Выявление динамических процессов в жидкостях материалов с использованием жидкого сотовых просвечивающей электронной микроскопии

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Мы разработали автономный жидкость клетки, что позволяет изображений через жидкостей с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Динамические процессы наночастиц в жидкостях могут быть выявлены в режиме реального времени с суб-нанометровым разрешением.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Niu, K. Y., Liao, H. G., Zheng, H. Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (70), e50122, doi:10.3791/50122 (2012).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Последнее развития на местах просвечивающей электронной микроскопии, которая позволяет изображений через жидкости с высоким пространственным разрешением, привлекла значительные интересы на исследования области материаловедения, физики, химии и биологии. Ключевой технологией является жидкостью клетки. Мы изготавливаем жидкость клеток с тонкими окна просмотра через последовательный процесс микротехнологий, в том числе мембраны из нитрида кремния осаждением, фотолитографический рисунка, травление пластин, сотовый связи, и т.д. жидкостная ячейка с размерами регулярной сетки TEM может поместиться в любой стандартный держатель образца ТЕА . Около 100 nanoliters реакционный раствор загружают в резервуары и около 30 пиколитра жидкость втягивается в просмотр окон капиллярных сил. Впоследствии, клетка запечатана и загружается в микроскоп на месте изображения. Внутри ТЕМ, пучок электронов проходит через тонкий слой жидкости между двумя мембранами нитрида кремния. Динамические процессыцессов наночастиц в жидкостях, таких как зарождение и рост нанокристаллов, распространение и сборки наночастиц и т.д., были отражаться в реальном времени с суб-нанометровым разрешением. Мы также применили этот метод в других областях исследований, например, изображения белков в воде. Жидкие камере ПЭК готова играть важную роль в выявлении динамических процессов материалов в рабочей среде. Он также может принести большое влияние в исследовании биологических процессов в их родной среде.

Introduction

Изучение химических реакций в жидкостях в режиме реального времени и визуализации биологических материалов в их родной среде были значительные интересы всей области исследований 1-5. В связи с высоким пространственным разрешением просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), работы с изображениями через жидкость с помощью ПЭМ привлекла большое внимание 4,5. Тем не менее, это был большой вызов для изображения жидких образцов с помощью ПЭМ, так как обычный микроскоп работает в среде с высоким вакуумом. Кроме того, жидкие образцы должны быть достаточно тонким, чтобы пучок электронов, чтобы пройти. Уильямсон и др. 6. Сообщили, что изображение электрохимического осаждения меди может быть достигнуто с 5 нм разрешение с помощью электрохимической ячейки жидкость работает в ПЭМ. Де Йонг и др. 1. Удалось изображения биологических образцов через Serveral микрометра толстые воды с помощью сканирования (S) TEM. Низкая контрастность биологических образцов не былоподнят вопрос, поскольку наночастицы золота были использованы в качестве маркеров для визуализации. Толстого образца жидкость была не проблема, так как STEM режим съемки был использован и нанометровым разрешением была достигнута. Мы недавно разработали автономный жидкость клетки, которая позволяет в режиме реального времени изображение TEM коллоидных наночастиц в жидкостях с субнанометровой разрешение 5,7. Эти вновь разработанных жидкость клеток, которые обеспечивают улучшенное разрешение и быстрее TEM изображения (30 кадра в секунду, что не был достигнут высокий изображений STEM разрешение), позволило изучить динамику коллоидных наночастиц в жидкостях. Жидкость клетки помещаются в стандартный держатель ТЕА и могут работать как обычные образцы ТЕА. Небольшим количеством жидкости (около 30 пиколитра) может быть рассмотрено на месте при расширенном химической реакции. Различные изображения и аналитической (т. е. энергии рентгеновской спектроскопии) методы могут быть применены. Поскольку общая толщина окно просмотра (в том числе мембрани слой жидкости) можно управлять до 100 нм или ниже, прямой визуализации биологических образцов (например, белков) в жидкой воде без золотых наночастиц маркеров был также достигнут 8.

В последние два десятилетия произошли значительные достижения по синтезу и применению коллоидных нанокристаллов 9-11. Тем не менее, понимание того, как наночастицы зарождаются, растут и взаимодействуют друг с другом в жидкости во многом эмпирические и в основном основаны на анализе ex-situ 11-13. Наше развитие жидкость в камере ПЭК предоставляет уникальную платформу для изучения динамических процессов наночастиц в жидкостях на месте 5,7,14,15.

Мы изготавливаем автономные ячейки с помощью жидкого ультратонких кремниевых пластинах (100 мкм) с помощью последовательного процесса микротехнологий. Она включает в себя осаждение мембраны из нитрида кремния, фотолитографический рисунка, травление пластины, прокладка осаждения, и клеточныесвязи и т.д. Около 50 nanoliters реакции раствор загружается в резервуар, который составляется в клетку капиллярных сил. Мы заполняем другой резервуар с еще 50 nanoliters жидкости. Впоследствии, клетка запечатана и загружается в микроскоп на месте изображения. Внутри микроскоп, жидкость зажатой между двумя нитрида кремния мембран (всего около 30 пиколитра) могут быть рассмотрены. Когда луч электронов проходит через тонкий слой жидкости, динамических процессов наночастиц в жидкостях можно отслеживать в режиме реального времени. Зарождение и рост наночастиц могут быть вызваны электронного пучка в некоторых случаях 5,7 или реакции могут быть вызваны внешним источником тепла 14,16. Когда электрон повреждения луч из озабоченность, низкий тока электронного пучка (доза) должна быть использована.

Так как жидкость клетки изготавливают из кремния процессов микротехнологий и в больших партиях, изменения в мембране или жидкихТолщина между отдельными клетками жидкость может быть маленький L6. Любой исследователь, который имеет базовую подготовку микротехнологий можно успешно сделать жидкость клетки. Жидкостной обработки и в эксплуатации месте TEM также может быть освоено после практики. Следует отметить, что помимо использования мембраны из нитрида кремния, как смотровые окна, другие материалы, такие как диоксид кремния, кремний или углерод (в том числе графена) может быть использован в качестве мембраны окна, а 17-19. Так как наша жидкость клеток с использованием небольших окон просмотра, т.е. 1 х 50 мкм, не выпуклые мембраны не наблюдается. И, жидкость клетки также надежные в эксплуатации, т.е. менее 1% жидкого клетки разбитые окна во время экспериментов. Кроме того, толщина слоя жидкости можно также гибко настраивается путем изменения толщины осажденного индия прокладки. Во время подготовки проб, запечатанные ячейки жидкость может поддерживать жидкость в течение нескольких дней без утечки. Небольшое количество жидкости можетбыть рассмотрено в течение нескольких часов под пучком электронов, который позволяет изучать расширенную химической реакции в реальном времени.

До сих пор, у нас есть визуализировать множество уникальных динамических процессов наночастиц в жидкостях, например, роста и коалесценции наночастиц Pt 5,15, диффузии наночастиц в жидкостях тонкие 20,21, рост колебания Bi наночастиц 14, и рост Pt 3 Fe наностержни из наночастиц строительные блоки 7 и т.д. Кроме того, мы также применили этот метод в других областях, например, визуализации белков в жидкой воде с 2,7 нм разрешение 8. Таким образом, наш жидкостной камере ПЭК было доказано, чтобы быть очень ценным развития для изучения широкого спектра фундаментальных вопросов в области материаловедения, физики, химии и биологии. Мы считаем, что есть все еще большая комната для будущих технических достижений и применения жидкого TEM и это, безусловно, будет высокой ИТПМКТ по ​​широкому спектру научных исследований.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Микротехнологий жидких клетки

  1. Подготовка кремниевых пластин (р-легированных, 100 мкм в толщину и 4 дюйма в диаметре) и очистить пластин с использованием стандартной ванной пластины процедуры очистки.
  2. Депозит с низким уровнем стресса нитрида кремния тонких пленок (20 нм в толщину) по обе стороны пластины кремния с низким давлением химического осаждения паров (LPCVD) методом. Специально разработанных рецептов используют для осаждения, который позволяет роста богатого кремнием нитрида (SiN х, х <4/3).
  3. Изготовление нижней чип (2,6 × 2,6 мм, 3 мм в диаметре) с окном просмотра (1 × 50 мкм) и верхней чип (2,6 × 2,6 мм, 3 мм в диаметре) с окном просмотра (1 × 50 мкм) и двух резервуаров (0,6 × 1,2 × 0,1 мм), следуя последовательности стандартных процессов изготовления, в том числе фотолитографический рисунка, плазменного травления мембран SiN х (с использованием SF 6 в качестве активного газа), KOH мокрой etchinг подвергаются кремниевых пластин и т.д. Мы используем наиболее распространенный фотолитографического процесса, таких как спина покрытия фоторезиста (позитивный фоторезист со спином скоростью 3000 оборотов в минуту в течение 1 мин, толщина фоторезиста составляет примерно 1 мкм), УФ-облучения под маской Cr жидкой клетки, литографические паттерна использованием проявителя и закрепителя (деионизированная вода) и т.д. Существуют различные выборы фоторезиста для покрытия спина и разработчиков для формирования паттерна. И, соответствующие параметры для процессов, также может меняться. С особенностями модели являются относительно большие (сотни мкм или больше), процесс легко быть достигнуто. Раствор КОН готовят путем растворения гидроксида калия власти в деионизированной воде с гидроксидом калия: вода весовом соотношении 1:2. Раствора КОН поддерживается на уровне 80 ° C в процессе травления. Скорость травления 1 мкм в минуту может быть достигнута. SiN х мембрана является идеальным защитную маску для KOH травления кремния. С etchinг линии используются, индивидуальные чипы, связанные с тонких линий травления пластин после травления KOH. Кусочки чипы могут быть легко отделен от подложки с помощью острых пинцет для последующих процессов. Нет перетасовки процесса не требуется.
  4. Депозит индия прокладку на плоской стороне нижней чип. Во-первых, сделать литографических паттерна чипов после аналогичного процесса в 1,3. Чтобы помочь обращение с чипами, придерживаться отдельных чипов (может быть кусок из нескольких чипов) на тонкий лист стекла с использованием фоторезиста и пусть ему высохнуть на воздухе в течение 5 минут прежде, чем спина покрытия, ультрафиолетовое облучение и т.д. Во-вторых, очистить узорные чипов O 2 плазменной очистки в 50 Вт в течение 1 мин; В-третьих, хранение индия тонкой пленки толщиной 100 нм на чип с помощью испарителя; В-третьих, старт процесса осуществляется для создания индия прокладки.
  5. Бонд нижней и верхней чипы вместе. Мы сначала выравнивания двух нитрида кремния просмотра окна нижнего и верхнего чипов под оптическим microscoPE и применить давление около 0,1 МПа с помощью зажима. Это требует практики, чтобы точно выровнять окна друг на друга. Впоследствии, жидкости клетки, запеченная в вакуумной печи при температуре 120 ° С в течение 1 часа. Наконец, мы собираем клетки и хранить как подготовленные клетки в вакуум-эксикаторе для будущего использования.

Весь процесс изготовления показан на рисунке 1. Мы проводим все процессы производства на Nanofabrication лаборатории Университета Калифорнии, Беркли.

2. Подготовка реакционных растворов

Мы готовим реакция решения для роста Pt 3 Fe наностержней в качестве примера. Платины (II) ацетилацетонат (20 мг / мл) и железа (II) ацетилацетонат (20 мг / мл) растворяют в смеси растворителей пентадекана и олеиламин (7:3 об / об) или смесь пентадекан, олеиламин, и олеиновой кислоты (6:03:01 об / об / об) используется для сравнения surfactanт эффекты.

3. Загрузите реакционных растворов

  1. Около 50 NL реакции раствор загружается в одном из водохранилищ в жидкости клетки с помощью шприца и тефлон нанотрубок (приобретенный у Cole-Parmer, IL). Тогда, другой резервуар заполняется в том же порядке.
  2. Около 30 мкл реакционного раствора всасывается в клетки капиллярных сил и образует слой жидкости (~ 100 нм), зажатый между двумя мембранами из нитрида кремния в окне просмотра.
  3. Жидкость клетки впоследствии запечатан с помощью тонкой крышкой меди (~ 50 мкм ТЕА сетку с одним слотом 0,6 мм диаметр отверстия, который был приобретен у Tedd Пелла, Inc.) Вакуумная смазка была применена на одной стороне крышки и эпоксидной был использован для герметизации края жидкость клетки. Общая толщина конечного клеточной жидкости составляет около 250-300 мкм.

4. Загрузите жидких клеток в TEM

  1. JEOL TEM 3010 работает на 300 кВ и FEI монохроматизированном F20 UT Tecнае работает на 200 кВ используется для визуализации на месте.
  2. Жидкостная ячейка загружается в микроскоп качестве стандартного образца TEM для работы с изображениями.

5. Real Time TEM изображения

  1. Настройте микроскоп идеальным условием высокой разрешающей способностью ТЕА, а плотность тока пучка из 1-8 × 10 5 / м 2 сохраняется в течение изображений в реальном времени.
  2. Для системы PTFE, зарождения и роста наночастиц может быть начато путем литья электронного пучка на слой жидкости.
  3. VirtualDub программное обеспечение в сочетании с программным обеспечением Gatan DigitalMicrograph используется для записи наночастиц динамику.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

С помощью метода жидкостной камере ПЭК, мы визуализировали решение росту Pt 3 Fe наностержни из блоков наночастиц здания. Рисунке 2 показаны последовательные изображения изображающие траекторию роста из Pt 3 Fe наностержней в различных условиях решение. Ложные процесс окрашивания использовании Photoshop был использован для выделения наночастиц.

Когда смесь растворителей пентадекана и олеиламин (7:3 об / об) были использованы три различные стадии роста можно выделить (рис. 2A). Во-первых, многие мелкие наночастицы образуются, когда Pt и Fe прекурсоров уменьшается при облучении электронным пучком. Некоторые из них вырастет на мономер вложений, другие подвергаются слиянию. Во-вторых, короткие цепочки наночастиц формируются через nanopaticle взаимодействия. В-третьих, как сформирован короткие цепочки наночастиц выступают в качестве строительных блоков для образования сравнительно длинные извилистые наночастиц цепей. Когда смесь пентадекан, олеиламин, и олеиновая кислота (6:03:01 об / об / об) были использованы, извилистые цепи образуются наночастицы, а затем выпрямите наночастиц цепи и образуют монокристаллических наностержней в течение короткого периода времени (рис. 2В).

Таким образом, мы показали, формирование единой наностержней кристалла через рост цепи обмотки поликристаллического наночастиц от формы направленных наночастиц вложений следует выпрямление, ориентации и формы корректировки строительных блоков. Статистика и количественной оценки динамики наночастиц из изображений в реальном времени имеют большое значение для понимания и управления иерархического роста наноматериалов и самоорганизации функциональных устройств 7.

Рисунок 1
Рисунок 1.

Рисунок 2
Рисунок 2. Рост Pt 3 Fe наностержней в жидкости клетки при воздействии пучка электронов. (A) последовательных изображений ПЭМ показывает эволюцию от первоначального зарождения и роста в молекулярный раствор предшественника более поздней стадии формирования нанопроволок по форме направленных наночастиц вложений. Смеси растворителей пентадекана и олеиламин (7:3 об / об) был использован. (Б) формирование витой Pt 3 Fe наностержней и последующий процесс выпрямления. (А) последовательное изображение TEM роста коротких Pt 3 Fe наностержней. (Б) последовательные изображения TEM, показывающие рост долгое Pt 3 Fe наностержней. Смеси растворителей пентадекан, олеиламин, и олеиновая кислота (6:03:01 об / об / об) был использован. В обоих (А) и (Б), отображается время, как мин: сек, а в начальный момент времени является произвольным 7.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Все процессы изготовления были сделаны в чистом помещении, где полупроводниковые приборы сделаны.

Перед нанесением индия, O 2 плазменной очистки чипов, необходимых для устранения органических остатков на поверхности. Таким образом, высокое качество Spacer индия может быть достигнут, которые могут улучшить сцепление верхних и нижних чипов и выход утечки свободных ячеек жидкости.

Нитрида кремния смотровые окна с ультратонкой мембраны около 13 нм, является ключевым для достижения высокого пространственного разрешения. При обработке таких клеток жидкость, особого ухода не требуется, чтобы избежать нарушения мембраны в процессе изготовления, а также эксперименты. Например, пинцет с плоской передней рекомендуется. И во время процесса очистки мембраны, низкое энергопотребление и дозы O 2 плазмы могут быть включены (т.е. 30 Walt течение 20-30 сек). С кинетики роста может быть сильно зависят от электронного пучка валютамт плотности, сохранив тот же плотности тока электронного пучка в то время как изображения очень важна. Методом жидкостной камере ПЭК не только позволяет изучать динамику роста нанокристаллов в растворе в режиме реального времени, а также позволяет выявить другими динамическими процессами (например, диффузия наночастиц в жидкостях, жидкие капли динамика и т.д.). Кроме того, он обеспечивает перспективные пути для визуализации биологических процессов в родной среде.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

Чжэн благодарит профессора А. Paul Alivisatos и д-р Ульрих Дамен за полезные обсуждения в ходе раннего развития EM жидкость клетки. Она благодарна поддержке Министерства энергетики Управления науки Программа раннего научной карьеры.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagents
Platinum(II) acetylacetonate Aldrich 523038
Iron(II) acetylacetonate Aldrich 413402
pentadecane Aldrich P3406
oleylamine Aldrich O7805
oleic acid Sigma O4137
Equipment
TEM JEOL JEOL 3010
Monochromated TEM FEI F20 UT Tecnai

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. de Jonge, N., Ross, F. M. Electron microscopy of specimens in liquid. Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).
  2. Sun, Y. G. Watching nanoparticle kinetics in liquid. Mater. Today. 15, 140-147 (2012).
  3. Tao, F., Salmeron, M. In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments. Science. 331, 171-174 (2011).
  4. de Jonge, N., Poirier-Demers, N., Demers, H., Peckys, D. B., Drouin, D. Nanometerresolution electron microscopy through micrometers-thick water layers. Ultramicroscopy. 110, 1114-1119 (2010).
  5. Zheng, H., et al. Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories. Science. 324, 1309-1312 (2009).
  6. 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, 532-536 (2003).
  7. Liao, H. -G., Cui, L., Whitelam, S. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336, 1011-1014 (2012).
  8. Mirsaidov, U. M., Zheng, H., Casana, Y., Matsudaira, P. Imaging Protein Structure in Water at 2.7 nm Resolution by Transmission Electron Microscopy. Biophysical Journal. 102, L15-L17 (2012).
  9. Yin, Y. D., et al. Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale Kirkendall Effect. Science. 304, 711-714 (2004).
  10. Kan, S., Mokari, T., Rothenberg, E., Banin, U. Synthesis and size-dependent properties of zinc-blende semiconductor quantum rods. Nature Materials. 2, 155-158 (1038).
  11. Peng, X. G., et al. Shape control of CdSe nanocrystals. Nature. 404, 59-61 (2000).
  12. Skrabalak, S. E., et al. Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications. Accounts of Chemical Research. 41, 1587-1595 (2008).
  13. Zhang, Q. B., Xie, J. P., Yang, J. H., Lee, J. Y. Monodisperse Icosahedral Ag, Au, and Pd Nanoparticles: Size Control Strategy and Superlattice Formation. Acs Nano. 3, 139-148 (2009).
  14. Xin, H. L., Zheng, H. In Situ Observation of Oscillatory Growth of Bismuth Nanoparticles. Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).
  15. Murray, C. B. Watching Nanocrystals Grow. Science. 324, 1276-1277 (2009).
  16. Xin, H. L., et al. Revealing Correlation of Valence State with Nanoporous Structure in Cobalt Catalyst Nanoparticles by In Situ Environmental TEM. ACS Nano. 6, 4241-4247 (2012).
  17. Daulton, T. L., Little, B. J., Lowe, K., Jones-Meehan, J. In situ environmental celltransmission electron microscopy study of microbial reduction of chromium(VI) using electron energy loss spectroscopy. Microscopy and Microanalysis. 7, 470-485 (2001).
  18. Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria. Nano Letters. 11, 1270-1275 (2011).
  19. Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
  20. Zheng, H., Claridge, S. A., Minor, A. M., Alivisatos, A. P., Dahmen, U. Nanocrystal Diffusion in a Liquid Thin Film Observed by in Situ Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 9, 2460-2465 (2009).
  21. Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics