Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Situ Su sıvı SEM kullanarak Boehmite parçacıklar karakterizasyonu

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

Biz gerçek zamanlı görüntüleme ve boehmite parçacıklar deiyonize su elemental kompozisyon analizi için bir yordam situ içinde sıvı Taramalı elektron mikroskobu ile mevcut.

Abstract

Boehmite (AlOOH) parçacıklar suda in situ görüntüleme ve elementel analiz sıvı vakum arabirimi (SALVI) ve tarama elektron mikroskobu (SEM) analiz sistemi kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu kağıt yöntemi açıklanır ve anahtar adımları vakum entegre uyumlu SAVLI SEM ve ikincil elektron sıvı yüksek vakum parçacıklar (SE) görüntüleri elde etmek için. Enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi (EDX) sıvı ve denetimi örneklerinde deiyonize (DI) su sadece ve de boş bir kanal gibi parçacıkların elementel analiz elde etmek için kullanılır. Sıvı içinde askıya sentezlenmiş boehmite (AlOOH) parçacıklar sıvı SEM çizimde bir model olarak kullanılır. Parçacıklar iyi çözünürlük ile SE modunda yansıması sonuçları göstermek (Yani, 400 nm). AlOOH EDX spektrum önemli sinyal alüminyum (Al) DI su ile karşılaştırıldığında ve boş kanal denetimi gösterir. Situ sıvı SEM parçacıklar sıvı birçok heyecan verici uygulamalar ile çalışmak için güçlü bir tekniktir. Bu yordamı sıvı SEM görüntüleme ve SALVI EDX analizi yapmak için ve potansiyel tuzaklar bu yaklaşımı kullanarak azaltmak için teknik know-how sunmayı amaçlamaktadır.

Introduction

Taramalı elektron mikroskobu (SEM), yüksek çözünürlüklü görüntü1üreterek örnekler çeşitli araştırmaya yaygın olarak uygulanmıştır. SEM ile ilişkili enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi (EDX) temel kompozisyon1tayini sağlar. Geleneksel olarak, SEM sadece kuru ve katı örnekleri görüntüleme için uygulanır. Son 30 yıl içinde çevre SEM (ESEM) bir buhar çevre2,3,4,5kısmi su örneklerinde analiz etmek için geliştirilmiştir. Ancak, ESEM istenen yüksek çözünürlük6ile ıslak, tamamen sıvı örnekleri resim değiştiremiyor. Islak SEM hücreleri da SEM7,8kullanarak görüntü ıslak numuneler için geliştirilmiştir; Yine de, bu hücreler esas olarak biyolojik örnekler için geliştirilmiştir ve elektron görüntüleme backscattered ve daha erişilebilir uygulamalar bu tasarım9,10ile için.

SEM kullanarak kendi yerel sıvı ortamında çeşitli örnekleri analiz sorunları ele almak üzere, icat ettiğimiz bir vakum uyumlu mikrosıvısal aygıtı, sistem analizi, sıvı vakum arabirimi (yüksek Uzaysal çözünürlük ikincil etkinleştirmek için SALVI), için Elektron (SE) görüntüleme ve elementel analiz sıvı örnekleri SEM'de yüksek vakum modunu kullanma Bu roman tekniği aşağıdaki benzersiz özellikleri içerir: 1) sıvı doğrudan içinde 1-2 µm çapı; küçük bir diyafram probed 2) sıvı içinde delik yüzey gerilimi tarafından düzenlenmektedir; ve 3) SALVI taşınabilir ve birden fazla analitik platformu11,12,13,14,15,16',17 uyarlanabilir ,18.

SALVI bir 100 nm kalın silikon Nitrür (günah) membran oluşur ve 200 µm geniş microchannel polydimethylsiloxane (PDMS) blok yaptı. Günah membran pencere microchannel mühürlemek için uygulanır. İmalat detayları ve tasarımda anahtar konular önceki kağıtları ve patent11,19,20ayrıntılı. Şu anda, bir önde gelen üreticisi ve dağıtıcısı mikroskopi için tüketim kaynağı satın SALVI cihazlar sıvı SEM uygulamaları21,22için ticari olarak satma yetkisi.

