Name: In Situ Caratterizzazione delle particelle Boehmite in acqua usando liquido SEM (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 59 s
Description: Scopri la caratterizzazione in situ delle particelle di boehmite in acqua mediante SEM a liquido. Questa tecnica consente l'imaging in tempo reale senza essiccazione o congelamento, facilitando l'analisi di materiali liquidi e campioni biologici in microscopia e microanalisi.

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Siamo grati alla scienza nucleare di processo Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) di iniziativa (NPSI)-fondo laboratorio diretto di ricerca e sviluppo (LDRD) per il supporto. Dr. Sayandev Chatterjee fornito le particelle boehmite sintetizzato. Accesso strumentale è stata fornita attraverso una proposta di utente generale W. R. Wiley Ambientale Molecular Sciences Laboratory (EMSL). EMSL è una struttura di uso scientifico nazionale sponsorizzata dall'ufficio di biologico e ambientale ricerca (BER) a PNNL. PNNL è gestito da Battelle per il DOE sotto contratto DE-AC05-76RL01830.

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

SEM è una potente tecnica di caratterizzazione delle superfici di materiali organici ed inorganici a livello di nanoscala (nm) con alta risoluzione1. Ad esempio, è ampiamente usato per l'analisi dei campioni solidi e asciutti come materiali geologici a semiconduttore e26 27. Tuttavia, ha limiti nel caratterizzare i campioni liquidi e bagnati a causa dell'incompatibilità di liquido all'interno dell'ambiente altamente aspirato necessaria per microscopi...

Microscopio elettronico a scansione (SEM) è stato ampiamente applicato per indagare su una serie di esemplari con la produzione di imaging ad alta risoluzione1. La spettroscopia di raggi x dispersiva di energia (EDX) connessa con il SEM consente la determinazione della composizione elementare1. Tradizionalmente, SEM è applicato per l'imaging di campioni solo asciutti e solidi. Negli ultimi 30 anni, SEM ambientale (ESEM) è stato sviluppato per analizzare i campioni idratati parziali in un vapore ambiente2,3,4,5. Tuttavia, ESEM è in grado di immagine i campioni bagnati, completamente fluidi con alta risoluzione desiderata6. Bagnate le cellule SEM sono state sviluppate anche agli esemplari di immagine bagnato utilizzando SEM7,8; Tuttavia, queste cellule sono state sviluppate principalmente per campioni biologici e retrodiffusa formazione immagine dell'elettrone e sono più accessibili per le applicazioni con quei disegni9,10.
Per affrontare le sfide nell'analizzare vari campioni nel loro ambiente nativo di liquido utilizzando SEM, abbiamo inventato un dispositivo microfluidico compatibile vuoto, sistema per l'analisi a liquido vuoto interfaccia (SALVI), per consentire un'alta risoluzione spaziale secondaria analisi elementare e imaging elettronico (SE) di campioni liquidi utilizzando la modalità high vuoto in SEM. Questa tecnica novella include le seguenti caratteristiche uniche: 1) liquido è sondato direttamente in una piccola apertura di 1-2 µm di diametro; 2) liquido si svolge all'interno del foro dalla tensione superficiale; e 3) SALVI è portatile e può essere adattato a più di una piattaforma analitica11,12,13,14,15,16,17 ,18.
SALVI è costituito da una membrana di nitruro (SiN) di 100 nm silicio di spessore e un microchannel ampia 200 µm in blocco di polidimetilsilossano (PDMS). La finestra di membrana peccato viene applicata per sigillare il microchannel. I dettagli di fabbricazione e le considerazioni di progettazione chiave erano dettagliati in precedenti lavori e brevetti11,19,20. Attualmente, un produttore e distributore leader di approvvigionamento dei materiali di consumo per microscopia ha acquistato la licenza per vendere dispositivi SALVI commercialmente per liquido SEM applicazioni21,22.
Le applicazioni di SALVI in strumenti analitici basati su vuoto sono state dimostrate usando una varietà di soluzioni acquose e le miscele complesse di liquide tra cui biofilm, cellule di mammifero, nanoparticelle ed elettrodo materiali12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. Tuttavia, gran parte del lavoro di cui sopra utilizzati spettrometria di massa di ioni secondari di tempo di volo (ToF-SIMS) come lo strumento di analisi della chiave, quindi l'applicazione del liquido SEM con SALVI non è stato esplorato completamente. In questo lavoro, SALVI è stato utilizzato per studiare le più grandi particelle colloidali non sferica in liquido utilizzando liquido SEM imaging e l'analisi elementare EDX. L'esempio è costituito da particelle di AlOOH sintetizzate presso il nostro laboratorio. Particelle di dimensioni submicrometriche boehmite sono conosciute per esistere in scorie altamente radioattive presso il sito di Hanford. Sono lenti a sciogliere e può causare problemi reologici nel trattamento dei rifiuti. Pertanto, è importante avere la capacità di caratterizzare le particelle boehmite in liquido25. Questo approccio tecnico può essere utilizzato per studiare boehmite in varie condizioni fisico-chimiche per migliorare la comprensione di queste particelle e le proprietà reologiche correlate. Queste particelle sono state utilizzate per illustrare passo passo come applicare SALVI per alto vuoto SEM al fine di studiare le particelle sospese in un liquido. Punti chiave tecniche per l'integrazione di SALVI e SEM e acquisizione dati SEM sono evidenziati all'interno della carta.
Il protocollo prevede la dimostrazione dell'analisi campione liquido utilizzando SALVI e liquido SEM imaging, per coloro che sono interessati ad utilizzare questa tecnica novella in diverse applicazioni di liquido SEM in futuro.

