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Chemistry

In Situ Charakterisierung von Böhmit Teilchen im Wasser mit flüssigem 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

Wir präsentieren ein Verfahren zur Echtzeit-Bildverarbeitung und Analyse der Elementzusammensetzung Böhmit Partikel in entionisiertem Wasser durch in Situ Flüssigkeit Scanning Electron Microscopy.

Abstract

In Situ imaging und elementare Analyse von Böhmit (AlOOH) Partikeln im Wasser erfolgt mit dem System für die Analyse an der flüssigen Vakuum-Schnittstelle (SALVI) und Scanning Electron Microscopy (SEM). Dieses Paper beschreibt die Methode und wichtige Schritte bei der Integration des Vakuums kompatibel SAVLI SEM und Sekundär-Elektronen (SE) Bilder von Partikeln in Flüssigkeiten im Hochvakuum. Energie energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) dient zur Elementaranalyse von Partikeln in Flüssigkeiten und Kontrolle Proben einschließlich deionisiertes (DI) nur Wasser und einen leeren Kanal sowie zu erhalten. Synthetisierte Böhmit (AlOOH) Partikeln, die in der Flüssigkeit ausgesetzt sind als Modell in der flüssigen SEM Abbildung verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Partikel im SE-Modus mit guter Auflösung abgebildet werden können (d.h., 400 nm). Das AlOOH EDX-Spektrum zeigt signifikantes Signal aus Aluminium (Al) im Vergleich mit dem DI-Wasser und den leeren Kanal-Steuerung. In Situ flüssige SEM ist eine leistungsstarke Technik, Teilchen in Flüssigkeit mit viele interessante Anwendungen zu studieren. Dieses Verfahren zielt darauf ab, technisches Know-how, um flüssige SEM Bildgebung und EDX-Analyse mit SALVI zu betreiben und um potenzielle Fallstricke zu reduzieren, bei Verwendung dieser Methode bieten.

Introduction

Rasterelektronenmikroskop (REM) hat weit angewendet worden, um eine Vielzahl von Proben zu untersuchen, indem Sie produzieren hochauflösende Bildgebung1. Die Energie energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) verbunden mit dem REM ermöglicht die Bestimmung der Elementarzusammensetzung1. Traditionell wird SEM für imaging nur trockene und feste Proben angewendet. In den letzten 30 Jahren entwickelte sich die Umwelt SEM (ESEM) für die Analyse von hydratisierten Teilstichproben in einem Dampf-Umgebung2,3,4,5. ESEM ist jedoch nicht in der Lage, die nassen, voll flüssigen Proben mit hoher Auflösung6Bild. Nassen SEM Zellen entstanden auch an Bild nasse Exemplare mit SEM7,8; Dennoch, diese Zellen wurden hauptsächlich für biologische Proben entwickelt zurückgestreuten Elektronen Bildgebung und sind leichter zugänglich für Anwendungen mit diesen Designs9,10.

Zur Bewältigung die Herausforderungen bei der Analyse von verschiedenen Proben in ihrer natürlichen flüssigen Umgebung mit SEM, erfanden wir eine Vakuum kompatibel mikrofluidischen Gerät, System zur Analyse an den flüssigen Vakuum Schnittstelle (SALVI), ermöglichen hohen räumlichen Auflösung sekundäre Elektronen (SE) Bildgebung und elementare Analyse von flüssigen Proben mit hohen Vakuumbetrieb in SEM Diese neuartige Technik umfasst die folgenden einzigartigen Eigenschaften: 1) Flüssigkeit wird direkt in eine kleine Öffnung von 1-2 µm im Durchmesser; sondiert (2) Flüssigkeit wird in der Bohrung durch Oberflächenspannung gehalten; und 3) SALVI ist portabel und kann auf mehr als eine analytische Plattform11,12,13,14,15,16,17 angepasst werden ,18.

SALVI besteht aus einer 100 nm dicken Silizium-Nitrid (SiN) Membran und einem 200 µm breite Microchannel aus Polydimethylsiloxan (PDMS) Block. Die Sünde Membran Fenster wird angewendet, um die Microchannel zu versiegeln. Die Verarbeitungsdetails und wichtigsten Entwurfsüberlegungen waren in früheren Arbeiten und Patente11,19,20detailliert. Derzeit hat ein führender Hersteller und Vertreiber von Verbrauchsmaterial Lieferung für die Mikroskopie die Lizenz um SALVI Geräte kommerziell für flüssige SEM Anwendungen21,22zu verkaufen gekauft.

Die Einsatzmöglichkeiten von SALVI in Vakuum-analytische Instrumente wurden nachgewiesen unter Verwendung einer Vielzahl von wässrigen Lösungen und komplexe Flüssigkeitsgemischen einschließlich Biofilme, Säugerzellen, Nanopartikeln und Elektrode Materialien12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. jedoch die meisten der oben genannten Arbeiten Time-of-Flight secondary Ion mass Spectrometry (ToF-SIMS) als wichtigen Analyse-Tool, damit die Anwendung der Flüssigkeit genutzt SEM mit SALVI nicht vollständig erforscht. In diesem Werk wurde SALVI zur größere nicht-sphärische kolloidale Teilchen in Flüssigkeit mit flüssigen SEM Bildgebung und EDX Elementaranalyse zu studieren. Das Beispiel besteht aus AlOOH Teilchen in unserem Labor synthetisiert. Submikrometer-mittlere Böhmit Partikel sind dafür bekannt, in hochradioaktiver Abfälle an der Hanford Site vorhanden sind. Sie sind langsam aufzulösen und in Abfallbehandlung rheologische Probleme verursachen können. Daher ist es wichtig, die Möglichkeit, Böhmit Teilchen in Flüssigkeit25charakterisieren. Dieser technische Ansatz kann verwendet werden, um Böhmit in verschiedenen physikalisch-chemischen Bedingungen für besseres Verständnis dieser Partikel und verwandte rheologischen Eigenschaften zu studieren. Diese Partikel wurden genutzt, um Schritt für Schritt zeigen, wie man Hochvakuum SEM SALVI zuweisen, um Schwebeteilchen in Flüssigkeit zu studieren. Technische Eckpunkte für SALVI und SEM Integration und SEM Datenerfassung werden in das Papier hervorgehoben.

Das Protokoll sieht Demonstration der flüssigen Probenanalyse mit SALVI und flüssigen SEM Bildgebung für diejenigen, die bei der Nutzung dieser neuartigen Technik in vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von flüssigen SEM in der Zukunft interessiert.

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Protocol

1. bereiten AlOOH flüssigen Probe

Hinweis: Berühren Sie nicht die Probe oder irgendetwas in der SEM-Kammer mit bloßen Händen. Pulver Handschuhe sollte getragen werden, in allen Zeiten als SALVI Handhabung und Montage auf die SEM Stadium zur Vermeidung möglicher Kontamination während der Oberflächenanalyse.

    1. Machen ein AlOOH Stammlösung (1 mg/mL)
    1. auflösen 10 mg AlOOH Pulver in 10 mL DI Wasser zu 1 mg/mL Stammlösung AlOOH.
    2. Ultrasonicate der Stammlösung für 5 min.
      Hinweis: Der pH-Wert der Vorratslösung beträgt ca. 4.6 mit dem pH-Meter gemessen. Die Lösung von pH ist nicht eingestellt und verwendet, da es in dieser Arbeit ist.
  2. Machen eine verdünnte Lösung von 10 µg/mL
    1. 1 mg/mL Stammlösung AlOOH bis 10 µg/mL zu verdünnen, durch den Verzicht auf 1 mL in 99 mL DI Wasser per Pipette.
    2. Ultrasonicate die Lösung für 5 min.
      Hinweis: Der pH-Wert der Vorratslösung beträgt ca. 5,8 nach Verdünnung durch ein pH-Meter gemessen.

2. Sputter-Mantel Fenster SALVI Sünde Membran mit Carbon

  1. Insert Carbon Rute in den Rutenhalter.
    Hinweis: Die Rutenhalter kann identifiziert werden, als das Stück, das mit dem Klappdeckel verbunden ist.
  2. Pinzette verwenden und entfernen Sie vorsichtig das Klebeband auf die SALVI ' s SiN Membran Fensterrahmen.
    Hinweis: Das Band wird verwendet, um die Sünde Membran vor Oberflächenanalyse schützen.
  3. Sichern die SALVI Gerät aufrecht in der Carbon Coater Kammer mit Kohlenstoff Klebeband um Polytetrafluorethylen Schlauch des Gerätes SALVI auf der Bühne der Coater zu beheben. Schließen Sie den Deckel.
  4. Drücken Sie die " POWER "-Taste, um die Vakuumpumpe zu initiieren.
  5. Drücken Sie die " Spannung " Taste an der Vorderseite des Carbon Coater und legen Sie den Wert auf 4,6 V durch die Anpassung der Up (▲) und unten (▼) Tasten für diesen Vorgang.
    Hinweis: Die Spannungseinstellung variieren aufgrund verschiedener Carbon Coater.
  6. Schalten Sie die Schichtdicke Monitor durch Einschalten der " macht " Taste. Deaktivieren Sie die Lesung angezeigt auf dem Bildschirm des " Dicke (nm) " auf Null durch Drücken der Taste " Null " Wenn die Lesung nicht Null ist. Presse der " TIMER " bei der Carbon Coater ' s Frontplatte einstellen die Ablagerung Zeit bis 30 s durch die Anpassung der Up (▲) und unten (▼) Tasten.
  7. Halten die Carbon Coater ' s Betriebsart automatisch durch den Wechsel der Schaltfläche " AUTO ◄ ► Handbuch ", " AUTO ". Schalter der " START/STOP " Taste " beginnen " Wenn das Vakuum erreicht etwa 4 × 10 -4 Mbar gemessen an das Vakuummeter an die Carbon Coater ' Frontplatte s.
  8. Sobald die Dicke Monitor zeigt an, dass die Carbon-Beschichtung 20 erreicht hat nm, drücken Sie die " beenden " Taste, um den Beschichtungsprozess zu beenden und die Vakuumdichtung Schlot.
  9. Öffnen Sie den Deckel und nehmen Sie den Kohlenstoff beschichtet SALVI Gerät mit Vinyl-Handschuhe beim Umgang mit dem Gerät.
    Hinweis: Die Probe mit Carbon Beschichtung eine leitfähige Schicht auf die Probe zu hemmen die Ladestation Wirkung und verbessern die SE Signal für die SEM-Bildgebung erforderlich erstellt. Sicher speichern Sie das beschichtete Gerät in einer sauberen Petrischale mit Deckel, bis das Gerät in die SEM-Bühne installiert werden kann. Um sicherzustellen, dass die Sünde Membran ausreichend beschichtet ist, empfiehlt es sich, das Gerät nach der Beschichtung eine Sichtkontrolle. Wenn die Beschichtung nicht dick genug ist, kann ein zweites Mal der Sputter-Beschichtung aufgebracht werden, mit der Dicke gemessen bis 10 nm.

