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Chemistry

In Situ Caractérisation des particules de Boehmite dans l’eau à l’aide de liquide 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

Nous présentons une procédure d’imagerie en temps réel et analyse de la composition élémentaire de la boehmite particules dans l’eau désionisée par in situ en microscopie électronique à balayage liquide.

Abstract

Analyse des particules de la boehmite (AlOOH) dans de l’eau élémentaire et d’imagerie in situ est réalisée en utilisant le système d’analyse à l’Interface liquide de vide (SALVI) et la microscopie électronique à balayage (MEB). Cet article décrit la méthode et les principales étapes d’intégration le vide compatible SAVLI SEM et obtention d’électrons secondaires (SE) images de particules dans un liquide en vide poussé. Spectroscopie de rayons x dispersive en énergie (EDX) est utilisée pour obtenir l’analyse élémentaire des particules dans les échantillons de liquide et de contrôle dont seulement l’eau désionisée (DI) et un canal vide aussi bien. Particules synthétisées boehmite (AlOOH) en suspension dans le liquide sont utilisés comme modèle dans l’illustration liquide de SEM. Les résultats démontrent que les particules peuvent être photographiées dans la mode SE avec une bonne résolution (c'est-à-dire400 nm). Le spectre de AlOOH EDX montre un signal important de l’aluminium (Al) en comparaison avec l’eau de DI et le contrôle de la chaîne vide. In situ liquide SEM est une technique puissante pour étudier les particules dans un liquide avec de nombreuses applications intéressantes. Cette procédure a pour but de fournir le savoir-faire technique pour mener à bien liquide SEM imagerie et analyse EDX SALVI et de réduire les pièges potentiels lors de l’utilisation de cette approche.

Introduction

Microscope électronique à balayage (MEB) a été largement appliqué pour enquêter sur une variété de spécimens en produisant d’imagerie haute résolution1. La spectroscopie de x dispersive en énergie (EDX) associée à la SEM permet la détermination de la composition élémentaire1. Traditionnellement, SEM est appliqué pour l’imagerie des échantillons seulement secs et solides. Au cours des 30 dernières années, SEM environnemental (ESEM) a été développé pour analyser les échantillons hydratés partielles dans une vapeur environnement2,3,4,5. Cependant, ESEM est incapable de représenter les échantillons humides, entièrement fluides avec désiré haute résolution6. Les cellules humides SEM ont également été développés aux spécimens image humide à l’aide de SEM7,8; Néanmoins, ces cellules ont été développés principalement pour les spécimens biologiques rétrodiffusée imagerie électronique et ne sont plus accessibles pour les applications avec ces conceptions9,10.

Pour relever les défis dans l’analyse des échantillons variés dans leur environnement natif de liquide à l’aide de SEM, nous avons inventé un dispositif microfluidique compatible sous vide, système d’analyse à l’Interface liquide de vide (SALVI), pour permettre une résolution spatiale élevée secondaire analyse élémentaire et d’imagerie électronique (SE) d’échantillons liquides utilisant le mode de vide élevé en SEM Cette nouvelle technique comprend les particularités suivantes : 1) est détecté directement en liquide dans une petite ouverture de 1 à 2 µm de diamètre ; 2) liquide est maintenu dans le trou par la tension superficielle ; et 3) SALVI est portable et peut être adapté à plus d’une plate-forme analytique11,12,13,14,15,16,17 ,,18.

SALVI se compose d’une membrane de nitrure (péché) de silicium épais nm 100 et un microchannel large de 200 µm en bloc de polydiméthylsiloxane (PDMS). La fenêtre de membrane de péché est appliquée pour sceller le microcanaux. Les détails de fabrication et les considérations clés de conception ont été détaillées dans les documents précédents et brevets11,19,20. Actuellement, un important fabricant et distributeur de consommables d’alimentation pour la microscopie a acheté la licence pour vendre des dispositifs SALVI commercialement pour liquide SEM demandes21,22.

Les applications de SALVI en instruments d’analyse axée sur la dépression ont été démontrées à l’aide d’une variété de solutions aqueuses et les mélanges liquides complexes dont les biofilms, les cellules de mammifères, nanoparticules et électrode matériaux12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. Cependant, la plupart des travaux susmentionné utilisés spectrométrie de masse à ions secondaires de temps de vol (ToF-SIMS) comme l’outil d’analyse clé, donc l’application du liquide SEM avec SALVI n’a pas été entièrement exploré. Dans cet ouvrage, SALVI a été utilisé pour étudier les plus grosses particules colloïdales non sphériques en liquide à l’aide de liquide SEM imagerie et analyse élémentaire EDX. L’échantillon est composé de particules AlOOH synthétisés dans notre laboratoire. Les particules de taille SUBMICROMETRIQUES boehmite sont connues pour exister dans les déchets hautement radioactifs sur le site de Hanford. Ils sont lents à se dissoudre et peuvent provoquer des problèmes rhéologiques dans le traitement des déchets. Par conséquent, il est important d’avoir la capacité de caractériser les particules de la boehmite en liquide25. Cette approche technique peut servir à étudier la boehmite dans diverses conditions physico-chimiques pour une meilleure compréhension de ces particules et des propriétés rhéologiques connexes. Ces particules ont été utilisés pour démontrer étape par étape comment appliquer SALVI à vide élevé SEM afin d’étudier les particules en suspension dans un liquide. Principaux points techniques d’intégration SALVI et SEM et d’acquisition de données SEM sont soulignées dans le document.

