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 Karakterisering af Boehmite partikler i vandet ved hjælp af flydende 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

Vi præsenterer en procedure for real-time imaging og elementært sammensætning analyse af boehmite partikler i ionbyttet vand af i situ væske Scanning Elektron Mikroskopi.

Abstract

In situ billedbehandling og elementært analyse af boehmite (AlOOH) partikler i vandet er realiseret ved hjælp af systemet for analyse på flydende vakuum Interface (SALVI) og Scanning elektronmikroskopi (SEM). Dette papir beskriver metoden og nøglen skridt i at integrere vakuum kompatibel JENSS til SEM og opnå sekundære elektron (SE) billeder af partikler i væsken i højt vakuum. Energy dispersive x-ray spektroskopi (EDX) anvendes til at opnå elementært analyse af partikler i væsken og kontrol prøver herunder deioniseret vand (DI) vand og en tom kanal som godt. Syntetisk boehmite (AlOOH) partikler suspenderet i væske bruges som model i den flydende SEM illustration. Resultaterne viser, at partikler kan være afbildet i SE mode med god opløsning (dvs.400 nm). AlOOH EDX spektrum viser betydelig signal fra aluminium (Al) sammenlignet med Deioniseret vand og Tom kanal kontrol. In situ flydende SEM er en kraftfuld teknik til at studere partikler i væsken med mange spændende ansøgninger. Denne procedure har til formål at give teknisk knowhow for at gennemføre flydende SEM imaging og EDX analyse ved hjælp af SALVI og reducere potentielle faldgruber, når du bruger denne fremgangsmåde.

Introduction

Scanning elektronmikroskop (SEM) har været almindeligt anvendt til at undersøge en række prøver ved at producere høj opløsning billeddannelse1. Energy dispersive x-ray spektroskopi (EDX) tilknyttet SEM gør det muligt for bestemmelse af elementært sammensætning1. Traditionelt, er SEM ansøgt om imaging kun tør og solid prøver. I de sidste 30 år, blev miljømæssige SEM (ESEM) udviklet til at analysere de delvise hydreret prøver i en damp miljø2,3,4,5. ESEM er dog ude af stand til at afbilde de våde, fuldt flydende prøver med ønskede høj opløsning6. Våd SEM celler blev også udviklet billede våd enheder ved hjælp af SEM7,8; alligevel, disse celler blev udviklet primært til biologiske prøver og backscattered elektron billedbehandling, og er mere tilgængelig for programmer med disse designs9,10.

For at løse udfordringer i at analysere forskellige prøver i deres native flydende miljø ved hjælp af SEM, vi har opfundet et vakuum kompatibel mikrofluid enhed, System til analyse på den flydende vakuum Interface (SALVI), aktivere høj rumlige opløsning sekundære elektron (SE) billeddannelse og elementært analyse af flydende prøver ved hjælp af højt vakuum mode i SEM. Denne roman teknik omfatter de følgende unikke features: 1) væske er direkte aftestede i en lille blænde på 1-2 µm i diameter; 2) flydende holdes indenfor hullet af overfladespænding; og 3) SALVI er bærbare og kan tilpasses til mere end én analytisk platform11,12,13,14,15,16,17 ,18.

SALVI består af en 100 nm tykke silicon nitride (synd) membran og en 200 µm bred microchannel lavet af Polydimethylsiloxan (PDMS) blok. Vinduet synd membran er anvendt til at forsegle microchannel. Fabrikation detaljer og vigtigste Designovervejelser blev beskrevet i tidligere afhandlinger og patenter11,19,20. I øjeblikket, har en førende producent og distributør af forbrugsmaterialer levering til mikroskopi købt licens til at sælge SALVI enheder kommercielt for flydende SEM programmer21,22.

