Waiting
Login processing...

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

Chemistry

In Situ Caracterización de partículas de bohemita SEM líquido con agua

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

Presentamos un procedimiento para la proyección de imagen en tiempo real y análisis de la composición elemental de las partículas de la bohemita en agua desionizada por líquido en situ microscopia electrónica de barrido.

Abstract

In situ imágenes y elemental análisis de bohemita (AlOOH) partículas de agua se realiza utilizando el sistema para el análisis de la interfaz de vacío líquidos (SALVI) y microscopia electrónica de barrido (SEM). Este documento describe el método y los pasos clave en integrar el vacío compatible SAVLI SEM y obtención de electrones secundarios (SE) imágenes de partículas en líquido en alto vacío. Espectroscopia de energía dispersiva de rayos x (EDX) se utiliza para obtener análisis elemental de las partículas en muestras de líquido y control incluyendo sólo agua desionizada (DI) y un canal vacío así. Bohemita sintetizado (AlOOH) partículas suspendidas en líquido se utilizan como un modelo en el líquido figura de SEM. Los resultados demuestran que las partículas pueden ser reflejadas en el modo de SE con buena resolución (es decir, 400 nm). El espectro EDX AlOOH muestra significativa señal de aluminio (Al) en comparación con el agua DI y el control del canal vacío. In situ de líquido SEM es una técnica poderosa para el estudio de las partículas de líquido con muchas aplicaciones interesantes. Este procedimiento tiene como objetivo proporcionar conocimientos técnicos para realizar proyección de imagen de SEM líquido y análisis EDX con SALVI y reducir peligros potenciales cuando se utiliza este enfoque.

Introduction

Microscopio electrónico de barrido (SEM) ha sido ampliamente aplicado para investigar una gran variedad de especímenes por producir imágenes de alta resolución1. La espectroscopia de rayos x de energía (EDX) asociada con el SEM permite la determinación de la composición elemental1. Tradicionalmente, SEM se aplica para muestras sólo secas y del sólido de la proyección de imagen. En los últimos 30 años, SEM ambiental (ESEM) fue desarrollado para el análisis de las muestras hidratadas parciales en un vapor ambiente2,3,4,5. Sin embargo, ESEM es incapaz de imagen las muestras mojadas, totalmente fluidas con alta resolución deseada6. Las células mojadas de SEM también se desarrollaron a los especímenes de imagen húmeda usando SEM7,8; sin embargo, estas células fueron desarrolladas principalmente para muestras biológicas y proyección de imagen de electrones de retrodispersión y son más accesibles para los usos con los diseños de9,10.

Para abordar los desafíos en el análisis de diversas muestras en su entorno nativo de líquido utilizando SEM, inventamos un dispositivo microfluídico compatibles vacío, sistema de análisis en el líquido vacío interfaz (SALVI), para secundaria de alta resolución espacial análisis elemental y proyección de imagen electrónica (SE) de muestras líquidas usando el modo de alto vacío en SEM. Esta nueva técnica incluye las siguientes características únicas: 1) líquido es sondeado directamente en una abertura pequeña de 1-2 μm de diámetro; 2) líquido se lleva a cabo dentro del agujero por la tensión de superficie; y 3) SALVI es portátil y puede ser adaptado a más de una plataforma analítica11,12,13,14,15,16,17 ,18.

SALVI se compone de una membrana de nitruro (pecado) de silicona gruesa nm 100 y un microcanal amplia de 200 μm de polidimetilsiloxano (PDMS) bloque. La ventana de membrana de pecado se aplica para sellar el microchannel. Los detalles de fabricación y consideraciones clave de diseño fueron detallados en los anteriores documentos y patentes11,19,20. Actualmente, un fabricante líder y distribuidor de suministro de consumible para microscopía ha adquirido la licencia para vender dispositivos SALVI comercialmente para líquido SEM aplicaciones21,22.

