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Chemistry

제자리에서 액체 SEM을 사용 하 여 물에 Boehmite 입자의 특성

doi: 10.3791/56058 Published: September 27, 2017

Summary

우리는 제자리에 액체 스캐닝 전자 현미경 검사 법에 의해 실시간 이미징 및 이온된 수 boehmite 입자의 원소 조성 분석에 대 한 절차를 제시.

Abstract

제자리에서 이미징 및 원소 분석 물에 (AlOOH) boehmite 입자의 액체 진공 인터페이스 (SALVI) 및 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 분석 시스템을 사용 하 여 실현 된다. 이 종이 방법에 설명 합니다 및 키 단계를 통합 하는 진공 SEM을 얻는 이차 전자 (SE) 이미지 높은 진공 상태에서 액체에서 입자의 호환 SAVLI. 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDX)는 이온된 (DI) 수만와 빈 채널을 포함 하 여 액체 및 제어 샘플에서 입자의 원소 분석을 얻을 하는 데 사용 됩니다. 액체에서 일시 중지 (AlOOH) 합성된 boehmite 입자는 액체 sem의 그림에서 모델로 사용 됩니다. 결과 입증 입자 좋은 해상도와 SE 모드에서 이미지가 포함 된 될 수 있습니다 (, 400 nm). AlOOH EDX 스펙트럼 알루미늄 (Al) 디 물과 비교할 때 빈 채널 제어에서 중요 한 신호를 보여준다. 제자리에서 액체 SEM 공부 많은 흥미로운 애플 리 케이 션 액체에서 입자를 강력한 기술입니다. 이 이렇게 액체 현미경 이미징 및 EDX 분석 SALVI를 사용 하 여 수행할 때이 방식을 사용 하 여 잠재적인 함정 줄일 하 고 기술적인 노하우를 제공 하는 것을 목표로.

Introduction

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스캐닝 전자 현미경 (SEM) 고해상도 이미징1을 생산 하 여 다양 한 표본 조사에 널리 적용 되었습니다. 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDX) SEM와 관련 된 원소 구성1의 결정을 수 있습니다. 전통적으로, SEM는 이미징만 건조 하 고 단단한 샘플에 대 한 적용 됩니다. 지난 30 년 동안에서 환경 전자 현미경 (ESEM) 증기 환경2,3,,45부분 수산화 샘플 분석을 위해 개발 되었다. 그러나, ESEM는 원하는 고해상도6젖은, 완전히 액체 샘플의 이미지를 수 없습니다. 젖은 sem의 세포 또한 젖은 이미지 표본 SEM7,8;를 사용 하 여 개발 되었다 그럼에도 불구 하 고, 이러한 세포 생물학 견본을 위해 주로 개발 되었다 backscattered 전자 이미징, 그리고 그 디자인9,10응용 프로그램에 대 한 더 많은 액세스할 수 있습니다.

SEM을 사용 하 여 그들의 네이티브 액체 환경에서 다양 한 샘플 분석에 문제를 해결 하려면 우리는 진공 호환 미세 장치, 분석에 액체 진공 인터페이스 (SALVI), 높은 공간 해상도 보조 수 있도록 시스템 발명 SEM.에서 높은 진공 모드를 사용 하 여 액체 샘플의 전자 (SE) 이미징 및 원소 분석 이 새로운 기술은 다음과 같은 독특한 특징을 포함 한다: 1) 액체 직경; 1-2 µ m의 작은 조리개에서 직접 조사는 2) 액체 표면 장력;에 의해 구멍 내에 보관 된 그리고 3) SALVI는 휴대용이 고 더 이상의 분석 플랫폼11,12,13,,1415,16,17 적응 시킬 수 있다 ,18.

100 nm 두꺼운 실리콘 나이트 라 이드 (죄) 막 이루어져 SALVI 그리고 200 µ m 넓은 아닌입니다 (PDMS) 블록의 만든. 죄 막 창이 아닌 봉인에 적용 됩니다. 제작 내용과 주요 설계 고려 사항 이전 논문 및 특허11,,1920에 상세한 했다. 현재, 선도적인 제조 업체 및 현미경 검사 법에 대 한 소모품 공급의 배포자 SALVI 장치 액체 sem의 응용21,22에 대 한 상업적으로 판매 하는 라이센스를 구입 했다.

