На месте Характеристика бемит частиц в воде с использованием жидких SEM
Summary
Мы представляем процедура в реальном времени обработки изображений и анализа элементного состава бемит частиц в деионизированной воде в situ жидкостью сканирование электронной микроскопии.
Abstract
В situ изображений элементного анализа и бемита (AlOOH) частиц в воде реализуется с помощью системы для анализа на жидкий вакуум интерфейс (Сальви) и сканирование электронная микроскопия (SEM). Этот документ описывает метод и ключевых шагов в деле интеграции вакуум совместимый SAVLI SEM и получения средней электронов (SE) изображения частиц в жидкости в высоком вакууме. Энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии (EDX) используется для получения элементного анализа частиц в жидкости и контроля проб, включая только деионизированную воду (DI) и пустой канал а. Синтезированные бемита (AlOOH) частиц, взвешенных в жидкости используются в качестве модели в жидких SEM иллюстрации. Результаты показывают, что частицы могут отражаться в режиме SE с хорошим разрешением (т.е., 400 Нм). Спектр AlOOH EDX показывает значительный сигнал из алюминия (Al) по сравнению с водой, ди и пустой канал управления. В situ жидкого SEM – это мощный метод для изучения частиц в жидкости с большим количеством интересных приложений. Эта процедура призвана обеспечить техническое ноу-хау с целью проведения жидкий SEM изображений и анализа EDX Сальви и уменьшить потенциальные проблемы при использовании этого подхода.
Introduction
Сканирующий электронный микроскоп (SEM) широко применяется для расследования различных образцов, производя высоким разрешением изображений1. Энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии (EDX), связанные с SEM включает определение элементного состава1. Традиционно SEM применяется для визуализации только сухих и твердых образцов. За последние 30 лет экологические SEM (ESEM) был разработан для анализа частичного гидратированных образцы в пара среды2,3,4,5. Однако ESEM неспособен изображения мокрой, полностью жидкости образцы с желаемой высоким разрешением6. Мокрый SEM клетки были также разработаны для изображения мокрые образцы с помощью SEM,78; Тем не менее эти клетки были разработаны главным образом для биологических образцов и рассеяния электронов изображений и более доступны для приложений с помощью этих конструкций9,10.
Для решения проблем в анализе различных образцов в их родной жидкой среде с помощью SEM, мы изобрели вакуумные совместимый microfluidic устройства, системы для анализа в жидкий интерфейс вакуум (Сальви), чтобы включить высокое пространственное разрешение вторичного электронов (SE) изображений и элементарного анализа жидких проб с использованием режима высокого вакуума в SEM. Эта технология включает в себя следующие уникальные особенности: 1) жидкость непосредственно зондируемой в диафрагме 1-2 мкм в диаметре; 2) жидкость проходит в отверстие на поверхностное натяжение; и 3) Сальви является переносимым и может быть адаптирована к более чем одной аналитической платформы11,12,13,14,,1516,17 ,18.
Сальви состоит из 100 Нм толщиной Кремний нитрид (SiN) мембраны и широкий микроканальные 200 мкм из блока полидиметилсилоксан (PDMS). Грех мембраны окно применяется для герметизации микроканальные. Изготовление деталей и ключевые вопросы были подробно изложены в предыдущих документах и патенты11,19,20. В настоящее время ведущий производитель и дистрибьютор расходных поставок для микроскопии приобрел лицензию на продажу устройств Сальви коммерчески для жидких SEM приложения21,22.
Приложения Сальви в вакуум-аналитических инструментов были продемонстрированы с использованием различных водных растворов и сложных жидких смесей, включая биопленки, клетки млекопитающих, наночастиц и электродных материалов12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. Однако большинство вышеупомянутых работ используются время полета вторичной ионной масс-спектрометрии (ToF-SIMS) как средство анализа ключевых, таким образом применение жидких SEM с Сальви не были полностью изучены. В этой работе Сальви использовалась для изучения больших несферические коллоидных частиц в жидкости с помощью жидкого SEM изображений и EDX элементного анализа. Образец состоит из частиц AlOOH синтезированы в нашей лаборатории. Частицы размером субмикронной бемит известны существовать в высокорадиоактивных отходов на сайте Хэнфорд. Они медленно растворяются и может вызвать реологических проблемы в обработке отходов. Таким образом важно иметь возможность характеризовать бемит частиц в жидкости25. Этот технический подход может использоваться для изучения бемит в различных физико-химических условиях для улучшения понимания этих частиц и связанных с ними реологических свойств. Эти частицы были использованы продемонстрировать пошаговую инструкцию как применить Сальви высокого вакуума SEM для изучения частиц, взвешенных в жидкости. Ключевые технические моменты для Сальви и SEM интеграции и SEM сбора данных выделяются в рамках бумаги.
