Summary
Temperaturkontroll under væskefase elektronmikroskopieksperimenter åpner opp nye perspektiver for å studere dynamikken i nanopartikler i flytende miljøer som etterligner deres dannelse eller applikasjonsmedier. Ved hjelp av nylig utviklede varmevæskeceller observerte vi direkte påvirkningen av temperatur på nukleasjons- og vekstprosessene til gull nanopartikler i vann.
Abstract
Temperaturkontroll er en nylig utvikling som gir en ekstra grad av frihet til å studere nanokjemi ved flytende celleoverføringselektronmikroskopi. I dette dokumentet beskriver vi hvordan du forbereder et in situ oppvarmingseksperiment for å studere effekten av temperatur på dannelsen av gull nanopartikler drevet av radiolyse i vann. Eksperimentets protokoll er ganske enkel med en spesiell væskecelle med ensartede oppvarmingsmuligheter opp til 100 °C, en væskecelle TEM-holder med strømningsegenskaper og et integrert grensesnitt for å kontrollere temperaturen. Vi viser at nukleasjons- og vekstmekanismene til gull nanopartikler påvirkes drastisk av temperaturen i væskecellen. Ved hjelp av REAL-avbildning og nanodifffraksjon avsløres utviklingen av tettheten, størrelsen, formen og atomstrukturen til de voksende nanopartiklene i sanntid. Automatiserte bildebehandlingsalgoritmer utnyttes til å trekke ut nyttige kvantitative data fra videosekvenser, for eksempel kjernedannelse og vekstrater for nanopartikler. Denne tilnærmingen gir nye innganger for å forstå de komplekse fysisk-kjemiske prosessene som spilles under væskefasesyntesen av nanomaterialer.
Introduction
Metall nanopartikler (NPs) har lovende fysisk-kjemiske egenskaper som kan brukes i ulike domener som optisk sensing1,medisin2 eller energi3. Våtkjemisk syntese er en svært allsidig metode for å fremstille metall-NPs med veldefinert størrelse og form. I løpet av de siste tiårene har mange strategier blitt utviklet for å få kontroll over NPs syntese: frømediert vekst4, ansiktsblokkerende metode5, kinetisk kontrollert syntese6, selektiv etsning7 eller temperaturkontrollert syntese8. Men mens de kjemiske reaksjonene som driver syntesen er ganske enkle, er nukleasjons- og vekstmekanismene ikke, fordi mange parametere spiller en rolle i formasjonsprosessene, og deres individuelle innflytelse er vanskelig å hente fra ex situ øyeblikksbilder av de resulterende nanomaterialer hentet fra deres formasjonsmedium på gitte tidspunkter for syntesen. For å virkelig forstå nukleasjons- og vekstprosessene og etablere måter å kontrollere dem på, må vi bruke in situ-verktøy som tillater deres sanntidsobservasjon i fint kontrollert flytende miljø.
I den forbindelse har Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy (LCTEM) vært en svært kraftig metode for å kaste nytt lys på syntesen av metalliske nanopartikler9,10,11,12,13. Ved å forestille seg dynamikken i individuelle nanostrukturer direkte i deres flytende formasjonsmedier, har denne teknikken gitt en dypere forståelse av kjernedannelse og vekstmekanismer, spesielt rollen som krystallfeil, frømorfologi og organiske ligander som tillater drivende retningsvekst eller etsningsprosesser og oppnå nanomaterialer med bestemte former (nanoroder, nanostjerner, nanoplater, nanoskall)10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Når elektronstrålen til en TEM samhandler med væsker, produserer radiolyseprosesser sterke reduksjons- og oksidasjonsarter som endrer løsningskjemien i det bestrålede området og kan brukes til å drive vekst- eller etsningsprosesser. Interessant er konsentrasjonen av radiolytiske produkter kjent for å øke med elektrondosehastigheten, en parameter som kan finjusteres i et elektronmikroskop20. Derfor har denne dosefrekvensavhengigheten av radiolyse blitt utnyttet til å kontrollere reaksjonshastigheten og avsløre kinetiske effekter på dannelsesprosessene og endelig morfologi av nanostrukturer11,15,20.
Selv om temperaturen er en avgjørende parameter i nanomaterialer syntese, har effektene så langt ikke blitt nøye undersøkt av LCTEM, fordi kommersielle væskeceller med pålitelig temperaturkontroll bare nylig er utviklet. Likevel er slike in situ-studier uunnværlige for å avdekke de komplekse kinetikk- og termodynamiske effektene som induseres av temperaturendringer. Faktisk, på den ene siden øker temperaturen har drastiske konsekvenser på faceting prosesser under veksten, øker atomisk og molekylær diffusjon i væske og endrer reaksjonshastighetene. På den annen side er nanofasediagrammet av nanostrukturer også svært følsomt for temperatur. I denne artikkelen utnytter vi nylig utviklede varmevæskeceller for å følge den radiolytiske veksten av gull nanopartikler i vann med temperaturkontroll mellom romtemperatur og 100 °C. Denne metodikken som kombinerer realfagsavbildning og diffraksjon i et miljø som nærmer seg og nærmere de virkelige synteseforholdene, reduserer gapet mellom in situ TEM-observasjoner og benkskalasyntetiser.
