Sıvı Hücre Transmisyon Elektron Mikroskobu kullanarak Sıvılarda Malzemelerin Dinamik Süreçler Revealing
Summary
Biz bir transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak sıvı yoluyla görüntüleme sağlayan bir kendi kendine yeten bir sıvı hücre, geliştirdik. Sıvılarda nanoparçacıkların Dinamik süreçleri alt nanometre çözünürlükte gerçek zamanlı olarak ortaya çıkabilmektedir.
Abstract
Uzaysal çözünürlüğü yüksek olan sıvıları yoluyla görüntüleme sağlayan yerinde transmisyon elektron mikroskobu, en çok yeni bir gelişme malzeme bilimi, fizik, kimya ve biyoloji araştırma alanları arasında anlamlı bir ilgi çekti. Teknolojisini etkinleştirme anahtar bir sıvı hücredir. Biz düzenli TEM ızgara boyutları ile bir sıvı hücre herhangi bir standart TEM numune tutucu sığabilecek silisyum nitrür membran birikimi, fotolitografik desenlendirme, dağlama, hücre yapıştırma, vb dahil olmak üzere, sıralı bir mikroimalat sürecinde ince izleme pencereleri ile sıvı hücreleri imal . Yaklaşık 100 nanolitre reaksiyon çözeltisi rezervuar içine yerleştirilmiş ve yaklaşık 30 pikolitre sıvı kılcal kuvvet görüntüleme pencereleri içine çekilir. Daha sonra, hücre in situ görüntüleme için bir mikroskop içine mühürlenmiş ve yüklenir. TEM içinde, elektron demeti, iki silisyum nitrür membranların arasında sıkışmış ince sıvı tabakası geçer. Dinamik procgibi çekirdeklenme ve nanokristaller, difüzyon ve nanopartiküller, vb montaj büyüme gibi sıvıları nanoparçacıkların memuresi, alt-nanometre çözünürlükte gerçek zamanlı görüntülü edilmiştir. Biz de diğer araştırma alanları, örneğin, su görüntüleme proteinler için bu yöntemi uyguladık. Sıvı hücre TEM çalışma ortamlarında malzemelerin dinamik süreçleri ortaya önemli bir rol oynamaya hazırlanıyor. Aynı zamanda kendi doğal ortamında biyolojik süreçlerin çalışmada yüksek darbe getirebilir.
Introduction
Kendi doğal ortamında gerçek zamanlı ve görüntüleme biyolojik materyallerden sıvıların kimyasal reaksiyonlar çalışmada araştırma alanlarında 1-5 genelinde önemli çıkarları olmuştur. Transmisyon elektron mikroskobu (TEM), TEM kullanarak sıvı yoluyla görüntüleme yüksek uzaysal çözünürlüğü nedeniyle 4,5 ilgi çok çekti. Konvansiyonel mikroskop yüksek vakumlu ortamda çalıştırıldığında bu yana Ancak,, TEM kullanarak görüntü sıvı örnekler için büyük bir meydan okuma olmuştur. Buna ek olarak, sıvı örneklerin elektron ışın geçmesine izin için yeterince ince olmak zorunda. Williamson ve ark. 6 Cu elektrokimyasal çökelme görüntüleme TEM işletilen bir elektrokimyasal sıvı hücre kullanarak 5 nm çözünürlük ile elde edilebileceğini bildirdi. Jonge ark. 1. Bir tarama (S) TEM kullanarak serveral mikrometre kalınlığında su ile görüntü biyolojik örnekler başardı. Biyolojik numunelerin düşük kontrast değildialtın nanopartiküller görüntüleme için belirteç olarak kullanılan bu yana bir sorun olarak ortaya. KÖK görüntüleme modu kullanılmış ve nanometre çözünürlük elde beri kalın sıvı numune ya da bir sorun değildi. Biz son zamanlarda subnanometer çözünürlüklü 5,7 ile sıvı kolloidal nanoparçacıkların gerçek zamanlı TEM görüntüleme sağlayan bir kendi kendine yeten bir sıvı hücresi geliştirdi. Geliştirilmiş çözünürlük ve daha hızlı TEM görüntüleme (yüksek çözünürlüklü KÖK görüntüleme ile elde edilmemiştir saniyede 30 kare), mümkün sıvı kolloidal nanoparçacık dinamiklerini incelemek için yapılan teklif bu yeni geliştirilen sıvı hücreleri,. Sıvı hücreleri standart TEM tutucuya sığacak ve düzenli TEM örnekleri olarak çalıştırılabilir. Sıvı (30 pikolitre hakkında) küçük bir miktar uzun bir kimyasal reaksiyon altında yerinde incelenebilir. Çeşitli görüntüleme ve analitik (yani, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi) teknikleri uygulanabilir. Görüntüleme penceresi (membran dahil toplam kalınlığı yanave sıvı tabaka) altında 100 nm ya da daha için kontrol edilebilir, altın nanoparçacık belirteçler olmadan, sıvı su içinde biyolojik örnekler (örneğin, protein) doğrudan görüntüleme da 8 elde edilmiştir.
Son yirmi yılda, kolloidal nanokristal 9-11 sentez ve uygulamaları üzerinde önemli başarılar olmuştur. Ancak, sıvıların birbiri ile büyümek ve nasıl etkileşimde nanopartiküller çekirdek, anlayışı büyük ölçüde deneyseldir ve çoğunlukla 11-13 ex-situ analizleri dayanmaktadır. Sıvı hücre TEM Bizim gelişimi yerinde 5,7,14,15 sıvıların nanoparçacıkların dinamik süreçleri incelemek için eşsiz bir platform sağlar.
Biz bir sıralı mikroimalat işlem tarafından ultra ince silikon gofret (100 mikron) kullanarak kendi kendine yeten bir sıvı hücre imal. Bu silisyum nitrür membran birikimi, fotolitografik desenlendirme, dağlama, spacer birikimi ve hücre içerirbağ, reaksiyon çözeltisi, vs yaklaşık 50 nanolitre kılcal kuvvet ile bir hücresine çizilir; bir rezervuar içine yerleştirilir. Bu sıvı bir başka 50 nanolitre ile diğer rezervuar doldurun. Daha sonra, hücre in situ görüntüleme için mikroskop içine mühürlenmiş ve yüklenir. Mikroskop içinde, sıvı iki silisyum nitrür membranların (30 pikolitre hakkında toplam) incelenebilir arasında sıkışmış. Elektron ışını ince sıvı tabakası geçerken, sıvı nanoparçacıkların dinamik süreçleri gerçek zamanlı olarak izlenebilir. Çekirdeklenme ve nanopartiküller büyüme bazı durumlarda 5,7 veya tepkileri harici bir ısı kaynağı 14,16 tetiklenebilir elektron ışını ile indüklenen olabilir. Elektron demeti hasarı bir endişe olduğunda, düşük elektron demet akımı (doz) kullanılmalıdır.
Sıvı hücreleri silikon mikroimalat süreçlerden ve büyük gruplar, membran veya sıvı değişimleri üretilmektedir yanabireysel sıvı hücreler arasındaki kalınlık Smal l6 olabilir. Temel mikroimalat eğitimi olan herhangi bir araştırmacı başarıyla sıvı hücreleri yapabilirsiniz. Sıvı işleme tekniği ve yerinde TEM operasyonda da uygulama sonrasında hakim olabilir. Bu görüntüleme pencereleri gibi silisyum nitrür membranlar kullanılarak yanı sıra, bu tür silikon dioksit, silikon ya da karbon (grafen da dahil olmak üzere) gibi diğer malzemeler zar pencere ve 17-19 olarak kullanılabilir olduğu belirtilmiştir. Yana hiçbir membranların şişkin küçük görüş pencereler, yani, 1 x 50 mikron, kullanarak bizim sıvı hücreleri gözlenmiştir. Ve, sıvı hücre de çalışmaya sağlamdır, sıvı hücrelerin% 1 deneyler sırasında pencereleri kırılmış aşağıda yani. Buna ek olarak, sıvı tabakanın kalınlığı aynı zamanda esnek bir şekilde biriken indiyum spacer kalınlığı değiştirilerek ayarlanabilir. Örnek hazırlama sırasında, mühürlü bir sıvı hücre hiçbir sızıntı ile birkaç gün sıvı koruyabilirsiniz. Sıvı küçük bir miktar olabilirGerçek zamanlı olarak genişletilmiş bir kimyasal tepkime çalışma sağlar elektron ışını altında birkaç saat için incelenebilir.
Şimdiye kadar, örneğin, sıvı nanoparçacıkların görüntülenmiştir birçok benzersiz dinamik süreçleri, Pt büyümesi ve birleşmesini ince sıvı 20,21, Bi nanopartiküller 14 büyüme dalgalanma ve Pt 3 büyüme nanoparçacıkların difüzyon, 5,15 nanopartiküller nanoparçacık yapı taşları 7, vs Ayrıca gelen Fe nanoçubuklar, biz de 2.7 nm çözünürlük 8 ile sıvı su içinde, örneğin, diğer alanlarda görüntüleme proteinler bu yöntemi uyguladık. Özetle, bizim sıvı hücre TEM tekniği malzeme bilimi, fizik, kimya ve biyoloji temel konuların geniş bir çalışma için çok değerli bir gelişme olduğu kanıtlanmıştır. Biz sıvı TEM gelecekteki teknik gelişmeler ve uygulamalar için geniş oda hala var olduğuna inanıyorum ve kesinlikle yüksek bir impa olacakbilimsel araştırma, geniş bir spektrum üzerinde ct.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tüm üretim süreçleri yarı iletken cihazlar yapılır temiz oda içinde yapılmıştır.
Indiyum ve depozisyonu önce, fiş O 2 plazma temizleme yüzeyi üzerinde organik kalıntı ortadan kaldırmak için gereklidir. Bu nedenle, yüksek kaliteli bir indiyum boşluk üst ve alt yongaları bağ ve serbest sıvı sızıntı hücre verimi geliştirmek olabilir ki, elde edilebilir.
Kalınlığında yaklaşık 13 nm ultra ince zar ile pencereleri görü…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Zheng EM erken gelişimi sıvı hücreleri sırasında Prof A. Paul Alivisatos ve yararlı tartışmalar için Dr Ulrich Dahmen teşekkürler. O Bilim Erken Kariyer Araştırma Programı DOE Office destek için minnettar olduğunu.
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).
