액체 상 전자 현미경 실험 중 온도 제어는 형성 또는 응용 매체를 모방하는 액체 환경에서 나노 입자의 역학을 연구하는 새로운 관점을 열어줍니다. 최근에 개발된 가열 액체 세포를 사용하여, 우리는 직접 물에서 금 나노 입자의 핵형성 및 성장 과정에 온도의 영향을 관찰.
온도 조절은 액체 세포 투과 전자 현미경 검사법에 의한 나노화학을 연구할 수 있는 추가적인 정도의 자유를 제공하는 최근의 개발이다. 이 논문에서는, 우리는 물에서 무선 용해에 의해 구동 되는 금 나노 입자의 형성에 온도의 효과 연구 하기 위한 시투 가열 실험을 준비 하는 방법을 설명 합니다. 실험의 프로토콜은 최대 100°C의 균일한 가열 기능을 갖춘 특수 액체 셀, 유동 기능을 갖춘 액체 셀 TEM 홀더 및 온도를 제어하기위한 통합 인터페이스를 포함하는 매우 간단합니다. 우리는 금 나노 입자의 핵 형성 및 성장 메커니즘이 액체 세포의 온도에 의해 크게 영향을 받는 것을 보여줍니다. STEM 이미징 및 나노절절을 사용하여 성장하는 나노 입자의 밀도, 크기, 형상 및 원자 구조의 진화가 실시간으로 드러난다. 자동화된 이미지 처리 알고리즘은 나노입자의 핵형성 및 성장속도와 같은 비디오 서열으로부터 유용한 정량적 데이터를 추출하기 위해 활용된다. 이 접근법은 나노 물질의 액체 상 합성 중에 재생에서 복잡한 물리 화학 공정을 이해하기위한 새로운 입력을 제공합니다.
금속 나노 입자 (NPs)는 광학 감지1,약2 또는 에너지3과같은 다양한 영역에서 사용될 수있는 유망한 물리 화학 적 특성을 갖는다. 습식 화학 합성은 잘 정의 된 크기와 모양으로 금속 NP를 제조하는 매우 다양한 방법입니다. 지난 수십 년 동안, 많은 전략이 NPs 합성을 제어하기 위해 개발되었습니다 : 종자 매개 성장4,얼굴 차단 방법5,kinetically 대조 합성6,선택적 에칭7 또는 온도 제어 합성8. 그러나, 합성을 유도하는 화학 반응은 상당히 간단하지만, 많은 파라미터가 형성 공정에 역할을 하고 그들의 개별적인 영향은 합성의 주어진 시점 시점에서 그들의 형성 매체로부터 추출된 결과 나노 물질의 전 시투 스냅샷으로부터 회수하기 어렵기 때문에 핵형성 및 성장 메커니즘은 아니다. 핵 형성 및 성장 과정을 진정으로 이해하고 이를 제어하는 방법을 수립하려면 미세하게 제어된 액체 환경에서 실시간 관찰을 허용하는 시투 도구를 사용해야 합니다.
그 와 관련하여, 액체 세포 투과 전자 현미경 검사법(LCTEM)은 금속 나노 입자9,10,11,12,13의합성에 새로운 빛을 흘리기 위한 매우 강력한 방법이되었다. 액체 형성 매체에서 개별 나노 구조의 역학을 직접 이미징함으로써, 이 기술은 핵형성 및 성장 메커니즘, 특히 방향 성장 또는 에칭 공정을 구동하고 특정 형상(나노로드, 나노스타, 나노플레이트, 나노껍질)10,11,12,13,14,15, 16,18,18, 18, 18, 18, 18, 18, 189의결정 적 결함, 종자 형태 및 유기 리간드의 역할에 대한 심층적인 이해를 제공했습니다. TEM의 전자 빔이 액체와 상호 작용할 때, 방사선 분해 공정은 조사 된 영역에서 용액 화학을 수정하고 성장 또는 에칭 공정을 구동하는 데 사용할 수있는 강력한 감소 및 산화 종을 생성합니다. 흥미롭게도, 무선 분해 제품의 농도는 전자 용량율, 전자현미경(20)에서미세하게 조정할 수 있는 파라미터로 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이러한 투여속도 의존성은 반응 속도를 조절하고나노구조체 11,15,20의형성 과정 및 최종 형태에 대한 운동 효과를 드러내기 위해 이용되고있다.
