Die Temperaturregelung während flüssigphasenelektronenmikroskopischer Experimente eröffnet neue Perspektiven für die Untersuchung der Dynamik von Nanopartikeln in flüssigen Umgebungen, die ihre Entstehungs- oder Anwendungsmedien nachahmen. Mit kürzlich entwickelten heizenden Flüssigkeitszellen beobachteten wir direkt den Einfluss der Temperatur auf die Keimbildungs- und Wachstumsprozesse von Goldnanopartikeln in Wasser.
Die Temperaturregelung ist eine neuere Entwicklung, die einen zusätzlichen Freiheitsgrad bietet, um die Nanochemie durch Flüssigzelltransmissionselektronenmikroskopie zu untersuchen. In diesem Artikel beschreiben wir, wie ein In-situ-Heizexperiment vorbereitet wird, um den Einfluss der Temperatur auf die Bildung von Goldnanopartikeln zu untersuchen, die durch Radiolyse in Wasser angetrieben werden. Das Protokoll des Experiments ist ziemlich einfach mit einer speziellen Flüssigkeitszelle mit gleichmäßigen Heizfähigkeiten bis zu 100 °C, einem Flüssigkeitszellen-TEM-Halter mit Durchflussfähigkeiten und einer integrierten Schnittstelle zur Temperaturregelung. Wir zeigen, dass die Keimbildungs- und Wachstumsmechanismen von Goldnanopartikeln drastisch durch die Temperatur in flüssigen Zellen beeinflusst werden. Mittels STEM-Bildgebung und Nanodifferenzierung wird die Entwicklung der Dichte, Größe, Form und atomaren Struktur der wachsenden Nanopartikel in Echtzeit aufgedeckt. Automatisierte Bildverarbeitungsalgorithmen werden genutzt, um nützliche quantitative Daten aus Videosequenzen zu extrahieren, wie z.B. die Keimbildung und Wachstumsraten von Nanopartikeln. Dieser Ansatz liefert neue Inputs für das Verständnis der komplexen physikalisch-chemischen Prozesse, die bei der Flüssigphasensynthese von Nanomaterialien im Spiel sind.
Metall-Nanopartikel (NPs) haben vielversprechende physikalisch-chemische Eigenschaften, die in verschiedenen Bereichen wie optische Sensorik1,Medizin2 oder Energie3eingesetzt werden können. Die nasschemische Synthese ist eine sehr vielseitige Methode zur Herstellung von Metall-NPs mit genau definierter Größe und Form. In den letzten Jahrzehnten wurden viele Strategien entwickelt, um die Kontrolle über die NPs-Synthese zu erlangen: seed-vermitteltes Wachstum4, Gesichtsblockierungsmethode5, kinetisch kontrollierteSynthese 6, selektivesÄtzen 7 oder temperaturgesteuerteSynthese 8. Während die chemischen Reaktionen, die die Synthese antreiben, ziemlich einfach sind, sind es die Keimbildungs- und Wachstumsmechanismen nicht, da viele Parameter eine Rolle in den Entstehungsprozessen spielen und ihr individueller Einfluss aus Ex-situ-Momentaufnahmen der resultierenden Nanomaterialien, die zu bestimmten Zeitpunkten der Synthese aus ihrem Entstehungsmedium extrahiert wurden, schwer abzurufen sind. Um die Keimbildungs- und Wachstumsprozesse wirklich zu verstehen und Wege zu ihrer Kontrolle zu finden, müssen wir In-situ-Werkzeuge einsetzen, die ihre Echtzeitbeobachtung in fein kontrollierter flüssiger Umgebung ermöglichen.
In dieser Hinsicht war die Flüssigzell-Transmissionselektronenmikroskopie (LCTEM) eine sehr leistungsfähige Methode, um neues Licht auf die Synthese metallischer Nanopartikelzu wirften 9,10,11,12,13. Durch die Abbildung der Dynamik einzelner Nanostrukturen direkt in ihren flüssigen Bildungsmedien hat diese Technik ein tieferes Verständnis der Keimbildungs- und Wachstumsmechanismen ermöglicht, insbesondere der Rolle von Kristalldefekten, Samenmorphologie und organischen Liganden, die es ermöglichen, gerichtete Wachstums- oder Ätzprozesse voranzutreiben und Nanomaterialien mit spezifischen Formen (Nanostäbchen, Nanosterne, Nanoplatten, Nanoschalen) zu erhalten10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Wenn der Elektronenstrahl eines TEM mit Flüssigkeiten interagiert, erzeugen Radiolyseprozesse starke reduzierende und oxidierende Spezies, die die Lösungschemie im bestrahlten Bereich modifizieren und zur Förderung von Wachstums- oder Ätzprozessen verwendet werden können. Interessanterweise ist bekannt, dass die Konzentration von radiolytischen Produkten mit der Elektronendosisleistung zunimmt, ein Parameter, der in einem Elektronenmikroskop fein abgestimmt werden kann20. Daher wurde diese Dosis-Raten-Abhängigkeit der Radiolyse genutzt, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu kontrollieren und kinetische Effekte auf die Bildungsprozesse und die endgültige Morphologie der Nanostrukturenaufzudecken 11,15,20.
Obwohl die Temperatur ein entscheidender Parameter in der Nanomaterialsynthese ist, wurden ihre Auswirkungen von LCTEM bisher nicht sorgfältig untersucht, da kommerzielle Flüssigzellen mit zuverlässiger Temperaturkontrolle erst kürzlich entwickelt wurden. Solche In-situ-Studien sind jedoch unerlässlich, um die komplexe Kinetik und die thermodynamischen Effekte zu entschlüsseln, die durch Temperaturänderungen induziert werden. Tatsächlich hat einerseits die Erhöhung der Temperatur drastische Auswirkungen auf die Facettenprozesse während des Wachstums, beschleunigt die atomare und molekulare Diffusion in Flüssigkeiten und verändert die Reaktionsgeschwindigkeiten. Andererseits ist das Nanophasendiagramm von Nanostrukturen auch sehr temperaturempfindlich. In diesem Artikel nutzen wir kürzlich entwickelte Erhitzungsflüssigkeitszellen, um das radiolytische Wachstum von Goldnanopartikeln in Wasser mit einer Temperaturregelung zwischen Raumtemperatur und 100 °C zu verfolgen. Diese Methodik, die STEM-Bildgebung und Beugung in einer Umgebung kombiniert, die sich den realen Synthesebedingungen immer mehr annähert, verringert die Lücke zwischen In-situ-TEM-Beobachtungen und Synthesen im Labormaßstab.
Das beschriebene Protokoll ermöglicht die Nachverfolgung der Keimbildung und des Wachstums von Goldnanopartikeln, die durch Radiolyse in einem temperaturkontrollierten flüssigen Medium angetrieben werden. In Kombination mit der automatisierten Videoverarbeitung ermöglicht es die Messung des Einflusses der Temperatur auf Schlüsselparameter der Nanopartikelsynthese wie Dichte, Größe, Form und atomare Struktur von Nanopartikeln. Diese wertvollen Inputs ermöglichen es, den Einfluss der Temperatur auf die Keimbildungs- und Wachstumsraten zu bewerten, mögliche Phasenübergänge zu erkennen und die Facettenprozesse zu visualisieren, die das Endergebnis kolloidaler Lösungen bestimmen. Zusammen mit der Möglichkeit, die Zusammensetzung der reaktiven Medien zu kontrollieren, ist temperaturgesteuertes Flüssigzell-TEM ein weiterer Schritt zur direkten Beobachtung der Keimbildungs- und Wachstumsprozesse verschiedener Nanostrukturen unter realistischen Synthesebedingungen. Die Interpretation der in diesem Artikel vorgestellten Ergebnisse und deren Vergleich mit Keimbildungs- und Wachstumsmodellen wird an anderer Stelle diskutiert. Hier wollen wir einige methodische Aspekte hervorheben, die berücksichtigt werden müssen, um relevante In-situ-TEM-Experimente durchzuführen.
Zunächst ist es entscheidend, die Elektronenstrahleffekte in den Reaktionsmedien zu identifizieren, da sie die Ergebnisse des Experiments drastisch beeinflussen können. Da die Wasserradiolyse die treibende Kraft der Nanopartikelbildung ist, steigt die Wachstumsgeschwindigkeit mit der Elektronendosisleistung schnell an, was sich auf die endgültige Form von Nanoobjektenauswirkt 11,15. Um die Auswirkungen der Temperatur auf die Keimbildung und das Wachstum von Nanopartikeln zu untersuchen, ist es daher notwendig, Wachstumsexperimente zu vergleichen, die mit der gleichen Elektronendosisleistung erworben wurden. Im STEM-Modus entspricht die Elektronendosisleistung dem Strahlstrom (in Elektron pro Sekunde) geteilt durch die Bildgröße (in nm2). Daher bedeutet eine konstante Elektronendosisleistung, dass der gleiche Strahlstrom (d. H. Gleiche Kondensatoröffnung und gleiche Spotgröße) und die gleiche Vergrößerung für jedes Experiment beibehalten wird. Die Quantifizierung des Strahlstroms der Bildgebungsbedingungen mit einer CCD-Kamera oder einem Faraday-Becher ist wichtig, um die Daten zu interpretieren und zu reproduzieren. Die Vergrößerung und die resultierende Dosisleistung sollten danach gewählt werden, ob man das Wachstum einer großen Ansammlung von Nanopartikeln visualisieren möchte, um statistisch relevante Ergebnisse zur Wachstumskinetik (Abbildung 5) oder die Wachstumsmechanismen auf der Einzelnanopartikelskala zu extrahieren, um die bevorzugten Adsorptionsstellen auf den Nanopartikeloberflächen zu identifizieren (Abbildung 10). Wenn die Keimbildungs- und Wachstumsprozesse zu schnell sind, insbesondere bei hoher Vergrößerung, sollten eine kleine Kondensatoröffnung und eine kleine Spotgröße gewählt werden, um die Dosisleistung zu minimieren. Die Keimbildung und das Wachstum von Nanopartikeln können sich auch verlangsamen, indem die Konzentration des Metallvorläufers in der analysierten Lösung reduziert wird, beachten Sie jedoch, dass die Konzentration von radiolytischen Produkten mit der Temperatur zunimmt. Generell ist es auch wichtig, die Elektronenbestrahlungsgeschichte der gesamten Probe zu berücksichtigen. Werden hier beispielsweise schnell mehrere Wachstumsexperimente in nahe beieinander liegenden Gebieten durchgeführt, nimmt die Dichte der Nanopartikel mit der Zeit ab, da die Konzentration der Goldvorläufer im untersuchten Gebiet abnimmt. Dieser Effekt kann minimiert werden, indem die Wachstumsexperimente sowohl in Raum als auch in Zeit getrennt werden und indem der Flüssigkeitshalter im Strömungsmodus verwendet wird.
Interface-Tracking-Algorithmen sind äußerst hilfreich, um die Analyse von Videos zu automatisieren und quantitative Ergebnisse über die Keimbildung und das Wachstum großer Nanopartikel-Baugruppen zu extrahieren. Es ist jedoch erwähnenswert, dass der Bildbinarisierungsschritt immer datenspezifisch ist, was bedeutet, dass die Filter und die Datenverarbeitung, die auf Bilder angewendet werden müssen, um die Detektion der Nanopartikel/Flüssigkeits-Schnittstelle zu optimieren, von Experiment zu Experiment variieren. Darüber hinaus ist es wichtig, die Ergebnisse dieser automatisierten Analysen mit manuellen Messungen an einigen wenigen Bildern zu vergleichen, um den Bildverarbeitungsworkflow zu optimieren und seine Grenzen zu kennen. Hier induzieren beispielsweise mehrere Streuereignisse in den bei hoher Temperatur gebildeten immer dicker werdenden 3D-Nanopartikeln nach 30 Sekunden Beobachtung eine Kontrastinversion ihres Kerns, da die Winkelverbreiterung der gestreuten Elektronen zu einer Abnahme des gesammelten Signals im Winkelbereich des ringförmigen Detektors führt. Um die wahre Oberfläche dieser Nanopartikel weiter zu messen, haben wir nach der Binarisierung des Bildes einen “Fill Holes” -Datenprozess verwendet, der den inneren Kreis der Ringformkontraste ausfüllt (Abbildung 7F, G). Wir mussten jedoch eine kleine Dilatation der Objekte verwenden, um sicherzustellen, dass diese Ringformkontraste immer vollständig miteinander verbunden sind. Letzterer Schritt führt zu einer leichten Überbewertung der mittleren Oberfläche von Nanopartikeln bei den automatisierten Messungen (Abbildung 9). In ähnlicher Weise müssen wir für den Nachweis von Nanopartikeln eine minimale Größe der detektierten Objekte (Smim)definieren, um die Erkennung des Rauschens zu vermeiden, aber dieser Parameter beeinflusst die gemessene Keimbildungsrate. Wie in Abbildung 8zu sehen ist, steigt die Anzahl der nachgewiesenen Nanopartikel zu Beginn des Experiments an, um ein Plateau zu erreichen. Wenn Smin groß ist (50 Pixel2 entsprechend 1543 nm2),wurden automatische und manuelle Messungen auf der Ebene dieses Plateaus vereinbart (835 Nanopartikel nach 60 Sekunden), aber der Nachweis von Nanopartikeln verzögert sich in der automatischen Analyse, da 835 Nanopartikel nach nur 12 s manuell gezählt, aber erst später automatisch detektiert werden. Diese verlängerte Nachweiszeit führt zu einer Unterbewertung der Keimbildungsrate. Die Reduzierung von Smin auf 20 Pixel2 (d.h. 617 nm2)reduziert den Fehler auf der Keimbildungszeit der Nanopartikelanordnung, führt aber insbesondere im Frühstadium der Experimente zu einer Überbewertung der Nanopartikeldichte (Abbildung 8), was sich auch auf die Keimbildungsrate auswirkt. Die Detektion und die Größen- und Formmessungen von Nanoobjekten mit einem sehr dynamischen Verhalten und einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis ist eine häufige Herausforderung im Flüssigphasen-TEM, die mit anderen Segmentierungs- und Rauschunterdrückungsmethoden24 oder maschinellen Lernansätzen25weiter verbessert werden kann.
Nicht zuletzt muss die Vorbereitung der Flüssigkeitszelle und die Reinigung des Flüssigkeitshalters sehr sorgfältig durchgeführt werden, um Verunreinigungen der Reaktionsmedien zu vermeiden.
Im Allgemeinen bietet die Kontrolle der Temperatur der Probe während der LCTEM-Analysen die Möglichkeit, thermische Auswirkungen auf chemische Reaktionen zu untersuchen, die an der Grenzfläche zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten auftreten. Daher hoffen wir, dass die vorliegende Methode den Weg zu anderen In-situ-TEM-Experimenten ebnet, die die Dynamik von harten, weichen oder biologischen Materialien in temperaturkontrollierten flüssigen Medien aufdecken sollen.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken der Region Ile-de-France (Konvention SESAME E1845 für das an der Universität Paris installierte Elektronenmikroskop JEOL ARM 200 F), des Labex SEAM (GLOIRE Project) und des CNRS (Defi Nano Program). Wir danken Madeline Dukes und Daniel Franck für die Weitergabe der Schaltpläne und der optischen Bilder der Flüssigkeitszellen in den Abbildungen 1 und 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 |