3. Montieren Sie das Gerät und Einsatz SEM/Focused Ion Beam (FIB) Stellen Öffnungen auf SALVI Sünde Membran mittels FIB

    1. öffnen die zugehörigen Mikroskop-Steuerungs-Software auf dem SEM Instrument öffnen die SEM Probenkammer Steuerrechner.
      Hinweis: Die Steuerungssoftware kann variieren aufgrund verschiedener SEMs.
    2. Die Probenkammer zu entlüften, indem Sie auf " Vent " auf der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) der zugehörigen Mikroskop Steuerungssoftware unter " Beam Control " Registerkarte ", um die Tür zu öffnen.
    3. Die Tür zu öffnen, sorgfältig (Abschluss Entlüftung).
  2. Montieren Sie das Gerät SALVI auf die SEM-Bühne
    Hinweis: Überprüfen Sie die Oberfläche der Membran Sünde zu sehen, ob es entweder optisch intakt ist oder mit einem Lichtmikroskop vor der Montage. Montiert auf der Bühne SEM SALVI-Gerät darf nicht den Everhart-Thornley-Detektor (ETD)-Detektor in der Probenkammer berühren.
    1. Wählen Sie die standard SEM Beispiel Halter Stub. Beheben die Stub auf die Mitte der Bühne mit dem dazugehörigen Bolzen und Sechskantschlüssel.
    2. Legen Sie zwei Klebestreifen doppelseitig Kohlenstoff auf der Stub.
    3. Stick SALVI Gerät auf dem Carbon-Band auf der Stub mit der Sünde Membran zugewandten up platziert
    4. Immobilisieren sicher SALVI auf der Stub Verwendung eine zusätzliche zwei Streifen aus einseitig Kupferband SALVI PDMS-Block an der SEM-Metall-Stub zu binden. Darüber hinaus verwenden Sie die Kupfer Bänder Verbindung der Sünde-Rahmen und die Metall-Stub. Stellen Sie sicher, dass das Band nicht vollständig die Sünde Membran deckt.
      Hinweis: Die Verwendung von Carbon und Kupfer Bänder helfen einen kontinuierlichen Erdung Pfad für die Beseitigung der kostenlos von der Sünde Membrane während der SEM-Messung zu gewährleisten. Die Position des Bandes auf den Rand der Sünde ist sehr wichtig, denn es sorgt für Erdung und senkt die Aufladung während der Analyse. Die Unterseite des Geräts müssen auch Vollkontakt mit die SEM-Stub über doppelseitiges Carbon Band. Das Band muss nicht die Sünde Membran zur Vermeidung von Schäden in der Handhabung decken.
  3. Abpumpen der Probenkammer
    1. schließen die Probe Kammertür. Wählen Sie die " Hochvakuum " Modus auf die SEM-Software GUI unter die " Beam Control " Seite.
    2. Klicken Sie auf die " Pumpe "-Taste auf der " Beam Control " Seite zu starten, Staubsaugen und üben Sie Druck von hand auf die Kammertür, bis das gewünschte Vakuum hergestellt wird.
      Hinweis: Der Kammerdruck muss mindestens 1,0 × 10 -5 Torr und muss stetig bleiben bei oder unterhalb dieses Wertes vor Bildgebung. Dies ist ein wichtiger Schritt, um die Auflösung hoch aufgelöst für die Bildgebung zu ermöglichen. Die Druckeinstellung aus der rechten Ecke der GUI überwacht werden kann.
  4. Stellen Öffnungen in der Sünde Membran mit FIB
    1. aktivieren den Elektronenstrahl imaging-Bereich durch Klicken auf die " Pause " Symbol in der Symbolleiste. Der Elektronenstrahl einschalten, indem Sie auf den " Strahl auf "-Taste auf der " Beam Control " Seite. Wählen Sie die ETD-Detektor und SE-Modus für Aufnahmen aus der " Detektoren " drop-down-Menü.
      Hinweis: Der Detektor variieren aufgrund unterschiedlicher Konfiguration der SEMs. Der Detektor-Objektiv gilt auch für SEM Flüssigkeitsanalyse.
    2. Link Z koordinieren Wert für die tatsächliche Free arbeiten Abstand (FWD) Wert durch Klicken auf den " Link " Symbol in der Symbolleiste. Den Arbeitsabstand (WD) als 10 mm festgelegt, durch Eingabe der Nummer 10 in das Textfeld der Koordinate " Z " auf die " Navigation " Seite wann die " Actual " Entfernung ausgewählt.
      Hinweis: Die WD variieren aufgrund verschiedener SEMs.
    3. Soll den Elektronenstrahl aktuelle 0,47 nA, die Beschleunigungsspannung bis 8 keV und die Auflösung auf 1.024 × 884 aus der entsprechenden Liste Boxen auf der Symbolleiste auf den Elektronenstrahl imaging-Bereich angezeigt.
      Hinweis: Strom und Spannungseinstellung variieren aufgrund unterschiedlicher SEMs.
