Summary
Elektronmikroskopi grafen flytande cell kan användas att iaktta fysikalisk dynamik i en flytande miljö med större rumslig upplösning än andra flytande cell elektronmikroskopi tekniker. Etsning premade nanokristaller och efter sin form använder grafen flytande cell transmissionselektronmikroskopi kan ge viktig mekanistiska information om nanopartiklar transformationer.
Abstract
Grafen flytande cell elektronmikroskopi ger möjlighet att observera nanoskala kemiska omvandlingar och dynamics som reaktionerna sker i flytande miljöer. Detta manuskript beskriver processen för att göra grafen flytande celler genom exemplet med grafen flytande cell transmissionselektronmikroskopi (TEM) experiment av guld fysikalisk etsning. Protokollet för att göra grafen flytande celler innebär beläggning guld, holey koldioxidutsläpp TEM nät med chemical vapor deposition grafen och sedan använda dessa grafen-belagda galler att kapsla in vätska mellan två grafen ytor. Dessa fickor av vätska, med nanomaterialet av intresse, är avbildad i elektronmikroskopet att se dynamiken i nanoskala processen, i detta fall den oxidativa etsningen av guld nanorör. Genom att styra dosering electron beam, som modulerar etsning arten i cellen flytande, kan de bakomliggande mekanismerna för hur atomer tas bort från nanokristaller bilda olika aspekter och former förstås bättre. Grafen flytande cell TEM har fördelarna med hög rumslig upplösning, kompatibilitet med traditionella TEM innehavare och låga startkostnader för forskargrupper. Nuvarande begränsningar inkluderar känsliga provberedning, bristande flöde kapacitet och beroendet av electron beam-genererade radiolys produkter att framkalla reaktioner. Med ytterligare utveckling och kontroll, grafen flytande cell kan bli en allestädes närvarande teknik i nanomaterial och biologi och är redan används för att studera mekanismer styr tillväxt, etsning och självmontering processer av nanomaterial i vätskan på den enda partikel-nivå.
Introduction
Controllably syntetisera nanokristaller1 och montering nanopartiklar i större strukturer2,3 kräver en förståelse av de grundläggande mekanismer som styr hur atomer och nanopartiklar samverkar och binda tillsammans. Helst studier av dessa nanoskala processer skulle utföras i deras infödda flytande miljö med den motsvarande rumsliga upplösningen erinras om företeelser av intresse, men dessa krav innebär utmaningar på grund av längden nanometer skala som dessa system fungera. Forskare har länge önskat att använda den rumsliga upplösningen i elektronmikroskopi till bild dessa processer, men hög vakuum av kolumnen elektronmikroskop kräver inkapsling av flytande lösning4. Några tidiga flytande cell elektronmikroskop experiment inkapslade vätska mellan två kisel nitriden membran5,6,7,8, och denna metod har nu blivit ett kommersiellt tillgängliga teknik för att studera dynamiska nanoskala processer.
Kommersiellt tillgängliga kisel nitriden flytande cell TEM innehavare har tillhandahållit den nödvändiga resolutionen att se och förstå en mängd intressanta fenomen på nanoskala9,10,11,12 , 13 , 14 , 15 , 16. vissa kommersiella flytande cell TEM innehavare har ytterligare funktioner såsom värme, flöde, och elektriska anslutningar att ytterligare expandera sfären av nanoskala processer som kan undersökas. Dock med alla dessa funktioner, är de kommersiella system inte optimerade runt att uppnå den högsta rumsliga upplösningen. För forskare som behöver förbättrad rumslig upplösning, finns minska tjockleken fönster och minskar tjockleken flytande två potentiella vägar till mindre electron beam spridning och bättre upplösning17. Vissa grupper som använder flytande kiselceller nitriden fabricera egna windows som ger större kontroll över fönster och flytande tjocklekar. 18 minskat spridningen av dessa hemgjorda flytande celler har aktiverat elektronmikroskopi studier med större rumslig upplösning inklusive atomär upplösning studier19,20,21.
Eftersom tjockleken på kapsla in materialet är en aspekt som negativt påverkar den rumsliga upplösningen i flytande cell experimenten, atomically tunna, låg-Z material som grafen skulle vara perfekt encapsulating material22, 23. grafen ark är fortfarande tillräckligt starka för att skydda de flytande fickorna från tryckskillnaden i kolumnen. Dessutom innehåller dessa grafen flytande cell fickor vanligen tunnare skikt av vätska, ytterligare stärka den uppnåeliga rumsliga upplösningen. Många intressanta nanoskala processer har undersökts med grafen flytande celler inklusive studier efter nanopartiklar fasett banor och nanopartiklar dynamics med atomär upplösning23,24,25 ,26,27. En oavsiktlig fördel av grafen flytande cell tekniken är att denna hög rumslig upplösning kan uppnås utan krav på inköp av en olika TEM innehavaren eller specialiserade silicon tillverkning. Experiment med kiselceller nitriden som uppnått hög upplösning också krävs stora nanopartiklar består av tunga atomer, den resolution som vunnits av grafen flytande cellen kan föreskriva sub-2 nm nanopartiklar25atomär upplösning. Dessutom har grafen flytande cellen öppnat möjligheter för att studera biologiska prover med elektronmikroskopi på grund av flexibiliteten i grafen för inkapsling28,29 och grafen förmåga att dämpa några av de skadliga effekterna av elektronen strålar30. På grund av dessa fördelar har grafen flytande cell elektronmikroskopi potential att bli en standard teknik inom nanovetenskap gemenskapen när större antal forskare förstår bättre om denna teknik kan hjälpa deras forskning och hur man ansöker Denna teknik.
