Verräterische dynamischen Prozesse der Materialwirtschaft in Flüssigkeiten mit Hilfe von flüssigen Zelle Transmission Electron Microscopy
Summary
Wir haben eine geschlossene Flüssigkeitszelle, die Bildgebung ermöglicht durch Flüssigkeiten unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops entwickelt. Dynamische Prozesse von Nanopartikeln in Flüssigkeiten können in Echtzeit mit Sub-Nanometer-Auflösung gezeigt werden.
Abstract
Die jüngste Entwicklung in situ Transmissionselektronenmikroskopie, die Bildgebung ermöglicht durch Flüssigkeiten mit hoher räumlicher Auflösung, hat erhebliche Interessen in den Forschungsgebieten der Materialwissenschaften, Physik, Chemie und Biologie angezogen. Die Schlüsseltechnologie ist ein flüssiges Zelle. Wir fertigen flüssigen Zellen mit dünnen Sichtfenster durch eine sequentielle Mikrofabrikationsprozessen einschließlich Siliziumnitrid-Membran Abscheidung photolithographische Musterbildung, Ätzen, Zellbindung usw. Eine flüssige Zelle mit den Abmessungen eines gewöhnlichen TEM-Gitter in jedem Standard TEM Probenhalter passen . Etwa 100 Nanoliter Reaktionslösung wird in den Behältern beladen und etwa 30 Pikolitern Flüssigkeit in den Sichtfenstern durch Kapillarkraft gezeichnet. Anschließend wird die Zelle versiegelt und in ein Mikroskop zur in situ-Bildgebung geladen. Innerhalb der TEM, geht der Elektronenstrahl durch die dünne Flüssigkeitsschicht zwischen zwei Membranen Siliziumnitrid eingeklemmt. Dynamische procprozesse von Nanopartikeln in Flüssigkeiten, wie Keimbildung und Wachstum von Nanokristallen, Diffusion und Anordnung von Nanopartikeln, etc., sind in Echtzeit worden mit Sub-Nanometer Auflösung abgebildet. Wir haben auch diese Methode auf andere Forschungsgebiete, wie zB bildgebende Proteine in Wasser angewendet. Flüssigzelle TEM ist bereit, eine wichtige Rolle bei der Aufdeckung dynamischer Prozesse von Materialien in ihrer Arbeitsumgebung zu spielen. Es kann auch bringen hohe Auswirkung in der Untersuchung biologischer Prozesse in ihrer natürlichen Umgebung.
Introduction
Die Untersuchung von chemischen Reaktionen in Flüssigkeiten in Echtzeit und Bildgebung biologischer Materialien in ihrer natürlichen Umgebung haben erhebliche Interessen in den Forschungsfeldern 1-5 gewesen. Aufgrund der hohen räumlichen Auflösung der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Bildgebung durch Flüssigkeiten mit TEM hat eine Menge Aufmerksamkeit 4,5 angezogen. Allerdings war es eine große Herausforderung, Bild flüssigen Proben mittels TEM, da die herkömmlichen Mikroskop in einem Hochvakuum-Umgebung betrieben wird. Darüber hinaus haben flüssigen Proben zu dünn genug sein, damit der Elektronenstrahl zu durchlaufen. Williamson et al. 6 gemeldet, dass die Bildgebung der elektrochemischen Abscheidung von Cu mit 5 nm Auflösung unter Verwendung einer elektrochemischen Zelle in einem flüssigen TEM betrieben erreicht werden kann. De Jonge et al. 1 konnte image biologischen Proben durch serveral Mikrometer dicken Wasser mit einem Scanning (S) TEM. Der geringe Kontrast der biologischen Proben war nichtaufgeworfen als Problem, da Gold-Nanopartikeln als Marker für die Bildgebung verwendet wurden. Die dicke Flüssigkeit Probe war kein Problem, da STEM Imaging-Modus verwendet wurde und Nanometer-Auflösung erreicht wurde. Wir haben vor kurzem entwickelten ein in sich geschlossenes Flüssig-Zelle, die Echtzeit-TEM-Aufnahmen von kolloidalen Nanopartikeln ermöglicht in Flüssigkeiten mit Sub-Nanometer Auflösung 5,7. Diese neu entwickelten flüssigen Zellen, die eine verbesserte Auflösung und schneller TEM-Aufnahmen (30 Bilder pro Sekunde, die nicht durch hohe Auflösung STEM Bildgebung erreicht wurde), machte es möglich, kolloidalen Nanopartikeln Dynamik in Flüssigkeiten zu studieren bieten. Die Flüssigkeit Zellen passen in einen Standard-TEM-Halter und können als normale TEM-Proben betrieben werden. Eine geringe Menge an Flüssigkeit (etwa 30 Picoliter) kann in situ unter einer ausgedehnten chemischen Reaktion untersucht werden. Verschiedenen bildgebenden und analytischen (dh energiedispersiven Röntgen-Spektroskopie)-Techniken angewendet werden können. Da die Gesamtdicke des Sichtfensters (einschließlich Membranenund die flüssige Schicht) kann auf 100 nm oder weniger gesteuert werden, hat direkten Abbildung von biologischen Proben (dh Proteine) in flüssigem Wasser ohne Goldnanopartikel Marker ebenfalls 8 gelöst.
