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Chemistry

In Situ Caratterizzazione delle particelle Boehmite in acqua usando liquido 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

Presentiamo una procedura per l'analisi di composizione elementare di boehmite particelle in acqua deionizzata e immagini in tempo reale di in situ liquido scansione microscopia elettronica.

Abstract

In situ un analisi elementale e imaging delle particelle boehmite (AlOOH) in acqua è realizzato utilizzando il sistema per analisi all'interfaccia liquido di vuoto (SALVI) e microscopia elettronica a scansione (SEM). Questo documento descrive il metodo e passi cruciali nell'integrare il vuoto SAVLI compatibile a SEM e ottenere elettroni secondari (SE) immagini di particelle nel liquido in alto vuoto. Spettroscopia di raggi x dispersiva di energia (EDX) viene utilizzata per ottenere analisi elementare delle particelle nel liquido e controllo campioni inclusi acqua deionizzata (DI) solo e anche un canale vuoto. Boehmite sintetizzato (AlOOH) particelle sospese in un liquido sono usate come modello nell'illustrazione liquido SEM. I risultati dimostrano che le particelle possono essere imaged in modalità SE con buona risoluzione (cioè, 400 nm). Lo spettro di AlOOH EDX Mostra segnale significativo dall'alluminio (Al) se confrontato con l'acqua DI ed il controllo di canale vuoto. In situ liquido SEM è una tecnica potente per studiare le particelle nel liquido con molte applicazioni interessanti. Questa procedura mira a fornire il know-how tecnico per condotta liquido SEM imaging e l'analisi EDX utilizzando SALVI e ridurre potenziali problemi quando si utilizza questo approccio.

Introduction

Microscopio elettronico a scansione (SEM) è stato ampiamente applicato per indagare su una serie di esemplari con la produzione di imaging ad alta risoluzione1. La spettroscopia di raggi x dispersiva di energia (EDX) connessa con il SEM consente la determinazione della composizione elementare1. Tradizionalmente, SEM è applicato per l'imaging di campioni solo asciutti e solidi. Negli ultimi 30 anni, SEM ambientale (ESEM) è stato sviluppato per analizzare i campioni idratati parziali in un vapore ambiente2,3,4,5. Tuttavia, ESEM è in grado di immagine i campioni bagnati, completamente fluidi con alta risoluzione desiderata6. Bagnate le cellule SEM sono state sviluppate anche agli esemplari di immagine bagnato utilizzando SEM7,8; Tuttavia, queste cellule sono state sviluppate principalmente per campioni biologici e retrodiffusa formazione immagine dell'elettrone e sono più accessibili per le applicazioni con quei disegni9,10.

Per affrontare le sfide nell'analizzare vari campioni nel loro ambiente nativo di liquido utilizzando SEM, abbiamo inventato un dispositivo microfluidico compatibile vuoto, sistema per l'analisi a liquido vuoto interfaccia (SALVI), per consentire un'alta risoluzione spaziale secondaria analisi elementare e imaging elettronico (SE) di campioni liquidi utilizzando la modalità high vuoto in SEM. Questa tecnica novella include le seguenti caratteristiche uniche: 1) liquido è sondato direttamente in una piccola apertura di 1-2 µm di diametro; 2) liquido si svolge all'interno del foro dalla tensione superficiale; e 3) SALVI è portatile e può essere adattato a più di una piattaforma analitica11,12,13,14,15,16,17 ,18.

SALVI è costituito da una membrana di nitruro (SiN) di 100 nm silicio di spessore e un microchannel ampia 200 µm in blocco di polidimetilsilossano (PDMS). La finestra di membrana peccato viene applicata per sigillare il microchannel. I dettagli di fabbricazione e le considerazioni di progettazione chiave erano dettagliati in precedenti lavori e brevetti11,19,20. Attualmente, un produttore e distributore leader di approvvigionamento dei materiali di consumo per microscopia ha acquistato la licenza per vendere dispositivi SALVI commercialmente per liquido SEM applicazioni21,22.

Le applicazioni di SALVI in strumenti analitici basati su vuoto sono state dimostrate usando una varietà di soluzioni acquose e le miscele complesse di liquide tra cui biofilm, cellule di mammifero, nanoparticelle ed elettrodo materiali12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. Tuttavia, gran parte del lavoro di cui sopra utilizzati spettrometria di massa di ioni secondari di tempo di volo (ToF-SIMS) come lo strumento di analisi della chiave, quindi l'applicazione del liquido SEM con SALVI non è stato esplorato completamente. In questo lavoro, SALVI è stato utilizzato per studiare le più grandi particelle colloidali non sferica in liquido utilizzando liquido SEM imaging e l'analisi elementare EDX. L'esempio è costituito da particelle di AlOOH sintetizzate presso il nostro laboratorio. Particelle di dimensioni submicrometriche boehmite sono conosciute per esistere in scorie altamente radioattive presso il sito di Hanford. Sono lenti a sciogliere e può causare problemi reologici nel trattamento dei rifiuti. Pertanto, è importante avere la capacità di caratterizzare le particelle boehmite in liquido25. Questo approccio tecnico può essere utilizzato per studiare boehmite in varie condizioni fisico-chimiche per migliorare la comprensione di queste particelle e le proprietà reologiche correlate. Queste particelle sono state utilizzate per illustrare passo passo come applicare SALVI per alto vuoto SEM al fine di studiare le particelle sospese in un liquido. Punti chiave tecniche per l'integrazione di SALVI e SEM e acquisizione dati SEM sono evidenziati all'interno della carta.

Il protocollo prevede la dimostrazione dell'analisi campione liquido utilizzando SALVI e liquido SEM imaging, per coloro che sono interessati ad utilizzare questa tecnica novella in diverse applicazioni di liquido SEM in futuro.

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Protocol

1. preparare campione liquido AlOOH

Nota: non toccare nulla all'interno della camera di SEM a mani nude o il campione. Guanti senza polvere devono essere indossati in ogni momento quando il manipolatore di SALVI e montarlo sul SEM fase al fine di evitare la potenziale contaminazione durante l'analisi della superficie.

  1. Fare una soluzione di riserva (1 mg/mL) di AlOOH
    1. sciogliere 10 mg di polvere di AlOOH in 10 mL DI acqua per rendere il 1 mg/mL soluzione AlOOH.
    2. Ultrasonicate la soluzione di riserva per 5 min.
      Nota: Il pH della soluzione di riserva è circa 4,6 misurato da un pH-metro. La soluzione di pH non è regolata e utilizzata in quanto è in questo lavoro.
  2. Fare una soluzione diluita di 10 µ g/mL
    1. l'1 mg/mL soluzione AlOOH a 10 µ g/mL, diluire 1 mL di erogazione in 99 mL DI acqua tramite pipetta.
    2. Ultrasonicate la soluzione per 5 min.
      Nota: Il pH della soluzione di riserva è di circa 5.8 misurato da un pH-metro dopo diluizione.

2. Sputter cappotto finestra di membrana peccato SALVI con carbonio

  1. inserire l'asta del carbonio nel PORTACANNA.
    Nota: Il portacanna può essere identificato come il pezzo che è fissato al coperchio incernierato.
  2. Utilizzare un paio di pinzette e rimuovere con cautela il nastro sulla SALVI ' telaio finestra s peccato membrana.
    Nota: Il nastro viene utilizzato per proteggere la membrana peccato prima dell'analisi di superficie.
  3. Fissare il dispositivo SALVI in posizione verticale all'interno della camera di SPALMATRICE di carbonio utilizzando nastri di carbonio per fissare i tubi di politetrafluoroetilene del dispositivo SALVI sul palco della spalmatrice. Chiudere il coperchio.
  4. Premere il " potere " pulsante per avviare la pompa per vuoto.
  5. Premere il " tensione " pulsante al pannello frontale della spalmatrice di carbonio e impostare il valore a 4.6 V regolando l'alto (▲) e giù (▼) pulsanti per questa operazione.
    Nota: L'impostazione della tensione può variare a causa di vari dispositivi a induzione carbonio.
    6. Monitor
  6. accendere lo spessore del rivestimento di commutazione suo " potere " pulsante. Deselezionare la lettura visualizzata nella schermata di " spessore (nm) " a zero premendo il tasto " ZERO " se la lettura non è zero. Premere il " TIMER " presso la spalmatrice di carbonio ' il pannello frontale s impostare il tempo di deposizione a 30 s regolando l'alto (▲) e giù (▼) pulsanti.
  7. Mantenere la spalmatrice di carbonio ' modalità di funzionamento di s per automatica tramite il pulsante di commutazione " AUTO ◄ ► manuale " a " AUTO ". Interruttore il " START/STOP " pulsante a " iniziare " quando il vuoto raggiunge circa 4 × 10 -4 mbar come misurato tramite il vuotometro presso la spalmatrice di carbonio ' pannello frontale s.
  8. Una volta che il monitor di spessore indica che il rivestimento di carbonio ha raggiunto 20 nm, premere il " stop " pulsante per terminare il processo di rivestimento e di sfogare il sottovuoto.
  9. Aprire il coperchio ed estrarre il dispositivo SALVI di carbonio rivestito utilizzando i guanti in vinile nell'utilizzo dell'apparecchio.
    Nota: Rivestimento del campione con carbonio crea uno strato conduttivo sul campione per inibire l'effetto di carico e per migliorare il segnale SE necessario per l'imaging di SEM. Memorizzare in modo sicuro il dispositivo rivestito in una capsula Petri pulita con un coperchio fino a quando il dispositivo è pronto per essere installato in fase di SEM. Al fine di garantire che la membrana di peccato è sufficientemente rivestita, si raccomanda di controllare visivamente il dispositivo dopo il rivestimento. Se il rivestimento non è abbastanza spesso, una seconda volta di polverizza rivestimento può essere applicata con lo spessore misurato fino a 10 nm.