진공 기반 분석 악기에서 SALVI의 애플 리 케이 션 수성 솔루션 및 복잡 한 액체 혼합물 biofilms, 포유류 세포, 나노 입자, 전극 재료12, 등의 다양 한을 사용 하 여 입증 되었습니다. 14 , 17 , 20 , 23 , 그러나 24. 대부분 위에서 언급 한 작업의 핵심 분석 도구, 따라서 액체의 응용으로 비행 시간 2 차 이온 질량 분석 (ToF-심즈)을 활용 하는, SALVI과 SEM 완전히 탐험 되지 않은. 이 작품에서 SALVI 액체 액체 현미경 이미징 및 EDX 원소 분석을 사용 하 여 큰 비 구형 콜 로이드 입자를 공부에 사용 되었습니다. 우리의 실험실에서 합성 하는 AlOOH 입자는 샘플에 의하여 이루어져 있다. Submicrometer 크기의 boehmite 입자 셨다 면 사이트에 높은-수준의 방사성 폐기물에 알려져 있습니다. 그들은 느리게 분해 하 고 폐기물 처리에 유 변 학적 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서, 액체25boehmite 입자를 특성화 하는 기능이 중요 하다. 이 기술적인 접근 boehmite 입자 및 관련된 유 변 학적 특성의 향상 된 이해를 위한 다양 한 물리 화학적 조건에서 연구에 사용할 수 있습니다. 이 입자는 액체에 일시 중지 입자를 공부 하기 위하여 높은 진공 SEM SALVI를 적용 하는 방법을 단계별로 보여 활용 했다. SALVI과 sem의 통합 및 sem의 데이터 수집을 위한 주요 기술 포인트는 종이 내에서 강조 표시 됩니다.

프로토콜은 SALVI 및 액체 SEM 이미지를 사용 하 여 미래에 액체 SEM의 다양 한 응용 프로그램에서이 새로운 기술을 활용에 관심이 있는 자들에 대 한 액체 샘플 분석의 데모를 제공 합니다.

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Protocol

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1. AlOOH 액체 샘플 준비

참고: 표본 또는 챔버 내부에 SEM 맨 손으로 만지지 마십시오. 파우더 무료 장갑 항상 때 SALVI 장치를 처리 하 고 SEM에 장착 무대 표면 분석 하는 동안 잠재적인 오염을 방지 하기 위해 착용 한다.

    1. AlOOH 재고 솔루션 (1 mg/mL)
    2. 10mg 10 mL 디 물 솔루션을 만들고 1 mg/mL AlOOH 주식에 AlOOH 분말의 분해.
    3. Ultrasonicate 5 분에 대 한 재고 솔루션
      참고: 재고 솔루션의 pH는 약 4.6 산도 미터에 의해 측정. PH의 해결책 조정 및 그것은이 작품에 사용 되지.
  1. 10 µ g/mL의 희석 솔루션
    1. 1 mg/mL AlOOH 재고 솔루션 10 µ g/mL을 1 mL 피 펫을 통해 99 mL 디 물에 분배 하 여 희석.
    2. Ultrasonicate 5 분에 대 한 솔루션
      참고: 재고 솔루션의 pH는 약 5.8 희석 후 pH 미터에 의해 측정.

2. 코트 탄소 SALVI 죄 막 창 스퍼터

  1. 삽입 막대 홀더에 탄소 막대.
    참고: 막대 홀더는 경첩 단된 뚜껑에 연결 된 조각으로 확인 될 수 있다.
  2. 핀셋의 쌍을 사용 하 고는 SALVI에 테이프를 조심 스럽게 제거 ' s 죄 막 창 프레임.
    참고: 테이프 표면 분석 전에 죄 멤브레인을 보호 하기 위해 사용 됩니다.
  3. 챔버 내부에 탄소 coater는 coater의 무대에서 SALVI 장치의 소계 튜브를 해결 하기 위해 탄소 테이프를 사용 하 여 똑바로 SALVI 장치를 보호 합니다. 뚜껑을 닫습니다.
  4. 보도 " 전원 " 진공 펌프를 시작 하는 버튼.
  5. 보도 " 전압 " 탄소 coater의 전면 패널에서 단추와 4.6 V까지 조정 하 여 값을 설정 (▲)와 아래 (▼)이이 작업에 대 한 단추.
    참고: 전압 설정은 다양 한 탄소 coaters에 따라 달라질 수 있습니다.
  6. 코팅 두께 모니터 전환 하 여 그것의 " 파워 " 버튼. 취소의 화면에 표시 읽기 " 두께 (nm) " 버튼을 눌러 0 " 0 " 읽기 0이 아닌 경우. 보도 " 타이머 " 탄소 coater에서 ' s 30을 증 착 시간을 설정 하려면 전면 패널 위쪽을 조정 하 여 s (▲)와 아래 (▼) 단추.
  7. 계속 탄소 coater ' s 작동 모드 전환 버튼으로 자동 " 자동 ◄ ► 수동 "를 " 자동 ". 스위치는 " 시작/중지 " 버튼을 " 시작 " 진공 탄소 coater에서 진공 게이지에 의해 측정 된 약 4 × 10 -4 mbar를 도달 하는 때 ' s 전면 패널.
  8. 두께 모니터 나타냅니다 탄소 코팅 20에 도달 했습니다 일단 nm, 보도 " 중지 " 코팅 프로세스를 종료 하 고 진공 물개 환기 버튼.
  9. 뚜껑 열고 꺼내 장치를 처리할 때 비닐 장갑을 사용 하 여 탄소 코팅 SALVI 장치.
    참고: 탄소와 샘플 코팅 충전 효과 억제 하 여 sem의 이미징에 필요한 SE 신호 개선 샘플에 전도성 레이어를 만듭니다. 장치 sem의 단계에서 설치 될 준비가 될 때까지 안전 하 게 커버와 깨끗 한 페 트리 접시에 코팅된 장치를 저장 합니다. 수 있도록 죄 막 충분히 코팅, 코팅 후 장치를 시각적으로 확인 하는 것이 좋습니다. 스퍼터 코팅의 두 번째 시간 10까지 측정 두께 함께 적용할 수 있는 코팅 하지 않으면 충분히 두꺼운, nm.

