חושף תהליכים דינמיים של חומרים בנוזלים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים סלולריים נוזלי
Summary
פתחנו תא עצמאי נוזלי, המאפשר הדמיה באמצעות נוזלים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים. תהליכים דינמיים של חלקיקים בנוזל יכולים להתגלות בזמן אמת עם רזולוצית המשנה ננומטר.
Abstract
ההתפתחות האחרונה באתרו במיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים, המאפשר הדמיה באמצעות נוזלים עם רזולוציה מרחבית גבוהה, משכה אינטרסים משמעותיים על פני תחומי המחקר של מדע חומרים, פיסיקה, כימיה וביולוגיה. הטכנולוגיה המאפשרת מפתח הוא תא נוזלי. אנחנו לפברק תאים נוזליים עם חלונות צפייה הדקה באמצעות תהליך microfabrication רציף, כוללים תצהיר סיליקון ניטריד קרום, דפוסי photolithographic, תחריט רקיק, מליטה ניידת וכו 'תא נוזל עם הממדים של רשת TEM רגילה יכול להתאים בכל בעל מדגם TEM סטנדרטי . כ 100 פתרון תגובת nanoliters נטען למאגרים וכ 30 נוזל picoliters נשאב לתוך החלונות צופים בכוח נימים. כתוצאה מכך, התא אטום ונטען לתוך מיקרוסקופ להדמיה באתרו. בתוך TEM, אלומת האלקטרונים עוברת דרך שכבת הנוזל הדקה דחוקה בין שני קרומי סיליקון ניטריד. proc הדינמיהנון של חלקיקים בנוזל, כגון נוקלאציה וצמיחה של nanocrystals, דיפוזיה והרכבה של חלקיקים, וכו ', כבר צלם בזמן אמת עם רזולוציה ננומטר. גם יש לנו ליישם שיטה זו לאזורים אחרים במחקר, למשל, חלבוני הדמיה במים. TEM תא הנוזלי צפוי לשחק תפקיד מרכזי בחשיפת תהליכים דינמיים של חומרים בסביבת העבודה שלהם. הוא גם יביא השפעה גבוהה במחקר של תהליכים ביולוגיים בסביבה הטבעית שלהם.
Introduction
המחקר של תגובות כימיות בנוזלים בזמן אמת וחומרי הדמיה ביולוגיים בסביבה הטבעית שלהם היה אינטרסים משמעותיים על פני תחומי המחקר 1-5. בשל רזולוציה מרחבית הגבוהה של מיקרוסקופיה אלקטרוני הילוכים (TEM), הדמיה באמצעות נוזלים באמצעות TEM משך הרבה תשומת לב 4,5. עם זאת, זה כבר אתגר גדול לדגימות נוזלות תמונה באמצעות TEM, מאז מיקרוסקופ הקונבנציונלי מופעל בסביבת ואקום גבוהה. בנוסף, דגימות נוזל צריכות להיות דק מספיק כדי לאפשר לקרן האלקטרונים לעבור. וויליאמסון ואח'. 6 דיווח כי הדמיה של תצהיר אלקטרוכימי של Cu ניתן להשיג עם רזולוצית 5 ננומטר באמצעות תא אלקטרוכימי נוזל פעל בTEM. דה יונגה et al. 1 היה מסוגלת דגימות ביולוגיות תמונה דרך מים עבים מיקרומטר serveral באמצעות סריקת TEM (S). ניגודיות הנמוכה של הדגימות הביולוגיות לא הייתהגדל כנושא מאז חלקיקי זהב שמשו כסמנים להדמיה. דגימת הנוזל הסמיכה לא הייתה בעיה אחת מאז מצב הדמית הגזע שמש ורזולוצית ננומטר הושגה. לאחרונה פתחנו תא עצמאי נוזלי, המאפשר הדמית TEM זמן אמת של חלקיקי colloidal בנוזלים עם רזולוצית subnanometer 5,7. תאים אלה פותחו לאחרונה נוזליים, המציעים רזולוציה משופרת והדמיה מהר TEM (30 פריימים לשניים, שלא הושג על ידי הדמיה ברזולוציה גבוהה STEM), אפשר ללמוד דינמיקת nanoparticle colloidal בנוזלים. התאים הנוזליים להשתלב בעל TEM סטנדרטי ויכולים להיות מופעלים כדגימות TEM רגילות. כמות קטנה של נוזל (כ 30 picoliters) ניתן לבדוק באתר תחת תגובה כימית מורחבת. שונות הדמיה ואנליטי (כלומר, אנרגיה נפיצה רנטגן ספקטרוסקופיה) טכניקות ניתן ליישם. מאז העובי הכולל של חלון התצוגה (כולל קרומיםושכבת הנוזל) ניתן לשלוט על 100 מייל ימי או מתחת, הדמיה ישירה של דגימות ביולוגיות (חלבונים כלומר) במים נוזליים ללא סמני nanoparticle זהב גם הושגה 8.