Протокол обеспечивает демонстрацию жидкий образец анализа с использованием Сальви и жидких SEM изображений, для тех, кто заинтересован в использовании этот роман технику в различных приложениях жидких SEM в будущем.
Protocol
Representative Results
Discussion
SEM – это мощный метод в поверхностных характеристик органических и неорганических материалов на уровне наноразмерных (Нм) с высоким разрешением1. Например широко используется для анализа твердых и сыпучих образцов таких геологических материалов26 и полупрово…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы признательны к ядерной науки инициатива процесс Тихоокеанская северо-западная Национальная лаборатория (PNNL) (национальный)-направленные лабораторных исследований и развития (МЦРУ) фонд для поддержки. Д-р Sayandev Чаттерджи предоставил синтезированных бемит частиц. Инструментальный доступ обеспечивается через общее предложение пользователя W. р Уили экологических молекулярных наук лаборатории (ЛСМЭ). ЛСМЭ является объектом национальной научной пользователя под эгидой Бюро биологических и экологических исследований (BER) в PNNL. PNNL эксплуатируется Battelle для Доу под контракт де-AC05-76RL01830.
Materials
| Carbon Coater | Cressington | 208 Carbon | It is accompanied with thickness monitor MTM-10. |
| SEM | FEI | Quanta 3D FEG | It provides highly resolved scanning electron microscopy and elemental analysis. |
| System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI) | Pacific Northwest National Laboratory | N/A | SALVI is a unique, vacuum compatible microfluidic cell that enables the characterization of the liquid sample using vacuu- based scientific instrument. |
| PEEK Union | Valco | ZU1TPK | The polyether ether ketone union is used for connecting the inlet and outlet of SALVI |
| Syringe | BD | 309659 | 1 mL |
| Pipette | Thermo Fisher Scientific | 21-377-821 | Range: 100 to 1,000 mL |
| Pipette Tip 1 | Neptune | 2112.96.BS | 1,000 µL |
| Pipette Tip 2 | Rainin | 17001865 | 20 µL |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | 70-2213 | It is used to inject the liquid sample into the SALVI device. |
| pH meter | Fisher Scientific/accumet | 13-636-AP72 | It is used for measuring the pH of AlOOH in DI water. |
| Barnstead Ultrapure Water System, UV/UF | Thermo Scientific Barnstead | Nanopure diamond D11931 | It is used for producing DI water. |
| Centrifuge tubes | Fisher scientific/Falcon | 15-527-90 | 15 mL |
| Bransonic ultrasonic cleaner | Sigma-Aldrich | 2510 | It is used to ultrasonicate the AlOOH liquid sample. |
| Balance | Mettler Toledo | 11106015 | XS64 |
| AlOOH | Pacific Northwest National Laboratory | N/A | It is synthesized by scientists at Pacific Northwest National Laboratory. |
| xT microscope Control | FEI | Quanta 3D FEG | Default microscope control software of SEM Quanta 3D FEG |
| EDAX Genesis software | EDAX | N/A | The software is used for collecting the EDX elemental information of the samples. |
| Teflon tubing | SUPELCO | 58697-U | It is used for introducing the sample into the microchannel and holding adequate volume of liquid. |
References
- Goldstein, J., et al. . Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis: A Text for Biologists, Materials Scientists, and Geologists. , (1992).
- Donald, A. M. The use of environmental scanning electron microscopy for imaging wet and insulating materials. Nat Mater. 2 (8), 511-516 (2003).
- Rossi, M. P., et al. Environmental Scanning Electron Microscopy Study of Water in Carbon Nanopipes. Nano Lett. 4 (5), 989-993 (2004).
- Nune, S. K., et al. Anomalous water expulsion from carbon-based rods at high humidity. Nat Nano. 11 (9), 791-797 (2016).
- Soumya, E. A., et al. . Scanning Electron Microscopy (SEM) and Environmental SEM: Suitable Tools for Study of Adhesion Stage and Biofilm Formation. , (2012).
- Thiberge, S. Y., Nechushtan, A., Sprinzak, D., Moses, E. Scanning electron microscopy of cells and tissues under fully hydrated conditions. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (10), 3346-3351 (2004).
- Thiberge, S., et al. Scanning electron microscopy of cells and tissues under fully hydrated conditions. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (10), 3346-3351 (2004).
- Thiberge, S., Zik, O., Moses, E. An apparatus for imaging liquids, cells, and other wet samples in the scanning electron microscopy. Rev Sci Instrum. 75 (7), 2280-2289 (2004).
- Yu, X. -. Y., et al. Systems and methods for analyzing liquids under vacuum. USA patent. , (2011).
- Yang, L., et al. In situ SEM and ToF-SIMS analysis of IgG conjugated gold nanoparticles at aqueous surfaces. Surf Interface Anal. 46 (4), 224-228 (2014).
- Liu, B., et al. In situ chemical probing of the electrode-electrolyte interface by ToF-SIMS. Lab Chip. 14 (5), 855-859 (2014).
- Ding, Y., et al. In situ Molecular Imaging of the Biofilm and Its Matrix. Anal Chem. 88 (22), 11244-11252 (2016).
- Hua, X., et al. Two-dimensional and three-dimensional dynamic imaging of live biofilms in a microchannel by time-of-flight secondary ion mass spectrometry. Biomicrofluidics. 9 (3), 031101 (2015).
- Hua, X., et al. Chemical imaging of molecular changes in a hydrated single cell by dynamic secondary ion mass spectrometry and super-resolution microscopy. Integr Biol. 8 (5), 635-644 (2016).
- Hua, X., et al. In situ molecular imaging of a hydrated biofilm in a microfluidic reactor by ToF-SIMS. Analyst. 139 (7), 1609-1613 (2014).
- Yu, J., et al. Capturing the transient species at the electrode-electrolyte interface by in situ dynamic molecular imaging. Chem Commun. 52 (73), 10952-10955 (2016).
- Yang, L., et al. Making a hybrid microfluidic platform compatible for in situ imaging by vacuum-based techniques. J Vac Sci Technol, A. 29 (6), (2011).
- Yang, L., et al. Probing liquid surfaces under vacuum using SEM and ToF-SIMS. Lab Chip. 11 (15), 2481-2484 (2011).
- Yao, J., et al. Switchable 1,8-diazabicycloundec-7-ene and 1-hexanol ionic liquid analyzed by liquid ToF-SIMS. Surf Sci Spectra. 23 (1), 9-28 (2016).
- Yu, J., et al. Capturing the transient species at the electrode-electrolyte interface by in situ dynamic molecular imaging. Chem Commun. 52 (73), 10952-10955 (2016).
- Clark, S. B., Buchanan, M., Wilmarth, B. . Basic Research Needs for Environmental Management. , (2016).
- Mills, O. P., Rose, W. I. Shape and surface area measurements using scanning electron microscope stereo-pair images of volcanic ash particles. Geosphere. 6, 805-811 (2010).
- Li, S., Jiang, F., Yin, Q., Jin, Y. Scanning electron acoustic microscopy of semiconductor materials. Solid State Commun. 99 (11), 853-857 (1996).
- Dohnalkova, A. C., et al. Imaging Hydrated Microbial Extracellular Polymers: Comparative Analysis by Electron Microscopy. Appl Environ Microbiol. 77 (4), 1254-1262 (2011).
- Yu, X. -. Y., Liu, B., Yang, L. Imaging liquids using microfluidic cells. Microfluid Nanofluid. 15 (6), 725-744 (2013).
- Barshack, I., et al. A Novel Method for “Wet” SEM. Ultrastruct Pathol. 28 (1), 29-31 (2004).
- Cameron, R. E., Donald, A. M. Minizing sample evaporation in the Environmental Scanning Microscope. J Microsc. (Oxford, U. K.). 173 (3), 227-237 (1994).
- Danilatos, G. D. REVIEW AND OUTLINE OF ENVIRONMENTAL SEM AT PRESENT. J Microsc (Oxford, U.K.). 162 (3), 391-402 (1991).
- Stokes, D. J. Recent advances in electron imaging, image interpretation and applications: environmental scanning electron microscopy. Philos Trans R Soc, A. 361 (1813), 2771-2787 (2003).
