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Chimica

Usando la microscopia elettronica di trasmissione di Graphene liquido cellulare per studiare in Situ nanocristallo acquaforte

Published: May 17, 2018
doi:
10.3791/57665
, ,
1Department of Chemistry,University of California-Berkeley, 2Department of Material Science and Engineering,University of California-Berkeley, 3Kavli Energy NanoScience Institute, 4Materials Sciences Division,Lawrence Berkeley National Laboratory

Summary

La microscopia elettronica di grafene liquido cellulare utilizzabile per osservare nanocristallo dinamiche in ambiente liquido con una maggiore risoluzione spaziale rispetto ad altre tecniche di microscopia elettronica delle cellule liquido. Acquaforte premade nanocristalli e seguenti loro forma utilizzando grafene liquido cellulare microscopia elettronica di trasmissione può produrre importanti informazioni meccanicistiche sulle trasformazioni delle nanoparticelle.

Abstract

La microscopia elettronica di grafene liquido cellulare offre la possibilità di osservare su scala nanometrica trasformazioni chimiche e dinamiche come le reazioni si verificano in ambienti liquidi. Questo manoscritto descrive il processo per fare grafene cellule liquido attraverso l’esempio di microscopia elettronica di trasmissione di grafene liquido cellulare (TEM) esperimenti di oro nanocristallo acquaforte. Il protocollo per la fabbricazione di grafene liquide cellule coinvolge rivestimento oro, holey-carbonio griglie TEM con grafene di deposizione di vapore chimico e quindi utilizzando tali griglie rivestite con grafene per incapsulare liquido tra due superfici di grafene. Queste sacche di liquido, con il nanomateriale di interesse, sono Imaging nel microscopio elettronico per vedere la dinamica del processo su scala nanometrica, in questo caso l’acquaforte ossidativo di nanorod oro. Controllando la dose di fascio di elettroni, che modula la specie di acquaforte nella cella liquida, si possono comprendere meglio i meccanismi di fondo di come gli atomi vengono rimossi da nanocristalli per formare forme e sfaccettature differenti. Grafene liquido cella TEM presenta i vantaggi di elevata risoluzione spaziale, compatibilità con i tradizionali supporti di TEM e i costi di Start-up bassa per gruppi di ricerca. Corrente limitazioni includono la preparazione del campione delicato, mancanza di capacità di flusso e affidarsi a prodotti di radiolisi generati dal fascio di elettroni per indurre reazioni. Con ulteriore sviluppo e controllo, grafene liquido cellulare può diventare una tecnica onnipresente nei nanomateriali e biologia, ed è già utilizzato per lo studio dei meccanismi che regolano processi dei nanomateriali in liquido crescita, acquaforte e auto-assemblaggio sul livello di singola particella.

Introduction

Controllably sintetizzare nanocristalli1 e assemblando le nanoparticelle in grandi strutture2,3 richiede la comprensione dei meccanismi fondamentali che regolano come atomi e nanoparticelle interagiscono e si legano insieme. Idealmente, sarebbero essere effettuati studi di questi processi su scala nanometrica in ambiente nativo di liquido con la corrispondente risoluzione spaziale necessaria osservare i fenomeni di interesse, ma questi requisiti pongono sfide a causa della lunghezza di nanometro scala su cui questi sistemi operano. I ricercatori hanno a lungo desiderato utilizzare la risoluzione spaziale di microscopia elettronica per questi processi di immagine, ma l’alto vuoto della colonna microscopio elettronico richiede incapsulamento della soluzione liquida4. Alcuni primi esperimenti di microscopio elettronico liquido cellulare incapsulato liquido tra due silicio nitruro membrane5,6,7,8, e questo metodo è ormai diventato un commercialmente disponibili tecnica per lo studio dei processi di dinamica su scala nanometrica.

Titolari di commercialmente disponibile silicio nitruro liquido cella TEM hanno fornito la risoluzione necessaria per vedere e comprendere una varietà di interessanti fenomeni su scala nanometrica9,10,11,12 , 13 , 14 , 15 , 16. alcuni titolari TEM commerciale liquido cellulare hanno funzionalità aggiuntive quali riscaldamento, flusso, e collegamenti elettrici che ulteriormente espandere il Regno di processi su scala nanometrica che possono essere studiate. Tuttavia, con tutte queste funzionalità, i sistemi commerciali non sono ottimizzati nei dintorni di raggiungere la più alta risoluzione spaziale. Per i ricercatori che hanno bisogno di una migliore risoluzione spaziale, diminuendo lo spessore della finestra e diminuendo lo spessore liquido sono due potenziali vie meno scattering del fascio di elettroni e la migliore risoluzione17. Alcuni gruppi che utilizzano celle liquido di nitruro di silicio fabbricano le proprie finestre che produce maggiore controllo sulla finestra e liquidi spessori. 18 la dispersione in diminuzione di queste cellule di liquide fatto in casa ha permesso studi di microscopia elettronica con una maggiore risoluzione spaziale tra cui risoluzione atomica studi19,20,21.