3. 장치 및 사용 SEM/Focused 이온 빔 (거짓말)는 게 Apertures을 SALVI 죄 막 사용 하 여 거짓말에 탑재

    1. 오픈 SEM 악기에 관련 된 현미경 제어 소프트웨어를 sem의 견본 약 실 열고
    2. 컨트롤 컴퓨터.
      참고: 제어 소프트웨어 SEMs 다양 한 인해 다를 수 있습니다.
    3. 클릭 하 여 견본 약 실 환기 " 환기 " 아래 관련된 현미경 제어 소프트웨어의 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)에 " 빔 제어 " 챔버 문 열려면 탭.
    4. 신중 하 게 (완료 한 후 배기) 챔버 문 엽니다.
  1. SEM 스테이지로 SALVI 장치 탑재
    참고: 경우 그것은 그대로 시각적으로 보고 죄 막의 표면을 확인 하거나 장착 하기 전에 가벼운 현미경을 사용 하 여. Sem의 무대에 마운트 SALVI 장치 견본 챔버 내부 Everhart Thornley 탐지기 (ETD) 검출기를 만지지 해야 합니다.
    1. 선택 표준 현미경 샘플 홀더 토막입니다. 적절 한 볼트와 육각 렌치를 사용 하 여 무대의 중심에는 스텁 수정.
    2. 스텁 탄소 이중 면 테이프의 두 스트립 위.
    3. 스틱 세 신 막 면 스텁에 탄소 테이프에 SALVI 장치
    4. 안전 하 게 SEM 금속 스텁 SALVI PDMS 블록 바인딩할 구리 테이프 한 면의 추가 2 개의 스트립을 사용 하 여 스텁에 SALVI 무력화. 또한, 구리 테이프를 사용 하 여 죄 프레임과 금속 스텁 연결 하. 테이프가 완전히 죄 막 커버 하지 않는 다는 것을 확인.
      참고: 탄소와 구리 테이프의 사용 수 있도록 SEM 측정 중 죄 막에서 제거를 위한 연속 접지 경로. 그것은 접지를 보장 하 고 분석 하는 동안 충전 감소 하기 때문에 죄 프레임의 가장자리에 테이프의 위치를 확실히 중요 하다. 장치의 하단 탄소 이중 면 테이프를 통해 SEM 스텁 전체 접촉이 있어야 합니다. 테이프 처리의 가능한 손상을 방지 하려면 죄 막을 커버 하지 해야 합니다.
  2. 견본 챔버를 펌프
    1. 견본 약 실 문을 닫습니다. 선택은 " 높은 진공 " 아래 SEM 소프트웨어 GUI 모드는 " 빔 제어 " 페이지.
    2. 클릭은 " 펌프 "에 단추는 " 빔 제어 " 진공 청소기로 청소를 시작 하 고 적용 하 압력 손으로 챔버 문 원하는 진공 설정 될 때까지 페이지.
      참고: 챔버 압력 이상 1.0 × 10 -5 Torr 도달 해야 하 고 이미징 하기 전에이 값 이하로 꾸준히 유지 해야 합니다. 이 영상에 대 한 높은 해결 해상도 사용 하는 중요 한 단계입니다. 압력 설정 GUI의 오른쪽 모서리에서 모니터링할 수 있습니다.
  3. 거짓말을 사용 하 여 죄 막에 구멍을 만들어
    1. 영역을 클릭 하 여 이미징 전자 빔 활성화는 " 일시 중지 " 도구 모음에 아이콘. 클릭 하 여 전자 빔 켜고는 " 빔에 "에 단추는 " 빔 제어 " 페이지. ETD 검출기 및 SE 모드에서 이미지를 선택 하는 " 감지기 " 드롭 다운 메뉴.
      참고: 검출기는 SEMs의 다른 구성을 인해 달라질 수 있습니다. 렌즈 검출기 액체 SEM 분석에 대 한 적용 됩니다.
    2. 링크는 Z 좌표 값을 실제 Free를 클릭 하 여 작업 거리 (FWD) 값은 " 링크 " 도구 모음에 아이콘. 좌표의 텍스트 상자에 숫자 10을 입력 하 여 작동 거리 (WD) 10 mm로 설정 " Z "에 " 탐색 " 때 페이지는 " 실제 " 거리 선택.
      참고: WD SEMs 다양 한 인해 다를 수 있습니다.
    3. 0.47 나, 8 가속 전압에 전자 빔의 전류를 설정 케빈, 그리고 해상도를 1024 × 884에서 해당 목록 영역을 이미징 하는 전자 빔에서 도구 모음에 표시 하는 상자.
      참고: 전류와 전압 설정을 다른 SEMs에 따라 달라질 수 있습니다.
