Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

In Situ Karakterisering av Boehmite partikler i vann med flytende 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

Vi presenterer en prosedyre for sanntids bildebehandling og elementær komposisjon analyse av boehmite partikler i deionisert vann av i situ væske skanning elektronmikroskop.

Abstract

In situ tenkelig og grunnleggende analyse av boehmite (AlOOH) partikler i vannet er realisert ved hjelp av systemet for analyse på flytende vakuum grensesnitt (SALVI) og skanning elektronmikroskop (SEM). Dette dokumentet beskriver metoden og nøkkel trinn integrere vakuum kompatible SAVLI til SEM og få videregående electron (SE) bilder av partikler i væske i høyvakuum. Energi dispersiv x-ray spektroskopi (EDX) brukes til å få grunnleggende analyse av partikler i flytende og kontroll prøver inkludert deionisert (DI) vann og en tom kanalen også. Syntetisk boehmite (AlOOH) partikler suspendert i væsken brukes som modell i flytende SEM illustrasjon. Resultatene viser at partiklene kan avbildes i SE modus med god oppløsning (dvs., 400 nm). AlOOH EDX spekteret viser betydelig signalet fra aluminium (Al) sammenlignet med DI vannet og den tomme kanal. In situ flytende SEM er en kraftfull teknikk å studere partikler i væske med mange spennende programmer. Denne prosedyren mål å gi teknisk kunnskap for å gjennomføre flytende SEM bildebehandling og EDX analyse bruker SALVI og å redusere potensielle fallgruver ved denne tilnærmingen.

Introduction

Scanning elektronmikroskop (SEM) er mye brukt for å undersøke en rekke prøver av produsere høy resolution tenkelig1. Energi dispersiv x-ray spektroskopi (EDX) tilknyttet SEM kan fastsettelse av elementær komposisjon1. Tradisjonelt brukes SEM for imaging bare tørr og solid. I de siste 30 årene, ble miljømessige SEM (ESEM) utviklet for å analysere delvis hydrert prøvene i en damp miljø2,3,4,5. ESEM er imidlertid ikke bilde våt, fullt væske prøvene med ønsket høy oppløsning6. Våt SEM celler ble også utviklet for bildet våt prøver med SEM7,8; Likevel, disse cellene ble utviklet hovedsakelig for biologiske prøver backscattered elektron bildebehandling og er mer tilgjengelig for programmer med de design9,10.

Utfordringene i å analysere forskjellige prøver i sitt opprinnelige flytende miljø med SEM, oppfant vi en vakuum kompatibel microfluidic enhet, System for analyse på den flytende vakuum grensesnitt (SALVI), aktivere høy romlig oppløsning sekundære elektron (SE) bildebehandling og grunnleggende analyse av flytende prøver med høy vakuum modus i SEM. Denne teknikken omfatter følgende unike funksjoner: 1) væske er direkte undersøkt i liten blenderåpning på 1-2 µm i diameter; 2) flytende holdes i hullet av overflatespenning; og 3) SALVI er bærbar og kan tilpasses til flere analytiske plattform11,12,13,14,15,16,17 ,18.

SALVI består av en 100 nm tykk silicon nitride (synd) membran og en 200 μm brede microchannel laget av polydimethylsiloxane (PDMS) blokk. Vinduet synd membranen brukes forsegle microchannel. Fabrikasjon detaljene og viktige Utformingshensyn ble beskrevet i tidligere artikler og patenter11,19,20. Foreløpig er har en ledende produsent og distributør av forbruksvarer forsyning for mikroskopi kjøpt lisens til å selge SALVI enheter kommersielt for flytende SEM programmer21,22.

Programmer SALVI vakuum-baserte analytisk instrumenter har vist benytter en variasjon av vandige løsninger og komplekse flytende blandinger inkludert biofilm, pattedyrceller, nanopartikler og elektroden materialer12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. men de fleste av de nevnte arbeidet brukes time-av-flight sekundære ion massespektrometri (ToF-SIMS) som nøkkel analyseverktøyet, dermed programmet flytende SEM med SALVI har ikke blitt undersøkt fullstendig. I dette arbeidet har SALVI blitt brukt til å studere større ikke-sfærisk kolloidalt partikler i væske med flytende SEM bildebehandling og EDX grunnleggende analyse. Utvalget består av AlOOH partikler ved vårt laboratorium. Submicrometer størrelse boehmite partikler er kjent i høyt nivå radioaktivt avfall på Hanford området. De er trege til å oppløse og kan forårsake reologiske problemer i avfallsbehandling. Derfor er det viktig å ha evnen til å karakterisere boehmite partikler i flytende25. Denne tekniske tilnærmingen kan brukes til å studere boehmite i ulike mekanisk-forhold for bedre forståelse av disse partikler og tilknyttede reologiske egenskaper. Disse partiklene ble benyttet for å demonstrere trinnvis hvordan du bruker SALVI høyvakuum SEM for å studere partikler suspendert i væske. Teknisk hovedpunkter for SALVI og SEM integrering og SEM datainnsamling utheves innenfor.