<table><tbody><tr><td>Carbon Coater</td><td>Cressington</td><td>208 Carbon</td><td>È accompagnato da monitor di spessore MTM-10.</td></tr><tr><td>SEM</td><td>FEI</td><td>Quanta 3D FEG</td><td>Fornisce microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione e analisi elementare.</td></tr><tr><td>Sistema per l'analisi presso l'interfaccia SALVI (Liquid Vacuum Interface)</td> Pacific <td>Northwest National Laboratory</td><td>N/A</td><td>SALVI è una cella microfluidica unica e compatibile con il vuoto che consente la caratterizzazione del campione liquido utilizzando uno strumento scientifico basato su vuoto.</td></tr><tr><td>Unione PEEK</td><td>Valco</td><td>ZU1TPK</td><td>Il raccordo polietere etere chetone viene utilizzato per collegare l'ingresso e l'uscita della</td></tr><tr><td>siringa</td> SALVI <td>BD</td><td>309659</td><td>Pipetta da 1 mL</td></tr><tr><td></td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>21-377-821</td><td>Intervallo: da 100 a 1.000 mL</td></tr><tr><td>Puntale per pipetta 1</td><td>Neptune</td><td>2112.96.BS</td><td>1.000 &; L</td></tr><tr><td>Puntale per pipetta 2</td><td>Rainin</td><td>17001865</td><td>20 &; L</td></tr><tr><td>Pompa a siringa</td><td>Harvard Apparatus</td><td>70-2213</td><td>Viene utilizzato per iniettare il campione liquido nel dispositivo SALVI.</td></tr><tr><td>Misuratore di pH</td><td>Fisher Scientific/accumet</td><td>13-636-AP72</td><td>Viene utilizzato per misurare il pH di AlOOH nell'acqua deionizzata.</td></tr><tr><td>Sistema di acqua ultrapura Barnstead, UV/UF</td><td>Thermo Scientific Diamante nanopuro Barnstead</td><td>D11931</td><td>Viene utilizzato per la produzione di acqua deionizzata.</td></tr><tr><td>Provette da centrifuga</td><td>Fisher scientific/Falcon</td><td>15-527-90</td><td>15 mL</td></tr><tr><td>Pulitore ad ultrasuoni Bransonic</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>2510</td><td>Viene utilizzato per ecosonicare il campione di liquido AlOOH.</td></tr><tr><td>Balance</td><td>Mettler Toledo</td><td>11106015</td><td>XS64</td></tr><tr><td>AlOOH</td><td>Pacific Northwest National Laboratory</td><td>N/A</td><td>È sintetizzato dagli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory.</td></tr><tr><td>Controllo del microscopio xT FEI</td><td></td><td>Quanta 3D FEG</td><td>Software di controllo del microscopio predefinito di SEM Quanta 3D FEG</td></tr><tr><td>EDAX Genesis software</td><td>EDAX</td><td>N/A</td><td>Il software viene utilizzato per raccogliere le informazioni elementari EDX dei campioni.</td></tr><tr><td>Tubo in teflon</td><td>SUPELCO</td><td>58697-U</td><td>Viene utilizzato per introdurre il campione nel microcanale e trattenere un volume adeguato di liquido.</td></tr></tbody></table>