3. Montare il dispositivo e uso SEM/Focused Ion Beam (FIB) per rendere aperture su SALVI peccato membrana mediante FIB

computer di controllo
  1. aprire la camera di esemplare SEM
    1. Apri il software di controllo associato microscopio sullo strumento SEM.
      Nota: Il software di controllo può variare a causa di vari SEMs.
    2. Sfiato camera di esemplare cliccando " Vent " sull'interfaccia utente grafica (GUI) del software di controllo associato microscopio sotto " controllo del fascio " scheda per aprire la porta della camera.
    3. Aprire la porta della camera con attenzione (una volta completato lo sfiato).
  2. Montare il dispositivo SALVI sul palco SEM
    Nota: controllare la superficie della membrana peccato per vedere se è intatto o visivamente o utilizzando un microscopio ottico prima del montaggio. Il dispositivo SALVI montato sul palco SEM non deve toccare il rivelatore di Everhart Thornley rivelatore (ETD) all'interno della camera del campione.
    1. Selezionare il SEM standard albero mozzo del titolare di campione. Fissare lo stub il centro della scena utilizzando l'apposita vite e chiave esagonale.
    2. Posto due strisce di nastro biadesivo carbonio sullo stub.
    3. Stick il dispositivo SALVI sul nastro carbonio immesso sullo stub con il lato di membrana peccato verso up.
    4. Immobilizzare saldamente la SALVI sullo stub utilizzando un ulteriori due strisce di nastro di rame monofaccia da associare al blocco di SALVI PDMS allo stub metal SEM. Inoltre, è possibile utilizzare i nastri di rame per collegare il telaio di peccato e lo stub di metallo. Assicurarsi che il nastro non copre completamente la membrana SiN.
      Nota: L'uso di nastri di carbonio e rame contribuire a garantire un percorso continuo di messa a terra per la rimozione di carica dalla membrana peccato durante la misurazione di SEM. La posizione del nastro sul bordo del telaio peccato è abbastanza importante, perché garantisce la messa a terra e riduce la carica durante l'analisi. Parte inferiore del dispositivo deve anche avere pieno contatto con lo stub di SEM tramite nastro biadesivo carbonio. Il nastro non deve coprire la membrana di peccato per evitare possibili danni nella gestione.
  3. Pompa giù la camera di esemplare
    1. chiudere lo sportello della camera di esemplare. Selezionare il " alto vuoto " modalità sul software SEM GUI sotto il " controllo del fascio " pagina.
    2. Clic la " pompa " sul pulsante il " controllo del fascio " pagina per iniziare l'aspirazione e applicare una pressione a mano per il portello della camera finché non viene stabilito il vuoto desiderato.
      Nota: La pressione dell'alloggiamento deve raggiungere almeno 1,0 × 10 -5 Torr e deve rimanere costantemente pari o inferiore a questo valore prima di formazione immagine. Si tratta di un passo importante per consentire la risoluzione alta risoluzione per l'imaging. L'impostazione di pressione possa essere monitorato da nell'angolo destro della GUI.
  4. Praticare aperture nella membrana del peccato mediante FIB
    1. attivare il fascio di elettroni area di imaging cliccando il " pausa " icona sulla barra degli strumenti. Accendere il fascio di elettroni facendo clic la " fascio su " il tasto la " controllo del fascio " pagina. Selezionare il rivelatore di ETD e le modalità per l'imaging da SE la " rivelatori " menu a discesa.
      Nota: Il rilevatore può variare a causa della diversa configurazione del SEMs. Il rivelatore in-lente è anche applicabile per l'analisi di liquido SEM.
    2. Link la Z coordinare valore per l'effettivo Free valore di distanza di lavoro (FWD) cliccando il " Link " icona sulla barra degli strumenti. Impostare la distanza di lavoro (WD) come 10mm digitando il numero 10 nella casella di testo della coordinata " Z " sul " navigazione " pagina quando il " reale " distanza è selezionata.
      Nota: Il WD può variare a causa di vari SEMs.
    3. Impostare il fascio di elettroni corrente 0.47 nA, la tensione accelerare a 8 keV e la risoluzione di 1.024 × 884 dal corrispondente elenco finestre visualizzate sulla barra degli strumenti all'area di imaging il fascio di elettroni.
      Nota: La corrente e l'impostazione della tensione può variare a causa di diversi SEMs.
    4. Individuare il microchannel (0,2 x 1,5 mm) ruotando il " X " e " Y " pomelli cambio sulla scheda Manuale User Interface (MUI) per osservare l'immagine dal vivo sul monitor di controllo. Disegnare una linea in parallelo per il microchannel da un'estremità a altra utilizzando il mouse. Fare clic su " xT funzionalità Allinea " dall'elenco a discesa di " fase " scheda sulla barra degli strumenti e selezionare " orizzontale " per allineare il microchannel.
    5. Impostare l'inclinazione di fase 0 ° selezionando il valore dalla " T " casella di riepilogo sul " navigazione " pagina. Individuare una caratteristica distinta particella vicino il microchannel e centrarla sotto la croce gialla spostando il palco con il " X " e " Y " pomelli cambio. Ingrandire la caratteristica per 1.000 X e torsione il " contrasto ", " luminosità ", " grossolana ", e " bene " manopole il MUI per ottimizzare l'immagine della caratteristica particella.
    6. La tappa a 15 ° di inclinazione selezionando il valore dalla " T " casella di riepilogo sul " navigazione " pagina. Uso " Z-controllo " premendo verso il basso la rotella del mouse e trascinare la funzione indietro sotto la croce gialla nella schermata dell'area di imaging dopo la fase viene inclinata il fascio di elettroni.
      1. La fase nuovamente a 30 ° di inclinazione e riportare la funzionalità sotto la croce con il " Z-controllo ". La fase torna a 0 ° di inclinazione e osservare la posizione della funzionalità; l'altezza di eucentric è confermato se la funzione non cambiare significativamente.
        Nota: L'altezza di eucentric di posizionamento viene eseguita per mantenere il fascio di ioni e fascio di elettroni concentrati nella stessa posizione per raggiungere FIB buona precisione di fresatura. Se la funzionalità Sposta significativamente dopo la fase torna a 0 ° di inclinazione, ripetere i processi nel passaggio 3.4.6. L'altezza di eucentric dovrebbe essere regolata per ogni nuovo campione montato per la massima precisione.
    7. La fase al 52° di inclinazione selezionando il valore dalla " T " casella di riepilogo sul " navigazione " pagina.
      Nota: Il grado di inclinazione può variare a causa di vari SEMs.
    8. Disattiva la " pausa " icona sulla barra degli strumenti facendo clic sul pulsante per garantire che il fascio di ioni area di imaging è su. Accendere il fascio di ioni di gallio fonte facendo clic sul " fascio su " pulsante sotto il " controllo del fascio " pagina.
      1. Impostare la tensione accelerare del fascio ionico a 30 keV e fascio attuale a 0,3 nA selezionando questi valori dal corrispondente tensione e corrente caselle di riepilogo si trova la barra degli strumenti. Portare il microchannel al centro di questa area di imaging.
    9. Scegliere il cerchio come il modello selezionando questa funzionalità dalla casella di riepilogo di " modello " sui " Patterning " pagina. Impostare il " diametro esterno " a 1 µm, il " diametro interno " a 0 µm, il " Dimensione Z " a 500 nm e la " Dwell Time " a 1 µs nella casella di testo corrispondente.
      1. Tipo " Si " alla " applicazione " casella di testo perché il componente principale della finestra di rilevazione su-per-essere-fresato è nitruro di silicio. Quindi scegliere il " Patterning menu/Start patterning " pulsante per iniziare i fori sulla finestra rilevamento che copriva il microchannel di fresatura. Ripetere il processo di fresatura più volte per ottenere una serie di fori rotondi. In un esperimento, potranno essere resi diversi fori.
        Nota: I fori sono 100 µm a parte, da un lato del microchannel a altro. Muoversi rapidamente per ridurre al minimo il danno del fascio sulla membrana peccato. Il FIB SEM processo di fresatura di solito inizia dal lato molto sinistro o destro del microchannel al fine di tenere traccia e numero facilmente le aperture. L'operatore può scegliere di andare dalla parte inferiore o superiore a seconda dell'orientamento del canale e preferenze personali. Assicurarsi che la fresatura SEM FIB sia completato e adeguata in modo esemplare può essere sondata entro le aperture.
  5. Sfogare la camera dopo il SEM/FIB
    1. la fase torna a 0 ° di inclinazione selezionando 0 dalla " T " casella di riepilogo sul " navigazione " pagina. Disattivare il fascio di elettroni e il fascio di ioni facendo " fascio su " quando è attivato il fascio corrispondente area di imaging. Fare clic su " Vent " sui " controllo del fascio " pagina per sfogare la camera esemplare.

4. Caricare SALVI con campioni liquidi

  1. accuratamente pulire la SALVI utilizzando acqua DI
    1. aprire lo sportello della camera di SEM dopo esso è completamente ventilato e lasciare il dispositivo SALVI come è sul palco.
      Nota: Per risparmiare tempo per il dispositivo di montaggio e di messa a fuoco, è fortemente raccomandato per mantenere il dispositivo sul palco durante il caricamento del campione.
    2. Disegnare 1 mL DI acqua in una siringa sterile, collegare la siringa con l'ingresso del dispositivo microfluidico tramite un raccordo per adattatore tubo politetrafluoroetilene e iniettare lentamente il liquido per un minimo di 3-5
      Nota: Una pompa a siringa è consigliata per tutti i passaggi dove iniettare soluzioni la SALVI è richiesto. Questo può essere fatto in questo passaggio impostando una siringa sterile 1 mL contenente la soluzione per una portata di 100-250 µ l/min., utilizzando una pompa a siringa ad una portata costante può fare diminuire la probabilità di danni alla membrana SiN.
    3. Ripetere passo 4.1.2 tre volte con 1 mL di 10 µ g/mL AlOOH, preparato nel passaggio 1, per garantire la concentrazione del campione non è diluito con l'acqua DI precaricato.
    4. Dopo l'iniezione, rimuovere la siringa. Collegare l'ingresso e l'uscita di SALVI mediante l'Unione di polietere etere chetone. Asciugare qualsiasi liquido fuori la SALVI con salviettine di laboratorio. Se ci sono eventuali bolle all'interno della tubazione di politetrafluoroetilene o microchannel, rifare l'iniezione del campione di AlOOH fino a quando non ci sono bolle sono visti all'interno del tubo di politetrafluoroetilene.
      Nota: Serrare a mano l'Unione di polietere etere chetone. Non usare troppa forza durante il serraggio dell'Unione per evitare di creare un aumento di pressione interna significativa all'interno del dispositivo SALVI, che potrebbe provocare danni alla membrana SiN.
      Nota: Le bolle all'interno del microchannel potrebbero influenzare la scansione e causare immagine shIFT. Qualsiasi liquido di fuori del dispositivo influenzerà lo stato vuoto, pertanto all'esterno del SALVI e tubi di politetrafluoroetilene deve essere completamente asciutto prima di inserirla per la camera a vuoto. Inoltre, il dispositivo non dovrebbe avere danni fisici (ad es., tagliare il tubo, peccato membrana finestra rotto) che conduce alla colatura. In caso contrario, la pressione della camera non può raggiungere l'alto vuoto desiderato, bolle nel tubo, e il campione liquido andranno perso durante l'aspirazione.

5. Analisi elementare e liquido SEM Imaging

  1. di prendere le immagini utilizzando il rivelatore di ETD e modalità SE
    1. chiudere lo sportello della camera di esemplare. Selezionare il " alto vuoto " modalità sul software SEM GUI sotto il " controllo del fascio " pagina. Fare clic sul " pompa " pulsante sul " controllo del fascio " pagina per iniziare l'aspirazione e applicare pressione della mano per il portello della camera finché non viene stabilito il vuoto desiderato.
    2. Attivare il fascio di elettroni area di imaging cliccando il " pausa " icona sulla barra degli strumenti. Accendere il fascio di elettroni facendo clic la " fascio su " il tasto la " controllo del fascio " pagina. Selezionare il rivelatore di ETD e le modalità per l'imaging da SE la " rivelatori " menu a discesa.
      1. Impostare la tensione accelerare a 8 keV e fascio attuale a 0,47 nA dal corrispondente elenco finestre visualizzate sulla barra di GUI presso il fascio di elettroni area di imaging. Impostare il WD come 7mm digitando il numero " 7 " nella casella di testo della coordinata " Z " sul " navigazione " pagina quando il " reale " distanza è selezionata.
        Nota: I parametri del fascio tensione, corrente e distanza di lavoro variano a seconda della diversa SEMs.
    3. Ingrandire la caratteristica per 1.000 × e torsione il " contrasto ", " luminosità ", " grossolana ", e " bene " manopole il MUI per ottimizzare l'immagine della caratteristica particella.
    4. Centro del primo foro nell'immagine live del fascio area di imaging ruotando il " X " e " Y " pomelli cambio sulla scheda di MUI. Ingrandire le immagini con particelle di ingrandimento 200.000 × ruotando il " ingrandimento " manopola sulla scheda di MUI. Selezionare la risoluzione dello schermo " 1.024 × 884 " dalla casella di riepilogo sulla barra degli strumenti.
    5. Impostare la velocità di scansione come 30 µs dalla casella di riepilogo sulla barra degli strumenti. Premere il tasto F4 per scattare un'istantanea dell'immagine corrente mostrato nell'area di imaging il fascio di elettroni.
    6. Premere Ctrl + tasti S per salvare il file di as.tif di immagine nella posizione desiderata con il nome del file definito tra cui un numero incrementale.
    7. Zoom indietro ruotando il " ingrandimento " manopola per individuare la prossima buca adiacente. Ripetere le operazioni nei passaggi 5.1.4 - 5.1.6 all'immagine le particelle AlOOH nel resto dei fori.
  2. Condurre analisi elementare utilizzando EDX
    1. inserire i rivelatori Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) nella camera.
    2. Selezionare il rilevatore di ETD sul monitor di controllo del microscopio e modalità SE per la visualizzazione del campione sull'area di imaging del fascio di elettroni. Impostare la tensione accelerare a 8 keV, la corrente a 0,47 nA e il WD a 7 mm come descritto al punto 5.1.2.
    3. Ingrandire le particelle di AlOOH in ogni foro con ingrandimento 200.000 X ruotando il " ingrandimento " manopola sulla scheda di MUI.
      Nota: Tenere il fascio di elettroni focalizzato nello stesso punto in modo da fornire più informazioni elementare localizzate. Un'immagine di AlOOH è fornita in Figura 1a.
    4. Aprire il software associato EDAX.
      Nota: Il software associato può variare a causa di diversi strumenti ' configurazioni.
    5. Clic " avviare la registrazione di nuovi spettri " nell'interfaccia utente (UI) per raccogliere lo spettro EDX. Selezionare " picco ID " per scegliere gli elementi probabili dello spettro. Digitare gli elementi osservati, per esempio, ossigeno in questo caso, nella " elemento " campo. Fare clic " aggiungere " di applicare l'elemento allo spettro.
    6. Fare clic sul " File " e quindi fare clic su " Salva con nome ". Salvare il formato di in.csv di dati spettrali utilizzando il nome di file desiderato per la ulteriore stampa utilizzando un software di grafico.
    7. Ripetere le operazioni nei passaggi 5.3.3 - 5.3.6 per registrare lo spettro EDX da ogni buco.
    8. Dopo aver terminato l'imaging e spettro di registrazione per ciascuno dei fori, disattivare il fascio elettronico cliccando " fascio su " il tasto la " controllo del fascio " pagina quando il fascio di elettroni area di imaging è il. Sfiatare la camera di SEM cliccando " Vent " sulla stessa pagina. Rimuovere con cautela il campione fuori dal palco rimuovendo tutti i nastri dopo avere aperta la porta della camera.
    9. Ripetere la procedura per condurre gli esperimenti di controllo utilizzando l'acqua DI e un vuoto microchannel.

6. Tracciare lo spettro di EDX

  1. file di importazione CSV spettro in un software di grafico.
  2. Trama lo spettro utilizzando il livello di energia come l'asse x e l'intensità ricevuto ed elaborato dalla EDX come l'asse y per mostrare gli spettri ricostruiti, come mostrato nelle figure 2a , 2b e 2C.

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Representative Results

I risultati rappresentativi vengono presentati per mostrare come le particelle vengono ripresi e analizzati usando in situ liquido imaging SEM accoppiato con EDX. I risultati includono SE immagini e spettri EDX. Le immagini SE sono state ottenute a 100.000 X e 200.000 X ingrandimenti nella Figura 1. Figura 1a raffigura l'immagine SE di AlOOH, Figura 1b DI acqua e Figura 1 c il foro in un canale vuoto. Le immagini sono state ottenute applicando SE con 8 keV tensione accelerare e 0,47 nA corrente del fascio. La risoluzione dello schermo utilizzata è stato 1.024 × 884 con una velocità di scansione di 30 µs. corrispondentemente, la figura 2 Mostra gli spettri EDX rilevati dalle particelle AlOOH in acqua (Figura 2a), DI campione di acqua (Figura 2b) e il foro in un canale vuoto ( Figura 2 c), basato sulla composizione elementale misurata. Gli spettri EDX sono stati ottenuti utilizzando la stessa corrente e la tensione impostazione come che per le immagini di SE. La profondità delle informazioni è dalla regione superficiale sulla superficie del campione a causa della scelta di bassa tensione. I dati grezzi degli spettri elementari sono il file di output as.csv e tracciati utilizzando un software di grafico per la presentazione.

Figure 1
Figura 1: immagini SE. Queste immagini sono state ottenute applicando SE con 8 keV tensione accelerare e 0,47 nA corrente del fascio. La risoluzione dello schermo utilizzata è stato 1.024 × 884 con una velocità di scansione di 30 µs. (1a) AlOOH a 200, 000 X, (1b) DI acqua a 100, 000 X (1C) e un canale vuoto a 200, 000 X. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: EDX Spectra. Spettri EDX sono stati acquisiti in modalità SE con 8 kV tensione accelerare e 0,47 nA corrente del fascio. (2a) spettro di AlOOH in acqua. (2b), spettro di acqua campione. (c) spettro del foro in un canale vuoto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

SEM è una potente tecnica di caratterizzazione delle superfici di materiali organici ed inorganici a livello di nanoscala (nm) con alta risoluzione1. Ad esempio, è ampiamente usato per l'analisi dei campioni solidi e asciutti come materiali geologici a semiconduttore e26 27. Tuttavia, ha limiti nel caratterizzare i campioni liquidi e bagnati a causa dell'incompatibilità di liquido all'interno dell'ambiente altamente aspirato necessaria per microscopia elettronica1. Preparazione del campione SEM spesso richiede di disidratazione o liofilizzazione per un esemplare idratato e specialmente per campioni biologici2. Di conseguenza, risulta difficile per acquisire con precisione le informazioni di campioni naturalmente idratati o liquidi, come loro intrinseche informazioni potrebbero perdersi durante il campione preparazione processo28,29. Questo può includere, ma non è limitato a, attività biologica in cellule, sintesi di nanoparticelle in soluzione, l'aggregazione delle particelle in reazioni complesse di liquide ed elettrochimiche. Anche se l'ESEM può immagine idratati campioni in un ambiente controllato del vapore, la risoluzione delle immagini non potrebbe arrivare più in alto delle immagini di SEM di campioni solidi in modalità vuoto alta30,31,32 , 33. recentemente, campioni bagnati erano coperti da un elettrone film sottile trasparente6 o sigillati da un esemplare capsula30 quando SEM è stato impiegato, e gli elettroni di backscattered sono stati raccolti per immagini utilizzando questo approccio.

SALVI è un'interfaccia versatile microfluidici che ha permesso l'analisi della superficie dei liquidi utilizzando strumenti basati su vuoto come TEM e ToF-SIMS. 11 , 12 , 13 , 14 la nostra tecnica utilizzando SALVI e ottimizzato le condizioni SEM può fornire immagini SE e compositivo EDX. Figura 1a presenta l'immagine di SE di particelle boehmite in DI acqua con una scala di submicron (400 nm) e ad alto ingrandimento di 200.000. L'immagine di SEM Mostra la morfologia e la distribuzione delle particelle boehmite nel liquido, che verifica che le particelle in un liquido possono essere vista e tenute in modo sicuro all'interno della membrana di peccato da tensione superficiale20. Al contrario, figure 1b raffigura le immagini SE dell'acqua DI all'interno del foro a livello di ingrandimento × 100.000. Fornisce una prova diretta che l'acqua può essere presa dalla sua tensione superficiale senza colare fuori. Inoltre, la pressione della camera è stata mantenuta costante a 1,0 × 10-5 Torr durante la misurazione. Figura 1 c presenta un foro in un canale vuoto con 200.000 × ingrandimento; nulla è stato osservato all'interno del foro sotto la stessa corrente e le impostazioni di tensione. La capacità di imaging liquida SE tramite questo approccio fornisce alta risoluzione immagini SE rispetto alla risoluzione di micrometro di backscattered electron immagini acquisite usando il segnalati bagnato SEM tecnica30.

Elemental mapping EDX è condotta usando AlOOH particelle DI acqua e DI acqua solo il canale vuoto, rispettivamente. Le ultime due vengono utilizzati come riferimento a controlli. Come mostrato nella Figura 2a, il picco di alluminio si verifica a circa 1,5 keV con segnale significativo, mentre non vi è alcun picco prominente che appaiono allo stesso energia nell'acqua DI e gli spettri EDX canale vuoto. Il segnale di ossigeno è dominante in AlOOH sia DI acqua, che conferma che questo segnale viene dall'acqua. Questo ulteriore convalida che le particelle sono immerse in acqua durante la formazione immagine. Le cime C e Si figure 2a, 2b e 2C sono dal rivestimento di carbonio sulla finestra di rilevamento e membrana peccato che formano l'area di rilevamento, rispettivamente. Il picco di N è anche dalla membrana peccato. Il confronto EDX indica il rilevamento della composizione in alluminio di AlOOH in acqua, che indica che le particelle boehmite infatti sono osservate.

