Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

На месте Характеристика бемит частиц в воде с использованием жидких SEM

Published: September 27, 2017 doi: 10.3791/56058
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Earth & Biological Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory

Summary

Мы представляем процедура в реальном времени обработки изображений и анализа элементного состава бемит частиц в деионизированной воде в situ жидкостью сканирование электронной микроскопии.

Abstract

В situ изображений элементного анализа и бемита (AlOOH) частиц в воде реализуется с помощью системы для анализа на жидкий вакуум интерфейс (Сальви) и сканирование электронная микроскопия (SEM). Этот документ описывает метод и ключевых шагов в деле интеграции вакуум совместимый SAVLI SEM и получения средней электронов (SE) изображения частиц в жидкости в высоком вакууме. Энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии (EDX) используется для получения элементного анализа частиц в жидкости и контроля проб, включая только деионизированную воду (DI) и пустой канал а. Синтезированные бемита (AlOOH) частиц, взвешенных в жидкости используются в качестве модели в жидких SEM иллюстрации. Результаты показывают, что частицы могут отражаться в режиме SE с хорошим разрешением (т.е., 400 Нм). Спектр AlOOH EDX показывает значительный сигнал из алюминия (Al) по сравнению с водой, ди и пустой канал управления. В situ жидкого SEM – это мощный метод для изучения частиц в жидкости с большим количеством интересных приложений. Эта процедура призвана обеспечить техническое ноу-хау с целью проведения жидкий SEM изображений и анализа EDX Сальви и уменьшить потенциальные проблемы при использовании этого подхода.

Introduction

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) широко применяется для расследования различных образцов, производя высоким разрешением изображений1. Энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии (EDX), связанные с SEM включает определение элементного состава1. Традиционно SEM применяется для визуализации только сухих и твердых образцов. За последние 30 лет экологические SEM (ESEM) был разработан для анализа частичного гидратированных образцы в пара среды2,3,4,5. Однако ESEM неспособен изображения мокрой, полностью жидкости образцы с желаемой высоким разрешением6. Мокрый SEM клетки были также разработаны для изображения мокрые образцы с помощью SEM,78; Тем не менее эти клетки были разработаны главным образом для биологических образцов и рассеяния электронов изображений и более доступны для приложений с помощью этих конструкций9,10.

Для решения проблем в анализе различных образцов в их родной жидкой среде с помощью SEM, мы изобрели вакуумные совместимый microfluidic устройства, системы для анализа в жидкий интерфейс вакуум (Сальви), чтобы включить высокое пространственное разрешение вторичного электронов (SE) изображений и элементарного анализа жидких проб с использованием режима высокого вакуума в SEM. Эта технология включает в себя следующие уникальные особенности: 1) жидкость непосредственно зондируемой в диафрагме 1-2 мкм в диаметре; 2) жидкость проходит в отверстие на поверхностное натяжение; и 3) Сальви является переносимым и может быть адаптирована к более чем одной аналитической платформы11,12,13,14,,1516,17 ,18.

Сальви состоит из 100 Нм толщиной Кремний нитрид (SiN) мембраны и широкий микроканальные 200 мкм из блока полидиметилсилоксан (PDMS). Грех мембраны окно применяется для герметизации микроканальные. Изготовление деталей и ключевые вопросы были подробно изложены в предыдущих документах и патенты11,19,20. В настоящее время ведущий производитель и дистрибьютор расходных поставок для микроскопии приобрел лицензию на продажу устройств Сальви коммерчески для жидких SEM приложения21,22.

Приложения Сальви в вакуум-аналитических инструментов были продемонстрированы с использованием различных водных растворов и сложных жидких смесей, включая биопленки, клетки млекопитающих, наночастиц и электродных материалов12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. Однако большинство вышеупомянутых работ используются время полета вторичной ионной масс-спектрометрии (ToF-SIMS) как средство анализа ключевых, таким образом применение жидких SEM с Сальви не были полностью изучены. В этой работе Сальви использовалась для изучения больших несферические коллоидных частиц в жидкости с помощью жидкого SEM изображений и EDX элементного анализа. Образец состоит из частиц AlOOH синтезированы в нашей лаборатории. Частицы размером субмикронной бемит известны существовать в высокорадиоактивных отходов на сайте Хэнфорд. Они медленно растворяются и может вызвать реологических проблемы в обработке отходов. Таким образом важно иметь возможность характеризовать бемит частиц в жидкости25. Этот технический подход может использоваться для изучения бемит в различных физико-химических условиях для улучшения понимания этих частиц и связанных с ними реологических свойств. Эти частицы были использованы продемонстрировать пошаговую инструкцию как применить Сальви высокого вакуума SEM для изучения частиц, взвешенных в жидкости. Ключевые технические моменты для Сальви и SEM интеграции и SEM сбора данных выделяются в рамках бумаги.