온도는 나노 물질 합성에 있는 결정적인 매개변수이지만, 그 효력은 지금까지 LCTEM에 의해 주의 깊게 조사되지 않았습니다, 믿을 수 있는 온도 통제를 가진 상업적인 액체 세포는 최근에 개발되었기 때문에. 그러나, 이러한 시상 연구에서는 온도 변화에 의해 유도되는 복잡한 운동과 열역학 효과를 해명하는 데 필수적입니다. 실제로, 온도를 높이는 한편으로는 성장 하는 동안 얼굴 처리에 급격한 영향을 미칠, 액체에 원자 및 분자 확산 속도 및 반응 속도 수정. 한편, 나노구조의 나노위상 다이어그램도 온도에 매우 민감하다. 이 기사에서는 최근 개발된 가열 액체 세포를 활용하여 실온과 100°C 사이의 온도 조절을 통해 물 속에서 금 나노 입자의 무선 성장을 따릅니다. 실제 합성 조건에 점점 더 가까워지고 있는 환경에서 STEM 이미징과 회절을 결합한 이 방법론은 Situ TEM 관측과 벤치 스케일 신디사이저 사이의 격차를 줄입니다.
설명된 프로토콜은 온도 조절 액체 매체에서 무선 Lysis에 의해 구동되는 금 나노 입자의 핵 형성 및 성장을 가능하게 한다. 자동화된 비디오 처리와 결합하여 나노입자의 밀도, 크기, 형상 및 원자구조와 같은 나노입자 합성의 주요 파라미터에 대한 온도의 효과를 측정할 수 있습니다. 이러한 귀중한 입력을 통해 온도가 핵 형성 및 성장 속도에 미치는 영향을 평가하고 가능한 상 전환을 감지하고 콜로이드 솔루션의 최종 결과를 결정하는 패싯 공정을 시각화할 수 있습니다. 반응성 미디어의 조성을 제어할 수 있는 가능성과 함께, 온도 조절액 세포 TEM은 현실적인 합성 조건에서 다양한 나노구조의 핵형성 및 성장 과정의 직접적인 관찰을 향한 또 다른 단계이다. 이 문서에서 제시된 결과의 해석과 핵 형성 및 성장 모델과의 비교는 다른 곳에서 논의될 것입니다. 여기서는 Situ TEM 실험에서 관련성을 수행하기 위해 고려해야 하는 몇 가지 방법론적 측면을 강조하고자 합니다.
우선, 실험 결과에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 반응 매체에서 전자 빔 효과를 식별하는 것이 중요하다. 여기서, 수중 방사선분해가 나노입자 형성의 원동력이기 때문에, 나노물체의 최종 형상에 영향을 미치는 전자투여량율(11,15)으로성장 속도가 급격히 증가한다. 따라서 나노입자의 핵형성 및 성장에 대한 온도의 효과를 연구하기 위해서는 동일한 전자 용량비율로 획득한 성장 실험을 비교할 필요가 있다. STEM 모드에서, 전자 투여량은 영상 크기(nm2)로나눈 빔 전류(초당 전자)에 해당한다. 따라서, 일정한 전자 투여량은 동일한 빔 전류(즉, 동일한 응축기 조리개 및 동일한 현물 크기)와 각 실험에 대해 동일한 배율을 유지하는 것을 의미한다. CCD 카메라 또는 패러데이 컵을 사용하여 이미징 조건의 빔 전류를 정량화하는 것은 데이터를 해석하고 재현하는 것이 중요합니다. 상기 배율 및 결과 투여량율은 나노입자 표면상의 우대 흡착 부위를 식별하기 위해 단일 나노입자 스케일에서 통계적으로 관련 결과를 추출하기 위해 나노입자의 대형 조립체의 성장을 시각화하고자 하는지(도10)에따라 선택되어야 한다. 핵 형성 및 성장 과정이 너무 빠르면, 특히 높은 배율에서, 작은 응축기 조리개와 작은 반점 크기는 복용량 속도를 최소화하기 위해 선택되어야 한다. 나노입자의 핵형성 및 성장은 분석된 용액에서 금속 전구체의 농도를 감소시킴으로써 속도가 느려질 수 있지만, 온도에 따라 무선 분해 제품의 농도가 증가할 것이라는 점에 유의한다. 일반적인 방식으로, 전체 샘플의 전자 조사 내역을 고려하는 것도 중요합니다. 여기서, 예를 들어, 여러 성장 실험이 서로 가까운 지역에서 급속히 수행되는 경우, 연구된 지역에서 금 전구체의 농도가 감소하기 때문에 시간이 지남에 따라 나노 입자의 밀도가 감소할 것이다. 이러한 효과는 공간과 시간 모두에서 성장 실험을 분리하고 유동 모드에서 액체 홀더를 사용하여 최소화될 수 있다.