Protokollen inneholder demonstrasjon av flytende eksempel analyse bruke SALVI og flytende SEM bildebehandling, for de som er interessert i å utnytte denne teknikken i diverse programmer av flytende SEM i fremtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. klargjør AlOOH flytende prøve

Merk: ikke berør prøven eller inne SEM kammeret med bare hendene. Pulver gratis hansker bør brukes på alle tider når håndterer SALVI enheten og montere den på SEM scenen for å unngå potensielle forurensning under overflaten analyse.

  1. Gjør en AlOOH lager løsning (1 mg/mL)
    1. oppløse 10 mg av AlOOH pulver i 10 mL DI vann for å lage det 1 mg/mL AlOOH lagerløsning.
    2. Ultrasonicate lager løsningen for 5 min.
      Merk: pH i lager løsningen er ca 4.6 målt ved en pH-meter. Løsning av pH er ikke justert og brukes som det er i verket.
  2. Lage en utvannet løsning 10 µg/ml
    1. fortynne 1 mg/mL AlOOH lager løsning 10 µg/mL av dispenser 1 mL i 99 mL DI vann via pipette.
    2. Ultrasonicate løsningen for 5 min.
      Merk: pH i lager løsningen er omtrent 5,8 målt ved en pH-meter etter fortynning.

2. Spraking pels vinduet SALVI synd membran med karbon

  1. Sett inn karbon stangen i stangen innehaveren.
    Merk: Stangen innehaveren kan identifiseres som stykket som er knyttet til hengslet lokk.
  2. Bruker et par pinsett og forsiktig fjerne tapen på SALVI ' s synd membran vindusrammen.
    Merk: Båndet brukes til å beskytte SiN membranen før overflaten analyse.
  3. Sikre SALVI enheten stående inne i karbon coater kammeret med karbon tape for å fikse polytetrafluoroethylene slangen SALVI enheten på scenen av coater. Lukk dekslet.
  4. Trykk på " POWER " knapp å innviet vakuumpumpe.
  5. Trykk på " spenning " knappen på frontpanelet på karbon-coater og sette verdien til 4.6 V ved å justere opp (▲) og ned (▼) knappene for denne operasjonen.
    Merk: Spenningsinnstillingen kan variere på grunn av forskjellige karbon coaters.
  6. Slå på belegg tykkelse skjerm ved å slå sin " POWER " knappen. Fjern lesing vises i skjermbildet for " tykkelse (nm) " til null ved å trykke knappen " null " hvis lesing ikke er null. Trykk på " TIMER " på karbon coater ' s frontpanelet sette tid deponering til 30 s ved å justere opp (▲) og ned (▼) knapper.
  7. Holde karbon coater ' s Operasjonsmodus automatisk ved å bytte knappen " AUTO ◄ ► manuell " å " AUTO ". Bytte av " START/stopp " knappen " starte " når vakuum når ca 4 × 10 -4 mbar målt ved vakuum nederst karbon coater ' s frontpanelet.
  8. Når tykkelse skjermen indikerer at karbon belegget har nådd 20 nm, trykk på " stoppe " for å avslutte belegg prosessen og ventilere vakuum forseglingen.
  9. Åpner lokket og ta ut karbon belagt SALVI enheten bruker vinyl hansker når du håndterer enheten.
    Merk: Belegg prøven med karbon oppretter et ledende lag på prøve å hemme lading effekten og forbedre SE signalet kreves for SEM avbilding. Sikkert lagre belagt enheten i en ren Petriskål med et lokk til enheten er klar til installasjon i SEM scenen. For å sikre SiN membranen er tilstrekkelig belagt, anbefales det å sjekke enheten visuelt etter belegget. Hvis belegget ikke er tykk nok, en gang av frese belegg brukes med tykkelsen målt til 10 nm.

3. Montere enheten og bruk SEM/fokusert Ion strålen (FIB) å lage åpninger på SALVI synd membran bruker FIB

  1. Åpne SEM prøven kammeret
    1. åpne den tilhørende mikroskop programvaren på SEM apparatet kontroll datamaskinen.
      Merk: Kontrollprogramvaren kan variere på grunn av ulike søkemotormarkedsførere.
    2. Vent prøven kammeret ved " Vent " på grafisk bruker grenseflate (GUI) av den tilknyttede mikroskop programvaren under " Beam kontroll " kategorien for å åpne kammeret.
    3. Åpne kammeret nøye (når ventilering er fullført).
  2. Montere SALVI enheten på SEM scenen
    Merk: Når overflaten av synd membranen å se hvis det er intakt enten visuelt eller bruker lys mikroskop før montering. SALVI enheten montert på SEM scenen må ikke ta Everhart Thornley detektor (ETD) detektoren inne i prøven kammeret.
    1. Velg standard SEM eksempel holderen stub. Fastsette stubben på midten av scenen med passende bolt og hex fastnøkkel.
    2. Plasserer to strimler av tosidige karbon bånd på stubben.
    3. Stick SALVI enheten på karbon tape på stubben med synd membran vendt opp.
    4. Sikkert nakkens SALVI på stubben bruker en ytterligere to strimler av ensidig kobber tape binde SALVI PDMS blokken til SEM metall stubben. I tillegg bruk kobber kassetter til å koble SiN rammen og metall stubben. Kontroller at båndet ikke helt dekker synd membranen.
      Merk: Bruk av karbon og kobber bånd å sikre en kontinuerlig jording bane for fjerning av gratis fra synd membranen under SEM målingen. Plasseringen av båndet på kanten av synd rammen er ganske viktig, fordi det sikrer jording og reduserer lading under analyse. Bunnen av enheten må også ha full kontakt med SEM stubben via tosidige karbon bånd. Båndet må ikke dekke synd membranen for å unngå mulig skade i håndtering.
  3. Pumpe ned prøven kammeret
    1. stenge prøven kammer. Velg den " høyvakuum " modus på SEM programvaren GUI under den " Beam kontroll " siden.
    2. Klikk på " pumpe " for den " Beam kontroll " siden starte støvsuging og legge press for hånd til kammer døren til ønsket vakuum er opprettet.
      Merk: Kammer trykket må nå minst 1.0 × 10 -5 Torr og må stadig være på eller under denne verdien før bildebehandling. Dette er et viktig skritt å aktivere svært løst oppløsningen for bildebehandling. Trykkinnstilling kan overvåkes fra det høyre hjørnet av GUI.
  4. Lage åpninger i synd membranen bruker FIB
    1. aktivere elektronstråle imaging området ved å klikke på " Pause "-ikonet på verktøylinjen. Aktivere elektronstråle ved å klikke på " stråle på " for den " Beam kontroll " side. Velg ETD detektoren og SE modus for bildebehandling fra den " detektorer " rullegardinmenyen.
      Merk: Detektoren kan variere på grunn av ulike konfigurasjon av søkemotormarkedsførere. I objektivet detektoren gjelder også for flytende SEM analyse.
    2. Link Z koordinere verdi for det faktiske Free arbeider avstand (FWD) verdi ved å klikke på " Link "-ikonet på verktøylinjen. Angi arbeidsavstand (WD) som 10 mm ved å skrive inn antall 10 i tekstboksen koordinaten " Z " på den " styringen " side når den " faktisk " avstand er valgt.
      Merk: WD kan variere på grunn av ulike søkemotormarkedsførere.
    3. Satt elektronstråle gjeldende til 0.47 nA, akselererende spenningen til 8 keV, og oppløsningen til 1024 × 884 fra tilsvarende lister vises på verktøylinjen på elektronstråle imaging området.
      Merk: Den nåværende og spenning kan variere på grunn av ulike søkemotormarkedsførere.
    4. Finne microchannel (0,2 x 1,5 mm) ved å vri på " X " og " Y " skifte knotter på håndboken User Interface (MUI) bord å observere det levende bildet på kontroll skjermen. Tegne en linje paralleller til microchannel fra den ene enden til den andre ved hjelp av musen. Klikk " xT Juster funksjonen " fra rullegardinmenyen på " scenen " kategorien på verktøylinjen og velg " vannrett " til å justere microchannel.
    5. Setter scenen skråstilling til 0 ° ved å velge verdien fra den " T " liste den " styringen " siden. Finn en distinkt partikkel funksjonen på microchannel og sentrere det under den gule korset ved å flytte på scenen ved hjelp av " X " og " Y " skifte knotter. Forstørre funksjonen 1000 X og vri den " kontrast ", " lysstyrke ", " grov ", og " Fine " knotter på MUI å optimalisere bildet av funksjonen partikkel.
    6. Tilt scenen til 15 ° ved å velge verdien fra den " T " liste med den " styringen " siden. Bruk " Z-kontroll " ved å trykke inn hjulet på musen og dra funksjonen tilbake under den gule korset på skjermen på elektronstråle imaging området etter scenen beveges.
      1. Tilt scenen igjen til 30 ° og bringe funksjonen tilbake under kryss ved hjelp av " Z-kontroll ". Tilt scenen tilbake til 0 ° og observere plasseringen av funksjonen. eucentric høyden er bekreftet hvis funksjonen ikke flytter betydelig.
        Merk: Å finne eucentric høyden utføres for å holde ion stråle og elektronstråle fokusert i samme posisjon å oppnå god FIB fresing presisjon. Gjenta prosessene i trinn 3.4.6 Hvis funksjonen flyttes betydelig etter vippe scenen tilbake til 0. Eucentric høyden skal justeres for hver nye montert prøven for den største nøyaktigheten.
    7. Tilt scenen til 52° ved å velge verdien fra den " T " liste den " styringen " siden.
      Merk: Tilting graden kan variere på grunn av ulike søkemotormarkedsførere.
    8. Deaktivering av " Pause " ikonet på verktøylinjen ved å klikke for å sikre at Ion strålen imaging området på. Aktivere gallium kilde ion strålen ved å klikke på den " stråle på "-knappen den " Beam kontroll " side.
      1. Sett akselererende spenningen ion avhenger av til 30 keV og stråle strøm til 0,3 nA ved å velge disse verdiene fra de tilsvarende spenning og gjeldende lister ligger på verktøylinjen. Bringe microchannel til midten av dette imaging området.
    9. Velger sirkelen som mønsteret ved å velge denne funksjonen fra listen av " mønster " på den " mønstre " side. Angi de " ytre Diameter " til 1 µm, den " indre diameter " til 0 µm, den " Z størrelse " til 500 nm, og " bor tid " til 1 µs i tekstboksen tilsvarende.
      1. Type " Si " i det " program " tekstboks fordi hovedkomponenten i vinduet om-å-være-valset oppdagelsen silicon nitride. Klikk på " mønstre menyen/Start mønstre " knappen for å begynne fresing hullene i vinduet gjenkjenning, som dekket microchannel. Gjenta maleprosessen flere ganger for å få en rekke runde hull. Flere hull kan gjøres i et eksperiment,.
        Merk: Hullene er 100 µm hverandre, fra en side av microchannel til den andre. Flytte raskt å minimere strålen skaden på synd membranen. SEM liten LØGN fresing prosessen vanligvis starter fra enten svært venstre eller høyre side av microchannel for å spore og nummer åpningene lett. Operatøren kan velge å gå fra bunnen eller toppen avhengig av retningen på kanalen og foretrekker. Kontroller at SEM FIB fresing er fullført og tilstrekkelig slik at prøven kan bli undersøkt i åpningene.
  5. Vent kammeret etter SEM/liten LØGN
    1. Tilt scenen tilbake til 0 ° ved å velge 0 fra den " T " liste med den " navigasjon " side. Slå av både elektronstråle og ion strålen ved " stråle på " når den tilsvarende strålen tenkelig område er aktivert. Klikk " Vent " på den " Beam kontroll " side å ventilere prøven kammeret.

4. Laste SALVI med flytende prøver

  1. ren SALVI bruke DI vann
    1. nøye åpne SEM kammer døren etter at det er fullt ventilert, og la SALVI enheten som på scenen.
      Merk: For å spare tid før du monterer enheten og fokus, det anbefales å holde enheten på scenen ved lasting prøven.
    2. Trekke 1 mL DI vann sterile sprøyter til, koble sprøyten med mengden av microfluidic enheten bruker en polytetrafluoroethylene slange adapter montering og sakte injisere væsken i 3-5 min.
      Merk: En sprøytepumpe anbefales for alle trinn der det er nødvendig å injisere løsninger i SALVI. Dette kan gjøres i dette trinnet ved å sette en 1 mL steril sprøyte inneholder løsningen på en strømningshastighet på 100-250 µL/min. utnytte en sprøytepumpe med en konstant flyt-hastighet kan redusere sannsynligheten for skade til synd membranen.
    3. Gjenta trinn 4.1.2 tre ganger med 1 mL av 10 µg/mL AlOOH, forberedt i trinn 1, for å sikre konsentrasjonen av prøven ikke forsvinner ved forhåndslastet DI vannet.
    4. Etter injeksjon, fjerne sprøyten. Koble innløp og utløp av SALVI med polyether ether keton unionen. Tørr væske utenfor SALVI med lab kluter. Hvis det er bobler i polytetrafluoroethylene rør eller microchannel, gjøre om AlOOH eksempel injeksjon før noen bobler er sett i polytetrafluoroethylene slangen.
      Merk: Finger-stram polyether Eter keton unionen. Ikke bruk for mye styrke når stramme unionen for å unngå å skape en betydelig internt press økning i SALVI enheten, som kan resultere i skader synd membranen.
      Merk: Bobler inni microchannel kan påvirke skanning og forårsake bilde shift. Væske utenfor enheten vil påvirke statusen vakuum, derfor utsiden av SALVI og polytetrafluoroethylene rør må tørkes grundig før du kobler det til vakuum kammeret. I tillegg bør enheten ikke har fysiske skader (f.eks kutte på slangen, brutt SiN membran vinduet) som fører til lekker. Ellers chamber press kan ikke nå ønsket høy vakuum, bobler kan danne slangen og flytende prøven går tapt under støvsuging.

5. Flytende SEM Imaging og grunnleggende analyse

  1. ta bilder ved hjelp av ETD detektor og SE modus
    1. lukke prøven kammer døren. Velg den " høyvakuum " modus på SEM programvaren GUI under den " Beam kontroll " side. Klikk den " pumpe " for den " Beam kontroll " side å starte støvsuging og legge hånd trykk kammer døren til ønsket vakuum er opprettet.
    2. Aktivere elektronstråle imaging området ved å klikke på " Pause "-ikonet på verktøylinjen. Aktivere elektronstråle ved å klikke på " stråle på " for den " Beam kontroll " side. Velg ETD detektoren og SE modus for bildebehandling fra den " detektorer " rullegardinmenyen.
      1. Sett akselererende spenningen til 8 keV og stråle strøm til 0.47 nA fra tilsvarende lister vises på verktøylinjen GUI på elektronstråle imaging området. Angi WD som 7 mm ved å skrive inn nummeret " 7 " i tekstboksen i koordinaten " Z " på den " navigasjon " side når den " faktisk " avstand velges.
        Merk: Parametrene av bjelke spenning, strøm og arbeidsavstand kan variere på grunn av ulike søkemotormarkedsførere.
    3. Forstørre funksjonen 1000 × og vri den " kontrast ", " lysstyrke ", " grov ", og " Fine " knotter på MUI å optimalisere bildet av funksjonen partikkel.
    4. Center det første hullet i live bildet av elektronstråle imaging området ved å vri på " X " og " Y " skifte knotter ombord MUI. Forstørre bildene med partikler til forstørrelsen 200.000 × ved å vri den " forstørrelse " knotten ombord MUI. Velg skjermoppløsningen " 1024 × 884 " fra listen på verktøylinjen.
    5. Angir avsøkingshastigheten som 30 µs fra listen på verktøylinjen. F4-tasten for å ta bilde av gjeldende bildet vises i elektronstråle imaging området.
    6. Trykk Ctrl + S for å lagre as.tif bildefilen til ønsket plassering med definerte filnavnet inkludert en trinnvis.
    7. Zoome ut ved å vri den " forstørrelse " knappen for å finne neste tilstøtende hullet. Gjenta operasjonene i trinn 5.1.4 - 5.1.6 å image AlOOH partikler i resten av hullene.
  2. Gjennomføre grunnleggende analyse bruker EDX
    1. energi dispersiv spektroskopi (EDS) detektorer inn i kammeret.
    2. Velg ETD detektoren på mikroskopet kontroll skjermen og SE-modus for å vise eksemplet på området elektron strålen tenkelig. Sette akselererende spenning til 8 keV, gjeldende 0.47 nA og WD 7 mm som beskrevet i trinn 5.1.2.
    3. Forstørre AlOOH partikler i hvert hull med forstørrelse 200.000 X ved å vri den " forstørrelse " knotten ombord MUI.
      Merk: Holde elektronstråle fokuserte på samme sted for å gi mer lokaliserte grunnleggende informasjon. Et bilde av AlOOH finnes i figur 1a.
    4. Åpne tilknyttet EDAX programvare.
      Merk: Den tilknyttede programvaren kan variere på grunn av ulike instrumenter ' konfigurasjoner.
    5. Klikk " starte innspillingen nye spectra " i brukergrensesnittet (UI) å samle EDX spekteret. Velg " Peak ID " å velge sannsynlig elementene av spekteret. Skrive inn observert elementer, f.eks, oksygen i dette tilfellet i den " Element " feltet. Klikk " tillegg " bruke elementet spekteret.
    6. Klikk på " filen " og klikk deretter " lagre som ". Lagre spektraldata in.csv formatet med ønsket filnavn for ytterligere plotting benytter en grafisk programvare.
    7. Gjenta operasjonene i trinn 5.3.3 - 5.3.6 registrere EDX spekteret fra hvert hull.
    8. Når imaging og spectrum opptak for hvert av hullene, slå av elektronstråle ved " stråle på " for den " Beam kontroll " når elektronstråle imaging området er på. Vent SEM kammeret ved " Vent " på samme side. Forsiktig ta prøven av scenen ved å fjerne alle bånd etter kammer døren er åpen.
    9. Gjenta fremgangsmåten for å utføre kontroll eksperimentet DI vannet og en tom microchannel.

6. Plot EDX spekteret

  1. importfilen the.csv spektrum i en grafisk programvare.
  2. Plot spekteret med energinivået som x-aksen og intensiteten mottatt og behandlet av EDX som y-aksen til å vise rekonstruerte spectra, som vist i tall 2a , 2b og 2 c.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representant resultatene presenteres for å vise hvordan partiklene er fotografert og analysert med i situ flytende SEM imaging kombinert med EDX. Resultatene omfatter SE bilder og EDX spectra. SE bildene ble oppnådd på 100.000 X og 200.000 X forstørrelse nivåer i figur 1. Figur 1a viser SE bildet av AlOOH, figur 1b DI vann og figur 1 c hullet i en tom kanal. Bildene ble oppnådd ved å SE med 8 keV akselererende spenning og 0.47 nA stråle strøm. Skjermoppløsningen benyttet var 1024 × 884 med en skanning rate på 30 µs. tilsvarende, figur 2 viser til EDX spectra oppdaget fra AlOOH partikler i vannet (figur 2a), DI vann utvalget (figur 2b) og hullet i en tom kanal ( Figur 2 c), basert på målt elementær sammensetningen. Til EDX spectra ble innhentet ved hjelp av samme gjeldende og spenning setter som for SE bilder. Informasjon dybden er fra regionen grunne på prøven overflaten på grunn av valg av lav spenning. Rådata om til elementær spectra er outputted as.csv fil og plottet benytter en grafisk programvare for presentasjon.

Figure 1
Figur 1: SE bilder. Disse bildene ble oppnådd ved å SE med 8 keV akselererende spenning og 0.47 nA stråle strøm. Skjermoppløsningen benyttet var 1024 × 884 med en avsøkingshastigheten av 30 µs. (1a) AlOOH 200, 000 X, (1b) DI vann ved 100 000 X (1 c) og en tom kanal 200, 000 X. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: EDX Spectra. EDX spectra ble kjøpt i SE modus med 8 kV akselererende spenning og 0.47 nA stråle strøm. (2a) spektrum av AlOOH i vann. (2b) spektrum av Ionisert vann utvalget. (c) spektrum av hullet i en tom kanal. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SEM er en kraftfull teknikk i overflaten karakteristikk av organiske og uorganiske materialer på nanoskala (nm) nivå med høy oppløsning1. For eksempel er det mye brukt for å analysere solid og tørr prøvene som geologiske materialer26 og semiconductor27. Men har det begrensninger i karakteriserer våt og flytende prøvene på grunn av uforeneligheten av væske i svært støvsugd miljøet kreves for elektronmikroskop1. SEM eksempel forberedelse ofte krever dehydrering eller Frysetørring for en hydrert prøven, og særlig for biologiske prøver2. Som et resultat, er det utfordrende å fange nøyaktig informasjon om naturlig hydrert eller flytende prøver, som deres iboende informasjon kan gå tapt under eksempel forberedelse prosessen28,29. Dette kan omfatte, men er ikke begrenset til, biologiske aktivitet i celler, syntese av nanopartikler i løsning, samling av partikler i komplekse flytende og elektrokjemiske reaksjoner. Selv om ESEM kan bildet hydrert prøver i et kontrollert damp miljø, kan oppløsningen på bildene ikke nå så høyt som SEM bilder av solid prøvene i høy vakuum modus30,31,32 , 33. nylig våt prøvene var dekket av et elektron gjennomsiktig tynnfilm6 eller forseglet av prøven kapsel30 når SEM var ansatt, og backscattered elektroner ble samlet inn for bilder ved hjelp av denne tilnærmingen.

SALVI er et allsidig microfluidic grensesnitt som har aktivert overflaten analyse av væsker vakuum-baserte instrumenter som TEM og ToF-SIMS. 11 , 12 , 13 , 14 våre teknikken bruker SALVI og optimalisert SEM forhold kan gi SE bilder og EDX kompositoriske informasjon. Figur 1a presenterer SE bildet av boehmite partikler i DI vann med submicron skala (400 nm) og forstørring av 200.000. SEM bildet viser morfologi og distribusjon av boehmite partikler i væske, som at partikler i væsken kan ses og holdt trygt i synd membranen av overflatespenning20. Derimot viser tallene 1b SE bilder av DI vannet i hullet på 100.000 × forstørrelsesnivå. Det gir direkte bevis for at vannet kan holde av sin overflatespenning uten lekker utenfor. I tillegg ble chamber press holdt konstant på 1,0 × 10-5 Torr under mål. Figur 1 c presenterer et hull i en tom kanal med 200.000 × forstørrelsen; ingenting er observert i hullet under samme gjeldende og spenning innstillinger. SE flytende bildebehandling evne via denne tilnærmingen gir høy oppløsning SE bilder i forhold til mikrometer oppløsningen på backscattered elektron bilder anskaffes ved hjelp av de rapporterte våt SEM teknikk30.

EDX elementær kartlegging er gjennomført med AlOOH partikler i DI vann, DI vann og tom kanalen, henholdsvis. To sistnevnte brukes som referanse kontroller. Som vist i figur 2a, aluminium toppen oppstår rundt 1,5 keV med betydelig signal, mens det er ingen fremtredende peak på den samme energien i DI vannet og tom kanal EDX spektra. Oksygen signalet er dominerende i både AlOOH og DI vann, som bekrefter at signalet kommer fra vann. Dette bekrefter videre at partikler er nedsenket i vann under bildebehandling. C og Si toppene i tallene 2a, 2b og 2 c er fra karbon belegg på oppdagelsen vinduet og synd membran danner oppdagelsen området, henholdsvis. N toppen er også fra synd membranen. EDX sammenligningen viser påvisning av aluminium sammensetningen av AlOOH i vann, som angir at det faktisk er observert boehmite partikler.

I tidligere artikler, har vi vist muligheten for å ansette en microfluidic celle og høyvakuum SEM bilde og karakteriserer flytende prøven, bruker DI vann og immunglobulin G (IgG) gull nanopartikler12,20. I disse tidligere arbeider, gull nanopartikler var mindre enn 10 nm. I dette arbeidet, viser vi at boehmite partikler med mye større størrelser (< 100 nm) kan også studeres gjennom flytende SEM. Hullstørrelsen beregnet for å sikre tilstrekkelig bildeområdet men nok overflatespenningen å holde væsken innenfor. Opprinnelig ble hullet fabrikasjon benytter gallium ion strålen å runde blenderåpninger på 2 µm i diameter før enheten montering i første oppfinnelsen12,20. I denne oppdateringen viser vi at oppdagelsen åpningene kan gjøres etter at enheten er montert, gjør hele prosessen raskere. En kan også åpne opp så mange oppdagelsen windows etter behov i en analyse, og er ikke begrenset av hullene før et eksperiment. 2 µm diameter oppdagelsen vinduene er egnet for teknikker som ToF-SIMS, og det er også mulig i flytende SEM. På grunn av forstørring evnen til SEM, resultatet viser at mindre blenderåpning (f.eks1 2 µm) fungerer godt i SEM (figur 1a).

Flere tekniske detaljer er verdt å nevne for å gjøre i situ flytende SEM målinger vellykket. Først må enheten være belagt med karbon eller gull for å redusere lading under målinger. Andre er enheten montering ganske kritisk i denne fremgangsmåten. Løs kontakt på enheten med montering scenen vil medføre betydelig lading, problemer med fokus og dårlig bilder. Tredje, hvis man ønsker å analysere flere utvalget med samme enhet, prøve sekvensen trenger noen trodde. Selv om enheten er disponibel, er det sannsynlig en enhet kan brukes flere ganger. Man kan for eksempel bruke vann eller løsemiddelet for å få data av kontroll prøven etterfulgt av analyse av et utvalg med partikler eller andre arter rundt bruker det samme løsemiddelet. Det anbefales å innføre eksempel innføring etter SALVI enheten er sikret og gjenkjenning hullene lages med SEM/FIB. Liten LØGN brukes utelukkende for fresing hullene på oppdagelsen vinduet membranen. Hvis membranen er utarbeidet av et annet instrument eller membranen er laget med hull tilgjengelig fra leverandører, er det ikke nødvendig å bruke LØGN for å gjøre hull før SEM analysen. Flytte enheten vekk fra utvalg scenen for eksempel introduksjon og remounting det igjen sløsing med mye tid, samtidig legge risikoen for dårlig tilkoblinger mellom enheten og prøve scenen og resulterer i en ulike arbeidsavstand. Operatoren SEM har også å refokusere og finne kanalen og mikrometer store runde oppdagelsen windows igjen.

