Summary
Apresentamos um procedimento para geração de imagens em tempo real e análise de composição elementar das partículas boemita em água desionizada por em situ líquido microscopia eletrônica de varredura.
Abstract
In situ de imagem e elementar análise de partículas boehmita (AlOOH) na água é realizado usando o sistema para análise da Interface líquido de vácuo (SALVI) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Este documento descreve o método e a chave passos em integrar o vácuo SAVLI compatível para SEM e obter elétrons secundários (SE) imagens de partículas no líquido em alto vácuo. Espectroscopia de energia dispersiva de raio-x (EDX) é usada para obter a análise elementar de partículas em amostras de líquido e controle incluindo somente água deionizada (DI) e um canal vazio também. Boemita sintetizado (AlOOH) partículas suspendidas em líquido são usadas como modelo na ilustração SEM líquido. Os resultados demonstram que as partículas podem ser fotografadas no modo de SE com boa resolução (isto é, 400 nm). O espectro de AlOOH EDX mostra sinal significativo de alumínio (Al), quando comparado com a água e o controle do canal vazio. Em situ SEM líquido é uma técnica poderosa para estudar as partículas no líquido com muitas aplicações interessantes. Este procedimento visa fornecer know-how técnico para a condução de líquido SEM geração de imagens e análise EDX usando SALVI e reduzir possíveis armadilhas ao usar essa abordagem.
Introduction
Microscópio eletrônico de varredura (MEV) foi amplamente aplicado para investigar uma variedade de espécimes, produzindo imagens de alta resolução1. A espectroscopia de raio x dispersivo energia (EDX) associada com o SEM permite a determinação da composição elementar1. Tradicionalmente, SEM é aplicada para a imagem latente amostras apenas secas e sólidas. Nos últimos 30 anos, SEM ambiental (ESEM) foi desenvolvido para análise das amostras hidratadas parciais em um ambiente do vapor2,3,4,5. No entanto, ESEM é incapaz de imagem as amostras molhadas, totalmente fluidas com desejado alta resolução6. Molhado as células SEM também foram desenvolvidas para amostras de imagem molhada usando SEM7,,8; no entanto, essas células foram desenvolvidas principalmente para espécimes biológicos retroespalhados imagens de elétron e são mais acessíveis para aplicações com aqueles desenhos9,10.
Para enfrentar os desafios na análise de várias amostras em seu ambiente nativo líquido usando SEM, nós inventamos um dispositivo de vácuo microfluidic compatível, sistema para análise no líquido vácuo Interface (SALVI), para permitir a alta resolução espacial secundária análise de imagem e elementar elétrons (SE) de amostras líquidas, usando o modo de alto vácuo em SEM. Esta nova técnica inclui os seguintes recursos exclusivos: 1) líquido é analisado diretamente em uma pequena abertura de 1-2 µm de diâmetro; 2) o líquido é mantido dentro do buraco por tensão superficial; e 3) SALVI é portátil e pode ser adaptado para mais de uma plataforma analítica11,12,13,14,15,16,17 ,18.
SALVI consiste de uma membrana de (pecado) de nitreto de silício grosso nm 100 e um microchannel largura de 200 µm feita do bloco de polidimetilsiloxano (PDMS). A janela de membrana de pecado é aplicada para selar o microchannel. Os detalhes de fabricação e considerações de projeto-chave foram detalhadas em documentos anteriores e patentes11,19,20. Atualmente, um fabricante e distribuidor de fornecimento de consumíveis para microscopia adquiriu a licença para vender dispositivos SALVI comercialmente para o líquido SEM aplicativos21,22.
As aplicações de SALVI em instrumentos analíticos baseados em vácuo tem sido demonstradas usando uma variedade de soluções aquosas e misturas complexas de líquido incluindo biofilmes, células de mamíferos, nanopartículas e eletrodo materiais12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. no entanto, a maioria dos trabalhos acima mencionados utilizado espectrometria de massa de iões secundário de tempo-de-voo (ToF-SIMS) como ferramenta de análise fundamental, assim, a aplicação do líquido SEM com SALVI não tem sido totalmente explorado. Neste trabalho, utilizou-se de estudar as maiores partículas coloidais não-esférica em líquido usando líquido SEM geração de imagens e análise elementar de EDX SALVI. O exemplo consiste em partículas AlOOH sintetizadas em nosso laboratório. Partículas de tamanho submicrometer boemita são sabidas para existir em resíduos altamente radioactivos no local de Hanford. Eles são lentos para dissolver e pode causar problemas reológicos no tratamento de resíduos. Portanto, é importante ter a capacidade de caracterizar boemita as partículas no líquido25. Esta abordagem técnica pode ser usada para estudar boemita em várias condições físico-químicas para melhor compreensão dessas partículas e propriedades reológicas relacionadas. Estas partículas foram utilizadas para demonstrar passo a passo como aplicar SALVI para alto vácuo SEM fim de estudar as partículas em suspensão no líquido. Principais pontos técnicos para SALVI e SEM integração e aquisição de dados SEM destacam-se dentro o papel.