Las aplicaciones de SALVI en instrumentos analíticos basados en el vacío se ha demostrado usando una variedad de soluciones acuosas y mezclas líquidas complejas como biofilms, células de mamíferos, nanopartículas, materiales de electrodo12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. sin embargo, la mayoría de los trabajos antes mencionados utiliza spectrometry total de ion secundario de tiempo de vuelo (ToF-SIMS) como la herramienta clave de análisis, por lo tanto la aplicación de líquido SEM con SALVI no ha sido explorado totalmente. En este trabajo, SALVI se ha utilizado para estudiar partículas coloidales no esféricas más grandes de líquido con líquido proyección de imagen de SEM y EDX análisis elemental. La muestra consiste en partículas AlOOH sintetizadas en nuestro laboratorio. Partículas de tamaño Submicrométrica bohemita se saben que existen en alto nivel residuos radiactivos en el sitio de Hanford. Son lentos para disolver y puede provocar problemas reológicos en tratamiento de residuos. Por lo tanto, es importante tener la capacidad para caracterizar partículas boehmite en líquido25. Este enfoque técnico puede utilizarse para el estudio de bohemita en diferentes condiciones fisicoquímicas para mejorar la comprensión de estas partículas y propiedades reológicas relacionadas. Estas partículas fueron utilizadas para demostrar paso a paso cómo aplicar SALVI a alto vacío SEM para estudiar las partículas en suspensión en líquido. Puntos técnicos claves para la integración de SALVI y SEM y adquisición de datos SEM se destacan en el papel.

El protocolo proporciona demostración del análisis de la muestra líquida con SALVI y proyección de imagen de SEM líquido, para aquellos que estén interesados en utilizar esta nueva técnica en diversas aplicaciones de líquido SEM en el futuro.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. preparar AlOOH muestra líquida

Nota: no toque la muestra o cualquier cosa dentro de la cámara SEM con las manos desnudas. Guantes sin polvo se deben usar en todo momento cuando manejo del equipo SALVI y montaje en el SEM de la etapa para evitar la posible contaminación durante el análisis de la superficie.

  1. Preparar una solución stock de AlOOH (1 mg/mL)
    1. disolver 10 mg de polvo AlOOH en DI de 10 mL agua 1 mg/mL solución stock AlOOH.
    2. Ultrasonicate la solución durante 5 minutos
      Nota: El pH de la solución madre es aproximadamente 4.6 medido por un medidor de pH. La solución de pH es ajustada y utilizada en este trabajo no.
  2. Hacer una solución diluida de 10 μg/mL
    1. dosificación 1 mL en 99 mL DI de agua mediante pipeta diluir 1 mg/mL solución stock AlOOH a 10 μg/mL.
    2. Ultrasonicate la solución durante 5 minutos
      Nota: El pH de la solución madre es aproximadamente 5.8 medido por un medidor de pH después de la dilusión.

2. Farfulle la capa de la ventana de membrana de pecado de SALVI con carbono

  1. Insertar la varilla de carbono en el Portacañas.
    Nota: El soporte de la barra puede ser identificado como la pieza que se une a la tapa embisagrada.
  2. Utilizar un par de pinzas y retire con cuidado la cinta en el SALVI ' marco de ventana de membrana de pecado s.
    Nota: La cinta se utiliza para proteger la membrana de pecado antes de análisis de superficies.
  3. Fije el aparato SALVI vertical dentro de la cámara de recubrimiento de carbono usando cinta de carbono para fijar la tubería del politetrafluoetileno del dispositivo SALVI en la etapa de la máquina de pintar. Cierre la tapa.
  4. Prensa del " poder " botón para iniciar la bomba de vacío.
  5. Prensa del " voltaje " botón en el panel frontal de un recubridor de carbón y establezca el valor a 4.6 V ajustando hasta (▲) y abajo (▼) botones de esta.
    Nota: El ajuste de voltaje puede variar de recubridores de carbón diferentes.
    6. Monitor de
  6. vuelta en el espesor de capa por encender su " poder " botón. Claro la lectura aparece en la pantalla de " grueso (nm) " a cero pulsando el botón " cero " si la lectura no es cero. Prensa el " contador " en el recubridor de carbón ' panel frontal s para configurar el tiempo de deposición a 30 s ajustando hasta (▲) y abajo (▼) botones.
  7. Mantener un recubridor de carbón ' el modo de operación s automáticamente al cambiar el botón de " AUTO ◄ ► MANUAL de " para " AUTO ". Interruptor de la " START/STOP " botón " empezar " cuando el vacío alcanza alrededor de 4 × 10 -4 mbar, medida por el manómetro de vacío en el recubridor de carbón ' panel frontal s.
  8. Una vez que el monitor grueso indica que la capa de carbono ha alcanzado 20 nm, prensa de la " dejar de " botón para terminar el proceso de recubrimiento y el sello de vacío de ventilación.
  9. Abra la tapa y saque el dispositivo SALVI recubiertas de carbón utilizando guantes cuando maneje el dispositivo de.
    Nota: La muestra con carbón de la capa crea una capa conductora en la muestra para inhibir el efecto de la carga y mejorar la señal SE requiere para la proyección de imagen de SEM. Almacenar de manera segura el dispositivo cubierto en una placa Petri limpio con tapa hasta que el dispositivo está listo para ser instalado en la etapa de SEM. Para asegurar que la membrana del pecado está suficientemente cubierta, es aconsejable comprobar visualmente el dispositivo después de la capa. Si la capa no es lo suficientemente gruesa, se puede aplicar una segunda vez de recubrimiento sputter con el grueso mide hasta 10 nm.