    4. 복잡 하 게 아닌 (0.2 m m x 1.5 m m)를 찾아는 " X "와 " Y " 제어 모니터에 라이브 이미지 관찰 하 수동 사용자 인터페이스 (MUI) 보드에 손잡이 이동. 마우스를 사용 하 여 다른 한쪽에서는 아닌에 평행 하는 선을 그립니다. 클릭 " xT 맞춤 기능 "의 메뉴 드롭 다운에서 " 단계 " 선택 하 고 도구 모음에서 탭 " 수평 "는 아닌 정렬.
    5. 준비가 무대 기울기 0 °에서 값을 선택 하 여는 " T " 목록 상자에는 " 탐색 " 페이지. 근처에 아닌 명백한 입자 기능을 찾아서 사용 하 여 스테이지를 이동 하 여 노란색 십자가 아래 센터는 " X "와 " Y " 손잡이 이동. 1000 X와 트위스트 기능 확대는 " 대비 ", " 밝기 ", " 대략 ", 및 " 좋은 " 입자 기능의 이미지를 최적화 하려면 MUI에 손잡이.
    6. 경사 15 ° 단계에서 값을 선택 하 여는 " T " 목록 상자에는 " 탐색 " 페이지. 사용 " Z 제어 " 바퀴 기능 전자 빔 후 무대를 기울이면 지역 이미징의 화면에 노란색 십자가 아래 다시 끌어서 마우스를 아래로 눌러.
      1. 무대 다시 30 ° 기울기와 다시는 십자가 사용 하 여 아래 기능을가지고 있는 " Z 제어 ". 0 °로 다시 무대를 기울기 고 기능;의 위치를 관찰 eucentric 높이 확인 기능이 크게 이동 하지 않습니다 경우.
        참고: eucentric 높이 찾기 이온 빔과 전자 빔 정밀 밀링 좋은 거짓말을 달성 하기 위해 동일한 위치에 초점을 계속 수행 됩니다. 기능은 0 °로 다시 무대를 기울이기 후 크게 이동 하는 경우 단계 3.4.6에서에서 프로세스를 반복 합니다. 최고의 정확도 대 한 각 새로운 탑재 된 샘플에 대 한 eucentric 높이 조정 합니다.
    7. 52 ° 단계에서 값을 선택 하 여 기울기는 " T " 목록 상자에는 " 탐색 " 페이지.
      참고: 틸팅도 SEMs 다양 한 인해 다를 수 있습니다.
    8. 비활성화는 " 일시 중지 " 이온 빔 이미징 영역에 있는지 확인 버튼을 클릭 하 여 도구 모음에 아이콘. 갈륨 소스 이온 빔에 클릭 하 여 설정 된 " 빔에 " 아래 단추는 " 빔 제어 " 페이지. 30의 이온 빔 가속 전압을 설정 하는
      1. 케빈과 빔 0.3 나 해당 전압 및 현재 목록 상자에서이 값을 선택 하 여 도구 모음에 있는 현재. 게는 아닌이 센터 지역 이미징.
    9. 의 목록 상자에서이 기능을 선택 하 여 패턴으로 동그라미를 선택 " 패턴 "에 " 패턴화 " 페이지. 설정는 " 외경 " 1 µ m는 " 안 직경 " 0 µ m는 " Z 크기 " 500 nm, 그리고 " 연연 시간 " 해당 텍스트 상자에 1 µs에.
    10. 유형
        " 시 "에 " 응용 프로그램 " 텍스트 상자에 대 한-에--밀링할 검색 창이의 주요 구성 요소는 실리콘 나이트 라 이드 때문에. 클릭은 " 메뉴/시작 패턴 패턴 "는 아닌 커버 검색 창에 구멍을 밀링 시작 버튼. 둥근 구멍의 시리즈를 밀링 과정 여러 번을 반복 합니다. 실험에서 여러 가지 구멍을 만들 수 있습니다.
        참고: 구멍은 다른 아닌의 한쪽에서 떨어져 100 µ m. 죄 막에 빔을 피해를 최소화 하기 위해 빠르게 이동 합니다. 프로세스를 보통 밀링 SEM 거짓말의 추적 하 고 쉽게는 apertures 번호 아닌 매우 왼쪽 또는 오른쪽 측면에서 시작 됩니다. 연산자는 아래 또는 채널 및 개인 취향의 방향에 따라 위 로부터 선택할 수 있습니다. Sem의 거짓말 밀링 인지 확인 완료 하 고 적절 한 표본에서 apertures에서 탐색할 수 있도록.
  4. SEM/거짓말 후 챔버 환기
    1. 0 °로 다시 무대에서 0을 선택 하 여 기울기는 " T " 목록 상자에는 " 탐색 " 페이지. 클릭 하 여 전자 빔, 이온 빔 해제 " 빔에 " 때 해당 빔 지역 영상 활성화 됩니다. 클릭 " 환기 "에 " 빔 제어 " 페이지 견본 약 실 환기.

4. 액체 샘플 SALVI 로드

    1. SALVI 디 물을 사용 하 여 청소 신중 하 게 그것은 완전히 배출 된 후 SEM 챔버 문 열고 하 고 무대에 SALVI 장치를 두고.
      참고: 장치를 탑재 하 고 초점에 시간을 절약 하려면 것이 좋습니다 샘플을 로드할 때 무대에 장치를 유지 하.
    2. 1 디 물 살 균 주사기로, 주사기, 소계 튜브 어댑터를 사용 하 여 미세 소자의 입구와 연결 그리고 3-5 분에 대 한 액체를 천천히 주입
      참고: 주사기 펌프는 SALVI에 주입 솔루션은 필요한 모든 단계에 대 한 좋습니다. 이것을 설정 하 여 1 mL 균 주사기 포함 하는 솔루션 일정 한 속도로 흐름-주사기 펌프를 이용 하 여 100-250 µ L/분의 유량을 줄일 수 있는 피해 가능성이 죄 막이이 단계에서 수행할 수 있습니다.
    3. 단계 4.1.2 세 번 10 µ g/mL AlOOH, 샘플의 농도 위해 1 단계에서 준비의 1 mL를 사용 하 여 탑재 디 물에 의해 희석 하지 반복.
    4. 는 주입 후 주사기를 제거. 입구와 출구의 SALVI 폴 리 에테르 에테르 케 톤 연합을 사용 하 여 연결 합니다. 실험실 잎사귀와 SALVI 외부 액체를 건조. 소계 튜브 또는 아닌 어떤 거품이 있다면 다시 실행 AlOOH 샘플 주입 없이 거품 소계 튜브 내에서 볼 수 있습니다 때까지.
      참고: 손가락 강화 폴 리 에테르 에테르 케 톤 연합. 사용 하지 마십시오 너무 많은 강도 연합을 강화 하는 때 죄 막에 손상 될 수 있습니다 SALVI 장치 안에 중요 한 내부 압력 증가 만들지 마십시오.
      참고:는 아닌 내부 거품 수 있습니다 스캔 영향을 원인과 이미지 쉬ift입니다. 장치 이외의 모든 액체는 진공 상태에 영향을 미칠 것입니다, 그리고 따라서 SALVI과 소계 튜브의 외부 해야 철저 하 게 건조 진공 챔버에 삽입 하기 전에. 또한, 장치에 물리적 손상 (예를 들어, 튜빙, 깨진 죄 막 창에) 유출 하는 필요는 없습니다. 그렇지 않으면, 챔버 압력 원하는 높은 진공 도달 하지 않을 수 있습니다, 튜브, 거품 형성 수 있습니다 및 액체 샘플 진공 청소기로 청소 하는 동안 손실 됩니다.

