Revelando los procesos dinámicos de los materiales en líquidos con líquido de transmisión celular Microscopía Electrónica

El estudio de las reacciones químicas en líquidos en tiempo real y los materiales de formación de imágenes biológicas en su medio natural han sido de participaciones significativas a través de los campos de investigación ^1-5. Debido a la alta resolución espacial de microscopía electrónica de transmisión (TEM), imágenes por medio de líquidos utilizando TEM ha atraído mucha atención de ^4,5. Sin embargo, ha sido un gran desafío para las muestras líquidas usando la imagen TEM, ya que el microscopio convencional se utiliza en un entorno de alto vacío. Además, las muestras líquidas tienen que ser lo suficientemente delgada como para permitir que el haz de electrones que pasar. Williamson et al. ⁶ informó de que la imagen de deposición electroquímica de Cu se puede lograr con una resolución de 5 nm usando una celda electroquímica líquido operado en un TEM. De Jonge et al. ¹ fue capaz de muestras de imágenes biológicas a través de agua micrómetro serveral de espesor utilizando un barrido (S) TEM. El bajo contraste de las muestras biológicas no eraplanteado como un problema ya que las nanopartículas de oro fueron utilizados como marcadores para la obtención de imágenes. La muestra de líquido espeso no fue un problema ya que STEM modo de imagen se utilizó y resolución nanométrica se logró. Recientemente, hemos desarrollado una célula de líquido en sí misma, que permite obtener imágenes TEM verdadero tiempo de nanopartículas coloidales en líquidos con resolución subnanometer ^5,7. Estas células recién desarrolladas líquidos, que ofrecen una resolución mejorada y más rápida obtención de imágenes de TEM (30 cuadros por segundo que no se ha logrado mediante formación de imágenes de alta resolución STEM), hizo posible para estudiar la dinámica de nanopartículas coloidales en líquidos. Las células líquidos encajan en un soporte TEM estándar y puede ser operado como muestras de TEM regulares. Una pequeña cantidad de líquido (aproximadamente 30 picolitros) puede ser examinada in situ en una reacción química extendida. Varios de formación de imágenes y de análisis (es decir, energía dispersiva de espectroscopia de rayos X) técnicas se pueden aplicar. Dado que el espesor total de la ventana de visualización (incluyendo membranasy la capa de líquido) puede ser controlada a 100 nm o menos, la imagen directa de muestras biológicas (es decir, proteínas) en el agua líquida sin marcadores de nanopartículas de oro también se ha conseguido ^8.

En las últimas dos décadas, ha habido logros significativos en la síntesis y aplicaciones de los nanocristales coloidales ^9-11. Sin embargo, la comprensión de cómo nucleada nanopartículas, crecer e interactuar unos con otros en líquidos es en gran medida empírico y en su mayoría sobre la base de análisis in situ ex ^11-13. El desarrollo de la célula TEM líquido proporciona una plataforma única para estudiar los procesos dinámicos de las nanopartículas en los líquidos in situ ^5,7,14,15.

Fabricamos una célula líquido autocontenido el uso de ultra delgadas obleas de silicio (100 m) por un proceso de microfabricación secuencial. Se incluye la deposición de la membrana de nitruro de silicio, patrón fotolitográfico, el grabado de obleas, la deposición de espaciador, y la célulaunión, etc Acerca de 50 nanolitros de la solución de reacción se carga en un depósito, que se introduce en la célula por la fuerza capilar. Llenamos el otro depósito con otros 50 nanolitros de líquido. Posteriormente, la célula se sella y se cargan en el microscopio para la formación de imágenes in situ. En el interior del microscopio, el líquido colocada entre dos membranas de nitruro de silicio (total aproximadamente 30 picolitros) puede ser examinado. Cuando el haz de electrones pasa a través de la capa de líquido delgada, procesos dinámicos de las nanopartículas en los líquidos puede ser monitoreado en tiempo real. La nucleación y el crecimiento de las nanopartículas puede ser inducida por el haz de electrones en algunos casos ^5,7 o reacciones puede ser activado por una fuente de calor externa ^14,16. Cuando el daño haz de electrones es de una preocupación, baja corriente de haz de electrones (dosis) se debe utilizar.

Puesto que las células líquidos se fabrican de procesos de microfabricación de silicio y en grandes lotes, las variaciones en la membrana o líquidosespesor entre las células individuales de líquidos puede ser ^l6 smal. Cualquier investigador que tiene entrenamiento básico microfabricación con éxito puede hacer que las células de líquido. La técnica de tratamiento de líquidos e in situ el funcionamiento TEM también se puede dominar después de la práctica. Cabe señalar que, además de utilizar membranas de nitruro de silicio como las ventanillas de visualización, otros materiales tales como dióxido de silicio, silicio o carbono (incluyendo grafeno) se puede utilizar como la ventana de membrana, así ^17-19. Dado que nuestras células líquidas utilizando pequeño ventanas de visión, es decir, 1 x 50 micras, no abultamiento de las membranas se ha observado. Y, la célula líquido es también robusto para funcionar, es decir, por debajo de 1% de las células líquidos han roto ventanas durante los experimentos. Además, el espesor de la capa de líquido también puede ser flexible sintonizado cambiando el grosor del separador de indio depositado. Durante la preparación de la muestra, una célula líquida sellada puede mantener líquidos durante varios días sin fugas. La pequeña cantidad de líquido puedeexaminarse durante varias horas bajo el haz de electrones, lo que permite el estudio de una reacción química extendida en tiempo real.

Hasta el momento, hemos visualizado muchos procesos dinámicos únicas de las nanopartículas en los líquidos, por ejemplo, el crecimiento y coalescencia de las nanopartículas de Pt ^5,15, la difusión de las nanopartículas en líquidos poco espesos ^20,21 crecimiento, fluctuación de las nanopartículas Bi ^14, y el crecimiento de Pt ₃ nanorods Fe a partir de estructuras de nanopartículas ^7, etc Además, también hemos aplicado este método a otras áreas, por ejemplo, las proteínas de imagen en el agua líquida con 2,7 nm de resolución ^8. En resumen, nuestra técnica TEM líquido celular se ha demostrado ser un desarrollo muy valiosa para el estudio de una amplia gama de cuestiones fundamentales en la ciencia de materiales, la física, la química y la biología. Creemos que todavía hay espacio grande para las futuras mejoras técnicas y aplicaciones de la TEM líquido y sin duda será un gran impact en un amplio espectro de la investigación científica.