인터페이스 추적 알고리즘은 비디오 분석을 자동화하고 대형 나노 입자 어셈블리의 핵 형성 및 성장에 대한 정량적 결과를 추출하는 데 매우 유용합니다. 그러나 이미지 비나화 단계는 항상 데이터에 특정하므로 나노입자/액체 인터페이스의 검출을 최적화하기 위해 이미지에 적용해야 하는 필터 및 데이터 처리가 실험에서 다른 실험에 따라 달라질 수 있음을 의미합니다. 또한 이러한 자동화된 분석 결과를 몇 가지 이미지에서 수행된 수동 측정과 비교하여 이미지 처리 워크플로우를 최적화하고 그 한계를 아는 것이 필수적입니다. 여기서, 예를 들어, 고온에서 형성되는 점점 더 두꺼운 3D 나노입자에서 다중 산란 이벤트는 산란된 전자의 각도 확대가 환상 검출기의 각도 범위에서 수집된 신호의 감소를 초래하기 때문에 관찰 30초 후에 그들의 코어의 대비 반전을 유도한다. 이러한 나노입자의 실제 표면적을 계속 측정하기 위해, 우리는 링 형상 대비의 내부 원을 채우는 이미지의 바이너화 후 “채우기 구멍” 데이터 프로세스를 사용하였다(도7F,G). 그러나 이러한 링 셰이프 대비가 항상 완전히 연결되어 있는지 확인하기 위해 개체의 작은 확장체를 사용해야 했습니다. 이 후자단계는 자동화된측정(도 9)에서나노입자의 평균 표면적의 약간의 과대 평가로 이어집니다. 마찬가지로, 나노입자의 검출을 위해서는 노이즈를 감지하지 않으려면 검출된 물체(Smim)의최소한의 크기를 정의해야 하지만, 이 파라미터는 측정된 핵형성 속도에 영향을 미칩니다. 도 8에서볼 수 있듯이, 검출된 나노입자의 수는 실험 초기에 증가하여 고원에 도달한다. Smin이 큰 경우(50픽셀2 1543 nm2),자동 및 수동 측정은 이 고원(60초 후 835나노입자)의 수준에 합의되었지만, 835나노입자는 12초 후에만 수동으로 계산되지만, 나중에까지 는 자동으로 검출되지 않기 때문에 나노입자의 검출이 지연되기 때문에 자동 분석에서 나노입자의 검출이 지연된다. 이 연장된 검출 시간은 핵화 속도의 과소 평가로 이끌어 냅니다. Smin을 20픽셀2(즉, 617 nm2)로감소시켜 나노입자 어셈블리의 핵화 시간에 대한 오차를 감소시킵니다만, 특히 실험의 초기단계에서 나노입자 밀도의 과대 평가로 이어져 핵형성율에도 영향을 미친다. 매우 역동적인 동작과 낮은 신호 대 노이즈 비율을 가진 나노 물체의 검출 및 크기 및 형상 측정은 다른 세분화 및 디노이징방법(24) 또는 기계 학습접근법(25)을사용하여 더욱 개선될 수 있는 액체 위상 TEM에서 일반적인 과제이다.
마지막으로, 액체 세포의 준비와 액체 홀더의 세척은 반응 매체의 오염을 피하기 위해 매우 신중하게 수행해야합니다.
일반적으로 LCTEM 분석 중에 샘플의 온도를 제어하면 고체와 액체 사이의 인터페이스에서 발생하는 화학 반응에 대한 열 효과를 조사할 수 있습니다. 따라서, 우리는 본 방법이 온도 조절 액체 매체에서 단단, 연약하거나 생물학적 물질의 역학을 드러내도록 설계된 시투 TEM 실험에서 다른 쪽으로 길을 열어 줄 수 있기를 바랍니다.
The authors have nothing to disclose.
우리는 감사하게 지역 일 드 프랑스 (파리 대학에 설치된 JEOL ARM 200 F 전자 현미경에 대한 협약 SESAME E1845), 라텍스 SEAM (GLOIRE 프로젝트) 및 CNRS (Defi Nano 프로그램)의 재정 지원을 인정합니다. 우리는 마들린 듀크와 다니엘 프랑크가 그림 1과 2에서 볼 수있는 액체 세포의 회로도와 광학 사진을 공유해 주셔서 감사합니다.
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 |