액체 셀 전송 전자 현미경을 사용하여 액체의 재료의 동적 프로세스를 공개
Summary
우리는 전송 전자 현미경을 사용하여 액체를 통해 영상을 수있는 독립적 인 액체 전지를 개발했습니다. 액체의 나노 입자의 동적 프로세스는 하위 나노 미터 해상도 실시간으로 공개 할 수 있습니다.
Abstract
높은 공간 해상도를 가진 액체를 통해 이미지를 허용 원위치 전송 전자 현미경,에 대한 최근의 개발은 재료 과학, 물리학, 화학 및 생물학 연구 분야에서 큰 관심을 끌고있다. 키 활성화 기술은 액체 셀입니다. 우리는 정기적으로 TEM 그리드의 크기와 액체 셀 표준 TEM 샘플 홀더에 끼워 넣을 수 실리콘 나이트 라이드 막 증착, photolithographic 패턴, 웨이퍼 에칭, 세포 접합 등, 연속 microfabrication 과정을 통해 얇은 볼 수있는 창문이있는 액체 전지를 제조 . 100 nanoliters 반응 솔루션은 저수지에로드되어 약 30 picoliters 액체는 모세관 힘에 의해 볼 창문에 그려집니다. 그 후, 세포는 현장 영상에 대한 현미경에 가둔 후로드됩니다. TEM 내부, 전자 빔은 두 실리콘 질화물 멤브레인 사이에 끼어 얇은 액체 층을 통해 간다. 동적 proc이러한 핵 및 nanocrystals, 확산 및 나노 입자 등의 조립의 성장과 같은 액체에 나노 입자의 esses은, 서브 나노 미터 해상도로 실시간으로 이미지로되어 있습니다. 우리는 또한 다른 연구 분야, 예를 들어, 물에 이미징 단백질에이 방법을 적용했습니다. 액체 셀 TEM들은 작업 환경에서 재료의 동적 프로세스를 드러내 중요한 역할을 태세입니다. 또한 자신의 네이티브 환경에서 생물학적 과정의 연구에 높은 영향을 가져 수 있습니다.
Introduction
자신의 모국어 환경에서 실시간 영상 생물학적 자료에 액체의 화학 반응의 연구는 연구 분야 1-5에서 상당한 이익을했습니다. 전송 전자 현미경 (TEM), TEM을 사용하여 액체를 통해 영상의 높은 공간 해상도로 인해 4,5 많은 관심을 끌고있다. 기존의 현미경은 높은 진공 환경에서 운영되어 있기 때문에 그러나, TEM을 사용하여 이미지를 액체 샘플에 큰 도전이되었습니다. 또한, 액체 샘플 전자 빔이 통과 할 수 있도록 할 수있을만큼 얇고 할 수 있습니다. 윌리엄슨 외. 6 잘라 내기의 전기 증착의 이미지가 TEM에서 운영 전기 액체 전지를 사용하여 5 나노 미터 해상도로 달성 할 수 있다고보고했다. 드 Jonge 외. 1 스캐닝 (S) TEM을 사용하여 serveral 마이크로 미터 두께의 물을 통해 이미지 생물학적 샘플을 수있었습니다. 생물학적 샘플의 낮은 대비 아니었다금 나노 입자가 이미지에 대한 마커로 사용 된 이후 문제로 올렸다. 줄기 이미징 모드가 사용되었고 나노 미터 해상도가 달성 된 이후 두꺼운 액체 샘플에는 문제가 아니 었습니다. 우리는 최근 subnanometer 해상도 5,7와 액체에서 콜로이드 나노 입자의 실시간 TEM 영상을 수있는 독립적 인 액체 전지를 개발했습니다. 개선 해상도와 빠른 TEM 영상 (높은 해상도의 줄기 이미징에 의해 달성되지 않은 초당 30 프레임)이 가능 액체에 콜로이드 nanoparticle 역학을 공부 한을 제공합니다 이러한 새로 개발 된 액체 세포. 액체 전지는 표준 TEM 홀더에 맞게 정기적으로 TEM 샘플로 운영 할 수 있습니다. 액체 (30 picoliters 약)의 작은 금액은 확장 화학 반응에 따라 현장에서 검사 할 수 있습니다. 다양한 이미징 및 분석 (즉, 에너지 흩어지는 X-선 분광법) 기술이 적용 할 수 있습니다. 보기 창 (멤브레인 포함 총 두께 이후와 액체 층)이 아래에 최대 100 나노 미터하거나 제어 할 수, 금 nanoparticle 아이콘이없는 액체 물에 생물 샘플 (예 : 단백질)의 직접 영상도 팔을 달성했습니다.