3. Montar el dispositivo y uso SEM/enfocado Ion Beam (FIB) a hacer aberturas en la SALVI pecado membrana usando FIB

computadora de control de
  1. abrir la cámara de muestras SEM
    1. Abra el software de control de microscopio asociado en el instrumento SEM.
      Nota: El software de control puede variar debido a varios SEMs.
    2. Ventilar la cámara de muestra haciendo clic en " Vent " en la interfaz gráfica de usuario (GUI) del software de control de microscopio asociado bajo " viga Control " ficha para abrir la puerta.
    3. Abrir la puerta con cuidado (una vez que ha completado la purga).
  2. Montar el dispositivo SALVI en el escenario de SEM
    Nota: Compruebe la superficie de la membrana del pecado para ver si es intacta ya sea visualmente o utilizando un microscopio de luz antes del montaje. El dispositivo SALVI montado en el escenario de SEM no debe tocar el detector de Everhart Thornley Detector (ETD) dentro de la cámara de muestra.
    1. Seleccionar el estándar SEM trozo de sostenedor de la muestra. Fijar el trozo en el centro de la escena utilizando la llave hexagonal y el tornillo adecuado.
    2. Coloque dos tiras de cinta de carbón de doble cara en el talón.
    3. Palanca del dispositivo SALVI en la cinta de carbón colocado en el talón con el pecado la membrana hacia arriba
    4. Inmovilizar bien el SALVI en el talón usando un adicional dos tiras de cinta de cobre de un solo lado para enlazar el bloque de PDMS SALVI con el trozo de metal de SEM. Además, utilice las cintas de cobre para conectar el armazón del pecado y el trozo de metal. Asegúrese de que la cinta no cubre completamente la membrana pecado.
      Nota: El uso de cintas de carbón y cobre ayudar a garantizar un camino de continua puesta a tierra para la eliminación de la carga de la membrana de pecado durante la medición de la SEM. La posición de la cinta en el borde de la estructura de pecado es bastante importante, porque garantiza la puesta a tierra y reduce la carga durante el análisis. La parte inferior del dispositivo debe tener pleno contacto con el trozo de SEM por medio de cinta de carbón de doble cara. La cinta no debe cubrir la membrana de pecado para evitar posibles daños en el manejo de.
  3. De la bomba hacia abajo de la cámara de muestras
    1. cerrar la puerta de la cámara de muestra. Seleccione el " alto vacío " modo en software SEM GUI bajo la " Control de haz de " Página.
    2. Haga clic en el " bomba " botón en el " Control de haz de " Página para comenzar a aspirar y aplique presión con la mano a la puerta de la cámara hasta que se establece el vacío deseado.
      Nota: La presión de la cámara debe alcanzar por lo menos 1,0 × 10 -5 Torr y debe permanecer constantemente en o por debajo de este valor antes de la proyección de imagen. Este es un paso importante para permitir la resolución muy resuelto para la proyección de imagen. El ajuste de presión puede ser monitoreado desde la esquina derecha de la interfaz gráfica.
  4. Hacer aberturas en la membrana de pecado usando FIB
    1. activar el haz de electrones de área haciendo clic en el " pausa " icono de la barra de herramientas. Encienda el haz de electrones haciendo clic en la " viga en " botón en el " Control de haz de " Página. Seleccionar el detector de ETD y el modo de SE para la imagen de la " detectores de " menú desplegable.
      Nota: El detector puede variar debido a la diferente configuración de las SEMs. El detector de la lente es también aplicable para líquidos análisis SEM.
    2. Enlace del Z coordinar valor a la Fre reale valor de la distancia de funcionamiento (FWD) haciendo clic en el " enlace " icono de la barra de herramientas. Establecer la distancia de trabajo (WD) como 10 mm escribiendo el número 10 en el cuadro de texto de coordenadas " Z " en el " navegación " Página cuando la " real " se selecciona distancia.
      Nota: El WD puede variar debido a varios SEMs.
    3. Establecer el haz de electrones corriente a 0,47 nA, el voltaje de aceleración para 8 keV y la resolución de 1.024 × 884 de la correspondiente lista de cajas que aparecen en la barra de herramientas en el haz de electrones de área.
      Nota: El ajuste de voltaje y corriente pueden variar debido a diferentes SEMs.