in situ caratterizzazione delle particelle boehmite in acqua usando liquido sem

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

In situ un analisi elementale e imaging delle particelle boehmite (AlOOH) in acqua è realizzato utilizzando il sistema per analisi all'interfaccia liquido di vuoto (SALVI) e microscopia elettronica a scansione (SEM). Questo documento descrive il metodo e passi cruciali nell'integrare il vuoto SAVLI compatibile a SEM e ottenere elettroni secondari (SE) immagini di particelle nel liquido in alto vuoto. Spettroscopia di raggi x dispersiva di energia (EDX) viene utilizzata per ottenere analisi elementare delle particelle nel liquido e controllo campioni inclusi acqua deionizzata (DI) solo e anche un canale vuoto. Boehmite sintetizzato (AlOOH) particelle sospese in un liquido sono usate come modello nell'illustrazione liquido SEM. I risultati dimostrano che le particelle possono essere imaged in modalità SE con buona risoluzione (cioè, 400 nm). Lo spettro di AlOOH EDX Mostra segnale significativo dall'alluminio (Al) se confrontato con l'acqua DI ed il controllo di canale vuoto. In situ liquido SEM è una tecnica potente per studiare le particelle nel liquido con molte applicazioni interessanti. Questa procedura mira a fornire il know-how tecnico per condotta liquido SEM imaging e l'analisi EDX utilizzando SALVI e ridurre potenziali problemi quando si utilizza questo approccio.

I risultati rappresentativi vengono presentati per mostrare come le particelle vengono ripresi e analizzati usando in situ liquido imaging SEM accoppiato con EDX. I risultati includono SE immagini e spettri EDX. Le immagini SE sono state ottenute a 100.000 X e 200.000 X ingrandimenti nella Figura 1. Figura 1a raffigura l'immagine SE di AlOOH, Figura 1b DI acqua e Figura ...

Presentiamo una procedura per l'analisi di composizione elementare di boehmite particelle in acqua deionizzata e immagini in tempo reale di in situ liquido scansione microscopia elettronica.

In Situ Caratterizzazione delle particelle Boehmite in acqua usando liquido SEM

In situ imaging and elemental analysis of boehmite (AlOOH) particles in water is realized using the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface ...