    4. Suchen die Microchannel (0,2 mm x 1,5 mm) durch Drehen der " X " und " Y " verlagern Knöpfe auf dem Manual User Interface (MUI) Brett, das live-Bild auf dem Kontrollmonitor zu beobachten. Zeichnen Sie eine Linie parallel zu der Microchannel von einem Ende zum anderen mit der Maus. Klicken Sie " xT Align-Funktion " aus dem Drop-down-Menü der " Bühne " Registerkarte "auf der Symbolleiste und wählen Sie " horizontale " der Microchannel ausrichten.
    5. Setzen die Bühne Neigung auf 0° indem der Wert aus der " T " Listenfeld auf die " Navigation " Seite. Suchen Sie eine eindeutige Partikel-Funktion in der Nähe der Microchannel und zentrieren Sie ihn unter dem gelben Kreuz durch Verschieben der Bühne mit der " X " und " Y " Knöpfe zu verlagern. Vergrößern Sie die Funktion, um 1.000 X "und" Verdrehung der " Kontrast ", " Helligkeit ", " grob ", und " feine " Knöpfe auf der MUI, das Bild des Partikels Features optimieren.
    6. Kippen die Bühne, um 15°, indem der Wert von der " T " Listenfeld auf die " Navigation " Seite. Verwendung " Z-Control " durch herunterdrücken das Rad an der Maus und ziehen Sie das Feature wieder unter dem gelben Kreuz auf dem Bildschirm des Elektronenstrahls imaging Bereich nach die Bühne gekippt wird.
      1. Die Bühne wieder auf 30° Neigung und bringen das Feature wieder unter dem Kreuz mit der " Z-Control ". Kippen Sie die Bühne wieder auf 0° und beobachten Sie die Position des Elements zu; die Euzentrische Höhe wird bestätigt, wenn die Funktion nicht wesentlich zu verlagern.
        Hinweis: Ortung der Euzentrische Höhe wird durchgeführt, um zu halten die Ionenstrahl und Elektronenstrahl konzentriert an der gleichen Position, gute FIB Fräsen Präzision zu erreichen. Wiederholen Sie die Prozesse im Schritt 3.4.6, wenn die Funktion verschiebt sich deutlich nach Neigetisch wieder auf 0°. Die Euzentrische Höhe sollte für jede neue montierten Probe für die größtmögliche Genauigkeit eingestellt werden.
    7. Die Bühne bis 52° zu kippen, indem der Wert von der " T " Listenfeld auf die " Navigation " Seite.
      Hinweis: Der kippbare Grad variieren aufgrund verschiedener SEMs.
    8. Deaktivieren der " Pause " Symbol in der Menüleiste durch Klicken auf die Schaltfläche, um sicherzustellen, dass der Ionenstrahl imaging-Bereich auf. Schalten Sie die Gallium-Quelle-Ionenstrahl durch Anklicken der " Strahl auf " Taste unter der " Beam Control " Seite.
      1. Legen Sie die Beschleunigungsspannung der Ionenstrahl auf 30 keV und Strahlstrom auf 0,3 nA indem diese Werte aus der entsprechenden Spannung und aktuellen Listenfelder befindet sich auf der Symbolleiste. Der Microchannel in der Mitte dieser imaging-Bereich zu bringen.
    9. Wählen Sie den Kreis als das Muster durch die Auswahl dieser Funktion aus der Liste der " Muster " auf die " Musterung " Seite. Gesetzt die " Außendurchmesser " bis 1 µm, die " inneren Durchmesser " bis 0 µm der " Z Größe " bis 500 nm, und die " wohnen Zeit " um 1 µs in das entsprechende Textfeld ein.
      1. Art " Si " in der " Anwendung " Text box, weil der Hauptbestandteil des Fensters über-zu-sein-gefrästen Erkennung Siliziumnitrid ist. Klicken Sie auf das " Menü/Start Musterung Musterung " um zu beginnen, Fräsen die Löcher im Fenster erkennen, die der Microchannel abgedeckt. Wiederholen Sie der Mahlprozess mehrere Male, um eine Reihe von runden Löchern zu erhalten. In einem Experiment mehrere Bohrungen vorgenommen werden.
        Hinweis: Die Löcher sind 100 µm auseinander, von einer Seite der Microchannel zur anderen. Bewegen Sie schnell, um den Strahl Schaden auf der Sünde Membran zu minimieren. Die SEM-FIB Fräsen in der Regel beginnt der sehr nach links oder rechts beiderseits des Microchannel um verfolgen und Anzahl der Öffnungen leicht. Der Bediener kann von unten oder oben, je nach Ausrichtung des Kanals und persönlichen Vorlieben gehen wählen. Sicherzustellen, dass das SEM FIB-Fräsen ist fertig und ausreichend, damit die Probe innerhalb der Öffnungen sondiert werden kann.
  5. Vent die Kammer nach SEM/FIB
    1. kippen die Bühne wieder auf 0° durch Auswahl von 0 aus der " T " Listenfeld auf die " Navigation " Seite. Schalten Sie den Elektronenstrahl und Ionenstrahl durch Klicken auf " Strahl auf " Wenn der entsprechende Balken imaging Bereich aktiviert ist. Klicken Sie " Vent " auf die " Beam Control " Seite, die Probenkammer vent.

4. SALVI mit flüssigen Proben laden

    1. reinigen die SALVI mit VE-Wasser sorgfältig die SEM Kammertür öffnen, nachdem es vollständig entlüftet ist und SALVI Gerät lassen, wie es auf der Bühne ist.
      Hinweis: Um Zeit zu sparen auf Montage des Gerätes und die Konzentration, es wird dringend empfohlen, das Gerät auf der Bühne zu halten, wenn die Probe laden.
    2. In eine sterile Spritze 1 mL DI Wasser schöpfen, die Spritze mit dem Einlass von mikrofluidischen Vorrichtung unter Verwendung eines Polytetrafluorethylen-Schläuche-Adapters passend zu verbinden und langsam injizieren die Flüssigkeit für ca. 3-5 min.
      Hinweis: Eine Spritzenpumpe wird für alle Schritte empfohlen, die Injektion von Lösungen in der SALVI erforderlich ist. Dies kann in diesem Schritt erfolgen, indem eine 1 mL sterile Spritze, enthält die Lösung für einen Durchfluss von 100-250 µL/min unter Verwendung einer Spritzenpumpe bei konstanter Durchfluss kann verringern die Wahrscheinlichkeit von Schäden auf die Sünde Membran.
    3. Wiederholen Sie die Schritt 4.1.2 dreimal mit 1 mL 10 µg/mL AlOOH, vorbereitet in Schritt 1, um die Konzentration der Probe zu gewährleisten wird nicht durch das vorinstallierte DI-Wasser verdünnt.
    4. Nach der Injektion der Spritze entfernen. Schließen Sie den Einlass und Auslass von SALVI mit der Polyether-Ether-Keton-Union. Trocknen Sie jede Flüssigkeit außerhalb der SALVI mit Lab Tücher. Gibt es Luftblasen innerhalb des Polytetrafluorethylen Schläuche oder Mikrokanal, die Probeninjektion AlOOH wiederholen, bis keine Luftblasen innerhalb der Polytetrafluorethylen Schlauch gesehen werden.
      Hinweis: Finger-ziehen Sie die Polyether-Ether-Keton-Union. Verwenden Sie nicht zu viel Kraft beim Anziehen der Union um zu vermeiden, eine erhebliche interne Druckerhöhung im Inneren der SALVI-Gerät, das die Sünde Membran zu Schäden führen kann.
      Hinweis: Die Luftblasen im Inneren der Microchannel beeinflussen das Scannen können und verursachen Bild shIFT. Jede Flüssigkeit außerhalb des Gerätes wird den Vakuum Status beeinflussen, daher außerhalb von SALVI und Polytetrafluorethylen Schlauch sollte vor dem Einlegen in die Vakuumkammer gründlich getrocknet werden. Darüber hinaus sollte das Gerät nicht physischen Schaden (z.B. auf das Rohr gebrochen Sünde Membran Fenster geschnitten) haben, die zu undichten führt. Andernfalls der Kammerdruck erreichen nicht die gewünschte Hochvakuum, Luftblasen im Schlauch bilden können, und der flüssigen Probe gehen verloren beim Staubsaugen.

5. Flüssige SEM Imaging und der Elementaranalyse führen

    1. Bilder mit der ETD-Detektor und SE-Modus schließen die Probe Kammertür. Wählen Sie die " Hochvakuum " Modus auf die SEM-Software GUI unter die " Beam Control " Seite. Klicken Sie auf die " Pumpe "-Taste auf der " Beam Control " Seite beginnen, Staubsaugen und Handdruck auf die Kammertür anwenden, bis das gewünschte Vakuum hergestellt wird.
    2. Aktivieren den Elektronenstrahl imaging-Bereich durch Klicken auf die " Pause " Symbol in der Symbolleiste. Der Elektronenstrahl einschalten, indem Sie auf den " Strahl auf "-Taste auf der " Beam Control " Seite. Wählen Sie die ETD-Detektor und SE-Modus für Aufnahmen aus der " Detektoren " drop-down-Menü.
      1. Stellen die Beschleunigungsspannung auf 8 keV und Strahlstrom bis 0,47 nA aus der entsprechenden Listenfelder angezeigt auf der GUI-Symbolleiste auf den Elektronenstrahl imaging-Bereich. Legen Sie die WD als 7 mm durch Eingabe der Nummer " 7 " in das Textfeld der Koordinate " Z " auf die " Navigation " Seite wann die " Actual " Entfernung ausgewählt.
        Hinweis: Die Parameter der Strahl Spannung, Strom und Arbeitsabstand variieren aufgrund unterschiedlicher SEMs.
    3. Vergrößern die Funktion, um 1.000 × "und" Verdrehung der " Kontrast ", " Helligkeit ", " grob ", und " feine " Knöpfe auf der MUI, das Bild des Partikels Features optimieren.
    4. Zentrieren Sie das erste Loch im live-Bild des Elektronenstrahls imaging-Bereich durch das Verdrehen der " X " und " Y " Knöpfe auf dem MUI-Brett zu verlagern. Vergrößern Sie die Bilder mit Partikeln zu Vergrößerung 200.000 × durch Verdrehen der " Vergrößerung " Knopf auf dem MUI-Brett. Wählen Sie die Bildschirmauflösung " 1.024 × 884 " aus dem Listenfeld "auf der Symbolleiste".
    5. Legen Sie die Scan-Rate als 30 µs aus dem Listenfeld "auf der Symbolleiste. Drücken Sie die Taste F4 die Momentaufnahme des aktuellen Bildes in der Elektronenstrahl imaging-Bereich gezeigt.
    6. Drücken Sie Strg + S-Tasten, um die Bilddatei as.tif an die gewünschte Stelle mit der definierten Dateiname einschließlich eine inkrementelle Zahl speichern.
    7. Verkleinern durch Verdrehen der " Vergrößerung " Knopf, um zum nächsten benachbarten Loch zu finden. Wiederholen Sie die Schritte in Schritten 5.1.4 - 5.1.6 AlOOH Partikel in den Rest der Löcher Bild.
  2. Führen Elementaranalyse mit EDX
    1. Energy Dispersive Spektroskopie (Hrsg.)-Detektoren in der Kammer einfügen.
    2. Wählen Sie aus den ETD-Detektor auf dem Mikroskop Kontrollmonitor und SE-Modus für die Anzeige der Probenmaterials auf die Elektronen-Strahl-imaging-Bereich. Legen Sie die Beschleunigungsspannung auf 8 keV, die aktuelle 0,47 nA und die WD bis 7 mm wie in Schritt 5.1.2 beschrieben.
    3. Vergrößern die AlOOH Partikel in jedes Loch mit 200.000 X Vergrößerung durch Verdrehen der " Vergrößerung " Knopf auf dem Brett MUI.
      Hinweis: Halten Sie den Elektronenstrahl konzentriert an der gleichen Stelle um so mehr lokalisierten elementare Informationen bieten. Ein Bild des AlOOH finden Sie in Abbildung 1a.
    4. Öffnen Sie die zugehörigen EDAX Software.
      Hinweis: Die dazugehörige Software variieren aufgrund unterschiedlicher Instrumente ' Konfigurationen.
    5. Klicken " starten Sie die Aufnahme neuer Spektren " in der Benutzeroberfläche (UI) der EDX-Spektrum zu sammeln. Wählen Sie " Peak ID " Auswahl der wahrscheinlichen Elemente des Spektrums. Beobachteten Elemente, z. B., Sauerstoff in diesem Fall geben Sie in das " Element " Feld. Klicken Sie " hinzufügen " das Element auf das Spektrum anwenden.
    6. Klicken Sie auf " Datei " und klicken Sie dann auf " speichern unter ". Speichern der spektralen in.csv Datenformat mit den gewünschten Dateinamen für weitere Plotten mit einem Grafik-Software.
    7. Wiederholen Sie die Schritte in Schritten 5.3.3 - 5.3.6 das EDX-Spektrum von jedem Loch aufnehmen.
    8. Nach Beendigung der Bildgebung und Spektrum Aufnahme für jedes der Löcher, schalten Sie den Elektronenstrahl durch Klicken auf " Strahl auf "-Taste auf der " Beam Control " Seite, wenn der Elektronenstrahl imaging Bereich aktiviert ist. Entlüften die SEM-Kammer durch Klicken auf " Vent " auf der gleichen Seite. Nehmen Sie vorsichtig die Probe von der Bühne durch die Bänder entfernen, nachdem die Kammertür geöffnet ist.
    9. Wiederholen Sie das Verfahren zur Durchführung der Experimente mit der DI-Wasser und eine leere Microchannel.

6. Plot der EDX-Spektrum

  1. the.csv Spektrum Importdatei in eine Grafik-Software.
  2. Grundstück das Spektrum mit der Energie-Ebene als die x-Achse und die Intensität empfangen und verarbeitet durch die EDX als y-Achse die rekonstruierten Spektren zeigen Figuren 2a , 2 b und 2 c.

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Representative Results

Die repräsentative Ergebnisse um zu zeigen, wie die Partikel abgebildet werden und mittels in Situ flüssige SEM Bildgebung gepaart mit EDX analysiert. Die Ergebnisse umfassen SE Bilder und EDX-Spektren. Die SE Bilder wurden auf X 100.000 und 200.000 X Vergrößerung Ebene in Abbildung 1erhalten. Abbildung 1a zeigt das SE Bild der AlOOH, Abb. 1 b DI-Wasser und Abbildung 1 c das Loch in einem leeren Kanal. Die Bilder wurden durch die Anwendung erhalten SE mit 8 keV Beschleunigungsspannung und 0,47 nA Strahl Strom. Die verwendete Bildschirmauflösung 1.024 × 884 mit einem Scan-Rate von 30 µs. entsprechend, Abbildung 2 zeigt die EDX-Spektren aus der AlOOH Partikel im Wasser (Abb. 2a), DI Wasserprobe (Abb. 2 b) und das Loch in einem leeren Kanal (erkannt Abbildung 2 c), anhand der gemessenen elementare Zusammensetzung. Die EDX-Spektren wurden mit dem gleichen Strom und Spannungseinstellung wie für SE Bilder erhalten. Die Informationstiefe ist aus der flachen Region an der Probenoberfläche durch die Wahl der Niederspannung. Die Rohdaten der elementaren Spektren ist ausgegebenen as.csv Datei und geplottet mit einem Grafik-Software für die Präsentation.

Figure 1
Abbildung 1: SE Bilder. Diese Bilder wurden durch die Anwendung erhalten SE mit 8 keV Beschleunigungsspannung und 0,47 nA Strahl Strom. Die Bildschirmauflösung genutzt wurde 1.024 × 884 mit einem Scan-Rate von 30 µs. (1a) AlOOH bei 200, 000 X, (1 b) DI Wasser bei 100, 000 X (1 c) und einer leeren Kanal bei 200, 000 X. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: EDX Spektren. EDX-Spektren wurden erworben im SE-Modus mit 8 kV Beschleunigungsspannung und 0,47 nA Strahl Strom. (2a) Spektrum der AlOOH im Wasser. (2 b) Spektrum von VE-Wasser-Probe. (c) Spektrum der Bohrung in einem leeren Kanal. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

SEM ist eine leistungsfähige Technik in Oberflächencharakterisierung von organischen und anorganischen Materialien auf ein Niveau von nanoskaligen (nm) mit hoher Auflösung1. Beispielsweise ist es für die Analyse von festen und trockenen Proben wie geologischen Materialien26 und Halbleiter27verbreitet. Es hat jedoch Einschränkungen bei der Charakterisierung von Feuchte und flüssige Proben durch die Unvereinbarkeit der Flüssigkeit innerhalb der hoch aufgesaugten Umgebung für Elektronenmikroskopie1erforderlich. SEM Probenvorbereitung oft erfordert Dehydrierung oder Gefriertrocknung für einen hydratisierten Probe und besonders für biologische Proben2. Infolgedessen ist es schwierig, genau die Informationen natürlich hydratisiert oder flüssige Proben zu erfassen, wie ihre innere Informationen während der Probe Vorbereitung Prozess28,29verloren gehen kann. Dies kann unter anderem beschränkt sich nicht auf biologische Aktivität in den Zellen, die Synthese von Nanopartikeln in Lösung, Aggregation der Partikel in komplexen Flüssigkeit und elektrochemische Reaktionen. Obwohl die ESEM hydratisierte Proben in einer kontrollierten Dampf Umgebung abbilden kann, konnte die Auflösung der Bilder nicht so hoch wie die REM-Bilder von den festen Proben in den hohen Vakuumbetrieb30,31,32 erreichen , 33. vor kurzem nassen Proben ein Elektron transparente Dünnschicht-6 fallenden oder versiegelt durch eine Probe Kapsel30 SEM war beschäftigt, als rückgestreute Elektronen wurden für Bilder, die mit dieser Methode gesammelt wurden.

SALVI ist eine vielseitige mikrofluidischen-Schnittstelle, die Oberflächenanalyse von Flüssigkeiten mit Vakuum-basierten Instrumenten wie TEM und ToF-SIMS ermöglicht hat. 11 , 12 , 13 , 14 unsere Technik mit SALVI und optimiert die SEM-Bedingungen kann SE Bilder und EDX kompositorischen Informationen liefern. Abbildung 1a präsentiert das SE Bild von Böhmit Partikeln in DI Wasser mit einem Submikron-Maßstab (400 nm) und hoher Vergrößerung von 200.000. REM-Aufnahme zeigt die Morphologie und Verteilung der Partikel Böhmit in Flüssigkeit, die überprüft, ob die Partikel in der Flüssigkeit zu sehen und sicher innerhalb der Sünde Membran durch Oberflächenspannung20gehalten. Im Gegensatz dazu zeigt Figuren 1 b SE Bilder von DI-Wasser in der Bohrung mit 100.000 × Vergrößerungsgrad. Es bietet direkter Beweis, das Wasser Halt durch seine Oberflächenspannung ohne außerhalb undicht sein kann. Darüber hinaus wurde der Kammerdruck bei 1,0 × 10-5 Torr während der Messung konstant. Abbildung 1 c stellt ein Loch in einen leeren Kanal mit 200.000 × Vergrößerung; nichts wird in das Loch unter den gleichen Strom und Spannungseinstellungen beobachtet. Die SE flüssige bildgebende Funktion über diesen Ansatz bietet hochauflösende SE Bilder im Vergleich zu den Mikrometer Auflösung rückgestreute Elektronen Bilder aufgenommen mit der gemeldeten nassen SEM Technik30.

EDX elementare Zuordnung erfolgt mittels AlOOH Partikel in VE-Wasser, VE-Wasser und den leeren Kanal bzw.. Die beiden letzteren werden als Referenz-Steuerelemente verwendet. Wie in Abbildung 2agezeigt, die Aluminium-Peak tritt bei rund 1,5 keV mit signifikantes Signal, zwar gibt es keine markante Gipfel, die an die gleiche Energie in die DI-Wasser und den leeren Kanal EDX-Spektren. Das Sauerstoff-Signal ist dominant in AlOOH und DI-Wasser, das bestätigt, dass dieses Signal aus dem Wasser kommt. Dies bestätigt weiter, dass Partikel während der Bildgebung in Wasser eingetaucht sind. Die C und Si Gipfel in Figuren 2a, 2 b und 2 c sind aus der Carbon-Beschichtung der Fenster "Erkennung" und Sünde Membran bilden den Erfassungsbereich bzw.. Der N-Gipfel ist auch von der Sünde-Membrane. Der EDX-Vergleich zeigt die Erkennung der Aluminium Zusammensetzung des AlOOH im Wasser, darauf hinweist, dass die Böhmit Partikel tatsächlich eingehalten werden.

In früheren Arbeiten haben wir die Machbarkeit der Beschäftigung einer mikrofluidischen Zelle und Hochvakuum SEM Bild und charakterisieren die flüssige Probe mit DI Wasser und Immunglobulin G (IgG) gold-Nanopartikel12,20gezeigt. In diesen früheren Werken, gold-Nanopartikel waren kleiner als 10 nm. In dieser Arbeit zeigen wir, dass Böhmit Teilchen mit viel größeren Größen (< 100 nm) kann auch durch flüssige SEM untersucht werden Die Lochgröße errechnete Sicherstellung ausreichender imaging-Bereich noch genügend Oberflächenspannung die Flüssigkeit im Rahmen zu halten. Ursprünglich war das Loch hergestellt unter Verwendung der Gallium-Ionenstrahl, um Runde Öffnungen von 2 µm im Durchmesser vor Gerätemontage in der ursprünglichen Erfindung12,20zu machen. In diesem Update zeigen wir, dass die Erkennung Öffnungen erfolgen können, nachdem das Gerät montiert ist, so dass des gesamten Prozess optimiert. Eine eröffnen kann auch beliebig viele Erkennung Fenster in eine Analyse erforderlich und ist nicht begrenzt durch die Löcher vor ein Experiment gemacht. Die 2 µm Durchmesser Erkennung Fenster eignen sich für Techniken wie ToF-SIMS, und es ist auch möglich in flüssigen SEM Wegen der hohen Vergrößerung Fähigkeit von SEM, das neue Ergebnis zeigt, dass kleinere Blende (z. B.1-2 µm) funktioniert gut in SEM (Abbildung 1a).

Einige technische Details sind erwähnenswert um flüssige SEM Messungen in Situ erfolgreich zu machen. Zunächst muss das Gerät mit Carbon oder Gold beschichtet werden, um Aufladung während der Messungen zu reduzieren. Zweitens ist die Montage des Gerätes Recht kritisch in diesem Verfahren. Wackelkontakt des Gerätes mit der Montage-Bühne führt bedeutende Aufladung, Schwierigkeiten beim fokussieren und schlechte Bilder. Drittens wenn man mehr als eine Probe mit dem gleichen Gerät analysieren will, benötigt die Probe-Reihenfolge einige Gedanken. Obwohl das Gerät verfügbar ist, ist es wahrscheinlich ein Gerät mehr als einmal verwendet werden kann. Man kann Wasser oder Lösungsmittel z. B. für den Erhalt der Daten der Kontrollstichprobe, gefolgt von der Analyse einer Probe mit Partikeln oder anderen Arten von Interesse mit der gleichen Lösungsmittel. Es wird empfohlen, die Probenaufgabe einzuführen, nachdem das SALVI Gerät gesichert und Erkennung Löcher erfolgt über SEM/FIB. Die FIB dient einzig und allein für die Löcher auf der Erkennung Fenster Membran Fräsen. Wenn die Membran durch ein anderes Instrument vorbereitet wird oder die Membran mit Löchern zur Verfügung von den Lieferanten gestellt, ist es nicht nötig, FIB um Löcher vor der SEM-Analyse zu machen. Bewegen des Gerätes Weg von der Probe-Bühne für Probenaufgabe und wieder Einbau verschwendet viel Zeit, aber auch das Risiko einer schlechten Verbindungen zwischen dem Gerät und dem Probentisch hinzufügen und was zu einer unterschiedlichen Arbeitsabstand. Der SEM-Betreiber müssen auch neu auszurichten und suchen Sie den Kanal und Mikrometer Größe Runde Erkennung Windows wieder.

Mit Submikron Auflösung und präzise elementare Informationen, die in dieser Studie präsentiert, die wir uns vorstellen, dass die Integration der vakuumtaugliche mikrofluidischen Zelle (d.h.SALVI) mit hohen Vakuumbetrieb SEM allgemein bei der Identifizierung genutzt werden kann und beobachten natürlich verschiedene hydratisiert Exemplare, geologischen Proben, biologischen Proben und Nanomaterialien in Flüssigkeit synthetisiert. Mit den technologischen Verbesserungen an denflüssige SEM Ansatz werden vorher besprochen, wir zeigen, dass eine größere Vielfalt von Submikron-Partikel unterschiedlicher Größe mit diesem neuen Ansatz untersucht werden kann. Schließlich öffnet in Situ flüssige SEM mehr Gelegenheit, Exemplare in Flüssigkeit mit hohem Vakuum SEM zu studieren

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Wir sind dankbar, Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) nuklearen Prozess Science Initiative (NPSI)-Labor leitete Forschung und Entwicklung (LDRD) Fonds für die Unterstützung. Dr. Sayandev Chatterjee vorgesehen die synthetisierte Böhmit Partikel. Instrumental wurde durch W. R. Wiley Umwelt Molecular Sciences Laboratory (EMSL) allgemeine Benutzer Vorschlag zur Verfügung. EMSL ist eine nationale wissenschaftliche Benutzer Einrichtung Büro der biologischen und ökologischen Forschung (BER) auf PNNL gesponsert. Battelle für DOE unter Vertrag DE AC05 76RL01830 PNNL gesteuert.

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.

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Chemie Ausgabe 127 Böhmit in Situ Flüssigkeit Scanning Electron Microscopy imaging Elementzusammensetzung Kartierung Mikrofluidik Scanning Electron Microscopy
<em>In Situ</em> Charakterisierung von Böhmit Teilchen im Wasser mit flüssigem SEM
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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).

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