In precedenti lavori, abbiamo dimostrato la fattibilità di impiegare una cella di microfluidica e alto vuoto SEM immagine e caratterizzare il campione liquido, utilizzo DI acqua e l'immunoglobulina G (IgG) nanoparticelle d'oro12,20. In queste opere precedenti, nanoparticelle di oro erano più piccole di 10 nm. In questo lavoro, mostriamo quel boehmite particelle con dimensioni molto più grandi (< 100 nm) può anche essere studiato attraverso liquido SEM La dimensione del foro è stata calcolata per garantire sufficiente area di imaging ancora abbastanza tensione superficiale per tenere il liquido all'interno. Originariamente, il buco è stato fabbricato utilizzando il fascio di ioni di gallio per rendere aperture circolari di 2 µm di diametro prima del montaggio del dispositivo a invenzione iniziale12,20. In questo aggiornamento, indichiamo che le aperture di rilevazione possono essere fatta dopo che il dispositivo è montato, rendendo l'intero processo molto più semplice. Uno può anche aprire le finestre di rilevamento che serviva in un'analisi e non è limitato da fori effettuati prima di un esperimento. Le finestre di rilevamento di 2 µm diametro sono adatte per tecniche quali ToF-SIMS, ed è anche fattibile in liquido SEM. A causa della capacità di alto ingrandimento di SEM, il nuovo risultato dimostra che l'apertura più piccola (ad es., 1 2 µm) funziona bene in SEM (Figura 1a).

Alcuni dettagli tecnici sono degni di nota al fine di effettuare in situ liquido SEM misure di successo. In primo luogo, il dispositivo deve essere ricoperto di oro o di carbonio al fine di ridurre la carica durante le misurazioni. In secondo luogo, il montaggio del dispositivo è abbastanza critico in questa procedura. Contatto allentato del dispositivo con la fase di montaggio si tradurrà in carica significativa, difficoltà di messa a fuoco e immagini poveri. In terzo luogo, se si vuole analizzare più di un campione utilizzando lo stesso dispositivo, la sequenza di esempio necessita di qualche pensiero. Anche se il dispositivo è monouso, è probabile che un dispositivo può essere utilizzato più di una volta. Ad esempio, si può usare acqua o il solvente per ottenere i dati del campione di controllo seguito dall'analisi di un campione con particelle o altre specie di interesse utilizzando lo stesso solvente. Si raccomanda di introdurre l'introduzione del campione dopo il dispositivo SALVI è protetto e fori di rilevamento sono realizzati utilizzando SEM/FIB. Il FIB è impiegato esclusivamente per la fresatura di fori sulla membrana finestra rilevamento. Se la membrana è preparata da un altro strumento o la membrana è realizzata con fori disponibile dai fornitori, non è necessario utilizzare FIB per fare fori prima l'analisi SEM. Spostando il dispositivo lontano dal palco di campione per introduzione del campione e rimontando esso nuovamente spreca un sacco di tempo, mentre anche aggiungendo il rischio di scarse connessioni tra il dispositivo e la fase del campione e conseguente a una distanza di lavoro differenti. L'operatore di SEM può anche avere riorientare e trovare il canale e micrometro dimensioni tondo rilevamento windows nuovamente.

Con risoluzione di submicron e precise informazioni elementare presentato in questo studio, immaginiamo che l'integrazione della cella microfluidici vuoto-compatibile (cioè, SALVI) con la modalità alta vuoto SEM può essere ampiamente utilizzata nell'identificazione e osservando varie naturalmente idratata campioni, campioni geologici, campioni biologici e nanomateriale sintetizzato nel liquido. Con i miglioramenti tecnologici apportati per laapproccio di SEM liquido sono discussi in precedenza, dimostriamo che una più ampia varietà di particelle di submicron di diverse dimensioni possono essere studiate utilizzando questo nuovo approccio. In definitiva, in situ liquido SEM apre ulteriori opportunità di studiare esemplari in liquido utilizzando alto vuoto SEM

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Siamo grati alla scienza nucleare di processo Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) di iniziativa (NPSI)-fondo laboratorio diretto di ricerca e sviluppo (LDRD) per il supporto. Dr. Sayandev Chatterjee fornito le particelle boehmite sintetizzato. Accesso strumentale è stata fornita attraverso una proposta di utente generale W. R. Wiley Ambientale Molecular Sciences Laboratory (EMSL). EMSL è una struttura di uso scientifico nazionale sponsorizzata dall'ufficio di biologico e ambientale ricerca (BER) a PNNL. PNNL è gestito da Battelle per il DOE sotto contratto 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.

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Chimica problema 127 Boehmite liquido in situ scansione microscopia elettronica imaging Composizione elementare mappatura microfluidica scansione microscopia elettronica
<em>In Situ</em> Caratterizzazione delle particelle Boehmite in acqua usando liquido 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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