الكشف عن العمليات الدينامية للمواد السائلة في السوائل عن طريق انتقال الإلكترون المجهري الخليوي
Summary
وقد وضعنا خلية قائمة بذاتها السائل، والذي يسمح التصوير من خلال السوائل باستخدام المجهر الإلكتروني انتقال العدوى. ويمكن كشف العمليات الحيوية النانوية في السوائل في الزمن الحقيقي مع شبه نانومتر القرار.
Abstract
وقد اجتذب التطورات الأخيرة في الموقع لنقل المجهر الإلكتروني، والذي يسمح التصوير من خلال السوائل لقرار مكانية عالية، والمصالح كبيرة عبر الحقول البحثية لعلوم المواد والفيزياء والكيمياء وعلم الأحياء. وتمكن التكنولوجيا الرئيسية هي خلايا السائل. نبتدع خلايا السائل مع ويندوز عرض رقيقة من خلال عملية متتابعة الدقيق microfabrication، بما في ذلك ترسب نيتريد السيليكون الغشاء، الزخرفة الطباعة بصفائح معدة ضوئيا، النقش ويفر، الترابط الخليوي، الخ. خلية السائل مع أبعاد شبكة TEM منتظمة يمكن أن يصلح في أي حامل TEM عينة القياسية . يتم تحميل حوالي 100 محلول التفاعل nanoliters في الخزانات ويوجه نحو 30 picoliters السائل إلى النوافذ مشاهدة بالقوة الشعرية. في وقت لاحق، وختم الخلية وتحميلها في المجهر لفي مجال التصوير الموقع. داخل TEM، وشعاع الالكترون يمر عبر طبقة رقيقة سائلة تقع بين اثنين من الأغشية نيتريد السيليكون. دينامية بروكوقد تم تصوير esses من الجسيمات النانوية في السوائل، مثل التنوي ونمو نشرها، والبلورات النانوية الجمعية الجسيمات النانوية، وما إلى ذلك، في الزمن الحقيقي مع شبه نانومتر القرار. لقد طبقنا هذه الطريقة أيضا إلى مجالات البحث الأخرى، على سبيل المثال، والبروتينات التصوير في الماء. تستعد السائل TEM الخلية لتلعب دورا رئيسيا في الكشف عن العمليات الحيوية من المواد في بيئات عملهم. فإنه قد يؤدي أيضا تأثير كبير في دراسة العمليات البيولوجية في بيئتها الأصلية.
Introduction
وكانت دراسة التفاعلات الكيميائية في السوائل في الوقت الحقيقي، ومواد التصوير البيولوجي في بيئتها الأصلية هي مصالح كبيرة في مجالات البحوث 1-5. وقد اجتذب بسبب قرار مكانية عالية من انتقال المجهر الإلكتروني (TEM)، والتصوير من خلال السوائل باستخدام TEM الكثير من الاهتمام 4،5. ومع ذلك، فقد كان تحديا كبيرا لعينات السائل باستخدام الصور TEM، منذ يتم تشغيل المجهر التقليدية في بيئة فراغ عالية. وبالإضافة إلى ذلك، عينات السائل يجب أن تكون رقيقة بما يكفي للسماح للشعاع الالكترون من خلال الذهاب. وذكرت ويليامسون وآخرون. 6 أن التصوير لا يمكن أن يتحقق من ترسب الكهروكيميائية من النحاس مع قرار نانومتر 5 باستخدام خلية كهروكيميائية تعمل السائل في TEM. وكان دي جونغ وآخرون. 1 بمقدورهم عينات المياه من خلال الصورة البيولوجية ميكرومتر سميكة سيرفيرال باستخدام المسح الضوئي (S) TEM. كان التباين المنخفض من العينات البيولوجية لاأثار كقضية منذ استخدمت جزيئات الذهب كعلامات للتصوير. كان العينة السائل الكثيف ليست مشكلة سواء تم استخدامه منذ STEM التصوير ووضع القرار تم تحقيقه نانومتر. ونحن وضعت مؤخرا خلية قائمة بذاتها السائل، والذي يسمح التصوير الحقيقي TEM وقت النانوية الغروية في السوائل مع قرار subnanometer 5،7. هذه الخلايا التي تم تطويرها حديثا السائل، والتي تقدم أسرع وتحسنت القرار TEM التصوير (30 لقطة في الثانية التي لم يتحقق من قبل التصوير عالية الدقة STEM)، جعلت من الممكن لدراسة ديناميات جسيمات متناهية الصغر الغروية في السوائل. الخلايا السائلة تناسب في حامل TEM القياسية ويمكن تشغيل كعينات TEM العادية. يمكن فحص كمية صغيرة من السائل (حوالي 30 picoliters) في الموقع تحت تفاعل كيميائي الموسعة. ويمكن تطبيق مختلف التصوير والتحليلية (أي الطاقة والتشتت التحليل الطيفي بالأشعة السينية) التقنيات. منذ إجمالي سمك الإطار الشخصي (بما في ذلك الأغشيةوطبقة السائل) يمكن التحكم إلى 100 نانومتر أو أقل، والتصوير المباشر لعينات البيولوجية (أي البروتينات) في الماء السائل دون علامات جسيمات متناهية الصغر من الذهب كما تم تحقيق 8.