L'obiettivo generale di questa procedura di imaging mediante microscopia elettronica a scansione in liquido in situ è fornire competenze tecniche per un'efficace acquisizione di immagini e analisi di particelle in liquidi, utilizzando un modulo microfluidico compatibile con il vuoto in un microscopio elettronico a scansione convenzionale ad alto vuoto. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della microscopia e della microanalisi, ad esempio su come caratterizzare l'evoluzione delle dimensioni e della morfologia delle particelle in risposta a cambiamenti ambientali. Il principale vantaggio di questa tecnica è che consente di visualizzare direttamente particelle polidisperse in liquido, senza dover disidratare o congelare il campione in modalità ad alto vuoto e senza dover ricorrere alla microscopia elettronica ambientale.Le implicazioni di questa tecnica si estendono all'analisi efficiente di vari materiali liquidi e campioni biologici mediante SEM, poiché molti di essi funzionano o esistono soltanto in forma liquida. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale, poiché le semplici operazioni di montaggio e di acquisizione di immagini in situ sono difficili da apprendere in quanto differenti rispetto ai campioni solidi tradizionali. Iniziare questa procedura con il rivestimento al carbonio del sistema per l'analisi all'interfaccia liquido-vuoto, ovvero il dispositivo SALVI, come descritto nel protocollo tecnico.Il montaggio del dispositivo microfluidico sullo stadio del SEM è molto critico per il successo dell'analisi in situ in liquido con SEM. Assicurarsi che il dispositivo sia correttamente messo a terra e fissato in modo da ridurre al minimo l'effetto di carica prima dell'esperimento. Per montare il dispositivo SALVI sullo stadio del SEM, aprire innanzitutto con attenzione la porta della camera del campione del SEM una volta terminata la ventilazione.Selezionare il portacampioni per microscopia elettronica a scansione (SEM). Fissare il portacampioni al centro della piastra utilizzando il bullone appropriato e una chiave esagonale. Posizionare due strisce di nastro di carbonio bifacciale sul portacampioni.Quindi applicare il dispositivo SALVI sul nastro di carbonio posizionato sul portapreparati, con il lato della membrana di nitruro di silicio rivolto verso l'alto. Fissare saldamente il SALVI al portapreparati utilizzando altre due strisce di nastro di rame monolaterale per collegare il blocco di PDMS del SALVI al portapreparati del microscopio elettronico a scansione (SEM). Inoltre, utilizzare i nastri di rame per connettere la struttura di nitruro di silicio al portapreparati metallico.Assicurarsi che il nastro non copra completamente la membrana di nitruro di silicio. Per effettuare la messa in vuoto della camera del campione, chiudere lo sportello della camera del campione, selezionare la modalità vuoto alto nell'interfaccia software del MEB nella pagina di controllo del fascio, quindi fare clic sul pulsante di messa in vuoto nella pagina di controllo del fascio per iniziare l'aspirazione. Applicare manualmente pressione sullo sportello della camera fino a quando non si raggiunge il vuoto desiderato.Successivamente, crea aperture nella membrana di nitruro di silicio utilizzando un fascio ionico focalizzato, o FIB, come descritto nel protocollo della tecnica. Al termine della procedura, spegni sia il fascio di elettroni che il fascio ionico per effettuare la messa in atmosfera della camera, cliccando su beam on quando l'area di imaging del fascio corrispondente è attivata. Clicca su vent nella pagina di controllo del fascio per effettuare la messa in atmosfera della camera del campione.Aprire con attenzione la porta della camera del microscopio elettronico a scansione (SEM) dopo che è stata completamente ventilata, lasciando il dispositivo SALVI com'è sullo stadio. Aspirare un millilitro di acqua deionizzata in una siringa sterile e collegare la siringa all'ingresso del dispositivo microfluidico utilizzando un adattatore in politetrafluoroetilene. Iniettare lentamente il liquido per tre-cinque minuti.Ripetere questo processo tre volte utilizzando un millilitro di ossidrossido di alluminio 10 microgrammi per millilitro per garantire che la concentrazione del campione non venga diluita dall'acqua deionizzata pre-caricata. Dopo l'iniezione, rimuovere la siringa. Collegare l'ingresso e l'uscita del SALVI utilizzando un raccordo in polietereterchetone.Asciugare qualsiasi liquido esterno al SALVI con salviette da laboratorio. Se sono presenti bolle all'interno dei tubi o del microcanale, ripetere l'iniezione del campione finché non si osservano bolle all'interno dei tubi. Per acquisire immagini utilizzando la modalità ETD ed elettroni secondari, chiudere innanzitutto la porta della camera del campione.Dopo aver stabilito il vuoto desiderato sulla porta della camera come in precedenza, attivare l'area di imaging del fascio elettronico facendo clic sull'icona di pausa sulla barra degli strumenti. Accendere il fascio elettronico facendo clic sul pulsante di accensione del fascio nella pagina di controllo del fascio. Selezionare l'ETD e la modalità di elettroni secondari per l'imaging dal menu a discesa del rivelatore.Nella selezione delle condizioni ottimali, è fondamentale essere in grado di ottenere immagini di alta qualità. In questo lavoro, vi mostreremo un insieme di condizioni adatte all'immagine da elettroni secondari di elementi leggeri come alluminio e silicio. Quando si analizzano altri elementi come ferro e nichel, le condizioni operative devono essere modificate per ottimizzare l'immagine da elettroni secondari.Impostare la tensione di accelerazione a otto chiloelettronvolt e la corrente del fascio a circa 0,47 nanoampere mediante le apposite caselle di selezione visualizzate sulla barra degli strumenti dell'interfaccia grafica nell'area di imaging del fascio elettronico. Impostare la distanza di lavoro a sette millimetri digitando "sette" nella casella di testo relativa alla coordinata Z nella pagina di navigazione, quando è selezionata la distanza effettiva. Ingrandire la caratteristica a 1.000 X e regolare le manopole di contrasto, luminosità, messa a fuoco grossolana e fine presenti sull'interfaccia utente manuale per ottimizzare l'immagine della caratteristica della particella.Centrare il primo foro nell'immagine in tempo reale dell'area di imaging del fascio di elettroni ruotando le manopole di spostamento X e Y sulla scheda dell'interfaccia utente manuale; ingrandire le immagini con le particelle fino ad un ingrandimento di 200.000 X ruotando la manopola dell'ingrandimento sulla scheda dell'interfaccia utente manuale. Selezionare la risoluzione dello schermo a 1.024 per 884 dalla casella di riepilogo sulla barra degli strumenti. Impostare quindi la velocità di scansione a 30 microsecondi dalla casella di riepilogo sulla barra degli strumenti.Premere il tasto F4 per acquisire l'istantanea dell'immagine corrente mostrata nell'area di imaging del fascio di elettroni. Premere i tasti Control e S per salvare l'immagine come file TIF nella posizione desiderata con il nome file definito, inclusivo di un numero progressivo. Ridurre lo zoom ruotando la manopola di ingrandimento per individuare il foro adiacente successivo.Ripetere queste operazioni per acquisire immagini delle particelle di ossiidrossido di alluminio nelle restanti cavità. Per eseguire l'analisi elementare mediante spettroscopia di energia dispersiva a raggi X, o EDX, inserire i rivelatori di spettroscopia di energia dispersiva nella camera. Selezionare l'ETD sul monitor di controllo del microscopio.Quindi selezionare la modalità di elettroni secondari per visualizzare il campione nell'area di imaging del fascio di elettroni e impostare i parametri come in precedenza. Ingrandire le particelle di ossiidrossido di alluminio in ciascun foro con un ingrandimento di 200.000 X ruotando la manopola dell'ingrandimento sulla scheda dell'interfaccia utente manuale. Successivamente, aprire il software EDAC associato.Fare clic su "Avvia registrazione" nell'interfaccia utente per acquisire lo spettro EDX. Selezionare l'identificazione dei picchi per scegliere gli elementi probabili dello spettro. Quindi digitare gli elementi osservati nel campo degli elementi.Fare clic su aggiungi per applicare l'elemento allo spettro. Fare clic su file e quindi su salva con nome. Salvare i dati spettrali in formato CSV utilizzando il nome file desiderato per la creazione di un grafico mediante un software di grafica.Dopo aver completato l'acquisizione delle immagini e la registrazione degli spettri per ciascuno dei fori, spegnere il fascio di elettroni facendo clic sul pulsante di accensione del fascio nella pagina di controllo del fascio quando l'area di imaging del fascio di elettroni è attiva. Ventilare la camera del SEM facendo clic su "vent" nella stessa pagina. Rimuovere con attenzione il campione dalla piattaforma estraendo tutti i nastri una volta aperta la porta della camera.Ripetere la procedura per eseguire gli esperimenti di controllo utilizzando acqua deionizzata e un microcanale vuoto. Infine, tracciare lo spettro EDX come descritto nel protocollo tecnico. Utilizzando l'interfaccia microfluidica SALVI, il fascio di elettroni può colpire direttamente l'apertura piccola, di dimensioni micrometriche, con il liquido sottostante.Le immagini di elettroni secondari delle particelle di boehmite in acqua deionizzata sono state confrontate con il controllo di acqua deionizzata e il controllo del canale vuoto. Questo fornisce un'evidenza diretta dell'imaging mediante elettroni secondari di particelle di boehmite nel liquido. La visualizzazione della particella in acqua deionizzata all'interno del foro di un micrometro dimostra la fattibilità di osservare particelle in liquido in situ.Nel campione di boehmite, si osserva un picco intenso di alluminio. Al contrario, nel campione disionizzato si osserva solo un picco intenso di ossigeno, indicativo della presenza di acqua. Nel canale vuoto, si nota un residuo del fascio ionico focalizzato al gallio.Il picco di ossigeno è piuttosto piccolo perché non è presente alcuna acqua all'interno. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in un paio di ore se effettuata correttamente. Generalmente, le persone nuove a questo metodo incontrano difficoltà perché è difficile visualizzare direttamente i liquidi in un microscopio elettronico a scansione ad alto vuoto.Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come caratterizzare le particelle in fase liquida utilizzando la SEM in situ con SALVI. Durante il tentativo di questa procedura, è molto importante ricordare che il microricettore deve essere privo di perdite prima di essere montato sullo stadio del SEM. Dopo questa procedura, altri metodi come TOF-SIMS o NMR possono essere eseguiti per rispondere ad ulteriori domande, come la composizione molecolare e la mappatura del campo fluidico.Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo delle scienze dei materiali, dell'ingegneria chimica e dell'ingegneria nucleare per esplorare variazioni di dimensione delle particelle e cambiamenti morfologici in un ambiente liquido caustico. Non dimenticare che quando si lavora con l'analisi superficiale mediante SEM, è necessario indossare guanti e occhiali protettivi durante l'esecuzione di questa procedura.

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