Med submicron oppløsning og presis grunnleggende informasjon showcased i denne studien, vi ser at integrering av vakuum-kompatible microfluidic cellen (i.e.SALVI) med høy vakuum modus SEM kan benyttes mye i å identifisere og observere ulike naturlig hydrert prøver, geologiske eksemplarer, biologiske prøver og nanomaterial syntetisert i væske. Med teknologiske forbedringer gjort detflytende SEM tilnærming er omtalt tidligere, viser vi at et større utvalg av submicron partikler av forskjellige størrelser kan undersøkes ved hjelp av denne nye tilnærmingen. Til slutt, i situ flytende SEM åpner flere muligheter til å studere eksemplarer i væske med høy vakuum SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Vi er takknemlige til den nordvestlige National Laboratory (PNNL) kjernefysiske prosessen vitenskap initiativ (NPSI)-regissert laboratorieundersøkelser og utvikling (LDRD) fondet støtte. Dr. Sayandev Chatterjee gitt syntetisk boehmite partikler. Instrumental tilgang ble gitt gjennom W. R. Wiley miljømessige molekylær Sciences Laboratory (EMSL) generelle brukeren forslag. EMSL er en nasjonal vitenskapelige bruker sponset av Office av biologiske og Environmental Research (BER) på PNNL. PNNL drives av Battelle for DOE under kontrakten 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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Goldstein, J., et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis: A Text for Biologists, Materials Scientists, and Geologists. , 2nd ed, (1992).
  2. Donald, A. M. The use of environmental scanning electron microscopy for imaging wet and insulating materials. Nat Mater. 2 (8), 511-516 (2003).
  3. Rossi, M. P., et al. Environmental Scanning Electron Microscopy Study of Water in Carbon Nanopipes. Nano Lett. 4 (5), 989-993 (2004).
  4. Nune, S. K., et al. Anomalous water expulsion from carbon-based rods at high humidity. Nat Nano. 11 (9), 791-797 (2016).
  5. Soumya, E. A., et al. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Environmental SEM: Suitable Tools for Study of Adhesion Stage and Biofilm Formation. , (2012).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. QuantomiX WETSEM®. , Available from: http://www.wetsem.com/ (2017).
  10. Wet Cell Kit. , Available from: http://www.2spi.com/catalog/instruments/silicon-nitride-wet-cell-kits-use-instructions.html (2017).
  11. Yu, X. -Y., et al. Systems and methods for analyzing liquids under vacuum. USA patent. , 8,555,710 (2011).
  12. 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).
  13. Liu, B., et al. In situ chemical probing of the electrode-electrolyte interface by ToF-SIMS. Lab Chip. 14 (5), 855-859 (2014).
  14. Ding, Y., et al. In situ Molecular Imaging of the Biofilm and Its Matrix. Anal Chem. 88 (22), 11244-11252 (2016).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Yang, L., et al. Probing liquid surfaces under vacuum using SEM and ToF-SIMS. Lab Chip. 11 (15), 2481-2484 (2011).
  21. SPI Supplies Inc. , Available from: http://www.2spi.com/ (2017).
  22. Wet Cell II Liquid Probe System for SEM/EDS, EPMA and TOF-SIMS. , Available from: http://www.2spi.com/item/12130-ab/ (2017).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Clark, S. B., Buchanan, M., Wilmarth, B. Basic Research Needs for Environmental Management. , Department of Energy. (2016).
  26. 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).
  27. Li, S., Jiang, F., Yin, Q., Jin, Y. Scanning electron acoustic microscopy of semiconductor materials. Solid State Commun. 99 (11), 853-857 (1996).
  28. Dohnalkova, A. C., et al. Imaging Hydrated Microbial Extracellular Polymers: Comparative Analysis by Electron Microscopy. Appl Environ Microbiol. 77 (4), 1254-1262 (2011).
  29. Yu, X. -Y., Liu, B., Yang, L. Imaging liquids using microfluidic cells. Microfluid Nanofluid. 15 (6), 725-744 (2013).
  30. Barshack, I., et al. A Novel Method for "Wet" SEM. Ultrastruct Pathol. 28 (1), 29-31 (2004).
  31. Cameron, R. E., Donald, A. M. Minizing sample evaporation in the Environmental Scanning Microscope. J Microsc. (Oxford, U. K.). 173 (3), 227-237 (1994).
  32. Danilatos, G. D. REVIEW AND OUTLINE OF ENVIRONMENTAL SEM AT PRESENT. J Microsc (Oxford, U.K.). 162 (3), 391-402 (1991).
  33. 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).

Tags

Kjemi problemet 127 Boehmite i situ væske skanning elektronmikroskop bildebehandling elementær komposisjon kartlegging microfluidics skanning elektronmikroskop
<em>In Situ</em> Karakterisering av Boehmite partikler i vann med flytende SEM
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter