następnie uszczelniana za pomocą cienkiej miedzianej osłony (siatka TEM ~50 μm z pojedynczym otworem o średnicy 0,6 mm, która została zakupiona od Tedd Pella, Inc.). Smar próżniowy został nałożony po jednej stronie pokrywy, a żywica epoksydowa została użyta do uszczelnienia krawędzi płynnej komórki. Całkowita grubość końcowej ciekłej komórki wynosi około 250-300 μm.</li>
</ol>
4. Załaduj płynne komórki do TEM
<ol>
	<li>Do obrazowania in situ stosuje się JEOL 3010 TEM pracujący przy napięciu 300 kV oraz monochromatyczny F20 UT Tecnai FEI pracujący przy napięciu 200 kV.</li>
	<li>Płynna komórka jest ładowana do mikroskopu jako standardowa próbka TEM do obrazowania.</li>
</ol>
5. Obrazowanie TEM w czasie rzeczywistym
<ol>
	<li>Dostosuj mikroskop do idealnych warunków obrazowania TEM o wysokiej rozdzielczości, a gęstość prądu wiązki 1-8 ×10 5 A/m2 zostanie utrzymana podczas obrazowania w czasie rzeczywistym.</li>
	<li>W przypadku systemu PtFe zarodkowanie i wzrost nanocząstek można zainicjować poprzez rzucenie wiązki elektronów na warstwę cieczy.</li>
	<li>Oprogramowanie VirtualDub w połączeniu z oprogramowaniem Gatan DigitalMicrograph służy do rejestrowania dynamiki nanocząstek.</li>
</ol>

<ol><li>de Jonge, N., Ross, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+microscopy+of+specimens+in+liquid%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Electron microscopy of specimens in liquid.</a> Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).</li>
<li>Sun, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Watching+nanoparticle+kinetics+in+liquid%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Today%22%5BJournal%5D)">Watching nanoparticle kinetics in liquid.</a> Mater. Today. 15, 140-147 (2012).</li>
<li>Tao, F., Salmeron, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Situ+Studies+of+Chemistry+and+Structure+of+Materials+in+Reactive+Environments%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments.</a> Science. 331, 171-174 (2011).</li>
<li>de Jonge, N., Poirier-Demers, N., Demers, H., Peckys, D. B., Drouin, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanometerresolution+electron+microscopy+through+micrometers-thick+water+layers%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Nanometerresolution electron microscopy through micrometers-thick water layers.</a> Ultramicroscopy. 110, 1114-1119 (2010).</li>
<li>Zheng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+Single+Colloidal+Platinum+Nanocrystal+Growth+Trajectories%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories.</a> Science. 324, 1309-1312 (2009).</li>
<li>Williamson, M. J., Tromp, R. M., Vereecken, P. M., Hull, R., Ross, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+microscopy+of+nanoscale+cluster+growth+at+the+solid-liquid+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Dynamic microscopy of nanoscale cluster growth at the solid-liquid interface.</a> Nature Materials. 2, 532-536 (2003).</li>
<li>Liao, H. -G., Cui, L., Whitelam, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-Time+Imaging+of+Pt3Fe+Nanorod+Growth+in+Solution%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution.</a> Science. 336, 1011-1014 (2012).</li>
<li>Mirsaidov, U. M., Zheng, H., Casana, Y., Matsudaira, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+Protein+Structure+in+Water+at+2.7+nm+Resolution+by+Transmission+Electron+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Imaging Protein Structure in Water at 2.7 nm Resolution by Transmission Electron Microscopy.</a> Biophysical Journal. 102, L15-L17 (2012).</li>
<li>Yin, Y. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+hollow+nanocrystals+through+the+nanoscale+Kirkendall+Effect%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale Kirkendall Effect.</a> Science. 304, 711-714 (2004).</li>
<li>Kan, S., Mokari, T., Rothenberg, E., Banin, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+size-dependent+properties+of+zinc-blende+semiconductor+quantum+rods%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Synthesis and size-dependent properties of zinc-blende semiconductor quantum rods.</a> Nature Materials. 2, 155-158 (1038).</li>
<li>Peng, X. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+control+of+CdSe+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Shape control of CdSe nanocrystals.</a> Nature. 404, 59-61 (2000).</li>
<li>Skrabalak, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+Nanocages%3A+Synthesis%2C+Properties%2C+and+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Accounts+of+Chemical+Research%22%5BJournal%5D)">Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications.</a> Accounts of Chemical Research. 41, 1587-1595 (2008).</li>
<li>Zhang, Q. B., Xie, J. P., Yang, J. H., Lee, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monodisperse+Icosahedral+Ag%2C+Au%2C+and+Pd+Nanoparticles%3A+Size+Control+Strategy+and+Superlattice+Formation%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">Monodisperse Icosahedral Ag, Au, and Pd Nanoparticles: Size Control Strategy and Superlattice Formation.</a> Acs Nano. 3, 139-148 (2009).</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>Murray, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Watching+Nanocrystals+Grow%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Watching Nanocrystals Grow.</a> Science. 324, 1276-1277 (2009).</li>
<li>Xin, H. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Revealing+Correlation+of+Valence+State+with+Nanoporous+Structure+in+Cobalt+Catalyst+Nanoparticles+by+In+Situ+Environmental+TEM%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Revealing Correlation of Valence State with Nanoporous Structure in Cobalt Catalyst Nanoparticles by In Situ Environmental TEM.</a> ACS Nano. 6, 4241-4247 (2012).</li>
<li>Daulton, T. L., Little, B. J., Lowe, K., Jones-Meehan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+environmental+celltransmission+electron+microscopy+study+of+microbial+reduction+of+chromium%28VI%29+using+electron+energy+loss+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">In situ environmental celltransmission electron microscopy study of microbial reduction of chromium(VI) using electron energy loss spectroscopy.</a> Microscopy and Microanalysis. 7, 470-485 (2001).</li>
<li>Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impermeable+Graphenic+Encasement+of+Bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria.</a> Nano Letters. 11, 1270-1275 (2011).</li>
<li>Yuk, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Resolution+EM+of+Colloidal+Nanocrystal+Growth+Using+Graphene+Liquid+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells.</a> Science. 336, 61-64 (2012).</li>
<li>Zheng, H., Claridge, S. A., Minor, A. M., Alivisatos, A. P., Dahmen, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanocrystal+Diffusion+in+a+Liquid+Thin+Film+Observed+by+in+Situ+Transmission+Electron+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanocrystal Diffusion in a Liquid Thin Film Observed by in Situ Transmission Electron Microscopy.</a> Nano Letters. 9, 2460-2465 (2009).</li>
<li>Park, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+Observation+of+Nanoparticle+Superlattice+Formation+by+Using+Liquid+Cell+Transmission+Electron+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy.</a> Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).</li>
</ol>