Poiché lo spessore del materiale incapsula è un aspetto che influenza negativamente la risoluzione spaziale degli esperimenti liquido cellulare, materiali atomicamente sottile, basso-Z come grafene sarebbe l’ideale incapsulamento materiali22, 23. fogli di grafene sono ancora abbastanza forte per proteggere le tasche di liquide dalla differenza di pressione della colonna. Inoltre, queste sacche di liquido cellulare di grafene di solito contengono strati più sottili di liquido, migliorando ulteriormente la risoluzione spaziale ottenibile. Interessante su scala nanometrica molti processi sono stati studiati con le cellule di liquido di grafene compreso studi seguendo traiettorie sfaccettatura delle nanoparticelle e le dinamiche di nanoparticelle con risoluzione atomica23,24,25 ,26,27. Un vantaggio non intenzionale della tecnica del liquido cellulare di grafene è che questa elevata risoluzione spaziale può essere raggiunto senza richiedere l’acquisto di un diverso titolare della TEM o fabbricazione di silicio specializzati. Esperimenti utilizzando celle di nitruro di silicio che ha realizzato la risoluzione alta anche richiesto grande nanoparticelle è composto da atomi pesanti, mentre la risoluzione acquisita dalla cellula liquida grafene può provvedere sub-2 nm nanoparticelle25risoluzione atomica. Inoltre, la cella di liquido di grafene ha aperto opportunità per lo studio di campioni biologici con microscopia elettronica a causa della natura flessibile del grafene per incapsulamento28,29 e la capacità di grafene per attenuare alcuni degli effetti offensivi dell’elettrone del fascio30. A causa di questi vantaggi, la microscopia elettronica di grafene liquido cellulare ha il potenziale per diventare una tecnica standard della comunità di nanoscienza, una volta che un numero maggiore di ricercatori capisce meglio se questa tecnica può aiutare la loro ricerca e come applicare Questa tecnica.

I ricercatori di chimica, nanomateriale, biologico e altri campi desiderando la risoluzione spaziale delle trasformazioni in situ possono beneficiare di impiegando la tecnica di microscopia elettronica di grafene cellule liquido. Questo metodo in situ è particolarmente importante per i processi di non-equilibrio che richiedono la visualizzazione durante la trasformazione. Uno svantaggio significativo delle tecniche di liquido cella TEM è la generazione di specie di radiolisi dell’elettrone perturbativi fascio31, che può indurre cambiamenti indesiderabili in campioni delicati. I ricercatori hanno sviluppato modelli per cercare di quantificare il fascio-driven chimica31,32, e sono state sviluppate strategie per mitigare questi effetti30,32. Grafene liquido cella TEM ha l’ulteriore sfida di essere fragile e spesso difficile da fare, specialmente per i ricercatori di nuovo alla tecnica. Lo scopo di questo articolo è di condividere i dettagli di come esperimenti di grafene liquido cella TEM può essere effettuata (Figura 1), utilizzando un esempio sperimentare osservando acquaforte di singola particella di nanocristalli e speriamo che visualizza tale cella liquido di grafene gli esperimenti sono possibili per quasi ogni gruppo con accesso al microscopio elettronico. Il protocollo coprirà il grafene rivestimento di griglie, formazione delle cellule del liquido, uso TEM per grafene liquido cellulare acquaforte esperimenti e tecniche di analisi di immagine. Fasi critiche in rendendo le cellule liquide come ad esempio la dimensione della goccia incapsulato, un’attenta valutazione dei contenuti di soluzione liquida, e uso del solo trasferimento diretto grafene sarà coperti con ulteriori consigli su come evitare di ripetere le insidie della ricercatori precedenti. Grafene liquido cella TEM è una tecnica emergente per la ricerca su scala nanometrica, e questo articolo consentirà nuovi entranti iniziare utilizzando questa tecnica.

