Revelando processos dinâmicos de Materiais em Líquidos Usando líquido celular Microscopia Eletrônica de Transmissão

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Summary

Nós desenvolvemos uma célula independente de líquido, o que permite imagens através de líquidos, usando um microscópio electrónico de transmissão. Processos dinâmicos de nanopartículas em líquidos pode ser revelado em tempo real com sub-nanômetros resolução.

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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

O recente desenvolvimento na microscopia eletrônica de transmissão situ, que permite imagens através de líquidos com alta resolução espacial, tem atraído interesses significativos nos campos de pesquisa da ciência de materiais, física, química e biologia. A tecnologia-chave é uma célula de líquido. Nós fabricar células líquidos com janelas de visualização finas através de um processo sequencial de microfabricação, incluindo a deposição de silício membrana de nitreto, padronização fotolitográfica, gravura wafer, ligação de células, etc Uma célula de líquido com as dimensões de uma grelha TEM regular pode encaixar em qualquer suporte padrão TEM amostra . Cerca de 100 nanolitros solução de reacção é carregado dentro do reservatório de líquido e cerca de 30 picolitros é atraído para as janelas de visualização por força de capilaridade. Subsequentemente, a célula é selado e carregado em um microscópio para a imagiologia in situ. Dentro do TEM, o feixe de electrões passa através da camada de líquido fino ensanduichado entre duas membranas de nitreto de silício. Proc dinâmicacessos de nanopartículas em líquidos, tais como a nucleação e crescimento de nanocristais de difusão, e montagem de nanopartículas, etc, têm sido fotografados em tempo real com os sub-nanométrica resolução. Também este método aplicado para outras áreas de pesquisa, por exemplo, proteínas de imagem, em água. TEM célula de líquido está pronta para desempenhar um papel importante na revelação de processos dinâmicos de materiais em seus ambientes de trabalho. Também pode trazer alto impacto no estudo de processos biológicos no seu ambiente nativo.

Introduction

O estudo de reações químicas em líquidos em tempo real e materiais de imagem biológicos em seu ambiente nativo ter sido de interesses significativas entre os campos de pesquisa 1-5. Devido à alta resolução espacial de microscopia eletrônica de transmissão (MET), de imagem através de líquidos usando TEM atraiu muita atenção 4,5. No entanto, tem sido um grande desafio para amostras líquidas de imagem utilizando TEM, uma vez que o microscópio convencional é operada em um ambiente de alto vácuo. Além disso, as amostras de líquido têm de ser suficientemente fina para permitir que o feixe de electrões que passar. Williamson et al. 6 relataram que a imagiologia de deposição electroquimica de Cu pode ser conseguida com resolução de 5 nm, utilizando uma célula electroquímica de líquido operado em MET. De Jonge et al. 1 era capaz de amostras biológicas por meio de imagem serveral água micrómetros de espessura utilizando um varrimento TEM (S). O baixo contraste das amostras biológicas não eralevantada como um problema desde que as nanopartículas de ouro foram usados ​​como marcadores para geração de imagens. A amostra de líquido espesso não foi um problema desde STEM modo de imagem foi usada e resolução nanométrica foi alcançado. Recentemente, desenvolveu uma célula independente de líquido, o que permite imagens em tempo real de TEM de nanopartículas coloidais em líquidos com resolução subnanometer 5,7. Estas células recentemente desenvolvidos líquidos, que oferecem melhor resolução de imagem e mais rápido TEM (30 quadros por segundo, que não foi alcançado pela imagem de alta resolução STEM), permitiu o estudo da dinâmica de nanopartículas coloidais em líquidos. As células de líquido encaixa num suporte de TEM padrão e pode ser operado como amostras de MET regulares. Uma pequena quantidade de líquido (cerca de 30 picolitros) pode ser examinada in situ sob uma reacção química estendida. Vários de imagem e analítica (isto é, energia dispersiva de raios-X espectroscopia) técnicas podem ser aplicadas. Uma vez que a espessura total da janela de visualização (incluindo membranase a camada de líquido) pode ser controlada a 100 nm ou inferior, de imagem directa de amostras biológicas (proteínas, por exemplo) em água líquida sem marcadores de nanopartículas de ouro também tem sido conseguida 8.

Nas duas últimas décadas, tem havido avanços significativos nas sínteses e aplicações de nanocristais coloidais 9-11. No entanto, a compreensão de como os núcleos nanopartículas, crescer e interagir uns com os outros em líquidos é largamente empírica e, principalmente, com base em análises ex situ 11-13. Nosso desenvolvimento de célula TEM líquido oferece uma plataforma única para estudar os processos dinâmicos de nanopartículas em líquidos em 5,7,14,15 situ.

Nós fabricar uma célula de líquido auto-suficiente utilizando ultra-finas bolachas de silício (100 um), por um processo sequencial de microfabricação. Ele inclui a deposição de silício membrana de nitreto, padronização fotolitográfica, gravura wafer, deposição espaçador, e célulacolagem, etc Cerca de 50 nanolitros de a solução de reacção é carregado dentro de um reservatório, o qual é puxado para dentro da célula por força de capilaridade. Enchemos o outro reservatório com outras 50 nanolitros de líquido. Subsequentemente, a célula é selado e carregado para o microscópio para a imagiologia in situ. No interior do microscópio, o líquido entre duas membranas de nitreto de silício (total de cerca de 30 picolitros) podem ser examinadas. Quando o feixe de elétrons passa através da camada de líquido fino, processos dinâmicos de nanopartículas em líquidos pode ser monitorado em tempo real. A nucleação e crescimento de nanopartículas pode ser induzida pelo feixe de electrões, em alguns casos 5,7 ou reacções pode ser desencadeada por uma fonte de aquecimento externa 14,16. Quando o dano por feixe de electrões é uma preocupação, a corrente de feixe de electrões baixa (dose) deve ser usado.

Uma vez que as células de líquido são fabricadas a partir de processos de microfabricação de silício e em grandes lotes, variações na membrana ou líquidosespessura entre as células individuais podem ser líquidos l6 smal. Qualquer pesquisador que tem formação básica pode microfabricação fazer com sucesso células líquidos. A técnica de manuseamento de líquidos e in situ TEM operação pode também ser dominado depois do treino. É de notar que além de utilizar membranas de nitreto de silício como as janelas de visualização, outros materiais tais como dióxido de silício, silício ou de carbono (incluindo o grafeno) pode ser usado como a janela de membrana, bem 17-19. Uma vez que as nossas células líquidos utilizando pequenas janelas de visualização, isto é, 1 x 50 mm, sem abaulamento das membranas tem sido observada. E, a célula de líquido também é robusto para operar, ou seja, abaixo de 1% das células de líquido ter quebrado janelas durante os experimentos. Além disso, a espessura da camada de líquido pode também ser ajustado de forma flexível, alterando a espessura do espaçador de índio depositado. Durante a preparação da amostra, uma célula de líquido fechado possa manter líquidos durante vários dias, sem fugas. A pequena quantidade de líquido podeser examinada por várias horas sob o feixe de electrões, o que permite o estudo de uma reacção química estendida, em tempo real.

Até agora, temos visualizadas exclusivos processos dinâmicos de nanopartículas em líquidos, por exemplo, o crescimento e coalescência das nanopartículas de Pt 5,15, a difusão de nanopartículas em líquidos finos 20,21, flutuação crescimento de nanopartículas Bi 14, e crescimento de Pt 3 nanorods Fé a partir de blocos de construção de nanopartículas 7, etc Além disso, temos também aplicou este método para outras áreas, por exemplo, as proteínas de imagem em água líquida, com 2,7 nm de resolução 8. Em resumo, a nossa técnica TEM líquido celular foi provado ser um desenvolvimento muito importante para o estudo de uma ampla gama de questões fundamentais em ciência de materiais, física, química e biologia. Acreditamos que ainda há grande espaço para futuros avanços técnicos e aplicações da TEM líquido e certamente será um impa altact em um amplo espectro de pesquisa científica.

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Protocol

1. A microfabricação de Células líquidos

  1. Preparar pastilhas de silício (p-dopado, 100 um de espessura e de 4 polegadas de diâmetro), e limpar as placas, utilizando um banho de bolacha padrão procedimento de limpeza.
  2. Depósito de baixa tensão filmes de nitreto de silício finos (20 nm de espessura) sobre ambos os lados das bolachas de silício por baixa pressão de vapor método de deposição química (LPCVD). A receita personalizada desenvolvida é usada para a deposição, o qual permite o crescimento de nitreto de silício-rico (SiN x, x <4/3).
  3. Fabricar o chip inferior (2,6 × 2,6 milímetros, 3 mm de diâmetro) com uma janela de visualização (1 x 50 mm), e o chip de topo (2,6 × 2,6 milímetros, 3 mm de diâmetro) com uma janela de visualização (1 x 50 mm) e dois reservatórios (0,6 × 1,2 × 0,1 mm) seguindo uma sequência de processos de fabrico padrão, incluindo padrões de fotolitografia, erosão por plasma da membrana SiN x (SF 6 usando como gás activo), KOH molhado etching da bolacha de silício exposta, etc Usamos o processo mais comum de fotolitografia, tais como revestimento por rotação de um foto-resistente (fotorresiste positivo com uma velocidade de rotação de 3000 rpm durante 1 min, a espessura do material fotosensitivo é de aproximadamente 1 um), exposição UV sob a máscara Cr de células líquidos, utilizando padrões litográficos revelador e fixador (água deionizada), etc Existem diferentes opções de revestimento para o fotorresiste spin e desenvolvedor para padronização. E, os parâmetros correspondentes para os processos podem também variar. Uma vez que as características do padrão são relativamente grandes (centenas de igual ou maior), o processo é fácil de ser realizado. A solução de KOH é preparada por dissolução de hidróxido de potássio a poder-se em água desionizada com o hidróxido de potássio: razão de peso de água de 1:2. A solução de KOH é mantida a 80 ° C durante a gravação. Uma velocidade de gravação 1 um por minuto pode ser conseguido. SiN membrana x é uma máscara de proteção ideal para KOH corrosão de silício. Desde etchinlinhas de g são usados, os chips individuais são ligados por linhas finas do wafer gravado após o condicionamento KOH. Pedaços de batatas fritas pode ser facilmente separada da bolacha usando pinças cortantes para os processos subsequentes. Nenhum processo de cortar é necessário.
  4. Depósito espaçador de índio sobre a superfície plana do chip de fundo. Em primeiro lugar, fazer padrões litográficos dos chips, seguindo o processo semelhante no ponto 1.3. Para auxiliar manuseio das fichas, fichas individuais (furar pode ser um pedaço de várias fichas) sobre uma folha de vidro fina, utilizando fotorresistência e deixá-la secar ao ar durante 5 minutos antes da exposição spin coating, UV, etc Em segundo lugar, limpar os chips padronizados pela O 2 no plasma de limpeza a 50 Watts, durante 1 min, em terceiro lugar, o depósito de filme fino de índio com a espessura de 100 nm sobre o chip por meio de um evaporador, em terceiro lugar, o processo de levantamento é levada a cabo para gerar o espaçador de índio.
  5. Fundo o vínculo e chips de topo juntos. Nós primeiro alinhar duas janelas de nitreto de silício de visualização do fundo e fichas de topo sob um microscopia ópticape e aplicar uma pressão de cerca de 0,1 MPa, usando um grampo. Ela exige prática, a fim de alinhar precisamente as janelas em cima uns dos outros. Subsequentemente, as células de líquidos são cozidos num forno a vácuo a 120 ° C durante 1 h. Por fim, recolher as células e armazenam as células como preparados num exsicador de vácuo para o uso futuro.

O processo de fabricação do conjunto é mostrada na Figura 1. Realizamos todos os processos de fabricação do Laboratório de Nanofabricação da Universidade da Califórnia, em Berkeley.

2. Preparação de Soluções de Reacção

Nós preparamos as soluções de reação para o crescimento Pt 3 nanorods Fé como um exemplo. De platina (II), acetilacetonato (20 mg / ml) e de ferro (II), acetilacetonato (20 mg / ml) foram dissolvidos numa mistura de solventes de pentadecano e oleilamina (7:3 vol / vol) ou uma mistura de pentadecano, oleilamina, e ácido oleico (6:3:1 vol / vol / vol) é utilizado para a comparação de surfactanefeitos t.

3. Carregar soluções reaccionais

  1. Cerca de 50 nl de solução de reacção é carregada em um dos reservatórios de líquido de uma célula por meio de uma seringa e nanotubos de Teflon (adquiridos a Cole-Parmer, IL). Em seguida, o outro reservatório está cheio da mesma maneira.
  2. Cerca de 30 pi de solução de reacção é aspirada para dentro da célula por força capilar e forma uma camada de líquido (~ 100 nm) colocado entre duas membranas de nitreto de silício, na janela de visualização.
  3. A célula de líquido é subsequentemente selado com uma tampa de cobre fina (~ 50 ^ M com grelha TEM única fenda do furo de diâmetro 0,6 mm, que foi adquirido da Tedd Pella, Inc.). Graxa de vácuo foi aplicado num dos lados da tampa e epóxi foi usado para selar a borda da célula de líquido. A espessura total da pilha de líquido final é cerca de 250-300 um.

4. Carregar líquido Células em TEM

  1. Um MET JEOL 3010 operado a 300 kV e uma FEI monochromated F20 UT Tecnai operado a 200 kV são utilizados para a imagiologia in situ.
  2. A célula de líquido é carregado no microscópio como uma amostra TEM padrão para criação de imagens.

5. Real Time TEM Imagem

  1. Afinar o microscópio para uma condição de alto resolução de imagem perfeita TEM, e uma densidade de corrente de feixe de 1-8 x 10 5 A / m 2 é mantida durante a criação de imagens em tempo real.
  2. Para o sistema de PTFE, a nucleação e crescimento das nanopartículas podem ser iniciadas por vazamento do feixe de electrões na camada de líquido.
  3. Software VirtualDub combinado com Gatan software DigitalMicrograph é utilizado para registar a dinâmica de nanopartículas.

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Representative Results

Usando o método TEM líquido celular, temos visualizado o crescimento solução de Pt 3 nanorods Fé a partir de blocos de construção de nanopartículas. Figura 2 mostra imagens sequenciais que descrevem a trajetória de crescimento de 3 Pt Fe nanorod em condições de solução diferentes. Processo de coloração falsa usando o Photoshop foi empregado para destacar as nanopartículas.

Quando a mistura solvente de pentadecano e oleilamina (7:3 vol / vol) foi utilizado, três fases distintas de crescimento podem ser identificados (Figura 2A). Em primeiro lugar, muitas pequenas nanopartículas são formadas quando os precursores de Pt e de Fe são reduzidos por irradiação com feixe de electrões. Alguns deles crescem pelo apego monômero, outros sofrem coalescência. Em segundo lugar, as cadeias curtas de nanopartículas são formadas através de interacções nanopaticle. Em terceiro lugar, as as-formadas cadeias curtas nanopartículas funcionam como blocos de construção para formar relativamente longa e sinuosa cadeias de nanopartículas. Quando uma mistura de pentadecano, oleilamina, e ácido oleico (6:3:1 vol / vol / vol) foi utilizado, as cadeias de nanopartículas de enrolamento são formadas em primeiro lugar, e, em seguida, as cadeias de nanopartículas endireitar e formar um único nanorods cristalinas dentro de um curto período de tempo (Figura 2B).

Em resumo, demonstrámos a formação de cristal único nanorods através do crescimento de enrolamento cadeias de nanopartículas policristalinos de forma dirigida anexo nanopartícula seguido pelas correcções de orientação para o alinhamento, e da forma de os blocos de construção. Estatísticas e quantificação da dinâmica de nanopartículas da imagem em tempo real são de grande importância para a compreensão e controle do crescimento nanomateriais hierárquica e auto-montagem de dispositivos funcionais 7.

Figura 1
Figura 1.

Figura 2
Figura 2. O crescimento de Pt 3 nanorods Fe numa célula de líquido durante a exposição ao feixe de electrões. (A) as imagens de TEM sequenciais que mostram a evolução da nucleação e crescimento inicial na solução de precursor molecular para uma fase posterior de formação de nanofios de forma dirigida fixação de nanopartículas. Uma mistura de solvente e oleilamina pentadecano (7:3 vol / vol) foi utilizado. (B) Formação de torcida Pd 3 Fe nanorods e o processo de alisamento subsequente. (A) as imagens de TEM sequenciais de crescimento de um curto Pd 3 Fe nanorod. (B) as imagens de TEM sequenciais mostrando o crescimento de uma longa Pd 3 Fe nanorod. A mistura de solvente de pentadecano, oleilamina, e ácido oleico (6:3:1 vol / vol / vol) foi utilizado. Em ambos (A) e (B), a hora é apresentada como min: seg, e o tempo inicial é arbitrária 7.

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Discussion

Todos os processos de fabricação ter sido feito na sala limpa, onde os dispositivos semicondutores são feitas.

Antes da deposição de índio, O 2 a limpeza das fichas de plasma é necessária para eliminar o resíduo orgânico sobre a superfície. Assim, um espaçador de índio de alta qualidade pode ser alcançado, o que pode melhorar a ligação das fichas de topo e de fundo e a produção de células livres de fugas de líquidos.

O nitreto de silício visualização com janelas de membrana ultrafina de cerca de 13 nm de espessura é a chave para obter uma elevada resolução espacial. Ao manusear líquidos tais células, são necessários cuidados especiais para evitar a quebra da membrana durante a fabricação, bem como experiências. Por exemplo, uma pinça com uma frente plana são recomendados. E, durante o processo de alimentação da membrana de limpeza, de baixa e dose de plasma de O 2 pode ser incorporado (por exemplo, 30 Walt para 20-30 segundos). Como a cinética de crescimento podem ser altamente dependentes do feixe de electrões currenDensidade t, mantendo a densidade do feixe de electrões de corrente mesmo enquanto imagem é importante. O método TEM líquido celular não só permite o estudo da dinâmica de crescimento de nanocristais em solução, em tempo real, mas também permite revelar outros processos dinâmicos (isto é, a difusão de nanopartículas em líquidos, a dinâmica de gotículas de líquido, etc.) Além disso, ele proporciona uma via promissora para visualizar processos biológicos no ambiente nativo.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Zheng graças Prof A. Paulo Alivisatos e Dr. Ulrich Dahmen para discussões úteis durante o desenvolvimento precoce de células EM líquidos. Ela é grata ao apoio do DOE Office of Science Programa Early Career Research.

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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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).

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