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Wszystkie procesy produkcyjne zostały wykonane w clean roomie, w którym produkowane są urządzenia półprzewodnikowe.
Przed osadzaniem indu, O2 konieczne jest plazmowe czyszczenie wiórów w celu wyeliminowania pozostałości organicznych na powierzchni. W ten sposób można uzyskać wysokiej jakości przekładkę indu, która może poprawić wiązanie górnych i dolnych wiórów oraz wydajność szczelnych komórek cieczowych.
Okna obserwacyjne z azotku krzemu z ultracienką...

Badanie reakcji chemicznych w cieczach w czasie rzeczywistym oraz obrazowanie materiałów biologicznych w ich naturalnym środowisku były przedmiotem znacznego zainteresowania w dziedzinach badawczych1-5. Ze względu na wysoką rozdzielczość przestrzenną transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), obrazowanie przez ciecze za pomocą TEM przyciągnęło wiele uwagi4,5. Jednak obrazowanie próbek cieczy za pomocą TEM było dużym wyzwaniem, ponieważ konwencjonalny mikroskop jest eksploatowany w środowisku wysokiej próżni. Ponadto próbki cieczy muszą być wystarczająco cienkie, aby umożliwić przejście wiązki elektronów. Williamson i wsp.6 stwierdziło, że obrazowanie elektrochemicznego osadzania Cu można uzyskać z rozdzielczością 5 nm przy użyciu elektrochemicznego ogniwa cieczowego działającego w TEM. De Jonge i wsp.1 był w stanie zobrazować próbki biologiczne przez wodę o grubości kilku mikrometrów za pomocą skanującego (S) TEM. Niski kontrast próbek biologicznych nie został podniesiony jako problem, ponieważ nanocząstki złota były używane jako markery do obrazowania. Gęsta próbka cieczy również nie stanowiła problemu, ponieważ zastosowano tryb obrazowania STEM i osiągnięto rozdzielczość nanometrową. Niedawno opracowaliśmy niezależną komórkę cieczową, która umożliwia obrazowanie TEM koloidalnych nanocząstek w cieczach w czasie rzeczywistym o rozdzielczościsubnanometrowej 5,7. Te nowo opracowane ogniwa cieczowe, które oferują lepszą rozdzielczość i szybsze obrazowanie TEM (30 klatek na sekundę, co nie zostało osiągnięte przez obrazowanie STEM o wysokiej rozdzielczości), umożliwiły badanie dynamiki koloidalnych nanocząstek w cieczach. Ciekłe kuwety mieszczą się w standardowym uchwycie TEM i mogą być eksploatowane jak zwykłe próbki TEM. Niewielka ilość cieczy (około 30 pikolitrów) może być badana in situ w wyniku rozszerzonej reakcji chemicznej. Można stosować różne techniki obrazowania i analizy (np. spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii). Ponieważ całkowita grubość okienka obserwacyjnego (w tym membrany i warstwa cieczy) może być kontrolowana do 100 nm lub mniej, uzyskano również bezpośrednie obrazowanie próbek biologicznych (tj. białek) w ciekłej wodzie bez markerów nanocząstek złota 8.
W ciągu ostatnich dwóch dekad poczyniono znaczące osiągnięcia w zakresie syntezy i zastosowań nanokryształów koloidalnych9-11. Jednak wiedza na temat tego, w jaki sposób nanocząstki zarodkują, rosną i oddziałują ze sobą w cieczach, jest w dużej mierze empiryczna i opiera się głównie na analizach ex situ11-13. Opracowany przez nas TEM z płynnymi komórkami stanowi unikalną platformę do badania dynamicznych procesów zachodzących w nanocząstkach w cieczach in situ5,7,14,15.