Protocol

1. rendere griglie rivestite con grafene TEM Ritagliare un circa2 pezzi di cm 2 di premade grafene su rame (Vedi Tabella materiali) che si inserisce griglie TEM circa 6 a 8.Nota: Utilizzando 3 – 5 strati grafene invece di grafene monostrato incapsula liquidi tasche con più alti tassi di successo senza perdere risoluzione. Il grafene è un materiale atomicamente sottile, basso-Z, maggior perdita di risoluzione è da liquido spessore per le cellule del liquido di grafene. Pulire il grafene utilizzando un lavaggio di acetone (Figura 2A).Nota: Questo passaggio è progettato per rimuovere qualsiasi residuo PMMA [poly(methyl methacrylate)] a sinistra sulla superficie del grafene durante il processo di deposizione. Se l’utente è convinto che loro grafene è pulito, questo passaggio non è necessario. Posizionare il pezzo di grafene su rame in una capsula di Petri di vetro e riempire con acetone.Nota: Acetone è usato perché PMMA si scioglie in acetone. Riscaldare delicatamente la soluzione di acetone (~ 50 ° C) per 5 min, agitando la soluzione periodicamente.Nota: Assicurarsi di guardare l’acetone e la temperatura per evitare un incendio. Questo dovrebbe essere fatto in una cappa aspirante. Rimuovere il pezzo di grafene su rame dal lavaggio acetone con pinzette e sostituire l’acetone con acetone nuovo, pulito.Nota: Fare attenzione a non raschiare o danneggiare la superficie di grafene con le pinzette. Ripetere il processo di lavaggio per un totale di 3 volte. Lasciate che il grafene su rame asciugare accuratamente prima di andare alla fase successiva. Liscio il pezzo di grafene su rame per rimuovere qualsiasi rughe macroscopiche (Figura 2B).Nota: Questo processo di smussatura viene eseguito per garantire che le griglie di supporto perforato sventa-TEM (Vedi la Tabella materiali) sono in grado di legarsi correttamente alla superficie grafene. Urti e pieghe nel grafene-su-rame rendono difficile mantenere il contatto. Prendere due vetrini puliti e collocare un tampone imbevuto di piegato (Vedi Tabella materiali) su lastra di vetro di fondo. In cima il wipe, posizionare il pezzo di grafene su rame. Infine, inserire la seconda diapositiva di vetro sulla parte superiore.Nota: Posizionare il pezzo di grafene su rame dal lato del grafene (vetrino toccante) per evitare di graffiare dal panno di tessuto. Il tessuto piegato è usato per gradualmente spingere fuori le rughe e prevenire pieghevole in nuove pieghe. Premere verso il basso sulla diapositiva superiore, gradualmente, appianare le pieghe nella parte di grafene su rame. Ridurre il numero di pieghe nel tessuto e ripetere il processo di pressatura. Continuare il processo fino a quando una pressatura finale tra i due vetrini con un panno non tessuto. Stabilire reti TEM sul pezzo di grafene su rame (Figura 2). Posto il carbonio amorfo holey supporta le griglie di lamina-TEM (Vedi Tabella materiali) verso il basso sul grafene con il carbonio amorfo a contatto con il grafene.Nota: Fare attenzione a non piegare o deformare griglie TEM quando li raccogliendo con le pinzette. Griglie di Bent TEM non associare correttamente per il grafene. Raccogliendo le griglie dal bordo della griglia impedisce la deformazione delle griglie. Qui, oro griglie TEM vengono utilizzati per evitare le griglie di incisione durante il passaggio che rimuove il rame il grafene su rame. Posizionare le gocce da un paio di isopropanolo sulle griglie.Nota: Se qualsiasi griglie diventano sovrapposte, delicatamente spostarli con la punta di una pinzetta dopo aver messo isopropanolo sulle griglie. Fare attenzione a non danneggiare la superficie di grafene. Lasciare asciugare per 2 + h per rendere sicuri griglie correttamente sono legati. Questo processo di essiccazione introduce il carbonio amorfo holey migliore contatto con il grafene.Nota: Per verificare se le griglie hanno aderito al grafene, delicatamente prendere il pezzo di grafene su rame e capovolgerla. Se la gravità non togliere le griglie, dovrebbe essere incollati correttamente. Etch il rame utilizzando una soluzione di persolfato di sodio (Figura 2D). Fare una soluzione con 1 g di sodio persolfato in 10 mL di acqua deionizzata. Con una pinzetta, attentamente posizionare il pezzo di grafene su rame sulla soluzione di persolfato di sodio con il lato rame giù. Lasciare che il pezzo galleggiante sulla cima la soluzione di persolfato di sodio (Figura 2D). Mantenere la soluzione con griglie rivestite con grafene seduto durante la notte. Si noti che la soluzione diventerà blu, come il rame incide, e non ci sarà nessun rame visibile dietro il foglio di grafene acquaforte terminata (Figura 2E). Lavare le griglie per pulire il persolfato di sodio. Togliere le griglie galleggiante dalla soluzione e metterli su pulito, deionizzata acqua (Vedi Tabella materiali per filtro in una seconda scatola di Petri).Nota: Il metodo più semplice per trasferire le griglie comporta l’uso di una lastra di vetro per raccogliere le griglie e poi metterli giù nel secondo piatto Petri riempita di acqua. Alcune griglie cadrà sul fondo del piatto Petri durante il processo di trasferimento. Solitamente si tratta di un segno che il grafene sulla griglia è incrinato o danneggiato in altro modo. Ripetere questo processo 3 volte per rimuovere tutti i residui di persolfato di sodio dalle griglie rivestite sul grafene. Pick up le griglie con una pinzetta, posizionare le griglie grafene-lato alto su una carta da filtro e lasciarli asciugare.Nota: Questo trasferimento finale fuori l’acqua di lavaggio può essere difficile, come le griglie spesso bastone per le pinzette dovuto le forze capillari dall’acqua residua. 