Anvendelser af SALVI i vakuum-baserede analytiske instrumenter er blevet påvist ved hjælp af en bred vifte af vandige opløsninger og komplekse flydende blandinger herunder biofilm, pattedyrceller, nanopartikler og elektrode materialer12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. dog de fleste af de ovennævnte arbejde udnyttede time of flight sekundære ion massespektrometri (ToF-SIMS) som det centrale analyseværktøj, således anvendelsen af flydende SEM med SALVI er ikke blevet undersøgt fuldt ud. I dette arbejde, er SALVI blevet brugt til at studere større ikke-sfæriske kolloide partikler i væsken ved hjælp af flydende SEM imaging og EDX elementært analyse. Prøven består af AlOOH partikler syntetiseret på vores laboratorium. Submicrometer-størrelse boehmite partikler er kendt for at eksistere i højaktivt radioaktivt affald på webstedet Hanford. De er langsomme til at opløse og kan forårsage rheologiske problemer i affaldsbehandling. Derfor er det vigtigt at have kapacitet til at karakterisere boehmite partikler i flydende25. Denne tekniske tilgang kan bruges til at studere boehmite i forskellige fysisk-kemiske forhold for bedre forståelse af disse partikler og beslægtede rheologiske egenskaber. Disse partikler blev udnyttet til at demonstrere trin for trin, hvordan skal gælde høje vakuum SEM SALVI for at studere partikler suspenderet i væske. Tekniske nøglepunkter for SALVI og SEM integration og SEM dataopsamling er fremhævet i papiret.

Protokollen giver demonstration af flydende prøve analyse ved hjælp af SALVI og flydende SEM imaging, for dem der er interesseret i at udnytte denne nye teknik i mangfoldige anvendelser af flydende SEM i fremtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Forbered AlOOH flydende prøve

NOTE: rør ikke modellen eller noget inde i SEM kammer med bare hænder. Pulver gratis handsker skal bæres på alle gange når håndtering SALVI enheden og montere det på SEM fase for at undgå potentiel forurening under overfladen analyse.

  1. Gøre en AlOOH stamopløsning (1 mg/mL)
    1. opløse 10 mg AlOOH pulver i 10 mL DI vand at gøre 1 mg/mL AlOOH stamopløsning.
    2. Ultrasonicate stamopløsning i 5 min.
      Bemærk: pH af stamopløsningen er cirka 4.6 måles med et pH-meter. Løsning af pH er ikke justeret og bruges som det er i dette arbejde.
  2. Gøre en fortyndet opløsning af 10 µg/mL
    1. fortyndes 1 mg/mL AlOOH stamopløsning 10 µg/ml ved dispensering 1 mL i 99 mL DI vand via pipette.
    2. Ultrasonicate løsning for 5 min.
      Bemærk: pH af stamopløsningen er ca 5.8 måles med et pH-meter efter fortynding.

2. Sputter frakke vinduet SALVI synd membran med Carbon

  1. indsætte kulstof stang i stangen indehaveren.
    Bemærk: Stangen indehaveren kan identificeres som det stykke, der er knyttet til den hængslede låg.
  2. Bruge et par pincet og forsigtigt fjerne tape på SALVI ' s synd membran vinduesrammen.
    Bemærk: Tape bruges til at beskytte synd membran før overflade analyse.
  3. Sikre SALVI enheden oprejst inde i carbon coater kammer ved hjælp af kulstof tape til at fastsætte polytetrafluorethylen slangen af SALVI enhed på scenen i coater. Luk låget.
  4. Tryk på den " magt " knap hen til indlede vakuumpumpen.
  5. Tryk på den " spænding " knappen på frontpanelet af kulstof coater og indstille værdien til 4,6 V ved at justere op (▲) og ned (▼) knapperne for denne operation.
    Bemærk: Indstillingen spænding kan variere afhængigt af forskellige kulstof coaters.
  6. Tænd belægning tykkelse skærm ved at skifte sin " magt " knappen. Klart læsning vises i skærmbilledet i " tykkelse (nm) " til nul ved at trykke på knappen " nul " Hvis læsning ikke er nul. Tryk på den " TIMER " på carbon coater ' s frontpanelet at indstille deposition til 30 s ved at justere op (▲) og ned (▼) knapper.
  7. Holde carbon coater ' s driftstilstand til automatisk ved at skifte knappen " AUTO ◄ ► manuel " til " AUTO ". Skifte den " START/STOP " knap til " START " når vakuum når omkring 4 × 10 -4 mbar, målt ved vakuum maskemåleren på carbon coater ' s frontpanelet.
  8. Når tykkelse skærmen angiver, at carbon-belægning har nået 20 nm, presse den " stoppe " knap til at opsige belægning proces og at lufte det vakuum segl.
  9. Åbne låget og tegne carbon coated SALVI enheden ved hjælp af vinyl handsker når du håndterer enheden.
    Bemærk: Belægning prøve med carbon skaber et ledende lag på prøve at hæmme den opladning effekt og forbedre SE signalet kræves for SEM billeddannelse. Sikkert gemme belagt enheden i en ren petriskål med et dække, indtil enheden er klar til at blive installeret i SEM fase. For at sikre synd membranen er tilstrækkeligt belagt, anbefales det at kontrollere enheden visuelt efter overfladebehandling. Hvis belægningen ikke er tyk nok, en anden gang sputter belægning kan anvendes med den tykkelse målt indtil 10 nm.