Протокол обеспечивает демонстрацию жидкий образец анализа с использованием Сальви и жидких SEM изображений, для тех, кто заинтересован в использовании этот роман технику в различных приложениях жидких SEM в будущем.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. приготовить жидкий образец AlOOH

Примечание: не прикасайтесь образца или что-нибудь в камере SEM с голыми руками. Неопудренные перчатки следует надевать на все времена когда обработка Сальви устройство и монтаж на SEM этапе для того, чтобы избежать возможного загрязнения во время анализа поверхности.

  1. Сделать Стоковый раствор AlOOH (1 мг/мл)
    1. распустить 10 мг AlOOH порошка в воде 10 мл ди сделать 1 мг/мл, раствор AlOOH.
    2. Ultrasonicate Стоковый раствор для 5 минут
      Примечание: РН Стоковый раствор является приблизительно 4,6 измеряется pH метр. Раствор с рН не регулируется и используется как в этой работе.
  2. Сделать разбавленный раствор 10 мкг/мл
    1. развести 1 мг/мл AlOOH раствор до 10 мкг/мл, отправление 1 мл в 99 мл ди воду через пипетку.
    2. Ultrasonicate решение для 5 минут
      Примечание: РН Стоковый раствор является приблизительно 5,8, рН метр, измеренная после разбавления.

2. Распыления пальто Сальви грех мембраны окна с углерода

  1. Вставить стержень углерода в держатель для удилищ.
    Примечание: Электрододержатели могут быть определены как кусок, который прилагается к откидной крышкой.
  2. Использовать пинцет и тщательно удалить ленту на Сальви ' s грех мембраны оконная рама.
    Примечание: Ленты используются для защиты мембраны грех до анализа поверхности.
  3. Безопасный Сальви устройство вертикально внутри камеры coater углерода, используя углеродные ленты исправить труб из политетрафторэтилена Сальви устройства на сцене coater. Закройте крышку.
  4. Пресс " питания " кнопку, чтобы инициировать вакуумного насоса.
  5. Пресс " напряжения " кнопку на передней панели coater углерода и установите значение 4.6 V, регулируя вверх (▲) и вниз (▼) кнопки для этой операции.
    Примечание: Параметр напряжения могут отличаться из-за различных углеродных Коатеры.
    6. Монитор
  6. включите толщины покрытия, переключившись его " питания " кнопку. Снимите чтения, отображаемых на экране " Толщина (Нм) " до нуля, нажав на кнопку " ZERO " если чтение не равен нулю. Пресс " таймер " на coater углерода ' s передней панели, чтобы задать время осаждения до 30 s, регулируя вверх (▲) и вниз (▼) кнопки.
  7. Сохранить углерода coater ' режим работы s автоматически переключив кнопку " авто ◄ ► руководство " для " авто ". Переключатель " старт/стоп " кнопку " начать " когда вакуум достигает около 4 × 10 -4 мбар, как измеряется вакуумметр на coater углерода ' передней панели s.
  8. После того, как толщина монитор показывает, что углеродное покрытие достигло 20 Нм, Пресс " остановить " кнопку, чтобы завершить процесс покрытия и провентилировать вакуумное уплотнение.
  9. Открыть крышку и вынуть устройство Сальви углерода с покрытием, используя виниловые перчатки при обращении устройство.
    Примечание: Покрытие образца с углерода создает проводящий слой на образце подавляют зарядки эффект и улучшить SE сигнал, необходимые для SEM изображений. Безопасно Храните покрытием устройство в чистой Петри блюдо с крышкой, до тех пор, пока устройство готово к установке в SEM стадии. Для того, чтобы гарантировать, что грех мембраны достаточно покрытием, рекомендуется проверить устройство визуально после покрытия. Если покрытие не является достаточно толстым, во второй раз распыления покрытия могут применяться с толщиной измеренная до 10 Нм.

3. Подключить устройство и использования SEM/Focused ионного пучка (FIB), чтобы сделать отверстия на Сальви грех мембраны с помощью БМУ

