يصف هذا البروتوكول تشغيل حامل العينة تدفق السائل لمسح انتقال المجهر الإلكتروني من AuNPs في الماء، كما تستخدم لمراقبة العمليات الحيوية النانوية.
عينات جزءا لا يتجزأ تماما في السائل يمكن دراستها في القرار المكانية النانو مع الضوئي نقل المجهر (STEM) باستخدام غرفة ميكروفلويديك تجميعها في حامل العينة لنقل المجهر الإلكتروني (تيم) وSTEM. ويتكون النظام ميكروفلويديك اثنين من رقائق السيليكون دعم رقيقة السيليكون نتريد (الخطيئة) نوافذ الغشاء. توضح هذه المقالة الخطوات الأساسية للعينة التحميل والحصول على البيانات. الأهم من ذلك كله هو ضمان أن تكون مقصورة السائلة يتم تجميعها بشكل صحيح، وبالتالي توفير طبقة السائل رقيقة وختم فراغ. ويشمل هذا البروتوكول أيضا عددا من الاختبارات اللازمة لأداء خلال تحميل عينة من أجل ضمان التجميع الصحيح. مرة واحدة يتم تحميل العينة في المجهر الإلكتروني، يحتاج إلى قياس سماكة السائل. قد يؤدي التجميع غير صحيح في السائل أيضا سميكة، في حين أن السائل أيضا رقيقة قد يشير إلى عدم وجود السائل، مثل عندما يتم تشكيل فقاعة. وأخيرا، فإن البروتوكوليشرح كيف يتم أخذ الصور وكيف عمليات ديناميكية يمكن دراستها. وتصوير عينة تحتوي على AuNPs على حد سواء في المياه النقية وفي المياه المالحة.
التقليدية الضوئي نقل المجهر (STEM) يقتصر من قبل مجموعة من العينات المناسبة للتحليل، وتحديدا في العينات الجافة والصلبة مناسبة لوضعها في فراغ عالية. ومع ذلك، العديد من الأسئلة العلمية والتكنولوجية وتتعلق المواد والعمليات في البيئة السائلة النانوية. ويمكن الآن عينات جزءا لا يتجزأ تماما في السائل أن تدرس مع الجذعية باستخدام المفهوم الذي ينطوي على غرفة ميكروفلويديك تجميعها في حامل العينة لنقل المجهر الإلكتروني (تيم) وSTEM 1. وقد أصبحت هذه التقنية المطورة حديثا شعبية متزايدة، كما أنه يقدم رؤية جديدة في العمليات الهامة في مختلف الموضوعات البحثية، بما في ذلك النمو، وانحلال، وعمليات تجميع الجسيمات النانوية 2، 3، 4، 5، 6. لا المعادن فقط، ولكن أيضا biominerals 7 والنظم البيولوجية يمكن دراستها 8، 9، 10، 11. تحميل العينة والتقاط صور للمرحلة السائل STEM يختلف عن STEM العينات الجافة وتنطوي على البروتوكول الذي يتطلب تدريب خاصة.
ويتكون النظام ميكروفلويديك اثنين من رقائق السيليكون دعم السيليكون نتريد النوافذ (الخطيئة) غشاء شفافة لشعاع الالكترون على 200 كيلو من الطاقة 12 (انظر الشكل 1A). تفاصيل الأبعاد والتعامل مع هذه الرقائق يمكن العثور عليها في أي مكان آخر 12 و 13. عادة ما كانت العينة تحتوي على الأجسام النانوية. في هذه الورقة لاحظنا النانوية الذهبية (AuNPs). وثبتوا على AuNPs في الإطار العلوي (مع الاحترام لشعاع الإلكترون السفر إلى الأسفل) أو تطفو في LIQUهوية شخصية. يتم الحصول على قرار المكاني النانو في STEM عن طريق مسح شعاع الالكترون على AuNPs وجمع الإلكترونات المبعثرة التي تنتقل عن طريق استخدام حلقي الميدان الظلام (ADF) كاشف 9. يتم وضع الرقائق اثنين في فتحة صغيرة في طرف السائل حامل تدفق تيم 1 (حامل يعمل لكلا STEM وتيم ولكن يشار إليها على أنها حامل تيم). واحدة من الرقائق يحتوي على فاصل بحيث يتم تشكيل حجرة السائلة بين الرقائق. O-خواتم على كلا الجانبين من الرقائق اثنين توفر ختم فراغ المقصورة السائلة 13 (انظر الشكل 1B).
والهدف من هذه المقالة هو لشرح الخطوات الأساسية للعينة التحميل والحصول على البيانات بحيث يمكن للمستخدمين المهتمين قد تجد سهولة الوصول إلى هذه التقنية الجديدة الناشئة. ويستخدم النظام المتوفرة من شركة معينة، ولكن البروتوكول هو أيضا صالح لأنظمة الشركات الأخرى. هذه التقنية هيأكثر تعقيدا من تيم التقليدية والهندسة والرياضيات، وعدد من الجوانب العملية يجب مراعاتها عند العمل مع نظام حامل السائل 13. الأهم من ذلك كله هو ضمان أن تكون مقصورة السائلة يتم تجميعها بشكل صحيح، وبالتالي توفير طبقة السائل رقيقة وختم فراغ. وبالتالي، فمن المهم للغاية للعمل نظيفة ومنع تشكيل الغبار أثناء إعداد وتجميع حامل تدفق تيم السائل. على وجه الخصوص، في حاجة إلى حلقات يا والرقائق السيليكون اثنان في أن يكون حرا من كل تلوث. حتى جزيئات صغيرة من الغبار على واحدة من الرقائق قد تزيد بشدة من سمك الخلية تجميعها، والتي قد تحول دون تحقيق القرار المكانية مفيد. وختم فراغ من الأهمية بمكان بحيث لا تلوث أو الضرر سيترك في المجهر الإلكتروني بعد التجربة. يصف هذا البروتوكول إجراء التحميل والعديد من الاختبارات اللازمة. تشغيل المجهر الالكتروني واضح ومباشر، بور أنها تتطلب بعض الخطوات الإضافية مقارنة المجهري لعينات الصلبة. مع زيادة سمك السائلة، يتم امتصاص المزيد من الإلكترونات ومتفرقة عن طريق السائل. قياس سماكة السائل أمر ضروري. وأخيرا، يوضح البروتوكول كيف يتم أخذ الصور وكيف عمليات ديناميكية يمكن دراستها.
الشكل 1: السائل خلية تدفق لالضوئي نقل المجهر (STEM). (أ) توضيح تخطيطي لخلية السائلة تجميعها. يتم وضع اثنين من رقائق السيليكون مع السيليكون نتريد (الخطيئة) نوافذ الغشاء بين اثنين من الحلقات. ومرفق طيه السائل بين الغشاء الخطيئة وبالتالي فصلها عن فراغ في المجهر الإلكتروني. وتركز مسح شعاع الالكترون على عينة. يتم الحصول على النقيض من الإلكترونات متناثرة. ويجمد جزيئات الذهب (AuNPs) داخل السائل في الغشاء الخطيئة ولكن يمكن أيضا أن تتحرك فيالسائل. (ب) تخطيطي عرض الجانب المقطع العرضي كومة من اثنين من رقائق مع الحلقات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يتيح بروتوكول صفها STEM من AuNPs في سائل، بما في ذلك مراقبة العمليات الحيوية. هو تجميع حامل تقنية سهلة لتعلم. ومع ذلك، يجب النظر في العديد من الجوانب عند العمل مع صاحب تدفق تيم السائل. على سبيل المثال، الحواف المكسورة من رقاقة سي أو الجزيئات الكبيرة على الحلقات قد يؤدي إلى تسرب الخلية السائلة. من ناحية أخرى، جزيئات كبيرة (> 200 نانومتر، على سبيل المثال، غبار أو الحطام سي) على الغشاء الخطيئة قد يؤدي إلى زيادة في سمك الخلية السائلة، مما يؤدي إلى تباين التصوير منخفض أو إلى القرار المكانية منخفضة وربما حتى سبب نوافذ الخطيئة لكسر. الأهم من ذلك، بقايا الملح أو المواد الكيميائية الأخرى قد تؤثر على نتائج التجارب بطريقة غير مرغوب فيها. لذا، فمن الأهمية بمكان أن يتم تنفيذ الخطوات المختلفة لإعداد العينات والتجمع حامل بعناية وفي بيئة نظيفة وخالية من الغبار.