3. Mount enheden og brug SEM/fokus Ion Beam (FIB) at gøre åbninger på SALVI synd membran ved hjælp af FIB

  1. åbne SEM modellen kammer
    1. åben tilknyttede mikroskop kontrol software på SEM instrument kontrol computer.
      Bemærk: Kontrol software kan variere afhængigt af forskellige SEMs.
    2. Udluftning modellen kammer ved at klikke på " Vent " på den grafiske brugergrænseflade (GUI) af den tilknyttede mikroskop kontrol software under " Beam kontrol " fane for at åbne kammer døren.
    3. Åbne kammer døren omhyggeligt (når udluftning er fuldført).
  2. Mount SALVI enheden på SEM scenen
    Bemærk: Check overfladen af synd membranen at se hvis det er intakt enten visuelt eller ved hjælp af et lysmikroskop før montering. SALVI enhed monteret på SEM scenen skal ikke røre Everhart Thornley detektor (ETD) detektor inde i modellen kammer.
    1. Vælg den standard SEM prøve indehaveren stub. Fix Stubben på midten af scenen ved hjælp af passende bolt og hex skruenøgle.
    2. Placere to strimler af dobbeltsidet carbon bånd på Stubben.
    3. Stick SALVI enheden på carbon båndet placeret på stub med den synd membran side vender op
    4. Sikkert immobilisere SALVI på Stubben ved hjælp af en yderligere to strimler af et enkeltsidet kobber tape til at binde SALVI PDMS blok til SEM metal stub. Derudover bruge kobber-bånd til at forbinde synd rammen og metal Stubben. Sørg for, at båndet ikke helt dækker synd membran.
      Bemærk: Brugen af kulstof og kobber bånd til at sikre en kontinuerlig grundstødning sti for fjernelse af afgift fra synd membranen under SEM måling. Placeringen af tape på kanten af rammen synd er ganske vigtigt, fordi det sikrer jordforbindelse og reducerer opladning under analysen. I bunden af enheden skal også have fuld kontakt med SEM stub via dobbeltsidet carbon bånd. Båndet skal ikke dække synd membran for at undgå eventuelle skader i håndtering.
  3. Pumpe ned modellen kammer
    1. Luk modellen kammer. Vælg den " højt vakuum " tilstand på SEM software GUI under den " Beam kontrol " side.
    2. Klik på den " pumpe " knappen på den " Beam kontrol " at starte støvsugning og anvende pres i hånden til kammeret døren indtil den ønskede vacuum er etableret.
      Bemærk: Kammeret pres skal være mindst 1,0 × 10 -5 Torr og støt skal forblive på eller under denne værdi før billeddannelse. Dette er et vigtigt skridt at aktivere den meget løst opløsning for billeddannelse. Indstillingen pres kan overvåges fra det højre hjørne af GUI.
  4. Gøre åbninger i synd membranen ved hjælp af FIB
    1. aktivere elektronstrålen imaging område ved at klikke på den " Pause " ikon på værktøjslinjen. Tænde elektronstrålen ved at klikke på den " stråle på " knap oven på den " Beam kontrol " side. Vælg ETD detektor og SE mode for billeddannelse fra den " detektorer " drop ned menuen.
      Bemærk: Detektoren kan variere afhængigt af forskellige konfiguration af SEMs. I objektivet detektoren er også gældende for flydende SEM analyse.
    2. Link til Z koordinere værdi til den faktiske Free arbejde afstand (FWD) værdi ved at klikke på den " Link " ikon på værktøjslinjen. Angiv arbejde afstand (WD) som 10 mm ved at indtaste nummer 10 i tekstboksen af koordinat " Z " på den " Navigation " side når den " faktiske " afstand er valgt.
      Bemærk: WD kan variere afhængigt af forskellige SEMs.
    3. Indstillet elektronstrålen aktuelle til 0,47 nA, accelererende spændingen til 8 keV og opløsning til 1.024 × 884 fra den tilsvarende liste bokse vises på værktøjslinjen på elektronstrålen imaging område.
      Bemærk: Strøm og spænding indstilling kan variere afhængigt af forskellige SEMs.