SALVI uygulamalarında vakum temelli analitik araçlara sulu çözümler ve karmaşık sıvı karışımlarının biyofilmler, memeli hücreleri, nano tanecikleri ve elektrot malzemeleri12, de dahil olmak üzere çeşitli kullanarak gösterilmiştir 14 , 17 , 20 , 23 , 24. ancak, söz konusu işin en temel analiz aracı, böylece uygulama sıvı uçuş zaman ikincil iyon kütle spektrometresi (ToF-SIMS) kullanılan tam olarak SALVI ile SEM değil araştırdı. Bu çalışmada, SALVI sıvı sıvı SEM görüntüleme ve EDX elementel analiz kullanarak daha büyük küresel olmayan kolloidal parçacıklar çalışma kullanılmaya başlanmıştır. Örnek AlOOH parçacıklar bizim laboratuarda sentezledim oluşur. Submicrometer boy boehmite parçacıklar Hanford sitesindeki üst düzey radyoaktif atık mevcut olduğu bilinmektedir. Bunlar çözülmeye yavaş ve rheological atık arıtma sorunlara neden olabilir. Bu nedenle, sıvı25boehmite parçacıklar ayırdetmek yeteneği olması önemlidir. Bu teknik yaklaşım boehmite değişik koşullarda fizikokimyasal geliştirilmiş anlamak için bu parçacıklar ve ilgili rheological özellikleri çalışma için kullanılabilir. Bu parçacıklar SALVI yüksek vakum SEM sıvı askıya parçacıklar çalışması için nasıl adım adım göstermek için kullanılmıştır. SALVI ve SEM tümleştirme ve SEM veri toplama için anahtar teknik Puan kağıdın içinde vurgulanır.

İletişim kuralı SALVI ve sıvı SEM görüntüleri, gelecekte sıvı SEM çeşitli uygulamalarda bu roman tekniği kullanan ilgilenen kim olanlar için kullanarak sıvı numune analizine gösterimini sağlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. AlOOH sıvı örnek hazırlamak

Not: numune veya SEM odası çıplak elleriyle içindeki herhangi bir şeye dokunmayın. Toz ücretsiz eldiven-var giymiş her zaman ne zaman SALVI aygıt işleme ve SEM montaj yüzey analizi sırasında olası kirlenmesini önlemek için sahne.

    1. Bir AlOOH hisse senedi çözüm (1 mg/mL) olun
    1. 10 mg AlOOH tozu 1 mg/mL AlOOH hisse senedi çözüm yapmak için 10 mL DI suda çözülür.
    2. Ultrasonicate 5 dakika süreyle hisse senedi çözüm
      Not: Stok çözüm pH yaklaşık 4,6 pH metre tarafından ölçülen olduğunu. PH çözüm değil ayarlanabilir ve bu çalışmada olduğu gibi kullanılabilir.
  2. 10 µg/mL sulandırılmış bir çözüm olun
    1. pipet ile 99 mL DI suya 1 mL dağıtımı tarafından 1 mg/mL AlOOH hisse senedi çözüm 10 µg/ml seyreltik.
    2. Ultrasonicate 5 dakika süreyle çözüm
      Not: Stok çözüm pH yaklaşık bir pH metre ile seyreltme sonra ölçülen 5,8 mı.

2. Kat karbon SALVI günah membran penceresiyle şaplatın

  1. INSERT çubuk sahibi içine karbon çubuk.
    Not: Çubuk sahibi için menteşeli kapak ekli parçası olarak tanımlanabilir.
  2. Bir çift cımbız kullanın ve dikkatli bir şekilde çıkarın SALVI kasette ' s günah membran pencere çerçevelemek.
    Not: Kaset günah membran yüzey analiz önce korumak için kullanılır.
  3. SALVI cihazı SALVI aygıt politetrafloroetilen boru coater sahnede düzeltmek için karbon bant kullanarak karbon coater odası içinde dik tutun. Kapağı kapat.
  4. Basın " güç " vakum pompası başlatmak için düğmesini.
  5. Basın " gerilim " düğmesini karbon coater ön panel ve koymak belgili tanımlık değer 4,6 V yukarı ayarlayarak (▲) ve aşağı (▼) Bu işlem için düğmeleri.
    Not: Voltaj ayarı çeşitli karbon coaters nedeniyle değişebilir.
  6. Kaplama kalınlığı açın monitör açılıp tarafından onun " güç " düğmesi. Ekraninda görüntülenen okuma temizleyin " kalınlığı (nm) " düğmesine basarak sıfıra " sıfır " okuma sıfır değilse. Basın " Zamanlayıcı " karbon coater adlı ' s ön panel ifade saat 30'a ayarlamak için yukarı ayarlayarak s (▲) ve aşağı (▼) düğmeleri.
  7. Karbon coater devam ' s çalışma modu düğmesini geçiş yaparak otomatik olarak " otomatik ◄ ► Kılavuzu " için " otomatik ". Anahtarı " START/STOP " tuşuyla " başlangıç " elektrikli vakum ölçer, karbon coater tarafından ölçülen yaklaşık 4 × 10 -4 mbar ulaştığında ' s ön panel.
  8. Kalınlığı monitörü karbon kaplama 20 ulaştığını gösterir bir kez nm, basın " durdurmak " kaplama işlemi sona erdirmek ve vakum mühür havalandırma için düğmesini.
  9. Kapağı açmak ve cihazın ele alırken vinil eldiven kullanarak kaplı karbon SALVI aygıt.
    Not: örnek ile karbon kaplama üzerinde şarj etkisi inhibe ve SEM görüntüleme için gerekli SE sinyallerinin geliştirilmesi için örnek bir iletken katman oluşturur. Güvenli bir şekilde cihazın SEM aşamasında yüklenmeye hazır olana kaplamalı cihaz temiz bir petri bir kapak ile saklayın. Günah membran kaplı yeterince emin olmak için bu cihazın görsel olarak kaplama sonra kontrol etmek için tavsiye edilir. Kaplama yeterince kalın değilse, ikinci kez sputter kaplamanın 10 kadar ölçülen kalınlığı ile uygulanabilir nm.

3. Aygıt ve diyafram yapmak için kullanım SEM/P:System.Windows.UIElement.IsFocused iyon kiriş (yalan) SALVI günah membran kullanarak yalan monte

    1. Açık ilişkili mikroskop kontrol yazılımı SEM cihazda SEM numune odası açmak kontrol bilgisayarı.
      Not: Kontrol yazılımı nedeniyle çeşitli SEM'ler değişebilir.
    2. Numune odası tıklatarak delik " havalandırma " ilişkili mikroskop kontrol yazılımı altında grafik kullanıcı arabirimi (GUI) üzerinde " ışını denetim " odası kapı açmak için sekme.
    3. Dikkatle (tahliye işlemi tamamlandıktan sonra) odası kapı açın.
  2. SEM Sahne Alanı'na SALVI aygıt mount
    Not: Bu da görsel olarak sağlam olup olmadığını görmek için günah membran yüzeyinde denetleyin veya montaj önce hafif bir mikroskop kullanarak. SEM sahnede monte SALVI aygıt Everhart Thornley dedektörü (ETD) dedektörü numune odası içinde dokunmatik değil.
    1. Seçin standart SEM örnek sahibi saplama. Saplama uygun cıvata ve onaltılık anahtarı kullanarak sahne alanı Merkezi düzeltmek.
    2. Saplama üzerinde karbon çift taraflı bant iki şeritler yerleştirin.
    3. Sopa saplama günah zar yüzü yukarı bakacak şekilde yerleştirilmiş karbon teyp üzerine SALVI aygıt
    4. Güvenli bir şekilde SALVI SALVI PDMS blok SEM metal saplama bağlamak için bakır bant tek taraflı bir ek iki şeritler kullanarak saplama üzerinde hareketsiz. Ayrıca, bakır kasetleri günah çerçeve ve metal saplama bağlamak için kullanın. Kaseti tamamen günah membran kapak değil emin olun.
      Not: Karbon ve bakır şeritler kullanımı yardımcı emanet etti günah membran kaldırma sırasında SEM ölçüm için bir sürekli topraklama yol sağlamak. Topraklama sağlar ve Çözümleme sırasında şarj azaltır çünkü günah çerçevenin kenar kasette konumunu oldukça önemlidir. Cihazın alt tarafına da karbon çift taraflı bant ile SEM saplama ile tam temas olması gerekir. Kaseti işlemedeki olası zarar görmemesi için günah membran kapsamaz gerekir.
  3. Numune odası pompa
    1. numune odası kapıyı kapat. Seçin " yüksek vakum " altında SEM yazılım GUI modu " ışını denetim " sayfa.
    2. Tıklama " pompa " üzerinde düğme " ışını denetim " vakumlama başlatmak ve istenen vakum kurulana kadar basınç odası kapıya el ile uygulamak için sayfa.
      Not: Oda basınç en az 1.0 × 10 -5 Torr ulaşmalıdır ve giderek veya görüntüleme önce bu değeri altında kalmalıdır. Bu görüntüleme için yüksek oranda çözülmüş çözünürlüğünü etkinleştirmek için önemli bir adımdır. Basınç ayar GUI sağ köşesinden izlenebilir.
  4. Diyafram FIB kullanarak günah zarda yapmak
    1. görüntüleme alanı tıklatarak elektron ışını etkinleştirmek " Duraklat " simgesi araç çubuğunda. Elektron ışını üzerinde tıklatarak açmak " ışını üzerinde " üzerinde düğme " ışını denetim " sayfa. ETD dedektörü ve görüntüleme dan SE modunu seçin " dedektörleri " damla yemek listesi.
      Not: Dedektör SEM'ler farklı yapılandırma nedeniyle değişebilir. Objektif Dedektör aynı zamanda sıvı SEM analiz için geçerlidir.
    2. Link z. gerçek Fre değerine koordinee tıklayarak çalışma mesafesi (FWD) değeri " Link " simgesi araç çubuğunda. Koordinat, metin kutusunun içine 10 numara yazarak çalışma mesafesi (WD) 10 mm ayarla " Z " üzerinde " gezinti " ne zaman sayfa " gerçek " mesafe seçili.
      Not: WD nedeniyle çeşitli SEM'ler değişebilir.
    3. Ayarlanmış elektron ışını geçerli 0,47 nA, hızlanan gerilim 8 keV ve liste kutusu görüntüleme alanı elektron ışını, araç çubuğunda görüntülenen ilgili çözünürlüğü 1.024 × 884.
      Not: Akım ve gerilim ayarı nedeniyle farklı SEM'ler değişebilir.
    4. Bulun (0.2 mm x 1.5 mm) microchannel büküm tarafından " X " ve " Y " denetim monitörde canlı görüntü gözlemlemek için el ile kullanıcı arabirimi (MUI) gemide vardiya topuzlar. Microchannel için fareyi kullanarak diğer bir ucundan paralellik bir çizgi çizin. ' I tıklatın " xT Hizala özelliği "--dan damla aşağı yemek listesi-in " sahne " sekmesini seçin ve araç çubuğu üzerinde " yatay " microchannel hizalamak için.
      5. 0 ° ile gelen değeri seçerek sahne tilt
    5. ayarla " T " liste kutusunda " gezinti " sayfa. Microchannel yakınındaki bir farklı parçacık özelliği bulun ve o sahne kullanarak hareket ettirerek altında sarı çapraz Merkez " X " ve " Y " vardiya topuzlar. 1000 X ve twist özelliği büyütmek " kontrast ", " parlaklık ", " kaba ", ve " iyi " parçacık özelliği görüntü optimize etmek için MUI kolları.
    6. Gelen değeri seçerek Sahne Alanı'na 15 ° tilt " T " liste kutusunda " gezinti " sayfa. Kullanım " Z-denetim " özelliği geri altında sarı çapraz sahne hareket ettirildiğinde sonra görüntüleme alanı elektron ışını ekranda sürükleyin ve fare tekerleği aşağı basarak.
      1. 30 ° tekrar sahneye eğilme ve geri çapraz kullan alanında özellik getirmek " Z-kontrol ". Sahneye geri 0 ° eğilme ve özellik konumunu gözlemlemek; eucentric yüksekliği alışkanlıklarını değiştirmez eğer özellik önemli ölçüde değiştirme yapmamam.
        Not: eucentric yükseklik bulma iyon ışın ve elektron ışın iyi FIB hassas freze ulaşmak için aynı konumda odaklanmış tutmak için gerçekleştirilir. Sahneye geri 0 ° devirme sonra özelliği önemli ölçüde kaydırır 3.4.6. adımda işlemleri yineleyin. Eucentric yüksekliği her yeni takılı örnek için en büyük doğruluk için ayarlanmalıdır.
    7. Gelen değeri seçerek Sahne Alanı'na 52 ° tilt " T " liste kutusunda " gezinti " sayfa.
      Not: Nedeniyle çeşitli SEM'ler devirme derecesi değişebilir.
    8. Devre dışı bırak " Duraklat " görüntüleme alanı iyon demeti açık olduğundan emin olun düğmesi araç çubuğundaki simgesini. Galyum kaynak iyon denge aletinin üstüne tıklayarak açın " ışını üzerinde " altında düğme " ışını denetim " sayfa.
      1. 30-iyon denge aletinin hızlanan gerilim ayarla keV ve ışın 0,3 nA bu değerleri karşılık gelen gerilim ve geçerli liste kutuları seçerek araç çubuğunda bulunan için geçerli. Microchannel görüntüleme alanı bu merkeze getirin.
    9. Bu özellik liste kutusundan seçerek desen olarak daire seçin " desen " üzerinde " biçimlenme " sayfa. Ayarla " dış çap " için 1 µm, " iç çapı " için 0 µm, " Z boyutu " 500 nm ve " zaman durmak " karşılık gelen metin kutusuna 1 µs için.
      1. Türü " Si " içinde " uygulama " metin kutusu silikon Nitrür hakkında-için-olmak-öğütülmüş hafiye pencere, ana bileşenidir çünkü. Ardından " menü/Başlat desenlendirme biçimlenme " düğmesini microchannel kaplı hafiye pencere üzerinde delik freze başlayacak. Öğütme işlemi yuvarlak delik bir dizi elde etmek için birden çok kez tekrarlayın. Bir deneyde, birkaç delik yapılabilir.
        Not: Delikleri 100 µm dışında microchannel diğer bir tarafı vardır. Günah membran ışın zararı en aza indirmek hızlı hareket. SEM işlemi genellikle freze FIB microchannel izlemek ve diyafram kolayca numara için bir çok sol veya sağ taraftan başlar. Işleç alttan veya üstten kanal ve kişisel tercihi yönünü bağlı olarak gitmek seçebilirsiniz. Örnek içinde diyafram probed bu yüzden SEM FIB freze tamamlanmış ve yeterli olduğundan emin olun.
  5. Odası SEM/durdu sonra delik
    1. sahneye geri 0 ° 0'dan seçerek eğimli " T " liste kutusunda " gezinti " sayfa. Hem elektron ışını ve iyon demeti tıklatarak kapat " ışını üzerinde " görüntüleme alanı karşılık gelen ışın etkinlefltirildi¤inde. ' I tıklatın " havalandırma " üzerinde " ışını denetim " numune odası havalandırma için sayfa.

4. Yük SALVI sıvı örnekleri ile

    1. DI su kullanarak SALVI temiz dikkatli bir şekilde tam olarak Bacalı sonra SEM odası kapı açın ve SALVI aygıt sahne alanı'nda olduğu gibi bırakın.
      Not: Cihaz Montaj ve odaklanarak zaman kazanmak için aygıt sahne alanı'nda örnek yüklerken tutmak için önerilir.
    2. Çizmek 1 mL DI su steril enjektör şırınga mikrosıvısal Cihaz Montaj politetrafloroetilen boru adaptörü kullanarak giriş ile bağlanmak ve yavaş yavaş 3-5 dakika süreyle sıvı enjekte
      Not: Bir şırınga pompa çözümleri SALVI enjekte gerekli olduğu tüm adımları için önerilir. Bu Bu adımda debisi 100-250 µL/dak sürekli bir akış hızında bir şırınga pompa kullanan bir çözüm azaltmak içeren bir 1 mL steril enjektör hasar olasılığı günah membran için ayarlayarak yapılabilir.
    3. Adım 1 mL olarak 10 µg/örnek konsantrasyonu sağlamak için adım 1, hazırlanan mL AlOOH, üç kez kullanarak 4.1.2 değil önceden yüklenmiş DI su ile seyreltilmiş yineleyin.
    4. Enjeksiyon sonra şırınga kaldırın. Giriş ve çıkış, polieter eter keton UNION kullanma SALVI bağlayın. SALVI laboratuvar mendil ile dışında herhangi bir sıvı kuru. Herhangi bir kabarcıklar politetrafloroetilen tüp veya microchannel içinde iseniz, hava kabarcığı yok politetrafloroetilen boru içinde görülür kadar AlOOH örnek enjeksiyon yeniden.
      Not: Parmak-sıkın polieter eter keton Birliği. Çok fazla güç birliği sıkma yaparken bir önemli iç basınç artışı günah membran için zarar görmesine neden SALVI aygıt içinde karışıklık yaratarak önlemek için kullanmayın.
      Not: Microchannel içinde baloncuklar tarama etkiler ve görüntünün sh nedenLFT. Cihazın dışında herhangi bir sıvı vakum durumu etkiler, bu nedenle dışında SALVI ve politetrafloroetilen boru iyice vakum odasına eklemeden önce kurumuş. Ayrıca, aygıtın fiziksel hasar (günah membran pencere tüp kesme örneğin) bu sızıntı için neden olmamalıdır. Aksi takdirde, oda basınç istenen yüksek vakum ulaşmıyor olabilir, baloncuklar içinde boru şeklinde ve vakumlama sırasında sıvı örnek kaybolacak.

5. SEM sıvı görüntüleme ve elementel analiz yapmak

    1. ETD dedektörü ve SE modu kullanarak fotoğraf çekmek numune odası kapıyı kapat. Seçin " yüksek vakum " altında SEM yazılım GUI modu " ışını denetim " sayfa. ' I tıklatın " pompa " üzerinde düğme " ışını denetim " vakumlama başlatmak ve istenen vakum kurulana kadar odası kapıya el baskı uygulamak için sayfa.
    2. Etkinleştirmek görüntüleme alanı tıklatarak elektron ışını " Duraklat " simgesi araç çubuğunda. Elektron ışını üzerinde tıklatarak açmak " ışını üzerinde " üzerinde düğme " ışını denetim " sayfa. ETD dedektörü ve görüntüleme dan SE modunu seçin " dedektörleri " damla yemek listesi.
      1. Ayarla hızlanan gerilim 8 keV ve ışın karşılık gelen gelen 0,47 nA geçerli liste kutularını görüntüleme alanı elektron ışını, GUI araç çubuğunda görüntülenen. Sayıyı yazarak 7 mm WD ayarlayın " 7 " koordinatı metin kutusuna " Z " üzerinde " gezinti " ne zaman sayfa " gerçek " mesafe seçili.
        Not: Işın gerilim, akım ve çalışma mesafesi parametre nedeniyle farklı SEM'ler değişebilir.
    3. 1000 × ve twist özelliği büyütmek " kontrast ", " parlaklık ", " kaba ", ve " iyi " parçacık özelliği görüntü optimize etmek için MUI kolları.
    4. Merkezi görüntüleme alanı büküm tarafından elektron ışını canlı görüntüsünü ilk delik " X " ve " Y " vardiya topuzlar MUI gemide. Büyük görüntüler büyütme 200.000 × parçacıkları ile büküm tarafından " büyütme " topuzu MUI kurulu. Ekran çözünürlüğünü seçin " 1.024 × 884 " araç çubuğundaki liste kutusundan.
    5. Tarama hızı 30 µs liste kutusundan araç çubuğunda ayarlayın. Geçerli görüntü görüntüleme alanı elektron ışını gösterilen fotoğrafını çeker için F4 tuşuna basın.
    6. Basın Ctrl + S tuşlarına görüntü as.tif dosyayı istediğiniz konuma artımlı bir sayı da dahil olmak üzere tanımlanmış dosya adı ile kaydetmek için.
    7. Vınlamak dışarı büküm tarafından " büyütme " topuzu sonraki bitişik delik bulmak için. Adımda 5.1.4 - 5.1.6 delikleri geri kalanında AlOOH parçacıkların görüntü işlemleri tekrar.
  2. EDX elementel analiz yapmak
    1. enerji dağıtıcı spektroskopisi (EDS) dedektörleri odanın içine takın.
    2. Örnek üzerinde elektron ışını görüntüleme alanını görüntülemek için ETD dedektörü mikroskop kontrol monitör ve SE modu seçin. Hızlanan gerilim 8'e ayarla keV, 0,47 nA ve WD 7 5.1.2 adımda anlatıldığı gibi mm için geçerli.
    3. Büyütmek her delik büyütme 200.000 X ile AlOOH parçacıkları büküm tarafından " büyütme " topuzu MUI gemide.
      Not: böylece daha yerelleştirilmiş elemental bilgi sağlamak için aynı noktaya odaklanmış elektron ışını tutun. AlOOH görüntüsünü Şekil 1a ' sağlanır.
    4. Açık ilişkili EDAX yazılım.
      Not: İlişkili yazılım nedeniyle farklı enstrümanlar değişebilir ' yapılandırmaları.
    5. Tıklama " yeni spectra kaydetmeye başlamak " kullanıcı arabiriminde (UI) EDX spektrum toplamak için. Seçin " en yüksek kimlik " spektrum olası öğeleri seçmek için. İçine yazın gözlenen öğeler, örneğin, bu durumda, oksijen " eleman " alan. ' I tıklatın " Ekle " spektrum için öğe uygulamak.
    6. Tıklayın " dosya " tıklatıp ardından " farklı kaydet ". Spektral verileri in.csv biçimi başka bir grafik yazılımı kullanarak komplo için istenen dosya adı kullanarak kaydedin.
    7. Adımda 5.3.3 - EDX yelpazenin her delikten kaydetmek için 5.3.6 işlemleri tekrar.
    8. Görüntüleme ve her delik için kayıt spektrum bitirdikten sonra elektron ışını tıklatarak açmak " ışını üzerinde " üzerinde düğme " ışını denetim " sayfa görüntüleme alanı elektron ışını açık olduğunda. SEM odası tıklatarak delik " havalandırma " aynı sayfada. Dikkatle odası kapı açıldıktan sonra tüm kasetleri kaldırarak sahneden örnek alın.
    9. Denetim DI su ve boş bir microchannel kullanarak deney için yordamı yineleyin.

6. EDX spektrum arsa

  1. alma the.csv spektrum dosyasına grafik yazılım.
  2. Arsa x ekseni ve yoğunluğu enerji düzeyi kullanarak spektrum alınır ve rakamlar 2a , 2b ve 2 c gösterildiği gibi yeniden oluşturulan spectra göstermek için y ekseni EDX tarafından işlenir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Temsilcisi sonuçları nasıl parçacıklar görüntüsü göstermek için sunulmuştur ve in situ sıvı SEM görüntüleme EDX ile birleştiğinde kullanılarak analiz. Sonuçlar SE görüntüleri EDX spectra içerir. SE görüntüleri 100.000 X ve 200.000 X büyütme düzeyleri şekil 1' deki elde edilmiştir. Şekil 1a AlOOH SE görüntü tasvir Şekil 1b DI su ve şekil 1 c boş bir kanal delik. Görüntüleri uygulanmasıyla elde SE ile 8 keV hızlanan gerilim ve 0,47 nA ışınlayın geçerli. Kullanılan ekran çözünürlüğü 1.024 × 884 bir tarama hızı ile 30 µs. buna bağlı olarak, Resim 2 su (şekil 2a), DI su örneği (şekil 2b) ve bir boş kanal (delik AlOOH saçılan tespit EDX spectra gösterir Şekil 2 c), ölçülen elemental kompozisyona dayalı. EDX spectra aynı geçerli ve gerilim SE görüntüler için ayarı kullanarak elde edilmiştir. Düşük voltaj seçimi nedeniyle örnek yüzeyde sığ bölgesinden bilgi derinliğidir. Elemental spectra ürününün ham veri verim as.csv dosyadır ve sunu için grafik yazılımı kullanılarak çizilen.

Figure 1
Şekil 1: SE görüntüler. Bu görüntüleri uygulanmasıyla elde SE ile 8 keV hızlanan gerilim ve 0,47 nA ışınlayın geçerli. Kullanılan ekran çözünürlüğü 1.024 × 884 30 µs. (1a) AlOOH 200, tarama hızı ile yapıldı 000 X, (1b) DI su 100, 000 X (1 c) ve boş bir kanal vasıl 200, 000 X. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: EDX Spectra. EDX spectra ile 8 GB modunda satın aldı kV hızlanan gerilim ve 0,47 nA ışınlayın geçerli. (2a) spektrum AlOOH su. (2b) DI spektrum su örnek. (c) spektrum boş bir kanal delik. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SEM bir nano (nm) düzeyde yüksek çözünürlük1organik ve inorganik malzemelerin yüzey karakterizasyonu güçlü bir tekniktir. Örneğin, yaygın jeolojik malzeme26 ve yarı iletken27gibi katı ve kuru örnekleri analiz etmek için kullanılır. Ancak, ıslak ve sıvı örnekleri elektron mikroskobu1için gerekli yüksek vakumlu ortamda sıvı uyumsuzluğu nedeniyle karakterize içinde sınırlamalar vardır. SEM numune hazırlama kez dehidratasyon veya sulu bir örnek için ve özellikle biyolojik örnekler2dağılması gerekir. Sonuç olarak, kendi içsel bilgi sırasında örnek hazırlama işlemi28,29kaybolabilir gibi doğru bir şekilde doğal olarak su veya sıvı örnekleri, bilgileri yakalamak zordur. Bu içerebilir ancak hücrelerde, biyolojik etkinliği çözümünde, toplama karmaşık sıvı ve elektrokimyasal reaksiyonlarda parçacıkların nano tanecikleri sentezi için sınırlı değildir. ESEM kontrollü buharı ortamında sulu örnekleri görüntü olsa bile, görüntülerin çözünürlüğünü yüksek vakum modu30,31,32 katı örneklerinde SEM görüntüleri gibi yüksek ulaşamadı , 33. son zamanlarda, ıslak örnekleri bir elektron şeffaf ince film6 tarafından kapsanan veya SEM istihdam ve backscattered elektronlar toplanan bu yaklaşımı kullanarak görüntüler için bir numune kapsül30 tarafından mühürlü.

SALVI, vakum temelli araçlara TEM ve ToF-SIMS gibi kullanarak sıvıların yüzey analiz sağladı çok yönlü mikrosıvısal bir arabirimdir. 11 , 12 , 13 , 14 SALVI kullanarak ve SEM koşulları optimize bizim teknik SE görüntüleri ve EDX kompozisyon bilgileri sağlayabilir. Şekil 1a su DI boehmite parçacıkların SE görüntü Mikronaltı ölçeği ile sunar (400 nm) ve 200.000 yüksek büyütme. SEM görüntü morfoloji ve dağıtım boehmite parçacıkların doğrular sıvı parçacıkları gördün ve güvenli bir şekilde içinde günah membran yüzey gerilimi20tarafından düzenlenen sıvı gösterir. Buna ek olarak, rakamlar 1b DI su içinde 100.000 x büyütme düzeyini Hole'da SE görüntülerini gösteriyor. Su doğrudan kanıt tutun dışarı sızıntı olmadan onun yüzey gerilimi tarafından olabilir sağlar. Ayrıca, oda basınç 1,0 × 10-5 Torr ölçüm sırasında sabit tutuldu. Şekil 1 c boş bir kanal bir delik ile 200.000 × büyütme sunar; hiçbir şey aynı geçerli ve voltaj ayarları altında boşluk içinde görülmektedir. Bu yaklaşım ile SE sıvı görüntüleme yeteneği yüksek çözünürlüklü bildirilen ıslak SEM tekniği30kullanarak alınan backscattered elektron görüntüleri mikrometre çözünürlüğe göre SE görüntüleri sağlar.

EDX elemental eşleme sırasıyla AlOOH parçacıklar DI su, DI su sadece ve boş kanal kullanılarak yapılır. Son iki başvuru denetimleri kullanılır. Şekil 2agösterildiği gibi alüminyum pik yaklaşık 1,5 oluşur ile aynı enerji DI su ve boş kanal EDX spectra görünmesini hiçbir önemli tepe ise önemli sinyal, keV. Bu sinyal sudan geldiğini doğruladı hem AlOOH hem de DI su oksijen sinyal hakimdir. Bu daha da parçacıklar suda görüntüleme sırasında daldırılır doğrular. Rakamlar 2a, 2b ve 2 c C ve sı Peaks'e hafiye pencere ve sırasıyla algılama alanı oluşturan günah membran üzerinde karbon kaplama vardır. N tepe günah membran da. EDX karşılaştırma AlOOH alüminyum bileşimi tespiti boehmite parçacıklar gerçekten gözlenen gösteren suda gösteriyor.

Önceki gazetelerde bir mikrosıvısal hücre ve yüksek vakum SEM görüntü ve sıvı örneği karakterize etmek için istihdam fizibilite DI su ve immünoglobulin G (IgG) altın nano tanecikleri12,20kullanarak göstermiştir. Bu daha önceki çalışmaların altın nano tanecikleri 10'dan küçük nm. Bu, biz o boehmite sonuçlarında parçacıkları daha büyük boyutları ile (< 100 nm) aynı zamanda sıvı SEM okudu olabilir Delik boyutu yeterli görüntüleme alanını henüz sıvı içinde tutmak için yeterli yüzey gerilimi emin olmak için hesaplanır. Aslında, delik çapı ilk buluş12,20derlemede aygıt önce 2 µm yuvarlak diyafram yapmak galyum iyon ışını kullanarak fabrikasyon. Bu güncelleştirmede, cihazın monte sonra algılama diyafram yapılabilir daha akıcı tüm süreci gösteriyoruz. Bir de bir analizde gerektiği gibi kadar algılama pencere açabilir miyim ve bir deneme önce yapılan delik tarafından sınırlı değildir. 2 µm çapı algılama windows ToF-SIMS gibi teknikleri için uygundur, ve aynı zamanda sıvı SEM'de mümkün SEM yüksek büyütme yeteneği nedeniyle yeni sonuç o küçük diyafram gösterir (örneğin, 1 2 µm) SEM (Şekil 1a) iyi çalışıyor.

Birkaç teknik bilgileri situ içinde sıvı SEM ölçümleri başarılı kılmak için kayda değer bulunmaktadır. İlk olarak, aygıtın karbon veya altın ile ölçümler sırasında şarj azaltmak için kaplı olması gerekiyor. İkinci olarak, aygıt montaj bu yordamda oldukça önemlidir. Cihazın montaj aşamasında gevşek temas önemli şarj, zorluk odaklanan ve zavallı görüntüleri neden olur. Üçüncü olarak, bir birden fazla örnek aynı aygıtı kullanarak çözümlemek istiyorsa, örnek sıra biraz düşünmek gerekir. Cihazın tek kullanımlık olsa da, bir aygıtı birden çok kez kullanılabilir olasıdır. Örneğin, bir su veya solvent partikülleri veya diğer türler aynı çözücü kullanarak ilgi ile bir örnek analizi ve ardından denetimi örneğini veri almak için kullanabilirsiniz. Bu örnek giriş SALVI aygıt sabitlenir ve algılama delik SEM/FIB kullanılarak yapılır sonra tanıtmak için tavsiye edilir. Beyaz yalan sadece algılama pencere membran üzerinde delik freze için kullanılır. Membran başka bir araç tarafından hazırlanan veya membran ile delik'dan terdarikçilerin kullanılabilir duruma getirildiyse, FIB delik önce SEM analiz yapmak, gerekli değildir. Örnek giriş için örnek sahne uzak aygıt taşıma ve yeniden remounting zaman, bir sürü süre Ayrıca aygıtı ile örnek sahne arasındaki zavallı bağlantıları riskini ekleme ve farklı bir çalışma mesafesi içinde kaynaklanan atıklar. SEM operatör de yönlendirmesi ve kanalı bulmak zorunda kalabilirsiniz ve mikrometre yuvarlak algılama windows yeniden boyutlu.

Mikronaltı çözünürlük ve bu çalışmada görücüye kesin temel bilgiler ile entegrasyonu (Yani, SALVI) yüksek vakum modu SEM ile vakum uyumlu mikrosıvısal hücrenin yaygın olarak teşhis etmek için kullanılabilir olduğunu öngörülüyor ve doğal olarak çeşitli gözlemleyerek numuneler, jeolojik numuneler, biyolojik örnekler ve sıvı içinde sentezlenen nanomaterial sulu. İle yapılan teknolojik ilerlemesıvı SEM yaklaşımı daha önce ele, biz daha büyük çeşitli farklı boyutları Mikronaltı parçacıkların bu yeni yaklaşımı kullanarak araştırılması göstermek. Sonuçta, in situ sıvı SEM örnekler kullanarak yüksek vakum SEM sıvı içinde çalışmaya daha fazla fırsatlar açar

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı (PNNL) nükleer işlem bilim girişimi (NPSI için) minnettarız-laboratuvar yönelik araştırma ve geliştirme (LDRD) fonu destek için. Dr. Sayandev Chatterjee sentezlenmiş boehmite parçacıklar sağlanan. Enstrümantal erişim bir W. R. Wiley çevre moleküler Bilimleri Laboratuvarı (EMSL) genel kullanıcı öneri ile sağlandı. EMSL sponsor tarafından Office biyolojik ve çevresel araştırma (BER) PNNL adlı bir Ulusal Bilimsel kullanıcı tesisidir. PNNL için sözleşme DE-AC05-76RL01830 altında DOE Battelle tarafından işletilmektedir.

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

Kimya sayı: 127 Boehmite içinde in situ sıvı Taramalı elektron mikroskobu haritalama havacilik elektron mikroskobu tarama elemental kompozisyon görüntüleme,
<em>Situ</em> Su sıvı SEM kullanarak Boehmite parçacıklar karakterizasyonu
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