液相电子显微镜实验期间的温度控制为研究仿照纳米粒子形成或应用介质的液体环境中的动态开辟了新的视角。利用最近开发的加热液电池,我们直接观察了温度对水中金纳米粒子核化和生长过程的影响。
温度控制是最近发展的发展,它提供了通过液体细胞传输电子显微镜研究纳米化学的额外自由度。本文介绍了如何准备一个原位加热实验,以研究温度对水中由放射分析驱动的金纳米粒子形成的影响。实验的方案相当简单,涉及具有100°C统一加热能力的特殊液体电池、具有流量能力的液电池 TEM 支架和用于控制温度的集成接口。结果表明,金纳米粒子的核和生长机制受到液态电池温度的严重影响。利用STEM成像和纳米技术,实时揭示生长纳米粒子的密度、大小、形状和原子结构的演变。利用自动图像处理算法从视频序列中提取有用的定量数据,例如纳米粒子的核化和生长速率。这种方法为理解纳米材料液相合成过程中的复杂物理化学过程提供了新的投入。
金属纳米粒子(NPs)具有很有前途的物理化学特性,可用于光学传感1、医学2 或能量3等各个领域。湿化学合成是一种非常通用的方法,可以制造具有明确定义大小和形状的金属 NP。在过去的几十年里,已经制定了许多策略来控制NPs合成:种子介质生长4,面部阻塞方法5,运动控制合成6,选择性蚀刻7 或温度控制合成8。然而,虽然推动合成的化学反应相当简单,但核和生长机制却并非如此,因为许多参数在形成过程中发挥作用,其个人影响很难从合成的给定时间点从其形成介质中提取的纳米材料的原位快照中检索出来。为了真正了解核和生长过程并建立控制它们的方法,我们必须采用原位工具,允许他们在精细控制的液体环境中实时观察。
在这方面,液细胞传输电子显微镜(LCTEM)是一种非常强大的方法,为金属纳米粒子9、10、11、12、13的合成发出新的光。通过直接在液体形成介质中成像单个纳米结构的动力学,该技术提供了对核化和生长机制的更深入的了解, 特别是晶体缺陷、种子形态和有机配体的作用,这些缺陷可以驱动定向生长或蚀刻过程,并获得具有特定形状的纳米材料(纳米棒、纳米星、纳米板、纳米壳)10、11、12、13、14、15、16、17、18、19。当 TEM 的电子束与液体相互作用时,放射分析过程产生强大的减少和氧化物种,这些物种可修改辐照区域中的溶液化学成分,并可用于推动生长或蚀刻过程。有趣的是,放射性解毒产品的浓度已知会随着电子剂量率的增加而增加,这个参数可以在电子显微镜20中微调。因此,利用辐射分析的这种剂量率依赖性来控制反应速度,揭示对纳米结构11、15、20的形成过程和最终形态的动能效应。
虽然温度是纳米材料合成的关键参数,但LCTEM迄今尚未仔细研究其影响,因为最近才开发出具有可靠温度控制的商业液体电池。然而,这种原位研究对于解开温度变化引起的复杂动力学和热力学效应是必不可少的。事实上,一方面,温度升高对生长过程中的对面过程有剧烈的影响,加快了液体中的原子和分子扩散,并改变了反应速率。另一方面,纳米结构的纳米相图对温度也非常敏感。本文利用最近开发的加热液细胞,跟踪水中金纳米粒子的放射性生长,在室温和100°C之间进行温度控制。 这种方法结合STEM成像和衍射在一个越来越接近实际合成条件的环境中减少原位TEM观测和板凳规模合成之间的差距。
所述协议允许在温度控制的液体介质中通过辐射分析驱动的金纳米粒子的核化和生长。结合自动视频处理,它允许测量温度对纳米粒子合成的关键参数的影响,如纳米粒子的密度、大小、形状和原子结构。这些有价值的输入允许评估温度对核化和增长率的影响,检测可能的相变,并可视化决定胶体解决方案最终结果的面向过程。结合控制反应介质成分的可能性,温度控制液态电池TEM是朝着在逼真的合成条件下直接观察各种纳米结构的核化和生长过程迈出的又一步。本文对结果的解释及其与核和增长模式的比较将在其他地方讨论。在这里,我们要强调几个方法论方面,必须考虑进行相关的原位TEM实验。
首先,确定反应介质中的电子束效应至关重要,因为它们会对实验结果产生重大影响。在这里,由于水辐射是纳米粒子形成的驱动力,电子剂量速率的快速提高将影响纳米物体11、15的最终形状。因此,为了研究温度对纳米粒子核化和生长的影响,有必要将获得的生长实验与相同的电子剂量速率进行比较。在 STEM 模式下,电子剂量速率与光束电流(以电子每秒为单位)相等,除以图像大小(在 nm2)。因此,恒定的电子剂量率意味着保持相同的光束电流(即相同的凝结孔径和相同的点大小)和每个实验相同的放大倍率。使用 CCD 摄像机或法拉第杯量化成像条件的光束电流对于解释和重现数据非常重要。应根据是否希望可视化大型纳米粒子组件的生长,以提取生长动力学(图 5)或单个纳米粒子尺度上的生长机制的统计相关结果,以识别纳米粒子表面的优先吸附位点(图 10)。如果核和生长过程过快,特别是在高放大倍率下,应选择小凝结孔径和小点大小,以尽量减少剂量率。纳米粒子的核化和生长也可以通过降低分析溶液中金属前体的浓度来减慢,但请注意,放射性溶解产品的浓度会随着温度而增加。总的来说,考虑整个样品的电子辐照历史也很重要。例如,如果在彼此靠近的区域快速进行几个生长实验,纳米粒子的密度会随着时间而降低,因为研究区域中的金前体浓度会降低。通过将空间和时间的生长实验分开,并在流动模式下使用液体持有人,可以最大限度地减少这种效果。