    4. Find microchannel (0.2 mm x 1,5 mm) ved at dreje den " X " og " Y " Skift knapper på manuel User Interface (MUI) bestyrelsen til at observere det levende billede på skærmen kontrol. Tegn en linje parallel til microchannel fra den ene ende til den anden ved hjælp af musen. Klik på " xT Juster funktion " fra drop-down menuen af " fase " fane på værktøjslinjen og vælge " horisontale " til at justere microchannel.
    5. Sat scenen tilt til 0 ° ved at vælge værdien fra den " T " listeboks oven på den " Navigation " side. Find en særskilt partikel funktion nær microchannel og centrere det under den gule Kors ved at flytte stadie benytter den " X " og " Y " Skift drejeknapper. Forstørre funktionen til 1.000 X og twist den " kontrast ", " lysstyrke ", " grov ", og " Fine " knopper på MUI-pakken til at optimere billedet af funktionen partikel.
    6. Vippe scenen til 15 ° ved at vælge værdien fra den " T " listeboks oven på den " Navigation " side. Brug " Z-kontrol " ved at trykke ned på hjulet på musen og trække funktionen tilbage under den gule kors på skærmen af elektronstrålen imaging område efter scenen er skrå.
      1. Vippe scenen igen til 30 ° og få funktionen tilbage under kryds ved hjælp af den " Z-kontrol ". Vippe fase tilbage til 0 ° og observere placeringen af funktionen. eucentric højde er bekræftet hvis funktionen ikke flytte markant.
        Bemærk: At finde eucentric højden udføres for at holde ion stråle og elektronstrålen fokuseret på den samme position til at opnå god FIB formaling præcision. Gentag processer i trin 3.4.6, hvis funktionen skifter betydeligt efter vippe fase tilbage til 0 °. Eucentric højde tilpasses for hver ny monteret prøve for den største nøjagtighed.
    7. Vippe scenen til 52° ved at vælge værdien fra den " T " listeboks oven på den " Navigation " side.
      Bemærk: Vippe graden kan variere afhængigt af forskellige SEMs.
    8. Deaktiver den " Pause " ikon på værktøjslinjen ved at klikke på knappen for at sikre, at den Ion stråle imaging område er på. Tænde gallium kilde ion stråle ved at klikke på den " stråle på " knappen den " Beam kontrol " side.
      1. Sæt den accelererende spænding af ion bom til 30 keV og beam aktuelle til 0,3 nA ved at vælge disse værdier i de tilsvarende spænding og nuværende lister beliggende på værktøjslinjen. Bringe microchannel til midten af dette imaging område.
    9. Vælg cirklen som mønsteret ved at vælge denne funktion fra listen af " mønster " på den " mønster " side. Angiv den " ydre Diameter " til 1 µm, den " indre diameter " til 0 µm, den " Z størrelse " til 500 nm, og den " dvæle tid " til 1 µs i den tilsvarende tekstboks.
      1. Type " Si " i den " ansøgning " tekst boks fordi den vigtigste komponent i vinduet om-at-være-sleben sporing er silicon nitride. Klik derefter på det " mønster menu/Start mønstre " knappen for at begynde at fræse hullerne på vinduet opdagelse, der er omfattet af microchannel. Gentage fræseprocessen flere gange for at opnå en række runde huller. I et eksperiment, der kan gøres flere huller.
        Bemærk: Hullerne er 100 µm apart, fra den ene side af microchannel til den anden. Flyt hurtigt at minimere beam skader på synd membran. SEM FIB fræsning proces normalt starter fra enten venstre eller højre side af microchannel for at spore og nummer åbninger nemt. Operatøren kan vælge at gå fra bunden eller toppen afhængigt af retningen af den engelske kanal og personlige præferencer. Sikre, at SEM FIB fræsning er afsluttet og passende, så modellen kan blive aftestede inden for åbninger.
  5. Lufte kammer efter SEM/FIB
    1. vippe fase tilbage til 0 ° ved at vælge 0 fra den " T " listeboks oven på den " Navigation " side. Slukke både elektronstråle og ion bom ved at klikke på " bom på " når den tilsvarende beam imaging område er aktiveret. Klik på " Vent " på den " Beam kontrol " side at lufte modellen afdeling.

4. Indlæse SALVI med flydende prøver

  1. ren SALVI ved hjælp af Deioniseret vand
    1. omhyggeligt åbne SEM kammer dør, når det er fuldt udluftet, og forlade SALVI enhed, som det er på scenen.
      Bemærk: For at spare tid på den monteringsudstyret og fokus, det anbefales at opbevare enheden på scenen, når lastning prøven.
    2. Trække 1 mL DI vand i en steril sprøjte, tilslutte sprøjten med inlet af mikrofluid enheden ved hjælp af en polytetrafluorethylen slanger adapter montering og langsomt injicere væske til 3-5 min.
      Bemærk: En sprøjten pumpe anbefales til alle trin hvor indsprøjtning løsninger i SALVI er påkrævet. Dette kan gøres i dette trin ved at angive en 1 mL steril sprøjte indeholdende løsning til gennemstrømning af 100-250 µL/min. udnytter en sprøjten pumpe ved en konstant strømningshastighed kan mindske sandsynligheden for skader til synd membran.
    3. Gentag trin 4.1.2 tre gange ved hjælp af 1 mL af 10 µg/mL AlOOH, forberedt i trin 1, at sikre, at koncentrationen af prøven ikke udvandes af forudindlæste osmosevand.
    4. Efter injektionen, Fjern sprøjten. Tilslut indsugnings- og udstødningsporte af SALVI ved hjælp af polyether ether keton union. Tør nogen væske uden for SALVI med lab klude. Hvis der er nogen bobler i polytetrafluorethylen slanger eller microchannel, redo AlOOH prøve injektion indtil ingen bobler ses inden for polytetrafluorethylen slangesættet.
      Bemærk: Finger-stramme polyestersegmenter ether keton union. Brug ikke for meget styrke når stramning Unionen til at undgå at skabe en betydelig indre pres stigning inde SALVI enhed, som kunne medføre skade på synd membran.
      Bemærk: Bobler inde microchannel kan påvirke scanning og forårsage billede shift. Enhver væske uden for enheden vil påvirke vakuum status, derfor ydersiden af SALVI og polytetrafluorethylen slanger bør tørres grundigt før indsætte det til den vakuumkammer. Derudover skal enheden ikke har fysiske skader (f.eks. klip på slangen, brudt synd membran vindue), der fører til utæt. Ellers, kammeret pres kan ikke nå den ønskede høje vakuum, bobler kan danne i slangen, og flydende prøven vil blive tabt under støvsugning.

5. Gennemføre flydende SEM Imaging og elementært analyse

  1. tage billeder ved hjælp af ETD detektor og SE mode
    1. lukke modellen kammer dør. Vælg den " højt vakuum " tilstand på SEM software GUI under den " Beam kontrol " side. Klik på den " pumpe " knap oven på den " Beam kontrol " at starte støvsugning og anvende hånd presset til kammer-dør, indtil den ønskede vacuum er etableret.
    2. Aktivere elektronstrålen imaging område ved at klikke på den " Pause " ikon på værktøjslinjen. Tænde elektronstrålen ved at klikke på den " stråle på " knap oven på den " Beam kontrol " side. Vælg ETD detektor og SE mode for billeddannelse fra den " detektorer " drop down menuen.
      1. Sæt den accelererende spænding til 8 keV og beam aktuelle til 0,47 nA fra den tilsvarende liste bokse vises på værktøjslinjen GUI på elektronstrålen imaging område. Indstille WD som 7 mm ved at skrive antallet " 7 " i tekstfeltet for at koordinere " Z " på den " Navigation " side når den " faktiske " afstand er valgt.
        Bemærk: Parametre af beam spænding, strøm og arbejde afstand kan variere afhængigt af forskellige SEMs.
    3. Forstørre funktionen til 1.000 × og twist den " kontrast ", " lysstyrke ", " grov ", og " Fine " knopper på MUI-pakken til at optimere billedet af funktionen partikel.
    4. Center det første hul i live-billeder fra elektronstrålen imaging område ved at dreje den " X " og " Y " Skift knapper på MUI-bestyrelsen. Forstørre billeder med partikler til × forstørrelse 200.000 ved at dreje den " forstørrelse " knop på MUI-bestyrelsen. Vælg skærmopløsning " 1.024 × 884 " fra listen på værktøjslinjen.
    5. Indstille søgehastigheden som 30 µs fra rullelisten på værktøjslinjen. Tryk på F4 for at tage øjebliksbillede af det aktuelle billede vist i elektronstrålen imaging område.
    6. Tryk på Ctrl + S nøgler at gemme filen billede as.tif til den ønskede placering med den definerede filnavn, herunder en trinvis nummer.
    7. Zoom ved at dreje den " forstørrelse " knap hen til lokalisere den næste tilstødende hul. Gentag operationer i trin 5.1.4 - 5.1.6 til billede AlOOH partikler i resten af hullerne.
  2. Elementært analyse ved hjælp af EDX
    1. indsætte Energy Dispersive spektroskopi (EDS) detektorer ind i kammeret.
    2. Vælg ETD detektor på mikroskop kontrol skærm og SE tilstand til visning af prøven på området elektron beam billeddannelse. Angiv den accelererende spænding til 8 keV, nuværende 0.47 nA og WD til 7 mm som beskrevet i trin 5.1.2.
    3. Forstørre AlOOH partiklerne i hvert hul med forstørrelse 200.000 X ved at dreje den " forstørrelse " knop ombord MUI.
      Bemærk: Hold elektronstrålen fokuserede på det samme sted for at give mere lokaliserede elementært oplysninger. En afbildning af AlOOH findes i figur 1a.
      4. Åbne den tilknyttede EDAX software,
    4. .
      Bemærk: Det tilknyttede programmel kan variere afhængigt af forskellige instrumenter ' konfigurationer.
    5. Klik " begynde at optage nye spectra " i brugergrænsefladen (UI) at indsamle EDX spektrum. Vælg " Peak ID " at vælge de sandsynlige elementer af spektret. Skrive i observerede elementer, f.eks., ilt i denne sag, i det " Element " felt. Klik på " Tilføj " at anvende elementet til spektrum.
    6. Klik på " fil " og derefter klikke på " Gem som ". Gem den spektrale data in.csv format ved hjælp af det ønskede filnavn for yderligere plotte bruger en graftegning software.
    7. Gentage operationer i trin 5.3.3 - 5.3.6 optage EDX spektrum fra hvert hul.
    8. Efter endt imaging og spektrum optagelse for hvert af hullerne, slukke elektronstrålen ved at klikke på " bom på " knap oven på den " Beam kontrol " side når elektronstrålen imaging område er på. Lufte SEM kammer ved at klikke på " Vent " på samme side. Omhyggeligt tage prøve ned fra scenen ved at fjerne alle bånd efter sal-døren er åben.
    9. Gentage denne procedure for at udføre de kontrol eksperimenter ved hjælp af Deioniseret vand og en tom microchannel.

6. Plot EDX spektrum

  1. Import the.csv spektrum fil ind i en graftegning software.
  2. Plot spektrum ved hjælp af energi niveau som x-aksen og intensiteten modtages og behandles af EDX som y-aksen til at vise de rekonstruerede spektre, som vist i tal 2a , 2b og 2 c.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De repræsentative resultater præsenteres for at vise hvordan partiklerne er afbildet og analyseret ved hjælp af i situ flydende SEM imaging kombineret med EDX. Resultaterne inkluderer SE billeder og EDX spektre. SE billederne blev indhentet på 100.000 X og 200.000 X forstørrelse niveauer i figur 1. Figur 1a skildrer SE billedet af AlOOH figur 1b DI vand og figur 1 c hul i en tom kanal. Billederne blev opnået ved at anvende SE med 8 keV accelererende spænding og 0,47 nA stråle strøm. Skærmopløsningen udnyttet var 1.024 × 884 med en scanning af 30 µs. tilsvarende, figur 2 viser de EDX spektre registreres fra AlOOH partiklerne i vandet (figur 2a), DI vandprøve (figur 2b) og hul i en tom kanal ( Figur 2 c), baseret på den målte elementært sammensætning. EDX spectra blev opnået med den samme aktuelle og spænding indstilling, for SE billeder. Oplysninger er fra det lavvandede område på prøveoverfladen på grund af valget af lav spænding. De rå data over elementært spektre er outputted as.csv fil og afbildet ved hjælp af en graftegning software til præsentation.

