In Situ Karakterisering af Boehmite partikler i vandet ved hjælp af flydende SEM
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.
Protocol
Representative Results
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 elektronmikroskopi<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