Wytwarzamy samodzielną płynną komórkę przy użyciu ultra cienkich wafli krzemowych (100 μm) w sekwencyjnym procesie mikrofabrykacji. Obejmuje osadzanie membrany z azotku krzemu, modelowanie fotolitograficzne, trawienie wafli, osadzanie przekładki i klejenie komórek itp. Około 50 nanolitrów roztworu reakcyjnego ładuje się do zbiornika, który jest wciągany do ogniwa przez siłę kapilarną. Drugi zbiornik napełniamy kolejnymi 50 nanolitrami płynu. Następnie komórka jest uszczelniana i ładowana do mikroskopu w celu obrazowania in situ. Wewnątrz mikroskopu można zbadać ciecz umieszczoną między dwiema membranami z azotku krzemu (łącznie około 30 pikolitrów). Gdy wiązka elektronów przechodzi przez cienką warstwę cieczy, można monitorować dynamiczne procesy nanocząstek w cieczach w czasie rzeczywistym. Zarodkowanie i wzrost nanocząstek może być indukowany przez wiązkę elektronów, w niektórych przypadkach5,7 lub reakcje mogą być wywoływane przez zewnętrzne źródło ciepła14,16. Gdy uszkodzenie wiązki elektronów jest problemem, należy użyć prądu (dawki) o niskiej wartości wiązki elektronów.
Ponieważ ogniwa płynne są wytwarzane z procesów mikroprodukcji krzemu i w dużych partiach, różnice w grubości membrany lub cieczy między poszczególnymi komórkami płynu mogą być niewielkiel6. Każdy badacz, który ma podstawowe przeszkolenie w zakresie mikrofabrykacji, może z powodzeniem wytwarzać płynne komórki. Technikę obchodzenia się z cieczami i operację TEM in situ można również opanować po nabraniu wprawy. Należy zauważyć, że oprócz stosowania membran z azotku krzemu jako okien obserwacyjnych, inne materiały, takie jak dwutlenek krzemu, krzem lub węgiel (w tym grafen) mogą być również stosowane jako okno membranowe17-19. Ponieważ nasze płynne komórki używają małych okienek obserwacyjnych, tj. 1 x 50 μm, nie zaobserwowano wybrzuszenia błon. Płynna komórka jest również odporna na działanie, tj. poniżej 1% płynnych komórek ma wybite szyby podczas eksperymentów. Ponadto grubość warstwy cieczy można również elastycznie dostrajać, zmieniając grubość osadzonej przekładki indowej. Podczas przygotowywania próbki szczelnie zamknięta cela cieczy może utrzymywać płyny przez kilka dni bez wycieków. Niewielka ilość cieczy może być badana przez kilka godzin pod wiązką elektronów, co pozwala na badanie rozszerzonej reakcji chemicznej w czasie rzeczywistym.
Do tej pory zobrazowaliśmy wiele unikalnych procesów dynamicznych nanocząstek w cieczach, na przykład wzrost i koalescencję nanocząstek Pt5,15, dyfuzję nanocząstek w cienkich cieczach20,21, fluktuację wzrostu nanocząstek Bi14 i wzrost nanoprętów Pt3Fe z bloków budulcowych nanocząstek7, itd. Ponadto zastosowaliśmy tę metodę również w innych obszarach, np. obrazowaniu białek w ciekłej wodzie o rozdzielczości 2,7 nm8. Podsumowując, udowodniono, że nasza technika TEM z płynnymi komórkami jest bardzo cennym osiągnięciem w badaniu szerokiego zakresu podstawowych zagadnień w materiałoznawstwie, fizyce, chemii i biologii. Uważamy, że wciąż istnieje duża przestrzeń dla przyszłego postępu technicznego i zastosowań płynnego TEM i z pewnością będzie on miał duży wpływ na szerokie spektrum badań naukowych.

<table><tbody><tr><td colspan="4">Reodczynniki</td></tr><tr><td>Acetyloacetonian platyny(II)</td><td>Aldrich</td><td>523038</td><td></td></tr><tr><td>acetyloacetonian żelaza(II)</td><td>Aldrich</td><td>413402</td><td></td></tr><tr><td>pentadecane</td><td>Aldrich</td><td>P3406</td><td></td></tr><tr><td>oleylamina</td><td>Aldrich</td><td>O7805</td><td></td></tr><tr><td>kwas oleinowy</td><td>Sigma</td><td>O4137</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Sprzęt</td></tr><tr><td>TEM</td><td>JEOL</td><td>JEOL 3010</td><td></td></tr><tr><td>Monochromatyczny TEM</td><td>FEI</td><td>F20 UT Tecnai</td><td></td></tr></tbody></table>

odkrywanie dynamicznych procesów materiałów w cieczach za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji komórek ciekłych

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

Ostatnie osiągnięcie w zakresie transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ, która umożliwia obrazowanie przez ciecze o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, wzbudziło znaczące zainteresowanie w dziedzinach badawczych inżynierii materiałowej, fizyki, chemii i biologii. Kluczową technologią wspomagającą jest płynne ogniwo. Wytwarzamy płynne ogniwa z cienkimi okienkami w sekwencyjnym procesie mikrowytwarzania, w tym osadzanie membrany z azotku krzemu, modelowanie fotolitograficzne, trawienie płytek, klejenie komórek itp. Płynna cela o wymiarach zwykłej siatki TEM może zmieścić się w każdym standardowym uchwycie na próbki TEM. Około 100 nanolitrów roztworu reakcyjnego jest ładowane do zbiorników, a około 30 pikolitrów cieczy jest wciągane do okien widokowych przez siłę kapilarną. Następnie komórka jest zamykana i ładowana do mikroskopu w celu obrazowania in situ. Wewnątrz TEM wiązka elektronów przechodzi przez cienką warstwę cieczy umieszczoną między dwiema membranami z azotku krzemu. Dynamiczne procesy zachodzące w nanocząstkach w cieczach, takie jak zarodkowanie i wzrost nanokryształów, dyfuzja i składanie nanocząstek itp., zostały zobrazowane w czasie rzeczywistym z rozdzielczością poniżej nanometra. Zastosowaliśmy tę metodę również w innych obszarach badawczych, np. w obrazowaniu białek w wodzie. Płynna komórka TEM może odegrać ważną rolę w ujawnianiu dynamicznych procesów zachodzących w materiałach w ich środowiskach pracy. Może to również mieć duże znaczenie w badaniu procesów biologicznych zachodzących w ich rodzimym środowisku.

Wykorzystując metodę TEM z komórką cieczową, zwizualizowaliśmy wzrost w roztworze nanostraw Pt3Fe z nanocząsteczkowych bloków budulcowych. Rysunek 2 przedstawia sekwencyjne obrazy obrazujące trajektorię wzrostu nanostraw Pt3Fe w różnych warunkach roztworu. W celu wyróżnienia nanocząsteczek zastosowano proces fałszywego kolorowania w programie Photoshop.
W przypadku zastosowania mieszaniny rozpuszczalników pentadekanu i oleilaminy (7:3 vol/vol) można ziden...

Opracowaliśmy niezależną komórkę cieczową, która umożliwia obrazowanie przez ciecze za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Dynamiczne procesy zachodzące w nanocząstkach w cieczach mogą być ujawniane w czasie rzeczywistym z rozdzielczością subnanometrową.

Odkrywanie dynamicznych procesów materiałów w cieczach za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji komórek ciekłych

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

Celem poniższego eksperymentu jest zbadanie procesów dynamicznych materiałów w cieczach w czasie rzeczywistym z wysoką rozdzielczością przestrzenną z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Osiąga się to poprzez pierwsze mikrowytwarzanie płynnego ogniwa z ultracienkich wafli krzemowych. W drugim kroku wstrzyknij 100 nanolitrów roztworu reakcyjnego do zbiornika komórki za pomocą strzykawki i nanorurek teflonowych.Następnie uszczelnij komórkę płynu pokrywą. Następnie załaduj płynną komórkę do uchwytu próbki TEM jako standardową próbkę TEM i włóż uchwyt próbki do mikroskopu w celu przeprowadzenia eksperymentów TEM in situ. Proces ten pokazuje dynamiczny wzrost nanocząstek w cieczach, taki jak tworzenie nanodrutów platynowo-trójskładnikowych żelaza za pomocą obrazowania w czasie rzeczywistym z rozdzielczością poniżej nanometrów.Główną zaletą tej samodzielnej techniki komórek płynnych jest to, że cienka warstwa cieczy może być utrzymywana w okienku obserwacyjnym wystarczająco długo, aby umożliwić zajście przedłużonej reakcji chemicznej. Metoda ta może rzucić światło na kluczowe aspekty materiałoznawstwa i chemii fizycznej, takie jak dynamika wzrostu i transformacji materiałów w cieczach. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat mechanizmów wzrostu i składania nanokryształów.Może być również używany do obrazowania materiałów biologicznych w ich rodzimym środowisku. Ogólnie rzecz biorąc, osoby nowe w tej metodzie będą miały trudności, ponieważ wymaga ona szeregu procesów produkcyjnych do wytworzenia płynnych komórek, a obsługa maleńkich płynnych komórek dla instytutu jest wyzwaniem. Eksperymenty TM.Zawsze fascynowało mnie to, jak kryształy rosną i przekształcają się w nanoskali. Istnieje wiele tajemnic związanych z tymi procesami zachodzącymi w cieczach. Nasza metoda ogniw płynnych otworzyła całe pole badań nie tylko nad koloidalnym wzrostem nanokryształów, ale także nad różnorodnymi procesami zachodzącymi w cieczach, które wymagają wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czasowej.Tą procedurą zademonstrują dwaj doktoranci w moim laboratorium. Nu i Hong Mikrowytwarzanie płynnych ogniw odbywa się w czystym pomieszczeniu, rozpocznij mikrowytwarzanie płynnych ogniw przy użyciu ultracienkich wafli krzemowych. Te wafle to wafle silikonowe o grubości 100 mikrometrów, czterocalowe końcówki.Umieść 20 nanometrów warstw