  1. , открыть камеру образец SEM
    1. открытое программное обеспечение управления связанного Микроскоп на SEM инструмент управления компьютер.
      Примечание: Программное обеспечение управления может меняться из-за различных SEMs.
    2. Вентиляционные камеры образец, нажав " дефлектора " на графический интерфейс пользователя (GUI) программного обеспечения управления связанного Микроскоп " управления лучом " вкладки, чтобы открыть дверь камеры.
    3. Открыть дверь камеры, тщательно (по окончании продувки).
  2. Смонтировать устройство Сальви на сцену SEM
    Примечание: Проверьте поверхность мембраны греха, чтобы увидеть, если она повреждена либо визуально или с использованием световой микроскоп перед монтажом. Сальви устройство монтируется на сцене SEM не должен касаться детектор Эверхарта Торнли детектор (ETD) внутри образца камеры.
    1. Выберите Стандартный SEM образца держателя заглушку. Исправить заглушки на центр стадии, используя соответствующий болт и шестигранника.
    2. Место две полоски углерода двухсторонние ленты на заглушку.
    3. Stick Сальви устройства на ленту углерода на заглушки стороной мембраны грех наверх с
    4. Надежно иммобилизации Сальви на заглушку, используя дополнительные две полоски односторонний медной ленты для привязки блок SALVI PDMS SEM металлические заглушки. Кроме того используйте медные ленты для соединения рамы грех и металлические заглушки. Убедитесь, что лента не полностью охватывают мембраны грех.
      Примечание: Использование меди и углеродных лент помогают обеспечить непрерывное заземления путь для удаления заряда от мембраны, грех во время измерения SEM. Положение ленты на краю фрейма грех очень важно, потому что он обеспечивает заземление и уменьшает зарядки во время анализа. В нижней части устройства должен также иметь полный контакт с SEM заглушки через двухсторонние углерода ленты. Ленты не должны покрывать грех мембраны, чтобы избежать возможного повреждения в обработке.
  3. Насос вниз палате образец
    1. Закрыть дверь камеры образец. Выберите " высокого вакуума " режим на SEM программное обеспечение GUI под " управления лучом " страницы.
    2. Нажмите " насос " на кнопку " управления лучом " чтобы начать пылесосить и применить давление рукой дверь камеры до тех пор, пока желаемый вакуум установлен.
      Примечание: Давление в камере должны достигнуть по крайней мере 1.0 × 10 -5 Торр и должны постоянно оставаться на уровне или ниже этого значения перед изображений. Это важный шаг к разрешение высоко решена для воображения. Давления может контролироваться с правом углу GUI.
  4. Сделать отверстия в грех мембраны с помощью БМУ
    1. активировать электронно лучевой визуализации области, нажав " пауза " значок на панели инструментов. Включите электронного луча, нажав " пучка на " на кнопку " управления лучом " страницы. Выберите ETD детектор и режиме SE для изображений от " детекторы " раскрывающиеся меню.
      Примечание: Детектор может отличаться из-за различных конфигурации SEMs. В объектив детектора применяется также для жидких анализа SEM.
    2. Ссылка Z координировать значение фактической Free Рабочая расстояние FWD (передний) значение, нажав " ссылка " значок на панели инструментов. Установите рабочее расстояние (WD) как 10 мм, введя число 10 в текстовое поле координат " Z " на " навигации " страница когда " фактические " расстояние выбирается.
      Примечание: WD может варьироваться в различных SEMs.
    3. Значение электронного пучка текущего 0,47 НС, ускоряющего напряжения до 8 кэВ, а также разрешение 1024 × 884 от соответствующих список коробки, отображается на панели инструментов в электронно лучевой визуализации области.
      Примечание: Ток и напряжение может меняться из-за различных SEMs.
    4. Найти микроканальные (0,2 мм x 1,5 мм), поворачивая " X " и " Y " сдвиг ручки на плате руководство пользовательского интерфейса (MUI) наблюдать живой изображение на мониторе управления. Нарисуйте линию параллельно микроканальные от одного конца к другому с помощью мыши. Нажмите кнопку " xT выровнять функцию " из раскрывающегося меню " этап " вкладку на панели инструментов и выберите " горизонтальные " для выравнивания микроканальные.
    5. Установить сцену наклона 0 °, выбрав значение из " Т " поле со списком на " навигации " страницы. Найдите функцию различных частиц вблизи микроканальные и его центр под желтый крест, перемещая с помощью стадии " X " и " Y " сдвиг ручки. Увеличить возможность 1000 X и твист " контраст ", " яркость ", " грубой ", и " тонкой " ручки на MUI для оптимизации изображения функцию частиц.
    6. Наклона этап до 15 °, выбрав значение из " Т " поле со списком на " навигации " страницы. Использование " Z-контроль ", нажимая на колесе мыши и перетащите функцию обратно под желтый крест на экране электронно лучевой визуализации области после стадии наклонен.
      1. Тент на сцену снова 30 ° и привести функцию обратно под крест с использованием " Z-контроль ". Наклона этап обратно на 0 ° и наблюдать расположение компонента; eucentric высота подтверждается если функция не значительно сдвиг.
        Примечание: Поиск eucentric высота выполняется держать ионного пучка и электронно-лучевые сосредоточены на той же позиции для достижения хорошей FIB, фрезерные точности. Повторите процессов в шаге 3.4.6, если функция смены значительно после наклона этап обратно на 0 °. Для каждого нового образца навесные для наибольшей точности должен корректироваться высота eucentric.
    7. Тент на сцену 52°, выбрав значение из " Т " поле со списком на " навигации " страницы.
      Примечание: Степень наклона может варьироваться в различных SEMs.
    8. Отключить " пауза " значок на панели инструментов, нажав на кнопку чтобы ионный луч, визуализации области на. Включите пучка ионов галлия источник, нажав на " пучка на " кнопку под " управления лучом " страницы.
      1. Задать ускоряющего напряжения ионного пучка до 30 кэВ и луч тока 0,3, nA, выбрав эти значения из соответствующего напряжения и текущий список полей, расположенных в панели инструментов. Принести микроканальные центром этой визуализации области.
    9. Выбрать круг как шаблон, выбирая эту возможность из списка " шаблон " на " кучность " страницы. Установите " наружный диаметр " до 1 мкм, " внутренний диаметр " до 0 мкм, " Z размер " до 500 Нм и " останавливаться время " до 1 МКС в соответствующее текстовое поле.
      1. Тип " Si " в " применение " текстовое поле, потому что главный компонент окна о к быть фрезерованные обнаружения нитрида кремния. Затем нажмите кнопку " кучность патронирования меню/запуска " кнопку, чтобы начать фрезерование отверстия на окне Обнаружение, которое охватывает микроканальные. Повторите процесс фрезерования несколько раз для получения ряда круглые отверстия. В эксперименте, могут быть сделаны несколько дыр.
        Примечание: Отверстия, 100 мкм друг от друга, с одной стороны микроканальные к другой. Перемещение быстро свести к минимуму ущерб луча на мембране грех. SEM-FIB, фрезерные процесс обычно начинается с левой или правой стороны микроканальные для того, чтобы отслеживать и число отверстий легко. Оператор может выбрать идти снизу или сверху в зависимости от ориентации канала и личных предпочтений. Что обеспечивает фрезерования SEM-FIB завершенных и адекватного так образца может быть исследован внутри отверстия.
  5. Вентиляционные камеры после SEM/FIB
    1. наклона этап обратно на 0 °, выбрав 0 от " Т " поле со списком на " навигации " страницы. Выключить электронно-лучевые и ионный луч, нажав " пучка на " когда активируется соответствующий луч визуализации области. Нажмите кнопку " дефлектора " на " управления лучом " страницы вентиляционные камеры образец.