2. rendere liquido cellulare tasche Prendere due griglie rivestite con grafene TEM e metterli grafene lato fino su un vetrino. Utilizzando un piccolo bisturi chirurgico, tagliare il bordo di una delle griglie rivestite con grafene TEM, circa 1/4 a 1/8 dell’area della griglia (Figura 3A).Nota: Taglio uno delle griglie è supposto per portare il grafene sulle due griglie a più stretto contatto per fornire la migliore interazione di grafene-grafene a tasche di forma. Preparare la soluzione per essere incapsulato.Nota: La soluzione è specifica per il nanocristallo acquaforte esperimento. Fare Tris HCl tampone con acqua deionizzata ad una concentrazione compresa tra 10-100 mM.Nota: Abbiamo trovato che per la preparazione di soluzioni acquose delle nanoparticelle metalliche, tampone Tris che HCL conduce ad un più alto tasso di successo delle tasche stabile anche se sono necessari ulteriori studi per capire perché tampone Tris HCl contribuisce a rendere stabile tasche. Utilizzo di base di tampone Tris o nessun tampone Tris che entrambi sembrano avere molto più basso tasso di successo della formazione della tasca in questo caso. Ogni solvente e campione probabilmente richiederà ottimizzazione per trovare condizioni che creano stabile tasche mentre non perturbare la chimica in fase di studio. Una breve indagine della letteratura mostra il successo con Orto-diclorobenzene/oleilammina (rapporto 9:1),23 0.5 x Tris-Borato-EDTA (TBE) e 200 mM NaCl soluzione,33 e acquosa 0,15 M di NaCl soluzione30 , nonché l’acquosa tampone Tris HCl sistema presentato qui. Fare una soluzione di FeCl3 di 40 mM in una soluzione di acqua deionizzata con 1,8 µ l di HCl per mL di acqua.Nota: Il FeCl3 è il mordenzante per questo esperimento di acquaforte. Altri esperimenti possono aggiungere diverse soluzioni a seconda l’esperimento in corso. Fare oro nanorod e concentrare il campione di nanorod dopo la pulizia1,34. Mescolare 0,15 mL di 0.01-0.1 mM tampone Tris-HCl, 0,1 mL di HCl di 40 mM FeCl3 e 10 µ l di nanorod. Posto ~0.5 goccia µ l di soluzione per incapsulare la griglia di TEM rivestite con grafene non-taglio. Utilizzare una pinzetta per tenere il bordo della griglia TEM pur ponendo la gocciolina affinché le forze capillari non sollevare la griglia TEM (Figura 3B).Nota: Fare attenzione a rendere la goccia più piccola possibile e posizionarlo come vicino al centro della griglia come possibile. Rapidamente e accuratamente posto della griglia TEM rivestite con grafene con l’angolo tagliato sopra la goccia; L’obiettivo è di avere la seconda griglia vengono a riposare sopra la griglia prima con nessun liquido ottenere spremuto fuori (Figura 3).Nota: Avere la seconda griglia già inserita in chiusura automatica pinzette può rendere questo processo più facile e veloce. Questo è probabilmente il passo più delicato del processo di formazione di liquido cellulare con molti potenziali errori che possono verificarsi. Impostazione la griglia in alto verso il basso durante la rimozione la pinzetta è una sfida come le pinzette possono rimanere incastrate tra le due griglie. In genere, posizionando un bordo della griglia TEM superiore verso il basso e poi gradualmente lasciando andare della griglia funziona meglio. Si noti che se il liquido è visto sul vetrino, quindi le tasche probabilmente non si chiudeva correttamente. Aspettare 5 minuti per lasciare che il grafene liquido cellulare tasche forma.Nota: Alcuni evaporazione del liquido può verificarsi come si stanno formando le tasche, ma una volta che viene formato un sigillo ermetico, nessuna perdita di liquida supplementare è probabile. Le concentrazioni relative di ogni specie in soluzione devono rimanere costante. Portare il campione per il TEM per l’imaging.Nota: La quantità di tempo per la sigillatura varia da ricercatore a ricercatore. Per l’incisione di esperimenti, meno tempo prima di portare il liquido delle cellule per il TEM è auspicabile evitare pre-incisione. 3. caricamento e cella di Graphene liquido di Imaging Nota: l’operazione del microscopio elettronico a trasmissione seguite procedure standard trovate nel manuale dell’utente. Ogni TEM avrà procedure di allineamento diverso. Posto la cella liquido di grafene in un solo TEM tradizionale inclinazione supporto (Figura 4).Nota: Altri supporti standard quali doppia inclinazione titolari o possessori di riscaldamento può essere utilizzato anche. Supporti che utilizzano un meccanismo di vite-come fissare la griglia TEM possono imporre una forza di taglio che distrugge la cellula liquida di grafene. Caricare il titolare TEM nella colonna TEM.Nota: Poiché la cella di liquido di grafene contiene un piccolo volume di liquido con nessun serbatoio e ha tasche separate, non c’è nessuna necessità di controllare rigorosamente le perdite come esperimenti di liquido cellulare nitruro di silicio. Anche se una tasca di liquido cellulare di grafene scoppiata, solo una piccolissima quantità di liquido viene rilasciata e quindi non bloccasse il sistema di vuoto di TEM. Utilizzare le nanoparticelle e carbonio amorfo nel campione per correttamente allineare il fascio TEM (pistola inclinazione, allineamento di apertura del condensatore e condensatore stigmation) e immagine (altezza Z regolazione, stigmation oggettiva, allineamento del centro di rotazione e aberrazione correttore di tuning se applicabile). Quindi rimuovere il supporto dal percorso del fascio e calibrare il tasso di dose fascio di elettroni. Accendere il filamento TEM almeno 20 min prima della calibrazione per lasciarlo stabilizzare per tassi di dose riproducibile; questo tempo di attesa può essere diverso a seconda del sistema di TEM e tipo della pistola di elettrone.Nota: Microscopisti elezione spesso utilizzano il tasso di dose per riferirsi al numero di elettroni trasportato per unità di superficie per unità di tempo (e–å2s). Nella comunità di chimica di radiazioni, questo è noto come la densità di flusso e rateo di dose è definita come la quantità di energia assorbita per unità di superficie per unità di tempo. Dal calcolo della quantità di energia assorbita da un campione è difficile per geometrie complesse trovati in cellule di liquide, e per mantenere la coerenza con la comunità TEM, scegliamo di usare il tasso di dose per riferirsi agli elettroni per unità di superficie per unità di tempo. Condensare il fascio all’importo più condensata, più alto tasso di dose, necessario per l’esperimento con la visualizzazione sullo schermo (Figura 5A). Leggere e salvare lente corrente per il fascio condensato.Nota: Per la procedura 3.3.2-3.3.5, uno script personalizzato microfotografia digitale è stato scritto che prende il controllo del sistema condensatore di TEM per calibrare la seconda lente condensatore (C2) corrente con il tasso di dose di elettroni trasportati. Questo consente al ricercatore di riproducibile impostare il tasso di dose di elettroni su valori arbitrari durante l’esperimento. Diffondere il fascio per la maggior quantità di diffusione, più basso tasso di dose, necessari per l’esperimento con la visualizzazione sullo schermo (figura 5B). Leggere e salvare l’obiettivo attuale per il raggio di diffusione. Dividere la gamma delle correnti lente condensatore 10 valori equidistanti e raccogliere immagini per ogni valore di lente condensatore con la telecamera CCD. Convertire conta un CCD di frequenza utilizzando Calibrazione sensibilità e ingrandimento del CCD per ogni obiettivo attuale della dose. Utilizzare dati di flusso dell’elettrone alle correnti di lenti diverse per fare una curva di calibrazione. Utilizzare questa curva di calibrazione per il resto dell’esperimento per controllare il fascio di elettroni per il flusso desiderato. Reinserire il campione per il percorso del fascio. Iniziare la ricerca per le nanoparticelle nelle tasche di liquidi, mantenendo basso il tasso di dose (solitamente circa 20 e–å2s).Nota: Mantenere basso il tasso di dose impedisce le nanoparticelle di acquaforte durante la ricerca di nanoparticelle. Quando una nanoparticella è trovata in una tasca di liquida, ottimizzare la messa a fuoco su nanoparticella mantenendo un tasso di dose bassa.Nota: Determinazione se una nanoparticella è in una tasca di liquida può essere difficile, ma la presenza di bolle o movimento delle particelle è spesso un buon segno di una tasca di liquido stabile. A volte, invece di liquido, le tasche assomigliare ad un gel molto denso con bolle si muove molto lentamente. Queste situazioni sono causate da evaporazione del liquido potenzialmente causa di tasche non sealed o crepe nel grafene. È abbastanza facile distinguere tra gel con nessun movimento e liquido ambienti con bolle rapidamente spostando e cambiando forma. Ci possono essere alcuni evaporazione durante la formazione di sacche di liquido buon cellulare, ma le concentrazioni relative tra reagenti rimane costante. Uso la calibrazione curva (vedi passo 3.3 per questo) per impostare la lente condensatore corrente per il tasso di dose desiderata (Figura 5).Nota: Uno script interno viene utilizzato per impostare lente condensatore corrente e parametri di acquisizione immagine Iniziare la raccolta di una serie temporale di immagini TEM con metadati di dose tasso e tempo francobolli incorporato nel file di immagine. Una volta terminata la particella acquaforte, diffondere il fascio e iniziare a cercare altre nanoparticelle nelle tasche liquide. Quando una quantità sufficiente di nanoparticella acquaforte video sono stati raccolti, è possibile rimuovere il supporto TEM dal TEM seguendo le procedure standard di TEM. Prendere la cellula liquida di grafene dal titolare TEM.Nota: Una sessione di imaging tipica dura circa 2-3 h con circa 30 video acquisiti. Il numero di video con dati utilizzabili dipende dalla qualità delle tasche e tipo di incisione esperimento. 4. immagine analisi di TEM video utilizzando il Software di calcolo Nota: Poiché TEM video proiezioni 2-dimensionale di forme 3-dimensionale, analisi attenta delle immagini deve essere fatto per estrarre acquaforte tariffe o cambiamenti di forma. Convertire il DM3 nativo file video a un file avi formato utilizzando ImageJ e importare i video avi in software di calcolo (Vedi Tabella materiali). Analizzare ogni nanorod in ogni fotogramma del video. Determinare il contorno del nanorod di soglia l’immagine (figura 7A).Nota: Il contrasto elevato delle nanoparticelle metalliche facilita analisi dell’immagine. Per studiare sistemi con contrasto molto basso, filtri aggiuntivi possono essere necessari prima di soglia. Dal profilo del nanorod, determinare l’asse maggiore e minore dell’ellisse in forma più vicina (figura 7B).Nota: Il software di analisi di immagine incorporata per determinare l’asse maggiore e minore presuppone che la forma è un’ellisse. Per un nanorod, che non è un’ellisse, questi valori non dovrebbero essere utilizzati quando il dimensionamento di nanoparticelle. Utilizzare l’asse maggiore per tagliare il contorno di nanorod in due metà (Figura 7). Ciascuna di queste metà, determinare il volume e la superficie della forma comprendeva ruotando tale contorno intorno all’asse principale.Nota: Questo metodo di calcolo è noto come il metodo di anelli. Questo metodo di analisi funziona solo se il nanorod è simmetrico intorno all’asse principale. Avere due metà per confrontare volumi e superfici fornisce qualche rassicurazione che il nanorod è veramente rotazione simmetrica. Dopo aver estratto il volume e la superficie di nanorod per ogni fotogramma del video, è necessario compilare e interpretare i dati.Nota: Questo metodo struttura consente inoltre per l’analisi delle sfaccettature di nanocristalli con forme definite.

Representative Results

Fotogrammi da un video rappresentativo di un nanorod acquaforte sotto un tasso di dose del fascio di elettroni di 800 e–/ Å s2sono illustrati nella Figura 6. La soluzione richiede circa 20 s di illuminazione del fascio prima il nanorod inizia in fase di incisione ossidativo. Dopo il nanorod inizia acquaforte, il tasso di rimozione di atomi rimane costante mentre il nanorod mantiene anche una proporzione costante. Nanorod in genere non hanno un movimento significativo durante il video che è coerenza con il precedente lavoro TEM liquido cellulare usando nanoparticelle di questa dimensione24. Poiché le nanoparticelle non si muovono molto, generazione di bolla e bolla movimento solitamente sono i modi migliori per determinare se una nanoparticella è in una tasca di liquida. Come il nanorod diventa piccolo, il nanorod comincia rotante e muoversi dentro e fuori del piano focale, confermando che il nanorod è in un ambiente liquido. L’errore più comune delle cellule liquido grafene è l’incapacità di incapsulare stabile sacche di liquido. A volte questo può portare ad per asciugare completamente tasche caratterizzati da nessun bolle e nessun movimento di nanoparticelle o cambio formato. Inoltre, una tasca può iniziare con liquido e le bolle ma successivamente asciugare prima di nanoparticella incide completamente. Solitamente per una buona cella liquida, ogni tasca è stabile per circa 2-3 min al tasso di dose di acquaforte e tasca essiccazione diventa un problema per grandi nanoparticelle o processi acquaforte lento solo. A volte, liquido può evaporare da una tasca e lasciarsi alle spalle una soluzione gelatinosa con un’altissima concentrazione di sale. Questi gel sono di solito evidenti quando a causa l’elevato contrasto della soluzione di imaging ed estremamente lento movimento di particelle e bollicine. I dati raccolti in queste soluzioni simil-gel non possono essere attendibili. Dopo aver raccolto il liquido cellulare dati TEM, vengono analizzati i video con nanoparticelle acquaforte. I volumi, superfici e sfaccettature (se applicabile) possono essere estratti e valutati ulteriormente (Figura 7). Un indizio di una tasca di essiccazione è sostanza rallentamento del tasso di incisione nel corso del tempo, quindi stampa il volume contro il tempo può essere un metodo efficace per controllare la stabilità della tasca e affidabilità dei dati. Altri risultati non ottimali comprendono acquaforte non simmetriche indicativo della contenuto disomogeneo tasca e precipitazione indesiderabili di specie di idrossido di ferro dal mordenzante di cloruro di ferro. Nel complesso, la chiave più importante per le cellule di liquido di successo grafene è un ambiente liquido stabile che conduce alle dinamiche del nanocristallo riproducibile su più nanoparticelle e tasche liquidi. Figura 1 . Schema del grafene liquido cellulare tecnica TEM. (A) per assemblare una cella liquido di grafene, una goccia di soluzione è posto su una griglia di grafene-rivestito carbonio holey TEM. Una seconda griglia di grafene-rivestito è messo in cima il droplet per formare una tasca. Si noti che questa immagine non è in scala e la goccia di liquido sono troppo grande di circa il 33%. (B) Zoomed-nel disegno schematico di una tasca di liquida durante la formazione immagine TEM di nanorod oro. Questo cartone animato è anche non in scala. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2 . Procedimento per realizzare il grafene rivestito griglie TEM (A) il grafene su rame di lavaggio pezzo in caldo di acetone (B) rimozione macroscopiche rughe appiattendo grafene su rame tra due lastre di vetro. Un tessuto viene piazzato sotto il pezzo di grafene su rame in modo da non piegare in nuove rughe. (C) immissione griglie TEM carbonio amorfo holey sul grafene su rame con lato di carbonio amorfo di griglie TEM toccando il grafene. (D) galleggiante rame/grafene/TEM griglie su Sodio persolfato mordenzante. Questa operazione rimuove il rame dalle griglie. (E) grafene rivestito griglie TEM dopo acquaforte fuori rame. La soluzione è blu e non c’è rame sulle griglie rivestite sul grafene. Per misure di riferimento, il diametro del vetro di Petri è circa 6 cm e il vetrino è di 7,5 cm di 2,5 cm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3 . Procedimento per realizzare il grafene liquide cellule (A) due griglie TEM rivestite con grafene preparati su un vetrino con un bordo tagliato fuori uno di loro. Il bisturi chirurgico usato per tagliare la griglia è in alto a destra dell’immagine. (B) gocciolina di incapsulamento di soluzione su un grafene rivestito griglia. La goccia sulla griglia superiore è la dimensione giusta e ha fatto una bella perlina sul grafene. La goccia sulla griglia inferiore ha sanguinato attraverso il grafene, probabilmente a causa di una crepa nel grafene. (C) seconda griglia rivestite con grafene messo in cima prima griglia con la gocciolina di soluzione. Questa cella di liquido di grafene è ora pronta a caricare in un TEM. Per misure di riferimento, il vetrino è 7,5 cm di 2,5 cm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4 . Grafene liquido cella di carico in inclinazione singola standard del porta-TEM. La cella di liquido di grafene si inserisce in un supporto TEM singolo-inclinazione standard nello stesso modo una normale griglia TEM si inserisce nel supporto. Per misure di riferimento, la griglia TEM ha un diametro di 3 mm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 5 . Controllo del fascio TEM. (A) condensato fascio di elettroni per la calibrazione di tasso di dose hanno visualizzate utilizzando lo schermo fluorescente. (B) Expanded fascio di elettroni per la calibrazione di tasso di dose hanno visto utilizzando schermo fluorescente. Intensità diminuisce come gli elettroni per di area per tempo diminuiscono il motivo per cui il fascio di elettroni è molto debole. Curva di taratura (C) concernenti il tasso di dose del fascio di elettroni alla lente condensatore corrente. Questa curva di calibrazione è usata per controllare il tasso di dose di fascio durante la formazione immagine. (D) i parametri utilizzati durante la raccolta di video TEM di nanoparticelle in cellule di liquido di grafene. Valori specifici utilizzati per ogni parametro possono cambiare a seconda del materiale che viene ripreso e la risoluzione necessaria. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 6 . Oro nanorod acquaforte in una tasca di liquido cellulare grafene. Fotogrammi di un video TEM rappresentativo di un oro nanorod acquaforte sotto tasso di dose di 800 e–/ Å s2. Dopo un periodo iniziale di nessuna incisione, i nanorod incide in modo costante. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 7 . Metodo per l’analisi dei fotogrammi video (A) che delinea il nanorod utilizzando Sogliatura nel software di analisi di immagine. (Vedi Tabella materiali) Questo separa la nanoparticella dallo sfondo e fornisce una forma per l’analisi quantitativa. (B) determinare gli assi maggiore e minori dei nanorod. (C) estrazione di ciascuna metà della struttura 2-D taglio lungo l’asse maggiore. Utilizzando questi contorni, ricostruire la forma 3D ruotando il contorno intorno all’asse x. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Microscopia elettronica di grafene liquido cellulare in grado di fornire informazioni meccanicistiche sulla crescita di nanocristalli e acquaforte con elevata risoluzione spaziale, ma poiché rendendo grafene liquide cellule può essere difficile e delicato, la tecnica richiede attenzione ai dettagli per estrarre dati utilizzabili. Anche dopo la pratica estesa facendo grafene cellule liquide, solo circa la metà a un quarto delle cellule liquide fatte con successo incapsulare la soluzione liquida. Il passaggio fondamentale nella formazione di cellule di liquide consiste nel posizionare la seconda griglia sopra la goccia di liquido. Errori comuni includono sempre le pinzette bloccate tra le due griglie, far cadere la seconda griglia troppo lontano fuori centro e a partire da una goccia che è troppo grande. Dato che l’assemblaggio di celle liquido grafene è delicata e richiede capacità motorie, prende solitamente pratica per effettuare con successo le tasche di liquide. A causa della spesa di grafene-rivestito griglie TEM, si consiglia vivamente che nuovo grafene liquido cella gli utenti primo praticano la cella liquida processo decisionale sulle griglie di TEM tradizionale rame carbonio amorfo per risparmiare denaro.

Determinare le cause del fallimento per le cellule di liquide può essere difficile perché un ricercatore non può sapere se ogni passo ha avuto successo fino a quando il campione alla fine di imaging, e gli errori, come graffiare il grafene, possono passare inosservati. L’errore più semplice per identificare è un assemblaggio improprio perché il ricercatore vedrà immediatamente la fuoriuscita di liquido fuori dalla cella di liquido di grafene. Problemi con facendo il grafene su griglie di rame, come fessurazione del grafene, possono essere più difficili da individuare. La qualità del grafene può essere controllata sia prima che dopo il rivestimento le griglie TEM mediante spettroscopia Raman, ma il grafene è solitamente inutilizzabile dopo questo test. Inoltre, è importante utilizzare trasferimento diretto grafene perché le due facce del grafene messi insieme devono essere pulite per formare correttamente un sigillo attraverso forze di Van der Waals. Facendo griglie rivestite con grafene attraverso metodi di trasferimento di polimero può lasciare polimero residuo sul lato il grafene che è previsto per legare insieme. Se viene seguita la procedura corretta utilizzando le griglie TEM corrette, mancanza di successo con la cella di liquido di grafene è solitamente dovuto il maltrattamento del grafene e griglie durante il montaggio e fabbricazione.

Grafene liquido cella che tem avanza esistenti tecniche TEM liquido cellulare utilizzando un materiale di incapsulamento molto più sottile che può utilizzato in qualsiasi titolare TEM tradizionale, rendendo ad alta risoluzione e la traiettoria di sfaccettatura esperimenti di rilevamento molto più facile. Con la risoluzione delle celle al silicio commerciale nitruro membrana liquida, gran parte della sfaccettatura e cinetiche informazioni che possono essere raggiunti dal acquaforte nanocristalli nella cella liquido grafene sarebbe perso. Grafene esperimenti TEM liquido cellulare possono essere eseguiti anche su singolo esistente inclinazione titolari TEM negando la necessità di costosi nuovi supporti specializzati. Ulteriormente, la cella di liquido di grafene può essere messo in qualsiasi titolare che accetta campioni di griglia TEM standard permettendo per esperimenti di liquido cellulare da eseguirsi in avanzato dove i titolari (riscaldamento, doppia inclinazione, raffreddamento, cryo, luminescenza catodica) liquido di nitruro di silicio le cellule non sono state progettate. Inoltre, cellule liquido grafene non comportano il rischio di schiantarsi il vuoto della colonna TEM se le tasche di rottura come altre tecniche di liquido cella TEM. Anche se la cella di liquido di grafene non è ancora una tecnica onnipresente nei campi del nanocristallo, la sua facilità d’uso e risoluzione spaziale renderà molto più ampiamente utilizzato in futuro.

Anche con i suoi numerosi vantaggi, grafene liquido cella TEM hanno limitazioni sui tipi di esperimenti che possono essere eseguiti. Un po’ di liquido evapora come tasche forma, quindi è difficile determinare esattamente la concentrazione di specie in soluzione, anche senza considerare gli effetti di fascio di elettroni. Grafene liquide cellule hanno anche dimensioni casuali, altezze e distribuzioni di piccole tasche, così le cellule di flusso nitruro di silicio hanno il vantaggio di più quantificabile concentrazioni pre-fascio e strati liquidi grande, uniforme. Come descritto in questo lavoro, solo precaricati campioni possono essere visualizzati utilizzando grafene liquido cella TEM, quindi non è possibile a fluire in altre soluzioni per innescare reazioni chimiche. Le specie di radiolisi generate dall’interazione del fascio con la soluzione liquida sono il grilletto solo che può essere utilizzato per avviare una reazione. Anche se non ha ancora dimostrato, termicamente avviati processi possono essere attivati in cellule liquido grafene utilizzando supporti di riscaldamento standard. Gli effetti di radiolisi indotta da fascio di elettroni ancora completamente non sono capiti e possono essere difficili da controllare. I ricercatori hanno sviluppato modelli cinetici per determinare il contenuto delle tasche di liquido cellulare dopo interazione fascio31,32, ma la loro precisione è limitata dal numero di reazioni incluso nel modello e qualsiasi concentrazione sconosciuta modifiche a causa di secchezza. Contenuto complesso iniziale tasca con molte specie di reagire come FeCl3, tampone Tris e anche grafene30, possa essere difficili da comprendere appieno utilizzando un modello cinetico. Un altro svantaggio di microscopia elettronica delle cellule liquido è che è difficile da caratterizzare la composizione dei cristalli formati durante i processi dinamici. Ad esempio, in esperimenti di crescita di sistemi a più componenti, può essere impossibile distinguere cosa fasi o specie crescono se i nuovi nanocristalli sono amorfi o non sull’asse di zona. Questo è un altro motivo per cui acquaforte preformati nanocristalli di composizione conosciuta che si siede su un asse di zona conosciuta è desiderabile. Infine, ci sono ancora alcuni argomenti che indotta da fascio di reazioni in una cella di liquido di grafene non rappresentano le condizioni delle reazioni ex situ in un fiasco.

Grafene futuro liquido cellulare esperimenti aiuterà ad alleviare alcune di queste preoccupazioni, mentre utilizzando anche nuovi TEM sposta all’ulteriore sonda i misteri sottostanti dei nanocristalli. Correlativo ex situ nanocristallo sintesi e acquaforte esperimenti sarà fondamentali a corroborare i meccanismi visti negli esperimenti di liquido cella TEM. Inoltre, i ricercatori hanno iniziato a lavorare sull’aggiunta di funzionalità del flusso di grafene liquido cella TEM35 e rendendo più controllata tasche36 incluse le matrici di grafene liquide cellule usando litograficamente preparato fori37. Gli avanzamenti nella microscopia elettronica ad alta risoluzione e fotocamera velocità farà grafene liquido cellulare ulteriormente in grado di studiare la dinamica atomica durante le trasformazioni nanocristallo. Wrapping di piccole sacche di liquido in un materiale atomicamente sottile come il grafene per uso in microscopia elettronica ha una moltitudine di applicazioni potenziali e diventerà senza dubbio un punto fermo della nanoscienza ricerca in futuro.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Il lavoro è stato supportato dal US Department of Energy, Office of Science, Office di base energia scienze, Scienze dei materiali e divisione Engineering, sotto contratto no. DE-AC02-05-CH11231 entro la chimica fisica del programma di nanostrutture inorganiche (KC3103).

Materials

2-propanol (Isopropanol) Sigma Aldrich 190764-4L
Acetone Fisher Chemical A949-4 HPLC Grade
FeCl3 Sigma Aldrich 44944-250g
Gold Quantifoil, Amorphous Carbon TEM Grids SPI Supplies 4230G-XA 300 Mesh Gold, R1.2/1.3- Often extensively on back-order
Graphene ACS Materials GnVCu3~5L-4x2in We special order this to get graphene only on one side. The double sided product number is CVCU3022. Usually, we use 3-5 layer graphene for making Graphene Liquid Cells.  If researchers need single layer graphene for their liquid cells, we have been using Grolltex recently
Hot Plate IKA C-MAG HS 7 Digital
Hydrochlorid Acid Fisher Chemical 7647-01-0
Kimwipe Tissues Kimberly-Clark 34120
Matlab Mathworks
Millipore Water Filter Millipore F4NA85846D
Sodium Persulfate Sigma Aldrich 71890-500g
Surgical Scalpel Blade Swann-Morton No. 6
TEM FEI Tecnai T20 S-Twin TEM needs to be linked to camera acquisition software to allow for dose rate calibration procedures.  
TEM Cameara for in situ data collection Gatan Orius SC200  Custom digital micrograph scripts (written in house) for calibrating the C2 lens value to dose rate and collect in situ datasets
TEM Single Tilt Sample Holder FEI
Tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride (Tris Buffer HCl) Fisher Biotech 1185-53-1
Tweezers Excelta 7-SA
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Hauwiller, M. R., Ondry, J. C., Alivisatos, A. P. Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching. J. Vis. Exp. (135), e57665, doi:10.3791/57665 (2018).
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