Le protocole prévoit la démonstration de l’analyse de l’échantillon liquide à l’aide de SALVI et l’imagerie SEM liquide, pour ceux qui sont intéressés à utiliser cette nouvelle technique dans diverses applications de liquide SEM à l’avenir.

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Protocol

1. préparer AlOOH échantillon liquide

Remarque : ne touchez pas le spécimen ou quoi que ce soit à l’intérieur de la chambre de SEM à mains nues. Poudre libres gants doivent être portés à tout moment lorsque l’appareil SALVI et monter sur le SEM stade afin d’éviter une contamination potentielle au cours de l’analyse des surfaces.

  1. Faire une solution de stock AlOOH (1 mg/mL)
    1. dissoudre 10 mg de poudre AlOOH dans 10 mL DI d’eau pour faire le 1 mg/mL solution mère AlOOH.
    2. Ultrasonicate la solution pendant 5 min.
      Nota : Le pH de la solution mère est environ 4,6 mesuré au pH-mètre. La solution de pH n’est pas ajustée et utilisée car c’est dans cette œuvre.
  2. Préparer une solution diluée de 10 µg/mL
    1. diluer la AlOOH solution mère à 10 µg/mL 1 mg/mL en distribuant de 1 mL dans l’eau 99 mL DI via pipette.
    2. Ultrasonicate la solution pendant 5 min.
      Nota : Le pH de la solution mère est environ 5,8 mesuré au pH-mètre après dilution.

2. Bredouiller manteau lafenêtre de Membrane de péché SALVI avec carbone

  1. Insérer la tige de carbone dans le porte-canne.
    Remarque : Le porte-canne peut être identifié comme la pièce qui est attachée au couvercle articulé.
  2. Utiliser une paire de pinces à épiler et retirez délicatement le ruban sur la SALVI ' menuiserie, membrane en SiN s.
    Remarque : Le ruban adhésif est utilisé pour protéger la membrane péché avant l’analyse des surfaces.
  3. Fixer le dispositif SALVI debout dans la chambre de coucheuse de carbone à l’aide de ruban adhésif carbone pour fixer le tube de polytétrafluoroéthylène du dispositif SALVI sur la scène de la coucheuse. Fermer le couvercle.
  4. Presse le " POWER " bouton pour amorcer la pompe à vide.
  5. Presse la " tension " bouton vers la face avant de la coucheuse carbone et définissez la valeur à 4.6 V en ajustant le haut (▲) et vers le bas (▼) boutons pour cette opération.
    Remarque : Le réglage de la tension peut varier en fonction de divers vernisseuses carbone.
    6. Moniteur
  6. tournant sur l’épaisseur du revêtement en allumant son " POWER " bouton. Désactivez la lecture affichée dans l’écran de " épaisseur (nm) " à zéro en appuyant sur le bouton " zéro " si la lecture n’est pas égale à zéro. Appuyez sur la " TIMER " à la coucheuse carbone ' façade s pour régler l’heure de dépôt de 30 s en ajustant le haut (▲) et vers le bas (▼) boutons.
  7. Garder la coucheuse carbone ' s en mode fonctionnement automatique en activant le bouton " AUTO ◄ ► manuel " à " AUTO ". Interrupteur la " START/STOP " bouton pour " commencer " lorsque le vide atteint environ 4 × 10 -4 mbar telle que mesurée par le vacuomètre à la coucheuse carbone ' façade de s.
  8. Une fois que le moniteur d’épaisseur indique que la couche de carbone a atteint 20 nm, appuyez sur la " arrêter " bouton pour terminer le processus de revêtement et d’évacuer le joint hermétique.
  9. Ouvrez le couvercle et retirez l’appareil SALVI carbone enduit à l’aide de gants en vinyle, lors de la manipulation de l’appareil.
    Remarque : L’échantillon avec le carbone de revêtement crée une couche conductrice sur l’échantillon à inhiber l’effet de charge et d’améliorer le signal SE requis pour l’imagerie de la SEM. Solidement rangez l’appareil couché dans une boîte de Pétri propre avec un couvercle, jusqu'à ce que l’appareil est prêt à être installé dans le stade de SEM. Afin d’assurer que la membrane du péché est suffisamment enduite, il est recommandé de vérifier l’appareil visuellement après l’enduit. Si le revêtement n’est pas assez épais, une seconde fois de revêtement par pulvérisation cathodique peut être appliquée avec l’épaisseur mesurée jusqu'à 10 nm.