4. Загрузить Сальви с жидких проб

  1. тщательно очистить Сальви, с использованием воды ди
    1. открыть дверь камеры SEM, после того, как он полностью вентилируемая и оставить устройство Сальви, как это на сцене.
      Примечание: Для экономии времени на монтаж устройства и упором, настоятельно рекомендуется держать устройство на сцене при загрузке образца.
    2. Черпать воду 1 мл ди в стерильный шприц, подключите шприц с входом microfluidic устройства с помощью политетрафторэтилена труб адаптер установка и медленно вводить жидкость для 3-5 мин
      Примечание: Для всех шагов, где требуется впрыскивать решения в Сальви рекомендуется шприцевой насос. Это можно сделать в этот шаг, установив 1 мл стерильного шприца, содержащий решение скорость потока-100-250 мкл/мин используя шприцевый насос с постоянной скоростью потока-может уменьшить вероятность повреждения мембраны грех.
    3. Повторить шаг 4.1.2, три раза с использованием 1 мл 10 мкг/мл AlOOH, подготовленную на этапе 1, чтобы концентрация образца не разбавляется водой, предварительно ди.
    4. После инъекции, удалите шприц. Подключение на входе и выходе Сальви, используя союз кетон полиэфиром эфира. Сухие любой жидкости вне Сальви с лаборатории салфетки. Если есть любые пузыри внутри труб из политетрафторэтилена или microchannel, повторить пример инъекций AlOOH, до тех пор, пока не рассматриваются в рамках политетрафторэтилен трубок.
      Примечание: Палец затянуть союз кетон полиэфиром эфира. Не используйте слишком много сил при затягивании союз чтобы избежать создания значительное внутреннее давление увеличение внутри Сальви устройство, которое может привести к повреждению мембраны грех.
      Примечание: Пузыри внутри микроканальные может повлиять на сканирование и вызывают изображения шIFT. Любой жидкости вне устройства будет влиять на состояние вакуума, поэтому вне Сальви и политетрафторэтилен трубок должны быть тщательно просушить перед вставкой его в вакуумной камере. Кроме того устройство не должно иметь физический ущерб (например, разрезать на трубке, разбитое окно мембраны грех), что приводит к утечки. В противном случае, давление в камере не может достичь желаемого высокого вакуума, пузыри могут образовывать в трубе, и жидкий образец будет потеряна во время уборки.