5. 액체 현미경 이미징 및 원소 분석 실시

    1. ETD 검출기 SE 모드를 사용 하 여 이미지 견본 챔버 문 닫습니다. 선택은 " 높은 진공 " 아래 SEM 소프트웨어 GUI 모드는 " 빔 제어 " 페이지. 클릭은 " 펌프 "에 단추는 " 빔 제어 " 진공 청소기로 청소를 시작 하 고 원하는 진공 설립 때까지 챔버 문에 손 압력을 적용 하는 페이지.
    2. 활성화 영역을 클릭 하 여 이미징 전자 빔은 " 일시 중지 " 도구 모음에 아이콘. 클릭 하 여 전자 빔 켜고는 " 빔에 "에 단추는 " 빔 제어 " 페이지. ETD 검출기 및 SE 모드에서 이미지를 선택 하는 " 감지기 " 드롭 다운 메뉴. 8 가속 전압을 설정 하는
      1. 케빈과 빔 전류 0.47 nA에 해당 목록 상자 이미징 영역 전자 빔에서 GUI 도구 모음에 표시 됩니다. 숫자를 입력 하 여 WD 7 mm로 설정 " 7 " 좌표 텍스트 상자에 " Z "에 " 탐색 " 때 페이지는 " 실제 " 거리 선택.
        참고: 빔 전압, 전류 및 작동 거리의 매개 변수 다른 SEMs에 따라 달라질 수 있습니다.
    3. 1000 ×를 트위스트 기능 확대는 " 대비 ", " 밝기 ", " 대략 ", 및 " 좋은 " 입자 기능의 이미지를 최적화 하려면 MUI에 손잡이.
    4. 전자 빔 왜곡 하 여 영역을 이미지의 라이브 영상에 첫 번째 구멍 센터는 " X "와 " Y " MUI 보드에 손잡이 이동. 복잡 하 게 확대 200000 × 입자 이미지 확대는 " 확대 " MUI 보드에 손잡이. 화면 해상도 선택 " 1024 × 884 " 도구 모음에서 목록 상자에서.
    5. 도구 모음에서 목록 상자에서 30 µs로 스캔 속도 설정합니다. 전자 빔 이미징 영역에에서 표시 된 현재 이미지의 스냅샷을 F4 키를 누릅니다.
    6. 증분 번호를 포함 하 여 정의 된 파일 이름으로 이미지 as.tif 파일을 원하는 위치에 저장 하려면 Ctrl + S 키.
    7. 왜곡 하 여 축소는 " 확대 " 노브를 다음 인접 한 구멍을 찾습니다. 반복 단계 5.1.4-구멍의 나머지 부분에 AlOOH 입자 이미지를 5.1.6 작업.
  1. EDX를 사용 하 여 원소 분석
    1. 에너지 흩어지는 분광학 (EDS) 검출기 챔버에 삽입.
    2. 전자 빔 이미징 영역에 샘플을 보기 위해 현미경 제어 모니터 및 SE 모드에 ETD 검출기를 선택 합니다. 8로 가속 전압을 설정 케빈, 0.47 나 고 7 m m 단계 5.1.2에서에서 설명한 WD 전류.
    3. 복잡 하 게 확대 200000 X와 함께 각 구멍에 AlOOH 입자 확대는 " 확대 " MUI 보드에 손잡이.
      참고: 전자 빔 더 지역화 된 원소 정보를 제공 하기 위해 같은 자리에 초점을 유지. AlOOH의 이미지 그림 1a에 제공 됩니다.
    4. 오픈 관련된 EDAX 소프트웨어.
      참고: 관련된 소프트웨어 다른 악기에 따라 달라질 수 있습니다 ' 구성.
    5. 클릭 " 새로운 스펙트럼을 녹음을 시작 " 사용자 인터페이스 (UI)를 수집 EDX 스펙트럼에서에서. 선택 " 피크 ID " 스펙트럼의 가능한 요소를 선택 하. 입력 관찰된 요소, 예를 들어,이 경우에, 산소에는 " 요소의 " 필드. 클릭 " 추가 " 스펙트럼에 요소를 적용 하.
    6. 클릭 " 파일 "을 클릭 하 고 "으로 저장 ". 추가 플롯 그래프 소프트웨어를 사용 하 여 원하는 파일 이름을 사용 하 여 스펙트럼 데이터 in.csv 형식으로 저장.
    7. 단계 5.3.3-5.3.6 각 구멍에서 EDX 스펙트럼을 기록 하는 작업을 반복.
    8. 클릭 하 여 전자 빔 해제를 마친 후 이미징 및 스펙트럼 구멍의 각각에 대 한 기록, " 빔에 "에 단추는 " 빔 제어 " 이미징 영역 전자 빔에 때 페이지. 클릭 하 여 sem의 챔버 환기 " 환기 " 동일한 페이지에. 조심 스럽게 챔버 문 오픈 후 모든 테이프를 제거 하 여 무대에서 샘플을 걸릴.
    9. 빈 아닌 디 물 사용 하 여 제어 실험을 수행 하는 절차를 반복.

6. EDX 스펙트럼 플롯

  1. 그래프 소프트웨어에 파일 가져오기 the.csv 스펙트럼.
  2. 플롯으로 x 축과 강도 에너지 레벨을 사용 하 여 스펙트럼을 받았고 그림 2a , 2b, 2 c 에서처럼 복원된 스펙트럼 표시를 y 축으로는 EDX에 의해 처리.

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Representative Results

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대표 결과 입자 몇 군데는 어떻게 보여 제시는 제자리에서 액체 현미경 이미징 EDX와 결합을 사용 하 여 분석 하 고. 결과 SE 이미지와 EDX 스펙트럼을 포함. SE 이미지 100000 X 및 그림 1에서 200000 X 확대 수준에서 얻은 했다. 그림 1a 는 AlOOH의 SE 이미지 묘사 그림 1b 디 물, 그리고 그림 1 c 는 빈 채널에 구멍. 이미지를 적용 하 여 얻은 했다 8 SE 케빈 가속 전압 및 0.47 나 빔 전류. 활용 하는 화면 해상도 1024 × 884 30 µs. 스캔 속도와 대응 하 게, 그림 2 는 물 (그림 2a), 디 물 샘플 (그림 2b)와 빈 채널 (에서 구멍에 AlOOH 입자에서 감지 EDX 스펙트럼 그림 2 c) 측정된 원소 구성에 따라. EDX 스펙트럼 같은 현재와 전압으로 SE 이미지에 대 한 설정 사용 하 여 얻은 했다. 정보 깊이 낮은 전압의 선택 샘플 표면에 얕은 지역에서 이다. 원소 스펙트럼의 원시 데이터 출력된 as.csv 파일 이며, 프레 젠 테이 션을 위한 그래픽 소프트웨어를 사용 하 여 플롯 합니다.