azotku krzemu o niskim naprężeniu po obu stronach płytki krzemowej. Następne okno podglądu producenta w środku dolnego chipa. Górny chip zawiera dwa zbiorniki wraz z depozytem w oknie widokowym.Przestrzenie indu na dolnym chipie za pomocą mikroskopu optycznego wyrównaj viewokienka górnego i dolnego chipa i połącz je ze sobą. Najpierw odważ 20 miligramów platyny, dwa octany acetylu i 20 miligramów IN dwóch ósemek acetylowych. Roztwór reakcyjny platyny i jonów jest następnie przygotowywany przez połączenie platyny i jonu w jednym mililitrze Penta decade i Ola dążąc w stosunku objętościowym siedem do trzech.Następnie załaduj roztwór reakcyjny do strzykawki wyposażonej w nanorurkę teflonową. Następnie za pomocą strzykawki wstrzyknąć około 50 nanolitrów roztworu reakcyjnego do zbiornika cieczy. Uważając, aby nie zanieczyścić okna transmisji elektronów, roztwór reakcyjny jest wciągany do komórki przez siłę kapilarną i tworzy warstwę cieczy o długości około 100 nanometrów między dwoma okienkami z azotku krzemu.Kontynuować wstrzykiwanie, aby napełnić drugi zbiornik dodatkowymi 50 nanolitrami roztworu. Przykryj płynną komórkę cienką miedzianą siatką TEM za pomocą smaru próżniowego, aby uzyskać szczelne uszczelnienie. Rozpocznij obrazowanie za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego lub TEM, ładując przygotowaną ciekłą komórkę do uchwytu na próbkę TEM.Po umieszczeniu w uchwycie na próbkę włożyć ciekłą kutę do TEM. Pokazany tutaj jest A-J-E-O-L 30 10 TEM działający pod napięciem 300 kilowoltów. Po umieszczeniu próbki na miejscu dostrój mikroskop do idealnych warunków obrazowania TEM o wysokiej rozdzielczości, używając gęstości prądu wiązki od jednego do ośmiu razy 10 do pięciu amperów na metr kwadratowy.To inicjuje zarodkowanie i wzrost nanocząstek w warstwie cieczy, rozpoczyna monitorowanie dynamiki nanocząstek w czasie rzeczywistym za pomocą wirtualnych programów do mikrofotografii cyfrowej dub i gatan. Po wystawieniu na działanie wiązki elektronów zachodzi zarodkowanie i wzrost nanocząstek platynowo-trzech związków żelaza. Nanocząstki rosną do czterech do pięciu nanometrów poprzez przyłączanie monomeru lub koalescencję między małymi nanocząstkami.W reakcji z biegiem czasu następuje przyłączanie nanocząstek skierowanych do kształtu i powstają nanodruty. W tym przypadku wzrost nanodrutów platynowo-trójżelazowych został zmieniony przez środki powierzchniowo czynne. Dodanie dodatkowego surfaktantu kwasu oleinowego do roztworu reakcyjnego powoduje powstanie cieńszych i prostszych nanodrutów niż w rozpuszczalniku składającym się tylko z pento, dekanu i oleaminy.Krótsze nanodruty mogą łączyć się i tworzyć dłuższe Po przymocowaniu druty mają tendencję do prostowania się z czasem. Podczas próby tej procedury należy pamiętać o dokładnym uszczelnieniu komórki LI przed załadowaniem próbki do mikroskopu po jej wywołaniu. Technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się materiałoznawstwem i chemią do zbadania wzrostu kryształów i dynamiki transformacji materiałów w cieczach i w nanoskali.Nie zapominaj, że praca z roztworami reaktywnymi może być niebezpieczna. Zawsze należy zachować środki ostrożności. Noś rękawice, noś okulary ochronne i noś fartuch laboratoryjny podczas wykonywania eksperymentów i odpowiednio utylizuj swoje materiały.

revealing-dynamic-processes-materials-liquids-using-liquid-cell

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ujawnianie dynamicznych procesów materiałów w cieczach za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej z komórką ciekłą

Tutaj opisujemy procedurę obrazowania kompleksów wirusowych w cieczy w rozdzielczości nanometrowej za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego.

In situ TEM zespołów biologicznych w cieczy

Ten protokół opisuje działanie uchwytu na próbki przepływu cieczy do skanowania transmisyjnej mikroskopii elektronowej AuNPs w wodzie, używanej do obserwacji dynamicznych procesów w nanoskali.

Badanie procesów dynamicznych nano-rozmiarów obiektów w cieczy za pomocą skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej

Wiele białek spełnia swoją funkcję, gdy są przyczepione do powierzchni błony. Wiązanie białek zewnętrznych na błonach nanodysków można pośrednio zobrazować za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Pokazujemy, że charakterystyczne układanie (rouleau) nanodysków indukowane przez fosforungmian sodu o ujemnym barwieniu jest zapobiegane przez wiązanie białka zewnętrznego.

Metoda wizualizacji i analizy białek oddziałujących z błoną za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej

Tutaj wprowadzamy eksperymentalne protokoły obserwacji procesu samoorganizacji w czasie rzeczywistym za pomocą mikroskopii elektronowej transmisyjnej komórki cieczowej.

Mikroskopia elektronowa transmisyjna z ciekłymi komórkami do śledzenia samoorganizacji nanocząstek

Mikroskopia elektronowa z ciekłych komórek grafenowych może być używana do obserwacji dynamiki nanokryształów w środowisku ciekłym z większą rozdzielczością przestrzenną niż inne techniki mikroskopii elektronowej w ciekłych komórkach. Wytrawianie gotowych nanokryształów i śledzenie ich kształtu za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej z ciekłymi ogniwami grafenowymi może dostarczyć ważnych informacji mechanistycznych na temat przemian nanocząstek.

Wykorzystanie mikroskopii elektronowej transmisji ciekłych komórek grafenowych do badania trawienia nanokryształów in situ

Przedstawiono protokół przygotowania mikrodobitkowych komórek płynnych z grafenem do mikroskopii elektronowej in situ nanokryształów złota z roztworu prekursorowego HAuCl4. Ponadto przedstawiono procedurę analizy w celu ilościowego określenia obserwowanego trawienia i dynamiki wzrostu.

Przygotowanie ciekłych komórek mikrostudzienkowych na bazie grafenu do transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

Obrazowanie komórek bakteryjnych to nowe podejście do biologii systemowej, skoncentrowane na definiowaniu statycznych i dynamicznych procesów, które dyktują funkcjonowanie dużych maszyn makromolekularnych. W tym przypadku integracja ilościowego obrazowania żywych komórek i tomografii krioelektronowej jest wykorzystywana do badania architektury i funkcji systemu wydzielania Legionella pneumophila typu IV.

Zastosowanie obrazowania żywych komórek i tomografii krioelektronowej w celu określenia czasoprzestrzennych cech systemu wydzielania kropk/icm Legionella pneumophila

Kontrola temperatury podczas eksperymentów z mikroskopią elektronową w fazie ciekłej otwiera nowe perspektywy badania dynamiki nanocząstek w środowiskach ciekłych, naśladując ich powstawanie lub stosowanie mediów. Korzystając z niedawno opracowanych ogniw cieczy grzewczej, bezpośrednio obserwowaliśmy wpływ temperatury na procesy zarodkowania i wzrostu nanocząstek złota w wodzie.

Badanie wpływu temperatury na zarodkowanie i wzrost nanocząstek za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji ciekłych komórek

Obecny protokół opisuje modyfikacje transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) z systemem oświetlenia świetlnego, wytwarzanie komórek płynnych oraz obserwacje in situ TEM indukowanych światłem interakcji między komórkami bakteryjnymi a fotosensybilizatorem. Omówiono również metody przygotowania próbek, uszkodzenia wiązki elektronów i obrazowanie.

Indukowana światłem transmisyjna mikroskopia elektronowa in situ do obserwacji oddziaływania ciecz-miękka materia

Tutaj opisane są protokoły przygotowania zestawów wirusów odpowiednich do analizy ciekłego EM i krio-EM w nanoskali przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej.

Postęp w obrazowaniu w wysokiej rozdzielczości zespołów wirusów w cieczach i lodzie

Tutaj prezentujemy protokół wykorzystujący oprogramowanie do widzenia maszynowego do stabilizacji dynamicznych procesów podczas obrazowania TEM, przy jednoczesnym indeksowaniu wielu strumieni metadanych do każdego obrazu na osi czasu, w której można nawigować. Pokazujemy, w jaki sposób platforma ta umożliwia automatyczną kalibrację i mapowanie dawki elektronów w trakcie eksperymentu.

Podejście oparte na widzeniu maszynowym do procesów pracy związanych z transmisyjną mikroskopią elektronową, analizą wyników i zarządzaniem danymi

Poznaj mikroskopię elektronową transmisji z komórką ciekłą do obserwacji dynamicznego wzrostu nanocząstek w czasie rzeczywistym z rozdzielczością subnanometrową. Ta metoda umożliwia badanie procesów krystalizacji w cieczach.

Odkrywanie dynamicznych procesów materiałów w cieczach za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji komórek ciekłych

Przeglądaj więcej filmów