Rivelare processi dinamici dei materiali in liquidi con liquido di trasmissione microscopia elettronica cellulare

Engineering

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Summary

Abbiamo sviluppato un self-contained cella liquido, che permette l'imaging mediante liquidi usando un microscopio elettronico a trasmissione. Processi dinamici di nanoparticelle nei liquidi può essere rivelato in tempo reale con risoluzione sub-nanometrica.

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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

Lo sviluppo recente in situ microscopia elettronica a trasmissione, che permette l'imaging attraverso liquidi con alta risoluzione spaziale, ha attirato interessi significativi attraverso i campi di ricerca della scienza dei materiali, fisica, chimica e biologia. La tecnologia chiave è una cella liquido. Noi fabbricare cellule liquidi con finestre di visualizzazione sottili attraverso un processo sequenziale di microfabbricazione, comprese membrane deposizione di nitruro di silicio, patterning fotolitografia, etching wafer, bonding cellulare, ecc Una cella liquido con le dimensioni di una griglia regolare TEM può adattarsi a qualsiasi supporto standard del campione TEM . Circa 100 reazione nanolitri soluzione viene caricato nei serbatoi e circa il 30 picolitri liquido viene aspirata le finestre ottiche con la forza capillare. Successivamente, la cellula è sigillato e caricato in un microscopio per l'imaging in situ. All'interno del TEM, il fascio di elettroni passa attraverso lo strato liquido sottile sandwich tra due membrane di nitruro di silicio. Proc dinamicacessi di nanoparticelle in liquidi, quali nucleazione e crescita dei nanocristalli, diffusione e assemblaggio di nanoparticelle, ecc, sono stati ripresi in tempo reale con risoluzione sub-nanometrica. Abbiamo anche applicato questo metodo per altre aree di ricerca, ad esempio, proteine ​​di imaging in acqua. TEM cella liquido è pronta a svolgere un ruolo importante nel rivelare processi dinamici dei materiali nei loro ambienti di lavoro. Essa può anche portare ad alto impatto nello studio dei processi biologici nel loro ambiente nativo.

Introduction

Lo studio delle reazioni chimiche nei liquidi in tempo reale e di imaging materiali biologici nel loro ambiente nativo stato di interessi significative tra i campi di ricerca 1-5. A causa della alta risoluzione spaziale di microscopia elettronica a trasmissione (TEM), immagini attraverso liquidi con TEM ha attirato molta attenzione 4,5. Tuttavia, è stata una grande sfida per i campioni immagine liquido mediante TEM, poiché il microscopio convenzionale viene utilizzato in un ambiente ad alto vuoto. Inoltre, campioni liquidi devono essere sufficientemente sottile da consentire il fascio di elettroni di passare attraverso. Williamson et al. 6 riferito che l'imaging di deposizione elettrochimica di Cu può essere realizzato con risoluzione di 5 nm utilizzando una cella elettrochimica liquido utilizzato in un TEM. De Jonge et al. 1 era in grado di campioni biologici di immagini attraverso l'acqua micrometri serveral di spessore utilizzando un (S) TEM scansione. Il basso contrasto dei campioni biologici non eracresciuto come un problema poiché le nanoparticelle d'oro sono stati utilizzati come marcatori per l'imaging. Il campione di liquido denso non era un problema sia in quanto STEM modalità di acquisizione immagini è stato utilizzato e risoluzione nanometrica è stato raggiunto. Recentemente abbiamo sviluppato un self-contained cellule liquido, che permette l'imaging TEM tempo reale di nanoparticelle colloidali in liquidi con risoluzione subnanometer 5,7. Queste cellule di nuova concezione liquidi, che offrono risoluzione migliorata e più veloce di immagini TEM (30 fotogrammi al secondo che non è stata raggiunta da immagini ad alta risoluzione STEM), ha permesso di studiare le dinamiche di nanoparticelle colloidali in liquidi. Le cellule di liquido in forma in un supporto TEM standard e può essere utilizzato come campioni TEM regolari. Una piccola quantità di liquido (circa 30 picolitri) può essere esaminata in situ in una reazione chimica estesa. Varie immagini e analitica (cioè, a dispersione di energia spettroscopia a raggi X) tecniche possono essere applicate. Poiché lo spessore totale della finestra di visualizzazione (comprese le membranee lo strato liquido) può essere controllata a 100 nm o inferiore, imaging diretto di campioni biologici (proteine) in acqua liquida senza marcatori nanoparticelle d'oro è stato raggiunto 8.

Negli ultimi due decenni, ci sono stati risultati significativi sulle sintesi e le applicazioni dei nanocristalli colloidali 9-11. Tuttavia, la comprensione di come nucleazione nanoparticelle, crescere e interagire con loro in liquidi è in gran parte empirica e per lo più sulla base di analisi ex situ 11-13. Lo sviluppo delle cellule TEM liquido offre una piattaforma unica per studiare i processi dinamici di nanoparticelle nei liquidi in situ 5,7,14,15.

Noi fabbricare un self-contained cella liquido utilizzando ultra sottile wafer di silicio (100 micron), con un processo di microfabbricazione sequenziale. Esso comprende la deposizione della membrana di nitruro di silicio, patterning fotolitografica, wafer etching, deposizione distanziale, e celluleincollaggio, ecc Circa 50 nanolitri della soluzione di reazione viene caricata in un serbatoio, che viene aspirata nella cella con la forza capillare. Si riempie il serbatoio altro con altri 50 nanolitri del liquido. Successivamente, la cellula è sigillato e caricato nel microscopio per l'imaging in situ. All'interno del microscopio, il liquido a sandwich tra due membrane di silicio nitruro (totale circa 30 picolitri) possono essere esaminati. Quando il fascio di elettroni passa attraverso lo strato liquido sottile, processi dinamici di nanoparticelle nei liquidi possono essere monitorati in tempo reale. Nucleazione e crescita di nanoparticelle può essere indotta da fascio di elettroni in alcuni casi 5,7 o reazioni può essere innescato da una fonte di calore esterna 14,16. Quando il danno fascio di elettroni è una preoccupazione, bassa corrente di fascio di elettroni (dose) deve essere utilizzato.

Poiché le cellule liquidi sono fabbricati da processi di microfabbricazione silicio e in grandi lotti, variazioni nella membrana o liquidospessore tra le singole cellule di liquido può essere smal l6. Ogni ricercatore che ha una formazione di base microfabbricazione può fare con successo cellule liquidi. La tecnica di gestione dei liquidi e in funzione situ TEM può anche essere masterizzato dopo l'allenamento. Si osserva che oltre ad utilizzare membrane di nitruro di silicio come le finestre ottiche, altri materiali come biossido di silicio, silicio o carbonio (compreso grafene) può essere utilizzato come finestra membrana e 17-19. Dal momento che le nostre cellule liquidi con piccole finestre di visualizzazione, vale a dire, 1 x 50 micron, non rigonfiamento delle membrane è stata osservata. E, la cella liquido è anche robusta per operare, cioè al di sotto dell'1% delle cellule liquidi hanno rotto finestre durante gli esperimenti. Inoltre, lo spessore dello strato liquido può anche essere facilmente regolato modificando lo spessore del distanziatore depositato indio. Durante la preparazione del campione, una cella a tenuta di liquido in grado di mantenere i liquidi per diversi giorni senza perdite. La piccola quantità di liquido puòessere esaminati per diverse ore sotto il fascio di elettroni, che consente lo studio di una reazione chimica esteso in tempo reale.

Finora, abbiamo visualizzati molti processi dinamici uniche di nanoparticelle in liquidi, ad esempio, la crescita e la coalescenza delle nanoparticelle Pt 5,15, diffusione di nanoparticelle nei liquidi sottili, 20,21 fluttuazione crescita di nanoparticelle Bi 14, e la crescita di Pt 3 nanotubi di Fe mattoni nanoparticelle 7, ecc Inoltre, abbiamo anche applicato questo metodo ad altri settori, ad esempio, le proteine ​​di imaging in acqua liquida con 2,7 nm di risoluzione 8. In sintesi, il nostro liquido tecnica TEM cellulare è stato dimostrato di essere uno sviluppo molto importante per lo studio di una vasta gamma di questioni fondamentali nella scienza dei materiali, fisica, chimica e biologia. Crediamo che ci sia ancora spazio grande per i futuri progressi tecnici e le applicazioni del liquido e TEM sarà certamente un alto IMPAct su un ampio spettro di ricerca scientifica.

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Protocol

1. Microfabbricazione di celle liquidi

  1. Preparare wafer di silicio drogato (p, 100 micron di spessore e 4 cm di diametro) e pulire i wafer con un bagno standard di wafer procedura di pulizia.
  2. Deposito bassa sollecitazione film di nitruro di silicio sottili (spessore 20 nm) su entrambi i lati delle fette di silicio di bassa pressione di deposizione chimica di vapore (LPCVD) metodo. Una ricetta personalizzata sviluppata viene utilizzato per la deposizione, che consente la crescita di silicio ricco di nitruro (SiN x, x <4/3).
  3. Realizzare la piastrina inferiore (2,6 × 2,6 millimetri, 3 mm di diametro) con una finestra di visualizzazione (1 × 50 pm) e la piastrina superiore (2,6 × 2,6 millimetri, 3 mm di diametro) con una finestra di visualizzazione (1 × 50 pm) e due serbatoi (0,6 × 1,2 × 0,1 mm) seguendo una sequenza di processi di fabbricazione standard, tra patterning fotolitografica, attacco in plasma della membrana SiN x (SF 6 utilizzando come gas attivo), KOH wet etching del wafer di silicio esposto, ecc Usiamo il processo fotolitografico più comune, come rivestimento per centrifugazione di un fotoresist (photoresist positivo con velocità di rotazione di 3000 rpm per 1 min, lo spessore del fotoresist è di circa 1 micron), esposizione UV sotto la maschera Cr di cellule liquidi, patterning litografico utilizzando sviluppatore e fissatore (acqua deionizzata), ecc Ci sono diverse scelte del photoresist per spin coating e lo sviluppatore di patterning. E, i parametri corrispondenti per i processi possono anche variare. Poiché le caratteristiche del modello sono relativamente grandi (centinaia di micron o superiore), il processo è facile da realizzare. La soluzione di KOH è preparata sciogliendo potenza idrossido di potassio in acqua deionizzata con l'idrossido di potassio: rapporto in peso acqua di 1:2. La soluzione di KOH è mantenuta a 80 ° C durante incisione. Una velocità di attacco di 1 pm al minuto può essere raggiunto. SiN membrana x è una maschera protettiva ideale per l'attacco a KOH di silicio. Dal etchinlinee g vengono utilizzati, singoli chip sono collegati con linee sottili di wafer inciso dopo l'attacco KOH. Pezzi di chip può essere facilmente separato dal wafer usando pinzette taglienti per processi successivi. Nessun processo di cubettatura è necessario.
  4. Deposito distanziale indio sul lato piatto del chip fondo. In primo luogo, fare patterning litografico dei chip seguendo il processo simile al punto 1.3. Per facilitare la gestione dei chip, il bastone singoli chip (può essere un pezzo di chip diversi) su una lastra di vetro sottile con fotoresist e lasciare asciugare per 5 minuti prima di spin coating, esposizione ai raggi UV, ecc In secondo luogo, pulire i chip di fantasia O 2 plasma pulizia a 50 Watt per 1 min; Terzo, la deposizione di film sottili indio con spessore di 100 nm su chip utilizzando un evaporatore, in terzo luogo, lift-off processo viene eseguito per generare il distanziale indio.
  5. Incollare il fondo e patatine migliori insieme. Per prima cosa allineare due finestre di nitruro di silicio visualizzazione del fondo e patatine migliori sotto un ottica microscope e applicare una pressione di circa 0,1 MPa mediante un morsetto. Richiede pratica per allineare con precisione le finestre una sopra l'altra. Successivamente, le cellule liquidi sono cotte in un forno sotto vuoto a 120 ° C per 1 ora. Infine, raccogliamo le cellule e conservare i preparati come cellule in un essiccatore sotto vuoto per un utilizzo futuro.

L'intero processo di fabbricazione è mostrato in Figura 1. Conduciamo tutti i processi di fabbricazione presso il laboratorio Nanofabrication della University of California, Berkeley.

2. Preparazione delle soluzioni di reazione

Prepariamo le soluzioni di reazione per la crescita PT 3 nanotubi di Fe come esempio. Platino (II) acetilacetonato (20 mg / ml) e ferro (II) acetilacetonato (20 mg / ml) sono stati disciolti in una miscela solvente di pentadecano e oleilammina (7:3 vol / vol) o una miscela di pentadecano, oleilammina, e acido oleico (06:03:01 vol / vol / vol) è utilizzato per il confronto delle surfactant effetti.

3. Caricare soluzioni di reazione

  1. Circa 50 nl di soluzione di reazione viene caricata in uno dei serbatoi di liquido in una cella utilizzando una siringa e nanotubi Teflon (acquistato da Cole-Parmer, IL). Quindi, il serbatoio viene riempito altra nello stesso modo.
  2. Circa 30 pl della soluzione di reazione viene aspirata nella cella con la forza capillare e forma uno strato di liquido (~ 100 nm) a sandwich tra due membrane di nitruro di silicio nella finestra di visualizzazione.
  3. La cella liquido viene successivamente sigillato con un coperchio di rame sottile (~ 50 micron con griglia TEM singolo slot foro 0,6 mm di diametro, che è stato acquistato da Tedd Pella, Inc.). Grasso per vuoto è stato applicato su un lato del coperchio e resina epossidica è stato usato per sigillare il bordo della cella liquido. Lo spessore totale della cella liquido finale è circa 250-300 micron.

4. Celle di carico liquido in TEM

  1. Un JEOL 3010 TEM funzionare a 300 kV e un FEI monochromated F20 UT Tecnai funzionare a 200 kV sono utilizzati per l'imaging in situ.
  2. La cella liquido viene caricato nel microscopio come campione TEM standard per l'imaging.

5. Tempo Reale TEM Imaging

  1. Sintonizzare il microscopio per una perfetta condizione di imaging ad alta risoluzione TEM, ed una densità di corrente di fascio di 1-8 x 10 5 A / m 2 viene mantenuta durante l'imaging in tempo reale.
  2. Per sistema di PTFE, nucleazione e crescita delle nanoparticelle può essere avviato mediante colata del fascio di elettroni sullo strato liquido.
  3. Software VirtualDub combinato con il software Gatan DigitalMicrograph viene utilizzato per registrare le dinamiche delle nanoparticelle.

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Representative Results

Utilizzando il metodo liquido cellule TEM, abbiamo visualizzato la crescita soluzione di Pt 3 nanotubi di Fe da blocchi di costruzione delle nanoparticelle. Figura 2 mostra le immagini in sequenza che descrivono la traiettoria di crescita di un 3 Pt Fe nanorod in condizioni di soluzioni diverse. Processo di colorazione False con Photoshop è stato utilizzato per evidenziare le nanoparticelle.

Quando la miscela solvente di pentadecano e oleilammina (7:3 vol / vol) è stata usata, tre fasi distinte di crescita può essere identificato (Figura 2A). In primo luogo, molti piccoli nanoparticelle si formano quando i precursori Pt e Fe sono ridotte mediante irradiazione con fasci di elettroni. Alcuni di loro crescere di attaccamento monomero, altri sottoposti a coalescenza. In secondo luogo, le catene corte nanoparticelle si formano attraverso le interazioni nanopaticle. In terzo luogo, le as-formate catene corte nanoparticelle agiscono come mattoni per formare relativamente lunga e tortuosa catene di nanoparticelle. Quando una miscela di pentadecano, oleilammina e acido oleico (06:03:01 vol / vol / vol) è stata usata, catene di nanoparticelle di avvolgimento sono formate prima, e quindi le catene di nanoparticelle raddrizzare e formano monocristallino nanorods entro un breve periodo di tempo (Figura 2B).

In sintesi, abbiamo dimostrato la formazione di nanotubi di cristallo singolo attraverso la crescita di liquidazione catene di nanoparticelle policristallino da forma-diretto attacco nanoparticelle seguita dalle correzioni raddrizzamento, l'orientamento e la forma dei blocchi di costruzione. Statistiche e quantificazione delle dinamiche di nanoparticelle dalla imaging in tempo reale sono di grande importanza per la comprensione e il controllo gerarchico di crescita nanomateriali e di auto-assemblaggio per i dispositivi funzionali 7.

Figura 1
Figura 1.

Figura 2
Figura 2. La crescita di Pt 3 nanorods Fe in una cella liquido durante l'esposizione al fascio di elettroni. (A) le immagini TEM sequenziali che mostrano l'evoluzione della nucleazione iniziale e la crescita nella soluzione precursore molecolare per una fase successiva di formazione nanowire per forma-diretto attacco nanoparticelle. Una miscela solvente di pentadecano e oleilammina (7:3 vol / vol) è stata usata. (B) Formazione di twisted Pt 3 Fe nanotubi e il processo di raddrizzamento successivo. (A) le immagini TEM sequenziali della crescita di un corto Pt 3 Fe nanorod. (B) immagini TEM sequenziale che mostra la crescita di una lunga Pt 3 Fe nanorod. Una miscela solvente di pentadecano, oleilammina, e acido oleico (06:03:01 vol / vol / vol) è stata usata. In entrambi (A) e (B), il tempo viene visualizzato come min: sec, e il tempo iniziale è arbitrario 7.

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Discussion

Tutti i processi di fabbricazione sono stati fatti nella stanza pulita, dove sono realizzati dispositivi semiconduttori.

Prima della deposizione di indio, O 2 plasma pulizia dei chip è necessaria per eliminare il residuo organico sulla superficie. Così, un distanziale indio alta qualità può essere ottenuto, che può migliorare l'adesione di chip superiore e inferiore e la resa di cellule libere liquidi di dispersione.

Il nitruro di silicio finestre di visualizzazione con membrana ultra sottile di circa 13 nm di spessore è la chiave per ottenere un'elevata risoluzione spaziale. Quando si maneggiano liquidi tali cellule, particolare attenzione è necessaria per evitare di rompere la membrana in fase di fabbricazione, nonché gli esperimenti. Ad esempio, una pinzetta con un frontale piatto sono raccomandati. E, durante il processo di pulizia della membrana, bassa potenza e dose di O 2 plasma può essere incorporato (cioè, 30 Walt per 20-30 sec). Poiché la cinetica di crescita può essere altamente dipendente dal fascio di elettroni valutedensità t, mantenendo la stessa densità di corrente di fascio di elettroni, mentre l'imaging è importante. Il liquido metodo TEM cella non solo permette lo studio della dinamica di crescita di nanocristalli in soluzione in tempo reale, ma permette anche di rivelare altri processi dinamici (ad esempio, la diffusione di nanoparticelle nei liquidi, le dinamiche goccia di liquido, ecc.) Inoltre, si fornisce un percorso promettente per visualizzare i processi biologici in ambiente nativo.

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Disclosures

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Acknowledgments

Zheng grazie Prof. A. Paul Alivisatos e il Dr. Ulrich Dahmen per le discussioni utili durante lo sviluppo precoce di EM cellule liquidi. È grata al supporto del DOE Ufficio del Programma di Early Career Research Science.

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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