O protocolo prevê a demonstração da análise de amostra de líquido usando SALVI e geração de imagens SEM líquido, para aqueles que estão interessados em utilizar esta nova técnica em diversas aplicações de líquido SEM no futuro.
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Protocol
1. preparar amostra líquida em AlOOH
Nota: não toque a amostra ou alguma coisa dentro da câmara SEM com as próprias mãos. Luvas de livre de pó devem ser usadas em todos os momentos quando manuseamento do aparelho SALVI e montando-a no SEM palco para evitar a potencial contaminação durante a análise da superfície.
- Fazer uma solução de estoque AlOOH (1 mg/mL)
- dissolver 10 mg de pó AlOOH no DI de 10 mL de água para fazer a 1 mg/mL solução AlOOH.
- Ultrasonicate a solução-mãe de 5 min.
Nota: O pH da solução é aproximadamente 4,6 medido por um medidor de pH. A solução de pH não é ajustada e utilizada como é neste trabalho.
- Fazer uma solução diluída de 10 µ g/mL
- diluir a 1 mg/mL AlOOH solução estoque a 10 µ g/mL por 1 mL de distribuição em 99 mL DI água através de uma pipeta.
- Ultrasonicate a solução de 5 min.
Nota: O pH da solução é aproximadamente 5.8 medido por um medidor de pH após diluição.
2. Salpicar o casaco da janela de membrana de pecado SALVI com carbono
- inserção da haste de carbono no suporte da haste.
Nota: O titular da vara pode ser identificado como a parte que é anexada para a tampa articulada. - Usar um par de pinças e remova cuidadosamente a fita sobre o Santos de Souza ' frame de janela de membrana de pecado de s.
Nota: A fita é usada para proteger a membrana de pecado antes da análise da superfície. - Fixar o dispositivo SALVI vertical no interior da câmara de aplicador de carbono usando fita de carbono para corrigir a tubulação de politetrafluoroetileno do dispositivo SALVI no palco do aplicador. Feche a tampa.
- Imprensa o " poder " o botão para iniciar a bomba de vácuo.
- Imprensa o " tensão " botão no painel frontal do aplicador do carbono e defina o valor como 4.6 V ajustando o up (▲) e para baixo (▼) botões para esta operação.
Nota: O ajuste de voltagem pode variar devido a vários revestidores carbono.
Monitor de - Ligue a espessura do revestimento acendendo sua " poder " botão. Limpar a leitura exibida na tela de " espessura (nm) " a zero, pressionando o botão " ZERO " se a leitura não é zero. Imprensa o " TIMER " no aplicador carbono ' painel frontal s para definir o tempo de deposição de 30 s, ajustando o up (▲) e para baixo (▼) botões.
- Manter o aplicador de carbono ' modo de operação de s para auto comutando o botão " AUTO ◄ ► MANUAL de " para " AUTO ". Interruptor a " START/STOP " botão de " começar a " quando o vácuo atinge cerca de 4 × 10 -4 mbar, medida pelo vacuômetro no aplicador carbono ' painel frontal s.
- Uma vez que o monitor de espessura indica que o revestimento de carbono atingiu 20 nm, a imprensa o " parar " botão para finalizar o processo de revestimento e para desafogar o selo vácuo.
- Abra a tampa e retire o dispositivo SALVI carbono revestido utilizando luvas de vinil ao manusear o dispositivo.
Nota: Revestimento da amostra com carbono cria uma camada condutora na amostra para inibir o efeito de carregamento e melhorar o sinal SE necessário para a imagem latente SEM. Armazene com segurança o dispositivo revestido em um prato de Petri limpo com uma tampa até que o dispositivo está pronto para ser instalado na fase de SEM. Para assegurar que a membrana de pecado é suficientemente revestida, é aconselhável verificar o dispositivo visualmente após o revestimento. Se o revestimento não é espesso o suficiente, uma segunda vez de revestimento por pulverização catódica pode ser aplicada com a espessura medida até 10 nm.
3. Montar o dispositivo e uso SEM/Focused Ion Beam (FIB) para fazer aberturas sobre o pecado SALVI membrana usando FIB
computador de controle de- abrir a câmara de amostra SEM
- abrir o software de controle associado microscópio no instrumento SEM.
Nota: O software de controle pode variar devido a vários SEMs. - De ventilação da câmara de amostra clicando " Vent " na interface de usuário gráfica (GUI) do software controle associado microscópio sob " controle do feixe " guia para abrir a porta da câmara.
- Abrir a porta da câmara cuidadosamente (depois de ventilação foi concluída).
- abrir o software de controle associado microscópio no instrumento SEM.
- Montar o dispositivo SALVI para o palco SEM
Nota: Verifique a superfície da membrana pecado para ver se está intacto ou visualmente ou utilizando um microscópio de luz antes da montagem. O dispositivo SALVI montado no palco SEM não deve tocar o detector Detector Thornley Everhart (ETD) dentro da câmara de amostra.- , Selecione o padrão SEM esboço de titular de amostra. Corrigir o esboço para o centro do palco usando o apropriado parafuso e chave sextavada.
- Coloque duas tiras de fita dupla-face de carbono sobre o esboço.
- Vara o dispositivo SALVI sobre a fita de carbono colocado sobre o esboço com o lado de membrana de pecado virado para cima
- Firmemente imobilizar o SALVI em usar um adicional de duas tiras de fita de cobre em um lado para vincular o bloco SALVI PDMS para o esboço de metal SEM o esboço. Além disso, use as fitas de cobre para conectar o quadro de pecado e o esboço de metal. Certifique-se de que a fita não cobre completamente a membrana pecado.
Nota: O uso de fitas de carbono e cobre ajudam a garantir um caminho de aterramento contínuo para a remoção de carga a partir da membrana do pecado durante a medição SEM. A posição da fita na borda do quadro de pecado é muito importante, porque garante a ligação à terra e reduz a carga durante a análise. Parte inferior do dispositivo também deve ter contato completo com o esboço SEM através de fita dupla-face de carbono. A fita não deve cobrir a membrana de pecado para evitar possíveis danos no manuseio.
- Da bomba para baixo da câmara de amostra
- fechar a porta de câmara de amostra. Selecione o " alto vácuo " modo sobre o software SEM GUI sob o " controle do feixe " página.
- Clique o " bomba " botão sobre o " controle do feixe " página para iniciar a aspiração e aplique pressão com a mão até a porta da câmara até que seja estabelecido o vácuo desejado.
Nota: A pressão da câmara deve atingir pelo menos 1,0 × 10 -5 Torr e deve permanecer constantemente em ou abaixo deste valor antes de imagem. Este é um passo importante para permitir a resolução altamente resolvidos para a imagem latente. A pressão de regulação pode ser monitorado do canto direito do GUI.
- Fazer aberturas na membrana pecado usando FIB
- ativar o feixe de elétrons área de imagem clicando o " pausa " ícone na barra de ferramentas. Ligue o feixe de elétrons clicando o " feixe na " botão o " controle do feixe " página. Selecione o detector ETD e o modo de SE obter imagem do " detectores " menu suspenso.
Nota: O detector pode variar devido a configuração diferente das SEMs. O detector na lente também é aplicável para a análise de líquido SEM. - Link a Z coordenar o valor para o real Free valor de distância de trabalho (FWD) clicando o " Link " ícone na barra de ferramentas. Definir a distância de trabalho (WD) como 10mm, digitando o número 10 na caixa de texto da coordenada " Z " no " navegação " de página quando o " real " distância é selecionada.
Nota: O WD pode variar devido a vários SEMs. - Definido o feixe de elétrons atual como nA 0.47, a tensão de aceleração para 8 keV e a resolução de 1.024 × 884 do correspondente lista caixas exibidas na barra de ferramentas para o feixe de elétrons área de imagem.
Nota: A definição de tensão e corrente podem variar devido a diferentes SEMs. - Localizar o microchannel (0,2 x 1,5 mm) rodando a " X " e " Y " deslocar os botões na placa para observar a imagem ao vivo no monitor controle Manual User Interface (MUI). Traçar um paralelo para a microchannel, de um lado para o outro usando o mouse. Clique " xT Align característica " do menu de drop-down " fase " guia na barra de ferramentas e selecione " horizontal " para alinhar o microchannel.
- Definir a fase de inclinação de 0 °, selecionando o valor do " T " caixa de listagem o " navegação " página. Localize uma característica distinta das partículas perto do microchannel e centralizá-lo debaixo da Cruz amarela movendo o palco usando o " X " e " Y " deslocar os botões. Ampliar o recurso para 1.000 X e torcer a " contraste ", " brilho ", " grossa ", e " bem " botões sobre o MUI para otimizar a imagem do recurso partícula.
- Palco para 15 ° de inclinação, selecionando o valor do " T " caixa de listagem o " navegação " página. Uso " Z-controle " premindo a roda do mouse e arrastar o recurso de volta sob a Cruz amarela na tela da área de imagem, depois que o estágio se inclina o feixe de elétrons.
- o palco novamente a 30 ° de inclinação e trazer o recurso de volta sob a Cruz usando o " Z-controle ". O palco volta a 0 ° de inclinação e observar a localização do recurso; a altura do eucentric é confirmada se o recurso não mudar significativamente.
Nota: Localizando a altura eucentric é realizada para manter o feixe de íons e feixe de elétrons focado na mesma posição para alcançar bom FIB fresamento de precisão. Repita os processos na etapa 3.4.6 se o recurso muda significativamente após a fase de volta para 0 ° de inclinação. A altura de eucentric deve ser ajustada para cada nova amostra montada pelo maior rigor.
- o palco novamente a 30 ° de inclinação e trazer o recurso de volta sob a Cruz usando o " Z-controle ". O palco volta a 0 ° de inclinação e observar a localização do recurso; a altura do eucentric é confirmada se o recurso não mudar significativamente.
- Palco para 52° de inclinação, selecionando o valor do " T " caixa de listagem o " navegação " página.
Nota: O grau de inclinação pode variar devido a vários SEMs. - Desativar o " pausa " ícone na barra de ferramentas clicando no botão para garantir que o feixe de iões área de imagem é no. Ligue o feixe de íons do gálio fonte clicando na " feixe na " botão sob o " controle do feixe " página.
- Definir a tensão de aceleração do feixe de íon a 30 keV e feixe atual para 0.3 at selecionando estes valores de tensão correspondente e caixas de listagem atual localizado na barra de ferramentas. Traga o microchannel para o centro desta área de imagem.
- Escolher o círculo como o padrão selecionando esse recurso de caixa de listagem de " padrão " sobre a " padronização " página. Definir o " diâmetro exterior " de 1 µm, o " diâmetro interno " para 0 µm, o " Tamanho Z " a 500 nm e o " tempo habitam " a 1 µs na caixa de texto correspondente.
- Tipo " Si " no " aplicação " de caixa de texto porque o componente principal da janela de deteção de sobrea-ser-branqueado é o nitreto de silício. Em seguida, clique o " padronização padronização de menu/iniciar " botão para começar a moagem os furos na janela de deteção que cobria o microchannel. Repita o processo de moagem várias vezes para obter uma série de furos redondos. Em um experimento, podem efectuar-se vários buracos.
Nota: Os furos são separados, de um lado o microchannel ao outro 100 µm. Mova rapidamente para minimizar os danos de feixe na membrana do pecado. A FIB SEM processo de moagem geralmente começa do lado direito ou esquerdo do microchannel para rastrear e número de aberturas facilmente. O operador pode escolher ir da parte inferior ou superior, dependendo da orientação do canal e preferência pessoal. Certifique-se que a moagem SEM FIB completa e adequada a amostra pode ser sondada dentro as aberturas.
- Tipo " Si " no " aplicação " de caixa de texto porque o componente principal da janela de deteção de sobrea-ser-branqueado é o nitreto de silício. Em seguida, clique o " padronização padronização de menu/iniciar " botão para começar a moagem os furos na janela de deteção que cobria o microchannel. Repita o processo de moagem várias vezes para obter uma série de furos redondos. Em um experimento, podem efectuar-se vários buracos.
- ativar o feixe de elétrons área de imagem clicando o " pausa " ícone na barra de ferramentas. Ligue o feixe de elétrons clicando o " feixe na " botão o " controle do feixe " página. Selecione o detector ETD e o modo de SE obter imagem do " detectores " menu suspenso.
- De ventilação da câmara após o FIB/SEM
- o palco volta a 0 ° de inclinação, selecionando 0 do " T " caixa de listagem o " navegação " página. Desligar o feixe de elétrons e feixes de iões clicando " feixe na " quando o feixe correspondente área de imagem é ativado. Clique " Vent " sobre o " controle do feixe " página para ventilar a câmara de amostra.
4. Carregar SALVI com amostras líquidas
- cuidadosamente Limpe o SALVI usando água DI
- abrir a porta da câmara SEM depois que ele é totalmente ventilado e deixe o dispositivo SALVI, como está no palco.
Nota: Para poupar tempo na montagem do dispositivo e concentrando-se, é altamente recomendável para manter o dispositivo no palco quando o carregamento da amostra. - Desenhar DI de 1 mL de água para uma seringa estéril, conecte a seringa com a entrada do dispositivo microfluidic usando um adaptador de tubo de politetrafluoroetileno montagem e lentamente injete o líquido de 3-5 min.
Nota: Recomenda-se uma bomba de seringa para todas etapas onde injectar o SALVI soluções é necessária. Isso pode ser feito nesta etapa, definindo uma seringa estéril de 1 mL contendo a solução para um caudal de 100-250 µ l/min. utilizando uma bomba de seringa com um caudal constante pode diminuir a probabilidade de danos à membrana pecado. - Repetir passo 4.1.2 três vezes usando 1 mL de 10 µ g/mL AlOOH, preparado na etapa 1, para garantir a concentração da amostra não é diluído pela água DI pré-carregados.
- Após a injeção, remova a seringa. Conecte a entrada e saída de SALVI usando União poliéter éter cetona. Enxugue qualquer líquido fora o SALVI com toalhitas de laboratório. Se houver quaisquer bolhas dentro do tubo de politetrafluoretileno ou microchannel, refazer a injeção de amostra AlOOH até que nenhuma bolha é vista dentro da tubulação de politetrafluoroetileno.
Nota: Dedo-aperte União poliéter éter cetona. Não use muita força ao apertar a União para evitar a criação de um aumento de pressão interna significativa dentro do dispositivo SALVI, que poderia resultar em danos à membrana pecado.
Nota: As bolhas dentro do microchannel podem afetar a digitalização e causar imagem SoaresIFT. Qualquer líquido fora o dispositivo irá afetar o status de vácuo, portanto fora da SALVI e tubulação de politetrafluoroetileno deve ser completamente secos antes de inseri-lo para a câmara de vácuo. Além disso, o dispositivo não deve ter danos físicos (por exemplo, cortar o tubo, quebrado a janela de membrana do pecado) que leva ao vazamento. Caso contrário, a pressão da câmara pode não alcançar o desejado alto vácuo, as bolhas podem se formar na tubulação de e a amostra de líquido será perdida durante a aspiração.
- abrir a porta da câmara SEM depois que ele é totalmente ventilado e deixe o dispositivo SALVI, como está no palco.
5. Conduzir o líquido SEM Imaging e análise elementar
- tirar fotos usando o detector de ETD e modo de SE
- fecha a porta de câmara de amostra. Selecione o " alto vácuo " modo sobre o software SEM GUI sob o " controle do feixe " página. Clique o " bomba " botão sobre o " controle do feixe " página para iniciar a aspiração e aplicar pressão de mão para a porta da câmara até que seja estabelecido o vácuo desejado.
- Ativar o feixe de elétrons área de imagem clicando o " pausa " ícone na barra de ferramentas. Ligue o feixe de elétrons clicando o " feixe na " botão o " controle do feixe " página. Selecione o detector ETD e o modo de SE obter imagem do " detectores " menu suspenso.
- Definir a tensão de aceleração para 8 keV e feixe atual para at 0,47 de correspondente lista caixas exibidas na barra de ferramentas GUI para o feixe de elétrons área de imagem. Definir o WD como 7mm, digitando o número " 7 " na caixa de texto da coordenada " Z " no " navegação " de página quando o " real " distância é selecionada.
Nota: Os parâmetros do feixe de tensão, corrente e distância de trabalho podem variar devido a diferentes SEMs.
- Definir a tensão de aceleração para 8 keV e feixe atual para at 0,47 de correspondente lista caixas exibidas na barra de ferramentas GUI para o feixe de elétrons área de imagem. Definir o WD como 7mm, digitando o número " 7 " na caixa de texto da coordenada " Z " no " navegação " de página quando o " real " distância é selecionada.
