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
Representative Results
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 f…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Zheng takker professor A. Paul Alivisatos og Dr. Ulrich Dahmen for personer diskusjoner under den tidlige utviklingen av EM flytende celler. Hun er takknemlig for støtten fra DOE Office of Science Early Career Research Program.
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).