בשני העשורים האחרונים, היו הישגים משמעותיים בסינתזות והיישומים של nanocrystals colloidal 9-11. עם זאת, ההבנה של איך nucleate חלקיקים, לגדול ולתקשר אחד עם השני בנוזלים היא בעיקר אמפירית ובעיקר על בסיס אתרו לשעבר ניתוחי 11-13. הפיתוח של TEM תא הנוזל מספק פלטפורמה ייחודית ללימוד התהליכים הדינמיים של חלקיקים בנוזל ב5,7,14,15 אתרו.
אנחנו לפברק תא נוזל עצמאי פרוסות סיליקון באמצעות אולטרה דקות (100 מיקרומטר) על ידי תהליך microfabrication רציף. הוא כולל תצהיר של קרום סיליקון ניטריד, דפוסי photolithographic, תחריט רקיק, בתצהיר spacer, ותאמליטה, כ 50 nanoliters וכו 'של פתרון התגובה נטענת למאגר, שנמשך אל תוך התא על ידי כוח נימים. אנחנו ממלאים את המאגר האחר עם 50 nanoliters נוסף של הנוזלים. כתוצאה מכך, התא אטום ונטען לתוך מיקרוסקופ להדמיה באתרו. בתוך מיקרוסקופ, הנוזלי דחוק בין שני קרומי סיליקון ניטריד (סה"כ כ 30 picoliters) ניתן לבדיקה. כאשר קרן האלקטרונים עוברת דרך שכבת הנוזל הדקה, תהליכים דינמיים של חלקיקים בנוזל יכולים להיות במעקב בזמן אמת. נוקלאציה וצמיחה של חלקיקים יכולים להיגרם על ידי קרן האלקטרונים שבמקרים מסוימים יכול להיות מופעל על ידי תגובות 5,7 או מקור חימום חיצוני 14,16. כאשר הניזק הוא קרן האלקטרונים של דאגה, קרן נוכחית אלקטרונים נמוכים (מינון) יש להשתמש.
מאחר ותאים נוזליים מיוצרים מתהליכי microfabrication סיליקון ובקבוצות גדולות, שינויים בקרום או בנוזלעובי נוזל בין תאים בודדים יכול להיות L6 smal. כל חוקר שיש לו הכשרת microfabrication בסיסית יכול לעשות בהצלחת תאים נוזליים. טכניקת הטיפול הנוזלית ובאתר TEM פעולה גם ניתן לשלוט אחרי אימון. יצוין, כי מלבד באמצעות ממברנות סיליקון ניטריד כמו חלונות להצגה, חומרים אחרים כגון דו תחמוצת סיליקון, סיליקון או פחמן (כולל גרפן) יכולים לשמש חלון הקרום כמו גם 17-19. מאחר והתאים הנוזליים שלנו באמצעות צפיית חלונות קטנים, כלומר, 1 50 מיקרומטר x, לא בולטים של הקרומים נצפו. ו, תא הנוזל הוא גם חזק לתפעול, כלומר מתחת 1% מתאים נוזליים שברו חלונות במהלך הניסויים. בנוסף, עובי שכבת הנוזל יכול גם להיות מכוון על ידי שינוי אופן גמיש בעובי של spacer אינדיום הופקד. במהלך הכנת מדגם, תא נוזל אטום יכול לשמור על נוזלים במשך כמה ימים ללא דליפה. הכמות הקטנה של נוזל יכולהתיבחן במשך מספר שעות מתחת לקרן האלקטרונים, המאפשרת הלימוד של תגובה כימית מורחבת בזמן אמת.
עד כה, יש לנו תהליכים דמיינו ייחודיים רבים דינמיים של חלקיקים בנוזלים, למשל, צמיחה והתגבשות של חלקיקי Pt 5,15, דיפוזיה של חלקיקים בנוזל דק 20,21, תנודות צמיחה של חלקיקי Bi 14, וצמיחה של 3 Pt nanorods Fe מלוקי nanoparticle בניין 7, וכו 'בנוסף, יש לנו גם ליישם שיטה זו לאזורים אחרים, למשל, חלבוני הדמיה במים נוזליים עם 2.7 ננומטר ברזולוציה 8. לסיכום, טכניקת TEM תא הנוזל שלנו כבר הוכיחה שפיתוח יקר מאוד ללימוד מגוון רחב של סוגיות יסוד במדע חומרים, פיסיקה, כימיה וביולוגיה. אנו מאמינים שיש עדיין מקום גדול להתקדמות בעתיד טכני ויישומים של TEM הנוזלי וזה בהחלט יהיה סבלנות גבוההct בקשת רחבה של מחקר מדעי.
Protocol
Representative Results
Discussion
כל תהליכי הייצור נעשו בחדר הנקי, שבו התקני מוליכים למחצה הם עשו.
לפני התצהיר של אינדיום, O 2 ניקוי פלזמה של השבבים הוא הכרחי כדי לחסל את השאריות אורגניות על פני השטח. לפיכך, spacer אינדיום איכות גבוהה יכול להיות מושגת, אשר יכול לש?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ג'נג מודה פרופ 'א' ופול Alivisatos ד"ר אולריך Dahmen לדיונים מועילים במהלך ההתפתחות המוקדמת של תאי EM נוזליים. היא מודה לתמיכה של DOE Office של תכנית מחקר בתחילת קריירה מדעית.
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).