Forskare i kemiska, nanomaterial, biologiska och andra områden som önskar rumslig upplösning på i situ transformationer kan nytta använda grafen flytande cell elektronmikroskopi teknik. Här i situ -metoden är särskilt värdefulla för icke-jämvikt processer som kräver visualisering under omformningen. En betydande nackdel med flytande cell TEM tekniker är generation av radiolys arter av perturbative electron beam31, som kan framkalla oönskade förändringar i känsliga prover. Forskare har utvecklat modeller för att försöka kvantifiera den balk-driven kemi31,32och strategier utvecklas för att mildra dessa effekter30,32. Grafen flytande cell TEM har den ytterligare utmaningen att bli sköra och ofta svår att göra, särskilt för forskare nya till tekniken. Syftet med denna artikel är att dela detaljerna i hur grafen flytande cell TEM experiment kan utföras (figur 1), med hjälp av ett exempel experimentera observerar singel partikel etsning av nanokristaller, och förhoppningsvis Visa att grafen flytande cell experiment är möjligt för nästan alla grupp med tillgång till ett elektronmikroskop. Protokollet kommer att täcka grafen beläggning av galler, flytande cellnybildningen, TEM användning för grafen flytande cell etsning experiment och bild analystekniker. Kritiska steg i att göra flytande cellerna som storleken på dropletprogrammet inkapslade, noggrant övervägande av flytande lösning tillfredsställer, och användning av endast direkt överföring grafen kommer att täckas med ytterligare råd om hur man undvika att upprepa fallgropar tidigare forskare. Grafen flytande cell TEM är en framväxande teknik för nanoskala forskning, och denna artikel gör det möjligt för nya aktörer att börja utnyttja denna teknik.
Protocol
1. att göra grafen-belagd TEM rutnät
- Klipp ut en ungefär 2 cm2 bit premade grafen-på-koppar (se Tabell för material) som passar runt 6 till 8 TEM rutnät.
Obs: Med 3 - 5-lager kapslar grafen istället för enda lager grafen flytande fickor med högre andelen framgångsrika utan att förlora upplösning. Eftersom grafen är en atomically tunna, låg-Z material, är de flesta upplösning förlust från flytande tjocklek för grafen flytande celler. - Ren grafen med en aceton tvätta (figur 2A).
Obs: Detta steg är utformad för att ta bort eventuella kvarvarande PMMA [poly(methyl methacrylate)] kvar på grafen ytan under processen nedfall. Om användaren är övertygade om att deras grafen är rena, är detta steg onödiga.- Placera den grafen-på-koppar bit i en petriskål glas och fyll med aceton.
Obs: Aceton används eftersom PMMA löses upp i aceton. - Värm försiktigt aceton lösningen (~ 50 ° C) i 5 min, virvlande lösningen med jämna mellanrum.
Obs: Se till att titta på aceton och temperatur för att undvika en brand. Detta bör göras i dragskåp. - Ta bort den grafen-på-koppar bit från aceton tvätten med pincett och ersätta aceton med ny, ren aceton.
Obs: Var noga med att inte skrapa eller annars skada grafen ytan med pincetten. - Upprepa tvättprocessen totalt 3 gånger.
- Låt den grafen-på-kopparn lufttorka ordentligt innan du går vidare till nästa steg.
- Placera den grafen-på-koppar bit i en petriskål glas och fyll med aceton.
- Jämna ut grafen-på-koppar bit för att ta bort eventuella makroskopiska rynkor (figur 2B).
Obs: Denna utslätande process utförs för att säkerställa att perforerade stöd omkullkastar-TEM rutnäten (se Tabell för material) kunna korrekt bond till grafen ytan. Gupp och veck i grafen-på-koppar gör det svårt att hålla bra kontakt.- Ta två rena glas bilder och placera en vikta torka (se Tabell för material) i nedre glas bilden. Ovanpå torka, placera grafen-på-koppar pjäsen. Slutligen, placera den andra glasskiva på toppen.
Obs: Placera grafen-på-koppar pjäsen med grafen sida upp (rörande glasskiva) att undvika repor från vävnad spritkompressen. Vikta vävnaden används för att gradvis driva ut rynkor och förhindra vikning i nya veck. - Tryck ned den översta bilden, gradvis jämna ut alla rynkor i grafen-på-koppar pjäs. Minska antalet veck i vävnaden och upprepa processen pressning. Fortsätt med processen tills en slutlig pressning mellan de två glasskivor med ingen vävnad torka.
- Ta två rena glas bilder och placera en vikta torka (se Tabell för material) i nedre glas bilden. Ovanpå torka, placera grafen-på-koppar pjäsen. Slutligen, placera den andra glasskiva på toppen.
- Fastställa TEM galler på grafen-på-koppar bit (figur 2 c).
- Plats holey amorft kol stöd folie-TEM rutnät (se Tabell för material) ner på grafen med amorft kol i kontakt med grafen.
Obs: Var noga med att inte böja eller deformera TEM rutnät när plockande dem upp med pincetten. Bent TEM rutnät binder inte korrekt till grafen. Plocka rutnäten upp av kanta av rutnätet förhindrar deformation av nät. Här används guld TEM galler att undvika etsning rutnäten under steget som tar bort koppar från grafen-på-koppar. - Placera ett par droppar av isopropanol på gallren.
Obs: Om någon nät blir överlappad, försiktigt flytta dem med spetsen på en pincett efter att sätta isopropanol på gallren. Var noga med att inte skada grafen ytan. - Låt torka för 2 + h att göra säker på galler limmas ordentligt. Denna uttorkande process leder holey amorft kol i bättre kontakt med grafen.
Obs: För att kontrollera huruvida rutnäten har anslutit sig till grafen, försiktigt plocka upp bit av grafen-på-koppar och vänd det upp och ned. Om gravitationen inte bort gallren, bör de korrekt limmas.
- Plats holey amorft kol stöd folie-TEM rutnät (se Tabell för material) ner på grafen med amorft kol i kontakt med grafen.
- Etsa koppar med en natrium persulfatoxidation lösning (figur 2D).
