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 partiklar i vatten med flytande 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 presenterar ett förfarande för realtid imaging och elementärt sammansättning analys av boehmite partiklar i avjoniserat vatten av i situ vätska Scanning Electron Microscopy.

Abstract

In situ imaging och elementär analys av boehmite (AlOOH) partiklar i vatten realiseras med hjälp av systemet för analys vid flytande vakuum gränssnitt (SALVI) och Scanning Electron Microscopy (SEM). Detta dokument beskriver metoden och nyckel steg i att integrera vakuum kompatibel SAVLI SEM och få sekundära elektron (SE) bilder av partiklar i vätska i vakuum. Energy dispersive x-ray spektroskopi (EDX) används för att erhålla elementaranalys av partiklar i vätskan och kontroll prover inklusive enbart avjoniserat vatten (DI)-vatten och en tom kanal samt. Syntetiskt boehmite (AlOOH) partiklar i vätska används som en modell i flytande SEM illustration. Resultaten visar att partiklarna kan avbildas i SE läge med bra upplösning (dvs400 nm). Det AlOOH EDX-spektrumet visar betydande signalen från aluminium (Al) jämfört med det DI-vattnet och Tom kanal kontroll. In situ flytande SEM är en kraftfull teknik för att studera partiklar i vätska med många spännande applikationer. Detta förfarande syftar till att ge tekniskt kunnande för att bedriva flytande SEM imaging och EDX analys använder SALVI och minska potentiella fallgropar när du använder denna metod.

Introduction

Svepelektronmikroskop (SEM) har tillämpats allmänt för att undersöka en mängd exemplar genom att producera hög upplösning imaging1. Den energy dispersive x-ray spektroskopi (EDX) associerade med SEM möjliggör bestämning av elementärt sammansättning1. Traditionellt, tillämpas SEM för imaging endast torra och fasta prover. Under de senaste 30 åren utvecklades miljömässiga SEM (ESEM) för analys av delvis hydrerade proverna i en ånga miljö2,3,4,5. ESEM är dock inte att bilden av våta, helt flytande prov med önskad högupplösta6. Våta SEM celler utvecklades också för bild våt exemplar använder SEM7,8; ändå, dessa celler utvecklades huvudsakligen för biologiska prover och bakåtspritt elektron imaging, och är mer tillgängliga för applikationer med dessa mönster9,10.

För att ta itu med utmaningarna i att analysera olika prover i deras infödda flytande miljö använder SEM, uppfann vi en vakuum kompatibel mikroflödessystem enhet, System för analys vid den flytande vakuum gränssnitt (SALVI), aktivera hög rumslig upplösning sekundära elektron (SE) imaging och elementär analys av flytande prov med hög vakuum läge i SEM. Denna nya teknik omfattar följande unika funktioner: 1) vätska är direkt utforskad i en liten bländare 1-2 µm i diameter; (2) vätska hålls i hålet av ytspänning; och 3) SALVI är bärbar och kan anpassas till mer än en analytisk plattform11,12,13,14,15,16,17 ,18.

SALVI består av en 100 nm tjock kiselnitrid (SiN) membran och en 200 µm breda microchannel av Polydimetylsiloxan (PDMS) block. Fönstret synd membran används för att försegla microchannel. De fabrication detaljer och nyckeln designöverväganden var detaljerade i tidigare papper och patent11,19,20. För närvarande är har en ledande tillverkare och distributör förbrukningsmaterial försörjningstryggheten för mikroskopi köpt licens att sälja SALVI enheter kommersiellt för flytande SEM program21,22.

