Summary

Revelando los procesos dinámicos de los materiales en líquidos con líquido de transmisión celular Microscopía Electrónica

Published: December 20, 2012
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Summary

Hemos desarrollado una célula de líquido en sí misma, que permite obtener imágenes a través de líquidos utilizando un microscopio electrónico de transmisión. Los procesos dinámicos de nanopartículas en los líquidos pueden ser revelados en tiempo real con resolución sub-nanométrica.

Abstract

El reciente desarrollo de la microscopía electrónica de transmisión in situ, lo que permite obtener imágenes a través de líquidos con alta resolución espacial, ha atraído a importantes intereses en todos los campos de investigación de la ciencia de materiales, la física, la química y la biología. La tecnología clave es una célula líquida. Fabricamos células líquidos con ventanas de visión finas a través de un proceso secuencial de microfabricación, incluyendo la deposición de membrana de nitruro de silicio, patrón fotolitográfico, el grabado de obleas, la unión celular, etc Una célula líquido con las dimensiones de una rejilla TEM regular puede encajar en cualquier soporte TEM estándar de la muestra . Acerca de 100 nanolitros solución de reacción se carga en los reservorios y aproximadamente 30 picolitros líquido se introduce en las ventanillas de visualización por la fuerza capilar. Posteriormente, la célula se sella y se carga en un microscopio para formación de imágenes in situ. Dentro de la TEM, el haz de electrones pasa a través de la capa de líquido delgada intercalada entre dos membranas de nitruro de silicio. Proc dinámicoeses de las nanopartículas en líquidos, tales como la nucleación y el crecimiento de nanocristales, difusión y el ensamblaje de nanopartículas, etc, han sido fotografiadas en tiempo real con resolución sub-nanométrica. También hemos aplicado este método a otras áreas de investigación, por ejemplo, proteínas de imagen en agua. Célula TEM líquido está destinado a desempeñar un papel importante en la revelación de los procesos dinámicos de los materiales en sus entornos de trabajo. También puede someter alto impacto en el estudio de los procesos biológicos en su ambiente nativo.

Introduction

El estudio de las reacciones químicas en líquidos en tiempo real y los materiales de formación de imágenes biológicas en su medio natural han sido de participaciones significativas a través de los campos de investigación 1-5. Debido a la alta resolución espacial de microscopía electrónica de transmisión (TEM), imágenes por medio de líquidos utilizando TEM ha atraído mucha atención de 4,5. Sin embargo, ha sido un gran desafío para las muestras líquidas usando la imagen TEM, ya que el microscopio convencional se utiliza en un entorno de alto vacío. Además, las muestras líquidas tienen que ser lo suficientemente delgada como para permitir que el haz de electrones que pasar. Williamson et al. 6 informó de que la imagen de deposición electroquímica de Cu se puede lograr con una resolución de 5 nm usando una celda electroquímica líquido operado en un TEM. De Jonge et al. 1 fue capaz de muestras de imágenes biológicas a través de agua micrómetro serveral de espesor utilizando un barrido (S) TEM. El bajo contraste de las muestras biológicas no eraplanteado como un problema ya que las nanopartículas de oro fueron utilizados como marcadores para la obtención de imágenes. La muestra de líquido espeso no fue un problema ya que STEM modo de imagen se utilizó y resolución nanométrica se logró. Recientemente, hemos desarrollado una célula de líquido en sí misma, que permite obtener imágenes TEM verdadero tiempo de nanopartículas coloidales en líquidos con resolución subnanometer 5,7. Estas células recién desarrolladas líquidos, que ofrecen una resolución mejorada y más rápida obtención de imágenes de TEM (30 cuadros por segundo que no se ha logrado mediante formación de imágenes de alta resolución STEM), hizo posible para estudiar la dinámica de nanopartículas coloidales en líquidos. Las células líquidos encajan en un soporte TEM estándar y puede ser operado como muestras de TEM regulares. Una pequeña cantidad de líquido (aproximadamente 30 picolitros) puede ser examinada in situ en una reacción química extendida. Varios de formación de imágenes y de análisis (es decir, energía dispersiva de espectroscopia de rayos X) técnicas se pueden aplicar. Dado que el espesor total de la ventana de visualización (incluyendo membranasy la capa de líquido) puede ser controlada a 100 nm o menos, la imagen directa de muestras biológicas (es decir, proteínas) en el agua líquida sin marcadores de nanopartículas de oro también se ha conseguido 8.

En las últimas dos décadas, ha habido logros significativos en la síntesis y aplicaciones de los nanocristales coloidales 9-11. Sin embargo, la comprensión de cómo nucleada nanopartículas, crecer e interactuar unos con otros en líquidos es en gran medida empírico y en su mayoría sobre la base de análisis in situ ex 11-13. El desarrollo de la célula TEM líquido proporciona una plataforma única para estudiar los procesos dinámicos de las nanopartículas en los líquidos in situ 5,7,14,15.

Fabricamos una célula líquido autocontenido el uso de ultra delgadas obleas de silicio (100 m) por un proceso de microfabricación secuencial. Se incluye la deposición de la membrana de nitruro de silicio, patrón fotolitográfico, el grabado de obleas, la deposición de espaciador, y la célulaunión, etc Acerca de 50 nanolitros de la solución de reacción se carga en un depósito, que se introduce en la célula por la fuerza capilar. Llenamos el otro depósito con otros 50 nanolitros de líquido. Posteriormente, la célula se sella y se cargan en el microscopio para la formación de imágenes in situ. En el interior del microscopio, el líquido colocada entre dos membranas de nitruro de silicio (total aproximadamente 30 picolitros) puede ser examinado. Cuando el haz de electrones pasa a través de la capa de líquido delgada, procesos dinámicos de las nanopartículas en los líquidos puede ser monitoreado en tiempo real. La nucleación y el crecimiento de las nanopartículas puede ser inducida por el haz de electrones en algunos casos 5,7 o reacciones puede ser activado por una fuente de calor externa 14,16. Cuando el daño haz de electrones es de una preocupación, baja corriente de haz de electrones (dosis) se debe utilizar.

Puesto que las células líquidos se fabrican de procesos de microfabricación de silicio y en grandes lotes, las variaciones en la membrana o líquidosespesor entre las células individuales de líquidos puede ser l6 smal. Cualquier investigador que tiene entrenamiento básico microfabricación con éxito puede hacer que las células de líquido. La técnica de tratamiento de líquidos e in situ el funcionamiento TEM también se puede dominar después de la práctica. Cabe señalar que, además de utilizar membranas de nitruro de silicio como las ventanillas de visualización, otros materiales tales como dióxido de silicio, silicio o carbono (incluyendo grafeno) se puede utilizar como la ventana de membrana, así 17-19. Dado que nuestras células líquidas utilizando pequeño ventanas de visión, es decir, 1 x 50 micras, no abultamiento de las membranas se ha observado. Y, la célula líquido es también robusto para funcionar, es decir, por debajo de 1% de las células líquidos han roto ventanas durante los experimentos. Además, el espesor de la capa de líquido también puede ser flexible sintonizado cambiando el grosor del separador de indio depositado. Durante la preparación de la muestra, una célula líquida sellada puede mantener líquidos durante varios días sin fugas. La pequeña cantidad de líquido puedeexaminarse durante varias horas bajo el haz de electrones, lo que permite el estudio de una reacción química extendida en tiempo real.

