In Situ Karakterisering van böhmiet deeltjes in het Water met behulp van vloeibare SEM
Summary
Door in situ vloeistof Scanning elektronen microscopie presenteren we een procedure voor real-time beeldvorming en elementaire samenstelling analyse van böhmiet deeltjes in gedeïoniseerd water.
Abstract
In situ beeldvorming en elementaire analyse van böhmiet (AlOOH) deeltjes in water wordt gerealiseerd met behulp van het systeem voor analyse op de vloeibare vacuüm Interface (SALVI) en Scanning elektronenmicroscopie (SEM). Deze paper beschrijft de methode en sleutel stappen bij de integratie van het vacuüm compatibel SAVLI SEM en verkrijgen van secundaire elektron (SE) beelden van deeltjes in de vloeistof in hoog vacuüm. Energie dispersieve x-stralen spectroscopie (EDX) wordt gebruikt voor het verkrijgen van de elementaire analyse van deeltjes in de vloeistof en controle monsters met inbegrip van gedeïoniseerd water (DI) alleen en een leeg kanaal ook. Samengestelde böhmiet (AlOOH) deeltjes die in de vloeistof worden gebruikt als een model in de vloeibare SEM-afbeelding. De resultaten tonen aan dat de deeltjes in de SE modus met goede resolutie image kunnen worden gemaakt (dat wil zeggen, 400 nm). Het spectrum AlOOH EDX toont belangrijke signaal van de aluminium (Al) in vergelijking met de DI-water en de lege kanalige aansturing. In situ vloeibare SEM is een krachtige techniek om te studeren van deeltjes in de vloeistof met veel interessante toepassingen. Deze procedure heeft tot doel technische know-how om te voeren vloeibare SEM beeldvorming en EDX analyse met behulp van SALVI en om potentiële valkuilen bij het gebruik van deze aanpak.
Introduction
Scannende elektronenmicroscoop (SEM) is algemeen toegepast om te onderzoeken van een verscheidenheid van specimens door het produceren van hoge resolutie beeldvormende1. De energie dispersieve x-stralen spectroscopie (EDX) die zijn gekoppeld aan de SEM kan de bepaling van elementaire samenstelling1. SEM wordt traditioneel toegepast voor imaging-alleen droge en vaste monsters. In de afgelopen dertig jaar, werd milieu SEM (ESEM) ontwikkeld voor het analyseren van de gedeeltelijke gehydrateerd monsters in een damp milieu2,3,4,5. ESEM is echter niet in staat om het imago van de natte, volledig vloeibare monsters met gewenste hoge resolutie6. Natte SEM cellen werden ook ontwikkeld voor afbeelding NAT specimens met SEM7,8; echter deze cellen werden ontwikkeld vooral voor biologische specimens terugverstrooide elektron imaging en meer toegankelijk zijn voor toepassingen met deze ontwerpen9,10.
Om de uitdagingen in het analyseren van verschillende monsters in hun oorspronkelijke vloeibare omgeving met behulp van SEM, we een vacuüm compatibel microfluidic apparaat, systeem voor analyse op de vloeibare vacuüm Interface (SALVI), om hoge ruimtelijke resolutie secundaire uitgevonden elektron (SE) beeldvorming en elementaire analyse van vloeibare monsters met behulp van de hoog vacuüm modus in SEM. Deze nieuwe techniek omvat de volgende unieke eigenschappen: 1) vloeistof direct wordt onderzocht in een klein diafragma van 1-2 µm in diameter; 2) vloeistof wordt gehouden binnen het gat door oppervlaktespanning; en 3) SALVI is draagbaar en kan worden aangepast aan meer dan één analytische platform11,12,13,14,15,16,17 ,18.
SALVI bestaat uit een 100 nm dikke siliciumnitride (SiN) membraan en een 200 µm breed microchannel gemaakt van Polydimethylsiloxaan (PDMS) blok. Het venster van de membraan zonde wordt toegepast om te verzegelen de microchannel. De details van de fabricage en de belangrijke ontwerpoverwegingen waren gedetailleerd in vorige documenten en octrooien11,19,20. Op dit moment, heeft een toonaangevende fabrikant en distributeur van verbruikbare aanbod voor microscopie gekocht de licentie te verkopen SALVI apparaten commercieel voor vloeibare SEM toepassingen-21,22.
De toepassingen van SALVI in vacuüm gebaseerde analytische instrumenten zijn aangetoond met behulp van een verscheidenheid van waterige oplossingen en complexe vloeibare mengsels met inbegrip van biofilms, cellen van zoogdieren, nanodeeltjes en elektrode materialen12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. echter de meeste van de bovengenoemde werkzaamheden secundaire ion time-of-flight massaspectrometrie (ToF-SIMS) gebruikt als de belangrijkste analysefunctie, dus de toepassing van vloeistof SEM met SALVI is niet volledig onderzocht. In dit werk, is SALVI gebruikt om te studeren van grotere niet-bolvormige colloïdale deeltjes in de vloeistof met behulp van vloeibare SEM beeldvorming en de elementaire analyse EDX. Het voorbeeld bestaat uit AlOOH deeltjes gesynthetiseerd in ons laboratorium. Submicrometer middelgrote böhmiet deeltjes zijn bekend in hoogradioactief afval op de Hanford site. Ze zijn traag te ontbinden en Rheologische problemen kunnen veroorzaken in de afvalverwerking. Daarom is het belangrijk dat de mogelijkheid om het karakteriseren van böhmiet deeltjes in de vloeibare25. Deze technische benadering kan worden gebruikt om te studeren van böhmiet in verschillende fysisch-chemische voorwaarden voor beter begrip van deze deeltjes en bijbehorende reologische eigenschappen. Deze deeltjes werden gebruikt om aan te tonen hoe hoog vacuüm SEM SALVI toepassen om te studeren in vloeistof zwevende deeltjes stapsgewijze. Belangrijkste technische punten voor SALVI en SEM integratie en SEM data-acquisitie worden gemarkeerd in het papier.
Het protocol biedt demonstratie van de analyse van de vloeibare monster met behulp van SALVI en vloeibare SEM imaging, voor degenen die geïnteresseerd zijn in het gebruik van deze nieuwe techniek in diverse toepassingen van vloeibare SEM in de toekomst.
Protocol
Representative Results
Discussion
SEM is een krachtige techniek in de karakterisering van het oppervlak van organische en anorganische materialen op een niveau van de nanoschaal (nm) met hoge resolutie1. Bijvoorbeeld, wordt het wijd gebruikt voor het analyseren van de solide en droge monsters zoals geologische materialen26 en halfgeleider27. Het heeft echter beperkingen in het karakteriseren van de natte en vloeibare monsters als gevolg van de incompatibiliteit van vloeistof binnen d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij zijn dankbaar aan de Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) nucleaire proces wetenschap initiatief (NPSI)-laboratorium gericht onderzoek en ontwikkeling (LDRD) Fonds voor steun. Dr. Sayandev Chatterjee geboden de samengestelde böhmiet deeltjes. Instrumentale toegang werd verleend door middel van een algemene gebruiker voorstel van W. R. Wiley milieu Molecular Sciences Laboratory (EMSL). EMSL is een faciliteit van de nationale wetenschappelijke gebruiker gesponsord door het Office van biologische en ecologische onderzoek (BER) op PNNL. PNNL wordt beheerd door Battelle voor het DOE onder Contract 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).
