Revelando los procesos dinámicos de los materiales en líquidos con líquido de transmisión celular Microscopía Electrónica

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Summary

Hemos desarrollado una célula de líquido en sí misma, que permite obtener imágenes a través de líquidos utilizando un microscopio electrónico de transmisión. Los procesos dinámicos de nanopartículas en los líquidos pueden ser revelados en tiempo real con resolución sub-nanométrica.

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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).

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Abstract

El reciente desarrollo de la microscopía electrónica de transmisión in situ, lo que permite obtener imágenes a través de líquidos con alta resolución espacial, ha atraído a importantes intereses en todos los campos de investigación de la ciencia de materiales, la física, la química y la biología. La tecnología clave es una célula líquida. Fabricamos células líquidos con ventanas de visión finas a través de un proceso secuencial de microfabricación, incluyendo la deposición de membrana de nitruro de silicio, patrón fotolitográfico, el grabado de obleas, la unión celular, etc Una célula líquido con las dimensiones de una rejilla TEM regular puede encajar en cualquier soporte TEM estándar de la muestra . Acerca de 100 nanolitros solución de reacción se carga en los reservorios y aproximadamente 30 picolitros líquido se introduce en las ventanillas de visualización por la fuerza capilar. Posteriormente, la célula se sella y se carga en un microscopio para formación de imágenes in situ. Dentro de la TEM, el haz de electrones pasa a través de la capa de líquido delgada intercalada entre dos membranas de nitruro de silicio. Proc dinámicoeses de las nanopartículas en líquidos, tales como la nucleación y el crecimiento de nanocristales, difusión y el ensamblaje de nanopartículas, etc, han sido fotografiadas en tiempo real con resolución sub-nanométrica. También hemos aplicado este método a otras áreas de investigación, por ejemplo, proteínas de imagen en agua. Célula TEM líquido está destinado a desempeñar un papel importante en la revelación de los procesos dinámicos de los materiales en sus entornos de trabajo. También puede someter alto impacto en el estudio de los procesos biológicos en su ambiente nativo.

Introduction

El estudio de las reacciones químicas en líquidos en tiempo real y los materiales de formación de imágenes biológicas en su medio natural han sido de participaciones significativas a través de los campos de investigación 1-5. Debido a la alta resolución espacial de microscopía electrónica de transmisión (TEM), imágenes por medio de líquidos utilizando TEM ha atraído mucha atención de 4,5. Sin embargo, ha sido un gran desafío para las muestras líquidas usando la imagen TEM, ya que el microscopio convencional se utiliza en un entorno de alto vacío. Además, las muestras líquidas tienen que ser lo suficientemente delgada como para permitir que el haz de electrones que pasar. Williamson et al. 6 informó de que la imagen de deposición electroquímica de Cu se puede lograr con una resolución de 5 nm usando una celda electroquímica líquido operado en un TEM. De Jonge et al. 1 fue capaz de muestras de imágenes biológicas a través de agua micrómetro serveral de espesor utilizando un barrido (S) TEM. El bajo contraste de las muestras biológicas no eraplanteado como un problema ya que las nanopartículas de oro fueron utilizados como marcadores para la obtención de imágenes. La muestra de líquido espeso no fue un problema ya que STEM modo de imagen se utilizó y resolución nanométrica se logró. Recientemente, hemos desarrollado una célula de líquido en sí misma, que permite obtener imágenes TEM verdadero tiempo de nanopartículas coloidales en líquidos con resolución subnanometer 5,7. Estas células recién desarrolladas líquidos, que ofrecen una resolución mejorada y más rápida obtención de imágenes de TEM (30 cuadros por segundo que no se ha logrado mediante formación de imágenes de alta resolución STEM), hizo posible para estudiar la dinámica de nanopartículas coloidales en líquidos. Las células líquidos encajan en un soporte TEM estándar y puede ser operado como muestras de TEM regulares. Una pequeña cantidad de líquido (aproximadamente 30 picolitros) puede ser examinada in situ en una reacción química extendida. Varios de formación de imágenes y de análisis (es decir, energía dispersiva de espectroscopia de rayos X) técnicas se pueden aplicar. Dado que el espesor total de la ventana de visualización (incluyendo membranasy la capa de líquido) puede ser controlada a 100 nm o menos, la imagen directa de muestras biológicas (es decir, proteínas) en el agua líquida sin marcadores de nanopartículas de oro también se ha conseguido 8.

En las últimas dos décadas, ha habido logros significativos en la síntesis y aplicaciones de los nanocristales coloidales 9-11. Sin embargo, la comprensión de cómo nucleada nanopartículas, crecer e interactuar unos con otros en líquidos es en gran medida empírico y en su mayoría sobre la base de análisis in situ ex 11-13. El desarrollo de la célula TEM líquido proporciona una plataforma única para estudiar los procesos dinámicos de las nanopartículas en los líquidos in situ 5,7,14,15.

Fabricamos una célula líquido autocontenido el uso de ultra delgadas obleas de silicio (100 m) por un proceso de microfabricación secuencial. Se incluye la deposición de la membrana de nitruro de silicio, patrón fotolitográfico, el grabado de obleas, la deposición de espaciador, y la célulaunión, etc Acerca de 50 nanolitros de la solución de reacción se carga en un depósito, que se introduce en la célula por la fuerza capilar. Llenamos el otro depósito con otros 50 nanolitros de líquido. Posteriormente, la célula se sella y se cargan en el microscopio para la formación de imágenes in situ. En el interior del microscopio, el líquido colocada entre dos membranas de nitruro de silicio (total aproximadamente 30 picolitros) puede ser examinado. Cuando el haz de electrones pasa a través de la capa de líquido delgada, procesos dinámicos de las nanopartículas en los líquidos puede ser monitoreado en tiempo real. La nucleación y el crecimiento de las nanopartículas puede ser inducida por el haz de electrones en algunos casos 5,7 o reacciones puede ser activado por una fuente de calor externa 14,16. Cuando el daño haz de electrones es de una preocupación, baja corriente de haz de electrones (dosis) se debe utilizar.

Puesto que las células líquidos se fabrican de procesos de microfabricación de silicio y en grandes lotes, las variaciones en la membrana o líquidosespesor entre las células individuales de líquidos puede ser l6 smal. Cualquier investigador que tiene entrenamiento básico microfabricación con éxito puede hacer que las células de líquido. La técnica de tratamiento de líquidos e in situ el funcionamiento TEM también se puede dominar después de la práctica. Cabe señalar que, además de utilizar membranas de nitruro de silicio como las ventanillas de visualización, otros materiales tales como dióxido de silicio, silicio o carbono (incluyendo grafeno) se puede utilizar como la ventana de membrana, así 17-19. Dado que nuestras células líquidas utilizando pequeño ventanas de visión, es decir, 1 x 50 micras, no abultamiento de las membranas se ha observado. Y, la célula líquido es también robusto para funcionar, es decir, por debajo de 1% de las células líquidos han roto ventanas durante los experimentos. Además, el espesor de la capa de líquido también puede ser flexible sintonizado cambiando el grosor del separador de indio depositado. Durante la preparación de la muestra, una célula líquida sellada puede mantener líquidos durante varios días sin fugas. La pequeña cantidad de líquido puedeexaminarse durante varias horas bajo el haz de electrones, lo que permite el estudio de una reacción química extendida en tiempo real.

Hasta el momento, hemos visualizado muchos procesos dinámicos únicas de las nanopartículas en los líquidos, por ejemplo, el crecimiento y coalescencia de las nanopartículas de Pt 5,15, la difusión de las nanopartículas en líquidos poco espesos 20,21 crecimiento, fluctuación de las nanopartículas Bi 14, y el crecimiento de Pt 3 nanorods Fe a partir de estructuras de nanopartículas 7, etc Además, también hemos aplicado este método a otras áreas, por ejemplo, las proteínas de imagen en el agua líquida con 2,7 nm de resolución 8. En resumen, nuestra técnica TEM líquido celular se ha demostrado ser un desarrollo muy valiosa para el estudio de una amplia gama de cuestiones fundamentales en la ciencia de materiales, la física, la química y la biología. Creemos que todavía hay espacio grande para las futuras mejoras técnicas y aplicaciones de la TEM líquido y sin duda será un gran impact en un amplio espectro de la investigación científica.

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Protocol

1. Microfabrication de Celdas líquidos

  1. Preparar las obleas de silicio (p-dopado, 100 micras de espesor y 4 pulgadas de diámetro) y limpiar las obleas utilizando un baño de oblea estándar de procedimiento de limpieza.
  2. Depósito de bajo estrés películas delgadas de nitruro de silicio (20 nm de espesor) en ambos lados de las obleas de silicio de baja presión de deposición de vapor químico (LPCVD) método. Una receta de ratón desarrollado se utiliza para el depósito, que permite el crecimiento de nitruro de silicio rica (sen x, x <4/3).
  3. Fabricar el chip inferior (2,6 x 2,6 mm; 3 mm de diámetro) con una ventana de visualización (1 x 50 m) y el chip de la parte superior (2,6 x 2,6 mm; 3 mm de diámetro) con una ventana de visualización (1 x 50 micras) y dos depósitos (0,6 × 1,2 × 0,1 mm), siguiendo una secuencia de procesos de fabricación estándar, incluyendo patrón fotolitográfico, grabado por plasma de la membrana sin x (usando SF 6 como el gas activo), KOH etching de la oblea de silicio al descubierto, etc Usamos el proceso fotolitográfico más común, tal como recubrimiento por centrifugación de una resina fotosensible (fotoprotector positivo con velocidad de centrifugado de 3.000 rpm durante 1 min; el espesor de la resina fotosensible es de aproximadamente 1 m), exposición a rayos UV bajo la máscara de Cr de las células de líquidos, patrones litográfica utilizando revelador y fijador (agua desionizada), etc Hay diferentes opciones de la capa fotoprotectora para recubrimiento por centrifugación y el programador para el patrón. Y, los parámetros correspondientes para los procesos también puede variar. Dado que las características del patrón son relativamente grandes (cientos de micras o más grande), el proceso es fácil de realizar. La solución de KOH se prepara disolviendo hidróxido de potasio de alimentación en agua desionizada con el hidróxido de potasio: relación de peso de agua de 1:2. La solución de KOH se mantiene a 80 ° C durante el grabado. Una velocidad de ataque de 1 m por min se puede lograr. SiN membrana x es una máscara protectora ideal para el grabado KOH de silicio. Desde etching líneas se utilizan, los chips individuales están conectados con líneas finas de oblea grabada después del grabado KOH. Piezas de chips pueden ser fácilmente separada de la oblea utilizando pinzas cortantes para procesos posteriores. Ningún proceso de cortar en cubitos que se necesita.
  4. Depósito de indio espaciador en el lado plano de la parte inferior de chip. En primer lugar, hacer patrones litográfica de los chips siguiendo el proceso similar en 1,3. Para ayudar a la manipulación de los chips, se adhieren chips individuales (puede ser una pieza de varios chips) en una lámina de vidrio delgado con resina fotosensible y dejar secar al aire durante 5 minutos antes, recubrimiento por rotación exposición UV, etc En segundo lugar, limpiar los chips modelados por O 2 de limpieza de plasma a 50 vatios durante 1 min, en tercer lugar, el depósito de película delgada de indio con el grosor de 100 nm en el chip mediante el uso de un evaporador, en tercer lugar, el despegue proceso se lleva a cabo para generar el espaciador de indio.
  5. Bond la parte inferior y superior fichas juntas. En primer lugar alinear dos ventanas de nitruro de silicio de visión de la parte inferior y superior fichas bajo una óptica microscoPE y aplicar una presión de aproximadamente 0,1 MPa mediante el uso de una abrazadera. Se requiere práctica para alinear con precisión las ventanas en la parte superior de uno al otro. Posteriormente, las células líquidos se cuecen en un horno de vacío a 120 ° C durante 1 hr. Por último, se recogen las células y almacenar las células preparadas como en un desecador de vacío para uso futuro.

El proceso de fabricación completo se muestra en la figura 1. Llevamos a cabo todos los procesos de fabricación en el laboratorio de nanofabricación de la Universidad de California, Berkeley.

2. Preparación de soluciones de reacción

Preparamos las soluciones de reacción para el crecimiento nanorods Pt 3 Fe como un ejemplo. Platino (II) acetilacetonato (20 mg / ml) y de hierro (II) acetilacetonato (20 mg / ml) se disolvieron en una mezcla disolvente de pentadecano y oleilamina (7:3 vol / vol) o una mezcla de pentadecano, oleilamina, y ácido oleico (6:3:1 vol / vol / vol) se utiliza para la comparación de surfactancamisetas efectos.

3. Carga de soluciones de reacción

  1. Acerca de 50 nl de solución de reacción se carga en uno de los depósitos de líquido en una celda mediante el uso de una jeringa y nanotubos de teflón (adquiridas de Cole-Parmer, IL). Entonces, el otro depósito se llena de la misma manera.
  2. Acerca de 30 pl de la solución de reacción se introduce en la célula por la fuerza capilar y forma una capa de líquido (~ 100 nm) intercalada entre dos membranas de nitruro de silicio en la ventana de visualización.
  3. La célula líquido es posteriormente sellado con una tapa de cobre delgada (~ 50 micras rejilla TEM con una sola ranura 0,6 mm de diámetro, que se adquirió de Tedd Pella, Inc.). Grasa de vacío se aplicó sobre una cara de la cubierta y epoxi se usó para sellar el borde de la celda de líquido. El espesor total de la célula líquido final es de aproximadamente 250-300 micras.

4. Las células de carga líquida en TEM

  1. Un TEM JEOL 3010 operado a 300 kV y una monocromática de FEI F20 UT Tecnai operado a 200 kV se utilizan para la formación de imágenes in situ.
  2. La célula de líquido se carga en el microscopio como una muestra TEM estándar para formación de imágenes.

5. En tiempo real de imágenes TEM

  1. Sintonizar el microscopio a una condición perfecta de imágenes de alta resolución TEM, y una densidad de corriente de haz de 1-8 x 10 5 A / m 2 se mantiene durante la formación de imágenes en tiempo real.
  2. Para el sistema de PTFE, la nucleación y el crecimiento de las nanopartículas puede ser iniciado por colada el haz de electrones en la capa de líquido.
  3. Software VirtualDub combinado con Gatan DigitalMicrograph software se utiliza para registrar la dinámica de nanopartículas.

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Representative Results

Mediante el uso de método líquido de célula TEM, hemos visualizado el crecimiento de solución de Pt 3 nanorods Fe a partir de estructuras de nanopartículas. Figura 2 muestra imágenes secuenciales que describen la trayectoria de crecimiento de un 3 Pt Fe nanorod en condiciones de solución diferentes. Proceso de coloreado con Photoshop falso se utilizó para destacar las nanopartículas.

Cuando la mezcla de disolvente de pentadecano y oleilamina (7:3 vol / vol) se utilizó, tres etapas distintas de crecimiento se pueden identificar (Figura 2A). En primer lugar, muchas pequeñas nanopartículas se forman cuando los precursores de Pt y Fe se reduce por irradiación con haz de electrones. Algunos de ellos crecen por el apego monómero, mientras que otros sufren coalescencia. En segundo lugar, las cadenas cortas de nanopartículas se forman a través de interacciones nanopaticle. En tercer lugar, las cadenas como nanopartículas formadas cortos actúan como bloques de construcción para formar relativamente larga y sinuosa cadena de nanopartículas. Cuando una mezcla de pentadecano, oleilamina, y ácido oleico (6:3:1 vol / vol / vol) se utilizó, sinuosas cadenas de nanopartículas se forman primero, y después las cadenas de nanopartículas enderezar y formar una sola cristalinas nanorods dentro de un corto período de tiempo (Figura 2B).

En resumen, hemos demostrado la formación de nanorods de cristal único a través del crecimiento de bobinado cadenas policristalinas de nanopartículas de forma dirigida unión de nanopartículas seguido por las correcciones de enderezamiento, orientación y forma de los bloques de construcción. Estadísticas y cuantificación de la dinámica de nanopartículas a partir de la obtención de imágenes en tiempo real, son de gran importancia para la comprensión y el control del crecimiento de los nanomateriales jerárquica y auto-ensamblaje de dispositivos funcionales 7.

Figura 1
Figura 1.

Figura 2
Figura 2. El crecimiento de Pt 3 nanorods Fe en una celda de líquido durante la exposición al haz de electrones. (A) Imágenes TEM secuenciales que muestran la evolución de la nucleación y el crecimiento inicial en la solución de precursor molecular a una etapa posterior de formación de nanocables de forma dirigida unión de nanopartículas. Una mezcla de disolvente de pentadecano y oleilamina (7:3 vol / vol) fue utilizado. (B) Formación de trenzado Pt nanorods 3 Fe y el proceso de enderezamiento posterior. (A) las imágenes secuenciales de TEM de el crecimiento de un corto Pt 3 Fe nanorod. (B) las imágenes secuenciales de TEM que muestra el crecimiento de un largo Pt 3 Fe nanorod. Una mezcla de disolvente de pentadecano, oleilamina, y ácido oleico (6:3:1 vol / vol / vol) fue utilizado. En ambos (A) y (B), el tiempo se muestra como min: sec, y el tiempo inicial es arbitrario 7.

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Discussion

Todos los procesos de fabricación se han hecho en la sala limpia, en donde los dispositivos semiconductores se fabrican.

Antes de la deposición de indio, O 2 limpieza por plasma de los chips es necesario para eliminar el residuo orgánico en la superficie. Por lo tanto, un espaciador de calidad de indio puede ser alta, lo que puede mejorar la unión de los chips superior e inferior y el rendimiento de células fuga de líquido libre.

El nitruro de silicio mirillas con membrana ultrafina de unos 13 nm de espesor es la clave para lograr una alta resolución espacial. El uso de elementos tales líquidos, requiere de cuidados especiales para evitar la ruptura de la membrana durante la fabricación, así como experimentos. Por ejemplo, las pinzas con un frente plano se recomiendan. Y, durante el proceso de limpieza de membrana, de baja potencia y dosis de O 2 plasma puede ser incorporado (es decir, 30 Walt durante 20-30 segundos). Puesto que la cinética de crecimiento puede ser altamente dependiente de la Curren haz de electronesdensidad t, manteniendo la densidad de corriente de haz de electrones misma mientras que las imágenes es importante. El método de la celda TEM líquido no sólo permite el estudio de la dinámica de crecimiento de nanocristales en solución en tiempo real, sino que también permite que revela otros procesos dinámicos (es decir, la difusión de las nanopartículas en los líquidos, la dinámica de líquidos de gotas, etc.) Además, proporciona una vía prometedora para visualizar procesos biológicos en el entorno nativo.

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Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgments

Zheng gracias Prof. A. Paul Alivisatos y el Dr. Ulrich Dahmen útil para los debates durante el desarrollo temprano de la EM células líquidos. Ella está muy agradecida al apoyo de la Oficina de Ciencia del DOE Early Career Research Program.

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

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