سمك م السائلتحدد ليرة لبنانية القرار قابلا للتحقيق، وكذلك على النقيض من الصور التي تم الحصول عليها 17. هذا السمك يمكن تعديلها عن طريق الفواصل التي تقع على واحد من اثنين من الرقائق سي. اعتمادا على أبعاد العينة، سمك مختلفة من الخلية السائلة يمكن أن تتحقق. لدراسة AuNPs، فمن الممكن استخدام الفواصل الصغيرة (200-500 نانومتر)، بينما تحتاج الخلايا حقيقية النواة كلها الفواصل أكبر تصل إلى 5 ميكرون. ويتأثر سمك الخلية السائلة مزيد من انتفاخ النوافذ غشاء الخطيئة الناتجة عن اختلاف الضغط بين الخلية السائلة والفراغ المحيطة بها. بهذا المعنى يصبح أكثر وضوحا مع أكبر الخطيئة النوافذ الغشاء. وبالتالي، من أجل تقليل سمك الخلية السائلة، فمن المستحسن استخدام صغيرة النوافذ غشاء الخطيئة. في حال فإنه من الصعب العثور على التداخل بين نافذتين صغيرة، فإنها يمكن تجميعها في تكوين عبرت باستخدام رقاقة قاعدة مختلفة. تكوينات بديلة لارجاعل منع انتفاخ وتتكون من متآلف رقاقة 18 أو غشاء النوافذ التي تدعمها أعمدة 19، ولكن تلك العيوب المعرض فيما يتعلق عينة التحميل. واحدة من أصعب جوانب التكنولوجيا الحالية هو عدم وجود مراقبة دقيقة على مدى سماكة السائل. في كثير من الأحيان، والسائل هو أكثر سمكا بكثير من ما هو متوقع من أبعاد هل المستخدمة، كما هو موضح هنا. استخدمت عدة مجموعات مغلقة غرف السائل 4، 20، 21، 22؛ هذه الأنظمة لها بعض المزايا فيما يتعلق بقرار المكاني، كما يمكن تقليل سماكة السائل عن طريق إحداث فقاعة في السائل. بدلا من ذلك، النوافذ الخطيئة يمكن أن يجبر على الانهيار، مما يؤدي إلى طبقة السائل أرق. ثالثا، الضميمة من النوافذ أرق أخرى موجودة (على سبيل المثال، الجرافين) 23، مما أدى أيضا في سوائل أرق بكثيرمما هو ممكن مع النظام المذكور في هذا البروتوكول. ومع ذلك، فإنه من المستحيل أن تدفق السائل في تلك النظم.
أما بالنسبة للأي تقنية المجهر ارتفاع القرار، ويجب النظر في عدد من الجوانب التجريبية. الجانب الأكثر أهمية هو تفاعل شعاع الالكترون مع السائل أو العينة. بالإضافة إلى أضرار الإشعاع، مما يحد من القرار المكانية تحقيقه للعديد من العينات الصلبة 24، وتتأثر العينات السائلة أيضا الإلكترون منتجات الإنحلال الإشعاعي ولدت شعاع 15 و 25. وبما أن هذه المنتجات قد تؤثر على التجربة، وتفسير البيانات دقيقة والتصميم التجريبي ضرورية 26. وينبغي اختيار الإعدادات المجهر وفقا لأهداف دراسة خاصة. STEM قوة الدفاع الاسترالية أقوى للجسيمات الدقيقة التصوير من العدد الذري عالية (Z) في سمك أكبر من الخلية السائلة، مبادرة الخوذ البيضاءلو تيم يعطي أفضل النقيض من ذلك على المواد المنخفض Z ويكون عادة أسرع ولكن يتطلب أرق طبقات السائل 3. بدلا من استخدام كاشف ADF، يتم استخدام (BF) كاشف الميدان برايت أحيانا إلى صورة الخلية السائلة، منذ BF STEM هو مفيد لتصوير المواد المنخفض Z في طبقات سميكة 27. مع زيادة سمك الخلية السائلة، هناك حاجة إلى مزيد الحالية. ومع ذلك، وهذا يزيد من تركيزات المنتجات الإنحلال الإشعاعي ويزيد من أضرار الإشعاع. كما تجدر الإشارة إلى أن انعكاس على النقيض من ذلك لوحظ في كشف قوة الدفاع الاسترالية للسوائل سميكة جدا (> 10 ميكرون للمياه).
تم تغيير شروط السائلة بين تجاربنا عن طريق إزالة حامل من المجهر وتبادل كل من العينة والسائل. بالإضافة إلى تغيير تركيز الملح، فمن الممكن بسهولة لتغيير خصائص أخرى من السائل المتدفق في سوائل مختلفة (على سبيل المثال، يمكن للمرءاستخدام المحاليل من أجل تحديد درجة الحموضة محددة 16 أو تقديم حلول العضوية أو غيرها من المواد المضافة). ومن الممكن أيضا لتغيير السائل في حين لا يزال إدراج حامل في المجهر من قبل تتدفق السوائل من خلال نظام ميكروفلويديك. ومع ذلك، في هذه الحالة، فإنه من غير المعروف في الوقت الذي تشير السائل في التغييرات العينة. ومن الجدير بالذكر أيضا أن الرقائق دعم أقطاب متوفرة، لذلك يمكن أن يتم تجارب الكيمياء الكهربائية النانو من 28.
الكائنات من الدراسة لا تقتصر على AuNPs في الماء، ولكن طائفة واسعة من العينات يمكن دراستها باستخدام بروتوكول المذكورة أعلاه، بما في ذلك والسليكا، وأكسيد التيتانيوم، والبوليمرات. إذا تحركات الكائنات سريعة جدا لالتقاط صورة في داخل الاستحواذ، اللزوجة يمكن تخفيض لحجم باستخدام خليط من 50٪ الجلسرين والماء 50٪.
من النقاط المذكورة أعلاه،عدد من المزايا، وإمكانيات، وأيضا مساوئ أصبحت واضحة. عند العمل مع مرحلة السائل STEM، وأهم السلبيات للنظر هي ما يلي: 1) يتأثر أي تجربة من التفاعل الديناميكي للشعاع الالكترون مع العينة بأكملها (الكائن تحت الملاحظة، السائل، والأغشية الخطيئة)؛ 2) التعامل مع العينة مملة، وغالبا ما يكون من الصعب تحقيق طبقة السائل رقيقة لأن عينة أو الرقائق تحتوي بعض الجسيمات ميكرون الحجم؛ 3) عادة ما يختلف سمك السائل إلى حد كبير من سمك المقصود وضعتها هل. و4) القرار المكانية وعلى النقيض تعتمد بشدة على سماكة السائل والفرق بين كثافة تغيير الكائن تحت الملاحظة والسائل.
في الوقت الحاضر، توجد طرق واسعة لالمجهر الكائنات في السائل مع نانومتر القرار المكانية. المجهر الإلكتروني في الجليد غير متبلور هي تقنية قوية 29،ولكن الإجراءات التجريبية المعنية حساسة، وليس كل التجارب تسمح إعداد العينة في الجليد، والتجارب وقت حل مستحيل. الأشعة السينية المجهري 30، 31 يمكن من حيث المبدأ أن تستخدم، لكنه لا يملك القرار المكانية محدود وغير متوفرة على نطاق واسع في المختبرات. تم تأسيس مجهر القوة الذرية في السائل ولكن هو أسلوب السطح فقط 32، 33، 34، 35. المجهر الضوئي لا يحمل القرار المكانية كافية. في الوقت الحاضر، المجهر الإلكتروني في السائل يبدو أن تقنية أقوى للفحص المجهري المباشر للأجسام النانوية والعمليات في السائل.
المرحلة السائلة تيم وSTEM ليست حتى الآن تقنيات تحليلية روتينية ولكن ما زالت تتطور. عدد المعلمات أن تأخذ في الاعتبار هو كبير، وأنه هو ofteن يصعب استنساخها النتائج التجريبية. وعلاوة على ذلك، البيانات الكمية من الصعب الحصول على البيانات لأن تتشابك الآثار تحت التحقيق مع العمليات التي تحدث نتيجة لشعاع الالكترون. ويهدف البروتوكول الموصوفة هنا لتوحيد بروتوكول تجريبي، مما يمثل جميع جوانب القاعدة ذات الصلة من التجربة. ونحن نأمل ان يكون هذا البروتوكول سوف يؤدي إلى استنساخ أفضل من العمل التجريبي في هذا المجال الناشئ.
The authors have nothing to disclose.
We thank E. Arzt for his support through INM. The research was in part supported by the Leibniz Competition 2014.
Binocular light microscope | Leica | M60 CMO | |
Scanning transmission electron mircoscope with spherical aberration corrector | JEOL | ARM200F | |
Liquid flow TEM specimen holder | DENS Solutions | Ocean | |
Microfluidic syringe pump | Harvard Scientific | PicoPlus | |
Plasma cleaner | Gatan | Solarus950 | |
Chemicals | |||
Acetone, Rotisolv Plus for HPLC | Sigma-Aldrich | 7328.2 | |
Water, chromasolv Plus for HPLC | Sigma-Aldrich | 34877-2.5L | |
Ethanol, Rotisolv HPLC grade | Carl Roth | P076.2 | |
Gold colloid citrate stabilized, diameter 30 nm | British-Biocell | EM.GC20 | |
Materials | |||
Base silicon microchips with silicon nitride membranes of 50 nm thickness and dimensions of 20 µm x 0.40 mm | DENS Solutions | for Ocean system | |
Spacer silicon microchips with silicon nitride membranes of 50 nm thickness, dimensions of 20 µm x 0.40 mm, and spacer thickness of 200 nm | DENS Solutions | for Ocean system | |
Microfluidic peek tubing | Upchurch Scientific | 1570 | |
Plastic Replaceable tips Tweezers | |||
(Anti-Magnetic Anti-Acid Stainless Steel body with ESD PVDF (SV) tips) | ideal-tek | 2ASVR.SA | |
Teflon coated bent steel tweezers (EMS SA with "PTFE" Coating) | Electron Microscopy Sciences | 78322-7Te | |
Teflon coated broad beak steel tweezers (EMS 2A "PTFE" Coating) | Electron Microscopy Sciences | 78322-2ATe | |
Hamilton syringe, 1 mL, gastight (Model 1001 TLLX SYR) | Hamilton | 81323 | |
Clean room tissue Sontara Micropure AP (224x224mm) | DuPont | Sontara MicroPure |