3. Monter l’appareil et l’utilisation SEM/Focused Ion Beam (FIB) à faire des ouvertures sur le SALVI SiN Membrane à l’aide de FIB

ordinateur de contrôle
  1. ouvrir le compartiment de spécimen de la SEM
    1. ouvrir le logiciel de commande associés microscope sur l’instrument SEM.
      Remarque : Le logiciel de contrôle peut varier en fonction de divers SEMs.
    2. Aérer la chambre spécimen en cliquant " Vent " sur l’interface utilisateur graphique (GUI) du logiciel de contrôle sous microscope associé " contrôle du faisceau " onglet afin d’ouvrir la porte de la chambre.
    3. Ouvrir la porte de la chambre soigneusement (une fois l’évacuation terminée).
  2. Monter le dispositif SALVI sur la scène de SEM
    Remarque : vérifier la surface de la membrane de péché pour voir si elle est intacte soit visuellement ou à l’aide d’un microscope optique avant le montage. Le dispositif SALVI monté sur la scène de SEM ne doit pas toucher le détecteur Everhart Thornley détecteur (ETD) à l’intérieur de la chambre de spécimen. Stub
    1. select le SEM standard exemple titulaire. Difficulté le talon vers le centre de la scène en utilisant le boulon approprié et une clé hexagonale de.
    2. Placer deux morceaux de ruban de carbone double-face sur le talon de.
    3. Stick, le dispositif SALVI sur le ruban de carbone placé sur la tubulure du péché membrane orientée vers le haut
    4. Bien immobiliser le SALVI sur le talon d’utiliser un supplémentaires deux bandes de ruban de cuivre simple face pour lier le bloc SALVI PDMS à la longrine métallique SEM. En outre, utiliser les bandes de cuivre pour relier le péché et le talon métal. Assurez-vous que le ruban ne recouvre pas complètement la membrane SiN.
      Remarque : L’utilisation des bandes de cuivre et de carbone aider à assurer un chemin continu de mise à la terre pour la suppression des frais de la membrane du péché pendant la mesure de la SEM. La position de la bande sur le bord du cadre du péché est très importante, car elle assure la mise à la terre et réduit la charge pendant l’analyse. Le bas de l’appareil doivent également avoir complètement en contact avec le talon de SEM par ruban adhésif double-face carbone. La bande ne doit pas couvrir la membrane de péché pour éviter tout dommage éventuel en manutention.
  3. Pompe vers le bas de la chambre de spécimen
    1. Fermer la porte de chambre de spécimen. Sélectionnez le " vide " mode sur le logiciel SEM GUI sous le " faisceau commande " page.
    2. Cliquez le " pompe " bouton sur la " contrôle du faisceau " page pour commencer à passer l’aspirateur et appliquer une pression à la main sur la porte de la chambre jusqu'à ce que le vide désiré est établi.
      Remarque : La pression de la chambre doit atteindre au moins 1,0 × 10 -5 Torr et doit rester constamment égale ou inférieure à cette valeur avant de l’imagerie. Il s’agit d’une étape importante pour permettre la résolution très résolue pour l’imagerie. Le réglage de la pression peut être surveillé depuis le coin droit de l’IHM.
  4. Faire des ouvertures dans la membrane de péché par FIB
    1. activer le faisceau d’électrons d’imagerie zone en cliquant sur le " Pause " icône sur la barre d’outils. Allumez le faisceau d’électrons en cliquant sur le " faisceau sur " bouton sur la " contrôle du faisceau " page. Sélectionnez le détecteur ETD et le mode SE pour l’imagerie de la " détecteurs " du menu déroulant.
      Remarque : Le détecteur peut varier en raison d’une configuration différente de la SEM. Le détecteur en verre est également applicable pour l’analyse de liquide SEM.
    2. Lien le Z coordonnée de la valeur de la Fre réellee valeur de Distance de travail (FWD) en cliquant sur le " lien " icône sur la barre d’outils. Définir la distance de travail (WD) que 10 mm en tapant le numéro 10 dans la zone de texte de coordonnée " Z " sur les " Navigation " quand la page le " réel " distance est sélectionné.
      Remarque : Le WD peut varier en fonction de divers SEMs.
    3. Régler le faisceau d’électrons courant à 0,47 nA, la tension d’accélération à 8 keV et la résolution de 1 024 × 884 des boîtes affichées dans la barre d’outils dans le domaine de l’imagerie par faisceau d’électrons de la liste.
      Remarque : Le courant et le réglage de la tension peuvent varier selon différentes SEMs.
