Temperaturkontroll under elektronmikroskopiexperiment i vätskefas öppnar nya perspektiv för att studera nanopartiklarnas dynamik i flytande miljöer som efterliknar deras bildande eller applikationsmedier. Med hjälp av nyligen utvecklade värmevätskor observerade vi direkt temperaturpåverkan på kärn- och tillväxtprocesserna hos guldnanopartiklar i vatten.
Temperaturkontroll är en ny utveckling som ger ytterligare en grad av frihet att studera nanokemi genom vätskecellsöverföringselektronmikroskopi. I detta dokument beskriver vi hur man förbereder ett in situ-uppvärmningsexperiment för att studera temperaturens effekt på bildandet av guldnanopartiklar som drivs av radiolys i vatten. Protokollet för experimentet är ganska enkelt med en speciell flytande cell med enhetlig uppvärmningskapacitet upp till 100 °C, en flytande cell TEM-hållare med flödeskapacitet och ett integrerat gränssnitt för att kontrollera temperaturen. Vi visar att kärn- och tillväxtmekanismerna hos guldnanopartiklar påverkas drastiskt av temperaturen i flytande cell. Med hjälp av STEM-avbildning och nanodiffraktion avslöjas utvecklingen av densiteten, storleken, formen och atomstrukturen hos de växande nanopartiklarna i realtid. Automatiserade bildbehandlingsalgoritmer utnyttjas för att extrahera användbara kvantitativa data från videosekvenser, till exempel nanopartiklarnas nukleation och tillväxttakt. Detta tillvägagångssätt ger nya ingångar för att förstå de komplexa fysikalisk-kemiska processer som står på spel under vätskefassyntesen av nanomaterial.
Metallnanopartiklar (NPs) har lovande fysikalisk-kemiska egenskaper som kan användas inom olika områden som optisk avkänning1, medicin2 eller energi3. Våtkemisk syntes är en mycket mångsidig metod för att tillverka metall-NPs med väldefinierad storlek och form. Under de senaste decennierna har många strategier utvecklats för att få kontroll över NPs syntes: frömedierad tillväxt4, ansiktsblockeringsmetod5, kinetiskt kontrollerad syntes6, selektiv etsning7 eller temperaturkontrollerad syntes8. Men medan de kemiska reaktionerna som driver syntesen är ganska enkla, är nukleations- och tillväxtmekanismerna inte, eftersom många parametrar spelar en roll i bildandetsprocesserna och deras individuella inflytande är svåra att hämta från ex situ-ögonblicksbilder av de resulterande nanomaterial som extraheras från deras formationsmedium vid givna tidpunkter för syntesen. För att verkligen förstå nukleations- och tillväxtprocesserna och fastställa sätt att kontrollera dem måste vi använda in situ-verktyg som gör det möjligt att observera dem i realtid i finkontrollerad flytande miljö.
I det avseendet har Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy (LCTEM) varit en mycket kraftfull metod för att kasta nytt ljus på syntesen av metalliska nanopartiklar9,10,11,12,13. Genom att avbilda dynamiken hos enskilda nanostrukturer direkt i deras flytande bildande medier har denna teknik gett en djupare förståelse för nukleation och tillväxtmekanismer, särskilt rollen av kristalldefekter, frömorfologi och organiska ligander som möjliggör körriktningstillväxt eller etsningsprocesser och erhållande av nanomaterial med specifika former (nanoroder, nanostjärnor, nanoplattor, nanoskal)10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. När elektronstrålen hos en TEM interagerar med vätskor producerar radiolysprocesser starka reducerande och oxiderande arter som modifierar lösningskemin i det bestrålade området och kan användas för att driva tillväxt- eller etsningsprocesser. Intressant nog är koncentrationen av radiolytiska produkter känd för att öka med elektrondosen, en parameter som kan finjusteras i ett elektronmikroskop20. Därför har detta dosberoende av radiolys utnyttjats för att kontrollera reaktionshastigheten och avslöja kinetiska effekter på bildandetsprocesser och slutlig morfologi av nanostrukturer11,15,20.
