Revelando processos dinâmicos de Materiais em Líquidos Usando líquido celular Microscopia Eletrônica de Transmissão
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.
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.
Protocol
Representative Results
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 si…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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
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