Protocol
1. Juster transmisjonselektronmikroskopet for STEM HAADF-avbildning
- Følg produsentens instruksjoner for mikroskopjustering.
- Bruk en konvensjonell tørket prøve for å justere mikroskopet. Ikke bruk en væskeprøve.
- For å minimere veksthastigheten minimerer du elektrondosehastigheten (se diskusjonsseksjonen) som innebærer bruk av liten kondensatoråpning og liten spotstørrelse for å redusere strålestrømmen.
2. Håndtering av e-spon
MERK: Kommersielle væskeholdere passer på nesten alle TEM, men bruker holderen som er spesielt designet for mikroskopmerket og stangstykket. En flytende celle er laget av to MEMS-baserte silisiumbrikker kalt E-chips, som begge er silisiumsubstrater med et vindu på 500 x 50 μm dekket av en 50 nm tykk amorf silisiumnitmid (SiN) film som er elektron gjennomsiktig (Figur 1A). Disse to e-brikkene har forskjellige størrelser. Den lille er 2 x 2 mm med gull avstandsstykker som fikser avstanden mellom de to E-brikkene (150 nm her) og væsketykkelsen. Den store er 4 x 6 mm, og den har en motstand innebygd inne i silisiumsubstratet som tillater en jevn oppvarming av væskeprøven (Figur 1B). På grunn av måten de er fremstilt i rene rom, har E-brikkene to forskjellige sider: en der vinduet ser lite ut (her etter å ha kalt forsiden) og den andre der vinduet er stort med en vaskform (her etter å ha kalt baksiden).
- Når du håndterer E-brikkene, må du aldri berøre vinduet med pinsett og gripe sjetongene ved sidene. For å unngå riper på overflaten av silisiumsubstratet, bruk karbonspisset pinsett.
- Hvis du plasserer en E-chip på en overflate, må du sørge for at baksiden er i kontakt med overflaten fordi SiN-filmen er skjør og den er avsatt på forsiden.
3. Rengjøring av væskecelleholderen (før eksperimentet)
- Fjern lokket som dekker spissen på holderen. Fjern dummy væskeceller ved hjelp av pinsett. Fjern pakningen som brukes med dummy væskecellene.
MERK: Dummy væskeceller er flytende celler uten SiN-vinduet og bare silisium. De brukes til lagring av væskecelleholderen i vakuumpumpen. Vær oppmerksom på tilstanden til messingskruer fordi de smuldrer lett over tid. Spesielt hvis skruehodene er skadet, må skruene endres. Ellers kan det være vanskelig å skru dem ut etter eksperimentet, og små rusk kan også forstyrre prøvebelastningen. - Injiser manuelt 2 ml destillert vann inne i holderen ved hjelp av sprøyter og den eksterne PEEK-slangen for å koble til baksiden av holderen.
MERK: Det er 3 mikrofluidiske tunneler inne i holderen. Alle tre må rengjøres med vann. Vær oppmerksom på vannet som kommer ut av forsiden av holderen: Hvis vannet er farget på grunn av et tidligere eksperiment, fortsett å sette vann inne i holderen til væsken er ufarget. - Hvis du injiserer en løsning i væskecellen under eksperimentet (1 mM HAuCl4 i vann i vårt tilfelle), fyll slangen på prøveholderen med denne løsningen.
- Tørk opp spissen på væskecelleholderen med en luftpistol.
4. Tilberedning av væskecellen (E-chips)
- Rengjøring av væskecellene.
- Fyll en Petri-tallerken av glass med aceton.
- Fyll en Petri-tallerken av glass med metanol.
FORSIKTIG: På grunn av toksisiteten til metanol må Petri-retten med metanol settes under en avtrekkshette. Metanol skal håndteres med tilstrekkelig beskyttelsesutstyr (hansker). - Legg en liten og en stor E-chip i Petri-parabolen med aceton og vent i 2 minutter.
MERK: E-brikkene er belagt med et beskyttende lag som må fjernes før eksperimentet. Aceton vil fjerne fotoresisten og rydde opp e-chips av rusk. For å forbedre rengjøringen kan løsningen forsiktig omgis. - Legg begge E-brikkene i Petri-parabolen med metanol og vent i 2 minutter. Metanol vil rydde opp e-chips fra aceton og resten av rusk.
FORSIKTIG: Overføringen av e-brikkene mellom aceton og metanol må gjøres så raskt som mulig for ikke å la e-brikkene tørke opp i luften. - Tørk opp væskecellene med en luftpistol. Hold E-brikken med pinsett mens du bruker luftpistolen. Pass på at du ikke trykker for mye på luftpistolutløseren, ellers kan E-brikken falle ut av pinsettene. Hvis de faller ut, start rengjøringen med aceton og metanol på nytt.
- Kontroller integriteten til silisiumnitmidvinduet ved hjelp av en kikkertforstørrelse eller et optisk mikroskop (figur 2).
MERK: Pass på at vinduene på begge E-brikkene er rene og ikke ødelagte. Hvis E-brikkene ikke virker rene, prøv å sette dem tilbake i aceton og metanol igjen. Hvis smusset fortsatt er på vinduet, eller hvis vinduet er ødelagt, må E-brikkene endres med nye. - Plasma rengjør E-brikkene med en blanding av argon og oksygengass i 2 minutter. Plasmarengjøring av E-brikkene gjør at de kan være hydrofile. Her er detaljene for plasmarengjøring satt opp: argongassstrøm = 35 sccm, oksygengassstrøm = 11,5 sccm, tidsavbrudd for gassstrøm = 20 s, Fremover RF-mål = 50 W, Fremover RF Range = 5 W, Maksimal reflektert RF = 5 W.
- Lasting av væskecellene i TEM-holderen (figur 3).
- Legg paknings-O-ringene inne i væskecelleholderen (Figur 3B). Kontroller at pakningen som brukes, er ren. Hvis ikke, rengjør det raskt med destillert vann. Tørk det opp med et rent filterpapir. For å fjerne rusk og fibre på pakningen, trykk den mellom to ark parafilm flere ganger.
- Sett den lille E-brikken inn i væskecelleholderen (Figur 3C). For å redusere buingen av SiN-filmene mot mikroskopets vakuum, plasser vinduene til væskecellen i en krysset konfigurasjon. Derfor må vinduet på den lille E-brikken være parallelt med lengden på holderen og forsiden opp. Pass på at den lille E-brikken er godt satt inn i pakningen.
- Forbered væskeprøven (her 1 mM HAuCl4 i vann).
- Slipp ≈2 μL av væskeprøven på den lille E-brikken ved hjelp av en mikropipette (figur 3D). Hvis den lille E-brikken er ordentlig plasmarengjort, vil den vandige væskeprøven spre seg jevnt over overflaten av brikken.
- Fjern den ekstra væsken med et filterpapir. Med et skarpt kuttet stykke filterpapir, reduser tykkelsen på væskelaget på den lille E-brikken til den danner en flat kuppel.
- Sett den store E-brikken inn i væskecelleholderen (Figur 3E). Plasser den store E-brikken på den lille med forsiden ned (forsiden av de to sjetongene må vende mot hverandre). Elektrodene på den store E-brikken må være i kontakt med elektrodeputen på holderen.
- Skyv lokket tilbake på væskecelleholderen. Stram hver skrue gradvis (Figur 3F).
- Tørk opp den endelige væsken som kommer ut av E-brikkene ved hjelp av lite utsparingsfilterpapir. Kontroller at det ikke kommer væske ut på begge sider av væskecellene ved å rotere væskecelleholderen rundt aksen.
- Test vakuumforseglingen av væskecellen i en pumpestasjon. Hvis vakuumnivået til pumpen når 5 x 10-2 Pa, fortsetter du protokollen. Hvis ikke, kontroller integriteten til vinduet (det er mest sannsynlig ødelagt) og start protokollen fra begynnelsen med et nytt sett med E-brikker.
- Kontroller en siste gang integriteten til silisiumnitratvinduet ved hjelp av en kikkertforstørrelse eller et optisk mikroskop. Noen ganger vil væskecellen kunne opprettholde vakuumet til pumpestasjonen selv om vinduet er ødelagt. Dette skyldes at når vinduet går i stykker og væsken søler ut, kan det danne aggregater av salt på den ødelagte delen av vinduet og dermed dekke hullet. Hvis det skjer, lag et nytt sett med E-chips.
- Last væskecelleholderen i TEM og kontroller vakuumnivået. Selv om væskecellen opprettholdt vakuumet til pumpestasjonen og det ikke er noe synlig problem med vinduet, kan mikrolekkasje av væskecellen forhindre å nå vakuumnivået som kreves for å betjene TEM. Hvis mikroskopet ikke når det nødvendige vakuumnivået som skal brukes (2-5 x 10-5 Pa), fjerner du prøveholderen og klargjør et nytt sett med E-brikker.
5. Bruk væskeholderen i strømningsmodus
- Fyll opp 2 sprøyter med noen få milliliter av oppløsningen som skal injiseres (1 mM HAuCl4 i vann i vårt tilfelle).
- Koble 2 eksterne PEEK-rør til sprøytene. Plasser de 2 sprøytene på sprøytepumpene. Sett de eksterne PEEK-rørene inn i de 2 oppføringene på væskecelleholderen. Sett inn et ekstra eksternt PEEK-rør for utgangen av væskecelleholderen.
- Injiser oppløsningen med en strømningshastighet på 5 μL/min i hvert innløp.
6. Oppvarming av væskemiljøet
- Koble strømforsyningen til holderen. Koble strømforsyningen til datamaskinen der varmeprogramvaren er installert.
- Slå på datamaskinen og åpne oppvarmingsprogramvaren. Slå på strømforsyningen.
- Klikk på enhetskontrollknappen. Hvis programvaren indikerer "bestått", kan eksperimentet fortsette. Ellers kan den store E-brikken ha et problem (feil lasting av E-brikken, ødelagte elektroder ...).
- Klikk kategorien Eksperiment . Klikk på Manuell for å aktivere manuell oppvarmingsmodus.
- Velg den målrettede temperaturen og endre temperaturfrekvensen tilsvarende. Trykk apply for å varme opp E-brikkene til den målrettede temperaturen (Figur 4).
MERK: E-brikkene kan varmes opp til 100 °C. Hvis en vandig løsning brukes til eksperimentet (som i vårt tilfelle), unngå oppvarming av E-brikkene over 90 °C. Ellers kan væskeprøven tørke opp. Ved oppvarming av væsken kan temperaturen midlertidig stige over den målrettede temperaturen og deretter falle tilbake til ønsket temperatur. Bruk lav oppvarmingshastighet for å minimere slike overshoots (1 °C/s er greit). - Klikk på Ambient for å gå tilbake til omgivelsestemperaturen (25 °C). Klikk på Stopp for å stoppe oppvarmingen brått. Klikk på Avslutt økt-fanen for å avslutte oppvarmingseksperimentet.
7. Realfagsavbildning av nanopartikler vekst
- Bruk mikroskopet i realfagsmodus ved hjelp av HAADF-detektoren. Gå til et uberørt område av prøven, nær et hjørne av observasjonsvinduet der væsketykkelsen er minimum. Hent videoer av nanopartikkelvekst for ulike temperaturer i væsken (Figur 5).
MERK: Gull nanopartikler vises umiddelbart og vokser i det skannede området. Videoopptak med en bildefrekvens på ett bilde per sekund er et godt kompromiss for å observere vekstprosessene med godt signal-til-støy-forhold og en god tidsoppløsning.
8. STEM nanodifffraksjon av enkle nanopartikler
- Skaff deg et STEM HAADF-bilde av flere nanoobjekter. Skaff deg diffraksjonsmønsteret til individuelle nanopartikler som er valgt på bildet, ved hjelp av STEMx-programvaren (figur 6).
MERK: STEM nanodiffraction er en teknikk som gjør det mulig å skaffe diffraksjonsmønsteret til enkle nanopartikler i væske under vekstforsøk22. - Etter oppkjøpet av et STEM HAADF-bilde, velg flere nanoobjekter på bildet, og STEMx-programvaren synkroniserer automatisk posisjonen til sonden og CCD-kameraet for å skaffe deg diffraksjonsmønsteret i hver posisjon av sonden. For å unngå overlapping av diffraksjonsflekkene, bruk en liten konvergensvinkel på STEM-sonden (7,4 mrad i vårt tilfelle) ved å bruke liten kondensatoråpning (10 μm i vårt tilfelle).
9. Rengjøring av væskecelleholderen (etter eksperimentet)
MERK: Her beskriver vi en standard rengjøringsprosedyre for væskecelleholderen. Hvis denne rengjøringen ikke er effektiv nok, er det mulig å bruke fortynnet salpetersyre og metanol for å skylle ut de eventuelle nanopartikkelaggregatene i væskecelleholderen. Den kjemiske kompatibilitetsdokumentasjonen til væskecelleholderen bør konsulteres før. I alle fall må du alltid fullføre rengjøringen med injeksjon av destillert vann.
- Ta av lokket. Fjern de brukte E-brikkene. Fjern den interne pakningen.
MERK: De brukte e-brikkene kan lagres i en tilpasset boks. Det er da mulig å utføre ex situ TEM- eller SEM-analyser av nanoobjektene som forblir festet til SiN-vinduene etter å ha opphevet væskecellen15. Det er ikke tilrådelig å gjenbruke E-brikkene til et annet in situ-eksperiment, men det er fortsatt mulig hvis SiN-filmen ikke har blitt ødelagt under unsealing av væskecellen. Overveksteksperimenter i et annet løsningsmiddel kan deretter utføres. 23 - Injiser 5 ml destillert vann i innløps- og utløpsslangen til væskecelleholderen.
- Rengjør spissen av væskecelleholderen ved hjelp av et ultralydbad i 20 minutter. Kontaktputen kan nedsenkes i badekaret. Dypp bare delen som er dekket med lokket. Ikke senk ventilasjonshullene ned i væske.
- Tørk opp væskecelleholderen med en luftpistol.
- Sett tilbake pakningen som brukes med dummy væskecellene. Sett tilbake dummy væskecellene og lokket.
- Oppbevar prøveholderen på en vakuumstasjon.
10. Analyse etter eksperiment ved hjelp av Fiji (ImageJ)
MERK: Det anbefales å dele hver ramme av videoen tatt i enkeltbilder. Formålet med dette analysetrinnet etter eksperimentet er å forvandle de originale videoene av nanopartiklene til binære videoer som kan analyseres av Fiji. Et medianfilter brukes for å forbedre kontrasten til nanopartiklene på bakgrunnen (Figur 7B &7E). Dette er viktig for å lette binariseringen av videoen.
- Åpne filkatalogen som inneholder bildene av videoen på Fiji ved å klikke på Fil | Importere | Bildesekvens. Vinduet for sekvensalternativer vises. Velg riktig startbilde (hvis begynnelsen av videoen skal forkastes). Angi økningsnummeret for bildesekvensen (det tilsvarer antall delbilder det tar før STEM-skanningen når bunnen av bildet). Merk av for Konverter til 8-biters gråtone. Lagre bildesekvensen i TIFF-format.
- Beskjær alle uønskede artefakter fra videoen (for eksempel skalalinjen eller kanten av væskecellevinduet).
- Klikk på Behandle | Filtre | Median for å bruke et medianfilter på alle bildene. Lagre den behandlede bildesekvensen i TIFF-format.
MERK: Det dukker opp et vindu som ber om radiusen som brukes for medianfilteret. Vi brukte en radius på 2 piksler, men bruk gjerne forskjellige parametere. Andre filtre er også tilgjengelige i Fiji som kan brukes til å forbedre bildebehandlingen. Spesielt kan bakgrunnsalgoritmen trekkes fra brukes til å gjøre bakgrunnsintensiteten flat hvis den ikke er ensartet. For dette, klikk på Behandle | Delstrett bakgrunn. I vårt tilfelle skaper denne prosessen små hvite flekker i bakgrunnen av de første bildene som kan tolkes som falske nanopartikler. Dermed brukte vi ikke denne prosessen, men den bør prøves på andre datasett, fordi den økende væsketykkelsen fra hjørnet til midten av væskecellen vanligvis induserer ikke-jevn bakgrunnsintensitet på lav forstørrelse LCTEM-bilder. - Klikk på Bilde | Juster | Terskelverdi. Beveg deg manuelt for å få en bedre presisjon av terskelverdien for binariseringen til bare nanopartiklene er farget i rødt. Trykk på bruk-knappen. Popup-vinduet Konverter stakk til binært vindu. Fjern merket for Beregn terskelverdi for hvert bilde. Lagre den binære bildesekvensen i tiffformat (Figur 7C og 7F).
MERK: Det anbefales å sjekke om terskelen er tilfredsstillende på hvert bilde av videoen. - Gjør dette trinnet bare hvis det er en kontrastinversjon av nanopartiklene under videoen. Klikk på Behandle | Binær | Dilate. Gjør det en gang til om nødvendig. Klikk på Behandle | Binær | Fyll hull (Figur 7G, se diskusjonsdelen).
- Klikk på Analyser | Analyser partikler. Definer størrelsesområdet for de analyserte nanopartiklene som ble observert under eksperimentet. Merk av for Oppsummer.
MERK: Det er svært viktig å i det minste definere minimumsstørrelsen på de observerte nanopartiklene. Uten det vil de små svarte prikkene (støy) som vises i den binære bildesekvensen betraktes som nanopartikler. Som et første forsøk, velg størrelsen på de minste nanopartiklene identifisert av øyet, men da er en prøve- og feilprosess nødvendig for å forstå effekten av denne parameteren og optimalisere den automatiserte dataanalysen (se diskusjonsdelen). Før dette trinnet, for å hente området av nanopartiklene, klikk på Analyser | Angi mål og kontroller Område. Andre målinger er tilgjengelige. - Lagre vinduene Resultater og Sammendrag. Antall nanopartikler for hver ramme er i datavinduet Sammendrag.
Representative Results
Figur 5 viser to STEM HAADF bildeserier av gull nanopartikkel formasjon ervervet over 80 sekunder ved 25 °C og 85 °C. I alle disse eksperimentene drives kjernen og veksten av nanopartikler av radiolyse av vann. Blant de kjemiske artene som genereres av dette elektronstråleinduserte fenomenet, kan sterke reduksjonsmidler (dvs. vandige elektroner og hydrogenradikaler) redusere tetrakloroaurinsyren som fører til dannelsen av gull nanokrystall ved grensesnittet mellom SiN-vinduene og væsken. Disse to in situ observasjonene utført med samme elektrondosehastighet bekrefter at den nåværende metoden gjør det mulig å visualisere den drastiske effekten av temperatur på dannelsen av nanopartikler i flytende medier. Ved lav temperatur observerer vi veksten av en svært tett montering av små nanopartikler, mens ved høy temperatur oppnås noen få store og godt fasetterte nanostrukturer. Ettersom kontrasten til STEM HAADF-bilder er proporsjonal med gull nanopartiklenes tykkelse, kan vi se at to populasjoner av objekter dannes under disse veksteksperimentene: svært kontrasterte 3D nanopartikler og store 2D nanostrukturer med trekantet eller sekskantet form og en lavere kontrast (indikert med røde piler i figur 5).
Videoanalysemetoden beskrevet i denne protokollen gjør det mulig å kvantifisere nukleasjons- og vekstprosessene ved å måle over tid antall nanopartikler og deres gjennomsnittlige overflateareal i det observerte området. Som sett i figur 8, ved lav temperatur dannes mer enn 800 nanopartikler innen noen få titalls sekunders observasjon, mens bare 30 nanopartikler dannes ved høy temperatur. Bortsett fra to trekantede og sekskantede nanoplater, er alle nanopartiklene allerede til stede på det aller første bildet av oppfølgingen av høye temperaturer. Figur 9 viser at det gjennomsnittlige overflatearealet av nanopartikler øker 40 ganger raskere ved 85 °C enn ved 25 °C.
Figur 6 representerer et typisk REAL-bilde og diffraksjonsmønsteret til to gull nanopartikler som er valgt direkte på bildet (angitt med røde piler på figur 6A). Her kan vi identifisere den ansiktssentrert kubikk (FCC) strukturen av gull orientert langs [001] (Figur 6B) og [112] (Figur 6C) soneakser.
Figur 1: Skjematisk for E-brikkene og spissen på væskecelleholderen. (A) Den store e-brikken med motstanden som brukes til å varme opp væskecellen (toppen) og den lille E-brikken (bunn). (B) Begge E-brikkene er lastet i væskecelleholderen. Elektrodene til den store E-brikken er i kontakt med elektrodeputer på væskecelleholderen. Motstanden til den store E-brikken kan varme opp væskecellen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Optiske mikroskopbilder av E-brikker som illustrerer: (A) Et intakt SiN-vindu som er nødvendig for eksperimentet. (B) En skadet silisiumskive i utkanten av E-Chip. Denne typen E-spon kan brukes hvis det skadede området er utenfor det våte området når væskecellen er forseglet (dvs. hvis skaden er utenfor området definert av O-ringene). (C) Rester på E-chip overflaten. Hvis slike rester ikke forlater etter at rengjøringsprosessene er gjentatt (se pkt. 4.1), må du ikke bruke E-brikken. (D til F) Skadede SiN-vinduer (ubrukelige E-brikker). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Bilder av den trinnvise prosessen med lasting av væskecellen i TEM-holderen. (A) Prøveholder alene. (B) Sett paknings O-ringen i hulrommet. (C) Sett den lille E-brikken inn i O-ringene på pakningen. (D) Sett en dråpe oppløsning på de små E-brikkene. (E) Legg den store E-brikken over den lille. (F) Forsegle hele væskecellen ved å skru på lokket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Skjermbilde av varmeprogramvaren som styrer temperaturen på væskecellen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: STEM HAADF-bildeserie med lav forstørrelse av veksten av gullnanopartikler. (A) Ved 25 °C (B) ved 85 °C. Tilsvarende tid angis nederst til venstre i hvert bilde. 2D nanostrukturer er indikert med røde piler. Alle bilder er anskaffet med samme elektrondosehastighet på 3,4 elektron·s-1·nm-2. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: STAMME nanodifffraksjon av enkle nanopartikler. (A) STEM-bilde som brukes til å velge diffracting nanopartikler (posisjonene til sonden under diffraksjonsanskaffelser er indikert med røde piler). (B,C) Diffraksjonsmønsteret til de to utvalgte nanopartiklene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Databehandling og analyse av STAM HAADF-bilder ved hjelp av Fiji. Bildene ble anskaffet 40 sekunder etter begynnelsen av veksten. (A til C) Bilde ervervet ved 25 °C. (D til G) Bilde ervervet ved 85 °C. (A,D) Raw STEM-bilde. (B,E) Behandlet bilde (medianfilter). (C,F) Binært bilde. (G) En dilatasjon av pikslene påføres to ganger, og "Fyll hull" -prosessen påføres deretter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Graf som representerer antall gull nanopartikler som en funksjon av tid ved 25 °C og 85 °C. De to kurvene ved 25 °C måles automatisk med en minimal deteksjonsstørrelse (Smin)på 20 (rød) og 50 (blå) piksler2. De grønne prikkene målt etter 12 og 60 sekunders oppkjøp representerer antall nanopartikler som telles manuelt på videoen som er anskaffet ved 25 °C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Grafer som representerer det gjennomsnittlige overflatearealet av gull nanopartikler som en funksjon av tid for 25 °C og 85 °C. De grønne prikkene representerer manuelle målinger av gjennomsnittsarealet av nanopartikler på gitte tidspunkter for videoen som er anskaffet ved 85 ° C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 10: Høyforstørrelse STEM HAADF bildeserie av veksten av enkelt gull nanocube ved 85 °C. Denne bildeserien ble anskaffet med en elektrondosehastighet på 83,6 elektron.s-1.nm-2. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
Den beskrevne protokollen gjør det mulig å følge kjernen og veksten av gull nanopartikler drevet av radiolyse i et temperaturkontrollert flytende medium. Kombinert med automatisert videobehandling tillater det å måle effekten av temperaturen på viktige parametere for nanopartikkelsyntese som tetthet, størrelse, form og atomstruktur av nanopartikler. Disse verdifulle inngangene gjør det mulig å evaluere effekten av temperaturen på nukleasjons- og vekstratene, oppdage mulige faseoverganger og visualisere fasettprosessene som dikterer det endelige resultatet av kolloidale løsninger. Sammen med muligheten til å kontrollere sammensetningen av de reaktive mediene, er temperaturkontrollert væskecelle TEM et annet skritt mot direkte observasjon av nukleasjons- og vekstprosessene til ulike nanostrukturer under realistiske synteseforhold. Tolkningen av resultatene som presenteres i denne artikkelen og deres sammenligning med nukleasjons- og vekstmodeller vil bli diskutert andre steder. Her ønsker vi å synliggjøre flere metodiske aspekter som må vurderes for å gjennomføre relevante in situ TEM-eksperimenter.
Først av alt er det avgjørende å identifisere elektronstråleeffektene i reaksjonsmediet fordi de kan påvirke resultatene av eksperimentet drastisk. Her, som vannradiolyse er drivkraften til nanopartikkeldannelse, øker veksthastigheten raskt med elektrondosehastigheten som vil påvirke den endelige formen på nanoobjekter11,15. Derfor, for å studere effekten av temperaturen på kjernedannelse og vekst av nanopartikler, er det nødvendig å sammenligne vekstforsøk oppnådd med samme elektrondosehastighet. I STEM-modus tilsvarer elektrondosehastigheten strålestrømmen (i elektron per sekund) delt på bildestørrelsen (i nm2). Derfor innebærer en konstant elektrondosehastighet å opprettholde samme strålestrøm (dvs. samme kondensatoråpning og samme spotstørrelse) og samme forstørrelse for hvert eksperiment. Det er viktig å kvantifisere strålestrømmen til bildeforholdene ved hjelp av et CCD-kamera eller en Faraday-kopp for å tolke og reprodusere dataene. Forstørrelsen og den resulterende doseringshastigheten bør velges i henhold til om man ønsker å visualisere veksten av en stor montering av nanopartikler for å trekke ut statistisk relevante resultater på vekstkinetikken (figur 5) eller vekstmekanismene på enkelt nanopartikkelskalaen for å identifisere preferanse adsorpsjonsstedene på nanopartikkeloverflatene (figur 10). Hvis nukleasjons- og vekstprosessene er for raske, spesielt ved høy forstørrelse, bør liten kondensatoråpning og liten spotstørrelse velges for å minimere doseringshastigheten. Kjernen og veksten av nanopartikler kan også avta ved å redusere konsentrasjonen av metallforløper i den analyserte løsningen, men vær oppmerksom på at konsentrasjonen av radiolytiske produkter vil øke med temperaturen. Generelt er det også viktig å ta hensyn til elektronbestrålingshistorien til hele prøven. Her, for eksempel, hvis flere veksteksperimenter raskt utføres i områder nær hverandre, vil tettheten av nanopartikler avta over tid fordi konsentrasjonen av gullforløpere i det studerte området reduseres. Denne effekten kan minimeres ved å skille veksteksperimentene både i rom og tid og ved å bruke væskeholderen i strømningsmodus.
Grensesnittsporingsalgoritmer er ekstremt nyttige for å automatisere analysen av videoer og trekke ut kvantitative resultater på kjernen og veksten av store nanopartikler. Det er imidlertid verdt å merke seg at bilde-binariseringstrinnet alltid er dataspesifikk, noe som betyr at filtrene og databehandlingen som må brukes på bilder for å optimalisere deteksjonen av nanopartikkelen / væskegrensesnittet, vil variere fra et eksperiment til et annet. Videre er det viktig å sammenligne resultatene av disse automatiserte analysene med manuelle målinger utført på noen få bilder for å optimalisere arbeidsflyten for bildebehandling og for å kjenne begrensningene. Her induserer for eksempel flere spredningshendelser i de stadig tykkere 3D-nanopartiklene dannet ved høy temperatur en kontrastinversjon av kjernen etter 30 sekunder observasjon fordi vinkelforlengingen av spredte elektroner resulterer i en reduksjon av det oppsamlede signalet i vinkelområdet til den ringformede detektoren. For å fortsette å måle det sanne overflatearealet til disse nanopartiklene, brukte vi en "fyllhull" dataprosess etter binariseringen av bildet som fyller den indre sirkelen av ringformkontraster (Figur 7F,G). Vi måtte imidlertid bruke en liten dilatasjon av objektene for å sikre at disse ringformkontrastene alltid er fullt forbundet. Dette siste trinnet fører til en liten overvurdering av gjennomsnittlig overflateareal av nanopartikler i de automatiserte målingene (figur 9). På samme måte, for påvisning av nanopartikler, må vi definere en minimal størrelse på oppdagede objekter (Smim) for å unngå å oppdage støyen, men denne parameteren påvirker den målte kjernefrekvensen. Som vist i figur 8, øker antall oppdagede nanopartikler i begynnelsen av eksperimentet for å nå et platå. Når Smin er stor (50 piksler2 tilsvarende 1543 nm2), blir automatiske og manuelle målinger avtalt på nivået av dette platået (835 nanopartikler etter 60 sekunder), men påvisning av nanopartikler er forsinket i den automatiske analysen siden 835 nanopartikler telles manuelt etter bare 12 s, men oppdages ikke automatisk før senere. Denne utvidede deteksjonstiden fører til en undervurdering av kjernefrekvensen. Reduksjon av Smin ned til 20 piksler2 (dvs. 617 nm2) reduserer feilen på kjernetid for nanopartikkelenheten, men det fører til en overvurdering av nanopartikkeltettheten spesielt i det tidlige stadiet av forsøkene (figur 8) som også påvirker kjernefrekvensen. Deteksjonen og størrelses- og formmålingene til nanoobjekter med svært dynamisk oppførsel og lavt signal-til-støy-forhold er en vanlig utfordring i væskefase TEM som kan forbedres ytterligere ved hjelp av andre segmenterings- og denoisingsmetoder24 eller maskinlæringsmetoder25.
Sist, men ikke minst, må forberedelsen av væskecellen og rengjøringen av væskeholderen utføres svært nøye for å unngå forurensninger av reaksjonsmediet.
Generelt gir kontroll av temperaturen i prøven under LCTEM-analyser muligheten til å undersøke termiske effekter på kjemiske reaksjoner som oppstår ved grensesnittet mellom faste stoffer og væsker. Derfor håper vi at den nåværende metoden baner vei for andre in situ TEM-eksperimenter designet for å avsløre dynamikken i harde, myke eller biologiske materialer i temperaturkontrollerte flytende medier.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Vi anerkjenner takknemlig den økonomiske støtten til Region Ile-de-France (konvensjonEN SESAME E1845 for JEOL ARM 200 F elektronmikroskop installert ved Universitetet i Paris), Labex SEAM (GLOIRE Project) og CNRS (Defi Nano Program). Vi takker Madeline Dukes og Daniel Franck for å ha delt skjemaene og de optiske bildene av væskecellene sett i figur 1 og 2.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Willets, K. A., Van Duyne, R. P. Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing. Annual Review of Physical Chemistry. 58 (1), 267-297 (2007).
- Dreaden, E. C., Alkilany, A. M., Huang, X., Murphy, C. J., El-Sayed, M. A. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine. Chemical Society Review. 41, 2740-2779 (2012).
- You, H., Yang, S., Ding, B., Yang, H. Synthesis of colloidal metal and metal alloy nanoparticles for electrochemical energy applications. Chemical Society Review. 42, 2880-2904 (2013).
- Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. Preparation and growth mechanism of gold nanorods using seed-mediated growth method. Chemistry of Materials. 15, 1957-1962 (2003).
- Hubert, F., Testard, F., Spalla, O. Cetyltrimethylammonium bromid silver bromide complex as the capping agent of gold nanorods. Langmuir. 24, 9219-9222 (2008).
- Xia, Y., Xiong, Y., Lim, B., Skrabalak, S. E. Shape-controlled synthesis of metal nanocrystals: Simple chemistry meets complex physics. Angewandte Chemie International Edition. 48, 60-103 (2009).
- Zheng, Y., Zeng, J., Ruditskiy, A., Liu, M., Xia, Y. Oxidative etching and its role in manipulating the nucleation and growth of noble-metal nanocrystals. Chemistry of Materials. 26, 22-33 (2014).
- Xin, H. L., Zheng, H. In situ observation of oscillatory growth of bismuth nanoparticles. Nano Letters. 12 (3), 1470-1474 (2012).
- Wu, J., et al. Growth of Auau on Pt icosahedral nanoparticles revealed by low-dose in situ TEM. Nano letters. 15, 2711-2715 (2015).
- 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. 17, 4194-4201 (2017).
- 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, 8599-8610 (2012).
- Tan, S. F., et al. Intermediate structures of pt-ni nanoparticles during selective chemical and electrochemical etching. The Journal of Physical Chemistry Letters. 10, 6090-6096 (2019).
- Xin, H. L., Zheng, H. In situ observation of oscillatory growth of bismuth nanoparticles. Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).
- Aliyah, K., et al. Real-time in situ observations reveal a double role for ascorbic acid in the anisotropic growth of silver on gold. The Journal of Physical Chemistry Letters. 11 (8), 2830-2837 (2020).
- Alloyeau, D., et al. Unravelling kinetic and thermodynamic effects on the growth of gold nanoplates by liquid transmission microscopy. Nano Letters. 15 (4), 2574-2581 (2015).
- Gao, W., et al. Direct in situ observation and analysis of the formation of palladium nanocrystals with high-index facets. Nano Letters. 18 (11), 7004-7013 (2018).
- Liao, H. -G., et al. Facet development during platinum nanocube growth. Science. 345, 916-919 (2014).
- Tan, S. F., et al. Real-time imaging of the formation of Au-Ag core-shell nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 138 (16), 5190-5193 (2016).
- Khelfa, A. Selective shortening of gold nanorods: when surface functionalization dictates the reactivity of nanostructures. Nanoscale. 12, 22658-22667 (2020).
- Schneider, N. M., et al. Electron-water interactions and implications for liquid cell electron microscopy. Journal of Physical Chemistry C. 118, 22373-22382 (2014).
- Ahmad, N., Le Bouar, Y., Ricolleau, C., Alloyeau, D. Growth of dendritic nanostructures by liquid-cell transmission electron microscopy: a reflection of the electron-irradiation history. Advanced Structural and Chemical Imaging. 2, 9 (2016).
- Khelfa, A., et al. Structural analysis of single nanoparticles in liquid by low-dose STEM nanodiffraction. Micron. 116, 30-35 (2019).
- Ahmad, N., Wang, G., Nelayah, J., Ricolleau, C., Alloyeau, D. Driving Reversible Redox Reactions at Solid/Liquid Interfaces with the Electron Beam of a Transmission Electron Microscope. Journal of Microscopy. 269, 127-133 (2018).
- Schneider, N. M., Park, J. H., Norton, M. M., Ross, F. M., Bau, H. H. Automated analysis of evolving interfaces during in situ electron microscopy. Advanced Structural and Chemical Imaging. 2, (2016).
- Yao, L., Ou, Z., Luo, B., Xu, C., Chen, Q. Machine learning to reaveal nanoparticle dynamics from liquid-phase TEM videos. ACS Central Science. 6, 1421-1430 (2020).
