Rivelare processi dinamici dei materiali in liquidi con liquido di trasmissione microscopia elettronica cellulare

Lo studio delle reazioni chimiche nei liquidi in tempo reale e di imaging materiali biologici nel loro ambiente nativo stato di interessi significative tra i campi di ricerca ^1-5. A causa della alta risoluzione spaziale di microscopia elettronica a trasmissione (TEM), immagini attraverso liquidi con TEM ha attirato molta attenzione ^4,5. Tuttavia, è stata una grande sfida per i campioni immagine liquido mediante TEM, poiché il microscopio convenzionale viene utilizzato in un ambiente ad alto vuoto. Inoltre, campioni liquidi devono essere sufficientemente sottile da consentire il fascio di elettroni di passare attraverso. Williamson et al. ⁶ riferito che l'imaging di deposizione elettrochimica di Cu può essere realizzato con risoluzione di 5 nm utilizzando una cella elettrochimica liquido utilizzato in un TEM. De Jonge et al. ¹ era in grado di campioni biologici di immagini attraverso l'acqua micrometri serveral di spessore utilizzando un (S) TEM scansione. Il basso contrasto dei campioni biologici non eracresciuto come un problema poiché le nanoparticelle d'oro sono stati utilizzati come marcatori per l'imaging. Il campione di liquido denso non era un problema sia in quanto STEM modalità di acquisizione immagini è stato utilizzato e risoluzione nanometrica è stato raggiunto. Recentemente abbiamo sviluppato un self-contained cellule liquido, che permette l'imaging TEM tempo reale di nanoparticelle colloidali in liquidi con risoluzione subnanometer ^5,7. Queste cellule di nuova concezione liquidi, che offrono risoluzione migliorata e più veloce di immagini TEM (30 fotogrammi al secondo che non è stata raggiunta da immagini ad alta risoluzione STEM), ha permesso di studiare le dinamiche di nanoparticelle colloidali in liquidi. Le cellule di liquido in forma in un supporto TEM standard e può essere utilizzato come campioni TEM regolari. Una piccola quantità di liquido (circa 30 picolitri) può essere esaminata in situ in una reazione chimica estesa. Varie immagini e analitica (cioè, a dispersione di energia spettroscopia a raggi X) tecniche possono essere applicate. Poiché lo spessore totale della finestra di visualizzazione (comprese le membranee lo strato liquido) può essere controllata a 100 nm o inferiore, imaging diretto di campioni biologici (proteine) in acqua liquida senza marcatori nanoparticelle d'oro è stato raggiunto ^8.

Negli ultimi due decenni, ci sono stati risultati significativi sulle sintesi e le applicazioni dei nanocristalli colloidali ^9-11. Tuttavia, la comprensione di come nucleazione nanoparticelle, crescere e interagire con loro in liquidi è in gran parte empirica e per lo più sulla base di analisi ex situ ^11-13. Lo sviluppo delle cellule TEM liquido offre una piattaforma unica per studiare i processi dinamici di nanoparticelle nei liquidi in situ ^5,7,14,15.

Noi fabbricare un self-contained cella liquido utilizzando ultra sottile wafer di silicio (100 micron), con un processo di microfabbricazione sequenziale. Esso comprende la deposizione della membrana di nitruro di silicio, patterning fotolitografica, wafer etching, deposizione distanziale, e celluleincollaggio, ecc Circa 50 nanolitri della soluzione di reazione viene caricata in un serbatoio, che viene aspirata nella cella con la forza capillare. Si riempie il serbatoio altro con altri 50 nanolitri del liquido. Successivamente, la cellula è sigillato e caricato nel microscopio per l'imaging in situ. All'interno del microscopio, il liquido a sandwich tra due membrane di silicio nitruro (totale circa 30 picolitri) possono essere esaminati. Quando il fascio di elettroni passa attraverso lo strato liquido sottile, processi dinamici di nanoparticelle nei liquidi possono essere monitorati in tempo reale. Nucleazione e crescita di nanoparticelle può essere indotta da fascio di elettroni in alcuni casi ^5,7 o reazioni può essere innescato da una fonte di calore esterna ^14,16. Quando il danno fascio di elettroni è una preoccupazione, bassa corrente di fascio di elettroni (dose) deve essere utilizzato.

Poiché le cellule liquidi sono fabbricati da processi di microfabbricazione silicio e in grandi lotti, variazioni nella membrana o liquidospessore tra le singole cellule di liquido può essere smal ^l6. Ogni ricercatore che ha una formazione di base microfabbricazione può fare con successo cellule liquidi. La tecnica di gestione dei liquidi e in funzione situ TEM può anche essere masterizzato dopo l'allenamento. Si osserva che oltre ad utilizzare membrane di nitruro di silicio come le finestre ottiche, altri materiali come biossido di silicio, silicio o carbonio (compreso grafene) può essere utilizzato come finestra membrana e ^17-19. Dal momento che le nostre cellule liquidi con piccole finestre di visualizzazione, vale a dire, 1 x 50 micron, non rigonfiamento delle membrane è stata osservata. E, la cella liquido è anche robusta per operare, cioè al di sotto dell'1% delle cellule liquidi hanno rotto finestre durante gli esperimenti. Inoltre, lo spessore dello strato liquido può anche essere facilmente regolato modificando lo spessore del distanziatore depositato indio. Durante la preparazione del campione, una cella a tenuta di liquido in grado di mantenere i liquidi per diversi giorni senza perdite. La piccola quantità di liquido puòessere esaminati per diverse ore sotto il fascio di elettroni, che consente lo studio di una reazione chimica esteso in tempo reale.

Finora, abbiamo visualizzati molti processi dinamici uniche di nanoparticelle in liquidi, ad esempio, la crescita e la coalescenza delle nanoparticelle Pt ^5,15, diffusione di nanoparticelle nei liquidi sottili, ^20,21 fluttuazione crescita di nanoparticelle Bi ^14, e la crescita di Pt ₃ nanotubi di Fe mattoni nanoparticelle ^7, ecc Inoltre, abbiamo anche applicato questo metodo ad altri settori, ad esempio, le proteine ​​di imaging in acqua liquida con 2,7 nm di risoluzione ^8. In sintesi, il nostro liquido tecnica TEM cellulare è stato dimostrato di essere uno sviluppo molto importante per lo studio di una vasta gamma di questioni fondamentali nella scienza dei materiali, fisica, chimica e biologia. Crediamo che ci sia ancora spazio grande per i futuri progressi tecnici e le applicazioni del liquido e TEM sarà certamente un alto IMPAct su un ampio spettro di ricerca scientifica.