Изучение влияния температуры на зародыша и рост наночастиц с помощью просвечивающей электронной микроскопии жидкостных клеток

Контроль температуры является недавней разработкой, которая обеспечивает дополнительную степень свободы в изучении нанохимии с помощью электронной микроскопии с передачей жидких клеток, в частности, образования наночастиц золота в растворе. Эта методология позволяет визуалировать динамику отдельных наноструктур в жидкости с большим контролем над составом и температурой окружающей среды в реалистичных синтетических условиях. Интересно, что этот метод может быть использован для изучения влияния температуры на структурную эволюцию мягких или биологических нанообъеспышек в жидких средах путем имитации их образования или среды применения.

Ключевыми факторами успеха экспериментов с жидкой ТЕА являются чистая пробоподготовка и учет влияния электронного пучка на динамику наночастиц. Для приготовления жидких клеток сначала наполните одну стеклянную чашку Петри ацетоном, а другую метанолом в вытяжной вытяжке. Поместите один маленький и один большой E-Chip в ацетон на две минуты, прежде чем переместить оба чипса в метанол в течение двух минут.

После промывки метанола используйте пневматический пистолет и пинцет для сушки клеток и используйте бинокулярную лубу или оптический микроскоп для проверки целостности окна нитрида кремния. Если чипы неповреждены, плазменно очистите E-Chips смесью аргона и кислорода в течение двух минут и загрузите уплотнители прокладки в держатель жидкой ячейки. Поместите небольшой E-Chip в держатель жидкой ячейки и опустите на чип примерно два микролитра интересуемого образца жидкости.

Используя резко разрезанный кусок фильтровальной бумаги, удалите лишнюю жидкость из чипа, пока капля жидкости не образует плоский купол, и поместите большой E-Chip на маленькую переднюю сторону E-Chip лицевой стороной вниз. Сдвиньте крышку обратно на держатель жидкостной ячейки и постепенно затягивайте каждый винт. Используйте фильтровальную бумагу, чтобы удалить любую лишнюю жидкость из чипов, вращая держатель жидкой ячейки вокруг своей оси, чтобы убедиться, что вся жидкость захвачена.

Проверьте вакуумное уплотнение жидкостной ячейки на насосной станции. Если уровень вакуума насоса достигает в пять раз 10 до отрицательных двух паскалей, проверьте целостность окна нитрида кремния в последний раз и загрузите держатель жидкой ячейки на микроскоп. Чтобы настроить режим потока, загрузите один шприц интересующим раствором и подключите к шприцев две внешние пиковые трубки.

Поместите шприц на шприцевой насос и вставьте внешние пиковые трубки в входы держателя жидкостной ячейки. Вставьте одну дополнительную внешнюю пиковую трубку для вывода держателя жидкой ячейки. Затем вводят раствор в каждое входное отверстие со скоростью потока пять микролитров в минуту.

Чтобы нагреть жидкую среду, откройте отопительное программное обеспечение и подключите источник питания. Нажмите кнопку Device Check (Проверка устройства) и откройте вкладку Эксперимент. Щелкните Вручную, чтобы активировать режим ручного нагрева, и выберите целевую температуру, чтобы изменить температуру в соответствии с экспериментом.

Затем нажмите кнопку Применить, чтобы нагреть электронные чипы до целевой температуры. Чтобы получить изображение управляемого радиоактивным анализом образования наночастиц золота с хорошим отношением сигнал/шум в режиме STEM-HAADF, определите нетронутую область образца возле угла окна наблюдения, в котором толщина жидкости находится на минимальном уровне. Обратите внимание на условия визуализации, включая размер пятна, размер диафрагмы конденсатора и увеличение, чтобы обеспечить последующую калибровку мощности дозы электронов и кумулятивной дозы электронов, облучающей анализируемую область.

Затем получите видео роста наночастиц при разных температурах, используя одни и те же условия визуализации. Для нанодиффракции одной наночастицы получите изображение STEM-HAADF нескольких нанообъектов и используйте программное обеспечение STEMx для получения дифракционной картины отдельных наночастиц в изображении. Как видно из этих двух серий изображений STEM-HAADF, рост очень плотной сборки мелких наночастиц может наблюдаться при низких температурах.

При высоких температурах получается несколько крупных и хорошо ограненные наноструктуры. Поскольку контраст изображений STEM-HAADF пропорционален толщине наночастиц золота, можно наблюдать две популяции объектов, сформированных в ходе этих экспериментов по росту: высококонтрастные 3D-наночастицы и большие 2D-наноструктуры с треугольной или гексагональной формой и более низкой контрастностью. Автоматизированная обработка видео, как показано в этом методе, позволяет измерять зародыша и скорость роста наночастиц.

При низких температурах за несколько десятков секунд наблюдения образуется более 800 наночастиц, в то время как при высокой температуре образуется только 30 наночастиц. И наоборот, средняя площадь поверхности наночастиц увеличивается в 40 раз быстрее при 85 градусах Цельсия, чем при 25. Здесь можно наблюдать дифракционную картину двух наночастиц золота, которые были выбраны непосредственно из типичного изображения STEM.

Можно идентифицировать гранецентрированную кубическую структуру ориентированных на золото осей зон 001 и 112 с длинным обзором. Изучение влияния температуры на зародыша и рост наночастиц жидкой клеточной ТЭМ требует сравнения видео, полученных с одинаковой скоростью дозы электронов, поскольку радиолиз также влияет на образование наночастиц. Характеристики ex situ SEM или TEM могут быть выполнены после вскрытия жидкой ячейки для дальнейшего анализа структур нанообъектов.

TEM жидких клеток с контролируемой температурой дает возможность исследовать влияние температуры на многие другие химические реакции, которые происходят на границе раздела между твердыми телами и жидкостями, открывая многие возможности в материалах, жизни и науках о Земле.