في العقدين الماضيين، كانت هناك إنجازات هامة على التوليفات والبلورات النانوية الغروية تطبيقات 9-11. ومع ذلك، فإن فهم كيفية النانوية nucleate، تنمو وتتفاعل مع بعضها البعض في السوائل إلى حد كبير هو التجريبية وتستند في معظمها على التحليلات خارج الموقع 11-13. تنميتنا من خلية TEM السائل توفر منصة فريدة من نوعها لدراسة العمليات الدينامية من الجسيمات النانوية في السوائل في 5،7،14،15 الموقع.
نبتدع خلية السائل بذاتها باستخدام رقائق السليكون رقيقة جدا (100 ميكرون) من خلال عملية متتابعة الدقيق microfabrication. ويتضمن ترسب نيتريد السيليكون الغشاء، الزخرفة الطباعة بصفائح معدة ضوئيا، النقش ويفر، ترسب التبادل، والخليةالترابط، وما إلى ذلك يتم تحميل حوالي 50 nanoliters من محلول التفاعل إلى الخزان الذي يتم رسمها في الخلية بالقوة الشعرية. ملأنا خزان أخرى مع آخر nanoliters 50 من السائل. في وقت لاحق، وختم الخلية وتحميلها في المجهر لفي مجال التصوير الموقع. داخل المجهر، السائل تقع بين اثنين من الأغشية نيتريد السيليكون (المجموع حوالي 30 picoliters) يمكن فحصها. عندما يمر شعاع الالكترون من خلال طبقة رقيقة سائلة، يمكن رصد العمليات الدينامية من الجسيمات النانوية في السوائل في الوقت الحقيقي. يمكن أن يتسبب التنوي ونمو الجسيمات النانوية من قبل شعاع الالكترون في بعض الحالات يمكن أن تسبب ردود فعل أو 5،7 من مصدر التدفئة الخارجية 14،16. عندما تلف شعاع الالكترون هو مدعاة للقلق، يجب استخدام المنخفضة الحالية شعاع الالكترون (الجرعة).
هي ملفقة منذ خلايا السائل من عمليات السيليكون والدقيق microfabrication على دفعات كبيرة، والاختلافات في الغشاء أو السائليمكن سمك السائل بين الخلايا الفردية تكون L6 األصغر. يمكن لأي باحث لديه التدريب الأساسي بنجاح الدقيق microfabrication جعل خلايا السائل. ويمكن أيضا التعامل مع هذه التقنية السائلة والعملية في TEM الموقع بعد أن يتقن الممارسة. وتجدر الإشارة إلى أنه إلى جانب استخدام الأغشية نيتريد السيليكون كما عرض النوافذ، ويمكن استخدام مواد أخرى مثل ثاني أكسيد السيليكون، والسيليكون والكربون (بما في ذلك الجرافين) كإطار غشاء فضلا 17-19. وقد لوحظ منذ خلايانا السائل باستخدام ويندوز عرض صغيرة، أي 1 × 50 ميكرون، لا انتفاخ الأغشية. و، الخلية السائل هو أيضا قوية للعمل، أي أقل من 1٪ من خلايا السائل قد كسرت النوافذ خلال التجارب. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضا سمك طبقة السائل ضبطها بمرونة عن طريق تغيير سمك التبادل الإنديوم المودعة. خلال إعداد العينات، يمكن للخلية السائل مختومة الحفاظ على السوائل لعدة أيام مع عدم وجود تسرب. ويمكن لكمية صغيرة من السائلأن تدرس لعدة ساعات تحت شعاع الالكترون، والذي يسمح لدراسة التفاعل الكيميائي الموسعة في الوقت الحقيقي.