    4. Localizar el microchannel (0,2 mm x 1,5 mm) girando el " X " y " Y " cambio de mandos en el tablero Manual User Interface (MUI) para observar la imagen en el monitor de control directo. Trace una línea en paralelo a la MCP de un extremo a otro con el ratón. Haga clic en " xT Alinee función " en el menú desplegable " etapa " ficha en la barra de herramientas y seleccione " horizontal " para alinear el microchannel.
    5. Definir la inclinación de la fase 0 ° seleccionando el valor de la " T " cuadro de lista en el " navegación " Página. Ubicar una función distintas partículas cerca de la MCP y centro debajo de la Cruz amarillo moviendo la etapa usando el " X " y " Y " cambio de perillas. Ampliar la función de 1.000 X y giro el " contraste ", " brillo ", " grueso ", y " fino " perillas de la MUI para optimizar la imagen de la característica de la partícula.
    6. La etapa a 15 ° de la inclinación seleccionando el valor de la " T " cuadro de lista en el " navegación " Página. Uso " control Z " presionando hacia abajo la rueda en el ratón y arrastre la función de nuevo bajo la Cruz amarilla en la pantalla del haz de electrones de área después de la etapa se inclina.
      1. La etapa otra vez a 30 ° de inclinación y traer la característica debajo de la Cruz usando el " control Z ". La etapa de vuelta a 0 ° de inclinación y observe la ubicación de la función; la altura de la eucentric se confirma si la función no cambia mucho.
        Nota: Localizar la altura de la eucentric se realiza para mantener la viga de ion y el haz de electrones enfocado en la misma posición para lograr buena FIB fresado de precisión. Repetir el proceso en el paso 3.4.6 Si la función cambia significativamente después de la etapa a 0 ° de inclinación. Debe ajustarse la altura de eucentric para cada muestra montado nuevo para la mayor precisión.
    7. Etapa a 52° de la inclinación seleccionando el valor de la " T " cuadro de lista en el " navegación " Página.
      Nota: El grado de inclinación puede variar debido a varios SEMs.
    8. Desactivar el " pausa " icono de la barra de herramientas haciendo clic en el botón para que la viga de Ion zona de imagen sea en. Encienda el haz de iones de galio fuente haciendo clic en la " viga en " botón bajo la " Control de haz de " Página.
      1. Ajustar la tensión de aceleración de la viga de ion a 30 keV y la viga actual a 0.3 nA seleccionando estos valores en los cuadros de lista actual y voltaje correspondiente situado en la barra de herramientas. Traer la MCP para el centro de esta área de la proyección de imagen.
    9. Seleccione el círculo como el patrón seleccionando esta función desde el cuadro de lista de " patrón " en el " patrones " Página. Establecer la " diámetro externo " a 1 μm, la " diámetro interior " 0 μm, el " tamaño de Z " a 500 nm y el " tiempo de barrido " a 1 μs en el cuadro de texto correspondiente.
      1. Tipo " Si " en la " aplicación " texto de la caja porque el componente principal de la ventana de detección de sobre-a-ser-molido es nitruro de silicio. Haga clic en el " patrones patrones de menú Inicio " botón para empezar a fresar los orificios de la ventana de detección que el MCP. Repita el proceso de beneficiado varias veces para obtener una serie de agujeros redondos. En un experimento, se pueden hacer varios agujeros de.
        Nota: Los agujeros son 100 μm aparte, de un lado de la MCP a la otra. Moverse rápidamente minimizar el daño de rayo en la membrana de pecado. La FIB SEM fresado proceso generalmente comienza en el lado izquierdo o la derecho de la MCP con el fin de la pista y número de las aberturas fácilmente. El operador puede elegir ir de la parte inferior o superior dependiendo de la orientación de la canal y las preferencias personales. Asegúrese de que la molienda SEM FIB es completa y adecuada por lo que la muestra puede ser sondada dentro de las aberturas.
  5. Ventilar la cámara después de la SEM/FIB
    1. etapa a 0 ° de la inclinación seleccionando 0 de la " T " cuadro de lista en el " navegación " Página. Apaga el haz de electrones y la viga de ion haciendo clic " viga de " cuando la correspondiente área de imagen activa. Haga clic en " Vent " en el " Control de haz de " Página para ventilar la cámara muestra.