接口跟踪算法对于实现视频分析的自动化和提取大型纳米粒子组件核化和生长的定量结果非常有帮助。但是,值得注意的是,图像双比化步骤始终是特定于数据的,这意味着必须应用于图像的过滤器和数据处理以优化纳米粒子/液体接口的检测,将因实验而异。此外,必须将这些自动分析的结果与对少数图像进行的手动测量进行比较,以优化图像处理工作流程并了解其局限性。例如,在高温下形成的日益厚重的3D纳米粒子中,多个散射事件在30秒的观测后导致其核心的对比反转,因为散射电子的角扩大导致环形探测器角范围内收集的信号减少。为了继续测量这些纳米粒子的真实表面积,我们在图像二元化后使用了”填充孔”数据过程,该数据过程填补了环形对比的内圈(图7F,G)。但是,我们不得不使用对象的微小稀释,以确保这些环形对比始终完全连接。后一步导致自动测量中纳米粒子平均表面积略高估(图9)。同样,为了检测纳米粒子,我们必须定义检测对象(Smim)的最小尺寸以避免检测噪声,但此参数会影响测量的核化速率。如图8所见,在实验开始时,检测到的纳米粒子数量增加,达到一个高原。当Smin大(50像素2对应于1543 nm2)时,自动和手动测量商定的这个高原水平(835纳米粒子后60秒),但纳米粒子的检测在自动分析中被延迟,因为835纳米粒子在12秒后被手动计数,但直到后来才自动检测。这种延长的检测时间导致核化率被低估。将S分钟减少到20像素2(即617 nm2)可减少纳米粒子组件的核化时间错误,但它导致纳米粒子密度的高估,特别是在实验的早期阶段(图8),这也影响核化率。具有非常动态行为和低信号噪声比的纳米物体的检测和尺寸及形状测量是液相 TEM 的常见挑战,可以使用其他细分和去名化方法24或机器学习方法25进一步改进。
最后但并非最不重要的一点是,必须非常小心地进行液体细胞的制备和液体支架的清洁,以避免反应介质的污染。
一般来说,在 LCTEM 分析期间控制样品温度为研究固体和液体之间接口发生的化学反应的热效应提供了机会。因此,我们希望目前的方法为其他原位TEM实验铺平道路,这些实验旨在揭示温度控制液体介质中硬质、软性或生物材料的动力学。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢法国岛(巴黎大学安装的JEOL ARM 200 F电子显微镜的会议SESAME E1845)、拉贝克斯SEAM(GLOIRE项目)和CNRS(德菲纳米计划)的财政支持。我们感谢马德琳·杜克斯和丹尼尔·弗兰克分享了图1和2中看到的液态细胞的示意图和光学图片。
2100 Plus electron microscope | Jeol | ||
Acetone | Merck | ||
Air pistol | |||
ARM 200F electron microscope | Jeol | ||
Binoculars or optical microscope | |||
Carbon tipped tweezers | |||
Computer with heating software | Software by Protochips | ||
Distlilled water | |||
Dummy e-chips | Protochips | ||
Gasket/O-rings | Protochips | ||
Gold aqueous solution | Merck | 1 mM of HAuCl4 – Prepared beforehand | |
Large liquid heating E-chip | Protochips | ||
Methanol | Merck | ||
One View camera | Gatan | ||
Petri dish | Number : 2 | ||
Plasma cleaner | Gatan | ||
Poseidon Select | Protochips | Liquid cell holder | |
Power supply Keithley 2450 | |||
Protective gloves | |||
Red PEEK tubing | Number : 3 | ||
Screwdriver with torque | |||
Small liquid E-chip | Protochips | 150 nm spacers | |
STEM HAADF detector | Jeol | ||
STEMx software | Gatan | ||
Syringe | Number : 2 | ||
Syringe pump | Harvard apparatus | Number : 2 | |
Vacuum pump | Gatan |