Figure 1
그림 1: SE 이미지. 이러한 이미지를 적용 하 여 얻은 했다 8 SE 케빈 가속 전압 및 0.47 나 빔 전류. 활용 하는 화면 해상도 1024 × 884 30 µs. (1a) AlOOH, 200에서의 스캔 속도와 X, (1b) 디 물 100, 000 000 X (1 c)와 빈 채널 200, 000 X. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: EDX 스펙트럼. EDX 스펙트럼 8 SE 모드에서 취득 되었다 kV 가속 전압 및 0.47 나 빔 전류. (2a) 물에서 AlOOH 스펙트럼. (2b) 스펙트럼의 디 물 샘플. (c)는 빈 채널에 구멍의 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

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Sem의 높은 해상도1나노 (nm) 수준에 유기 및 무기 재료의 표면 특성에는 강력한 기술입니다. 예, 그것은 널리 지질 자료26 , 반도체27등 단단하고 건조 샘플을 분석 하는 데 사용 됩니다. 그러나, 그것은 전자 현미경1에 필요한 높은 청소기 환경 내에서 액체의 비 호환성으로 인해 젖은 액체 샘플을 특성화에 제한이 있다. 종종 SEM 시료 준비 탈수 또는 소 표본에 대 한 그리고 특히 생물 표본2동결을 요구 한다. 결과적으로, 그것은 자연스럽 게 수 화 또는 액체 샘플의 정보를 정확 하 게 잡으려고 도전 그들의 본질적인 정보 샘플 준비 과정28,29동안 손실 될 수 있습니다. 이 포함 될 수 있습니다 하지만 셀, 솔루션, 복잡 한 액체, 및 전기 화학 반응에서 입자의 나노 입자의 합성 생물학 활동에 국한 되지 않습니다. 이미지의 해상도 ESEM 수 제어 증기 환경에서 수 화 된 샘플 이미지를, 비록 높은 진공 모드30,,3132 에서 고체 시료의 SEM 이미지 높이 도달 하지 못했습니다. , 33. 최근, 젖은 샘플 전자 투명 박막6 에 의해 보호 되었다 또는 때 SEM을 고용 했다와 backscattered 전자는이 접근을 사용 하 여 이미지에 대 한 수집 된 표본 캡슐30 에 의해 봉인.

SALVI는 가장 및 ToF 심즈 같은 진공 기반 인스트루먼트를 사용 하 여 액체의 표면 분석 활성화 다양 한 미세 인터페이스입니다. 11 , 12 , 13 , 14 SALVI 사용 하 고 최적화 sem의 조건 우리의 기술에서 SE 이미지와 EDX 구성 정보를 제공할 수 있습니다. 그림 1a 선물 boehmite 입자의 SE 이미지 디에서 물 미크론 규모 (400 nm) 및 200, 000의 높은 확대. SEM 이미지 액체, 액체에서 입자 볼 하 고 표면 장력20죄 막 내에서 안전 하 게 개최 수 확인 형태학과 boehmite 입자의 분포를 보여 줍니다. 반면, 그림 1b 100000 × 확대 수준에서 구멍 내의 디 물의 SE 이미지를 묘사. 물을 직접 증거가 외부 유출 없이 그것의 표면 장력에 의해 보류 될 수 있습니다 제공 합니다. 또한, 챔버 압력 유지 되었다 일정 1.0 × 10-5 Torr에서 측정 하는 동안. 그림 1 c 선물 빈 채널에 구멍 200000 × 확대; 아무것도 같은 현재 및 전압 설정에서 구멍 안에 관찰 된다. 이 방법을 통해 SE 액체 이미징 기능 SE 이미지를 보고 젖은 SEM 기술30을 사용 하 여 인수 backscattered 전자 이미지의 마이크로미터 해상도에 비해 높은 해상도 제공 합니다.

EDX 원소 매핑 각각 디 물, 디 물만, 빈 채널에 AlOOH 입자를 사용 하 여 수행 됩니다. 마지막 두 참조 컨트롤로 사용 됩니다. 알루미늄 최대 약 1.5에서 발생 하는 그림 2a같이 중요 한 신호, 아니 눈에 띄는 피크 디 물과 빈 채널 EDX 스펙트럼에서 동일한 에너지에 나타나는 동안 케빈. 산소 신호는 AlOOH와 디 물이이 신호 물에서 오는 것 확인에서 지배적 이다. 이 추가 입자 이미징 동안 물에 몰입 하는 확인 합니다. 그림 2a, 2b, 2 c C와 Si 봉우리 검색 창과 검색 영역을 각각 형성 하는 죄 막에 탄소 코팅에서 있습니다. N 피크 죄 막에서 이기도합니다. EDX 비교 boehmite 입자는 실제로 관찰 된 나타내는 물에서 AlOOH의 알루미늄 성분의 검출을 보여줍니다.

이전 서류에 우리 디 물과 면역 글로불린 G (IgG) 골드 나노 입자12,20를 사용 하 여 미세 세포 및 높은 진공 SEM 이미지 및 액체 샘플의 특성 사용의 타당성을 증명 하고있다. 이 이전 작품에서 금 나노 입자는 10 보다 작은 nm. 이 작품에서는, 우리는 그 boehmite 보여줍니다 훨씬 더 큰 크기를 가진 입자 (< 100 nm) 또한 액체 SEM. 통해 공부 될 수 있다 구멍 크기는 충분 한 이미징 영역 아직 충분 한 표면 장력 내에서 액체를 보장 하기 위해 계산 되었다. 원래, 구멍 갈륨 이온 빔 초기 발명12,20장치 조립 전에 직경 2 µ m의 둥근 apertures를 사용 하 여 날조 되었다. 이 업데이트에서 우리 표시 장치는 조립 후 탐지 apertures를 만들 수 있습니다 전체 과정을 더 효율적. 한 분석, 필요에 따라 많은 검색 창을 열 수도 있습니다 실험 전에 구멍에 의해 제한 되지 않는다. 2 µ m 직경 검색 창을 ToF-심즈, 같은 기술에 적합 되며 그것은 또한 액체 SEM.에서 가능 SEM의 높은 확대 기능 때문에 새로운 결과 작은 조리개를 보여줍니다 (예를 들어, 1 2 µ m) SEM을 (그림 1a)에서 잘 작동.

몇 가지 기술적인 세부 사항에서 에서 수 있도록 원래의 액체 SEM 측정 성공 언급 가치가 있다. 첫째, 장치 측정 하는 동안 충전을 줄이기 위해 탄소 또는 골드 코팅 될 필요가 있다. 둘째, 장치 장착이이 절차에서 매우 중요 하다. 장착 무대 장치의 느슨한 접촉 중요 한 충전, 초점, 그리고 가난한 이미지에 어려움이 발생 합니다. 셋째, 하나 같은 장치를 사용 하 여 하나 이상의 샘플을 분석 하 고 싶다면, 샘플 시퀀스 생각 몇 가지 필요 합니다. 장치 일회용 이지만, 그것은 가능성이 장치를 한 번 이상 사용할 수 있습니다. 예를 들어 한 입자와 같은 용 매를 사용 하 여 관심의 다른 종 샘플의 분석 이어서 컨트롤 샘플의 데이터를 얻기 위해 물 또는 용 매를 사용할 수 있습니다. 후 SALVI 장치 보안 및 탐지 구멍 SEM/거짓말을 사용 하 여 만든 샘플 소개를 소개 하는 것이 좋습니다. 검색 창 막에 구멍을 밀링 전적으로 사용 됩니다. 막 다른 악기에 의해 준비 하거나 막 만들 경우 구멍으로 사용할 수 있는 공급 업체에서 거짓말을 사용 하 여 SEM 분석 이전에 구멍을 만들 필요는 없습니다. 샘플 소개에 대 한 샘플 단계에서 장치를 이동 하 고 다시 그것을 다시 또한 장치와 샘플 단계 사이의 가난한 연결의 위험을 추가 하 고 다른 작업 거리에서 발생 하는 동안 시간을 많이 낭비. Sem의 연산자 수 있습니다 또한를 촛점을 채널을 찾을 수 있고 마이크로미터 크기 라운드 검색 창을 다시.

서브 마이크론 해상도 정확한 원소 정보 연구에서 전시, 우리는 높은 진공 모드 sem의 진공-호환 미세 셀 (, SALVI)의 통합 식별에 널리 이용 될 수 있다 그를 구상 하 고 자연스럽 게 다양 한 관찰 표본, 지질 표본, 생물 학적 샘플 및 액체에서 합성 접한 수 화 된. 기술 개선에액체 SEM 접근 이전 논의, 다른 크기의 서브 마이크론 입자의 큰 다양 한이 새로운 접근법을 사용 하 여 조사 수 있습니다 보여 줍니다. 궁극적으로, 현장에서 액체 SEM 높은 진공 SEM.를 사용 하 여 액체에서 표본을 연구에 더 많은 기회를 엽니다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

우리는 감사 하는 평화로운 북 서 국립 연구소 (PNNL) 핵 과정 과학 이니셔티브 (NPSI)-지원에 대 한 실험실 지시 연구와 개발 (LDRD) 기금. 박사 Sayandev Chatterjee 합성된 boehmite 입자 제공. 경 음악 액세스 W. R. 윌 환경 분자 과학 실험실 (EMSL) 일반 사용자 제안을 통해 제공 되었다. EMSL은 사무실의 생물학과 환경 연구 (BER) PNNL에 주최 국가 과학적인 사용자 시설입니다. PNNL는 Battelle 계약 드 AC05 76RL01830 아래 DOE에 대 한에 운영 됩니다.

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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References

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<em>제자리에서</em> 액체 SEM을 사용 하 여 물에 Boehmite 입자의 특성
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Yao, J., Arey, B. W., Yang, L., Zhang, F., Komorek, R., Chun, J., Yu, X. Y. In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM. J. Vis. Exp. (127), e56058, doi:10.3791/56058 (2017).More

Yao, J., Arey, B. W., Yang, L., Zhang, F., Komorek, R., Chun, J., Yu, X. Y. In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM. J. Vis. Exp. (127), e56058, doi:10.3791/56058 (2017).

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