4. SALVI con muestras líquidas de carga

  1. cuidadosamente limpiar el SALVI con agua DI
    1. Abra la puerta de la cámara de SEM se sale completamente y deje el dispositivo SALVI en el escenario.
      Nota: Para ahorrar tiempo en el dispositivo de montaje y centrado, se recomienda mantener el dispositivo en el escenario cuando se carga la muestra de.
    2. Sacar 1 mL DI agua en una jeringa estéril, conectar la jeringa con la entrada del dispositivo de microfluidos utilizando un adaptador de tubería del politetrafluoetileno montaje y lentamente inyecte el líquido de 3-5 min
      Nota: Se recomienda una bomba de jeringa para todos los pasos donde se requiere la inyección de soluciones en el SALVI. Esto se puede hacer en este paso colocando una jeringa estéril de 1 mL que contiene la solución a un caudal de 100-250 μl/min utilizando una bomba con un caudal constante puede disminuir la probabilidad de daño a la membrana del pecado.
    3. Repetir paso 4.1.2 tres veces con 1 mL de 10 μg/mL AlOOH, preparado en el paso 1, para asegurar la concentración de la muestra no se diluye por el agua DI precargado.
    4. Después de la inyección, retire la jeringa. Conecte la entrada y salida de SALVI con la Unión de poliéter éter cetona. Seque los líquidos fuera de la SALVI con toallitas de laboratorio. Si hay cualquier burbuja dentro del tubo de politetrafluoroetileno o microchannel, rehacer la inyección de muestra AlOOH hasta que las burbujas no se ven dentro de la tubería del politetrafluoetileno.
      Nota: Apriete la Unión de poliéter éter cetona. No utilice demasiada fuerza al apretar la Unión para evitar la creación de un aumento de la presión interna dentro del dispositivo SALVI, que podría resultar en daños a la membrana del pecado.
      Nota: Las burbujas dentro de la MCP pueden afectar a la exploración y causar imagen shIFT. Cualquier líquido fuera el dispositivo afectará el estado de vacío, por lo tanto afuera de la SALVI y tubería del politetrafluoetileno debe estar completamente seca antes de introducir a la cámara de vacío. Además, el dispositivo no tenga daños físicos (p. ej., corte en la tubería, rota ventana de membrana de pecado) que conduce a la fuga. De lo contrario, la presión en la cámara no puede alcanzar el vacío deseado, pueden formar burbujas en el tubo y la muestra líquida se perderá durante aspirar.

5. Realizar imágenes de SEM líquido y Análisis Elemental

  1. tomar imágenes usando el detector de ETD y modo SE
    1. cerrar la puerta de la cámara de muestra. Seleccione el " alto vacío " modo en software SEM GUI bajo la " Control de haz de " Página. Haga clic en el " bomba " botón en el " Control de haz de " Página para comenzar a aspirar y aplique presión con la mano a la puerta de la cámara hasta que se establece el vacío deseado.
    2. Activar el haz de electrones de área haciendo clic en el " pausa " icono de la barra de herramientas. Encienda el haz de electrones haciendo clic en la " viga en " botón en el " Control de haz de " Página. Seleccionar el detector de ETD y el modo de SE para la imagen de la " detectores de " menú desplegable.
      1. Ajustar la tensión de aceleración para 8 keV y viga actual a 0,47 nA de la correspondiente lista de cajas que aparecen en la barra de herramientas del GUI en el haz de electrones de área. Establecer el WD como 7 mm escribiendo el número de " 7 " en el cuadro de texto de la coordenada " Z " en el " navegación " Página cuando la " real " distancia se selecciona.
        Nota: Los parámetros del rayo de tensión, corriente y distancia de trabajo pueden variar debido a diferentes SEMs.
    3. Ampliar la función de 1.000 × y giro el " contraste ", " brillo ", " grueso ", y " fina " perillas de la MUI para optimizar la imagen de la característica de la partícula.
    4. Centro del primer agujero en la imagen en directo del haz de electrones que área de la imagen girando el " X " y " Y " cambio de mandos en el tablero MUI. Ampliar las imágenes con las partículas a aumento de 200.000 veces torciendo el " aumento " la perilla en el tablero MUI. Seleccione la resolución de pantalla " 1.024 × 884 " de la caja de lista en la barra de herramientas.
    5. Establecer la frecuencia de barrido 30 μs desde el cuadro de lista en la barra de herramientas. Presione la tecla F4 para tomar la instantánea de la imagen actual se muestra en el haz de electrones de área.
    6. Presione Ctrl + las teclas S para guardar el archivo as.tif de imagen en la ubicación deseada con el nombre de archivo definido incluyendo un número incremental.
    7. Alejar girando el " aumento " perilla para localizar el agujero adyacente siguiente. Repetir la operación en pasos 5.1.4 - 5.1.6 a las partículas AlOOH en el resto de los agujeros de la imagen.
  2. Realizar análisis elemental con EDX
    1. Coloque los detectores de energía espectroscopía dispersiva (EDS) en la cámara de.
    2. Seleccionar el detector de la ETD en el monitor de control de microscopio y SE modo para ver la muestra en el área de proyección de imagen de haz de electrón. Ajustar la tensión de aceleración para 8 keV, la corriente de nA 0,47 y el WD a 7 mm como se describe en el paso 5.1.2.
    3. Agrandar las partículas AlOOH en cada agujero con la ampliación de 200.000 X girando el " aumento " la perilla en el tablero MUI.
      Nota: Mantenga el haz de electrones enfocado en el mismo lugar con el fin de proporcionar más información elemental localizado. Una imagen de AlOOH se proporciona en la Figura 1a.
    4. Abrir el software asociado de EDAX.
      Nota: El software asociado puede variar debido a diferentes instrumentos ' configuraciones.
    5. Clic " iniciar la grabación de nuevos espectros " en la interfaz de usuario (UI) para recoger el espectro EDX. Seleccione " Peak ID " para elegir los elementos probables del espectro. Tipo de elementos observados, por ejemplo, oxígeno en este caso, en el " elemento " campo. Haga clic " agregar " para aplicar el elemento en el espectro.
    6. Clic en " archivo " y haga clic en " guardar como ". Guardar el formato de in.csv de datos espectrales mediante el nombre de archivo para un posterior usando un software de graficación.
    7. Repetir la operación en pasos 5.3.3 - 5.3.6 registrar el espectro EDX de cada agujero.
    8. Después de terminar la proyección de imagen y el espectro de grabación para cada uno de los agujeros, apague el haz de electrones haciendo clic " viga en " botón en el " Control de haz de " cuando el haz de electrones de área está en. Ventilación de la cámara SEM haciendo clic " Vent " en la misma página. Tomar cuidadosamente la muestra de la etapa mediante la eliminación de todas las cintas después de que la puerta está abierta.
    9. Repetir el procedimiento para llevar a cabo los experimentos de control usando el agua DI y un vacío microchannel.

6. Trazar el espectro EDX

  1. archivo de espectro de the.csv de importación en un software de graficación.
  2. Parcela el espectro utilizando el nivel de energía como el eje x y la intensidad recibida y procesada por el EDX como el eje y para mostrar el espectro reconstruido, como se muestra en la figuras 2a , 2b y 2C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Se presentan los resultados representativos para mostrar cómo las partículas son imagen y analizaron en situ líquida SEM la proyección de imagen juntada con EDX. Los resultados incluyen SE imágenes y espectros EDX. Las imágenes SE obtuvieron 100.000 X e 200.000 X aumento en la figura 1. Figura 1a representa la imagen SE de AlOOH, Figura 1b DI agua y c de la figura 1 el orificio de un canal vacío. Las imágenes fueron obtenidas mediante la aplicación de SE con 8 Voltaje de aceleración de keV y 0,47 nA corriente de la viga. La resolución de pantalla utilizada 1.024 × 884 con una frecuencia de barrido de 30 μs. en consecuencia, la figura 2 muestra los espectros EDX detectados desde las partículas AlOOH en agua (Figura 2a), muestra de agua de DI (figura 2b) y el agujero en un canal vacío ( Figura 2 c), basado en la composición elemental medida. El spectra EDX fueron obtenida usando la misma corriente y voltaje de ajuste que SE imágenes. La profundidad de la información es de la región superficial en la superficie de la muestra debido a la opción de baja tensión. Los datos en bruto de los espectros elementales outputted as.csv archivo y trazan usando un software de gráficos para la presentación.

Figure 1
Figura 1: imágenes SE. Estas imágenes fueron obtenidas mediante la aplicación de SE con 8 Voltaje de aceleración de keV y 0,47 nA corriente de la viga. La resolución de pantalla utilizada fue de 1.024 × 884 con una frecuencia de barrido de 30 μs. (1a) AlOOH a 200, 000 X, (1b) DI agua en 100, 000 X (1 c) y un canal vacío de 200, 000 X. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: espectro EDX. Spectra EDX fueron adquirida en el modo de SE con 8 kV voltaje de aceleración y 0,47 nA corriente de la viga. (2a) espectro de AlOOH en agua. (2b) espectro de DI agua muestra. (c) espectro del agujero en un canal vacío. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SEM es una poderosa técnica en caracterización superficial de materiales orgánicos e inorgánicos a nivel de la nanoescala (nm) con alta resolución1. Por ejemplo, es ampliamente utilizado para el análisis de las muestras sólidas y secas como materiales geológicos semiconductores y26 27. Sin embargo, tiene limitaciones en la caracterización de las muestras de líquido y húmedas debido a la incompatibilidad del líquido dentro del entorno altamente manejado para microscopia electrónica1. Preparación de muestras SEM a menudo requiere deshidratación o liofilización para un espécimen de hidratada y particularmente para especímenes biológicos2. Como resultado, es difícil captar con precisión la información de las muestras naturalmente hidratadas o líquidas, como su información intrínseca puede perderse durante la preparación de muestras proceso28,29. Esto puede incluir pero no se limita a la actividad biológica en células, síntesis de nanopartículas en solución, agregación de partículas en reacciones complejas de líquido y electroquímicas. A pesar de la ESEM puede obtener imágenes de muestras hidratadas en un entorno de vapor controlado, la resolución de las imágenes no pudieron llegar a tan alto como las imágenes de SEM de las muestras sólidas en el modo de vacío alta30,31,32 , 33. recientemente, muestras húmedas fueron cubiertas por un electrón de película delgada transparente6 o selladas por una cápsula de muestra30 cuando SEM fue empleado, y los electrones de backscattered se obtuvieron imágenes que utilizan este enfoque.

SALVI es una interfaz de microfluidos versátil que ha permitido el análisis de la superficie de líquidos utilizando instrumentos basados en el vacío como TEM y ToF-SIMS. 11 , 12 , 13 , 14 nuestra técnica con SALVI y optimizado las condiciones SEM puede proporcionar imágenes SE e información composicional EDX. Figura 1a presenta la imagen SE de partículas boehmite DI agua con una escala de submicron (400 nm) y el alto aumento de 200.000. La imagen de SEM muestra la morfología y la distribución de las partículas de la bohemita en líquido, que valida que las partículas en el líquido pueden ser vistas y sostenidas con seguridad dentro de la membrana de pecado por tensión superficial20. En cambio, Figuras 1b representa las imágenes SE del agua DI dentro del orificio a nivel de aumentos de 100.000 x. Proporciona evidencia directa que el agua puede ser presionado por su tensión de superficie sin que se derrame fuera. Además, la presión se mantuvo constante en 1,0 × 10-5 Torr durante la medición. C de la figura 1 presenta un orificio en un canal vacío con 200.000 x aumentos; no se observa dentro del agujero bajo la misma corriente y ajustes del voltaje. La capacidad de líquido SE esta vía proporciona alta resolución imágenes SE en comparación con la resolución del micrómetro de imágenes de electrones retrodispersados adquiridas usando el SEM mojado divulgado técnica30.

Mapeo elemental EDX se lleva a cabo usando AlOOH partículas en agua DI, DI agua solamente y el canal vacío, respectivamente. Estos dos últimos se utilizan como controles de referencia. Como se muestra en la Figura 2a, el pico de aluminio ocurre en alrededor de 1.5 keV con señal importante, aunque no existe ningún pico prominente que aparecen en la misma energía en el agua DI y los espectros EDX canal vacío. La señal de oxígeno es dominante en agua AlOOH y DI, lo que confirma que esta señal viene del agua. Esto valida aún más que las partículas se sumergen en agua durante proyección de imagen. Los picos del C y Si en la figuras 2a, 2b y 2C son de la capa de carbón en la ventana de detección y la membrana de pecado formando la zona de detección, respectivamente. El pico de N es también de la membrana del pecado. La comparación EDX muestra la detección de la composición de aluminio de AlOOH en agua, lo que indica que en efecto se observan las partículas de la bohemita.

En trabajos previos, hemos demostrado la viabilidad de emplear a un celular de microfluidos y alto vacío SEM imagen y caracterizar la muestra líquida, usando DI agua y la inmunoglobulina G (IgG) nanopartículas de oro12,20. En estas primeras obras, nanopartículas de oro fueron menores a 10 nm. En este trabajo, mostramos que boehmite partículas mucho más grandes (< 100 nm) también se puede estudiar a través de líquido SEM. Se calculó el tamaño del agujero para asegurar la zona imagen suficiente pero suficiente tensión superficial para mantener el líquido dentro. Originalmente, el agujero fue fabricado utilizando el haz de iones de galio para hacer aberturas redondas de 2 μm de diámetro antes del montaje del dispositivo de la invención inicial12,20. En esta actualización, se muestra que las aberturas de la detección pueden hacerse después de que esté montado el dispositivo, haciendo el proceso más simplificado. Uno también puede abrir tantas ventanas de detección en un análisis y no está limitado por los orificios antes de un experimento. Las ventanas de detección 2 μm de diámetro son adecuadas para técnicas tales como ToF-SIMS, y también es factible en líquido SEM. Debido a la capacidad de alta magnificación de SEM, el nuevo resultado muestra que diafragma más pequeño (p. ej., 2 de 1 μm) funciona bien en SEM (Figura 1a).

Varios detalles técnicos son digno de mencionar para hacer en situ líquido SEM mediciones exitosas. En primer lugar, el dispositivo debe ser recubierto con carbono u oro para reducir la carga durante las mediciones. En segundo lugar, el dispositivo es bastante críticos en este procedimiento. Contacto flojo del dispositivo con la etapa de montaje producirá carga significativa, dificultad en concentrarse e imágenes pobres. En tercer lugar, si uno desea analizar más de una muestra utilizando el mismo dispositivo, la secuencia de muestra necesita pensar. Aunque el dispositivo esté disponible, es probable que un dispositivo se puede utilizar más de una vez. Por ejemplo, se puede utilizar agua o el disolvente para obtener los datos de la muestra de control seguido por el análisis de una muestra con partículas u otras especies de interés utilizando el mismo disolvente. Se recomienda introducir la introducción de la muestra después de que el dispositivo SALVI está asegurado y orificios de detección se realizan mediante SEM/FIB. La FIB se utiliza únicamente para fresar los agujeros en la membrana de la ventana de detección. Si la membrana está preparada por otro instrumento o la membrana se hace con los agujeros disponible de los proveedores, no es necesario utilizar FIB para hacer agujeros antes el análisis de SEM. Moviendo el dispositivo de la etapa de muestra para introducción de muestra y remontar otra vez gasta mucho tiempo, mientras también agregar el riesgo de malas conexiones entre el dispositivo y la etapa de la muestra y lo que resulta en una distancia de trabajo diferentes. El operador de SEM también podría tener que volver y encontrar el canal y micrómetro de tamaño ventanas de detección ronda otra vez.

Con la resolución del submicron y precisa información elemental en este estudio, pensamos que la integración de la célula de microfluidos vacío compatible (es decir, SALVI) con el modo de alto vacío SEM puede utilizarse ampliamente en la identificación y Observando varios naturalmente hidratada especímenes, muestras geológicas, muestras biológicas y nanomateriales sintetizados en líquido. Con las mejoras tecnológicas a laenfoque de SEM líquido se discuten previamente, demostramos que una mayor variedad de partículas submicrónicas de diferentes tamaños puede ser investigada utilizando este nuevo enfoque. En última instancia, en situ líquido SEM abre más oportunidades para estudiar a muestras en líquido mediante alto vacío SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Agradecemos al laboratorio nacional del Noroeste Pacífico (PNNL) Nuclear proceso ciencia iniciativa (NPSI)-laboratorio de investigación dirigida y el desarrollo (LDRD) Fondo de apoyo. Dr. Sayandev Chatterjee proporcionó las partículas sintetizadas bohemita. Se ofrece acceso instrumental a través de una propuesta General de usuario de W. R. Wiley ambiental Molecular Ciencias laboratorio (Page). Page es una instalación de usuario científico nacional patrocinada por la oficina de biológicas y ambientales (BER) de investigación en PNNL. PNNL es operado por Battelle para la coneja bajo contrato 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.

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

Química número 127 bohemita líquido in situ microscopia electrónica de barrido de imágenes composición elemental mapping microfluídica microscopía electrónica de
<em>In Situ</em> Caracterización de partículas de bohemita SEM líquido con agua
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