    4. Localiser le microcanaux (0,2 mm x 1,5 mm) en tournant la " X " et " Y " décaler les boutons sur le plateau de manuel utilisateur Interface (MUI) pour observer l’image en direct sur le moniteur de contrôle. Tracer une ligne parallèle à la microchannel d’un bout à l’autre à l’aide de la souris. Cliquez sur " xT fonctionnalité aligner " de la liste déroulante de " stade " onglet sur la barre d’outils et sélectionnez " horizontal " pour aligner le microcanaux.
    5. Définir l’inclinaison de la scène sur 0 ° en sélectionnant la valeur de la " T " la zone de liste sur les " Navigation " page. Recherchez une fonctionnalité de particules distinctes près le microcanaux et centrez-le sous la Croix jaune en déplaçant la scène à l’aide de la " X " et " Y " décaler les boutons. Magnifier la fonctionnalité à 1 000 X et torsion le " contraste ", " luminosité ", " grossier ", et " Fine " boutons sur l’interface utilisateur multilingue pour optimiser l’image de la fonction de particule.
    6. L’étape jusqu'à 15 ° d’inclinaison en sélectionnant la valeur de la " T " la zone de liste sur les " Navigation " page. Utilisation " Z-contrôle " en appuyant sur la roue de la souris et glisser la fonction retour sous la Croix jaune sur l’écran de la zone d’imagerie après l’étape est inclinée par faisceau d’électrons.
      1. La scène encore une fois à 30 ° d’inclinaison et apporter la fonctionnalité sous la Croix à l’aide la " Z-contrôle ". La phase retour à 0 ° d’inclinaison et d’observer l’emplacement de l’élément ; la hauteur d’eucentric est confirmée si la fonction ne se déplace pas sensiblement.
        NOTE : Repérer la hauteur d’eucentric est exécuté pour permettre le faisceau d’ions et le faisceau d’électrons centré sur la même position pour atteindre la bonne FIB, fraisage de précision. Répétez les processus à l’étape 3.4.6 si la fonction change considérablement après l’inclinaison de la phase retour à 0 °. La hauteur d’eucentric doit être ajustée pour chaque nouvel échantillon monté pour la plus grande exactitude.
    7. L’étape à 52° d’inclinaison en sélectionnant la valeur de la " T " zone de liste sur les " Navigation " page.
      NOTE : Le degré d’inclinaison peut varier en fonction de divers SEMs.
    8. Désactiver la " Pause " icône sur la barre d’outils en cliquant sur le bouton pour faire en sorte que le faisceau d’ions zone d’imagerie est sur. Allumez le faisceau d’ions gallium source en cliquant sur le " faisceau sur " bouton sous le " contrôle du faisceau " page.
      1. Définie la tension d’accélération du faisceau ionique à 30 keV et courant à 0,3 nA en sélectionnant ces valeurs de la tension correspondante et les zones de liste actuel situé dans la barre d’outils du faisceau. Apporter le microcanaux au centre de cette zone d’imagerie.
    9. Choisir le cercle comme le modèle en sélectionnant cette option dans la liste déroulante de " modèle " sur le " le Patterning " page. Définir la " diamètre extérieur " à 1 µm, le " diamètre intérieur " à 0 µm, le " taille Z " à 500 nm et le " temps d’arrêt " à 1 µs dans la zone de texte correspondante.
      1. Type " Si " dans la " Application " text box étant le principal composant de la fenêtre de détection tout-à-être-blanchi, nitrure de silicium. Puis cliquez sur le " menu/Start modelant le Patterning " bouton pour commencer à fraiser les trous dans la fenêtre de détection qui recouvrait le microcanaux. Répétez le processus de fraisage plusieurs fois pour obtenir une série de trous ronds. Dans une expérience, on peuvent faire plusieurs trous.
        Remarque : Les trous sont dehors, d’un côté de la microchannel à l’autre de 100 µm. Se déplacer rapidement minimiser les dégâts du faisceau sur la membrane du péché. Le FIB SEM généralement le processus de fraisage commence à partir de chaque côté très gauche ou à droit de la microchannel afin de suivre et de numéro les ouvertures facilement. L’opérateur peut choisir de passer de la bas ou en haut selon l’orientation du chenal et préférences personnelles. S’assurer que le fraisage SEM FIB est terminée et adéquate pour le spécimen peut être sondé dans les ouvertures.
  5. Aérer la chambre après le SEM/FIB
    1. la phase retour à 0 ° d’inclinaison en sélectionnant 0 de le " T " zone de liste sur les " Navigation " page. Éteindre le faisceau d’électrons et le faisceau d’ions en cliquant " faisceau sur " lorsque le faisceau correspondant d’imagerie zone est activé. Cliquez sur " Vent " sur le " contrôle du faisceau " page pour évacuer la chambre spécimen.

4. SALVI avec échantillons liquides de charge

  1. nettoyer le SALVI en utilisant de l’eau distillée
    1. soigneusement ouvrir la porte de chambre de SEM après il est complètement déchargé et laissez l’appareil SALVI car c’est sur la scène.
      NOTE : Pour gagner du temps sur le dispositif de montage et de mise au point, il est fortement recommandé de garder l’appareil sur la scène lors du chargement de l’échantillon.
    2. Dessiner 1 mL DI d’eau dans une seringue stérile, connecter la seringue avec l’entrée du dispositif microfluidique à l’aide d’un adaptateur de tube de polytétrafluoroéthylène raccord et injecter lentement le liquide pendant 3-5 min.
      Remarque : Un pousse-seringue est recommandé pour toutes les étapes où l’injection de solutions dans le SALVI est requise. Cela peut être fait dans cette étape en définissant une seringue stérile 1 mL contenant la solution à un débit de 100-250 µL/min. utilisant une pompe à seringue à un débit constant peut diminuer la probabilité de dommages à la membrane de SiN.
    3. Répéter l’étape 4.1.2 trois fois en utilisant 1 mL de 10 µg/mL AlOOH, préparé à l’étape 1, pour s’assurer que la concentration de l’échantillon n’est pas dilué par l’eau DI préchargée.
    4. Après l’injection, enlevez la seringue. Connectez l’entrée et la sortie de SALVI utilisant la polyéther éther cétone union. Séchez tout liquide en dehors de la SALVI avec lab lingettes. S’il y a des bulles dans le tube de polytétrafluoroéthylène ou microchannel, refaire l’injection de l’échantillon AlOOH jusqu'à ce qu’aucune bulle n’est vus dans la tubulure de polytétrafluoroéthylène.
      NOTE : Serrez l¿Union polyéther éther cétone. Ne pas utiliser trop de force lors du serrage de l’union pour éviter de créer une augmentation significative de la pression interne à l’intérieur de l’appareil SALVI, qui pourrait causer des dommages à la membrane de SiN.
      NOTE : Les bulles à l’intérieur de la microchannel peuvent influer sur la numérisation et provoquer l’image shIFT. Tout liquide à l’extérieur de l’appareil aura une incidence sur l’état de vide, donc l’extérieur du tube de polytétrafluoroéthylène et SALVI devrait être soigneusement séchée avant enfilant à la chambre à vide. En outre, le dispositif ne devrait pas avoir des dommages physiques (p. ex., couper sur le tube, brisé la fenêtre de membrane de péché) qui conduit à une fuite. Dans le cas contraire, la pression dans la chambre peut ne pas atteindre le vide désiré, bulles peuvent se former dans le tube et l’échantillon liquide seront perdue durant l’aspiration à.

5. Conduite de liquide SEM d’imagerie et d’analyse élémentaire

  1. prendre des images en utilisant le détecteur ETD et mode SE
    1. ferme la porte de chambre de spécimen. Sélectionnez le " vide " mode sur le logiciel SEM GUI sous le " faisceau commande " page. Cliquez sur le " pompe " bouton sur la " contrôle du faisceau " page pour commencer à passer l’aspirateur et appliquer une pression de la main à la porte de la chambre jusqu'à ce que le vide désiré est établi.
    2. Activer le faisceau d’électrons d’imagerie zone en cliquant sur le " Pause " icône sur la barre d’outils. Allumez le faisceau d’électrons en cliquant sur le " faisceau sur " bouton sur la " contrôle du faisceau " page. Sélectionnez le détecteur ETD et le mode SE pour l’imagerie de la " détecteurs " du menu déroulant.
      1. Définie la tension d’accélération à 8 keV et courant à 0,47 nA de la correspondante du faisceau listent des boîtes affichées dans la barre d’outils GUI à la zone d’imagerie par faisceau d’électrons. Définir le WD comme 7 mm en tapant le numéro " 7 " dans la zone de texte de la coordination " Z " sur les " Navigation " quand la page le " réelles " distance est sélectionné.
        Remarque : Les paramètres du faisceau tension, de courant et de travail à distance peuvent varier en fonction de différents SEMs.
    3. Magnifier la fonctionnalité à 1 000 × et torsion le " contraste ", " luminosité ", " grossier ", et " Fine " boutons sur l’interface utilisateur multilingue pour optimiser l’image de la fonction de particule.
    4. Centre le premier trou dans l’image en direct le faisceau d’électrons zone d’imagerie en tordant la " X " et " Y " décaler les boutons sur le tableau MUI. Agrandir les images avec des particules de grossissement 200 000 fois en tournant la " grossissement " bouton sur la planche MUI. Sélectionnez la résolution de l’écran " 1 024 × 884 " dans la liste déroulante sur la barre d’outils.
    5. Régler la vitesse de balayage 30 µs dans la liste déroulante sur la barre d’outils. Appuyez sur la touche F4 pour prendre le cliché de l’image actuelle affichée dans le domaine de l’imagerie par faisceau d’électrons.
    6. Appuyez sur Ctrl + les touches S pour enregistrer le fichier d’image as.tif vers l’emplacement souhaité avec fichier défini, y compris un nombre incrémentiel.
    7. Effectuer un zoom arrière en tournant la " grossissement " bouton pour localiser au prochain trou adjacent. Répéter les opérations en étapes 5.1.4 - 5.1.6 afin d’imager les particules AlOOH dans le reste des trous.
  2. Procéder à l’analyse élémentaire à l’aide de EDX
    1. Insérez les détecteurs de spectroscopie Dispersive en énergie (EDS) dans la chambre de.
    2. Choisir le détecteur d’ETD sur le moniteur de contrôle de microscope et de la mode SE pour la visualisation de l’échantillon sur la zone d’imagerie du faisceau électronique. La valeur de la tension d’accélération à 8 keV, le courant à 0,47 nA et la DEO à 7 mm, comme indiqué au point 5.1.2.
    3. Agrandir les particules AlOOH dans chaque trou avec un grossissement de 200 000 X en tournant la " grossissement " bouton sur la planche MUI.
      Remarque : Conservez le faisceau d’électrons a été consacrée au même endroit afin de fournir des informations élémentaires plus localisées. Une image de AlOOH est fournie dans la Figure 1 a.
    4. Ouvrir le logiciel associé de EDAX.
      Remarque : Le logiciel associé peut varier en fonction de différents instruments ' configurations de.
    5. Click " démarrer l’enregistrement de nouveaux spectres " dans l’interface utilisateur (UI) de percevoir le spectre EDX. Sélectionnez " pic ID " de choisir les éléments probables du spectre. Saisir éléments observés, par exemple, l’oxygène dans le cas présent, dans le " Element " champ. Cliquez sur " Add " d’appliquer l’élément au spectre.
    6. Cliquez sur " fichier ", puis cliquez sur " enregistrer sous ". Enregistrer le données spectrales in.csv format en utilisant le nom de fichier souhaité pour le traçage supplémentaires en utilisant un logiciel graphique.
    7. Répéter les opérations en étapes 5.3.3 - 5.3.6 pour enregistrer le spectre EDX de chaque trou.
    8. Après avoir terminé l’imagerie et les bandes de fréquences d’enregistrement pour chacun des trous, éteindre le faisceau d’électrons en cliquant " faisceau sur " bouton sur la " contrôle du faisceau " lorsque le faisceau d’électrons zone d’imagerie est sur la page. Aérer la chambre de SEM en cliquant " Vent " sur la même page. Retirer avec précaution l’échantillon hors de la scène en enlevant toutes les bandes une fois la porte de chambre ouverte.
    9. Répéter la procédure pour effectuer les expériences de contrôle à l’aide de l’eau DI et un vide microchannel.

6. Tracer le spectre EDX

  1. fichier d’importation the.csv spectre dans un logiciel graphique.
  2. Intrigue le spectre en utilisant le niveau d’énergie comme l’axe des abscisses et l’intensité reçues et traitées par l’EDX comme l’axe des y pour montrer les spectres reconstruits, tel qu’illustré dans les Figures 2 a , 2 b et 2C.

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Representative Results

Les résultats représentatifs sont présentés pour montrer comment les particules sont imagés et analysées in situ liquide SEM imagerie associée à EDX. Les résultats incluent SE images et spectres EDX. Les images SE ont été obtenus à X de 100 000 et 200 000 niveaux de grossissement de X dans la Figure 1. Figure 1 a représente l’image SE de la AlOOH, Figure 1 b DI eau et Figure 1C le trou en un canal vide. Les images ont été obtenues en appliquant SE avec 8 keV tension d’accélération et 0,47 nA courant de faisceau. La résolution de l’écran utilisée a été de 1 024 × 884 avec une vitesse de balayage de 30 µs. Parallèlement, la Figure 2 montre les spectres EDX détectés des particules dans l’eau (Figure 2 a), l’échantillon d’eau DI (Figure 2 b) et le trou dans un canal vide (AlOOH Figure 2 c), basé sur la composition élémentaire mesurée. Les spectres d’EDX ont été obtenus en utilisant le même courant et tension que celui pour les images SE. La profondeur de l’information provient de la région peu profonde à la surface de l’échantillon grâce au choix de la basse tension. Les données brutes des spectres élémentaires sont le fichier de sortie as.csv et tracées à l’aide d’un logiciel graphique de présentation.