حتى الآن، لدينا العديد من فريدة تصور العمليات الحيوية النانوية في السوائل، على سبيل المثال، النمو والتحام من حزب العمال النانوية 5،15، نشر في السوائل النانوية رقيقة 20،21، تذبذب نمو النانوية بي 14، ونمو بط 3 nanorods الحديد من اللبنات جسيمات متناهية الصغر 7، الخ بالإضافة إلى ذلك، لقد طبقنا هذه الطريقة أيضا إلى مناطق أخرى، على سبيل المثال، والبروتينات التصوير في الماء السائل مع 2.7 نانومتر القرار 8. وباختصار، فقد ثبت لدينا خلية TEM السائل تقنية بمثابة تطوير قيمة جدا لدراسة مجموعة واسعة من القضايا الأساسية في علوم المواد والفيزياء والكيمياء وعلم الأحياء. نعتقد لا يزال هناك مجال كبير للالتقدم التقني في المستقبل وتطبيقات TEM السائل، وسوف يكون بالتأكيد السلطة الإسرائيلية عاليةط م على طيف واسع من البحث العلمي.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد تم القيام به جميع عمليات التصنيع في غرفة نظيفة، حيث تصنع أجهزة أشباه الموصلات.
قبل ترسب الإنديوم، O تنظيف البلازما 2 من رقائق ضروري للقضاء على بقايا العضوية على السطح. وهكذا، يمكن تحقيق الإنديوم عالية الجودة التبادل، وا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تشنغ يشكر الأستاذ A. بول Alivisatos والدكتور أولريش DAHMEN مفيدة للمناقشات خلال التنمية في وقت مبكر من خلايا السائل EM. وهي ممتنة لدعم مكتب وزارة الطاقة للعلوم في وقت مبكر الوظيفي برنامج البحوث.
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 |
References
- de Jonge, N., Ross, F. M. Electron microscopy of specimens in liquid. Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).
- Sun, Y. G. Watching nanoparticle kinetics in liquid. Mater. Today. 15, 140-147 (2012).
- Tao, F., Salmeron, M. In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments. Science. 331, 171-174 (2011).
- de Jonge, N., Poirier-Demers, N., Demers, H., Peckys, D. B., Drouin, D. Nanometerresolution electron microscopy through micrometers-thick water layers. Ultramicroscopy. 110, 1114-1119 (2010).
- Zheng, H., et al. Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories. Science. 324, 1309-1312 (2009).
- Williamson, M. J., Tromp, R. M., Vereecken, P. M., Hull, R., Ross, F. M. Dynamic microscopy of nanoscale cluster growth at the solid-liquid interface. Nature Materials. 2, 532-536 (2003).
- Liao, H. -. G., Cui, L., Whitelam, S. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336, 1011-1014 (2012).
- Mirsaidov, U. M., Zheng, H., Casana, Y., Matsudaira, P. Imaging Protein Structure in Water at 2.7 nm Resolution by Transmission Electron Microscopy. Biophysical Journal. 102, L15-L17 (2012).
- Yin, Y. D., et al. Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale Kirkendall Effect. Science. 304, 711-714 (2004).
- Kan, S., Mokari, T., Rothenberg, E., Banin, U. Synthesis and size-dependent properties of zinc-blende semiconductor quantum rods. Nature Materials. 2, 155-158 (1038).
- Peng, X. G., et al. Shape control of CdSe nanocrystals. Nature. 404, 59-61 (2000).
- Skrabalak, S. E., et al. Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications. Accounts of Chemical Research. 41, 1587-1595 (2008).
- Zhang, Q. B., Xie, J. P., Yang, J. H., Lee, J. Y. Monodisperse Icosahedral Ag, Au, and Pd Nanoparticles: Size Control Strategy and Superlattice Formation. Acs Nano. 3, 139-148 (2009).
- Xin, H. L., Zheng, H. In Situ Observation of Oscillatory Growth of Bismuth Nanoparticles. Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).
- Murray, C. B. Watching Nanocrystals Grow. Science. 324, 1276-1277 (2009).
- Xin, H. L., et al. Revealing Correlation of Valence State with Nanoporous Structure in Cobalt Catalyst Nanoparticles by In Situ Environmental TEM. ACS Nano. 6, 4241-4247 (2012).
- Daulton, T. L., Little, B. J., Lowe, K., Jones-Meehan, J. In situ environmental celltransmission electron microscopy study of microbial reduction of chromium(VI) using electron energy loss spectroscopy. Microscopy and Microanalysis. 7, 470-485 (2001).
- Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria. Nano Letters. 11, 1270-1275 (2011).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
- Zheng, H., Claridge, S. A., Minor, A. M., Alivisatos, A. P., Dahmen, U. Nanocrystal Diffusion in a Liquid Thin Film Observed by in Situ Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 9, 2460-2465 (2009).
- Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).
