液体相電子顕微鏡実験における温度制御は、その形成または応用媒体を模倣した液体環境におけるナノ粒子の動的な研究の新たな視点を開く。最近開発された加熱液細胞を用いて、水中の金ナノ粒子の核生成および成長過程における温度の影響を直接観測した。
温度制御は、液体細胞透過電子顕微鏡によるナノ化学の研究にさらなる自由度を提供する最近の開発である。本論文では、水中の放射線による金ナノ粒子の形成に対する温度の影響を研究するためのin at citu加熱実験を準備する方法を説明する。実験の議定書は100 °Cまでの均一な暖房機能を持つ特別な液体セル、流れ能力および温度を制御するための統合されたインターフェイスを備えた液体電池TEMのホールダーを含むかなり簡単である。金ナノ粒子の核生成・成長機構は、液体細胞の温度に大きく影響することを示す。STEMイメージングとナノディフ分を用いて、成長するナノ粒子の密度、大きさ、形状、原子構造の進化がリアルタイムで明らかになる。自動画像処理アルゴリズムを利用して、ナノ粒子の核生成や成長速度などのビデオシーケンスから有用な定量データを抽出します。このアプローチは、ナノ材料の液相合成中に遊ぶ複雑な物理化学的プロセスを理解するための新しいインプットを提供します。
金属ナノ粒子(NPs)は、光学センシング1、医薬2、 エネルギー3などの様々な領域で使用できる有望な物理化学的特性を有する。ウェット化学合成は、明確に定義されたサイズと形状を持つ金属のNPsを製造するための非常に汎用性の高い方法です。過去数十年にわたり、多くの戦略が開発されたNPs合成の制御を得るために:種子介在成長4、顔遮断法5、キネチカル制御合成6、選択的エッチング7 または温度制御合成8。しかし、合成を駆動する化学反応はかなり単純であるが、核生成および成長メカニズムは、多くのパラメータが形成プロセスにおいて役割を果たし、その個々の影響が合成の所定の時点でそれらの形成媒体から抽出された元の現場のスナップショットから取り出すのが難しいため、そうではない。核生成と成長過程を真に理解し、それらを制御する方法を確立するためには、細かく制御された液体環境でリアルタイムの観察を可能にする場で使用する必要があります。
その点、液体細胞透過型電子顕微鏡(LCTEM)は、金属ナノ粒子9、10、11、12、13の合成に新たな光を当てる非常に強力な方法であった。個々のナノ構造体のダイナミクスを液体形成媒体に直接イメージングすることにより、 この技術は、結晶欠陥、種子形態および有機リガンドの役割を深く理解し、方向性成長またはエッチングプロセスを駆動し、特定の形状(ナノロッド、ナノスター、ナノプレート、ナノシェル)10、11、12、13、14、15、16、17、18を提供する。TEMの電子ビームが液体と相互作用すると、放射線溶解プロセスは、照射領域の溶液化学を変更し、成長またはエッチングプロセスを駆動するために使用することができる強力な還元および酸化種を生成します。興味深いことに、放射線分解物の濃度は電子線量率とともに増加することが知られており、電子顕微鏡20で細かく調整できるパラメータである。従って、この放射線分解の用量速度依存性は、反応速度を制御し、ナノ構造11、15、20の形成過程および最終形態に対する運動学的影響を明らかにするために利用されてきた。
温度はナノ材料合成の重要なパラメータですが、温度制御が確実な市販の液体細胞が最近開発されたばかりであるため、LCTEMではこれまでのところその効果を慎重に調査していません。しかし、このような研究では、温度変化によって引き起こす複雑な運動学や熱力学的効果を解明するために不可欠です。確かに、温度を上げると、成長中のファセットプロセスに大きな影響を与え、液体中の原子および分子拡散をスピードアップし、反応速度を変更します。一方、ナノ構造のナノ相図も温度に対して非常に敏感である。本稿では、最近開発された加熱液体細胞を利用して、室温と100°Cの間の温度制御を伴う水中の金ナノ粒子の放射線増殖に従う。 この方法論は、実際の合成条件に近づいている環境におけるSTEMイメージングと回折を組み合わせることで、Situ TEM観測とベンチスケールの合成のギャップを減少させます。
このプロトコルは、温度制御された液体媒体における放射線による金ナノ粒子の核形成および成長を可能にする。自動ビデオ処理と組み合わせることで、ナノ粒子の密度、サイズ、形状、原子構造などのナノ粒子合成の主要パラメータに対する温度の影響を測定できます。これらの貴重な入力は、核生成および成長速度に対する温度の影響を評価し、可能な相転移を検出し、コロイド溶液の最終的な結果を決定するファセットプロセスを視覚化することを可能にする。反応性媒体の組成を制御する可能性と共に、温度制御液体細胞TEMは、現実的な合成条件における様々なナノ構造の核生成および成長過程の直接観察に向けたもう一つのステップである。本稿で提示された結果の解釈と核生成および成長モデルとの比較は、他の場所で議論される。ここでは、Situ TEM実験に関連する必要があるいくつかの方法論的側面を強調したいと考えています。
