Révéler processus dynamiques des matériaux dans les liquides en utilisant un liquide Transmission Electron Microscopy cellulaire
Summary
Nous avons développé une cellule autonome liquide, ce qui permet l'imagerie à travers des liquides à l'aide d'un microscope électronique à transmission. Processus dynamiques de nanoparticules dans les liquides peuvent être révélées en temps réel avec résolution sub-nanométrique.
Abstract
Le développement récent dans microscopie électronique en transmission in situ, ce qui permet l'imagerie à travers des liquides à haute résolution spatiale, a attiré d'importants intérêts dans les domaines de la recherche en science des matériaux, la physique, la chimie et la biologie. La technologie habilitante clé est une cellule liquide. On fabrique les cellules liquides avec hublots minces par un procédé de microfabrication séquentiel, comprenant le dépôt de nitrure de silicium membrane, un motif photolithographique, gravure tranche, la liaison cellulaire, etc Cellule liquide avec les dimensions d'une grille régulière TEM peuvent tenir dans un porte-échantillon TEM norme . Environ 100 nanolitres solution de réaction est chargé dans les réservoirs et environ 30 picolitres liquide est aspiré dans les fenêtres de visualisation par la force capillaire. Par la suite, la cellule est scellée et chargé dans un microscope pour l'imagerie in situ. À l'intérieur du TEM, le faisceau d'électrons passe à travers la couche mince de liquide pris en sandwich entre deux membranes de nitrure de silicium. Proc dynamiquecessus de nanoparticules dans des liquides, tels que la nucléation et la croissance des nanocristaux, la diffusion et l'assemblage de nanoparticules, etc, ont été imagées en temps réel avec résolution inférieure au nanomètre. Nous avons également appliqué cette méthode à d'autres domaines de recherche, par exemple, des protéines d'imagerie dans l'eau. Cellule TEM liquide est appelé à jouer un rôle majeur dans la révélation des processus dynamiques des matériaux dans leur environnement de travail. Il peut également apporter à fort impact dans l'étude des processus biologiques dans leur environnement naturel.
Introduction
L'étude des réactions chimiques dans les liquides en temps réel et des matériaux d'imagerie biologique dans leur environnement naturel ont été des participations importantes dans les domaines de la recherche 1-5. Grâce à la haute résolution spatiale de microscopie électronique à transmission (MET), l'imagerie à travers des liquides à l'aide TEM a attiré beaucoup d'attention 4,5. Toutefois, il a été un grand défi pour imager des échantillons liquides à l'aide TEM, depuis le microscope conventionnel est utilisé dans un environnement de vide poussé. En outre, les échantillons liquides doivent être suffisamment mince pour permettre au faisceau d'électrons de passer au travers. Williamson et al. 6 signalé que l'imagerie de dépôt électrochimique de Cu peut être obtenu avec une résolution de 5 nm à l'aide d'une cellule électrochimique liquide utilisé dans un TEM. De Jonge et al. 1 a pu imager des échantillons biologiques à travers l'eau serveral micromètres d'épaisseur à l'aide d'un balayage (S) MET. Le faible contraste des échantillons biologiques n'était passoulevé la question depuis des nanoparticules d'or ont été utilisés comme marqueurs pour l'imagerie. L'échantillon liquide épais n'était pas un problème non plus puisque STEM mode d'imagerie a été utilisée et une résolution nanométrique a été atteint. Nous avons récemment développé une cellule autonome liquide, ce qui permet l'imagerie TEM temps réel de nanoparticules colloïdales dans les liquides avec 5,7 résolution inférieure au nanomètre. Ces cellules nouvellement développés liquides, qui offrent une résolution améliorée et plus rapide imagerie TEM (30 images par seconde qui n'a pas été obtenus par imagerie à haute résolution STEM haute), a permis d'étudier la dynamique des nanoparticules colloïdales dans les liquides. Les cellules liquides s'adapter à un support de type TEM et peut être utilisé comme échantillons TEM réguliers. Une petite quantité de liquide (environ 30 picolitres) peut être examinée in situ dans une réaction chimique prolongée. Divers imagerie et d'analyse (c.-à dispersion d'énergie spectroscopie de rayons X) techniques peuvent être appliquées. Puisque l'épaisseur totale de la fenêtre d'observation (y compris les membraneset la couche de liquide) peut être contrôlé à 100 nm ou moins, l'imagerie directe d'échantillons biologiques (protéines par exemple) dans de l'eau liquide sans marqueurs de nanoparticules d'or a été atteint 8.
Au cours des deux dernières décennies, il ya eu des réalisations importantes sur les synthèses et les applications des nanocristaux colloïdaux 9-11. Cependant, la compréhension de la façon dont la nucléation des nanoparticules, croissent et interagissent les uns avec les autres dans les liquides est largement empirique et repose principalement sur des analyses ex situ 11-13. Notre développement d'une cellule TEM liquide fournit une plate-forme unique d'étudier les processus dynamiques de nanoparticules dans les liquides en 5,7,14,15 situ.
On fabrique une cellule de liquide autonome à l'aide de plaquettes de silicium ultra mince (100 pm) par un procédé de microfabrication séquentiel. Il comprend le dépôt de la membrane de nitrure de silicium, formation de motifs photolithographiques, la gravure de tranche, dépôt d'espacement, et la cellulecollage, etc Environ 50 nanolitres de la solution de réaction est chargé dans un réservoir, qui est aspiré dans la cellule par la force capillaire. On remplit le réservoir avec un autre autre 50 nanolitres du liquide. Par la suite, la cellule est scellée et chargé dans le microscope pour l'imagerie in situ. À l'intérieur du microscope, le liquide prise en sandwich entre deux membranes de nitrure de silicium (au total environ 30 picolitres) peuvent être examinés. Lorsque le faisceau d'électrons passe à travers la couche liquide mince, les processus dynamiques de nanoparticules dans les liquides peuvent être suivies en temps réel. La nucléation et la croissance de nanoparticules peut être induite par le faisceau d'électrons dans certains cas, 5,7 ou réactions peut être déclenché par une source de chauffage externe 14,16. Lorsque le dommage faisceau d'électrons est un sujet de préoccupation, faible courant de faisceau d'électrons (dose) doit être utilisé.
Comme les cellules liquides sont fabriqués à partir de silicium et de procédés de microfabrication en grandes séries, les variations de la membrane ou du liquideépaisseur des cellules individuelles liquides peuvent être l6 smal. Tout chercheur qui a une formation de microfabrication de base peut réussir à faire cellules liquides. La technique de manipulation de liquides et in situ TEM opération peut également être maîtrisé après la pratique. Il convient de noter qu'outre l'aide de membranes de nitrure de silicium en tant que fenêtres de visualisation, d'autres matériaux tels que le dioxyde de silicium, de silicium ou de carbone (y compris graphène) peut être utilisé comme membrane de la fenêtre et 17-19. Depuis nos cellules liquides à l'aide de petites fenêtres de visualisation, soit 1 x 50 um, aucun renflement des membranes a été observée. Et, la cellule liquide est également robuste pour fonctionner, c'est à dire en dessous de 1% des cellules liquides ont brisé les fenêtres pendant les expériences. En outre, l'épaisseur de la couche de liquide peut également être réglé de manière flexible par changement de l'épaisseur de l'entretoise d'indium déposée. Lors de la préparation de l'échantillon, une cellule liquide scellé peut maintenir les liquides pendant plusieurs jours sans fuite. La petite quantité de liquide peutexaminer pendant plusieurs heures sous le faisceau d'électrons, ce qui permet l'étude d'une réaction chimique étendue en temps réel.
Jusqu'à présent, nous avons visualisé nombreux designs de processus dynamiques de nanoparticules dans les liquides, par exemple, la croissance et la coalescence des nanoparticules Pt 5,15, la diffusion de nanoparticules dans les liquides minces, la fluctuation 20,21 croissance de nanoparticules Bi 14, et la croissance du Pt 3 nanotiges Fe à partir de blocs de construction de nanoparticules 7, etc En outre, nous avons également appliqué cette méthode à d'autres domaines, par exemple, les protéines d'imagerie dans l'eau liquide avec 2,7 nm de résolution 8. En résumé, notre technique de liquide cellule TEM a été prouvée pour être un développement très précieux pour l'étude d'un large éventail de questions fondamentales en science des matériaux, la physique, la chimie et la biologie. Nous croyons qu'il ya encore de la place pour de futures grandes avancées techniques et applications de la TEM liquide et ce sera certainement une grande impact sur un large spectre de la recherche scientifique.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tous les processus de fabrication ont été fait dans la salle blanche, où les dispositifs semi-conducteurs sont faites.
Avant le dépôt d'indium, O 2 de nettoyage au plasma des copeaux est nécessaire pour éliminer le résidu organique sur la surface. Ainsi, un espaceur de haute qualité d'indium peut être atteint, ce qui peut améliorer le collage de puces haut et en bas et le rendement des cellules de fuite de liquide libre.
Le nitrure d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Zheng remercie le professeur A. Paul Alivisatos et le Dr Ulrich Dahmen pour des discussions utiles pendant le développement précoce de l'EM cellules liquides. Elle est reconnaissante envers le soutien du DOE Office of Science Career Programme de recherche rapide.
Materials
| 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 |
References
- de Jonge, N., Ross, F. M. Electron microscopy of specimens in liquid. Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).
- Sun, Y. G. Watching nanoparticle kinetics in liquid. Mater. Today. 15, 140-147 (2012).
- Tao, F., Salmeron, M. In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments. Science. 331, 171-174 (2011).
- 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).
- Zheng, H., et al. Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories. Science. 324, 1309-1312 (2009).
- 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).
- Liao, H. -. G., Cui, L., Whitelam, S. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336, 1011-1014 (2012).
- 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).
- Yin, Y. D., et al. Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale Kirkendall Effect. Science. 304, 711-714 (2004).
- 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).
- Peng, X. G., et al. Shape control of CdSe nanocrystals. Nature. 404, 59-61 (2000).
- Skrabalak, S. E., et al. Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications. Accounts of Chemical Research. 41, 1587-1595 (2008).
- 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).
- Xin, H. L., Zheng, H. In Situ Observation of Oscillatory Growth of Bismuth Nanoparticles. Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).
- Murray, C. B. Watching Nanocrystals Grow. Science. 324, 1276-1277 (2009).
- 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).
- 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).
- Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria. Nano Letters. 11, 1270-1275 (2011).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
- 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).
- Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).