Hasta el momento, hemos visualizado muchos procesos dinámicos únicas de las nanopartículas en los líquidos, por ejemplo, el crecimiento y coalescencia de las nanopartículas de Pt 5,15, la difusión de las nanopartículas en líquidos poco espesos 20,21 crecimiento, fluctuación de las nanopartículas Bi 14, y el crecimiento de Pt 3 nanorods Fe a partir de estructuras de nanopartículas 7, etc Además, también hemos aplicado este método a otras áreas, por ejemplo, las proteínas de imagen en el agua líquida con 2,7 nm de resolución 8. En resumen, nuestra técnica TEM líquido celular se ha demostrado ser un desarrollo muy valiosa para el estudio de una amplia gama de cuestiones fundamentales en la ciencia de materiales, la física, la química y la biología. Creemos que todavía hay espacio grande para las futuras mejoras técnicas y aplicaciones de la TEM líquido y sin duda será un gran impact en un amplio espectro de la investigación científica.

Protocol

1. Microfabrication de Celdas líquidos Preparar las obleas de silicio (p-dopado, 100 micras de espesor y 4 pulgadas de diámetro) y limpiar las obleas utilizando un baño de oblea estándar de procedimiento de limpieza. Depósito de bajo estrés películas delgadas de nitruro de silicio (20 nm de espesor) en ambos lados de las obleas de silicio de baja presión de deposición de vapor químico (LPCVD) método. Una receta de ratón desarrollado se utiliza para el depósito, que permite el crecimient…

Representative Results

Mediante el uso de método líquido de célula TEM, hemos visualizado el crecimiento de solución de Pt 3 nanorods Fe a partir de estructuras de nanopartículas. Figura 2 muestra imágenes secuenciales que describen la trayectoria de crecimiento de un 3 Pt Fe nanorod en condiciones de solución diferentes. Proceso de coloreado con Photoshop falso se utilizó para destacar las nanopartículas. Cuando la mezcla de disolvente de pentadecano y oleilamina (7…

Discussion

Todos los procesos de fabricación se han hecho en la sala limpia, en donde los dispositivos semiconductores se fabrican.

Antes de la deposición de indio, O 2 limpieza por plasma de los chips es necesario para eliminar el residuo orgánico en la superficie. Por lo tanto, un espaciador de calidad de indio puede ser alta, lo que puede mejorar la unión de los chips superior e inferior y el rendimiento de células fuga de líquido libre.

El nitruro de si…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Zheng gracias Prof. A. Paul Alivisatos y el Dr. Ulrich Dahmen útil para los debates durante el desarrollo temprano de la EM células líquidos. Ella está muy agradecida al apoyo de la Oficina de Ciencia del DOE Early Career Research Program.

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

  1. de Jonge, N., Ross, F. M. Electron microscopy of specimens in liquid. Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).
  2. Sun, Y. G. Watching nanoparticle kinetics in liquid. Mater. Today. 15, 140-147 (2012).
  3. Tao, F., Salmeron, M. In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments. Science. 331, 171-174 (2011).
  4. 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).
  5. Zheng, H., et al. Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories. Science. 324, 1309-1312 (2009).
  6. 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).
  7. Liao, H. -. G., Cui, L., Whitelam, S. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336, 1011-1014 (2012).
  8. 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).
  9. Yin, Y. D., et al. Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale Kirkendall Effect. Science. 304, 711-714 (2004).
  10. 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).
  11. Peng, X. G., et al. Shape control of CdSe nanocrystals. Nature. 404, 59-61 (2000).
  12. Skrabalak, S. E., et al. Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications. Accounts of Chemical Research. 41, 1587-1595 (2008).
  13. 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).
  14. Xin, H. L., Zheng, H. In Situ Observation of Oscillatory Growth of Bismuth Nanoparticles. Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).
  15. Murray, C. B. Watching Nanocrystals Grow. Science. 324, 1276-1277 (2009).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria. Nano Letters. 11, 1270-1275 (2011).
  19. Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
  20. 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).
  21. Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).

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Cite This Article
Niu, K., Liao, H., Zheng, H. Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (70), e50122, doi:10.3791/50122 (2012).

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