Avslører dynamiske prosesser av materialer i væsker med flytende Cell transmisjonselektronmikroskopi

Summary

Vi har utviklet en selvstendig flytende celle, som tillater avbildning gjennom væsker med et transmisjonselektronmikroskop. Dynamiske prosesser av nanopartikler i væsker kan bli avslørt i sanntid med sub-nanometer oppløsning.

Abstract

Den siste utviklingen for in situ transmisjonselektronmikroskopi, som lar avbildning gjennom væsker med høy romlig oppløsning, har tiltrukket betydelige interesser på tvers av forskning feltene materialteknologi, fysikk, kjemi og biologi. Nøkkelen kompetansefeltet er en flytende celle. Vi dikte flytende celler med tynne visning vinduer gjennom en sekvensiell microfabrication prosessen, inkludert silisiumnitrid membran deponering, fotolitografiske mønster, wafer etsing, celle bonding, osv. En flytende celle med dimensjonene på en vanlig TEM rutenett passer i enhver standard TEM prøveholderen . Rundt 100 nanoliters reaksjon løsning er lastet inn i reservoarene og ca 30 picoliters væske suges inn i visningsvinduer ved kapillær kraft. Deretter er den cellen forseglet og lastet inn et mikroskop for in situ avbildning. Inne i TEM, går elektronstråle gjennom tynn væskelaget klemt mellom to silisiumnitrid membraner. Dynamisk procsesser av nanopartikler i væsker, for eksempel nukleasjon og vekst av nanokrystaller, diffusjon og montering av nanopartikler, osv., har blitt avbildet i sanntid med sub-nanometer oppløsning. Vi har også brukt denne metoden til andre forskningsområder, for eksempel, bildebehandling proteiner i vann. Flytende celle TEM er klar til å spille en viktig rolle i å avsløre dynamiske prosesser av materialer i sine arbeidsmiljøer. Det kan også gi høy effekt i studiet av biologiske prosesser i sitt opprinnelige miljø.

Introduction

Studiet av kjemiske reaksjoner i væsker i sanntid og bildebehandling biologisk materiale i sitt opprinnelige miljø har vært vesentlige interesser på tvers av fagområdene ^1-5. På grunn av den høye romlig oppløsning av transmisjonselektronmikroskopi (TEM), avbildning gjennom væsker med TEM har tiltrukket seg mye oppmerksomhet ^4,5. Imidlertid har det vært en stor utfordring for image væskeprøver hjelp TEM, siden den konvensjonelle mikroskop brukes i et høyvakuum-miljø. I tillegg, væskeprøver må være tynn nok til å tillate at elektronstrålen å gå gjennom. Williamson et al. ⁶ rapporterte at avbildning av elektrokjemisk avsetning av Cu kan oppnås med 5 nm oppløsning ved hjelp av en elektrokjemisk flytende celle operert i en TEM. De Jonge et al. ¹ var i stand til å ta bilder biologiske prøver gjennom serveral mikrometer tykk vann ved hjelp av en scanning (S) TEM. Den lave kontrast i biologiske prøver var ikkereist som et problem siden gull nanopartikler ble brukt som markører for bildebehandling. Den tykke væsken prøven var ikke et problem enten fordi STEM avbildningsmodus ble brukt og nanometer vedtak ble oppnådd. Vi har nylig utviklet en selvstendig væske celle, som gir sanntid TEM avbildning av kolloidale nanopartikler i væsker med subnanometer oppløsning ^5,7. Disse nyutviklede flytende celler, som tilbyr forbedret oppløsning og raskere TEM avbildning (30 bilder per sekund som ikke har blitt oppnådd ved høy oppløsning STEM imaging), gjorde det mulig å studere kolloidale nanopartikler dynamikk i væsker. De flytende cellene passer i en standard TEM holderen og kan drives som vanlig TEM prøver. En liten mengde væske (ca 30 picoliters) kan undersøkes i situ under en utvidet kjemisk reaksjon. Ulike imaging og analytisk (dvs. energi-dispersiv X-ray spektroskopi) teknikker kan brukes. Siden den totale tykkelsen på visningsvinduet (inkludert membranerog det flytende lag) kan styres til 100 nm eller under, har direkte avbildning av biologiske prøver (dvs. proteiner) i flytende vann uten gull nanopartikkel markører også oppnådd ^8.

I de siste to tiårene, har det vært betydelige prestasjoner på synteser og anvendelser av kolloidale nanokrystaller ^9-11. Imidlertid er forståelsen av hvordan nanopartikler kjernekoking, vokse og samhandle med hverandre i væsker i stor grad empirisk og for det meste basert på ex situ analyser ^11-13. Vår utvikling av flytende celle TEM gir en unik plattform for å studere dynamiske prosesser av nanopartikler i væsker in situ ^5,7,14,15.

