Avslöja dynamiska processer av material i vätskor använder flytande Cell transmissionselektronmikroskop
Summary
Vi har utvecklat en fristående flytande cell, vilket tillåter avbildning genom vätskor med ett transmissionselektronmikroskop. Dynamiska processer av nanopartiklar i vätskor kan avslöjas i realtid med sub-nanometer upplösning.
Abstract
Den senaste tidens utveckling för in situ transmissionselektronmikroskopi, som tillåter avbildning genom vätskor med hög rumslig upplösning, har lockat stora intressen över forskningsområden i materialvetenskap, fysik, kemi och biologi. Nyckeln möjliggörande teknik är en flytande cell. Vi tillverka flytande celler med tunna visning fönster genom en sekventiell mikrofabrikation, inbegripet kiselnitrid membran nedfall, fotolitografisk mönstring, rån etsning, cell bindning, etc. En flytande cell med måtten på en vanlig TEM rutnät kan passa i en vanlig TEM provhållare . Cirka 100 nanoliter reaktionslösningen laddas i behållarna och cirka 30 picoliters vätska dras in i tittar fönster genom kapillärkraft. Därefter cellen förseglas och laddas i en mikroskop för in situ avbildning. Inne i TEM, går elektronstrålen genom det tunna vätskeskiktet inneslutet mellan två membran kiselnitrid. Dynamisk proccesser av nanopartiklar i vätskor, till exempel kärnbildning och tillväxt av nanokristaller, spridning och montering av nanopartiklar, etc., har avbildats i realtid med sub-nanometer upplösning. Vi har också tillämpat denna metod på andra forskningsområden, t.ex. avbildning proteiner i vatten. Flytande cell TEM är redo att spela en viktig roll i att avslöja dynamiska processer av material i sina arbetsmiljöer. Det kan också medföra stor inverkan på studiet av biologiska processer i sin ursprungliga miljö.
Introduction
Studien av kemiska reaktioner i vätskor i realtid och bildbehandling biologiska material i sin naturliga miljö har betydande intressen över de forskningsområden 1-5. På grund av den höga rumsliga upplösningen i transmissionselektronmikroskopi (TEM), avbildning genom vätskor med TEM har fått mycket uppmärksamhet 4,5. Det har dock varit en stor utmaning att bilden vätskeformiga prover med TEM, eftersom den konventionella mikroskop används i högvakuum miljö. Dessutom, vätskeformiga prover måste vara tillräckligt tunn för att medge elektronstrålen att gå igenom. Williamson et al. 6 rapporterade att avbildning av elektrokemisk avsättning av Cu kan uppnås med 5 nm upplösning med en elektrokemisk vätska cell drivs i en TEM. De Jonge et al. 1 kunde bilden biologiska prover genom upprepade mikrometer tjock vatten med användning av en skanning (S) TEM. Den låga kontrast av de biologiska proverna var inteupp som ett problem eftersom guld nanopartiklar användes som markörer för avbildning. Den tjocka vätskeprov var inte ett problem heller eftersom STEM bildåtergivningsläge användes och nanometer upplösning uppnåddes. Vi utvecklade nyligen en fristående flytande cell, vilket gör Real Imaging tid TEM av kolloidala nanopartiklar i vätskor med subnanometer upplösning 5,7. Dessa nyutvecklade flytande celler, som erbjuder förbättrad upplösning och snabbare TEM avbildning (30 bilder per sekund som inte har uppnåtts genom hög upplösning STEM avbildning), gjort det möjligt att studera kolloidala nanopartiklar dynamik i vätskor. De flytande cellerna passar i en standard TEM hållare och kan användas som vanliga TEM prover. En liten mängd vätska (ca 30 pikoliter) kan undersökas på plats under en förlängd kemisk reaktion. Olika imaging och analytisk (dvs energi-dispersiv röntgenspektroskopi) tekniker kan användas. Eftersom det totala tjocklek fönstret (inklusive membranoch vätskeskiktet) kan styras till 100 nm eller under, har direkt avbildning av biologiska prover (dvs proteiner) i flytande vatten utan guld nanopartiklar markörer också uppnåtts 8.
Under de senaste två decennierna har det skett betydande framsteg på synteser och tillämpningar av kolloidala nanokristaller 9-11. Dock är kunskapen om hur nanopartiklar kärnor, växa och interagerar med varandra i vätskor i stort sett empirisk och främst grundar sig på ex situ analyser 11-13. Vår utveckling av flytande cell TEM är en unik plattform för att studera dynamiska processer av nanopartiklar i vätskor på plats 5,7,14,15.
Vi tillverka en fristående vätska cell med användning av ultra tunna kiselskivor (100 um) genom en sekventiell mikrofabrikation process. Den innehåller nedfall av kiselnitrid membran, fotolitografisk mönstring, rån etsning, distans nedfall, och cellbindning, är etc. Om 50 nanoliter av reaktionslösningen placeras i en reservoar, som dras in i cellen genom kapillärkraften. Vi fyller den andra behållaren med ytterligare 50 nanoliter av vätskan. Därefter cellen förseglas och laddas i mikroskopet för in situ avbildning. Inne i mikroskop, den vätska mellan två membran kiselnitrid (totalt ca 30 picoliters) kan undersökas. När elektronstrålen passerar genom det tunna vätskeskiktet, kan dynamiska processer av nanopartiklar i vätskor övervakas i realtid. Kärnbildning och tillväxt av nanopartiklar kan induceras genom elektronstrålen i vissa fall 5,7 eller reaktioner kan utlösas av en extern värmekälla 14,16. När elektronstrålen skadan är ett problem, bör låg elektronstråle ström (dos) användas.
Eftersom flytande celler tillverkade av kisel mikrofabrikationslaboratorier processer och i stora serier, variationer i membran eller vätskatjocklek mellan individuella flytande celler kan vara smal L6. Varje forskare som har grundläggande mikrofabrikation utbildning kan lyckas göra flytande celler. Den vätskehanterande teknik och in situ TEM operation kan också behärskas efter praktiken. Det noteras att förutom att använda membran kiselnitrid som tittar fönster, kan andra material, såsom kiseldioxid, kisel eller kol (inklusive grafen) användas som membran fönster samt 17-19. Eftersom våra flytande celler använder små visning fönster, dvs 1 x 50 um, ingen utbuktning av membranen har observerats. Och är den flytande cellen också robust att arbeta, dvs under 1% av flytande celler har brutit fönster under experimenten. Dessutom kan tjockleken hos vätskeskiktet också flexibelt avstämmas genom att ändra tjockleken hos det avsatta indium distansorganet. Under provberedning kan en förseglad flytande cell behålla vätskor i flera dagar utan läckage. Den lilla mängd vätska kanundersökas i flera timmar under elektronstrålen, vilket möjliggör studier av en förlängd kemisk reaktion i realtid.
Hittills har vi visualiserade många unika dynamiska processer av nanopartiklar i vätskor, till exempel nanopartiklar tillväxt och koalescens av Pt 5,15, spridning av nanopartiklar i tunna vätskor 20,21, tillväxt fluktuationer i Bi nanopartiklar 14, och tillväxten av Pt 3 fe nanostavar från block nanopartiklar byggnad 7, etc. Dessutom har vi tillämpat även denna metod till andra områden, t.ex. avbildning proteiner i flytande vatten med 2,7 nm upplösning 8. Sammanfattningsvis har vi flytande cell TEM teknik visat sig vara ett mycket värdefullt utveckling för att studera ett brett spektrum av grundläggande frågor inom materialvetenskap, fysik, kemi och biologi. Vi tror att det finns fortfarande stort utrymme för framtida tekniska framsteg och tillämpningar av flytande TEM och det kommer säkert att bli en stor ImpaCT på ett brett spektrum av vetenskaplig forskning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Samtliga tillverkningsprocesser har gjorts i renrummet där halvledarkomponenter görs.
Innan deponeringen av indium, är O 2 plasma rengöring av marker som krävs för att undanröja den organiska rester på ytan. Sålunda, kan en hög kvalitet indium spacer uppnås, vilket kan förbättra bindningen av övre och nedre marker och utbytet av läckage fri vätska celler.
Kiselnitriden visning fönster med ultratunna membran av ca 13 nm tjocka är en ny…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Zheng tack Prof. A. Paul Alivisatos och Dr Ulrich Dahmen för hjälp diskussioner under den tidiga utvecklingen av EM flytande celler. Hon är tacksam för att stödja DOE Office of Science början av karriären forskningsprogram.
Materials
| Reagents | |||
| Platinum(II) acetylacetonate | Aldrich | 523038 | |
| Iron(II) acetylacetonate | Aldrich | 413402 | |
| pentadecane | Aldrich | P3406 | |
| oleylamine | Aldrich | O7805 | |
| oleic acid | Sigma | O4137 | |
| Equipment | |||
| TEM | JEOL | JEOL 3010 | |
| Monochromated TEM | FEI | F20 UT Tecnai |
References
- de Jonge, N., Ross, F. M. Electron microscopy of specimens in liquid. Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).
- Sun, Y. G. Watching nanoparticle kinetics in liquid. Mater. Today. 15, 140-147 (2012).
- Tao, F., Salmeron, M. In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments. Science. 331, 171-174 (2011).
- de Jonge, N., Poirier-Demers, N., Demers, H., Peckys, D. B., Drouin, D. Nanometerresolution electron microscopy through micrometers-thick water layers. Ultramicroscopy. 110, 1114-1119 (2010).
- Zheng, H., et al. Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories. Science. 324, 1309-1312 (2009).
- Williamson, M. J., Tromp, R. M., Vereecken, P. M., Hull, R., Ross, F. M. Dynamic microscopy of nanoscale cluster growth at the solid-liquid interface. Nature Materials. 2, 532-536 (2003).
- Liao, H. -. G., Cui, L., Whitelam, S. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336, 1011-1014 (2012).
- Mirsaidov, U. M., Zheng, H., Casana, Y., Matsudaira, P. Imaging Protein Structure in Water at 2.7 nm Resolution by Transmission Electron Microscopy. Biophysical Journal. 102, L15-L17 (2012).
- Yin, Y. D., et al. Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale Kirkendall Effect. Science. 304, 711-714 (2004).
- Kan, S., Mokari, T., Rothenberg, E., Banin, U. Synthesis and size-dependent properties of zinc-blende semiconductor quantum rods. Nature Materials. 2, 155-158 (1038).
- Peng, X. G., et al. Shape control of CdSe nanocrystals. Nature. 404, 59-61 (2000).
- Skrabalak, S. E., et al. Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications. Accounts of Chemical Research. 41, 1587-1595 (2008).
- Zhang, Q. B., Xie, J. P., Yang, J. H., Lee, J. Y. Monodisperse Icosahedral Ag, Au, and Pd Nanoparticles: Size Control Strategy and Superlattice Formation. Acs Nano. 3, 139-148 (2009).
- Xin, H. L., Zheng, H. In Situ Observation of Oscillatory Growth of Bismuth Nanoparticles. Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).
- Murray, C. B. Watching Nanocrystals Grow. Science. 324, 1276-1277 (2009).
- Xin, H. L., et al. Revealing Correlation of Valence State with Nanoporous Structure in Cobalt Catalyst Nanoparticles by In Situ Environmental TEM. ACS Nano. 6, 4241-4247 (2012).
- Daulton, T. L., Little, B. J., Lowe, K., Jones-Meehan, J. In situ environmental celltransmission electron microscopy study of microbial reduction of chromium(VI) using electron energy loss spectroscopy. Microscopy and Microanalysis. 7, 470-485 (2001).
- Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria. Nano Letters. 11, 1270-1275 (2011).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
- Zheng, H., Claridge, S. A., Minor, A. M., Alivisatos, A. P., Dahmen, U. Nanocrystal Diffusion in a Liquid Thin Film Observed by in Situ Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 9, 2460-2465 (2009).
- Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).