Tillämpningar av SALVI i vakuum-baserade analytiska instrument har påvisats med hjälp av olika vattenlösningar och komplexa flytande blandningar som inklusive biofilmer, däggdjursceller, nanopartiklar och elektrod material12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. men de flesta av de ovan nämnda arbetet utnyttjas time-of-flight sekundära ion mass spectrometry (ToF-SIMS) som viktiga analysverktyget, således tillämpningen av vätska SEM med SALVI har inte undersökts helt. I detta arbete, har SALVI använts för att studera större icke-sfäriska kolloidala partiklar i vätska med hjälp av flytande SEM imaging och EDX elementaranalys. Provet består av AlOOH partiklar syntetiseras på vårt laboratorium. Submicrometer-storlek boehmite partiklar är kända i högaktivt radioaktivt avfall på webbplatsen Hanford. De är långsamma att upplösa och kan orsaka reologiska problem i avfallshanteringen. Därför är det viktigt att ha förmåga att karakterisera boehmite partiklar i flytande25. Detta tekniska tillvägagångssätt kan användas för att studera boehmite i olika fysikalisk-kemiska förhållanden för förbättrad förståelse av dessa partiklar och relaterade reologiska egenskaper. Dessa partiklar utnyttjades visar steg för steg hur kan gälla högvakuum SEM SALVI för att studera partiklar i vätska. Viktiga tekniska punkter för SALVI och SEM integration och SEM datainsamling markeras inom papperet.

Protokollet ger demonstration av den flytande prov analyseras med SALVI och flytande SEM imaging, för dem som är intresserade i att utnyttja denna nya teknik i olika tillämpningar av flytande SEM i framtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. förbereda AlOOH flytande prov

Obs: rör inte exemplaret eller något inuti SEM kammaren med händerna. Pulvret fria handskar bör bäras i alla tider när hanterar SALVI enheten och montera den på SEM skede för att undvika potentiell kontaminering under ytanalys.

  1. Göra en AlOOH stamlösning (1 mg/mL)
    1. Lös 10 mg AlOOH pulver i 10 mL DI vatten för att göra den 1 mg/mL stamlösning av AlOOH.
    2. Ultrasonicate stamlösning för 5 min.
      Obs: Stamlösning pH är ungefär 4,6 mäts med en pH-mätare. Lösningen av pH är inte justerat och används som det är i detta arbete.
  2. Göra en utspädd lösning 10 mikrog/ml
    1. Späd 1 mg/mL AlOOH stamlösning till 10 µg/mL av dispenseras 1 mL i 99 mL DI vatten via pipett.
    2. Ultrasonicate lösningen för 5 min.
      Obs: Stamlösning pH är cirka 5,8 mäts med en pH-mätare efter utspädning.

2. Sputter Coat fönstret SALVI synd membran med kol

  1. Infoga kol stången i spö hållaren.
    Obs: Spöhållare kan identifieras som den bit som är kopplad till det gångjärnsförsett locket.
  2. Använder ett par pincett och ta försiktigt bort tejpen på SALVI ' s synd membran fönster stomme.
    Obs: Tejpen används för att skydda synd membranet före ytanalys.
  3. Säkra SALVI enheten upprätt inuti carbon bestrykare kammaren med kol tejp fixar polytetrafluoreten slangen av SALVI enheten på scenen av bestrykare. Stäng locket.
  4. Tryck på den " makt " knappen för att starta vakuumpumpen.
  5. Tryck på den " spänning " knappen på framsidan av den kol bestrykare och ange värdet till 4.6 V genom att justera upp (▲) och nedåt (▼) knappar för denna operation.
    Obs: Inställningen spänning kan variera beroende på olika kol bestrykningsmaskiner.
  6. Aktivera skikttjocklek bildskärmen genom att byta sin " makt " knappen. Rensa den behandlingen som visas på skärmen i " tjocklek (nm) " till noll genom att trycka " noll " om behandlingen inte är noll. Tryck på den " TIMER " på den kol bestrykare ' s frontpanelen att ställa nedfall tiden till 30 s genom att justera upp (▲) och ned (▼) knappar.
  7. Hålla de kol bestrykare ' s driftläge Auto genom att växla knappen " AUTO ◄ ► manuell " till " AUTO ". Switch i " START/STOP " knappen till " starta " när dammsugaren når ca 4 × 10 -4 mbar mätt med vakuum mätverktyget har på det kol bestrykare ' s frontpanelen.
  8. Gång tjocklek bildskärmen visar att kol beläggning har nått 20 nm, tryck på den " stoppa " knappen för att avsluta beläggningsprocessen och att ventilera vakuum tätningen.
  9. Öppna locket och ta ut kol belagda SALVI enheten använder vinylhandskar när du hanterar enheten.
    Obs: Beläggning provet med kol skapar ett ledande skikt på provet hämma laddning effekt och förbättra signalen SE krävs för SEM bildtagning. Säkert lagra belagda enheten i en ren petriskål med lock tills enheten är klar att installeras i SEM scenen. För att säkerställa synd membranet är tillräckligt belagd, rekommenderas det att kontrollera enheten visuellt efter beläggning. Om beläggningen inte är tillräckligt tjock, en andra gång av fräsande beläggning kan appliceras med tjockleken mätt fram till 10 nm.