Vi dikte en selvstendig væske celle ved hjelp av ultra tynne silisiumskiver (100 mikrometer) ved en sekvensiell microfabrication prosess. Det inkluderer avsetning av silisiumnitrid membran, fotolitografiske mønster, wafer etsing, spacer deponering, og celleliming, etc. Om 50 nanoliters av reaksjonsoppløsningen lastet inn i et reservoar, som trekkes inn i cellen ved kapillær kraft. Vi fyller andre reservoaret med en annen 50 nanoliters av væsken. Deretter er den cellen forseglet og lastet inn i mikroskopet for in situ avbildning. Inne i mikroskop, væsken klemt mellom to silisiumnitrid membraner (totalt ca 30 picoliters) kan undersøkes. Når elektron strålen passerer gjennom tynne væskelag, kan dynamiske prosesser av nanopartikler i væsker overvåkes i sanntid. Nukleasjon og vekst av nanopartikler kan være forårsaket av elektronstrålen i noen tilfeller ^5,7 eller reaksjoner kan utløses av en ekstern varmekilde ^14,16. Når elektronstrålen skaden er av en bekymring, bør lav elektronstråle strøm (dose) benyttes.

Siden flytende celler er fabrikkert fra silisium microfabrication prosesser og i store grupper, variasjoner i membran eller væsketykkelse mellom individuelle flytende celler kan være smal ^l6. Enhver forsker som har grunnleggende microfabrication trening kan lykkes gjøre flytende celler. Væsken håndtering teknikk og in situ TEM drift kan integreres etter praksis. Det skal bemerkes at foruten å bruke silisiumnitrid membraner som de ser vinduer, kan andre materialer som silisiumdioksyd, silisium eller karbon (herunder graphene) brukes som membran vinduet samt ^17-19. Siden våre flytende celler ved hjelp liten visning vinduer, dvs. 1 x 50 mikrometer, ingen svulmende av membraner har blitt observert. Og, er den flytende celle også robust å betjene, dvs. under 1% av flytende celler har brutt vinduene under forsøkene. I tillegg kan tykkelsen av det flytende lag også være fleksibelt innstilt ved å endre tykkelsen av det deponerte indium spacer. Under tillagingen, kan en forseglet væske celle opprettholde væske i flere dager uten lekkasje. Den lille mengden av væske kanundersøkes for flere timer under elektronstrålen, som tillater undersøkelse av en utvidet kjemisk reaksjon i sanntid.

Så langt har vi visualiserte mange unike dynamiske prosesser av nanopartikler i væsker, for eksempel nanopartikler vekst og koalesens av Pt ^5,15, spredning av nanopartikler i tynne væsker ^20,21, vekst svingninger av Bi nanopartikler ^14, og vekst av Pt ₃ fe nanorods fra nanopartikkel byggesteiner ^7, etc. I tillegg har vi også brukt denne metoden til andre områder, f.eks bildebehandling proteiner i flytende vann med 2,7 nm oppløsning ^8. Oppsummert har vår flytende celle TEM teknikk vist seg å være en svært verdifull utvikling for studiet av et bredt spekter av grunnleggende spørsmål innen materialvitenskap, fysikk, kjemi og biologi. Vi tror det fortsatt stort rom for fremtidige tekniske fremskritt og anvendelser av væsken TEM, og det vil sikkert være en høy IMPAct på et bredt spekter av vitenskapelig forskning.

Protocol

1. Microfabrication av flytende Cells

1. Forbered silisiumskiver (p-dopet, 100 mikrometer i tykkelse og 4 inches i diameter) og rengjør wafere hjelp av en standard wafer bad rengjøringsprosedyren.
2. Innskudd lav-stress silisiumnitrid tynne filmer (20 nm i tykkelse) på begge sider av silisiumskiver fra lavtrykk kjemisk dampavsetning (LPCVD) metoden. En tilpasset utviklet oppskrift er brukt til deponering, som tillater vekst av silisium-rik nitride (sin _x, x <4/3).
3. Fremstill den nederste brikke (2,6 × 2,6 mm, 3 mm i diameter) med et visningsvindu (1 × 50 mikrometer) og den øverste brikke (2,6 × 2,6 mm, 3 mm i diameter) med et visningsvindu (1 × 50 mikrometer) og to reservoarer (0,6 × 1,2 × 0,1 mm) ved å følge en sekvens av standard fabrikasjon prosesser, herunder fotolitografiske mønster, plasma etsing av SiN _x membran (med SF ₆ som aktiv gass), KOH våt etching av den eksponerte silisiumskive, osv. Vi bruker den vanligste fotolitografiske prosesser som for eksempel spinn belegg av et fotoresist (positiv fotoresist med sentrifugehastigheten 3000 opm i 1 min, og den tykkelse av fotoresist er omtrent 1 um), UV-stråler under SP maske av flytende celler, litografiske mønster ved hjelp utbygger og fixer (deionisert vann), etc. Det finnes ulike valg av fotoresist for spin belegg og utbygger for mønster. Og, kan de tilsvarende parametre for fremgangsmåtene også variere. Siden funksjonene mønsteret er relativt store (hundrevis av mikrometer eller større), er prosessen enkel å bli fullført. Koh Løsningen fremstilles ved å oppløse kaliumhydroksyd makt inn deionisert vann med kaliumhydroksyd: vann vektforholdet 1:2. Koh Oppløsningen holdes ved 80 ° C under etsing. En etsning hastighet på 1 mikrometer pr min kan oppnås. SiN _x membran er en ideell beskyttende maske for KOH etsing av silisium. Siden etching linjer brukes, blir de enkelte chips forbundet med tynne linjer av etset wafer etter KOH etsing. Deler av sjetonger lett kan skilles fra wafer bruke skarpe pinsett for etterfølgende prosesser. Nei dicing prosessen er nødvendig.
4. Forekomst indium avstandsstykke på den flate siden av bunnen chip. Først gjør litografisk mønster av chips ved å følge lignende prosess i 1.3. For å bistå håndtering av chips, stokk individuelle chips (kan være et stykke av flere chips) på en tynn glassplate med fotoresist og la det lufttørke i 5 minutter før spin belegg, UV eksponering osv. For det andre rengjøre mønstrede chips ved O ₂ plasma rengjøring på 50 watt i 1 min, tredje, innskudd indium tynn film med tykkelse på 100 nm på brikken ved hjelp av en fordamper, tredje, lift-off-prosessen blir utført for å generere indium spacer.
5. Bond bunnen og topp sjetonger sammen. Vi først justere to silisiumnitrid ser vinduer i bunnen og toppen chips under en optisk microscope og anvende et trykk på ca 0,1 MPa ved hjelp av en klemme. Det trenger praksis for å nøyaktig justere vinduene oppå hverandre. Deretter, er væsker celler bakt i en vakuumovn ved 120 ° C i 1 time. Til slutt samler vi cellene og lagre som tilrettelagte celler i et vakuum eksikator for fremtidig bruk.

Hele fremstillingsprosess er vist i figur 1. Vi gjennomfører alle fabrikasjonsprosesser på Nanofabrication Lab ved University of California, Berkeley.

2. Utarbeidelse av Reaction Solutions

Vi forbereder reaksjons løsninger for vekst Pt ₃ Fe nanorods som et eksempel. Platina (II) acetylacetonat (20 mg / ml) og jern (II) acetylacetonat (20 mg / ml) ble oppløst i en løsningsmiddelblanding av Pentadecane og oleylamine (7:3 vol / vol) eller en blanding av Pentadecane, oleylamine og oljesyre (06:03:01 vol / vol / vol) anvendes for sammenlikning av surfactant effekter.

3. Last Reaction Solutions

1. Rundt 50 nl av reaksjonsløsning er lastet inn i en av reservoarene i en flytende celle ved hjelp av en sprøyte og Teflon nanorør (innkjøpt fra Cole-Parmer, IL). Deretter tilsettes den andre reservoar fylt på samme måte.
2. Omtrent 30 pl av reaksjonsoppløsningen blir trukket inn i cellen ved kapillær kraft og danner en flytende lag (~ 100 nm) klemt mellom to silisiumnitrid membraner i visningsvinduet.
3. Den flytende celle blir deretter forseglet ved hjelp av en tynn kobber deksel (~ 50 mikrometer TEM rutenett med én åpning 0,6 mm diameter hull, som ble kjøpt fra Tedd Pella, Inc.). Vacuum fett ble påført på en side av dekselet og epoxy ble brukt til å forsegle kanten av flytende celle. Den totale tykkelsen av den endelige flytende celle er ca 250-300 mikrometer.

4. Laste Flytende Cells inn TEM

1. En JEOL 3010 TEM drives på 300 kV og en FEI monochromated F20 UT Tecnai drives ved 200 kV brukes til in situ avbildning.
2. Den flytende celle er lastet inn i mikroskopet som en standard prøve for TEM avbildning.

5. Real Time TEM Imaging

1. Tune mikroskopet til en perfekt høyoppløselig TEM bildebehandling tilstand, og en bredde strømtetthet på 1-8 × 10 ⁵ A / m ² opprettholdes under real-time imaging.
2. For PTFE-system, kan nukleasjon og vekst av nanopartikler initieres ved å støpe elektronstrålen på væskelaget.
3. VirtualDub programvare kombinert med Gatan DigitalMicrograph programvare benyttes for å registrere nanopartikkel dynamikk.

Representative Results

Ved å bruke flytende celle TEM metoden, har vi visualisert løsningen vekst av Pt ₃ Fe nanorods fra nanopartikkel byggesteiner. Figur 2 viser sekvensielle bilder som viser veksten banen til et Pt ₃ Fe nanorod i annen løsning forhold. Falsk coloring prosessen ved hjelp av Photoshop ble ansatt for å markere nanopartikler.

Når løsningsmiddelblandingen av Pentadecane og oleylamine (7:3 vol / vol) ble brukt, kan tre forskjellige stadier av vekst kan identifiseres (figur 2A). For det første er mange små nanopartikler dannes når Pt og Fe forløpere er redusert med elektronstråle bestråling. Noen av dem vokse ved monomer vedlegg, andre gjennomgå koalescens. Dernest er korte nanopartikkel kjedene dannet via nanopaticle interaksjoner. For det tredje så-dannet korte nanopartikler kjeder fungere som byggesteiner for å danne relativt lang svingete nanopartikkel kjedene. Når en blanding av Pentadecane, oleylamin, og oljesyre (06:03:01 vol / vol / vol) ble anvendt, er svingete nanopartikkel kjedene dannet først, og deretter de nanopartikkel kjedene rette og danne én-krystallinske nanorods innen kort tid (figur 2B).

Oppsummert har vi vist dannelsen av én krystall nanorods via veksten av svingete polycrystalline nanopartikkel kjedene fra form-rettet nanopartikkel vedlegg etterfulgt av retting, orientering og form korreksjoner av byggesteinene. Statistikk og kvantifisering av nanopartikler dynamikk fra sanntids avbildning er av stor betydning for forståelsen og kontroll av hierarkiske nanomaterialer vekst og selvbygging for funksjonelle enheter ^7.

Figur 1.

Figur 2. Veksten av Pt ₃ Fe nanorods i et flytende celle under eksponeringen til elektronstråle. (A) Sekvensiell TEM bilder som viser utviklingen fra den innledende nukleasjon og vekst i den molekylære forløper løsning til et senere stadium av nanowire dannelse av form-rettet nanopartikkel vedlegg. En løsningsmiddelblanding av Pentadecane og oleylamine (7:3 vol / vol) ble brukt. (B) Dannelse av twisted Pt ₃ Fe nanorods og den påfølgende straightening prosessen. (A) Sekvensiell TEM bilder av veksten av en kort Pt ₃ Fe nanorod. (B) Sekvensiell TEM bilder som viser veksten av en lang Pt ₃ Fe nanorod. En løsningsmiddelblanding av Pentadecane, oleylamine og oljesyre (06:03:01 vol / vol / vol) ble brukt. I både (A) og (B), er tid vises som min: sek, og den opprinnelige tiden er vilkårlig ^7.

Discussion

Alle fabrikasjonsprosesser har blitt gjort i clean room, hvor halvlederkomponenter er gjort.

Før avsetning av indium, er O ₂ plasma rengjøring av chips nødvendig å eliminere den organiske rester på overflaten. Således kan en høy kvalitet indium spacer oppnås, noe som kan forbedre liming av topp og bunn chips og utbyttet av lekkasjestrøm fri væske celler.

Den silisiumnitrid visning vinduer med supertynn membran av ca 13 nm tykk er en nøkkel for å oppnå høy romlig oppløsning. Ved håndtering slike flytende celler, er spesiell omsorg for å unngå å bryte membranen under fabrikasjon samt eksperimenter. For eksempel, er pinsett med en flat front anbefales. Og, kan under membranen renseprosessen, lavt strømforbruk og dose av O ₂ plasma innarbeides (dvs. 30 Walt for 20-30 sek). Siden veksten kinetikk kan være sterkt avhengig av den elektronstråle Current tetthet, opprettholde samme elektronstrålen strømtetthet mens avbildning er viktig. Den flytende celle TEM metoden ikke bare gjør det mulig å studere vekstdynamikken nanokrystaller i oppløsning i sanntid, men også lar avsløre andre dynamiske prosesser (dvs. spredning av nanopartikler i væsker, væskedråpe dynamikk, osv.). I tillegg gir det en lovende vei å visualisere biologiske prosesser i opprinnelige miljø.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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