まず、実験結果に大きな影響を与える可能性があるため、反応媒体における電子線の効果を特定することが重要です。ここで、水のラジオリシスがナノ粒子形成の原動力であるほど、ナノオブジェクト11,15の最終形状に影響を与える電子線量速度とともに成長速度が急速に上昇する。したがって、ナノ粒子の核生成及び成長に対する温度の影響を研究するために、同じ電子線量率で得られた成長実験を比較する必要がある。STEMモードでは、電子線量速度は、ビーム電流(電子/秒)を画像サイズで割った値(nm2)で割った値に対応する。したがって、一定の電子線量率は、同じビーム電流(すなわち、同じ凝縮器開口と同じスポットサイズ)を維持することを意味し、各実験に対して同じ倍率を維持する。CCDカメラやファラデーカップを使用して、撮像条件のビーム電流を定量化することは、データを解釈して再現するために重要です。倍率および結果として得られる線量率は、ナノ粒子の大規模な集合体の成長を可視化して、成長動態(図5)または単一ナノ粒子スケールでの成長メカニズムを抽出して、ナノ粒子表面上の優先吸着部位を同定することを望むかどうかに応じて選択すべきである(図10)。核生成および成長過程が速すぎる場合、特に高倍率では、小さな凝縮器絞りと小さなスポットサイズを選択して、線量を最小限に抑える必要があります。ナノ粒子の核化と成長はまた、分析された溶液中の金属前駆体の濃度を低下させることによって減速することができるが、放射線分解物の濃度は温度とともに増加することに注意してください。一般的に、試料全体の電子照射履歴を考慮することも重要である。ここで、例えば、複数の成長実験が互いに近い領域で迅速に行われる場合、研究領域における金前駆体の濃度が低下するため、ナノ粒子の密度は時間の経過とともに減少する。この効果は、空間と時間の両方で成長実験を分離し、フローモードで液体ホルダーを使用することによって最小限に抑えることができます。
インターフェース追跡アルゴリズムは、ビデオの解析を自動化し、大規模なナノ粒子アセンブリの核生成と成長に関する定量的な結果を抽出するのに非常に有用です。ただし、画像二値化ステップは常にデータ固有であり、ナノ粒子/液体界面の検出を最適化するために画像に適用する必要のあるフィルタとデータ処理は実験によって異なることを意味します。さらに、画像処理ワークフローを最適化し、その限界を知るためには、これらの自動分析の結果をいくつかの画像で実行された手動測定と比較することが不可欠です。ここで、例えば、高温で形成される増え強い厚さの3Dナノ粒子における複数の散乱事象は、散乱電子の角広がりを環状検出器の角範囲で収集された信号の減少をもたらすため、30秒間の観察後にコアのコントラスト反転を誘導する。これらのナノ粒子の真の表面積を測定し続けるために、リング形状のコントラストの内側の円を埋める画像の二値化後の「フィルホール」データプロセスを用いた(図7F,G)。しかし、これらのリング形状のコントラストが常に完全に接続されていることを確認するために、オブジェクトの小さな拡張を使用する必要がありました。この後者のステップは、自動測定におけるナノ粒子の平均表面積のわずかな過大評価をもたらす(図9)。同様に、ナノ粒子の検出のために、ノイズの検出を避けるために検出された物体の最小サイズ(Smim)を定義する必要がありますが、このパラメータは測定された核生成速度に影響を与えます。図8に示すように、実験開始時に検出されたナノ粒子の数が増加し、高原に到達する。Sminが大きい場合(1543nm2に対応する50ピクセル2)、自動および手動測定はこの高原(60秒後の835ナノ粒子)のレベルで合意したが、835ナノ粒子は12秒後に手動で数えられるので、ナノ粒子の検出は遅れるが、後で自動的に検出されない。この検出時間の延長は、核生成率の過小評価につながります。Sminを20ピクセル2(すなわち、617nm2)に減らすことは、ナノ粒子アセンブリの核生成時間の誤差を減少させるが、特に実験の初期段階におけるナノ粒子密度の過大評価につながる(図8)また、核生成速度に影響を与える。極めて動的な挙動と低い信号対雑音比を有するナノ物体の検出およびサイズおよび形状測定は、他のセグメンテーションおよび脱ノイジング法24または機械学習アプローチ25を用いてさらに改善することができる液相TEMにおける一般的な課題である。
最後になりましたが、液体セルの調製と液体ホルダーの洗浄は、反応媒体の汚染を避けるために非常に慎重に行う必要があります。
一般に、LCTEM 分析中にサンプルの温度を制御することで、固体と液体の界面で発生する化学反応に対する熱的影響を調査する機会が得られます。したがって、温度制御された液体媒体における硬、軟質、または生物学的物質のダイナミクスを明らかにするために設計されたsitu TEM実験において、本方法が他の方法への道を開くことを期待しています。
The authors have nothing to disclose.
我々は、地域Ile-de-France(パリ大学に設置されたJEOL ARM 200 F電子顕微鏡のための大会SESAME E1845)、ラレックスシーム(GLOIREプロジェクト)およびCNRS(デフィナノプログラム)の財政的支援を感謝しています。マデリーン・デュークスとダニエル・フランクは、図1と2に示す液体細胞の回路図と光学写真を共有してくれたことに感謝します。
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 |