3. Montera enheten och använda SEM/fokuserad Ion Beam (FIB) att göra öppningar på SALVI synd membran använder FIB

  1. Öppna SEM preparatet kammaren
    1. Öppna programvaran associerade Mikroskop kontroll på SEM instrumentet styrdator.
      Obs: Programvaran kontroll kan variera beroende på olika SEMs.
    2. Vent prov kammaren genom att klicka " Vent " på det grafiska användargränssnittet (GUI) av programvaran associerade Mikroskop kontroll under " Beam kontroll " fliken för att öppna dörren kammare.
    3. Till kammaren-dörren noggrant (när avluftning har slutförts).
  2. Montera SALVI enheten på SEM scenen
    Obs: Kontrollera ytan av det synd-membranet för att se om det är intakt antingen visuellt eller med hjälp av ett ljusmikroskop innan montering. SALVI enheten monterad på SEM scenen får inte röra Everhart Thornley detektor (ETD) detektorn inne i preparatet kammaren.
    1. Välj standard SEM prov innehavaren påbörjad. Fixa stub på mitten av scenen med hjälp av lämpliga bult och insexnyckel.
    2. Placera två remsor av dubbelsidig kol tejp på stub.
    3. Stick SALVI enheten på kol bandet placeras på stub med synd membran vänd upp
    4. Immobilisera säkert SALVI på stub med en ytterligare två remsor av ensidig koppar band binda SALVI PDMS blocket till SEM metall stub. Dessutom använda koppar band för att ansluta ramen synd och metall stub. Kontrollera att tejpen inte helt täcker synd membranet.
      Obs: Användningen av kol och koppar band hjälpa säkerställa en kontinuerlig jordning sökväg för avlägsnande av kostnadsfritt från synden membranet under SEM mätningen. Placeringen av tejpen på kanten av ramen synd är ganska viktigt, eftersom det garanterar jordning och minskar laddning under analysen. Botten av enheten måste också ha full kontakt med SEM stub via dubbelsidig carbon band. Bandet får inte täcka synd membranet för att undvika eventuella skador i hantering.
  3. Pumpa ner preparatet kammaren
    1. Stäng preparatet kammare dörren. Välj den " högt vakuum " läge på SEM programvaran GUI enligt den " Beam kontroll " sida.
    2. Klicka på den " pumpen " knappen på den " Beam kontroll " att starta dammsugning och utöva påtryckningar för hand till kammaren dörren tills önskad vakuum är etablerad.
      Obs: Kammare trycket måste nå minst 1,0 × 10 -5 Torr och förblir stadigt vid eller under detta värde innan imaging. Detta är ett viktigt steg för att aktivera den mycket löst upplösningen för avbildning. Inställningen trycket kan övervakas från det högra hörnet av GUI.
  4. Göra öppningar i synd membranet använder FIB
    1. Aktivera elektronstrålen imaging område genom att klicka på den " paus " ikonen i verktygsfältet. Slå på elektronen strålar genom att klicka på den " balk på " knappen på den " Beam kontroll " sida. Välj ETD detektorn och SE läge för avbildning från den " detektorer " rullgardinsmenyn.
      Obs: Detektorn kan variera beroende på olika konfiguration av SEMs. I objektivet detektorn är också tillämplig för flytande SEM analys.
    2. Länk Z samordna värde till den faktiska Free arbetar avstånd (FWD) värde genom att klicka på den " länk " ikonen på verktygsfältet. Ställ in arbetsavståndet (WD) som 10 mm genom att skriva antalet 10 i textrutan koordinaten " Z " på den " navigering " sida när den " faktiska " avstånd väljs.
      Obs: WD kan variera beroende på olika SEMs.
    3. Ange elektronstrålen nuvarande till 0.47 nA, accelererande spänningen till 8 keV och upplösningen till 1.024 × 884 från motsvarande lista rutorna som visas i verktygsfältet på elektronen strålar imaging område.
      Obs: Den ström och spänning inställning kan variera beroende på olika SEMs.