Även om temperaturen är en avgörande parameter i nanomaterialsyntesen, har dess effekter hittills inte noggrant undersökts av LCTEM, eftersom kommersiella flytande celler med tillförlitlig temperaturkontroll först nyligen har utvecklats. Ändå är sådana in situ-studier oumbärliga för att nysta upp de komplexa kinetik och termodynamiska effekter som orsakas av temperaturförändringar. Å ena sidan har en ökning av temperaturen drastiska effekter på fasningsprocesserna under tillväxten, påskyndar atomisk och molekylär diffusion i vätska och ändrar reaktionshastigheterna. Å andra sidan är nanofasdiagrammet för nanostrukturer också mycket känsligt för temperatur. I den här artikeln utnyttjar vi nyligen utvecklade uppvärmning flytande celler för att följa den radiolytiska tillväxten av guldnanopartiklar i vatten med en temperaturkontroll mellan rumstemperatur och 100 °C. Denna metod som kombinerar STEM-avbildning och diffraktion i en miljö som kommer närmare och närmare de verkliga syntesförhållandena minskar klyftan mellan in situ TEM-observationer och synteser i bänkskala.
Det beskrivna protokollet möjliggör efter kärnan och tillväxten av guldnanopartiklar som drivs av radiolys i ett temperaturkontrollerat flytande media. I kombination med automatiserad videobehandling gör det det möjligt att mäta temperaturens effekt på viktiga parametrar för nanopartikelsyntesen, såsom densitet, storlek, form och atomstruktur hos nanopartiklar. Dessa värdefulla ingångar gör det möjligt att utvärdera temperaturens effekt på kärnan och tillväxthastigheterna, upptäcka möjliga fasövergångar och visualisera de fasningsprocesser som dikterar det slutliga resultatet av kolloidala lösningar. Tillsammans med möjligheten att kontrollera sammansättningen av det reaktiva mediet är temperaturkontrollerade flytande cell TEM ytterligare ett steg mot direkt observation av kärnan och tillväxtprocesserna i olika nanostrukturer under realistiska syntesförhållanden. Tolkningen av resultaten som presenteras i denna artikel och deras jämförelse med nukleation och tillväxt modeller kommer att diskuteras någon annanstans. Här vill vi lyfta fram flera metodologiska aspekter som måste anses utföra relevanta in situ TEM-experiment.
Först och främst är det viktigt att identifiera elektronstråleeffekterna i reaktionsmedierna eftersom de drastiskt kan påverka resultaten av experimentet. Här, eftersom vattenradiolys är drivkraften för nanopartikelbildning, ökar tillväxthastigheten snabbt med elektrondosen som kommer att påverka den slutliga formen av nanoobjekt11,15. För att studera temperaturens effekter på nanopartiklarnas nukleation och tillväxt är det därför nödvändigt att jämföra tillväxtexperiment som förvärvats med samma elektrondos. I STEM-läge motsvarar elektrondosen strålströmmen (i elektron per sekund) dividerat med bildstorleken (i nm2). Därför innebär en konstant elektrondos att bibehålla samma strålström (dvs. samma kondensoröppning och samma dekorstorlek) och samma förstoring för varje experiment. Det är viktigt att kvantifiera bildframställningsförhållandenas strålström med hjälp av en CCD-kamera eller en Faraday-kopp för att tolka och reproducera data. Förstoringen och den resulterande dosraten bör väljas beroende på om man vill visualisera tillväxten av en stor sammansättning nanopartiklar för att extrahera statistiskt relevanta resultat på tillväxtkinetiken (figur 5) eller tillväxtmekanismerna på den enda nanopartikelskalan för att identifiera de prioriterade adsorptionsplatserna på nanopartikelytorna(figur 10). Om nukleations- och tillväxtprocesserna är för snabba, särskilt vid hög förstoring, bör liten kondensoröppning och liten dekorstorlek väljas för att minimera doshastigheten. Nanopartiklarnas nukleation och tillväxt kan också sakta ner genom att minska koncentrationen av metallprekursor i den analyserade lösningen men observera att koncentrationen av radiolytiska produkter kommer att öka med temperaturen. På ett allmänt sätt är det också viktigt att ta hänsyn till elektron bestrålningshistoriken för hela provet. Här, till exempel, om flera tillväxtexperiment snabbt utförs i områden nära varandra, kommer tätheten av nanopartiklar att minska med tiden eftersom koncentrationen av guldprekursorer i det studerade området minskar. Denna effekt kan minimeras genom att separera tillväxtexperimenten både i tid och rum och genom att använda vätskehållaren i flödesläge.