Figure 1
Figure 1 : les Images SE. Ces images ont été obtenues en appliquant SE avec 8 keV tension d’accélération et 0,47 nA courant de faisceau. La résolution de l’écran utilisée est de 1 024 × 884 avec une vitesse de balayage de 30 µs. l' (1 a) AlOOH à 200, 000 X, (1 b), DI l’eau à 100, 000 X (1C) et un canal vide à 200, 000 X. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : spectres EDX. Acquisition de spectres EDX dans la mode SE avec 8 kV tension d’accélération et 0,47 nA courant de faisceau. (2 a) du spectre de AlOOH dans l’eau. échantillon (2 b), spectre de DI de l’eau. (c) spectre du trou dans un canal vide. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

SEM est une technique puissante dans la caractérisation de surface de matériaux organiques et inorganiques sur un niveau de l’échelle du nanomètre (nm) avec haute résolution1. Par exemple, il est largement utilisé pour analyser les échantillons secs et solides tels que les matériaux géologiques semi-conducteurs et26 27. Toutefois, il a des limites à caractériser les échantillons liquides et humides en raison de l’incompatibilité des liquides dans l’environnement hautement aspirée requis pour microscopie électronique1. Préparation des échantillons SEM souvent nécessite la déshydratation ou lyophilisation pour un spécimen hydraté et en particulier pour les spécimens biologiques2. Ainsi, il est difficile de saisir avec précision les informations des échantillons naturellement hydratées ou liquides, comme leur information intrinsèque peut être perdue au cours de l’échantillon préparation processus28,29. Ceci peut inclure, mais n’est pas limité à, activité biologique dans les cellules, synthèse de nanoparticules en solution, l’agrégation des particules dans les réactions complexes de liquides et électrochimiques. Même si l’ESEM peut l’image des échantillons hydratés dans un environnement contrôlé de vapeur, la résolution des images ne parvenaient pas aussi haut que les images de SEM des échantillons solides dans la haute mode aspirateur30,31,32 , 33. récemment, des échantillons humides ont été couverts par un électron film mince transparent6 ou scellés par une capsule de spécimen30 quand SEM a été employé, et les électrons rétrodiffusés ont été recueillies pour les images à l’aide de cette approche.

SALVI est une interface de microfluidique polyvalent qui a permis une analyse surface des liquides à l’aide d’instruments fondés sur le vide tels que TEM et ToF-SIMS. 11 , 12 , 13 , 14 notre technique à l’aide de SALVI et optimisé SEM conditions peut fournir des images SE et informations compositions EDX. Figure 1 a présente l’image SE des particules de la boehmite di l’eau avec une échelle submicronique (400 nm) et fort grossissement de 200 000. L’image SEM présente la morphologie et la distribution des particules boehmite dans le liquide, ce qui confirme que les particules dans un liquide peuvent être vus et maintenus en toute sécurité au sein de la membrane du péché par la tension superficielle20. En revanche, les chiffres 1 b représente les images SE de l’eau DI dans le trou au niveau de grossissement × 100 000. Il fournit une preuve directe que l’eau peut être tenu par sa tension superficielle sans fuite à l’extérieur. En outre, la pression était maintenue constante à 1,0 × 10-5 Torr pendant la mesure. C de la figure 1 présente un trou dans un canal vide avec 200 000 × grossissement ; rien n’a été observée dans le trou sous le même courant et réglages de tension. La capacité d’imagerie liquide SE grâce à cette approche fournit à haute résolution des images SE par rapport à la résolution de micromètre d’électrons rétrodiffusés images acquises en utilisant le rapportées humides SEM technique30.

Cartographie élémentaire EDX est pratiquée au moyen de particules AlOOH dans l’eau distillée, DI uniquement de l’eau et le canal vide, respectivement. Les deux derniers sont utilisés comme témoins de référence. Comme le montre la Figure 2 a, le pic d’aluminium se situe à environ 1,5 keV avec signal important, alors qu’il n’y a aucun Pic éminent apparaissant à la même énergie dans l’eau de DI et les spectres d’EDX canal vide. Le signal de l’oxygène est dominant dans l’eau les deux AlOOH et DI, qui confirme que ce signal provient de l’eau. Cela valide plus loin que les particules sont immergés dans l’eau pendant la formation image. Les sommets C et Si dans les Figures 2 a, 2 b et 2C proviennent de la couche de carbone sur la fenêtre de détection et de la péché membrane formant la zone de détection, respectivement. Le pic N est également de la membrane du péché. La comparaison EDX montre la détection de la composition de l’aluminium de AlOOH dans l’eau, ce qui indique que les particules de la boehmite on observe en effet.

Dans les documents précédents, nous avons démontré la faisabilité d’employer une cellule microfluidique et vide poussé SEM d’image et de caractériser l’échantillon liquide, à l’aide de DI l’eau et l’immunoglobuline G (IgG) nanoparticules d’or12,20. Dans ces premiers travaux, les nanoparticules d’or étaient plus petits que 10 nm. Dans ce travail, nous montrons que la boehmite particules avec beaucoup de grandes tailles (< 100 nm) peuvent également être étudiés par le biais de sem liquide La taille du trou a été calculée pour assurer une surface suffisante d’imagerie encore assez tension superficielle pour contenir le liquide au sein. A l’origine, le trou a été fabriqué à l’aide du faisceau d’ions gallium pour faire des orifices ronds de 2 µm de diamètre avant l’assemblage du dispositif dans l’invention initiale12,20. Dans cette mise à jour, nous montrons que les ouvertures de détection peuvent être faites après que l’appareil est assemblé, rendant le processus plus léger. On peut également ouvrir autant de fenêtres de détection au besoin dans une analyse et n’est pas limité par les trous réalisés avant une expérience. Les fenêtres de détection 2 µm de diamètre conviennent aux techniques telles que la ToF-SIMS, et il est également possible en liquide SEM En raison de la capacité de grossissement élevé de SEM, le nouveau résultat montre que l’ouverture plus petite (par exemple, 1 2 µm) fonctionne bien dans les SEM (Figure 1 a).

Plusieurs détails techniques sont à noter afin d’effectuer sur place des mesures de SEM liquides réussie. Tout d’abord, l’appareil doit être recouvert d’or ou de carbone afin de réduire la charge pendant les mesures. Deuxièmement, le montage du dispositif est tout à fait essentiel dans cette procédure. Contact libre de l’appareil avec l’étape de montage se traduira par de charge importante, difficulté à se concentrer et pauvres images. Troisièmement, si l'on veut analyser plus d’un échantillon en utilisant le même appareil, la séquence de l’échantillon doit réfléchir. Bien que l’appareil est à usage unique, il est probable qu'un dispositif peut être utilisé plus d’une fois. Par exemple, on peut utiliser l’eau ou solvant pour obtenir des données de l’échantillon de contrôle, suivie de l’analyse d’un échantillon avec particules ou d’autres espèces d’intérêt en utilisant le même solvant. Il est recommandé de présenter l’introduction de l’échantillon après l’appareil SALVI est retenu et trous de détection sont fabriqués à l’aide de SEM/FIB. La FIB est utilisée uniquement pour fraiser les trous sur la membrane de fenêtre de détection. Si la membrane est préparée par un autre instrument ou la membrane est faite avec des trous disponible auprès des fournisseurs, il n’est pas nécessaire d’utiliser FIB pour faire les trous avant l’analyse de la SEM. Se déplaçant hors de la scène de l’échantillon pour l’introduction de l’échantillon et remontage il nouveau gaspille beaucoup de temps, tout en ajoutant le risque de mauvaises connexions entre l’appareil et le stade de l’échantillon et aboutissant à une distance de travail. L’opérateur de SEM peut également devoir recentrer et à trouver le canal et micromètre taille ronde détection windows à nouveau.

Avec résolution submicronique et précisions élémentaires présentés dans cette étude, nous prévoyons que l’intégration de la cellule vide compatible microfluidiques (c.-à-d., SALVI) avec le mode de vide élevé SEM peut être largement utilisée dans l’identification et observer diverses naturellement hydratée échantillons, spécimens géologiques, des échantillons biologiques et nanomatériaux synthétisés dans un liquide. Avec les améliorations technologiques apportées à laapproche de SEM liquide sont discutées précédemment, nous démontrons qu’une grande variété de particules submicroniques de différentes tailles peut faire enquête sur l’utilisation de cette nouvelle approche. En fin de compte, in situ liquide SEM ouvre plus de possibilités d’étudier les spécimens dans un liquide à l’aide de vide élevé SEM

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Nous sommes reconnaissants à la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) nucléaire processus Science Initiative (NPSI)-laboratoire réalisé recherche et développement (LDRD) Fonds d’appui. Dr Sayandev Chatterjee a fourni les particules de la boehmite synthétisées. Accès instrumental a été fourni par une proposition d’utilisation générales de W. R. Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL). EMSL est une installation utilisateur scientifique national parrainée par la Office of Biological and Environmental Research (BER) à PPNL. PPNL est exploité par Battelle pour l’entité opérationnelle désignée en vertu du contrat DE-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.

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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).

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Chimie question 127 Boehmite liquide situ en microscopie électronique à balayage imagerie composition élémentaire cartographie microfluidique microscopie électronique
<em>In Situ</em> Caractérisation des particules de Boehmite dans l’eau à l’aide de liquide SEM
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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).

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