지난 20 년에 콜로이드 nanocrystals 9-11의 syntheses 및 응용 프로그램에 상당한 성과가 있었다. 그러나, 액체에 서로 성장하고 상호 작용하는 방식을 나노 입자의 핵의 이해는 주로 경험적와 대부분 11-13 전 현장 분석에 기반을두고 있습니다. 액체 세포 TEM 우리의 개발 현장 5,7,14,15에서 액체의 나노 입자의 동적 프로세스를 연구 할 수있는 독특한 플랫폼을 제공합니다.
우리는 순차적 microfabrication 과정에서 매우 얇은 실리콘 웨이퍼 (100 μm)를 사용하여 독립적 인 액체 셀을 제조. 이 실리콘 질화물 막의 증착, photolithographic 패턴, 웨이퍼 에칭, 스페이서 증착 및 셀을 포함결합은 반응 솔루션 등 약 50 nanoliters는 모세관 힘에 의해 셀에 그려집니다 저수지로로드됩니다. 우리는 액체의 또 다른 50 nanoliters으로 다른 저장소를 작성하십시오. 그 후, 세포는 현장 영상에 대한 현미경에 가둔 후로드됩니다. 현미경 내부의 액체는 두 실리콘 질화물 멤브레인 (30 picoliters에 대한 총) 검사를 할 수 있습니다 사이에 끼어. 전자 빔이 얇은 액체 층을 통과 할 때 액체의 나노 입자의 동적 프로세스를 실시간으로 모니터링 할 수 있습니다. 핵 및 나노 입자의 성장은 일부 경우에 5,7 또는 반응은 외부 열원 14,16에 의해 트리거 할 수있는 전자 빔에 의해 유도 할 수 있습니다. 전자 빔 손상이 우려되면, 낮은 전자 빔 전류 (선량)을 사용해야합니다.
액체 전지는 실리콘 microfabrication 과정에서 대형 일괄 처리, 막 또는 액체의 변화에 제조되기 때문에개인 액체 세포 간의 두께는 smal L6 할 수 있습니다. 기본 microfabrication 훈련을 가진 연구원이 성공적으로 액체 세포를 만들 수 있습니다. 액체 처리 기술, 현장 TEM 운영도 연습 후에는 마스터 할 수 있습니다. 그것은 보는 창으로 실리콘 질화물 멤브레인을 사용하는 외에, 이러한 이산화 실리콘, 실리콘 또는 탄소 (graphene 포함)과 같은 다른 물질이 막 창뿐만 아니라 17-19로 사용될 수 있다고 지적하고 있습니다. 이후 더 멤브레인의 불룩 작은보기 창, 즉 1 개 50 μm를 사용하여 우리의 액체 전지가 관찰되었습니다. 그리고 액체 전지는 작동하기 견고, 액체 세포의 1 % 실험 중에 창문을 깨뜨이 아래 즉. 또한, 액체 층의 두께도 유연하게 증착 된 인듐 스페이서의 두께를 변경하여 조정 할 수 있습니다. 샘플 준비하는 동안 봉인 된 액체 전지없이 유출로 몇 일 동안 액체를 유지 관리 할 수 있습니다. 액체의 작은 양의 수실시간으로 확장 화학 반응의 연구를 수있는 전자 빔에서 몇 시간 동안 검사.
지금까지 우리가 예를 들어, 액체에 나노 입자의 시각화 많은 독특한 동적 프로세스를 가지고 PT의 성장과 합체가 얇은 액체 20,21, 이중 나노 입자 (14)의 성장 변동, 그리고 PT 3 성장 나노 입자의 확산, 5,15을 나노 입자 nanoparticle의 빌딩 블록 7, 등 또한에서 철 nanorods, 우리는 2.7 nm의 해상도 8 액체 물에, 예를 들어, 다른 지역으로 이미징 단백질이 방법을 적용했습니다. 요약하면, 우리의 액체 세포 TEM 기술은 재료 과학, 물리학, 화학 및 생물학에 근본적인 문제의 광범위한 연구를위한 아주 중요한 발전이 될 입증되었습니다. 우리는 액체 TEM 미래의 기술 발전 및 응용 프로그램을위한 큰 여지가 믿고 확실히 높은 impa 될 것입니다과학 연구의 광범위한 스펙트럼에 중부 표준시.
Protocol
Representative Results
Discussion
모든 제조 과정은 반도체 장치가 만들어 클린 룸에서 수행되었습니다.
인듐의 증착하기 전에 칩의 O 2 플라즈마 청소는 표면에 유기 잔류 물을 제거 할 필요가 있습니다. 따라서, 고품질의 인듐 스페이서는 상단과 하단 칩의 본딩 및 누설 무료로 액체 세포의 수율을 향상시킬 수있는 달성 될 수있다.
두께 약 13 nm의 ultrathin 막과 창을 볼 수 실리콘…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
청 EM의 초기 개발 액체 셀 동안 교수 A. 폴 Alivisatos와 도움이 토론 박사 울리히 Dahmen 감사드립니다. 그녀는 과학 조기 경력 연구 프로그램의 DOE 사무소의 지원에 감사합니다.
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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