בחיי עיר איפיון חלקיקים Boehmite במים באמצעות נוזלי SEM
Summary
אנו מציגים שגרה עבור הדמיה בזמן אמת וניתוח הרכב היסודות של חלקיקים boehmite במים יונים על-ידי בחיי עיר נוזלי מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה.
Abstract
בחיי עיר הדמיה אלמנטלים וניתוח של boehmite (AlOOH) חלקיקים במים ממומש באמצעות המערכת לניתוח ממשק ואקום נוזלי (SALVI), מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). מאמר זה מתאר את השיטה והשלבים מפתח בתהליך שילוב של שואב האבק SAVLI תואם SEM, קבלת משני אלקטרונים (SE) תמונות של חלקיקים בנוזל בואקום גבוהה. אנרגיה ואנליזת הספקטרומטריה (EDX) משמש כדי להשיג לניתוח של חלקיקים בדגימות הנוזל ושליטה כולל יונים מים (DI) בלבד, ערוץ ריק גם כן. חלקיקים מסונתז boehmite (AlOOH) מושעה בנוזל משמשים כמודל באיור SEM נוזלי. התוצאות להדגים כי החלקיקים יכולים לדימות במצב SE עם רזולוציה טובה (קרי, 400 ננומטר). הקשת AlOOH EDX מראה האיתות משמעותי האלומיניום (Al) בהשוואה עם המים DI והפקד ערוצים ריקה. בחיי עיר SEM נוזלי היא טכניקה חזקה ללמוד חלקיקים בנוזל עם הרבה יישומים מרגש. הליך זה שואפת לספק את הידע הטכני על מנת לנהל הדמיה SEM נוזלי וניתוח EDX באמצעות SALVI וכדי להקטין ממלכודות הפוטנציאל בעת שימוש בגישה זו.
Introduction
מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) הוחל באופן נרחב כדי לחקור מגוון רחב של דוגמאות על ידי ייצור דימות ברזולוציה גבוהה1. האנרגיה ואנליזת הספקטרומטריה (EDX) המזוהה עם ה-SEM מאפשר קביעת הרכב היסודות1. באופן מסורתי, SEM מוחל הדמיה מוצק ויבש רק דוגמאות. ב-30 השנים האחרונות, SEM סביבתיים (ESEM) פותחה עבור ניתוח הדגימות hydrated חלקית אדי סביבה2,3,4,5. עם זאת, ESEM אין אפשרות תמונה הדגימות רטוב, מלא נוזלים עם רזולוציה גבוהה הרצוי6. רטוב SEM תאים פותחו גם כדי התמונה רטוב דגימות משתמש SEM7,8; יחד עם זאת, תאים אלה פותחו בעיקר עבור דגימות ביולוגיות backscattered אלקטרון הדמיה ו נגישים יותר עבור יישומים עם אלה עיצובים9,10.
כדי לטפל באתגרים בניתוח מדגמים שונים בסביבת נוזל מקורי שלהם באמצעות SEM, אנחנו המצאנו את התקן ואקום microfluidic תואם, מערכת לניתוח-נוזלי ואקום ממשק (SALVI), כדי לאפשר רזולוציה מרחבית גבוהה משני אלקטרון (SE) הדמיה וניתוח יסודיים של דגימות נוזלים באמצעות מצב ואקום גבוה בב-SEM. טכניקה חדשנית זו כוללת מאפיינים ייחודיים: 1) נוזל הוא נחקר ישירות בצוהר קטן של 1-2 מיקרומטר בקוטר; 2) נוזל מתקיים בתוך החור על ידי מתח; ו 3) SALVI הוא נייד, ניתן להתאים אחד או יותר פלטפורמה אנליטי11,12,13,14,15,16,17 ,18.
SALVI מורכב קרום ניטריד (חטא) סיליקון עבה 100 ננומטר, microchannel רחב מיקרומטר 200 גרם של רחוב polydimethylsiloxane (PDMS). החלון ממברנה חטא מוחל לאטום את microchannel. ייצור הפרטים ואת שיקולי עיצוב מרכזיים היו מפורטות עבודות קודמות, פטנטים11,19,20. כיום, יצרנית מובילה ומפיץ של מתכלים אספקת מיקרוסקופ רכשה את הרשיון למכור מכשירים SALVI מסחרית נוזלי SEM יישומים21,22.
היישומים של SALVI ב מבוססי וואקום אנליטי הוכחו באמצעות מגוון של פתרונות מימית, תערובות נוזלי מורכבים לרבות biofilms, בתרבית של תאים, חלקיקים אלקטרודה חומרים12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. עם זאת, רוב העבודה הנ ל מנוצל יון משני זמן-של-טיסה ספקטרומטר מסה (תוף-SIMS) כמו מפתח כלי הניתוח, ובכך את היישום של נוזל יש SEM עם SALVI לא נחקרו באופן מלא. בעבודה זאת, שימש SALVI ללמוד חלקיקים גדולים יותר שאינה כדורית colloidal בנוזל באמצעות הדמיה SEM נוזלי וניתוח יסודיים EDX. המדגם מורכב AlOOH חלקיקים מסונתז מעבדה שלנו. חלקיקים בגודל submicrometer boehmite ידועים להתקיים ברמה גבוהה פסולת רדיואקטיבית באתר האנפורד. הם לאט להתמוסס, עלול לגרום לבעיות rheological הטיפול בפסולת. לכן, חשוב יש את היכולת לאפיין boehmite חלקיקי נוזל25. גישה טכנית זו ניתן ללמוד boehmite בתנאים physicochemical שונים על שיפור ההבנה של חלקיקים אלה הקשורים מאפייני rheological. חלקיקים אלה נוצלו להפגין צעד אחר צעד כיצד להחיל SALVI ואקום גבוה SEM ללימוד חלקיקים מושעה בנוזל. נקודות מפתח טכני עבור אינטגרציה SALVI ו- SEM ו- SEM קירור והקפאה מודגשים בתוך הנייר.
הפרוטוקול מספק הפגנה של ניתוח דגימת נוזל באמצעות SALVI הדמיה SEM נוזלי, עבור מי שמעוניין ניצול טכניקה זו הרומן ביישומים מגוונים של SEM נוזלי בעתיד.
Protocol
Representative Results
Discussion
SEM הוא טכניקה חזקה במשטח אפיון חומרים אורגניים ואנאורגניים ברמה ננו (ננומטר) עם רזולוציה גבוהה1. כך למשל, הוא משמש לניתוח הדגימות של חומרים מוצקים כגון חומרים גיאולוגי26 ומוליכים למחצה27. עם זאת, יש לו חוקים באפיון הדגימות ועונה נוזלי בשל בעיית אי התאימ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנחנו אסירי תודה על הפסיפי הלאומי מעבדה (PNNL) גרעיני תהליך המדע יוזמה (NPSI)-קרן המעבדה ביימה למחקר, פיתוח (LDRD) לקבלת תמיכה. ד ר Sayandev מוזיקה סיפק את החלקיקים boehmite מסונתז. גישה אינסטרומנטלית סופק באמצעות הצעה משתמש כללי W. R. ויילי סביבתיים מולקולרית מדעי מעבדה (EMSL). EMSL הוא מתקן משתמש מדעיים לאומיים בחסות את Office הביולוגיים ואת הסביבה מחקר (בער) ב- PNNL. PNNL מופעל על ידי Battelle על האלמונית תחת חוזה דה-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. |
Referências
- 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).