In den vergangenen zwei Jahrzehnten gab es bedeutende Leistungen auf den Synthesen und Anwendungen von kolloidalen Nanokristallen 9-11. Allerdings ist das Verständnis, wie sich Nanopartikel nukleieren, wachsen und miteinander interagieren in Flüssigkeiten weitgehend empirisch und vor allem auf Ex-situ-Analysen 11-13 basiert. Unsere Entwicklung Flüssigzelle TEM bietet eine einzigartige Plattform, um die dynamischen Prozesse der Nanopartikel in Flüssigkeiten in situ 5,7,14,15 studieren.
Wir fertigen eine in sich geschlossene Flüssigkeitszelle unter Verwendung ultradünnen Silicium-Wafer (100 um) durch eine sequentielle Mikrofabrikationsprozessen. Es umfasst die Abscheidung von Siliciumnitrid-Membran, photolithographische Musterung, Ätzen, Abscheiden Abstandshalter und der ZelleKleben, etc. Über 50 Nanolitern der Reaktionslösung in ein Reservoir, das in der Zelle durch Kapillarkraft gezogen wird geladen. Wir füllen die anderen Reservoir mit weiteren 50 Nanoliter der Flüssigkeit. Anschließend wird die Zelle verschlossen und in das Mikroskop zur in situ-Bildgebung geladen. Im Inneren des Mikroskops, wobei die Flüssigkeit zwischen zwei Membranen Siliziumnitrid (insgesamt etwa 30 Picoliter) untersucht werden eingeklemmt. Wenn der Elektronenstrahl durch die dünne Flüssigkeitsschicht gelangt, können dynamische Prozesse von Nanopartikeln in Flüssigkeiten in Echtzeit überwacht werden. Keimbildung und das Wachstum der Nanopartikel können durch den Elektronenstrahl in einigen Fällen 5,7 oder Reaktionen durch eine externe Heizquelle 14,16 ausgelöst werden kann induziert werden. Wenn der Elektronenstrahl Beschädigung eines Sorge ist, sollte niedrig Elektronenstrahlstrom (Dosis) verwendet werden.
Da flüssige Zellen werden aus Silizium Mikrofabrikation Prozesse und in großen Stückzahlen, Variationen in der Membran oder Flüssigkeit hergestelltDicke zwischen den einzelnen flüssigen Zellen können smal l6 sein. Jeder Forscher, der grundlegende Mikrofabrikation Training hat erfolgreich machen flüssigen Zellen. Die Liquid-Handling-Technik und in situ TEM-Betrieb kann auch nach Übung gemeistert werden. Es wird angemerkt, dass neben der Verwendung von Siliciumnitrid als Membranen den Sichtfenstern, andere Materialien, wie Siliziumdioxid, Silizium oder Kohlenstoff (einschließlich Graphen) als Membran-Fenster sowie 17-19 verwendet werden. Da unsere flüssigen Zellen mit kleinen Sichtfenstern, dh, 1 x 50 um, kein Ausbeulen der Membranen wurde beobachtet. Und die Flüssigkeit Zelle auch robust zu bedienen, unten, dh 1% der liquiden Zellen Fenstern während der Experimente gebrochen. Zusätzlich kann die Dicke der flüssigen Schicht auch flexibel durch Änderung der Dicke der abgeschiedenen Indium Abstandshalter eingestellt werden. Während Probenvorbereitung kann eine versiegelte Flüssigzelle Flüssigkeiten für mehrere Tage ohne Leckagen halten. Die geringe Menge an Flüssigkeit kannfür mehrere Stunden unter dem Elektronenstrahl, der die Untersuchung eines gestreckten chemischen Reaktion in Echtzeit untersucht werden kann.
Bisher haben wir visualisiert vielen verschiedenen dynamischen Prozesse der Nanopartikel in Flüssigkeiten, beispielsweise Nanopartikel Wachstums und Koaleszenz der Pt 5,15, Diffusion von Nanopartikeln in dünne Flüssigkeiten 20,21, Wachstum Schwankung Bi Nanopartikel 14, und das Wachstum von Pt 3 Fe Nanostäbchen von Nanopartikel-Bausteine 7 usw. Darüber hinaus haben wir auch diese Methode auch auf andere Bereiche angewendet, z. B. Proteine Bildgebung in flüssigem Wasser mit 2,7 nm Auflösung 8. Zusammenfassend hat unsere Flüssigzelle TEM-Technik nachgewiesen worden, eine sehr wertvolle Entwicklung für die Untersuchung einer Vielzahl von grundlegenden Fragen in den Materialwissenschaften, Physik, Chemie und Biologie sein. Wir glauben, es ist immer noch großen Raum für künftige technische Entwicklungen und Anwendungen der Flüssigkeit TEM und es wird sicherlich eine hohe impa seinct auf ein breites Spektrum der wissenschaftlichen Forschung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Alle Herstellungsverfahren sind in dem Reinraum, wo Halbleitervorrichtungen hergestellt sind geschehen.
Vor der Abscheidung von Indium, O 2 ist Plasmareinigung der Chips notwendig, die organischen Rückstände auf der Oberfläche zu beseitigen. Somit kann eine hohe Qualität Indium Abstandshalter erzielt werden, welche die Bindung der oberen und unteren Chips und die Ausbeute an flüssigen leckagefrei Zellen zu verbessern.
Das Siliziumnitrid Sichtfenst…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Zheng dankt Prof. A. Paul Alivisatos und Dr. Ulrich Dahmen für hilfreiche Diskussionen während der frühen Entwicklung des EM flüssigen Zellen. Sie ist dankbar für die Unterstützung des DOE Office of Science 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 |
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