5. Проведение жидкого SEM Imaging и элементного анализа

  1. , принимать изображения с помощью ETD детектор и режиме SE
    1. Закрыть дверь камеры образец. Выберите " высокого вакуума " режим на SEM программное обеспечение GUI под " управления лучом " страницы. Нажмите кнопку " насос " на кнопку " управления лучом " чтобы начать пылесосить и давите руку к двери камеры до тех пор, пока желаемый вакуум установлен.
    2. Активировать электронно лучевой визуализации области, нажав " пауза " значок на панели инструментов. Включите электронного луча, нажав " пучка на " на кнопку " управления лучом " страницы. Выберите ETD детектор и режиме SE для изображений от " детекторы " выпадающего меню.
      1. Присвоено 8 ускоряющего напряжения кэВ и луч ток 0,47 НС от соответствующего списка коробки, отображается на панели инструментов GUI на электронно лучевой визуализации области. Установить WD в качестве 7 мм, введя число " 7 " в текстовое поле координаты " Z " на " навигации " страница когда " фактические " расстояние выбирается.
        Примечание: Параметры луча напряжения, тока и рабочее расстояние может варьироваться в разных SEMs.
    3. Увеличить возможность 1000 × и твист " контраст ", " яркость ", " грубой ", и " тонкой " ручки на MUI для оптимизации изображения функцию частиц.
    4. Центр в первое отверстие в live-образ электронного пучка визуализации области путем скручивания " X " и " Y " сдвиг ручки на доске MUI. Увеличить изображения с частицами увеличение 200 000 × путем скручивания " увеличение " ручку на доске MUI. Выберите разрешение экрана " 1,024 × 884 " из раскрывающегося списка на панели инструментов.
    5. Задать скорость сканирования как 30 МКС в списке на панели инструментов. Нажмите клавишу F4, чтобы снимок текущего изображения, отображаемого в электронно лучевой визуализации области.
    6. Пресс клавиш Ctrl + S для сохранения файла изображения as.tif в нужное место с определенным именем файла, включая добавочное число.
    7. Масштаба путем скручивания " увеличение " регулятор, чтобы найти следующий прилегающих отверстие. Повторите операции в шагах 5.1.4 - 5.1.6 изображений AlOOH частиц в остальной части отверстия.
  2. Поведения элементарного анализа с помощью EDX
    1. вставьте энергии дисперсионных спектроскопии (ЭЦП) детекторы камеры.
    2. Выберите ETD детектор на Микроскоп контроля монитора и SE режим просмотра образца на области визуализации пучка электронов. Установите ускоряющего напряжения до 8 кэВ, ток 0,47 НС и WD до 7 мм, как описано в шаге 5.1.2.
    3. Увеличить AlOOH частиц в каждое отверстие с увеличением 200000 X путем скручивания " увеличение " ручку на плате MUI.
      Примечание: Держите электроннолучевые сосредоточена на том же месте, с тем чтобы обеспечить более локализованных элементарной информации. Образ AlOOH приводится на рисунке 1a.
    4. Открыть соответствующее программное обеспечение EDAX.
      Примечание: Соответствующее программное обеспечение может варьироваться в различных инструментов ' конфигураций.
    5. Нажмите " начать запись нового спектры " в пользовательском интерфейсе (UI) для сбора EDX спектра. Выберите " пик ID " выбрать вероятные элементы спектра. Введите в наблюдаемых элементов, например, кислорода в данном случае, в " элемента " поле. Нажмите кнопку " добавить " применить элемент к спектру.
    6. Нажмите на " файл " и нажмите " сохранить как ". Сохранить формат in.csv спектральных данных, используя имя нужного файла для дальнейшего построения с использованием графического программного обеспечения.
    7. Повторить операции в шагах 5.3.3 - 5.3.6 для записи EDX спектр от каждого отверстия.
    8. После окончания изображений и спектра записи для каждой из отверстия, выключить электронный луч, нажав " пучка на " кнопку на " управления лучом " страница когда электронно лучевой визуализации области. Вентиляционные камеры SEM, нажав " дефлектора " на той же странице. Тщательно взять образец покинуть сцену, удалив все ленты после того, как палата дверь открыта.
    9. Повторить процедуру для проведения экспериментов управления, с помощью DI воды и пустой микроканальные.

6. Участок спектра EDX

  1. the.csv спектра файла импорта в графического программного обеспечения.
  2. Участок спектра, используя уровень энергии в качестве оси x и интенсивности получены и обработаны EDX как оси y, чтобы показать реконструированный спектры, как показано в цифры 2a , 2b и 2 c.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Чтобы показать, как отражаются частицы представлены представителем результаты и проанализированы с использованием в situ жидких SEM визуализации в сочетании с EDX. Результаты включают SE изображения и спектры EDX. SE изображения были получены в X 100000 и 200000 X увеличение уровней на рисунке 1. Рисунок 1a изображает SE образ AlOOH, рисунок 1b ди вода и рис 1 c отверстие в пустой канал. Изображения были получены путем применения SE с 8 кэВ ускоряющего напряжения и 0,47 НС пучка тока. Использовать разрешение экрана 1024 × 884 с частотой сканирования 30 МКС. соответственно, на рисунке 2 показан EDX спектрах обнаружены от AlOOH частиц в воде (Рисунок 2a), ди образца воды (рис. 2b) и отверстие в пустой канал ( Рисунок 2 c), на основании измеренных элементного состава. EDX spectra были получены с помощью же ток и напряжение, установив, что для SE изображений. Глубина информации — от мелкой региона на поверхности образца за счет выбора низкого напряжения. Исходные данные спектров элементного выводимый as.csv файл и с помощью графического программного обеспечения для представления.

Figure 1
Рисунок 1: SE изображений. Эти изображения были получены путем применения SE с 8 кэВ ускоряющего напряжения и 0,47 НС пучка тока. Использовать разрешение экрана было 1,024 × 884 с частотой сканирования 30 МКС. (1a) AlOOH на 200, 000 X, (1b) ди воды на 100, 000 X (1 c) и пустой канал на 200, 000 X. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: EDX Spectra. EDX spectra были приобретены в режиме SE с 8 кв ускоряющего напряжения и 0,47 НС пучка тока. (2a) спектра AlOOH в воде. Пример (2b) спектра DI воды. (c) спектр отверстие в пустой канал. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SEM – это мощный метод в поверхностных характеристик органических и неорганических материалов на уровне наноразмерных (Нм) с высоким разрешением1. Например широко используется для анализа твердых и сыпучих образцов таких геологических материалов26 и полупроводниковых27. Однако он имеет ограничения в характеристике мокрой и жидких проб из-за несовместимости жидкости в течение весьма ликвидируйте условий, необходимых для электронной микроскопии1. Подготовка образца SEM часто требует обезвоживания или паром для лиофильной сушки для гидратной образца и особенно для биологических образцов2. В результате это сложно точно захватить информацию естественно гидратированных или жидкие образцы, как их внутренней информации могут быть потеряны во время выборки подготовки процесса28,29. Это может включать, но не ограничиваясь, биологическая активность в клетках, синтеза наночастиц в растворе, агрегации частиц в сложных жидких и электрохимических реакций. Даже несмотря на то, что ESEM могут изображений гидратированных образцы в среде с контролируемой паров, разрешение изображений может не достигать как SEM изображения твердых образцов в режиме высокого вакуума30,,3132 , 33. Недавно, мокрые образцы были охвачены электрона прозрачной тонкой пленки6 или печатью образец капсул30 когда работал SEM, и рассеяния электронов были собраны для изображений, используя этот подход.

Сальви — это универсальный microfluidic интерфейс, который позволил анализ поверхности жидкости, используя инструменты, основанные на вакуум, например ТЕА и ToF-SIMS. 11 , 12 , 13 , 14 наша техника с использованием Сальви и оптимизированные условия SEM может предоставить SE изображения и EDX композиционные информацию. Рисунок 1a представляет SE образ бемит частиц в ди воды с субмикронной шкалой (400 Нм) и высокое увеличение 200 000. SEM изображение показывает морфологии и распределение бемит частиц в жидкости, которая проверяет, что частицы в жидкости можно увидеть и безопасно в грех мембраны на поверхностное натяжение20. В отличие от фигур 1b изображает SE изображения ди воды в отверстие на уровне 100 000 × увеличения. Она обеспечивает прямые доказательства того, что вода может быть проводит ее поверхностное натяжение не течет снаружи. Кроме того давление в камере был неизменным в 1.0 × 10-5 Торр во время измерения. Рисунок 1 c представляет отверстие в пустой канал с 200 000 × увеличения; ничего не наблюдается внутри отверстие под же ток и напряжение настройки. SE жидкости изображений через этот подход обеспечивает высокое разрешение SE изображения по сравнению с микрометра резолюции рассеяния электронов изображения, полученные с помощью сообщил мокрой SEM техника30.

EDX элементного сопоставления проводится с помощью AlOOH частиц в воде ди, ди только воду и пустой канал, соответственно. Два последних используются в качестве ссылок элементов управления. Как показано на рисунке 2А, пик алюминия происходит около 1,5 кэВ с значительным сигналом, пока есть не видно пик, появляясь на ту же энергию в воде ди и spectra EDX пустой канал. Сигнал кислорода является доминирующей в AlOOH и DI воды, которая подтверждает, что этот сигнал исходит от воды. Это далее проверяет, что частицы погружаются в воду во время визуализации. C и Si вершины фигуры 2a, 2b и 2 c находятся от углеродного покрытия на окно обнаружения и грех мембраны, образуя зоны обнаружения, соответственно. N пик является также от мембраны, грех. EDX сравнение показывает обнаружения состав алюминия AlOOH в воде, указав, что частицы бемит действительно соблюдаются.

В предыдущих документах мы продемонстрировали возможности используя microfluidic клеток и высокого вакуума SEM для изображения и описания жидкого образца, используя DI воды и иммуноглобулина G (IgG) наночастиц золота12,20. В этих более ранних работах, наночастиц золота были меньше, чем 10 Нм. В этой работе, мы покажем, что бемит частицы с очень больших размеров (< 100 Нм) также могут быть изучены через жидкость SEM. Для обеспечения достаточной визуализации области еще достаточно поверхностного натяжения провести жидкости внутри был рассчитан размер отверстия. Первоначально отверстие было изготовлено с использованием пучка ионов галлия сделать круглые отверстия 2 мкм в диаметре до устройства Ассамблеи в первоначального изобретения12,20. В этом обновлении мы покажем, что обнаружение отверстия могут быть сделаны после монтажа устройства, что делает весь процесс более рациональной. Можно также открыть столько обнаружения windows при необходимости в ходе анализа и не ограничивается отверстия, сделанные до эксперимента. 2 мкм диаметром обнаружения windows подходят для методов, таких как ToF-СИМОВ, и это также возможно в жидком SEM. Из-за большого увеличения потенциала SEM, новый результат показывает, что диафрагму (например, 1-2 мкм) хорошо работает в SEM (рис. 1a).

Несколько технических деталей, стоит упомянуть для успешного в situ жидких SEM измерений. Во-первых устройство необходимо быть покрыты углерода или золото для того, чтобы уменьшить зарядки во время измерения. Во-вторых Монтаж устройства весьма важное значение в этой процедуре. Потерять контакт с этапа монтажа устройства приведет к значительным зарядки, трудности в упор и плохие изображения. В-третьих если один хочет, чтобы анализировать более одного образца с помощью того же устройства, пример последовательности требует некоторые мысли. Хотя устройство одноразовые, вполне вероятно, устройство может использоваться более одного раза. Например можно использовать для получения данных образца управления последующим анализом образца с частицами или других видов интерес, используя же растворителя воды или растворителя. Рекомендуется ввести введения пробы после Сальви устройства обеспечивается и обнаружения отверстия сделаны с помощью SEM/FIB. FIB используется исключительно для фрезерования отверстия на мембране окно обнаружения. Если мембрана является подготовленный другой инструмент или мембраны производится с отверстиями доступны от поставщиков, нет необходимости использовать FIB сделать отверстия до SEM анализ. Перемещение устройства от стадии образца для введения пробы и завернув его снова отходов много времени, а также добавление риск плохого соединения между устройством и стадии образца и в результате различных рабочее расстояние. SEM оператор может также должны переориентировать и найти канал и микрометра размера круглой обнаружения windows снова.