- Ampliar o recurso para 1.000 × e torcer a " contraste ", " brilho ", " grossa ", e " bem " botões sobre o MUI para otimizar a imagem do recurso partícula.
- Center o primeiro buraco em imagem ao vivo do feixe de elétron de imagem área rodando a " X " e " Y " deslocar os botões na placa MUI. Ampliar as imagens com partículas de ampliação 200.000 × rodando o " ampliação " botão na placa MUI. Selecione a resolução de tela " 1.024 × 884 " na caixa de listagem na barra de ferramentas.
- Definir a taxa de varredura como 30 µs na caixa de listagem na barra de ferramentas. Pressione a tecla F4 para tirar o instantâneo da imagem atual mostrada na área de imagem o feixe de elétrons.
- Pressione Ctrl + S chaves para salvar o arquivo de as.tif de imagem para o local desejado com o nome de arquivo definido, incluindo um número incremental.
- Zoom rodando o " ampliação " botão para localizar o próximo buraco adjacente. Repita as operações em etapas 5.1.4 - 5.1.6 para as partículas AlOOH no resto dos buracos de imagem.
- Realizar análise elementar usando EDX
- Insira o detector de energia dispersiva espectroscopia (EDS) na câmara de.
- Selecione o detector de ETD no monitor de controle de microscópio e SE modo para a visualização da amostra sobre a área de imagem de feixe de elétrons. Definir a tensão de aceleração para 8 keV, a corrente 0.47 at e o WD a 7 mm, conforme descrito na etapa 5.1.2.
- Ampliar as partículas AlOOH em cada buraco com ampliação 200.000 X rodando o " ampliação " botão na placa MUI.
Nota: Mantenha o feixe de elétrons centrado-se no mesmo local a fim de fornecer informações elementares mais localizadas. Uma imagem de AlOOH é fornecida na Figura 1a. - Abrir o software EDAX associado.
Nota: O software associado pode variar devido a diferentes instrumentos ' configurações. - Clique " iniciar a gravação de novos espectros " na interface do usuário (UI) para coletar o espectro EDX. Selecione " pico ID " escolher os prováveis elementos do espectro. Digitar elementos observados, por exemplo, oxigênio, neste caso, o " elemento " campo. Clique " Add " para aplicar o elemento para o espectro.
- Clique em " arquivo " e clique em " salvar como ". Salvar o formato de dados espectrais in.csv usando o nome do arquivo desejado para plotar mais usando um software gráfico.
- Repetir as operações em etapas 5.3.3 - 5.3.6 para gravar o espectro EDX de cada buraco.
- Depois de terminar a imagem e o espectro de gravação para cada um dos furos, desligar o feixe de elétrons clicando " feixe na " botão o " controle do feixe " página quando o feixe de elétrons área de imagem é no. Ventilar a câmara SEM clicando " Vent " na mesma página. Cuidadosamente, leve a amostra fora do palco, removendo todas as fitas, depois que a câmara está aberta.
- Repita o procedimento para realizar os experimentos de controle usando a água DI e um vazio microchannel.
6. Desenhar o espectro EDX
- arquivo de espectro de the.csv de importação em um software gráfico.
- Sinopse o espectro utilizando o nível de energia como o eixo x e a intensidade recebida e processada pelo EDX como o eixo y para mostrar os espectros reconstruídos, conforme mostrado nas figuras 2a , 2b e 2C.
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Representative Results
Os resultados representativos são apresentados para mostrar como as partículas são fotografadas e analisados utilizando em situ líquido SEM imagens juntamente com EDX. Os resultados incluem SE imagens e espectros EDX. As imagens SE foram obtidas em X de 100.000 e 200.000 níveis de ampliação de X na Figura 1. Figura 1a retrata a imagem SE o AlOOH, Figura 1b DI água e Figura 1 c o buraco em um canal vazio. As imagens foram obtidas aplicando-SE com 8 keV tensão acelerada e 0,47 at corrente de feixe. A resolução de tela utilizada foi 1.024 × 884 com uma taxa de varredura de 30 µs. correspondentemente, a Figura 2 mostra os espectros EDX detectados das partículas na água (Figura 2a), amostra de água DI (Figura 2b) e o buraco em um canal vazio (AlOOH Figura 2 c), com base na composição elementar medida. Os espectros EDX foram obtidos usando a mesma corrente e a tensão definindo como que para imagens SE. A profundidade de informações é da região superficial na superfície da amostra, devido à escolha de baixa tensão. Os dados brutos dos espectros de elemental é outputted as.csv arquivo e plotagem usando um software gráfico para apresentação.
Figura 1: SE imagens. Estas imagens foram obtidas aplicando-SE com 8 keV tensão acelerada e 0,47 at corrente de feixe. A resolução de tela utilizada foi 1.024 × 884 com uma taxa de varredura de 30 µs. (1a) AlOOH em 200, 000 X, (1b) DI água em 100, 000 X (1C) e um canal vazio em 200, 000 X. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: espectro EDX. Espectros EDX foram adquiridos no modo de SE com 8 kV tensão de aceleração e 0,47 nA corrente de feixe. (2a) espectro de AlOOH na água. amostra (2b), espectro de DI água. (c) espectro do furo em um canal vazio. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
SEM é uma técnica poderosa em superfície caracterização de materiais orgânicos e inorgânicos em um nível de escala nanométrica (nm) com alta resolução1. Por exemplo, é amplamente utilizado para análise das amostras sólidas e secas como materiais geológicos26 e semicondutores27. No entanto, ele tem limitações em caracterizar as amostras de líquido e molhadas devido à incompatibilidade de líquido dentro do ambiente altamente aspirado necessário para microscopia eletrônica1. Preparação da amostra SEM muitas vezes requer a desidratação ou liofilização para uma amostra hidratada e particularmente para espécimes biológicos2. Como resultado, é desafiador para capturar com precisão as informações das amostras naturalmente hidratadas ou líquidas, como suas informações intrínsecas podem ser perdidas durante o processo de preparação do amostra28,29. Isto pode incluir mas não está limitado a, atividade biológica nas células, síntese de nanopartículas em solução, agregação de partículas em complexas reações de líquido e eletroquímicas. Mesmo que a ESEM pode imagem amostras hidratadas em um ambiente controlado do vapor, a resolução das imagens não conseguia alcançar tão alto quanto as imagens SEM das amostras sólidas no modo de alto vácuo30,31,32 , 33. recentemente, molhadas amostras foram cobertas por uma película fina transparente de elétrons6 ou seladas por uma cápsula de amostra30 quando SEM foi empregado, e elétrons retroespalhados foram coletados para imagens usando esta abordagem.
SALVI é uma interface de microfluídicos versátil que permitiu a análise da superfície de líquidos usando instrumentos baseados em vácuo, tais como temperatura e ToF-SIMS. 11 , 12 , 13 , 14 nossa técnica usando SALVI e otimizado condições SEM pode fornecer SE imagens e informação relativa à composição EDX. A Figura 1a apresenta a imagem SE de partículas boemita em DI água com uma escala de submicron (400 nm) e alta magnificação de 200.000. A imagem SEM mostra a morfologia e a distribuição das partículas boemita no líquido, o que valida que as partículas no líquido podem ser vistas e mantidas em segurança dentro da membrana de pecado por tensão superficial20. Em contraste, figuras 1b retrata as imagens SE da DI água dentro do buraco no nível de ampliação × 100.000. Ele fornece evidência direta que a água pode ser espera por sua tensão superficial sem vazando do lado de fora. Além disso, a pressão da câmara foi mantido constante em 1,0 × 10-5 Torr durante a medição. Figura 1 c apresenta um buraco em um canal vazio com 200.000 × ampliação; Nada é observado dentro do buraco sob a mesma corrente e configurações de tensão. A capacidade de geração de imagens líquida SE através desta abordagem fornece alta resolução imagens SE comparado com a resolução do micrômetro de imagens de elétrons retroespalhados adquiridos usando o relatado molhado SEM técnica30.
Mapeamento elementar EDX é conduzido usando AlOOH partículas em água DI, DI somente água e o canal vazio, respectivamente. Os dois últimos são usados como controles de referência. Como mostrado na Figura 2a, o pico do alumínio ocorre em cerca de 1,5 keV com sinal significativo, embora não haja nenhum pico proeminente aparecendo com a mesma energia em água DI e os espectros EDX canal vazio. O sinal de oxigênio é dominante na água tanto AlOOH e DI, que confirma que este sinal vem da água. Isto ainda mais valida que partículas são imersos em água durante a imagem latente. Os picos de C e Si em figuras 2a, 2b e 2C são a partir do revestimento de carbono sobre a janela de deteção e membrana de pecado, formando a área de detecção, respectivamente. O pico de N também é a membrana do pecado. A comparação EDX mostra a deteção da composição de AlOOH alumínio na água, indicando que as partículas boemita com efeito são observadas.
Em trabalhos anteriores, demonstramos a viabilidade de empregar uma célula microfluídicos e alto vácuo SEM imagem e caracterizar a amostra de líquido, usando DI água e imunoglobulina G (IgG) nanopartículas de ouro12,20. Nestas obras anteriores, nanopartículas de ouro eram menores que 10 nm. Neste trabalho, mostramos que boemita partículas com tamanhos muito maiores (< 100 nm) também podem ser estudados através de SEM. líquido O tamanho do furo foi calculado para garantir a área de imagem suficiente ainda suficiente tensão de superfície para segurar o líquido dentro. Originalmente, o buraco foi fabricado usando o feixe de íons de gálio para fazer aberturas redondas de 2 µm de diâmetro antes da montagem do dispositivo na invenção inicial12,20. Nesta atualização, mostramos que as aberturas de deteção podem ser feitas depois que o dispositivo é montado, tornando todo o processo mais ágil. Um pode também abrir tantas janelas de deteção conforme necessário em uma análise e não é limitado por furos feitos antes de uma experiência. As 2 janelas de deteção µm de diâmetro são adequadas para técnicas como ToF-SIMS, e também é viável no líquido SEM. Devido a capacidade de alta magnificação de SEM, o novo resultado mostra essa abertura menor (por exemplo, 1 a 2 µm) funciona bem em SEM (Figura 1a).
Vários detalhes técnicos são dignos de menção a fim de fazer em situ líquidas medições SEM sucesso. Em primeiro lugar, o dispositivo precisa ser revestido com ouro ou carbono para reduzir a carga durante as medições. Em segundo lugar, a montagem do dispositivo é bastante crítica neste procedimento. Contato frouxo do dispositivo com a fase de montagem irá resultar em carga significativa, dificuldade em se concentrar e imagens pobres. Em terceiro lugar, se alguém quiser analisar mais de uma amostra, usando o mesmo dispositivo, a sequência de amostra precisa de algum pensamento. Embora o dispositivo é descartável, é provável que um dispositivo pode ser usado mais de uma vez. Por exemplo, um pode usar água ou solvente para a obtenção de dados da amostra controle seguido pela análise de uma amostra com partículas ou outras espécies de interesse usando o mesmo solvente. É aconselhável apresentar a introdução da amostra, após o dispositivo SALVI é protegido e deteção buracos são feitos usando SEM/FIB. O FIB é utilizado apenas para os buracos na membrana do janela de deteção de trituração. Se a membrana é preparada por um outro instrumento ou a membrana é feita com buracos disponível junto a fornecedores, não é necessário usar o FIB para fazer furos antes da análise do SEM. Movendo o aparelho fora do palco para introdução de amostra amostra e remontagem-lo novamente desperdiça muito tempo, ao mesmo tempo adicionando o risco de falta de conexões diretas entre o dispositivo e a fase de amostra e resultando em uma distância de trabalho diferentes. O operador SEM também pode ter que mudar o foco e encontrar o canal e micrômetro tamanho redondo deteção windows novamente.
Com resolução de submicron e informações precisas de elementais apresentadas neste estudo, vislumbramos que a integração da célula compatível com vácuo microfluidic (i.e., SALVI) com o modo de alto vácuo SEM pode ser amplamente utilizada na identificação e observando vários naturalmente hidratado espécimes, amostras geológicas, amostras biológicas e nanomaterial sintetizado em líquido. Com as melhorias tecnológicas para aabordagem de SEM líquido são discutidos anteriormente, podemos demonstrar que uma variedade maior de partículas de submicron de tamanhos diferentes pode ser investigada usando esta nova abordagem. Em última análise, em situ líquido SEM abre mais oportunidades para estudar amostras em líquido usando alto vácuo SEM.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Estamos gratos que o laboratório nacional Noroeste Pacífico (PNNL) Nuclear processo ciência iniciativa (NPSI)-laboratório dirigido a investigação e desenvolvimento (LDRD) o fundo de apoio. Dr. Sayandev Chatterjee fornecido as partículas boemita sintetizada. Acesso instrumental foi fornecido através de uma proposta de usuário geral W. R. Wiley ambiental Molecular Sciences Laboratory (EMSL). EMSL é uma instalação de usuário científico nacional patrocinada pelo escritório de biológicos e pesquisa ambiental (BER) em PNNL. PNNL é operado pela Battelle para o DOE sob contrato 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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