In Situ Karakterisering av Boehmite partiklar i vatten med flytande SEM
Summary
Vi presenterar ett förfarande för realtid imaging och elementärt sammansättning analys av boehmite partiklar i avjoniserat vatten av i situ vätska Scanning Electron Microscopy.
Abstract
In situ imaging och elementär analys av boehmite (AlOOH) partiklar i vatten realiseras med hjälp av systemet för analys vid flytande vakuum gränssnitt (SALVI) och Scanning Electron Microscopy (SEM). Detta dokument beskriver metoden och nyckel steg i att integrera vakuum kompatibel SAVLI SEM och få sekundära elektron (SE) bilder av partiklar i vätska i vakuum. Energy dispersive x-ray spektroskopi (EDX) används för att erhålla elementaranalys av partiklar i vätskan och kontroll prover inklusive enbart avjoniserat vatten (DI)-vatten och en tom kanal samt. Syntetiskt boehmite (AlOOH) partiklar i vätska används som en modell i flytande SEM illustration. Resultaten visar att partiklarna kan avbildas i SE läge med bra upplösning (dvs400 nm). Det AlOOH EDX-spektrumet visar betydande signalen från aluminium (Al) jämfört med det DI-vattnet och Tom kanal kontroll. In situ flytande SEM är en kraftfull teknik för att studera partiklar i vätska med många spännande applikationer. Detta förfarande syftar till att ge tekniskt kunnande för att bedriva flytande SEM imaging och EDX analys använder SALVI och minska potentiella fallgropar när du använder denna metod.
Introduction
Svepelektronmikroskop (SEM) har tillämpats allmänt för att undersöka en mängd exemplar genom att producera hög upplösning imaging1. Den energy dispersive x-ray spektroskopi (EDX) associerade med SEM möjliggör bestämning av elementärt sammansättning1. Traditionellt, tillämpas SEM för imaging endast torra och fasta prover. Under de senaste 30 åren utvecklades miljömässiga SEM (ESEM) för analys av delvis hydrerade proverna i en ånga miljö2,3,4,5. ESEM är dock inte att bilden av våta, helt flytande prov med önskad högupplösta6. Våta SEM celler utvecklades också för bild våt exemplar använder SEM7,8; ändå, dessa celler utvecklades huvudsakligen för biologiska prover och bakåtspritt elektron imaging, och är mer tillgängliga för applikationer med dessa mönster9,10.
För att ta itu med utmaningarna i att analysera olika prover i deras infödda flytande miljö använder SEM, uppfann vi en vakuum kompatibel mikroflödessystem enhet, System för analys vid den flytande vakuum gränssnitt (SALVI), aktivera hög rumslig upplösning sekundära elektron (SE) imaging och elementär analys av flytande prov med hög vakuum läge i SEM. Denna nya teknik omfattar följande unika funktioner: 1) vätska är direkt utforskad i en liten bländare 1-2 µm i diameter; (2) vätska hålls i hålet av ytspänning; och 3) SALVI är bärbar och kan anpassas till mer än en analytisk plattform11,12,13,14,15,16,17 ,18.
SALVI består av en 100 nm tjock kiselnitrid (SiN) membran och en 200 µm breda microchannel av Polydimetylsiloxan (PDMS) block. Fönstret synd membran används för att försegla microchannel. De fabrication detaljer och nyckeln designöverväganden var detaljerade i tidigare papper och patent11,19,20. För närvarande är har en ledande tillverkare och distributör förbrukningsmaterial försörjningstryggheten för mikroskopi köpt licens att sälja SALVI enheter kommersiellt för flytande SEM program21,22.
Tillämpningar av SALVI i vakuum-baserade analytiska instrument har påvisats med hjälp av olika vattenlösningar och komplexa flytande blandningar som inklusive biofilmer, däggdjursceller, nanopartiklar och elektrod material12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. men de flesta av de ovan nämnda arbetet utnyttjas time-of-flight sekundära ion mass spectrometry (ToF-SIMS) som viktiga analysverktyget, således tillämpningen av vätska SEM med SALVI har inte undersökts helt. I detta arbete, har SALVI använts för att studera större icke-sfäriska kolloidala partiklar i vätska med hjälp av flytande SEM imaging och EDX elementaranalys. Provet består av AlOOH partiklar syntetiseras på vårt laboratorium. Submicrometer-storlek boehmite partiklar är kända i högaktivt radioaktivt avfall på webbplatsen Hanford. De är långsamma att upplösa och kan orsaka reologiska problem i avfallshanteringen. Därför är det viktigt att ha förmåga att karakterisera boehmite partiklar i flytande25. Detta tekniska tillvägagångssätt kan användas för att studera boehmite i olika fysikalisk-kemiska förhållanden för förbättrad förståelse av dessa partiklar och relaterade reologiska egenskaper. Dessa partiklar utnyttjades visar steg för steg hur kan gälla högvakuum SEM SALVI för att studera partiklar i vätska. Viktiga tekniska punkter för SALVI och SEM integration och SEM datainsamling markeras inom papperet.
Protokollet ger demonstration av den flytande prov analyseras med SALVI och flytande SEM imaging, för dem som är intresserade i att utnyttja denna nya teknik i olika tillämpningar av flytande SEM i framtiden.
Protocol
Representative Results
Discussion
SEM är en kraftfull teknik i ytan karakterisering av organiska och oorganiska material i nanoskala (nm) nivå med hög upplösning1. Den används till exempel ofta för att analysera de fasta och torra proverna, såsom geologiska material26 och halvledare27. Det har dock limitationsin karakterisera de våta och flytande proverna på grund av oförenligheten vätska inom mycket dammsugas miljön krävs för elektronmikroskopi1…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi är tacksamma att de Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) kärntekniska Process vetenskap initiativ (NPSI)-laboratorium riktad forskning och utveckling (LDRD) fonden för stöd. Dr. Sayandev Chatterjee som syntetiserade boehmite partiklarna. Instrumental tillträde lämnades genom W. R. Wiley miljömässiga Molecular Sciences laboratorium (EMSL) allmänna användaren förslag. Nationella vetenskapliga användaren är EMSL sponsrad av Office av biologiska och miljömässiga forskning (BER) på PNNL. PNNL drivs av Battelle för DOE under kontrakt DE-AC05-76RL01830.
Materials
| 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. |
References
- Goldstein, J., et al. . Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis: A Text for Biologists, Materials Scientists, and Geologists. , (1992).
- Donald, A. M. The use of environmental scanning electron microscopy for imaging wet and insulating materials. Nat Mater. 2 (8), 511-516 (2003).
- Rossi, M. P., et al. Environmental Scanning Electron Microscopy Study of Water in Carbon Nanopipes. Nano Lett. 4 (5), 989-993 (2004).
- Nune, S. K., et al. Anomalous water expulsion from carbon-based rods at high humidity. Nat Nano. 11 (9), 791-797 (2016).
- Soumya, E. A., et al. . Scanning Electron Microscopy (SEM) and Environmental SEM: Suitable Tools for Study of Adhesion Stage and Biofilm Formation. , (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yu, X. -. Y., et al. Systems and methods for analyzing liquids under vacuum. USA patent. , (2011).
- 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).
- Liu, B., et al. In situ chemical probing of the electrode-electrolyte interface by ToF-SIMS. Lab Chip. 14 (5), 855-859 (2014).
- Ding, Y., et al. In situ Molecular Imaging of the Biofilm and Its Matrix. Anal Chem. 88 (22), 11244-11252 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yang, L., et al. Probing liquid surfaces under vacuum using SEM and ToF-SIMS. Lab Chip. 11 (15), 2481-2484 (2011).
- 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).
- 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).
- Clark, S. B., Buchanan, M., Wilmarth, B. . Basic Research Needs for Environmental Management. , (2016).
- 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).
- Li, S., Jiang, F., Yin, Q., Jin, Y. Scanning electron acoustic microscopy of semiconductor materials. Solid State Commun. 99 (11), 853-857 (1996).
- Dohnalkova, A. C., et al. Imaging Hydrated Microbial Extracellular Polymers: Comparative Analysis by Electron Microscopy. Appl Environ Microbiol. 77 (4), 1254-1262 (2011).
- Yu, X. -. Y., Liu, B., Yang, L. Imaging liquids using microfluidic cells. Microfluid Nanofluid. 15 (6), 725-744 (2013).
- Barshack, I., et al. A Novel Method for “Wet” SEM. Ultrastruct Pathol. 28 (1), 29-31 (2004).
- Cameron, R. E., Donald, A. M. Minizing sample evaporation in the Environmental Scanning Microscope. J Microsc. (Oxford, U. K.). 173 (3), 227-237 (1994).
- Danilatos, G. D. REVIEW AND OUTLINE OF ENVIRONMENTAL SEM AT PRESENT. J Microsc (Oxford, U.K.). 162 (3), 391-402 (1991).
- 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).