    4. Hitta microchannel (0.2 mm x 1,5 mm) genom att vrida den " X " och " Y " skifta rattar på handboken User Interface (MUI) styrelsen att följa live-avbilden på kontroll monitorn. Rita en linje parallellt till microchannel från ena änden till den andra med hjälp av musen. Klicka på " xT justera funktionen " från nedrullningsbara menyn för " scenen " fliken i verktygsfältet och välj " horisontella " att anpassa microchannel.
    5. Ställa scenen lutningen till 0 ° genom att välja värdet från den " T " listrutan den " navigering " sida. Leta upp en distinkt partikel funktion nära microchannel och centrera den under gula korset genom att flytta den scenen med den " X " och " Y " skifta rattar. Förstora funktionen att 1000 X och vrid den " kontrast ", " ljusstyrka ", " grov ", och " fina " knoppar på MUI att optimera bilden av funktionen partikel.
    6. Lutning 15 ° scenen genom att välja värdet från den " T " listrutan den " navigering " sida. Användning " Z-kontroll " genom att trycka ner hjulet på musen och drar du funktionen tillbaka under det gula korset på skärmen på elektronen strålar imaging område efter scenen lutas.
      1. Tilt scenen igen till 30 ° och återföra funktionen under den arga med den " Z-kontroll ". Luta steget tillbaka till 0 ° och Observera placeringen av funktionen; eucentric höjd bekräftas om funktionen inte flyttas betydligt.
        Obs: Att lokalisera eucentric höjden utförs för att hålla ion beam och elektronstråle som fokuserade på samma position att uppnå bra FIB fräsning precision. Upprepa processerna i steg 3.4.6 om funktionen skiftar betydligt efter vippning scenen tillbaka till 0 °. Eucentric höjd bör anpassas för varje ny monterad prov för den största noggrannheten.
    7. Luta scenen till 52° genom att välja värdet från den " T " listrutan den " navigering " sida.
      Obs: Vippande graden kan variera beroende på olika SEMs.
    8. Inaktivera den " paus " ikonen i verktygsfältet genom att klicka på knappen för att se till att den Ion beam imaging område är på. Slå på gallium källa jonen stråla genom att klicka på den " balk på " knappen den " Beam kontroll " sida.
      1. Värdet accelererande spänningen av ion beam 30 keV och beam nuvarande till 0,3 nA genom att välja dessa värden från motsvarande spänning och nuvarande listrutor finns på verktygsfältet. Föra microchannel till mitten av detta imaging område.
    9. Välj cirkeln som mönstret genom att välja funktionen listrutan av " mönster " på den " mönstring " sida. Ange den " ytterdiameter " till 1 µm, den " Inner diameter " till 0 µm, den " Z storlek " till 500 nm, och den " Dwell Time " till 1 µs i motsvarande textruta.
      1. Typ " Si " i den " ansökan " textruta eftersom den viktigaste komponenten i fönstret om-till-vara-slipat upptäckt är kiselnitrid. Klicka på den " mönstring menyn/Start mallning " knappen för att börja fräsning hålen på fönstret identifiering som omfattas av microchannel. Upprepa fräsning processen flera gånger för att erhålla en rad runda hål. I ett experiment, flera hål kan vara gjort.
        Obs: Hålen är 100 µm mellanrum, från ena sidan av microchannel till den andra. Agera snabbt för att minimera beam skadan på synd membranet. Den SEM FIB fräsning processen oftast startar från antingen mycket åt vänster eller höger sida av microchannel för att spåra och antal öppningar enkelt. Operatören kan välja att gå från botten eller toppen beroende på orienteringen av kanalen och personliga preferenser. Garanterar att den SEM FIB fräsningen avslutade och adekvat så preparatet kan vara probed inom öppningar.
  5. Vent kammaren efter de SEM/FIB
    1. luta scenen tillbaka till 0 ° genom att välja 0 från den " T " listrutan den " navigering " sida. Stäng av både elektronstråle och ion beam genom att klicka " balk på " när motsvarande balken imaging området aktiveras. Klicka på " Vent " på den " Beam kontroll " sida att ventilera preparatet kammaren.

4. Ladda SALVI med flytande prov

  1. rengör den SALVI med DI vatten
    1. försiktigt öppna SEM kammare dörren när det är fullt portad och lämna SALVI enheten som det är på scenen.
      Obs: För att spara tid på monterar enheten och fokusera, det rekommenderas starkt att hålla enheten på scenen vid lastning provet.
    2. Rita 1 mL DI vatten i en steril spruta, Anslut sprutan med öppningen av mikrofabricerade enheten använda en av polytetrafluoreten slang adapter passande och injicera långsamt vätskan för 3-5 min.
      Obs: En sprutpump rekommenderas för alla åtgärder där injicera lösningar i SALVI krävs. Detta kan göras i det här steget genom att ange en 1 mL steril spruta som innehåller lösningen på ett flöde på 100-250 µL/min. utnyttja en sprutpumpen på ett konstant flöde kan minska sannolikheten för skador till synden membranet.
    3. Upprepa steg 4.1.2 tre gånger med 1 mL 10 µg/mL AlOOH, bereddes i steg 1, att säkerställa koncentrationen av provet inte späds av de förinlästa DI vattnet.
    4. Ta bort sprutan efter injektionen. Anslut in- och utlopp av SALVI med polyeter ether ketone unionen. Torka någon vätska utanför SALVI med lab våtservetter. Om det finns några bubblor inom polytetrafluoreten slangar eller microchannel, gör om AlOOH prov injektion tills inga bubblor ses inom polytetrafluoreten slangen.
      Obs: Skruva polyeter ether ketone unionen. Använd inte för mycket styrka vid åtdragning unionen för att undvika att skapa en betydande intern tryckökning insidan SALVI, vilket kan resultera i skador till synden membranet.
      Obs: Bubblor inuti microchannel kan påverka skanning och orsaka bilden shift. Någon vätska utanför enheten kommer att påverka statusen vakuum, därför utsidan av SALVI och polytetrafluoreten slangar ska torkas ordentligt innan du sätter in den till vakuumkammare. Dessutom ska enheten inte har fysiska skador (t.ex., skära på slangen, bruten synd membran fönster) som leder till läckage. Annars kammare trycket kanske inte når önskad hög vakuum bubblor bildas i slangen och flytande provet kommer att försvinna vid dammsugning.

5. Genomföra flytande SEM Imaging och elementaranalys

  1. ta bilder med hjälp av ETD detektor och SE läge
    1. Stäng preparatet kammare dörren. Välj den " högt vakuum " läge på SEM programvaran GUI enligt den " Beam kontroll " sida. Klicka på den " pumpen " knappen på den " Beam kontroll " sida och börja dammsuga som du kan tillämpa handkraft till kammaren dörren tills önskad vakuum är etablerad.
    2. Aktivera elektronstrålen imaging område genom att klicka på den " paus " ikonen i verktygsfältet. Slå på elektronen strålar genom att klicka på den " balk på " knappen på den " Beam kontroll " sida. Välj ETD detektorn och SE läge för avbildning från den " detektorer " nedrullningsbara menyn.
      1. Ange den accelererande spänningen till 8 keV och beam nuvarande till 0.47 nA från motsvarande lista rutor visas på verktygsfältet GUI på elektronen strålar imaging område. Ange WD som 7 mm genom att skriva antalet " 7 " i textrutan av koordinaten " Z " på den " navigering " sida när den " faktiska " avstånd väljs.
        Obs: Parametrarna för balk spänning, ström och arbetsavstånd kan variera beroende på olika SEMs.
    3. Förstora funktionen att 1000 × och twist den " kontrast ", " ljusstyrka ", " grov ", och " fina " knoppar på MUI att optimera bilden av funktionen partikel.
    4. Centrerar det första hålet i live-avbilden av elektronstrålen imaging område genom att vrida den " X " och " Y " skifta rattar på styrelsens MUI. Förstora bilderna med partiklar till förstoring 200 000 × genom att vrida den " förstoring " knopp på styrelsens MUI. Välj skärmupplösningen " 1,024 × 884 " från listrutan i verktygsfältet.
    5. Ange sökhastighet som 30 µs från listrutan i verktygsfältet. Tryck på F4 för att ta en ögonblicksbild av den aktuella bilden visas i elektronstrålen imaging område.
    6. Tryck Ctrl + S för att spara bilden as.tif filen till önskad plats med definierade filnamn inklusive ett inkrementellt tal.
    7. Zooma ut genom att vrida den " förstoring " knopp att hitta nästa intilliggande hål. Upprepar åtgärderna i steg 5.1.4 - 5.1.6 till bild AlOOH partiklar i resten av hålen.
  2. Genomföra elementaranalys använder EDX
    1. in i kammaren energi dispersiv spektroskopi (EDS) detektorerna.
    2. Välj ETD detektorn på mikroskopet kontrollera övervaka och SE läget för visning av provet på området electron beam imaging. Ange den accelererande spänningen till 8 keV, strömmen till 0.47 nA och WD 7 mm som beskrivs i steg 5.1.2.
    3. Förstora AlOOH partiklar i varje hål med förstoring 200 000 X genom att vrida den " förstoring " knopp på styrelsens MUI.
      Obs: Håll elektronstrålen fokuserar på samma plats för att ge mer lokaliserade elementär information. En bild av AlOOH ges i figur 1a.
    4. Öppna programvaran associerade EDAX.
      Obs: De tillhörande programvaran kan variera beroende på olika instrument ' konfigurationer.
    5. Klicka " starta inspelningen nya spectra " i användargränssnittet (UI) för att samla in det EDX-spektrumet. Välj " Peak ID " att välja de sannolika delarna av spektrumet. Skriver in observerade element, t.ex., syre i detta fall, i den " Element " fältet. Klicka på " Lägg till " att tillämpa elementet till spektrum.
    6. Klicka på " filen " och klicka sedan på " Spara som ". Spara i spektraldata in.csv format i önskat filnamn för ytterligare plottning med en grafritande programvara.
    7. Upprepar åtgärderna i steg 5.3.3 - 5.3.6 att registrera det EDX-spektrat från varje hål.
    8. Efter avslutad imaging och spektrum inspelning för vart och ett av hålen, stänga av elektronen strålar genom att klicka " balk på " knappen på den " Beam kontroll " när elektronen strålar imaging område är på. Vent SEM kammaren genom att klicka " Vent " på samma sida. Försiktigt ta provet utanför scenen genom att ta bort alla banden efter kammare dörren är öppen.
    9. Upprepa förfarandet för att genomföra de kontrollen experiment med det DI-vattnet och en tom microchannel.

6. Rita det EDX-spektrum

  1. the.csv spektrum importfilen till en grafritande programvara.
  2. Tomt spektrumet med energinivån som x-axeln och intensiteten mottas och bearbetas av EDX som y-axeln visar de rekonstruerade spektra, som visas i siffror 2a , 2b och 2 c.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De representativa resultat presenteras för att visa hur partiklarna är avbildade och analyseras med hjälp av i situ flytande SEM imaging tillsammans med EDX. Resultatet inkluderar SE bilder och EDX spektra. SE bilderna erhölls på 100.000 X och 200 000 X förstoring i figur 1. Figur 1a skildrar SE bilden av AlOOH, figur 1b DI vatten och figur 1 c hålet i en tom kanal. Bilderna erhölls genom att tillämpa SE med 8 keV accelererande spänning och 0.47 nA helljus ström. Skärmens upplösning utnyttjas var 1,024 × 884 med en avsökningshastighet av 30 µs. på motsvarande sätt, figur 2 visar EDX spektra upptäckt från AlOOH partiklar i vatten (figur 2a), DI vattenprov (figur 2b) och hålet i en tom kanal ( Figur 2 c), baserat på uppmätta elementärt sammansättning. EDX spektra erhölls med hjälp av samma nuvarande och spänning inställning som för SE bilder. Information djup är från regionen grunt vid prov ytan på grund av valet av låg spänning. Rådata av elementärt spectrana är outputted as.csv fil och ritade med en grafritande programvara för presentation.

Figure 1
Figur 1: SE bilder. Dessa bilder erhölls genom att tillämpa SE med 8 keV accelererande spänning och 0.47 nA helljus ström. Skärmupplösningen utnyttjas var 1,024 × 884 med en avsökningshastighet av 30 µs. (1a) AlOOH 200, 000 X, (1b), DI vatten vid 100, 000 X (1 c) och en tom kanal på 200, 000 X. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: EDX Spectra. EDX spektra förvärvades i SE-läge med 8 kV accelererande spänning och 0.47 nA helljus ström. (2a) spektrum av AlOOH i vatten. (2b), spektrum av DI vatten provet. (c) spektrum av hålet i en tom kanal. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SEM är en kraftfull teknik i ytan karakterisering av organiska och oorganiska material i nanoskala (nm) nivå med hög upplösning1. Den används till exempel ofta för att analysera de fasta och torra proverna, såsom geologiska material26 och halvledare27. Det har dock limitationsin karakterisera de våta och flytande proverna på grund av oförenligheten vätska inom mycket dammsugas miljön krävs för elektronmikroskopi1. SEM provberedning ofta kräver uttorkning eller frystorkning för ett hydrerad exemplar, och särskilt för biologiska prov2. Som ett resultat, är det utmanande att korrekt fånga upp information av naturligt återfuktad eller flytande prover, som deras inneboende information kan gå förlorade under den prov förberedelse process28,29. Detta kan inkludera men är inte begränsat till, biologisk aktivitet i cellerna, syntesen av nanopartiklar i lösning, aggregering av partiklar i komplexa flytande och elektrokemiska reaktioner. Även om ESEM kan bilden hydrerad prover i en kontrollerad vapor miljö, kunde upplösningen på bilderna inte nå så högt som de SEM-bilderna av de fasta proverna i hög vakuum läge30,31,32 , 33. nyligen, våta prover var omfattas av en elektron transparent tunn film6 eller förseglats av en förlaga kapsel30 när SEM var anställd, och bakåtspritt elektroner samlades för bilder med denna metod.

SALVI är en mångsidig mikroflödessystem gränssnitt som har aktiverade surface analys av vätskor med vakuum-baserade instrument såsom TEM och ToF-SIMS. 11 , 12 , 13 , 14 vår teknik använder SALVI och optimerad SEM villkor kan ge SE bilder och EDX sammansättning information. Figur 1a presenterar SE bilden av boehmite partiklar i DI, vatten med en submicron skala (400 nm) och hög förstoring på 200 000. Den SEM-bilden visar morfologi och distribution av boehmite partiklar i vätska, som validerar att partiklar i vätska kan ses och hålls säkert inom synd membranet av ytspänning20. Däremot skildrar siffror 1b SE bilderna av DI vattnet i hålet på 100.000 × förstoringsnivå. Det ger direkta bevis att vatten kan vara håll av dess ytspänning utan att läcka utanför. Dessutom hölls kammare trycket konstant på 1,0 × 10-5 Torr under mätningen. Figur 1 c presenterar ett hål i en tom kanal med 200.000 × förstoring; ingenting observeras inuti hålet under samma nuvarande och spänning inställningar. SE flytande tänkbar möjlighet via detta tillvägagångssätt ger hög upplösning SE bilder jämfört med bakåtspritt elektron bilder förvärvade använder de rapportera våta SEM teknik30mikrometer upplösning.

EDX elementärt kartläggning utförs med AlOOH partiklar i DI vatten, DI vatten endast och Tom kanalen, respektive. Två sistnämnda används som referens kontroller. Som visas i figur 2a, aluminium topp inträffar vid cirka 1,5 keV med betydande signal, medan det finns ingen framstående topp som förekommer på samma energin i det DI-vattnet och Tom kanal EDX spektra. Syre signalen är dominerande i både AlOOH och DI vatten, vilket bekräftar att denna signal kommer från vatten. Detta bekräftar ytterligare att partiklar är nedsänkt i vatten under imaging. C och Si topparna i siffror 2a, 2b och 2 c är från kol beläggning på fönstret och synd membran bildar detekteringsområdet, respektive. Den N-toppen är också från synden membranet. EDX jämförelsen visar detektion av aluminium sammansättningen av AlOOH i vatten, vilket indikerar att boehmite partiklarna faktiskt iakttas.

I tidigare artiklar, har vi visat möjligheten att anställa en mikroflödessystem cell och högvakuum SEM att bild och karakterisera flytande provet med DI vatten och immunglobulin G (IgG) Guldnanopartiklar12,20. I dessa tidigare verk, Guldnanopartiklar var mindre än 10 nm. I detta arbete, visar vi att boehmite partiklar med mycket större storlekar (< 100 nm) kan också studeras genom flytande SEM. Hålets storlek beräknades för att säkerställa tillräckliga imaging området ännu tillräckligt ytspänning att hålla vätskan inom. Hålet var ursprungligen, dikta ihop användande gallium ion balken för att göra runda öppningar av 2 µm i diameter före enheten montering i första uppfinning12,20. I den här uppdateringen visar vi att upptäcka öppningar kan göras efter enheten är monterad, vilket gör hela processen mer strömlinjeformad. En kan också öppna upp så många upptäckt fönster som behövs i en analys, och begränsas inte av hålen gjorde innan ett experiment. 2 µm diameter upptäckt Fönstren är lämplig för tekniker såsom ToF-SIMS, och det är också möjligt i flytande SEM. På grund av den hög förstoring anlagen av SEM, nya resultatet visar att mindre bländare (t.ex.1 2 µm) fungerar bra i SEM (figur 1a).

Flera tekniska detaljer är värda att nämna för att i situ flytande SEM mätningar lyckad. Första behöver enheten vara belagd med kol eller guld för att minska laddning under mätningarna. För det andra det anordning monteringen är ganska kritisk i detta förfarande. Glappar av enheten med montering scenen kommer att resultera i betydande laddning, svårigheter att fokusera och dåliga bilder. För det tredje, om man vill analysera mer än ett prov med hjälp av samma enhet, sekvensen prov behöver fundera. Även om enheten är disponibel, är det troligt att en enhet kan användas mer än en gång. Exempelvis kan man använda vatten eller lösningsmedel för att få data av det stickprov som följt av analys av ett prov med partiklar eller andra arter av intresse med hjälp av samma lösningsmedel. Det rekommenderas att införa prov inledningen efter SALVI enheten säkras och upptäckt hål görs med SEM/FIB. FIB används enbart för fräsning hålen på upptäckt fönster membranet. Om membranet bereds genom ett annat instrument eller membranet tillverkas med hål tillgängliga från leverantörerna, är det inte nödvändigt att använda FIB för att göra hål före SEM analys. Flytta enheten borta från prov scenen för provet introduktion och remounting det igen avfall mycket tid, samtidigt lägga risken för dåliga anslutningar mellan enheten och prov scenen och resulterar i en olika arbetsavstånd. Operatorn SEM kan också behöva fokusera och hitta kanalen och mikrometer storlek runda upptäckt windows igen.

Med submicron upplösning och exakt elementär information utställningsmonter i denna studie, föreställer vi att integrationen av vakuum-kompatibel mikroflödessystem cellen (dvsSALVI) med hög vakuumläget SEM kan utnyttjas ofta i att identifiera och att observera olika naturligt hydrerade exemplar, geologiska prover, biologiska prover och nanomaterial syntetiseras i vätska. Med de tekniska förbättringarna avflytande SEM förhållningssätt diskuteras tidigare, vi visar att en större mängd submicron partiklar av olika storlekar kan undersökas med hjälp av detta nya tillvägagångssätt. Slutligen, i situ flytande SEM öppnar fler möjligheter att studera exemplar i vätska med hög dammsugare SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Vi är tacksamma att de Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) kärntekniska Process vetenskap initiativ (NPSI)-laboratorium riktad forskning och utveckling (LDRD) fonden för stöd. Dr. Sayandev Chatterjee som syntetiserade boehmite partiklarna. Instrumental tillträde lämnades genom W. R. Wiley miljömässiga Molecular Sciences laboratorium (EMSL) allmänna användaren förslag. Nationella vetenskapliga användaren är EMSL sponsrad av Office av biologiska och miljömässiga forskning (BER) på PNNL. PNNL drivs av Battelle för DOE under kontrakt 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

Kemi problemet 127 Boehmite i situ vätska Scanning Electron Microscopy imaging elementärt sammansättning kartläggning mikrofluidik Scanning Electron Microscopy
<em>In Situ</em> Karakterisering av Boehmite partiklar i vatten med flytande 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