Summary
その場で液体走査型電子顕微鏡によってリアルタイム イメージングおよび脱イオン水にベーマイト粒子の元素組成分析の手順を紹介します。
Abstract
液体真空インターフェイス (サルヴィ) と走査型電子顕微鏡 (SEM) での解析システムを用いたin situイメージングおよび元素ベーマイト (AlOOH) 中の異物分析水を実現します。本稿では、法と真空を統合することの重要なステップ SEM と二次電子の高真空下での液体中の粒子の (SE) 画像を得るに互換性のある SAVLI。エネルギー分散型 x 線分光 (EDX) を使用 (DI) 純水のみと同様空のチャネルを含む液とコントロールのサンプル中の粒子の元素分析を取得します。液中粒子合成ベーマイト (AlOOH) は、液体の SEM 図にモデルとして使用されます。結果は良好な分解能を持つ SE モードで粒子がイメージ化されることを示す (すなわち、400 nm)。AlOOH EDX スペクトルは、アルミニウム (Al) ・ ディ ・水と比較すると、空のチャネル コントロールから重要な信号を示しています。液体 SEMその場では、多くのエキサイティングなアプリケーションと液体中の粒子を研究する強力な手法です。この手順は、液体の SEM 画像とサルヴィを用いた EDX 分析を実施するために、このアプローチを使用する場合、潜在的な落とし穴を減らすために技術的なノウハウを提供するために目指しています。
Introduction
走査型電子顕微鏡 (SEM) は、高解像度イメージング1を生産することによって様々 な標本の調査に広く適用されています。エネルギー分散型 x 線分光 (EDX)、SEM に関連付けられているは、元素組成1の決定を可能。 にします。伝統的に、イメージングのだけ乾燥した固体サンプルの SEM が適用されます。最後の 30 年で環境 SEM (フラッディングガス) は、蒸気環境2,3,4、5の部分的な水和物サンプルを分析するため開発されました。ただし、フラッディングガスは目的の高解像度6でウェット、完全流体のサンプルをイメージできません。ウェットの SEM 細胞も濡れている画像試料の SEM7,8; を使用して開発されました。それにもかかわらず、これらの細胞が電子イメージングを後方散乱し、それらデザイン9,10アプリケーションのアクセシビリティの高いに生体試料を中心に開発されました。
SEM を使用して、ネイティブの液体環境の様々 なサンプルを分析する際の課題に対処するため、我々 は真空対応マイクロ流体デバイス、分析で、液体真空インターフェイス (サルヴィ)、高空間分解能セカンダリを有効にするためのシステムを発明しました。SEM の高真空モードを用いた液体試料の電子 (SE) イメージングと元素分析この手法には、次のユニークな機能が含まれています: 1) 液体が直接では、直径 1-2 マイクロメートルの小さな開口部でプローブ2) 液体は表面張力によって穴内に保持されます。・ 3) サルヴィはポータブルで、1 つ以上分析プラットフォーム11,12,13,14,15,16,17 に適応することができます ,18。
サルヴィは 100 nm 厚のシリコン窒化 (罪) 膜で構成されています、200 μ m の広いマイクロ製ポリジメチルシロキサン (PDMS) ブロック。罪膜ウィンドウは、マイクロをシールに適用されます。作製の詳細と重要な設計上の考慮事項は、以前の論文と特許11,19,20詳細いた。現在、大手メーカーと顕微鏡用消耗品の供給のディストリビューターは、液体 SEM アプリケーション21,22の市販サルヴィ デバイスを販売するためのライセンスを購入しています。
分析機器の真空ベースのサルヴィのアプリケーションは、さまざまな水溶液とバイオ フィルム、哺乳類細胞、ナノ粒子、および電極材料12,を含む複雑な液体混合物を使用して実証されています。14,17,20,23,24します。 ただし、前述の仕事のほとんどは従って液体のアプリケーション キー分析ツールとして飛行時間二次イオン質量分析 (TOF-SIMS) を利用サルヴィの SEM が十分に検討されていません。今回、サルヴィは液体の SEM 画像と EDX 元素分析を用いた液体の大きい非球状粒子の研究に使用されています。サンプルは研究室で合成された AlOOH 粒子から成っています。サブマイクロ メーター サイズ ベーマイト粒子は、ハンフォード ・ サイトで高レベル放射性廃棄物に存在する知られています。溶解する遅く、廃棄物処理にレオロジーの問題を引き起こす可能性があります。したがって、液体25ベーマイト粒子を特徴付ける機能を持つことが重要です。この技術的なアプローチは、これらの粒子と関連のレオロジー特性の改善された理解の様々 な物理化学的条件のベーマイトを研究に使用できます。これらの粒子は、液体中に浮遊する粒子を研究するために高真空 SEM にサルヴィを適用する方法を示すステップバイ ステップを利用しました。サルヴィと SEM の統合および SEM データ集録のための重要な技術的なポイントは、用紙内で強調表示されます。
プロトコルは、将来的に液体の SEM の多様なアプリケーションでこの手法を活用に興味がある人のためサルヴィと液体の SEM イメージングを用いた液体試料解析のデモを提供します。
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Protocol
1。 AlOOH 液体試料の準備
注: 試料や素手で SEM チャンバー内部に触れないでください。すべての回ときサルヴィ デバイスを処理し、SEM に取り付けステージ表面分析中に潜在的な汚染を避けるためにパウダー フリー手袋を着用するべき
。- AlOOH 原液 (1 mg/mL) を作る
- AlOOH 粉末を 1 mg/mL AlOOH 原液 10 mL ・ ディ ・水の 10 mg を溶解します 。
- Ultrasonicate 5 分原液
注: ストック溶液の pH は約 4.6 pH 計で測定です。PH の溶液を調整し、この仕事をように使用できません 。
- 10 μ g/mL の希釈液を作る
- 1 mL をピペットで水 99 mL ディに調剤して 1 mg/mL を 10 μ g/mL AlOOH 原液を希釈します 。
- Ultrasonicate 5 分のためのソリューション
注: ストック溶液の pH は約 5.8 希釈後 pH 計で測定します 。
2。スパッタ コート炭素サルヴィ罪膜ウィンドウ
- ロッド ホルダーに炭素棒を挿入します
。 注: ロッド ホルダーはフタに接続されている部分として識別できます 。
- ピンセットのペアを使用し、サルヴィのテープを慎重に取り外します ' s 罪膜ウィンドウ枠
。 注: テープ表面分析の前に SiN 膜を保護するために使用されています 。
- は、コーターの段階のサルヴィ デバイスのポリテトラフルオロ エチレン チューブを修正するカーボン テープを使用して炭素コーター チャンバ内直立サルヴィ デバイスを保護します。ふたを閉じる 。
- プレス、" 電源 " 真空ポンプを開始するボタンです 。
- プレス、" 電圧 " カーボン塗布装置の前面パネルにあるボタンし、アップを調整することによって値を 4.6 V に設定 (▲) と下 (▼) この操作のためのボタン
。 注: 電圧設定は各種炭素コーターにより異なる場合があります 。
- 膜厚をオン切り替えることによってモニターの " 電源 " ボタン。読書の画面で表示されるをオフに " (nm) の厚さ " ボタンを押すことで " 0 " 読書がゼロでない場合。プレス、" タイマー " 炭素コーターで ' s フロント パネル成膜時間を 30 に設定するを調整することによって s (▲) と下 (▼) ボタン 。
- 保つカーボン塗布装置 ' s 操作モード切り替えボタンで自動に " 自動 ◄ ► マニュアル " に " 自動 "。スイッチ、" スタート/ストップ " ボタンを " を開始 " 真空達したら約 4 × 10 -4 mbar 炭素コーターで真空計によって測定される ' s フロント パネル 。
- 膜厚モニターはカーボン コーティングが 20 に達したことを示します一度 nm、プレス、" 停止 " コーティング プロセスを終了して真空シールを発散するボタン 。 デバイスを取り扱う際は、ビニール手袋を使用してカーボン コート サルヴィ デバイスを取り出してふたを開けて
。 注: コーティング炭素サンプル充電効果を阻害し、SEM イメージングに必要な SE の信号を改善するサンプルに導電層を作成します。安全にデバイスが SEM の段階でインストールできるようになるまでカバーがきれいなペトリ皿でコーティングされたデバイスを保存します。SiN 膜がコーティングされて十分を確保するためには、コーティング後デバイスを視覚的に確認することをお勧めします。被覆は十分な厚さ、スパッタ コーティングの 2 番目の時間が 10 時まで測定した厚さと適用できます nm 。
3。マウント デバイスと使用 SEM/集束イオンビーム (FIB) を作る開口部にサルヴィ罪膜を用いた FIB
- オープン SEM 計測器に関連する顕微鏡制御ソフトウエアを SEM 試料室を開く コントロール コンピューター
。 注: コントロール ソフトウェアは様々 な Sem のため異なる場合があります 。
- をクリックして試料室を口 " 口 " 下に関連付けられている顕微鏡制御ソフトウェアのグラフィック ユーザー インターフェイス (GUI) の " ビーム制御 " 部屋の扉を開けるためにタブ 。
- 慎重に (ガス抜きが完了した) 後に商工会議所のドアを開く 。
- オープン SEM 計測器に関連する顕微鏡制御ソフトウエアを SEM 試料室を開く コントロール コンピューター
- SEM ステージ上にサルヴィ デバイスをマウント
注: かどうかそれはそのままどちらか視覚的に参照してくださいに SiN 膜の表面を確認するか、マウントする前に光学顕微鏡を使用して。SEM ステージ上マウント サルヴィ デバイスする必要があります試料チャンバ内エバーハート減少検出器 (ETD) 検出器に触れないでください。- 選択標準的な SEM サンプル ホルダー スタブ。適切なボルトと六角レンチを使用して、ステージの中央にスタブを修正します 。
- スタブを両面カーボン テープの 2 つのストリップを配置します 。
- スティックを罪膜面を中にしてスタブにカーボン テープ サルヴィ デバイス
- は、片面銅テープの追加 2 つのストリップを使用して SEM 金属スタブにサルヴィ PDMS ブロックをバインドするスタブにサルヴィ安全に固定します。さらに、罪のフレームと金属のスタブを接続するのに銅のテープを使用します。テープが完全に SiN 膜をカバーしていないことを確認してください
。 注: SEM 計測中に SiN 膜からの除去のための連続的な接地パスを確保する炭素、銅テープの使用。それは確実に接地、解析中に充電を減らすために、罪フレームの端にテープの位置が非常に重要。デバイスの下部がカーボン両面テープを介して SEM スタブと完全に接触も必要です。テープが処理可能な損傷を避けるために SiN 膜をカバーしなければならない 。
- 試料チャンバーをポンプ
- 標本室のドアを閉じます。選択、" 高真空 " 下 SEM ソフトウェア GUI モード、" ビーム制御 " ページ 。
- をクリックして、" ポンプ " のボタン、" ビーム制御 " 掃除機を起動し、目的の真空が確立されるまで、部屋の扉に手で圧力を適用するページ
。 注: 燃焼室圧力少なくとも 1.0 × 10 -5 Torr に達する必要があります、イメージングする前にこの値を下回ると、着実に残る必要があります。これはイメージング用高分解解像度を有効にする重要なステップです。圧力設定は GUI の右上隅から監視できます 。
- FIB を用いた SiN 膜の開口部を作る
- をクリックしてエリアをイメージング電子ビームをアクティブにする、" 一時停止 " ツールバーのアイコン。クリックし、電子ビームをオン、" はりに " のボタン、" ビーム制御 " ページ。ETD の検出器とからイメージング用 SE モードを選択、" 検出器 " ドロップ ダウン メニュー
。 注: 検出器は、SEMs の構成が異なるため異なる場合があります。レンズの検出器は液体の SEM 解析の適用もします 。
- リンク Z 座標値 Fre は実際にe 作業距離 (FWD) 値] をクリックして、" リンク " ツール ・ バーのアイコン。座標のテキスト ボックスに数値 10 を入力して 10 mm と作動距離 (WD) を設定 " Z " に、" ナビゲーション " ページ、" 実績 " 距離が選択されている
。 注: WD 様々 な Sem により異なる場合があります 。
- の 0.47 na、8 に加速電圧電子ビームが現在設定 keV と解像度 1,024 × 884 に対応するからリスト ボックス イメージング領域電子ビームでツールバーに表示されます
。 注: 電流と電圧設定異なる Sem により異なる場合があります 。
- をねじることによってマイクロ (0.2 mm × 1.5 mm) を見つけて、" X " と " Y " コントロール モニター上の live イメージを観察するマニュアル ユーザー インターフェイス (MUI) 基板のシフトノブします。マウスを使用して、他の一方の端からマイクロに並行していた線を描きます。クリックして " xT 機能を配置 " のメニューを下ってしずくから " ステージ " ツールバーおよび選択のタブ " 水平 " マイクロを配置する 。
- はから値を選択して 0 ° にステージの傾斜を設定、" T " 上のリスト ボックス、" ナビゲーション " ページ。マイクロ近く異なるパーティクル機能を見つけて使用してステージを移動することによって黄色の十字の下中央に配置、" X " と " Y " シフトノブします。1,000 X とねじれに機能を拡大、" コントラスト "、" 明るさ "、" 粗 " と " 上質 " 粒子の機能のイメージを最適化するために MUI のノブ 。
- チルト 15 ° にステージから値を選択して、" T " 上のリスト ボックス、" ナビゲーション " ページ。使用 " Z コントロール " マウス ドラッグ機能はステージが傾いている後エリア、イメージング、電子ビームの画面に黄色の十字の下でバックアップ、ホイールを押すことによって。
- チルト 30 ° に再度ステージとクロスの使用の下で戻る機能をもたらす、" Z 制御 "。チルト 0 ° に戻ってステージとフィーチャの場所を観察します。ユーセン トリック高さを確認した場合は、機能が大幅に移動しません
。 注: は、イオンビーム、電子ビームの良い FIB 加工精度を達成するために同じ位置にフォーカスを維持する実行はユーセン トリック高さを検索します。機能シフト傾斜 0 ° に戻ってステージ後大幅 3.4.6 のステップでプロセスを繰り返します。各新しいマウントされたサンプル最大精度のユーセン トリック高さを調整する必要があります 。
- チルト 30 ° に再度ステージとクロスの使用の下で戻る機能をもたらす、" Z 制御 "。チルト 0 ° に戻ってステージとフィーチャの場所を観察します。ユーセン トリック高さを確認した場合は、機能が大幅に移動しません
- から値を選択してチルトする 52 ° ステージ、" T " 上のリスト ボックス、" ナビゲーション " ページ
。 注: 傾斜度は様々 な Sem により異なる場合があります 。
- 非アクティブ化、" 一時停止 " に確実にイオンビーム イメージング領域ボタンをクリックしてツールバーのアイコン。ガリウム ソース イオンビームをオンをクリックして、" ビーム上 " 下ボタン、" ビーム制御 " ページ。
- イオンビームの加速電圧を 30 に設定する keV とビーム電流 0.3 nA 対応する電圧および現在のリスト ボックスからこれらの値を選択してツールバーにあります。イメージング エリアこのセンターにマイクロをもたらすします 。
- のリスト ボックスからこの機能を選択するパターンとして円を選択 " パターン " に、" パターン " ページ。設定、" 外径 " 1 μ m に、" 内径 " 0 μ m に、" Z サイズ " 500 nm と " に住む時間 " 1 μ s に対応するテキスト ボックスに。
- 型 " Si " で、" アプリケーション " テキスト ボックスについて-に--粉砕検出] ウィンドウの主要なコンポーネントは窒化ケイ素ので。クリックして、" メニュー/開始パターンをパターン化 " マイクロを覆われた検出] ウィンドウの穴の加工を開始するボタン。丸穴のシリーズを取得する複数回の加工プロセスを繰り返します。実験では、いくつかの穴を作ったことがあります
。 注: 穴が 100 μ m のマイクロ チャネルの 1 つの側面から離れて。SiN 膜上梁の損傷を最小限に抑えるために迅速に移動します。通常削り SEM FIB を追跡し、開口部の番号を簡単にするためにマイクロ チャネルの非常に左または右のいずれかの側から開始します。演算子は、チャネルと個人的な好みの方向に応じて上または下から選択可能性があります。確実に SEM FIB 加工完了し十分な開口内試料を検出できるようにします 。
- 型 " Si " で、" アプリケーション " テキスト ボックスについて-に--粉砕検出] ウィンドウの主要なコンポーネントは窒化ケイ素ので。クリックして、" メニュー/開始パターンをパターン化 " マイクロを覆われた検出] ウィンドウの穴の加工を開始するボタン。丸穴のシリーズを取得する複数回の加工プロセスを繰り返します。実験では、いくつかの穴を作ったことがあります
- をクリックしてエリアをイメージング電子ビームをアクティブにする、" 一時停止 " ツールバーのアイコン。クリックし、電子ビームをオン、" はりに " のボタン、" ビーム制御 " ページ。ETD の検出器とからイメージング用 SE モードを選択、" 検出器 " ドロップ ダウン メニュー
- SEM/FIB 後チャンバーをぶちまける
- から 0 を選択してチルト 0 ° に戻ってステージ、" T " 上のリスト ボックス、" ナビゲーション " ページ。クリックして電子ビームやイオンビームの両方をオフに " はりに " イメージング領域対応するビームがアクティブになったとき。クリックして " 口 " に、" ビーム制御 " 標本室を発散するページ 。
4。液体試料とサルヴィの読み込み
- を きれいに純水を使用してサルヴィ の慎重にベントです完全に後 SEM の部屋の扉を開くし、サルヴィ デバイスのままにステージ上だと
。 メモ: デバイスのマウントと焦点の時間を節約する強くお勧めサンプルをロードするとき、ステージにデバイスを維持する 。
- 滅菌注射器に 1 mL ・ ディ ・水を引く、フィッティング、ポリテトラフルオロ エチレン チューブ アダプターを使用してマイクロ流体デバイスの入口に注射器を接続、3 ~ 5 分の液体をゆっくり注入
注: ソリューションを注入、サルヴィは必要なすべての手順には、シリンジ ポンプの使用をお勧めします。これは SiN 膜に損傷の可能性を一定流量でシリンジ ポンプを用いた 100 250 μ L/分の流量にソリューションを減らすことができますを含む 1 mL 滅菌注射器を設定することによってこの手順で行うことができます 。
- ステップ 3 回使用して 1 mL 10 μ G/ml AlOOH、サンプルの濃度を確保する手順 1 で準備しての 4.1.2 はプリロードの・ ディ ・水で希釈しない繰り返します 。
- 、注入後注射器を削除します。入口・ サルヴィ ポリエーテル エーテル ケトン体の使用のコンセントに接続します。ラボのおしりふきとサルヴィ外任意の液体を乾燥させます。ポリテトラフルオロ エチレン チューブまたはマイクロ チャネル内の任意の泡が存在する場合、redo AlOOH サンプル注入までポリテトラフルオロ エチレン チューブ内の気泡は見てない
。 注: 指締めポリエーテル エーテル ケトン連合。使用しない強すぎる組合を締め付けけるとき SiN 膜の損傷を生じさせる可能性がサルヴィ デバイス内の重要な内部圧力増加を作成しないようにします
。 注: マイクロ内部泡可能性がありますスキャンに影響を与えるし、sh イメージが発生ift。デバイスの外部の任意の液体は真空の状態に影響を与える、したがってサルヴィ ポリテトラフルオロ エチレン チューブの外が徹底的に真空チャンバーに挿入する前に乾燥する必要があります。さらに、デバイスは物理的な損傷 (例えば 罪膜ウィンドウが壊れて管カット) 漏れにつながるありません。それ以外の場合、燃焼室の圧力は、希望の高真空を達することができない泡が、チューブで、液体試料は、掃除機をかける時に失われます 。
- を きれいに純水を使用してサルヴィ の慎重にベントです完全に後 SEM の部屋の扉を開くし、サルヴィ デバイスのままにステージ上だと
5。液体 SEM イメージングおよび元素分析を行う
- ETD の検出器と SE モードを使用して画像を取る
- 標本の部屋の扉を閉じます。選択、" 高真空 " 下 SEM ソフトウェア GUI モード、" ビーム制御 " ページ。クリックして、" ポンプ " のボタン、" ビーム制御 " 掃除機を起動して目的の真空が確立されるまで、部屋の扉に手の圧力を適用するページ 。
- をアクティブにクリックしてエリアをイメージング電子ビーム、" 一時停止 " ツールバーのアイコン。クリックし、電子ビームをオン、" はりに " のボタン、" ビーム制御 " ページ。ETD の検出器とからイメージング用 SE モードを選択、" 検出器 " ドロップ ダウン メニュー。
- は、加速電圧を 8 に設定 keV とビーム電流 0.47 nA に対応するリスト ボックス イメージング領域電子ビームで GUI のツールバーに表示されます。数を入力すると、7 mm と WD を設定 " 7 " 座標のテキスト ボックスに " Z " に、" ナビゲーション " ページ、" 実績 " 距離が選択されている
。 注: ビーム電圧、電流、作動距離のパラメーターは異なる Sem により異なります 。
- は、加速電圧を 8 に設定 keV とビーム電流 0.47 nA に対応するリスト ボックス イメージング領域電子ビームで GUI のツールバーに表示されます。数を入力すると、7 mm と WD を設定 " 7 " 座標のテキスト ボックスに " Z " に、" ナビゲーション " ページ、" 実績 " 距離が選択されている
- 1,000 × とねじれに機能を拡大、" コントラスト "、" 明るさ "、" 粗 " と " 上質 " 粒子の機能のイメージを最適化するために MUI のノブ 。
- センターをねじることによって領域を撮像する電子ビームのライブ イメージの最初の穴、" X " と " Y " MUI 基板のシフトノブします。ねじることによって粒子を倍率 200,000 × 画像を拡大、" 倍率 " MUI 基板のノブ。画面の解像度を選択 " 1,024 × 884 " ツールバーのリスト ボックスから 。
- は、ツールバーのリスト ボックスから 30 μ s としてのスキャン レートを設定します。イメージング領域電子ビームに示すように現在のイメージのスナップショットを取得する F4 キーを押します 。
- 増分番号を含む定義されたファイル名と目的の場所にイメージ as.tif ファイルを保存する Ctrl + S キー 。
- ズーム アウトをねじることによって、" の倍率 " 次の隣接する穴の位置にノブ。5.1.4 - 穴の残りの部分に AlOOH 粒子をイメージさせる 5.1.6 の手順で操作を繰り返します 。
- EDX 元素分析を行う
- 商工会議所にエネルギー分散分光法 (EDS) 検出器を挿入します 。
- は、電子ビームの撮像領域のサンプルを表示するため顕微鏡制御モニターと SE モードの ETD の検出器を選択します。加速電圧を 8 に設定 keV、電流 0.47 nA と 7 mm 5.1.2 の手順で説明されているように WD にします 。
- をねじることによって 200,000 X の倍率で各穴に AlOOH 粒子の拡大、" 倍率 " MUI 基板上ノブ
。 注意: よりローカライズされた元素情報を提供するために同じ場所に焦点を当てた電子ビーム。 図 1 a に AlOOH のイメージを提供します 。
- オープン関連エダックス ・ ソフトウェア
。 注: 関連するソフトウェアは、さまざまな楽器のため異なる場合があります ' 構成します 。
- をクリックして " 新しいスペクトルを記録を開始 " ユーザー インターフェイス (UI) EDX スペクトルを収集します。選択 " ピーク ID " スペクトルの可能性の要素を選択します。観測要素、例えば、この場合、酸素を入力、" 要素 " フィールド。クリックして " 追加 " スペクトルに要素を適用する 。
- をクリックして " ファイル " をクリックし、" 付けて "。さらにプロット グラフ作成ソフトウェアを使用して目的のファイル名を使用してスペクトル データ in.csv 形式で保存します 。
- 5.3.3 5.3.6 各ホールからの EDX スペクトルを記録するための手順の操作を繰り返します 。
- 画像とスペクトルの各穴のための録音が終わったらをクリックして電子ビームをオフに " はりに " のボタン、" ビーム制御 " イメージング領域電子ビームがオンのときのページします。クリックして SEM チャンバーを口 " 口 " 同じページに。慎重に部屋の扉が開かれた後、すべてのテープを外してステージからサンプルを取る 。
- ・ ディ ・水と空のマイクロ チャンネルを用いた制御実験を実施する手順を繰り返します 。
6。EDX スペクトルのプロット
- グラフ作成ソフトウェアにインポート the.csv スペクトル ファイル 。
- X 軸強度とエネルギー レベルを用いたスペクトルのプロットで受信および処理、EDX 再建されたスペクトルを表示する y 軸として 図 2 a 、2 b および 2 c に示すよう 。
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Representative Results
粒子のイメージを作成する方法を示す代表的な結果を示す EDX と相まって液体 SEM 画像その場を用いた解析と。結果には、SE の画像と EDX スペクトルがあります。100,000 X と図 1に 200,000 X 倍率で SE の画像を得た。図 1 aは、AlOOH の SE のイメージを示しています図 1 b ・ ディ ・水と図 1 c空のチャネルの穴。イメージを適用することによって得られた 8 SE keV 加速電圧と 0.47 nA ビーム電流。画面の解像度が利用していた 1,024 × 884 30 μ s のスキャン速度と、水 (図 2 a)、DI 水サンプル (図 2 b) および空のチャネル (穴に AlOOH 粒子から検出された EDX スペクトルを図 2に示します図 2 c) 測定元素組成に基づきます。EDX スペクトルが同一の電流と電圧と SE の画像の設定を使用して得られました。情報の深さは、低電圧の選択により試料表面に浅い領域からです。元素のスペクトルの生データは、出力 as.csv ファイル、プレゼンテーションのためのグラフ作成ソフトウェアを使用してプロットされます。
図 1: SE 画像。これらの画像を適用することによって得た SE 8 keV 加速電圧と 0.47 nA ビーム電流。利用画面の解像度は 30 μ 秒。 (1 a) AlOOH 200 でのスキャン速度と 1,024 × 884 000 100 (1 b) ・ ディ ・水 X 000 X (1 c) と 200 で空のチャネル 000 X。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: EDX スペクトル。EDX スペクトルは 8 SE モードで獲得した kV 加速電圧と 0.47 nA ビーム電流。(2 a) 水に AlOOH のスペクトル。(2 b) スペクトルの DI 水サンプル。(c) 空のチャネルの穴のスペクトル。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
SEM は、高分解能1ナノ (nm) レベルの有機・無機材料における表面キャラクタリゼーションの強力な手法です。たとえば、地質試料26と半導体27などしっかりと乾燥試料を解析する広く使用されます。しかし、電子顕微鏡1に必要な高真空環境の中で液体の不適合による湿式、液体のサンプルを特徴付けることの制限があります。SEM 試料頻繁には、脱水や凍結乾燥含水試料、特に生物学的標本2が必要です。自分の本質的な情報がサンプル準備プロセス28,29中に失われる、その結果、自然水和または液体のサンプルの情報を正確にキャプチャするは困難です。これは含めることができますが、ソリューションでは、複雑な液体と電気化学反応における粒子の凝集によるナノ粒子の合成、細胞における生物活動に限定されていません。にもかかわらず、フラッディングガスが制御された蒸気環境で水和のサンプルをイメージできる画像の解像度が高真空モード30,31,32で固体試料の SEM 像として高い到達できませんでした。,33。 最近、湿式サンプルを電子透明薄膜6によってカバーされたり、SEM を用いて、後方散乱電子は、このアプローチを使用して画像の採取と試料カプセル30によって密封されます。
サルヴィは、TEM など TOF-SIMS 真空ベースの計測器を用いた液体の表面分析を有効にしている汎用性の高いマイクロ インターフェイスです。11,12,13,14サルヴィ SEM 条件を最適化して本手法は SE のイメージおよび EDX 組成情報を提供できます。図 1 aは、SE ベーマイト粒子像・ ディ ・水サブミクロン スケールで (400 nm) および 200,000 の高倍率。SEM 像は、液体、液体中の粒子の表示または SiN 膜内表面張力20主催安全検証にベーマイト粒子の分布と形態を示しています。対照的に、図 1 bは、100,000 × 倍率で穴内・ ディ ・水の SE のイメージを示しています。外に漏れることがなく、表面張力によって保持ができます水の直接の証拠を提供します。さらに、燃焼室の圧力が一定 1.0 × 10-5 Torr で測定中。図 1 cを呈する 200,000 × 倍率; 空のチャネルの穴同一の電流と電圧の設定の下の穴の内側は何も観察されます。このアプローチで SE の液体イメージング機能は、SE 画像報告ウェット SEM テクニック30を使用して取得した反射電子像のマイクロメータの解像度と比較して高解像度を提供します。
EDX 元素マッピングは、それぞれ AlOOH 粒子、DI 水、純水のみ、空のチャネルを使用して行われています。後者の 2 つは、コントロールを参照として使用されます。図 2 aに示すように、アルミニウムのピーク約 1.5 で発生する重要な信号で、同じエネルギーの DI 水および空のチャネル EDX スペクトルに現れる顕著なピークはありません keV です。酸素信号はこの信号が水から来ることを確認 AlOOH と DI の両方水に支配的です。イメージング中に粒子を水に浸し、さらに検証します。図 2 a、2 b および 2 cで C と Si のピークは検出] ウィンドウと検知エリアをそれぞれ形成 SiN 膜のカーボン コーティングからです。N のピークは、SiN 膜からもです。EDX の比較は、ベーマイト粒子が観察される実際を示す水に AlOOH のアルミニウム成分の検出を示しています。
以前の論文では、我々 は DI 水と免疫グロブリン G (IgG) 金ナノ粒子12,20を使用してマイクロ流体セルと高真空 SEM のイメージを作成し、液体試料を特徴付ける採用の可能性を実証しました。これら以前の作品では、金ナノ粒子が 10 より小さい nm。この作品でそのベーマイトを示すはるかに大きなサイズの粒子 (< 100 nm) 液体 SEM. を通じて学ぶことができるも穴の大きさは、十分なイメージング エリアはまだ内で液体を保持するために十分な表面張力を確保するため算出しました。もともと、穴は、ガリウム イオン ビームを使用して最初の発明12,20デバイス アセンブリの前に直径 2 μ m の円形の開口部を作るを作製しました。この更新プログラムを示すデバイスを組み立てた後検出開口部を作ることができるより合理化された全体のプロセスを作る.1 つは、解析で必要に応じて多くの検出ウィンドウを開くことも、実験する前に作られた穴ではありません。Μ m 径の検出窓が 2 つ、TOF-SIMS などの技法に適してあり液体の SEM の可能性も機能であるため、高倍率 SEM の新しい結果は、その小さな開口部を示しています (たとえば1 2 μ m) SEM (図 1 a) で十分に働きます。
いくつかの技術的な詳細はその場で成功した液体の SEM 計測を行うために言及する価値があります。まず、デバイスは、測定中に充電を減らすために炭素や金でコーティングする必要があります。第二に、デバイスのマウントは、この手順ではかなり致命的です。取付台を使用してデバイスの接触不良は重要な充電、焦点を当てと悪いイメージの難しさになります。第三に、1 つは、同じデバイスを使用して 1 つ以上のサンプルを分析する場合は、シーケンスの例にいくつかの考えが必要があります。デバイスは使い捨てですが、デバイスを複数回使用することができますそうです。たとえば、水や溶媒粒子と同じ溶剤を使用して興味の他の種のサンプルの分析に続いてコントロールのサンプルのデータを取得する 1 つ使用します。サルヴィ デバイスが保護され、SEM/FIB を用いた検出穴が作られて後に試料導入を導入することをお勧めします。FIB は検出窓膜の穴加工のみに使用されます。膜は他の楽器によって準備される、または膜の穴から提供されています、サプライヤー、SEM 分析の前に穴を作るための FIB を使用する必要はありません。サンプル紹介のサンプル段階からデバイスを移動し、再度マウントすることも異なる作動距離のデバイスと試料ステージの間の接続不良のリスクを追加し多くの時間を浪費します。SEM オペレーターが再び焦点を当てるし、チャネルを検索する必要がありますもとマイクロ メートル大きさラウンド検出 windows を再度。
サブミクロンの分解能と正確な元素については本研究で展示、識別するに高真空モードでは SEM (すなわちサルヴィ) 真空互換マイクロ流体セルの統合を広く利用できるを思い描いて、当然のことながら様々 な観察水和標本、地質標本、生物学的サンプル、および液体の合成ナノ材料。技術の向上と、液体の SEM のアプローチは前に説明した、この新しいアプローチを使用して、異なるサイズのサブミクロン粒子のより大きい変化を調査する可能性がありますを示します。最終的には、液体 SEMその場観察は高真空 SEM. を用いた液体の標本を勉強するより多くの機会を開きます
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
太平洋の北西国立研究所 (なり) 核プロセス科学イニシアティブ (NPSI) 感謝しております-支援のため監督研究と開発 (LDRD) 基金。・ チャタジー博士 Sayandev は、合成ベーマイト粒子を提供されています。インストゥルメンタル アクセスが w. r. ワイリー環境分子科学研究所 (EMSL) 一般ユーザーの提案書を提供されました。EMSL はオフィスの生物と環境研究 (BER) なりで主催国立科学ユーザー施設です。バテル契約 DE AC05 76RL01830 下 DOE のなりが運営しています。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Carbon Coater | Cressington | 208 Carbon | It is accompanied with thickness monitor MTM-10. |
| SEM | FEI | Quanta 3D FEG | It provides highly resolved scanning electron microscopy and elemental analysis. |
| System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI) | Pacific Northwest National Laboratory | N/A | SALVI is a unique, vacuum compatible microfluidic cell that enables the characterization of the liquid sample using vacuu- based scientific instrument. |
| PEEK Union | Valco | ZU1TPK | The polyether ether ketone union is used for connecting the inlet and outlet of SALVI |
| Syringe | BD | 309659 | 1 mL |
| Pipette | Thermo Fisher Scientific | 21-377-821 | Range: 100 to 1,000 mL |
| Pipette Tip 1 | Neptune | 2112.96.BS | 1,000 µL |
| Pipette Tip 2 | Rainin | 17001865 | 20 µL |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | 70-2213 | It is used to inject the liquid sample into the SALVI device. |
| pH meter | Fisher Scientific/accumet | 13-636-AP72 | It is used for measuring the pH of AlOOH in DI water. |
| Barnstead Ultrapure Water System, UV/UF | Thermo Scientific Barnstead | Nanopure diamond D11931 | It is used for producing DI water. |
| Centrifuge tubes | Fisher scientific/Falcon | 15-527-90 | 15 mL |
| Bransonic ultrasonic cleaner | Sigma-Aldrich | 2510 | It is used to ultrasonicate the AlOOH liquid sample. |
| Balance | Mettler Toledo | 11106015 | XS64 |
| AlOOH | Pacific Northwest National Laboratory | N/A | It is synthesized by scientists at Pacific Northwest National Laboratory. |
| xT microscope Control | FEI | Quanta 3D FEG | Default microscope control software of SEM Quanta 3D FEG |
| EDAX Genesis software | EDAX | N/A | The software is used for collecting the EDX elemental information of the samples. |
| Teflon tubing | SUPELCO | 58697-U | It is used for introducing the sample into the microchannel and holding adequate volume of liquid. |
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