Sıvı fazlı elektron mikroskopi deneyleri sırasında sıcaklık kontrolü, nanopartiküllerin oluşumunu veya uygulama ortamlarını taklit eden sıvı ortamlardaki dinamiği incelemenin yeni perspektiflerini açar. Yakın zamanda geliştirilen ısıtma sıvısı hücrelerini kullanarak, sıcaklığın sudaki altın nanopartiküllerin çekirdeklenme ve büyüme süreçleri üzerindeki etkisini doğrudan gözlemledik.
Sıcaklık kontrolü, sıvı hücre iletim elektron mikroskopisi ile nanokimyayı incelemek için ek bir serbestlik derecesi sağlayan yeni bir gelişmedir. Bu yazıda, sıcaklığın suda radyoliz tarafından yönlendirilen altın nanopartiküllerin oluşumu üzerindeki etkisini incelemek için yerinde bir ısıtma deneyinin nasıl hazırlanacağını açıklıyoruz. Deneyin protokolü, 100 °C’ye kadar homojen ısıtma yeteneklerine sahip özel bir sıvı hücre, akış yeteneklerine sahip bir sıvı hücre TEM tutucusu ve sıcaklığı kontrol etmek için entegre bir arayüz içeren oldukça basittir. Altın nanopartiküllerin çekirdeklenme ve büyüme mekanizmalarının sıvı hücredeki sıcaklıktan büyük ölçüde etkilendiğini gösteriyoruz. STEM görüntüleme ve nanodiffaction kullanılarak, büyüyen nanopartiküllerin yoğunluğu, boyutu, şekli ve atomik yapısının evrimi gerçek zamanlı olarak ortaya çikar. Otomatik görüntü işleme algoritmaları, nanopartiküllerin çekirdeklenmesi ve büyüme oranları gibi video dizilerinden yararlı nicel veriler çıkarmak için yararlanır. Bu yaklaşım, nanomalzemelerin sıvı faz sentezi sırasında oyundaki karmaşık fiziko-kimyasal süreçleri anlamak için yeni girdiler sağlar.
Metal nanopartiküller (NP’ler), optik algılama1,tıp2 veya enerji 3 gibi çeşitli alanlarda kullanılabilecek umut verici fiziko-kimyasalözellikleresahiptir. Islak-kimyasal sentez, iyi tanımlanmış boyut ve şekle sahip metal NP’leri imal etmek için çok yönlü bir yöntemdir. Son on yılda, NP sentezi üzerinde kontrol sağlamak için birçok strateji geliştirilmiştir: tohum aracılı büyüme4, yüz engelleme yöntemi5, kinetik kontrollü sentez6, seçici gravür7 veya sıcaklık kontrollü sentez8. Bununla birlikte, sentezi yönlendiren kimyasal reaksiyonlar oldukça basit olsa da, çekirdeklenme ve büyüme mekanizmaları değildir, çünkü birçok parametre oluşum süreçlerinde rol oynar ve bireysel etkilerinin sentezin belirli zaman noktalarında oluşum ortamlarından çıkarılan ortaya çıkan nanomalzemelerin ex situ anlık görüntülerinden alınması zordur. Çekirdeklenme ve büyüme süreçlerini gerçekten anlamak ve onları kontrol etmenin yollarını belirlemek için, ince kontrollü sıvı ortamda gerçek zamanlı gözlemlerine izin veren yerinde araçlar kullanmalıyız.
Bu bağlamda, Sıvı Hücreli İletim Elektron Mikroskopisi (LCTEM), metalik nanopartiküllerin sentezine yeni bir ışık yakmak için çok güçlü bir yöntem olmuştur9,10,11,12,13. Bireysel nanoyapıların dinamiklerini doğrudan sıvı oluşum ortamlarında görüntülenerek, bu teknik çekirdeklenme ve büyüme mekanizmalarının daha derin bir şekilde anlaşılmasını sağlamıştır, özellikle kristal kusurlarının, tohum morfolojisinin ve organik ligandların rolü, yönsel büyüme veya gravür işlemlerinin yönlendirildirmesine ve belirli şekillere sahip nanomalzemeler elde (nanorodlar, nanostarlar, nano plakalar, nano kabuklar)10,11,12,13,14,15,16,17, 18,19. Bir TEM’in elektron ışını sıvılarla etkileşime girdiğinde, radyoliz prosesleri ışınlanmış alandaki çözelti kimyasını değiştiren ve büyüme veya gravür işlemlerini yönlendirmek için kullanılabilen güçlü azaltma ve oksitleyici türler üretir. İlginçtir ki, radyolitik ürünlerin konsantrasyonunun elektron mikroskopunda ince ayarlanabilen bir parametre olan elektron doz oranı ile arttığı bilinmektedir20. Bu nedenle, radyolizin bu doz oranı bağımlılığı reaksiyon hızını kontrol etmek ve nanoyapıların oluşum süreçleri ve son morfolojisi üzerindeki kinetik etkileri ortaya çıkarmak için11,15,20.
Sıcaklık nanomalzeme sentezinde çok önemli bir parametre olmasına rağmen, etkileri şimdiye kadar LCTEM tarafından dikkatlice araştırılmış değildir, çünkü güvenilir sıcaklık kontrolüne sahip ticari sıvı hücreleri sadece yakın zamanda geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bu tür yerinde çalışmalar, sıcaklık değişimlerinin neden olduğu karmaşık kinetiği ve termodinamik etkileri çözmek için vazgeçilmezdir. Gerçekten de, bir yandan sıcaklığın artması, büyüme sırasındaki yönlü süreçler üzerinde büyük etkilere sahiptir, sıvıdaki atomik ve moleküler difüzyonu hızlandırır ve reaksiyon oranlarını değiştirir. Öte yandan, nanoyapıların nano faz diyagramı da sıcaklığa karşı çok hassastır. Bu yazıda, oda sıcaklığı ile 100 °C arasında bir sıcaklık kontrolü ile sudaki altın nanopartiküllerin radyolitik büyümesini takip etmek için yakın zamanda geliştirilen ısıtma sıvısı hücrelerinden yararlanıyoruz. STEM görüntüleme ve kırınımını gerçek sentez koşullarına giderek daha da yakın hale gelen bir ortamda birleştiren bu metodoloji, yerinde TEM gözlemleri ile tezgah ölçeğindeki sentezler arasındaki boşluğu azaltır.
Açıklanan protokol, radyoliz tarafından tahrik edilen altın nanopartiküllerin sıcaklık kontrollü bir sıvı ortamda çekirdeklenmesi ve büyümesini sağlar. Otomatik video işleme ile birlikte, sıcaklığın nanopartiküllerin yoğunluğu, boyutu, şekli ve atomik yapısı gibi nanopartikül sentezinin temel parametreleri üzerindeki etkisini ölçmeye izin verir. Bu değerli girdiler, sıcaklığın çekirdeklenme ve büyüme oranları üzerindeki etkisinin değerlendirilmesine, olası faz geçişlerinin tespit edilmesine ve kolloidal çözümlerin nihai sonucunu belirleyen yönlü süreçlerin görselleştirilmesine olanak sağlar. Reaktif ortamın bileşimini kontrol etme imkanı ile birlikte, sıcaklık kontrollü sıvı hücre TEM, çeşitli nanoyapıların çekirdeklenme ve büyüme süreçlerinin gerçekçi sentez koşullarında doğrudan gözlemlenmesine yönelik bir başka adımdır. Bu makalede sunulan sonuçların yorumlanması ve çekirdeklenme ve büyüme modelleri ile karşılaştırılması başka bir yerde tartışılacaktır. Burada, ilgili yerinde TEM deneylerini yapmak için dikkat edilmesi gereken birkaç metodolojik yönü vurgulamak istiyoruz.
Her şeyden önce, reaksiyon medyasındaki elektron ışını etkilerini tanımlamak çok önemlidir, çünkü deneyin sonuçlarını büyük ölçüde etkileyebilirler. Burada, su radyolizi nanopartikül oluşumunun itici gücü olduğundan, nano nesnelerin son şeklini etkileyecek elektron doz oranı ile büyüme hızı hızla artar11,15. Bu nedenle, sıcaklığın nanopartiküllerin çekirdeği ve büyümesi üzerindeki etkilerini incelemek için, aynı elektron doz oranı ile elde edilen büyüme deneylerini karşılaştırmak gerekir. STEM modunda, elektron doz oranı görüntü boyutuna bölünen ışın akımına (saniyede elektron olarak) karşılık gelir (nm2’de). Bu nedenle, sabit bir elektron doz oranı, her deney için aynı ışın akımını (yani aynı kondenser diyaframı ve aynı nokta boyutunu) ve aynı büyütmeyi korumayı ima eder. Bir CCD kamera veya Faraday kabı kullanarak görüntüleme koşullarının ışın akımını ölçmek, verileri yorumlamak ve çoğaltmak için önemlidir. Büyütme ve elde edilen doz oranı, büyüme kinetiği üzerinde istatistiksel olarak ilgili sonuçlar çıkarmak için büyük bir nanopartikül montajının büyümesini görselleştirmek isteyip istemediğine göre seçilmelidir (Şekil 5) veya nanopartikül yüzeylerindeki tercihli adsorpsiyon bölgelerini tanımlamak için tek nanopartikül ölçeğindeki büyüme mekanizmaları (Şekil 10). Çekirdeklenme ve büyüme süreçleri çok hızlıysa, özellikle yüksek büyütmede, doz oranını en aza indirmek için küçük kondenser diyaframı ve küçük nokta boyutu seçilmelidir. Nanopartiküllerin çekirdeklenmesi ve büyümesi, analiz edilen çözeltideki metal öncüsü konsantrasyonunu azaltarak da yavaşlayabilir, ancak radyolitik ürünlerin konsantrasyonunun sıcaklıkla birlikte artacağına dikkat edin. Genel olarak, tüm numunenin elektron ışınlama geçmişini de dikkate almak önemlidir. Burada, örneğin, birbirine yakın bölgelerde birkaç büyüme deneyi hızla yapılırsa, çalışılan alandaki altın öncüllerin konsantrasyonu azaldığı için nanopartiküllerin yoğunluğu zamanla azalacaktır. Bu etki, hem uzay ve zamandaki büyüme deneylerini ayırarak hem de sıvı tutucu akış modunda kullanılarak en aza indirilebilir.
Arayüz izleme algoritmaları, videoların analizini otomatikleştirmek ve büyük nanopartikül montajlarının çekirdeklenmesi ve büyümesi hakkında nicel sonuçlar çıkarmak için son derece yararlıdır. Bununla birlikte, görüntü binarizasyon adımının her zaman veriye özgü olduğunu belirtmek gerekir, yani nanopartikül / sıvı arayüzünün algılanmasını optimize etmek için görüntülere uygulanması gereken filtreler ve veri işleme bir denemeden diğerine değişecektir. Ayrıca, görüntü işleme iş akışını optimize etmek ve sınırlamalarını bilmek için bu otomatik analizlerin sonuçlarını birkaç görüntüde gerçekleştirilen manuel ölçümlerle karşılaştırmak önemlidir. Burada, örneğin, yüksek sıcaklıkta oluşan giderek daha kalın hale gelen 3D nanopartiküllerdeki birden fazla saçılma olayı, 30 saniyelik gözlemden sonra çekirdeklerinin kontrast tersine çevrilmesine neden olur, çünkü dağınık elektronların açısal genişlemesi, toplanan sinyalin açısal aralığında bir azalmaya neden olur. Bu nanopartiküllerin gerçek yüzey alanını ölçmeye devam etmek için, halka şekli kontrastlarının iç dairesini dolduran görüntünün binarizasyonu sonrasında bir “dolgu delikleri” veri işlemi kullandık (Şekil 7F,G). Ancak, bu halka şekli kontrastlarının her zaman tamamen bağlı olduğundan emin olmak için nesnelerin küçük bir genişlemesini kullanmak zorunda kaldık. Bu ikinci adım, otomatik ölçümlerde nanopartiküllerin ortalama yüzey alanının hafifçe aşırı değerlenmesine yol açar (Şekil 9). Benzer şekilde, nanopartiküllerin tespiti için, gürültüyü algılamamak için tespit edilen nesnelerin (Smim)minimum boyutunu tanımlamamız gerekir, ancak bu parametre ölçülen çekirdeklenme oranını etkiler. Şekil 8’degörüldüğü gibi, tespit edilen nanopartiküllerin sayısı bir platoya ulaşmak için deneyin başında artar. Smin büyük olduğunda (50 piksel2 1543 nm2’yekarşılık gelen), otomatik ve manuel ölçümler bu platonun seviyesi üzerinde anlaştı (60 saniye sonra 835 nanopartikül) ancak nanopartiküllerin tespiti otomatik analizde gecikir, çünkü 835 nanopartikül sadece 12 s’den sonra manuel olarak sayılır, ancak daha sonra otomatik olarak algılanmaz. Bu uzun algılama süresi çekirdeklenme oranının düşük değerlenmesine yol açar. Smin’i 20 piksel2’ye (yani 617 nm2)’yedüşürmek nanopartikül montajının çekirdeklenme süresindeki hatayı azaltır, ancak özellikle deneylerin erken aşamasında nanopartikül yoğunluğunun aşırı değerlenmesine yol açar (Şekil 8) bu da çekirdeklenme oranını etkiler. Çok dinamik bir davranışa ve düşük sinyal-gürültü oranına sahip nano nesnelerin tespiti ve boyut ve şekil ölçümleri, sıvı fazLı TEM’de diğer segmentasyon ve denoising yöntemleri24 veya makine öğrenimi yaklaşımları25kullanılarak daha da geliştirilebilen yaygın bir zorluktur.
Son olarak, reaksiyon ortamlarının kirlenmesini önlemek için sıvı hücrenin hazırlanması ve sıvı tutucunun temizlenmesi çok dikkatli bir şekilde yapılmalıdır.
Genel olarak, LCTEM analizleri sırasında numunenin sıcaklığını kontrol etmek, katı maddeler ve sıvılar arasındaki arayüzde meydana gelen kimyasal reaksiyonlar üzerindeki termal etkileri araştırma fırsatı sağlar. Bu nedenle, mevcut yöntemin, sıcaklık kontrollü sıvı ortamda sert, yumuşak veya biyolojik malzemelerin dinamiklerini ortaya çıkarmak için tasarlanmış diğer yerinde TEM deneylerine yol açmasını umuyoruz.
The authors have nothing to disclose.
Bölge ile-de-France’ın (Paris Üniversitesi’nde kurulan JEOL ARM 200 F elektron mikroskobu için SUSAM E1845 konvansiyonu), Labex SEAM (GLOIRE Projesi) ve CNRS’nin (Defi Nano Programı) finansal desteğini minnetle kabul ediyoruz. Madeline Dukes ve Daniel Franck’a 1 ve 2.
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 |