Figure 1
Figur 1: SE billeder. Disse billeder blev opnået ved at anvende SE med 8 keV accelererende spænding og 0,47 nA stråle strøm. Skærmopløsningen udnyttet var 1.024 × 884 med en scanning af 30 µs. (1a) AlOOH på 200, 000 X, (1b) DI vand på 100, 000 X (1 c) og en tom kanal på 200, 000 X. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: EDX Spectra. EDX spectra er anskaffet i SE mode med 8 kV accelererende spænding og 0,47 nA stråle strøm. (2a) spektrum af AlOOH i vand. (2b) spektrum af osmosevand prøve. (c) spektrum af hullet i en tom kanal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SEM er en kraftfuld teknik i overfladen karakterisering af organiske og uorganiske materialer på nanoskalaen (nm) niveau med høj opløsning1. For eksempel er det almindeligt anvendt til at analysere de solide og tørre prøver såsom geologiske materialer26 og halvleder27. Det har imidlertid begrænsninger i kendetegner de våde og flydende prøver på grund af uforenelighed af væske i den stærkt vacuumed miljø kræves ved elektronmikroskopi1. SEM prøveforberedelse ofte kræver dehydrering eller frysetørring hydreret modellen, og især for biologiske prøver2. Som et resultat, er det udfordrende at præcist registrere oplysninger af naturligt hydreret eller flydende prøver, som deres iboende oplysninger kan gå tabt under prøven forberedelse proces28,29. Dette kan omfatte, men er ikke begrænset til, biologisk aktivitet i cellerne, syntese af nanopartikler i løsning, sammenlægning af partikler i komplekse flydende og elektrokemiske reaktioner. Selvom ESEM kan billedet hydreret prøver i et miljø med kontrolleret vapor, kunne opløsning af billederne ikke nå så højt som SEM-billeder af solid prøverne i høj vacuum tilstand30,31,32 , 33. for nylig, våde prøver blev dækket af en elektron gennemsigtigt tynd film6 eller forseglet af et prøveeksemplar kapsel30 når SEM var ansat, og backscattered elektroner blev indsamlet til billeder ved hjælp af denne fremgangsmåde.

SALVI er en alsidig mikrofluid interface, der har aktiveret overflade analyse af væsker ved hjælp af vakuum-baserede instrumenter såsom TEM og ToF-SIMS. 11 , 12 , 13 , 14 vores teknik bruger SALVI og optimeret SEM betingelser kan give SE billeder og EDX kompositoriske oplysninger. Figur 1a præsenterer SE billedet af boehmite partikler i DI vand i med en submicron skala (400 nm) og høj forstørrelse af 200.000. SEM billede viser morfologi og fordelingen af boehmite partiklerne i væsken, som validerer at partikler i væsken kan ses og holdt sikkert inden for synd membran af overfladespænding20. Derimod skildrer tallene 1b SE billederne af osmosevand inden for hul på 100.000 × forstørrelse plan. Det giver direkte bevis for, at vand kan være hold af dens overfladespænding uden utætte udenfor. Derudover blev kammeret pres holdt konstant på 1,0 × 10-5 Torr under målingen. Figur 1 c præsenterer et hul i en tom kanal med 200.000 × forstørrelse; intet er observeret inde hul under den samme aktuelle og spænding indstillinger. SE flydende billeddannelse evne via denne fremgangsmåde giver høj opløsning SE billeder i forhold til mikrometer opløsningen af backscattered elektron billeder anskaffes ved hjælp af de rapporterede våde SEM teknik30.

EDX elementært kortlægning er foretaget ved hjælp af AlOOH partikler i DI vand, DI vand kun og Tom kanalen henholdsvis. De to sidstnævnte er brugt som reference kontrolelementer. Som vist i figur 2a, aluminium peak opstår på omkring 1.5 keV med betydelig signal, mens der er ingen fremtrædende top vises på den samme energi i Deioniseret vand og Tom kanal EDX spektre. Ilt signal er dominerende i både AlOOH og DI vand, hvilket bekræfter, at dette signal kommer fra vand. Det validerer yderligere, at partikler er nedsænket i vand under imaging. C og Si toppene i tal 2a, 2b og 2 c er fra carbon-belægning på afsløring vindue og synd membran danner bevægelsesdetektering område, henholdsvis. N peak er også fra synd membran. EDX sammenligning viser påvisning af aluminium sammensætningen af AlOOH i vand, der angiver, at boehmite partiklerne er faktisk overholdes.