Gränssnittsspårningsalgoritmer är till stor hjälp för att automatisera analysen av videor och extrahera kvantitativa resultat på kärnan och tillväxten av stora nanopartiklar. Det är dock värt att notera att bild-binariseringssteget alltid är dataspecifikt, vilket innebär att filtren och databehandlingen som måste tillämpas på bilder för att optimera detektionen av nanopartiklarna / vätskegränssnittet kommer att variera från ett experiment till ett annat. Dessutom är det viktigt att jämföra resultaten av dessa automatiserade analyser med manuella mätningar som utförs på några bilder för att optimera arbetsflödet för bildbehandling och känna till dess begränsningar. Här inducerar till exempel flera spridningshändelser i de allt tjockare 3D-nanopartiklarna som bildas vid hög temperatur en kontrastinversion av deras kärna efter 30 sekunders observation eftersom den kantiga breddningen av spridda elektroner resulterar i en minskning av den insamlade signalen i den ringformiga detektorns vinkelområde. För att fortsätta mäta den sanna ytan på dessa nanopartiklar använde vi en “fyll hål” dataprocess efter binariseringen av bilden som fyller den inre cirkeln av ringformskontraster (Figur 7F, G). Vi var dock tvungna att använda en liten dilatation av objekten för att se till att dessa ringformskontraster alltid är helt anslutna. Detta senare steg leder till en liten övervärdering av nanopartiklarnas genomsnittliga yta i de automatiserade mätningarna (figur 9). På samma sätt måste vi för detektion av nanopartiklar definiera en minimal storlek på detekterade objekt (Smim)för att undvika att upptäcka bruset, men denna parameter påverkar den uppmätta nukleationshastigheten. Som ses i figur 8ökar antalet upptäckta nanopartiklar i början av experimentet för att nå en platå. När Smin är stor (50 pixlar2 motsvarande 1543 nm2),är automatiska och manuella mätningar överenskomna på nivån för denna platå (835 nanopartiklar efter 60 sekunder) men upptäckten av nanopartiklar fördröjas i den automatiska analysen eftersom 835 nanopartiklar räknas manuellt efter endast 12 s, men detekteras inte automatiskt förrän senare. Denna förlängda identifieringstid leder till en undervärdering av nukleationshastigheten. Om du minskar Smin till 20 bildpunkt2 (dvs. 617 nm2) minskar felet på nanopartiklarnas nukleationstid, men det leder till en övervärdering av nanopartikeltätheten, särskilt i början av försöken (figur 8) vilket också påverkar kärnan. Detektion och storleks- och formmätningar av nanoobjekt med ett mycket dynamiskt beteende och ett lågt signal-till-brusförhållande är en vanlig utmaning i TEM i vätskefas som kan förbättras ytterligare med andra segmenterings- och denoisingmetoder24 eller maskininlärningsmetoder25.
Sist men inte minst måste beredningen av vätskecellen och rengöringen av vätskehållaren utföras mycket noggrant för att undvika förorening av reaktionsmedierna.
I allmänhet ger kontroll av provets temperatur under LCTEM-analyser möjlighet att undersöka termiska effekter på kemiska reaktioner som uppstår vid gränssnittet mellan fasta ämnen och vätskor. Därför hoppas vi att den nuvarande metoden banar väg för andra in situ TEM-experiment utformade för att avslöja dynamiken hos hårda, mjuka eller biologiska material i temperaturkontrollerade flytande medier.
The authors have nothing to disclose.
Vi erkänner tacksamt det ekonomiska stödet från Region Ile-de-France (konvention SESAME E1845 för JEOL ARM 200 F elektronmikroskop installerat vid Universitetet i Paris), Labex SEAM (GLOIRE Project) och CNRS (Defi Nano Program). Vi tackar Madeline Dukes och Daniel Franck för att de delar ritningarna och de optiska bilderna av de flytande cellerna som ses i figurerna 1 och 2.
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 |