С субмикронной разрешением и точной элементарной информации, продемонстрированы в этом исследовании, мы предполагаем, что интеграция вакуум совместимых microfluidic ячейки (то есть, Сальви) с высокой вакуумной режиме SEM может использоваться широко в выявлении и отмечая различные естественно гидратированных образцов, геологических образцов, биологических образцов и Наноматериал, синтезированных в жидкости. С технологические усовершенствования, внесенныежидкий SEM подход обсуждаются ранее, мы демонстрируем, что большее разнообразие субмикронных частиц различных размеров могут расследоваться с использованием этого нового подхода. В конечном счете в situ жидкого SEM открывает более широкие возможности для изучения образцов в жидкости с использованием высокого вакуума SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Мы признательны к ядерной науки инициатива процесс Тихоокеанская северо-западная Национальная лаборатория (PNNL) (национальный)-направленные лабораторных исследований и развития (МЦРУ) фонд для поддержки. Д-р Sayandev Чаттерджи предоставил синтезированных бемит частиц. Инструментальный доступ обеспечивается через общее предложение пользователя W. р Уили экологических молекулярных наук лаборатории (ЛСМЭ). ЛСМЭ является объектом национальной научной пользователя под эгидой Бюро биологических и экологических исследований (BER) в PNNL. PNNL эксплуатируется Battelle для Доу под контракт де-AC05-76RL01830.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Goldstein, J., et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis: A Text for Biologists, Materials Scientists, and Geologists. , 2nd ed, (1992).
  2. Donald, A. M. The use of environmental scanning electron microscopy for imaging wet and insulating materials. Nat Mater. 2 (8), 511-516 (2003).
  3. Rossi, M. P., et al. Environmental Scanning Electron Microscopy Study of Water in Carbon Nanopipes. Nano Lett. 4 (5), 989-993 (2004).
  4. Nune, S. K., et al. Anomalous water expulsion from carbon-based rods at high humidity. Nat Nano. 11 (9), 791-797 (2016).
  5. Soumya, E. A., et al. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Environmental SEM: Suitable Tools for Study of Adhesion Stage and Biofilm Formation. , (2012).
  6. Thiberge, S. Y., Nechushtan, A., Sprinzak, D., Moses, E. Scanning electron microscopy of cells and tissues under fully hydrated conditions. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (10), 3346-3351 (2004).
  7. Thiberge, S., et al. Scanning electron microscopy of cells and tissues under fully hydrated conditions. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (10), 3346-3351 (2004).
  8. Thiberge, S., Zik, O., Moses, E. An apparatus for imaging liquids, cells, and other wet samples in the scanning electron microscopy. Rev Sci Instrum. 75 (7), 2280-2289 (2004).
  9. QuantomiX WETSEM®. , Available from: http://www.wetsem.com/ (2017).
  10. Wet Cell Kit. , Available from: http://www.2spi.com/catalog/instruments/silicon-nitride-wet-cell-kits-use-instructions.html (2017).
  11. Yu, X. -Y., et al. Systems and methods for analyzing liquids under vacuum. USA patent. , 8,555,710 (2011).
  12. Yang, L., et al. In situ SEM and ToF-SIMS analysis of IgG conjugated gold nanoparticles at aqueous surfaces. Surf Interface Anal. 46 (4), 224-228 (2014).
  13. Liu, B., et al. In situ chemical probing of the electrode-electrolyte interface by ToF-SIMS. Lab Chip. 14 (5), 855-859 (2014).
  14. Ding, Y., et al. In situ Molecular Imaging of the Biofilm and Its Matrix. Anal Chem. 88 (22), 11244-11252 (2016).
  15. Hua, X., et al. Two-dimensional and three-dimensional dynamic imaging of live biofilms in a microchannel by time-of-flight secondary ion mass spectrometry. Biomicrofluidics. 9 (3), 031101 (2015).
  16. Hua, X., et al. Chemical imaging of molecular changes in a hydrated single cell by dynamic secondary ion mass spectrometry and super-resolution microscopy. Integr Biol. 8 (5), 635-644 (2016).
  17. Hua, X., et al. In situ molecular imaging of a hydrated biofilm in a microfluidic reactor by ToF-SIMS. Analyst. 139 (7), 1609-1613 (2014).
  18. Yu, J., et al. Capturing the transient species at the electrode-electrolyte interface by in situ dynamic molecular imaging. Chem Commun. 52 (73), 10952-10955 (2016).
  19. Yang, L., et al. Making a hybrid microfluidic platform compatible for in situ imaging by vacuum-based techniques. J Vac Sci Technol, A. 29 (6), (2011).
  20. Yang, L., et al. Probing liquid surfaces under vacuum using SEM and ToF-SIMS. Lab Chip. 11 (15), 2481-2484 (2011).
  21. SPI Supplies Inc. , Available from: http://www.2spi.com/ (2017).
  22. Wet Cell II Liquid Probe System for SEM/EDS, EPMA and TOF-SIMS. , Available from: http://www.2spi.com/item/12130-ab/ (2017).
  23. Yao, J., et al. Switchable 1,8-diazabicycloundec-7-ene and 1-hexanol ionic liquid analyzed by liquid ToF-SIMS. Surf Sci Spectra. 23 (1), 9-28 (2016).
  24. Yu, J., et al. Capturing the transient species at the electrode-electrolyte interface by in situ dynamic molecular imaging. Chem Commun. 52 (73), 10952-10955 (2016).
  25. Clark, S. B., Buchanan, M., Wilmarth, B. Basic Research Needs for Environmental Management. , Department of Energy. (2016).
  26. Mills, O. P., Rose, W. I. Shape and surface area measurements using scanning electron microscope stereo-pair images of volcanic ash particles. Geosphere. 6, 805-811 (2010).
  27. Li, S., Jiang, F., Yin, Q., Jin, Y. Scanning electron acoustic microscopy of semiconductor materials. Solid State Commun. 99 (11), 853-857 (1996).
  28. Dohnalkova, A. C., et al. Imaging Hydrated Microbial Extracellular Polymers: Comparative Analysis by Electron Microscopy. Appl Environ Microbiol. 77 (4), 1254-1262 (2011).
  29. Yu, X. -Y., Liu, B., Yang, L. Imaging liquids using microfluidic cells. Microfluid Nanofluid. 15 (6), 725-744 (2013).
  30. Barshack, I., et al. A Novel Method for "Wet" SEM. Ultrastruct Pathol. 28 (1), 29-31 (2004).
  31. Cameron, R. E., Donald, A. M. Minizing sample evaporation in the Environmental Scanning Microscope. J Microsc. (Oxford, U. K.). 173 (3), 227-237 (1994).
  32. Danilatos, G. D. REVIEW AND OUTLINE OF ENVIRONMENTAL SEM AT PRESENT. J Microsc (Oxford, U.K.). 162 (3), 391-402 (1991).
  33. Stokes, D. J. Recent advances in electron imaging, image interpretation and applications: environmental scanning electron microscopy. Philos Trans R Soc, A. 361 (1813), 2771-2787 (2003).

Tags

Химия выпуск 127 бемита жидкость в situ сканирование электронной микроскопии изображений химический состав картирования микрофлюидика сканирование электронной микроскопии
<em>На месте</em> Характеристика бемит частиц в воде с использованием жидких SEM
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yao, J., Arey, B. W., Yang, L.,… 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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter