إن التحكم في درجة الحرارة أثناء تجارب المجهر الإلكتروني في المرحلة السائلة يفتح آفاقا جديدة لدراسة ديناميكية الجسيمات النانوية في البيئات السائلة التي تحاكي تكوينها أو وسائط التطبيق. باستخدام الخلايا السائلة التدفئة وضعت مؤخرا، لاحظنا مباشرة تأثير درجة الحرارة على عمليات النوى والنمو من الجسيمات النانوية الذهب في الماء.
التحكم في درجة الحرارة هو تطور حديث يوفر درجة إضافية من الحرية لدراسة الكيمياء النانوية عن طريق المجهر الإلكتروني انتقال الخلايا السائلة. في هذه الورقة، ونحن نصف كيفية إعداد تجربة التدفئة في الموقع لدراسة تأثير درجة الحرارة على تشكيل الجسيمات النانوية الذهب مدفوعة بالتحلل الإشعاعي في الماء. بروتوكول التجربة بسيط إلى حد ما يتضمن خلية سائلة خاصة مع قدرات تسخين موحدة تصل إلى 100 درجة مئوية ، وحامل TEM ذو خلية سائلة مع قدرات تدفق وواجهة متكاملة للتحكم في درجة الحرارة. نظهر أن آليات النوى والنمو للجسيمات النانوية الذهبية تتأثر بشكل كبير بدرجة الحرارة في الخلايا السائلة. باستخدام التصوير STEM و nanodiffraction ، يتم الكشف عن تطور الكثافة والحجم والشكل والهيكل الذري للجسيمات النانوية المتنامية في الوقت الحقيقي. يتم استغلال خوارزميات معالجة الصور الآلية لاستخراج بيانات كمية مفيدة من تسلسل الفيديو ، مثل معدلات النوى والنمو للجسيمات النانوية. ويوفر هذا النهج مدخلات جديدة لفهم العمليات الفيزيائية الكيميائية المعقدة التي تلعب دورا أثناء تركيب المواد النانوية في المرحلة السائلة.
الجسيمات النانوية المعدنية (NPs) لها خصائص فيزيائية كيميائية واعدة يمكن استخدامها في مجالات مختلفة مثل الاستشعار البصري1أو الطب2 أو الطاقة3. التوليف الرطب الكيميائي هو وسيلة متعددة جدا لتصنيع NPs المعدنية مع حجم وشكل محددة جيدا. على مدى العقود الماضية، وقد وضعت العديد من الاستراتيجيات للسيطرة على توليف NPs: النمو بوساطة البذور4،طريقة حجب الوجه5،توليف حركيا تسيطر عليها6،النقش الانتقائي7 أو التوليف درجة الحرارة التي تسيطر عليها8. ومع ذلك ، في حين أن التفاعلات الكيميائية التي تقود التوليف بسيطة إلى حد ما ، فإن آليات النوى والنمو ليست كذلك ، لأن العديد من المعلمات تلعب دورا في عمليات التكوين وتأثيرها الفردي يصعب استردادها من لقطات خارج الموقع للمواد النانوية الناتجة المستخرجة من وسيط تشكيلها في نقاط زمنية معينة من التوليف. لفهم عمليات النوى والنمو وتحديد طرق للسيطرة عليها، يجب علينا استخدام أدوات في الموقع تسمح بمراقبتها في الوقت الحقيقي في بيئة سائلة يتم التحكم فيها بدقة.
في هذا الصدد، السائل الخلية انتقال المجهر الإلكترون (LCTEM) كان وسيلة قوية جدا لتسليط الضوء على تركيب الجسيمات النانوية المعدنية9،10،11،12،13. من خلال تصوير ديناميات الهياكل النانوية الفردية مباشرة في وسائل الإعلام تشكيل السائل ، وقد وفرت هذه التقنية فهم أعمق للنوى وآليات النمو ، لا سيما دور العيوب البلورية، مورفولوجيا البذور و ligands العضوية التي تسمح قيادة النمو الاتجاهي أو عمليات النقش والحصول على المواد النانوية مع أشكال محددة (nanorods، نانوستارز، نانوبلاتس، nanoshells)10،11،12،13،14،15،16،17،18،19. عندما يتفاعل شعاع الإلكترون في TEM مع السوائل ، تنتج عمليات التحلل الإشعاعي أنواعا قوية للحد من الأنواع وتأكسدها تعدل كيمياء الحل في المنطقة المشععة ويمكن استخدامها لدفع عمليات النمو أو النقش. ومن المثير للاهتمام، ومن المعروف أن تركيز المنتجات التحليلية الإشعاعية لزيادة مع معدل جرعة الإلكترون، وهي المعلمة التي يمكن ضبطها بدقة في المجهر الإلكتروني20. لذلك، تم استغلال هذا الاعتماد على معدل الجرعة من التحلل الإشعاعي للسيطرة على سرعة التفاعل والكشف عن الآثار الحركية على عمليات التكوين ومورفولوجيا النهائي للهياكل النانوية11،15،20.
على الرغم من أن درجة الحرارة هي معلمة حاسمة في تخليق المواد النانوية ، إلا أن آثارها لم يتم التحقيق فيها بعناية من قبل LCTEM ، لأن الخلايا السائلة التجارية مع التحكم في درجة الحرارة الموثوق بها لم يتم تطويرها إلا مؤخرا. ومع ذلك، فإن مثل هذه الدراسات في الموقع لا غنى عنها لكشف الحركية المعقدة والآثار الدينامية الحرارية الناجمة عن التغيرات في درجة الحرارة. في الواقع ، من ناحية زيادة درجة الحرارة له آثار جذرية على عمليات الأوجه أثناء النمو ، ويسرع الانتشار الذري والجزيئي في السائل ويعدل معدلات التفاعل. من ناحية أخرى ، فإن الرسم التخطيطي لمرحلة النانو للهياكل النانوية حساس جدا لدرجة الحرارة. في هذه المقالة، ونحن استغلال الخلايا السائلة التدفئة وضعت مؤخرا لمتابعة النمو الإشعاعي للجسيمات النانوية الذهب في الماء مع التحكم في درجة الحرارة بين درجة حرارة الغرفة و 100 درجة مئوية. هذه المنهجية التي تجمع بين التصوير STEM والحيود في بيئة تقترب أكثر فأكثر من ظروف التوليف الحقيقية يقلل من الفجوة بين الملاحظات في الموقع TEM وsynses على نطاق مقاعد البدلاء.
ويمكن البروتوكول الموصوف من اتباع نواة ونمو الجسيمات النانوية الذهبية التي يحركها التحلل الإشعاعي في وسائط سائلة يتم التحكم في درجة حرارتها. جنبا إلى جنب مع معالجة الفيديو الآلي، فإنه يسمح بقياس تأثير درجة الحرارة على المعلمات الرئيسية لتوليف الجسيمات النانوية مثل الكثافة والحجم والشكل والهيكل الذري للجسيمات النانوية. تسمح هذه المدخلات القيمة بتقييم تأثير درجة الحرارة على معدلات النوى والنمو ، والكشف عن التحولات المرحلية المحتملة وتصور عمليات الأوجه التي تملي النتيجة النهائية للحلول الغروية. جنبا إلى جنب مع إمكانية السيطرة على تكوين وسائل الإعلام التفاعلية، والخلية السائلة التي تسيطر عليها درجة الحرارة TEM هو خطوة أخرى نحو المراقبة المباشرة لعمليات النوى والنمو من مختلف الهياكل النانوية في ظروف توليف واقعية. وسيناقش تفسير النتائج المعروضة في هذه المقالة ومقارنتها بنماذج النوى والنمو في أماكن أخرى. هنا، نريد أن نسلط الضوء على العديد من الجوانب المنهجية التي يجب النظر فيها لإجراء التجارب ذات الصلة في الموقع TEM.
بادئ ذي بدء ، من المهم تحديد تأثيرات شعاع الإلكترون في وسائط التفاعل لأنها يمكن أن تؤثر بشكل كبير على نتائج التجربة. هنا ، كما التحلل الإشعاعي المياه هي القوة الدافعة لتشكيل الجسيمات النانوية ، وسرعة النمو يزيد بسرعة مع معدل الجرعة الإلكترونية التي سوف تؤثر على الشكل النهائي للأجسام نانو11،15. لذلك ، لدراسة آثار درجة الحرارة على نواة ونمو الجسيمات النانوية ، من الضروري مقارنة تجارب النمو المكتسبة بنفس معدل جرعة الإلكترون. في وضع STEM، يتوافق معدل جرعة الإلكترون مع تيار الحزمة (بالإلكترونات في الثانية) مقسوما على حجم الصورة (بالنم2). لذلك، فإن معدل الجرعة الإلكترون الثابت يعني الحفاظ على نفس تيار الحزمة (أي نفس فتحة المكثف ونفس حجم البقعة) ونفس التكبير لكل تجربة. من المهم قياس تيار الحزمة لظروف التصوير باستخدام كاميرا CCD أو كوب فاراداي لتفسير البيانات وإعادة إنتاجها. يجب اختيار معدل التكبير والجرعة الناتجة وفقا لما إذا كان المرء يرغب في تصور نمو مجموعة كبيرة من الجسيمات النانوية لاستخراج النتائج ذات الصلة إحصائيا على حركية النمو(الشكل 5)أو آليات النمو على مقياس الجسيمات النانوية الواحد لتحديد مواقع الامتزاز التفضيلية على أسطح الجسيمات النانوية(الشكل 10). إذا كانت عمليات النوى والنمو سريعة جدا، وخاصة عند التكبير العالي، ينبغي اختيار فتحة مكثف صغيرة وحجم بقعة صغيرة لتقليل معدل الجرعة. كما يمكن أن تبطئ نواة ونمو الجسيمات النانوية عن طريق تقليل تركيز السلائف المعدنية في المحلول المحلل ولكن لاحظ أن تركيز المنتجات التحليلية سيزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. بشكل عام ، من المهم أيضا أن تأخذ في الاعتبار تاريخ تشعيع الإلكترون للعينة بأكملها. ففي هذه المنطقة، على سبيل المثال، إذا أجريت عدة تجارب نمو بسرعة في مناطق قريبة من بعضها البعض، فإن كثافة الجسيمات النانوية ستنخفض بمرور الوقت بسبب انخفاض تركيز السلائف الذهبية في المنطقة المدروسة. ويمكن تقليل هذا التأثير عن طريق فصل تجارب النمو في كل من المكان والزمان وباستخدام حامل السائل في وضع التدفق.
خوارزميات تتبع الواجهة مفيدة للغاية لأتمتة تحليل مقاطع الفيديو واستخراج النتائج الكمية على نواة ونمو تجميعات الجسيمات النانوية الكبيرة. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن خطوة ثنائية الصورة هي دائما بيانات محددة ، مما يعني أن المرشحات ومعالجة البيانات التي يجب تطبيقها على الصور لتحسين الكشف عن واجهة الجسيمات النانوية / السائلة ستختلف من تجربة إلى أخرى. وعلاوة على ذلك، من الضروري مقارنة نتائج هذه التحليلات الآلية بالقياسات اليدوية التي أجريت على عدد قليل من الصور لتحسين سير عمل معالجة الصور ومعرفة حدوده. هنا، على سبيل المثال، تؤدي أحداث التشتت المتعددة في الجسيمات النانوية ثلاثية الأبعاد السميكة بشكل متزايد التي تتشكل في درجة حرارة عالية إلى عكس التباين في جوهرها بعد 30 ثانية من المراقبة لأن التوسع الزاوي للإلكترونات المتناثرة يؤدي إلى انخفاض الإشارة التي تم جمعها في النطاق الزاوي للكاشف الحلقي. للحفاظ على قياس المساحة السطحية الحقيقية لهذه الجسيمات النانوية ، استخدمنا عملية بيانات “ثقوب التعبئة” بعد ثنائية الصورة التي تملأ الدائرة الداخلية لتناقضات شكل الحلقة(الشكل 7F، G). ومع ذلك ، كان علينا استخدام توالي صغير للكائنات للتأكد من أن تناقضات شكل الحلقة هذه متصلة دائما بشكل كامل. هذه الخطوة الأخيرة تؤدي إلى مبالغة طفيفة في تقدير متوسط مساحة السطح من الجسيمات النانوية في القياسات الآلية(الشكل 9). وبالمثل، للكشف عن الجسيمات النانوية، علينا أن نحدد الحد الأدنى لحجم الأجسام المكتشفة (Smim)لتجنب الكشف عن الضوضاء، ولكن هذه المعلمة تؤثر على معدل النوى المقاس. كما رأينا في الشكل 8، يزداد عدد الجسيمات النانوية المكتشفة في بداية التجربة للوصول إلى الهضبة. عندما تكونS min كبيرة (50 بكسل2 مقابل 1543 نانومتر2)،يتم الاتفاق على القياسات التلقائية واليدوية على مستوى هذه الهضبة (835 نانوجسيمات بعد 60 ثانية) ولكن يتم تأخير الكشف عن الجسيمات النانوية في التحليل التلقائي حيث يتم حساب 835 جسيمات نانوية يدويا بعد 12 ثانية فقط، ولكن لا يتم الكشف عنها تلقائيا حتى وقت لاحق. هذا الوقت الكشف الموسع يؤدي إلى بخس من معدل التنو. تقليلS min إلى 20 pixel2 (أي 617 nm2)يقلل من الخطأ في وقت النوى لتجميع الجسيمات النانوية ولكنه يؤدي إلى تقييم مفرط لكثافة الجسيمات النانوية خاصة في المرحلة المبكرة من التجارب(الشكل 8)الذي يؤثر أيضا على معدل النوى. الكشف وحجم وشكل القياسات من نانو الكائنات مع سلوك ديناميكي جدا وإشارة منخفضة إلى نسبة الضوضاء هو التحدي المشترك في المرحلة السائلة TEM التي يمكن تحسينها باستخدام طرق أخرى تجزئة وdenoising24 أو التعلم الآلي النهج25.
وأخيرا وليس آخرا، يجب أن يتم إعداد الخلية السائلة وتنظيف حامل السائل بعناية فائقة لتجنب تلوث وسائل الإعلام رد الفعل.
بشكل عام، يتيح التحكم في درجة حرارة العينة أثناء تحليلات LCTEM الفرصة للتحقيق في الآثار الحرارية على التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الواجهة بين المواد الصلبة والسوائل. لذلك، نأمل أن تمهد الطريقة الحالية الطريق لتجارب TEM الموقعية الأخرى المصممة للكشف عن ديناميكيات المواد الصلبة أو الناعمة أو البيولوجية في الوسائط السائلة التي يتم التحكم في درجة حرارتها.
The authors have nothing to disclose.
ونحن نعترف بامتنان بالدعم المالي للمنطقة إيل دو فرانس (اتفاقية SESAME E1845 للمجهر الإلكتروني JEOL ARM 200 F المثبت في جامعة باريس) ، ومشروع Labex SEAM (GLOIRE) وCNRS (برنامج Defi Nano). نشكر مادلين ديوك ودانيال فرانك لتقاسم المخططات والصور البصرية للخلايا السائلة التي شوهدت في الشكلين 1 و 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 |