- Gör en lösning med 1 g natrium persulfatoxidation i 10 mL avjoniserat vatten.
- Med pincett, noggrant placera den grafen-på-koppar pjäsen på natrium persulfatoxidation lösningen med den kopparbelagda sidan nedåt. Låt det bit flyt ovanpå natrium persulfatoxidation lösningen (figur 2D).
- Förvara lösningen med grafen-belagda galler sitta över natten. Observera att lösningen blir blå som koppar etsningar, och det blir inga synliga koppar bakom bladet grafen när etsning är klar (figur 2E).
- Tvätta gallren för att rensa bort det natrium persulfatoxidation.
- Ta bort flytande näten från lösningen och placera dem ovanpå ren, avjoniserat vatten (se Tabell av material för filter i en andra petriskål).
Obs: Den enklaste metoden att överföra rutnäten innebär att man använder en glasskiva för att plocka upp näten och sedan placera dem ner i andra petriskål fylld med vatten. Vissa nät kommer att falla till botten av petriskål under överföringsprocessen. Detta är vanligtvis ett tecken på att grafen på nätet är sprucken eller skadad. - Upprepa detta 3 gånger att ta bort alla natrium persulfatoxidation rester från grafen-belagd rutnäten.
- Plocka upp näten med pincett, placera stödraster grafen-Sidan upp på ett filterpapper och låt dem torka.
Obs: Denna slutliga överföringen av de vatten tvätten kan vara svårt, eftersom näten fastnar ofta pincetten på grund av de kapillära krafterna från restvatten.
- Ta bort flytande näten från lösningen och placera dem ovanpå ren, avjoniserat vatten (se Tabell av material för filter i en andra petriskål).
2. göra flytande Cell fickor
- Ta två grafen-belagd TEM rutnät och placera dem grafen sida upp på en glasskiva. Med hjälp av en liten kirurgisk skalpell blad, skär av kanten på en av grafen-belagd TEM gallren, cirka 1/4 till 1/8 av området i rutnätet (figur 3A).
Obs: Skära en av gallren är hypotesen för att få grafen på två rutnäten i närmare kontakt att tillhandahålla bättre grafen-grafen interaktion till fickor form. - Förbereda lösningen att vara inkapslade.
Obs: Lösningen är specifika för den fysikalisk etsning experiment.- Gör Tris buffert HCl-lösning med avjoniserat vatten i en koncentration mellan 10-100 mM.
Obs: Vi har funnit att Tris buffert HCl leder till en högre framgång på stabil fickor även om fler studier behövs för att förstå varför Tris buffert HCl för att förbereda aqueous metalliska nanopartiklar lösningar, hjälper göra stabila fickor. Med hjälp av Tris buffert base eller ingen Tris buffert båda verkar ha mycket lägre framgång priser av pocket bildandet i detta fall. Varje lösningsmedel och provet sannolikt kräver optimering att hitta villkor som skapar stabila fickor samtidigt inte störa kemi studeras. En kort översikt av litteraturen visar framgång med ortho-diklorbensen/oleylamine (9:1 ratio),23 0,5 x Tris-Borat-EDTA (TBE) och 200 mM NaCl-lösning,33 och vattenhaltiga 0,15 M NaCl lösning30 samt den aqueous Tris buffert HCl systemet presenteras här. - Göra en 40 mM FeCl3 lösning i en lösning av avjoniserat vatten med 1,8 µL av HCl per mL vatten.
Obs: FeCl3 är etsmedlet för detta etsning experiment. Andra experiment kan lägga till olika lösningar beroende på experimentet utförs. - Gör guld nanorör och koncentrera nanorod provet efter rengöring1,34.
- Blanda 0,15 mL 0,01-0,1 mM Tris buffert HCl, 0,1 mL av 40 mM FeCl3 i HCl, och 10 µL av nanorör.
- Gör Tris buffert HCl-lösning med avjoniserat vatten i en koncentration mellan 10-100 mM.
- Placera ~0.5 µL droplet lösning att vara inkapslade i icke-cut grafen-belagd TEM rutnätet. Använd en pincett för att håll kanten av rutnätet TEM medan placera droplet-programmet så att de kapillära krafterna inte plocka upp rutnätet TEM (figur 3B).
Obs: Var noga med att göra droplet-programmet så liten som möjligt och placera den så nära mitten av rutnätet som möjligt. - Snabbt och noggrant placera grafen-belagd TEM rutnätet med skär hörnet ovanpå droplet-programmet; målet är att ha andra rutnätet kom att vila ovanpå första rutnätet med ingen vätska att få trängas ut (figur 3 c).
Obs: Med andra rutnätet redan placerats i självstängande pincett gör processen snabbare och enklare. Detta är utan tvekan det svåraste steget av flytande cell bildandet processen med många potentiella fel som kan uppstå. Fastställer det övre rutnätet när du tar bort pincetten är en utmaning som pincetten kan fastna mellan de två näten. I allmänhet att placera ena kanten av rutnätet TEM topp ned och sedan gradvis släppa rutnätet fungerar bäst. Observera att om vätska ses i glas bilden, sedan fickorna förmodligen inte är tätslutande. - Vänta 5 min för att låta grafen flytande cell fickor form.
Obs: Vissa avdunstning av vätskan kan uppstå fickor bildas, men när en hermetisk tätning bildas, utan ytterligare vätska förlust är sannolikt. Den relativa koncentrationen av varje art i lösning bör vara konstant. - Ta provet till TEM för avbildning.
Obs: Tiden för tätning varierar från forskare till forskare. För etsning experiment, är mindre tid framför bringande flytande cellen till TEM önskvärt att undvika före etsning.
3. lastning och Imaging grafen vätska Cell
Obs: åtgärden av transmissionselektronmikroskop följt standardförfaranden som finns i användarhandboken. Varje TEM kommer att ha olika justering rutiner.
- Placera den grafen flytande cellen i en traditionell TEM enda luta hållaren (figur 4).
Obs: Andra standard innehavare såsom dubbel luta innehavare eller värme innehavare kan användas också. Innehavare som använder en skruv-liknande mekanism för att säkra rutnätet TEM kan ålägga en tvärkraft som förstör cellen grafen flytande. - Läsa in TEM innehavaren i kolumnen TEM.
Obs: Eftersom grafen flytande cellen innehåller en sådan liten mängd vätska med ingen reservoar och har separata fickor, finns det ingen anledning att noggrant leta efter läckor som kisel nitriden flytande cell experiment. Även om en grafen flytande cell ficka brista, endast en mycket liten mängd vätska frigörs och således inte skulle krascha TEM vakuum systemet. - Använd nanopartiklar och amorft kol i provet att korrekt anpassa TEM balken (gun tilt, kondensorn bländare justering och kondensor stigmation), och bild (Z-höjd justering, objektiva stigmation, rotation mittenjustering och aberration Corrector tuning om tillämpligt). Sedan ta bort hållaren från strålgång och kalibrera electron beam dosrat.
- Slå TEM glödtråden på minst 20 min före kalibrering att tillåta det att stabilisera för reproducerbara dosrater; Denna väntetid kan vara olika beroende på TEM system och elektronkanon typ.
Obs: Val microscopists använder ofta dosraten för att hänvisa till antalet elektroner levereras per ytenhet per tidsenhet (e–/Å2s). Detta är känt som flödestäthet i strålning kemi gemenskapen, och dosen definieras som mängden energi som absorberas per ytenhet per tidsenhet. Sedan beräkna mängden energi som absorberas av ett prov är svårt för komplexa geometrier finns i flytande celler och för att upprätthålla överensstämmelsen med gemenskapens TEM, vi väljer att använda dosraten för att hänvisa till elektroner per ytenhet per tidsenhet. - Kondensera ljuskäglan mest kondenserade beloppet, högsta dosering, för experimentet med bildskärm (figur 5A). Läsa ut och spara lins nuvarande för kondenserade balken.
Obs: För steg 3.3.2 till 3.3.5, en anpassad digital Mikrograf manuset skrevs som tar kontroll över kondensor systemet av TEM att kalibrera andra kondensorn (C2) objektiv nuvarande med levererade elektron dosraten. Detta tillåter forskaren ställa reproducibly elektron dosraten i godtyckliga värden under experimentet. - Sprida balken till de flesta spridning beloppet, lägst dosering, för experimentet med bildskärm (figur 5B). Läsa ut och spara linsen nuvarande för spridning balken.
- Dela in intervallet av kondensorn lins strömmar i 10 jämnt fördelade värden och samla bilder för varje kondensator linsen värde med den CCD-kameran.
- Konvertera CCD räknas till dosering skattesats använder CCD känslighet och förstoring kalibrering för varje lins som är aktuella.
- Använda data av elektron flux på olika objektiv strömmar för att göra en kalibreringskurva. Använd denna kalibreringskurvan för resten av experimentet för att styra elektronstrålen till önskad flux.
- Sätt tillbaka provet till strålgång.
- Slå TEM glödtråden på minst 20 min före kalibrering att tillåta det att stabilisera för reproducerbara dosrater; Denna väntetid kan vara olika beroende på TEM system och elektronkanon typ.
- Börja söka efter nanopartiklar i flytande fickor samtidigt hålla den låg dosraten (vanligtvis runt 20 e–/Å2s).
Obs: Hålla dosraten låg förhindrar nanopartiklarna etsning samtidigt söka efter nanopartiklar. - När en nanopartikel hittas i en flytande ficka, finjustera fokus på nanopartikelportföljen samtidigt bibehålla en låg dos.
Obs: Att avgöra om en nanopartikel är i en flytande ficka kan vara knepigt, men bubblor eller förflyttning av partiklar är ofta ett bra tecken på en stabil flytande ficka. Ibland, i stället för vätska likna fickorna en mycket tät gel med bubblor går extremt långsamt. Dessa situationer orsakade av vätskeförångning potentiellt på grund av oförseglade fickor eller sprickor i grafen. Det är ganska lätt att skilja mellan geler med ingen rörelse och flytande miljöer med bubblor snabbt flyttar och ändrar form. Det kan finnas vissa avdunstning under bildandet av bra flytande cell fickor, men relativa koncentrationer mellan reaktanterna förblir konstant. - Användning kalibreringen kurvan (se steg 3.3 för detta) att ställa in kondensorn linsen nuvarande för önskad dosraten (figur 5 d).
Obs: En in-house script används för att ange kondensorn lins nuvarande och bild förvärv parametrar - Börja samla en tidsserie av TEM bilder med metadata av dosen klassar och tidsstämplar inbäddad i bildfilen.
- När partikeln har avslutat etsning, sprida balken och börjar letar andra nanopartiklar i flytande fickor.
- När en tillräcklig mängd av nanopartiklar etsning videor har samlats in, ta bort TEM innehavaren från den TEM efter TEM standardförfaranden. Ta grafen flytande cellen bort TEM hållaren.
Obs: En typisk bildsession varar ca 2-3 h med cirka 30 videor som tagits. Antalet videor med användbara data beror på kvaliteten på fickorna och typ av etsning experiment.
4. bildanalys av TEM videor med beräkningsprogramvara
Obs: Eftersom TEM videor 2-dimensionella projektioner av 3-dimensionella figurer, försiktig bildanalys behöver göras för att extrahera etsning priser eller forma förändringar.
- Konvertera infödda DM3 video filer till en avi format använder ImageJ och importera den avi video till beräkningsprogramvara (se Tabell för material).
- Analysera varje nanorod i varje bildruta i videon.
- Bestämma konturerna av nanorod av tröskelvärde bilden (figur 7A).
Obs: De metalliska nanopartiklarna hög kontrast underlättar bildanalys. För att studera system med lägre kontrast, kan ytterligare filter behövas innan tröskelvärde. - Skissera av nanorod, att bestämma den närmaste fit ellipsen (figur 7B) större och mindre axel.
Obs: Inbyggda bildbehandlingsprogram analys att avgöra den största och mindre axeln förutsätter formen är en ellips. För en nanorod, vilket inte är en ellips, bör dessa värden inte användas vid dimensionering nanopartiklar. - Använd huvudaxeln för att skära nanorod dispositionen i två halvor (figur 7 c).
- Med alla dessa halvor, fastställa volym och yta på formen omfattade genom att vrida den konturen runt huvudaxeln.
Obs: Denna kalkyl metod benämns ibland som metod för ringar. Denna analysmetod fungerar bara om nanorod är symmetrisk runt huvudaxeln. Att ha två halvor att jämföra volymer och ytor ger vissa garantier för att nanorod är verkligen roterande symmetriska.
- Bestämma konturerna av nanorod av tröskelvärde bilden (figur 7A).
- Efter utdrager den volym och yta på nanorod för varje bildruta i videon, sammanställa och tolka data.
Obs: Här beskriver metoden möjliggör även analys av aspekterna av nanokristaller med definierade former.
Representative Results
Ramar från en representativ video av en nanorod etsning under en electron beam dosraten på 800 e–/ Å2s visas i figur 6. Lösningen kräver ca 20 s beam belysning innan nanorod börjar genomgår oxidativ etsning. Efter nanorod börjar etsning, förblir graden av borttagning av atomer stadigt medan nanorod också bibehåller en konstant bildförhållande. Nanorör vanligtvis har inte betydande rörelser under videor vilket överensstämmer med tidigare flytande cell TEM arbete använder nanopartiklar av denna storlek24. Eftersom nanopartiklarna inte flytta mycket, är bubbla generation och bubbla rörelse oftast de bästa sätten att avgöra om en nanopartikel är i en flytande ficka. Som nanorod blir små, nanorod börjar rotera och flytta in och ut av fokalplanet, bekräftar att nanorod är i en flytande miljö.
Vanligaste felet av grafen flytande celler är oförmågan att kapsla in stabil fickor av vätska. Ibland kan detta leda till helt torra fickor kännetecknas av inga bubblor och ingen nanopartiklar rörelse eller storleken ändras. Dessutom kan en ficka börja med vätska och bubblor men senare torka ut innan nanopartikelportföljen helt etsningar. Vanligtvis för en bra flytande cell, varje ficka är stabil i runt 2-3 min på etsning dosraten och pocket torkning blir endast ett problem för stora nanopartiklar eller långsam etsning processer. Ibland kan vätskan avdunstar ur en ficka och lämna bakom en gel-liknande lösning med mycket hög saltkoncentration. Dessa geler är oftast klart framgår när imaging på grund av höga kontrasten av lösningen och långsamma extremt rörelse av bubblor och partiklar. Data som samlas in i dessa gel-liknande lösningar kan inte lita på.
Efter att samla flytande cellen TEM data, analyseras videor med nanopartiklar etsning. De volymer, ytor och fasetter (i tillämpliga fall) kan utvinnas och utvärderas ytterligare (figur 7). En indikation på en snabbtorkande ficka är betydande bromsa av etsning över tid, så Rita volymen mot tiden kan vara en effektiv metod för att kontrollera stabiliteten i fickan och uppgifternas tillförlitlighet. Andra suboptimala resultat inkluderar icke-symmetriska etsning vägledande inhomogena pocket innehållsförteckningen och oönskad utfällning av järn hydroxid arter från järn klorid etsmedlet. Sammantaget är den viktigaste nyckeln för framgångsrika grafen flytande celler en stabil flytande miljö som leder till reproducerbara fysikalisk dynamics över flera nanopartiklar och flytande fickor.
Figur 1 . Schematisk bild av grafen flytande cell TEM teknik. (A) för att montera en grafen flytande cell, en droppe av lösning är placerad på ett grafen-belagd holey kol TEM rutnät. Ett andra grafen-belagd rutnät placeras ovanpå droplet-programmet att bilda en ficka. Observera att denna bild inte är att skala och flytande droplet-programmet är cirka 33 procent för stor. (B) zoomad-i Schematisk bild av en flytande ficka under TEM avbildning av guld nanorör. Denna karikatyr är också inte att skala. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 . Processen för att göra grafen belagda TEM galler (A) tvättning av grafen-på-koppar bit i varma aceton (B) ta bort makroskopiska rynkor av tillplattning grafen-på-koppar mellan två glasskivor. En vävnad placeras under grafen-på-koppar bit så att inte vika i nya rynkor. (C) utsläppande amorft holey kol TEM galler på grafen-på-koppar med amorft kol sida av TEM rutnät röra grafen. (D) flytande koppar/grafen/TEM galler på natrium persulfatoxidation etsmedlet. Detta tar bort koppar från rutnäten. (E) grafen belagd TEM rutnät efter etsning av koppar. Lösningen är blå och det finns inga koppar kvar på grafen-belagd rutnäten. För storleksreferens, glaset petriskål diameter är ca 6 cm och glasskiva är 7,5 cm av 2,5 cm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 3 . Processen för att göra grafen flytande celler (A) två grafen-belagd TEM galler förberedd på en glasskiva med en kant skära av en av dem. Den kirurgiska skalpell som används för att skära rutnätet är på toppen höger på bilden. (B) Droplet av encapsulating lösning på en grafen belagd rutnät. Droplet-programmet på det övre rutnätet är rätt storlek och har gjort en fin pärla på grafen. Droplet-programmet på det nedre rutnätet har blödde igenom grafen, möjligen på grund av en spricka i grafen. (C) andra grafen-belagd rutnät placeras ovanpå första rutnät med droplet lösning. Den här grafen flytande cellen är nu redo att läsa in i en TEM. För storleksreferens, glasskiva är 7,5 cm av 2,5 cm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 4 . Lastning grafen flytande cell i standard enda tilt TEM hållaren. Grafen flytande cellen passar i en standard single-tilt TEM hållare på samma sätt som en normal TEM rutnät passar i hållaren. För storleksreferens, TEM rutnätet har en diameter av 3 mm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 5 . TEM beam kontroll. (A) kondenserad elektronstråle för ränta doskalibrering tittade på med hjälp av fluorescerande skärmen. (B) expanderat elektronstråle för doskalibrering hastighet visas med hjälp av fluorescerande skärmen. Intensitet minskar eftersom elektronerna per areal per tid minska varför elektronen strålar är mycket svag. (C) kalibreringskurvan avser kondensorn linsen nuvarande dosraten electron beam. Detta kalibreringskurvan används för att styra strålen dosraten under imaging. (D) parametrar som används när du samlar in TEM videor av nanopartiklar i grafen flytande celler. Specifika värden som används för varje parameter kan ändras beroende på materialet som avbildas och upplösningen behövs. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 . Guld nanorod etsning i grafen flytande cell fickan. Ramar av en representativ TEM video av en guld nanorod etsning under dosraten på 800 e–/ Å2s. Efter en inledande period av ingen etsning etsar nanorod med en konstant hastighet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7 . Metod för att analysera ramar av video (A) beskriver den nanorod med tröskelvärde i bild analys programvara. (se Tabell för material) Detta skiljer nanopartikelportföljen från bakgrunden och ger en form för kvantitativ analys. (B) fastställande av större och mindre axlarna av nanorod. (C) utvinna vardera hälften av 2-D dispositionen skär längs huvudaxeln. Använder dessa konturer, rekonstruera 3D-formen av roterande konturen runt x-axeln. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Grafen flytande cell elektronmikroskopi kan ge mekanistiska information om fysikalisk tillväxt och tekniken etsning med hög rumslig upplösning, men sedan gör grafen flytande celler kan vara svåra och känsliga, och kräver uppmärksamhet på Detaljer till extrahera användbara data. Kapsla in flytande lösningen även efter omfattande praxis gör grafen flytande celler, bara ungefär en halv till en fjärdedel av gjorde flytande celler framgångsrikt. Det kritiska steget i bildar flytande celler är att placera det andra rutnätet ovanpå droplet-programmet av vätska. Vanliga fel är att få pincetten fastnat mellan de två nät, att lämna rutnätet andra alltför långt off-center, och börjar med ett droplet-program som är för stor. Eftersom montering av grafen flytande celler är känslig och kräver finmotorik, tar det vanligtvis praxis att framgångsrikt göra flytande fickorna. På grund av bekostnad av grafen-belagd TEM nät rekommenderas det starkt att ny grafen vätska cell användare första praktiken flytande cellen beslutsprocessen på traditionella koppar, amorft kol TEM gallren för att spara pengar.
Att fastställa orsakerna till misslyckandet för flytande celler kan vara svårt eftersom forskare inte kanske vet om varje steg har varit framgångsrika tills imaging provet i slutet, och misstag, som kliade grafen, kan gå obemärkt förbi. Den lättaste fel att identifiera är en felaktig montering eftersom forskaren ser omedelbart vätska läcker ut ur cellen grafen flytande. Problem med att göra grafen på koppar nät, som sprickbildning i grafen, kan vara svårare att sätta fingret på. Kvaliteten på grafen kan kontrolleras både före och efter beläggning TEM rutnäten med Raman-spektroskopi, men grafen är vanligtvis oanvändbar efter denna testning. Dessutom är det viktigt att använda direkt överföring grafen eftersom de två ansiktena av grafen som sammanställs behöver vara ren att korrekt bilda en tätning genom Van der Waals-krafterna. Att göra grafen-belagda galler genom polymer överföringsmetoder kan lämna polymer rester på sidan av grafen som förväntas bond tillsammans. Om det korrekta förfarandet följs med hjälp av rätt TEM gallren, är brist på framgång med grafen flytande cellen oftast på grund av misskötsel av grafen och galler vid montering och tillverkning.
Grafen flytande cell TEM förskott befintliga flytande cell TEM tekniker med hjälp av en mycket tunnare inkapsling material som kan användas i alla traditionella TEM innehavare, gör hög upplösning och fasett bollbana spårning experiment mycket lättare. Med resolutionen av den kommersiella nitriden membran flytande kiselceller, skulle mycket av facet och kinetiska information som kan uppnås genom etsning nanokristaller i grafen flytande cellen gå förlorad. Grafen som flytande cell TEM experiment kan även utföras på befintliga enda luta TEM innehavare förneka behovet av dyra nya specialiserade innehavare. Dessutom grafen flytande cellen kan sättas i alla innehavare som accepterar standard TEM rutnät prover möjliggör flytande cell experiment kan utföras i avancerade innehavare (värme, tilt, kylning, kryo, cathodoluminescence) där kisel nitriden vätska celler har inte utformats. Dessutom utgör grafen flytande celler inte risk för kraschar vakuum av kolumnen TEM om fickorna brista som andra flytande cell TEM tekniker. Även om grafen flytande cellen inte är ännu en allestädes närvarande teknik i fysikalisk fält, blir dess användarvänlighet och rumsliga upplösningen det mycket mer allmänt används i framtiden.
Även med dess många fördelar har grafen flytande cell TEM begränsningar på typerna av experiment som kan utföras. Lite vätska avdunstar när fickor form, så det är svårt att exakt bestämma koncentrationen av arter i lösning, även utan överväger electron beam effekter. Grafen flytande celler har också slumpmässiga storlekar, höjder och fördelningar av små fickor, så kisel nitriden flödesceller har fördelen av mer kvantifierbara före beam koncentrationer och stora, enhetliga flytande lager. Som beskrivs i detta arbete, kan bara förladdade prover visas med grafen flytande cell i TEM, så det inte är möjligt att flöda i andra lösningar att utlösa kemiska reaktioner. Radiolys arter som genereras av samspelet mellan elektronen strålar med den flytande lösningen är den enda utlösare som kan användas för att starta en reaktion. Även om inte visat ännu, kan termiskt initierade processer utlösas i grafen flytande celler med standard värme innehavare. Electron beam-inducerad radiolys effekter är fortfarande inte helt klarlagda och kan vara svåra att kontrollera. Forskare har utvecklat kinetiska modeller för att bestämma innehållet i flytande cell fickor efter beam interaktion31,32, men deras exakthet är begränsad av antalet reaktioner som ingår i modellen och någon okänd koncentration förändringar på grund av torkning. Komplexa inledande pocket innehållet med många reagera arter som FeCl3, Tris buffert och även grafen30, kan vara svårt att helt förstå använder en kinetic modell. En annan nackdel med flytande cell elektronmikroskopi är att det är svårt att karakterisera sammansättningen av kristaller bildas under dynamiska processer. Till exempel i tillväxt experiment av flerkomponents system, kan det omöjligt att skilja vad faser eller arter växer om de nya nanokristaller är amorft eller inte på zon axeln. Detta är en annan orsak varför etsning förformad nanokristaller med känd sammansättning sitter på en känd zon axel är önskvärt. Slutligen finns det fortfarande vissa argument att beam-inducerad reaktioner flytande cellredigering grafen inte representerar villkoren för ex situ reaktioner i en kolv.
Framtida grafen flytande cell experiment kommer att bidra till att lindra några av dessa farhågor medan också använda nya TEM avancerar till ytterligare probe nanokristaller underliggande mysterier. Korrelat ex situ- fysikalisk syntes och etsning experiment kommer att vara avgörande i bekräftar de mekanismer som sett i flytande cell TEM experiment. Även forskare har börjat arbeta på att lägga till flödet kapacitet till grafen flytande cell TEM35 och flytande celler med lithographically att göra mer kontrollerad fickor36 inklusive matriser av grafen och förberedda hål37. Framsteg inom elektronmikroskopi upplösning och kameran hastighet kommer göra grafen flytande cell ytterligare kunna studera Atom dynamics under fysikalisk transformationer. Inslagning små fickor av vätska i en atomically tunt material som grafen för användning i elektronmikroskopi har en mängd potentiella applikationer och kommer utan tvekan bli en stapelvara i nanovetenskap forskning i framtiden.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Arbetet stöddes av US Department of Energy, Office of Science, kontor av grundläggande Energivetenskaper, materialvetenskap och Engineering Division, under Kontraktsnr DE-AC02-05-CH11231 inom fysikalisk kemi oorganiska nanostrukturer Program (KC3103).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2-propanol (Isopropanol) | Sigma Aldrich | 190764-4L | |
| Acetone | Fisher Chemical | A949-4 HPLC Grade | |
| FeCl3 | Sigma Aldrich | 44944-250g | |
| Gold Quantifoil, Amorphous Carbon TEM Grids | SPI Supplies | 4230G-XA | 300 Mesh Gold, R1.2/1.3- Often extensively on back-order |
| Graphene | ACS Materials | GnVCu3~5L-4x2in | We special order this to get graphene only on one side. The double sided product number is CVCU3022. Usually, we use 3-5 layer graphene for making Graphene Liquid Cells. If researchers need single layer graphene for their liquid cells, we have been using Grolltex recently |
| Hot Plate | IKA | C-MAG HS 7 Digital | |
| Hydrochlorid Acid | Fisher Chemical | 7647-01-0 | |
| Kimwipe Tissues | Kimberly-Clark | 34120 | |
| Matlab | Mathworks | ||
| Millipore Water Filter | Millipore | F4NA85846D | |
| Sodium Persulfate | Sigma Aldrich | 71890-500g | |
| Surgical Scalpel Blade | Swann-Morton | No. 6 | |
| TEM | FEI | Tecnai T20 S-Twin | TEM needs to be linked to camera acquisition software to allow for dose rate calibration procedures. |
| TEM Cameara for in situ data collection | Gatan | Orius SC200 | Custom digital micrograph scripts (written in house) for calibrating the C2 lens value to dose rate and collect in situ datasets |
| TEM Single Tilt Sample Holder | FEI | ||
| Tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride (Tris Buffer HCl) | Fisher Biotech | 1185-53-1 | |
| Tweezers | Excelta | 7-SA |
References
- O'Brien, M. N., Jones, M. R., Brown, K. A., Mirkin, C. A. Universal Noble Metal Nanoparticle Seeds Realized Through Iterative Reductive Growth and Oxidative Dissolution Reactions. Journal of American Chemical Society. 136 (21), 7603-7606 (2014).
- Alivisatos, A. P., et al. Organization of "Nanocrystal Molecules" Using DNA. Nature. , 609-611 (1996).
- Mirkin, C. A., Letsinger, R. L., Mucic, R. C., Storhoff, J. J. A DNA-Based Method for Rationally Assembling Nanoparticles into Macroscopic Materials. Nature. , 607-609 (1996).
- Abrams, I. M., McBain, J. W. A Closed Cell for Electron Microscopy. Journal of Applied Physics. 15 (8), 607-609 (1944).
- Williamson, M. J., Tromp, R. M., Vereecken, P. M., Hull, R., Ross, F. M. Dynamic Microscopy of Nanoscale Cluster Growth at the Solid-Liquid Interface. Nature Materials. 2 (8), 532-536 (2003).
- Radisic, A., Ross, F. M., Searson, P. C. In situ Study of the Growth Kinetics of Individual Island Electrodeposition of Copper. Journal of Physical Chemistry B. 110 (15), 7862-7868 (2006).
- Niu, W., et al. Selective Synthesis of Single-Crystalline Rhombic Dodecahedral, Octahedral, and Cubic Gold Nanocrystals. Journal of American Chemical Society. 131 (2), 697-703 (2009).
- de Jonge, N., Ross, F. M. Electron Microscopy of Specimens in Liquid. Nature Nanotechnology. 6 (11), 695-704 (2011).
- Liao, H. G., Cui, L., Whitelam, S., Zheng, H. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336 (2012), 1011-1014 (2012).
- Grogan, J. M., Schneider, N. M., Ross, F. M., Bau, H. H. Bubble and Pattern Formation in Liquid Induced by an Electron Beam. Nano Letters. 14, 359-364 (2013).
- Tan, S. F., et al. Real-Time Imaging of the Formation of Au-Ag Core-Shell Nanoparticles. Journal of American Chemical Society. 138, 5190 (2016).
- Woehl, T. J., Evans, J. E., Arslan, I., Ristenpart, W. D., Browning, N. D. Direct in situ Determination of the Mechanisms Controlling Nanoparticle Nucleation and Growth. ACS Nano. 6 (10), 8599-8610 (2012).
- Sutter, E., et al. In situ Liquid-Cell Electron Microscopy of Silver-palladium Galvanic Replacement Reactions on Silver Nanoparticles. Nature Communications. 5, 4946 (2014).
- Mehdi, B. L., et al. Observation and Quantification of Nanoscale Processes in Lithium Batteries by Operando Electrochemical (S)TEM. Nano Letters. 15 (3), 2168-2173 (2015).
- Nielsen, M. H., Aloni, S., De Yoreo, J. J. In situ TEM Imaging of CaCO3 Nucleation Reveals Coexistence of Direct and Indirect Pathways. Science. 345 (6201), 1158-1162 (2014).
- Ahmad, N., Wang, G., Nelayah, J., Ricolleau, C., Alloyeau, D. Exploring the Formation of Symmetric Gold Nanostars by Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. , (2017).
- Ross, F. M. Opportunities and Challenges in Liquid Cell Electron Microscopy. Science. 350 (6267), (2015).
- Niu, K. Y., Liao, H. G., Zheng, H. Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Journal of Visualized Experiments. (70), (2012).
- Liao, H. G., et al. Facet Development during Platinum Nanocube Growth. Science. 345 (6199), 916-919 (2014).
- Jungjohann, K. L., Evans, J. E., Aguiar, J. A., Arslan, I., Browning, N. D. Atomic-Scale Imaging and Spectroscopy for In situ Liquid Scanning Transmission Electron Microscopy. Microscopy and Microanalysis. 18 (3), 621-627 (2012).
- Li, D., et al. Direction-Specific Interactions Control Crystal Growth by Oriented Attachment. Science. 336 (6084), 1014-1018 (2012).
- Yuk, J. M., et al. Graphene Veils and Sandwiches. Nano Letters. 11 (8), 3290-3294 (2011).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336 (6077), 61-64 (2012).
- Ye, X., et al. Single-Particle Mapping of Nonequilibrium Nanocrystal Transformations. Science. 354 (6314), 874-877 (2016).
- Park, J., et al. 3D Structure of Individual Nanocrystals in Solution by Electron Microscopy. Science. 349 (6245), 290-295 (2015).
- Shin, D., et al. Growth Dynamics and Gas Transport Mechanism of Nanobubbles in Graphene Liquid Cells. Nature Communications. 6, 1-6 (2015).
- Jeong, M., Yuk, J. M., Lee, J. Y. Observation of Surface Atoms during Platinum Nanocrystal Growth by Monomer Attachment. Chemistry of Materials. , 3200-3202 (2015).
- Wojcik, M., Hauser, M., Li, W., Moon, S., Xu, K. Graphene-Enabled Electron Microscopy and Correlated Super-Resolution Microscopy of Wet Cells. Nature Communications. 6 (1), 7384 (2015).
- Dahmke, I. N., et al. Graphene Liquid Enclosure for Single-Molecule Analysis of Membrane Proteins in Whole Cells Using Electron Microscopy. ACS Nano. 11 (11), 11108-11117 (2017).
- Cho, H., et al. The Use of Graphene and Its Derivatives for Liquid Phase Transmission Electron Microscopy of Radiation-Sensitive Specimens. Nano Letters. 17 (1), 414-420 (2016).
- Schneider, N. M., et al. Electron-Water Interactions and Implications for Liquid Cell Electron Microscopy. Journal of Physical Chemistry C. 118 (38), 22373-22382 (2014).
- Park, J. H., et al. Control of Electron Beam-Induced Au Nanocrystal Growth Kinetics through Solution Chemistry. Nano Letters. 15 (8), 5314-5320 (2015).
- Chen, Q., et al. 3D Motion of DNA-Au Nanoconjugates in Graphene Liquid Cell Electron Microscopy. Nano Letters. 13 (9), 4556-4561 (2013).
- Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods (NRs) Using Seed-Mediated Growth Method. Chemistry of Materials. 15 (10), 1957-1962 (2003).
- Rasool, H., Dunn, G., Fathalizadeh, A., Zettl, A. Graphene-Sealed Si/SiN Cavities for High-Resolution in situ Electron Microscopy of Nano-Confined Solutions. Phys status solidi. 253 (12), 2351-2354 (2016).
- Wadell, C., et al. Nanocuvette: A Functional Ultrathin Liquid Container for Transmission Electron Microscopy. ACS Nano. 11 (2), 1264-1272 (2017).
- Kelly, D. J., et al. Nanometer Resolution Elemental Mapping in Graphene-Based TEM Liquid Cells. Nano Letters. , (2018).