I tidligere artikler, har vi vist muligheden for at ansætte en mikrofluid celle og høje vakuum SEM billede og karakterisere flydende prøven ved hjælp af DI vand og immunoglobulin G (IgG) guld nanopartikler12,20. I disse tidligere værker, guld nanopartikler var mindre end 10 nm. I dette arbejde, vi vise, at boehmite partikler med meget større størrelser (< 100 nm) kan også studeres gennem flydende SEM. Hul størrelse blev beregnet til at sikre tilstrækkelig billeddiagnostiske område endnu nok overfladespænding til at holde væske inden for. Oprindeligt, hullet var opdigtet benytter gallium ion stråle for at gøre runde åbninger på 2 µm i diameter før enhed forsamling i første opfindelse12,20. I denne opdatering viser vi, at påvisning åbninger kan være gjort efter enheden er samlet, at gøre hele processen mere strømlinede. Man kan også åbne op for så mange påvisning windows efter behov i en analyse, og er ikke begrænset af hullerne inden et eksperiment. 2 µm diameter påvisning vinduer er velegnede til teknikker såsom ToF-SIMS, og det er også muligt i flydende SEM. På grund af høj forstørrelse kapacitet af SEM, nye resultatet viser at mindre blænde (f.eks.1 2 µm) fungerer godt i SEM (figur 1a).

Flere tekniske detaljer er værd at nævne for at gøre i situ flydende SEM målinger succes. Først, enheden skal være belagt med carbon eller guld for at reducere opladning under målingerne. Andet er enhed montering helt afgørende i denne procedure. Løs kontakt af enheden med montering fase vil resultere i betydelige opladning, problemer med fokusering, og dårlige billeder. For det tredje, hvis man ønsker at analysere mere end én stikprøve ved hjælp af den samme enhed, prøve sekvens behov nogle tanker. Selvom enheden er disponible, er det sandsynligvis en enhed kan bruges mere end én gang. For eksempel, kan man bruge vand eller opløsningsmiddel for at opnå data af den stikprøve, der er efterfulgt af en analyse af en prøve med partikler eller andre arter af interesse ved hjælp af den samme opløsningsmiddel. Det anbefales at indføre prøve Introduktion efter SALVI enhed er sikret og påvisning huller er lavet ved hjælp af SEM/FIB. FIB bruges udelukkende til fræsning huller på afsløring vindue membran. Hvis membranen er udarbejdet af et andet instrument eller membranen er lavet med huller tilgængelige fra leverandører, er det ikke nødvendigt at bruge FIB til at gøre huller inden SEM analyse. Flytter enhed fra prøven scenen for eksempel indførelsen og genmontering det igen affald en masse tid, mens også tilføje risikoen for dårlige forbindelser mellem enheden og den prøve fase og resulterer i en anderledes arbejde afstand. Operatoren SEM kan også nødt til at koncentrere og finde kanalen og mikrometer størrelse runde påvisning windows igen.

Med submicron opløsning og præcise elementært oplysninger fremvist i denne undersøgelse, vi forestille at integrationen af vakuum-kompatible mikrofluid celle (dvs.SALVI) med højt vakuum mode SEM kan udnyttes bredt i at identificere og observere forskellige naturligt hydreret enheder og geologiske prøver, biologiske prøver og nanomateriale syntetiseret i væske. Med de teknologiske forbedringer til denflydende SEM tilgang er diskuteret tidligere, vi viser, at en større række submicron partikler i forskellige størrelser kan undersøges ved hjælp af denne nye tilgang. I sidste ende, i situ flydende SEM åbner flere muligheder for at studere modellerne i væske ved hjælp af højt vakuum SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Vi er taknemmelige til Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) nukleare proces Science initiativ (NPSI)-laboratorium instrueret forskning og udvikling (LDRD) Fonden for støtte. Dr. Sayandev Chatterjee forudsat syntetiserede boehmite partikler. Medvirkende var adgang gennem et W. R. Wiley miljømæssige Molecular Sciences Laboratory (EMSL) generel bruger forslag. EMSL er en national videnskabelig bruger facilitet sponsoreret af Office af biologiske og miljømæssige forskning (BER) på PNNL. PNNL drives af Battelle for DOE under kontrakt 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

Kemi sag 127 Boehmite in situ væske Scanning Elektron Mikroskopi imaging elementært sammensætning kortlægning mikrofluidik Scanning elektronmikroskopi
<em>In Situ</em> Karakterisering af Boehmite partikler i vandet ved hjælp af flydende 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