用石墨烯液细胞透射电镜研究原位纳米晶蚀刻

1. 制作石墨烯涂层 TEM 网格 切出大约2厘米2片的预制石墨烯-铜 (见材料表), 它适合约6到 8 TEM 网格。注: 使用 3-5 层石墨烯代替单层石墨烯封装液体口袋, 成功率更高, 而不会失去分辨率。由于石墨烯是原子薄, 低 Z 材料, 大多数的分辨率损失是从液体厚度的石墨烯液体细胞。 使用丙酮洗涤清洁石墨烯 (图 2A)。注: 此步骤旨在去除在沉积过程中在石墨烯表面留下的任何残余 PMMA [聚甲基丙烯酸甲酯)]。如果用户确信他们的石墨烯是干净的, 这一步是不必要的。 将石墨烯在铜片放在玻璃培养皿中, 然后用丙酮填充。注: 使用丙酮, 因为 PMMA 溶解在丙酮。 将丙酮溶液 (约50°c) 轻轻加热5分钟, 周期性地旋转溶液。注意: 确保观察丙酮和温度以避免起火。这应该在通风罩里做。 用镊子从丙酮洗涤中取出石墨烯在铜片上, 用新的清洁丙酮代替丙酮。注意: 小心不要刮或以其他方式损坏石墨烯表面与镊子。 重复洗涤过程共3次。 在继续下一步之前, 让石墨烯在铜上彻底风干。 平滑的石墨烯在铜片, 以消除任何宏观皱纹 (图 2B)。注意: 这个平滑过程是为了确保穿孔支持箔-TEM 网格 (见材料表) 能够正确地与石墨烯表面粘结。铜石墨烯上的凹凸和折痕使得保持良好的接触变得困难。 采取两个干净的玻璃幻灯片, 并放置一个折叠的擦拭 (见材料表) 在底部玻璃幻灯片。在擦拭的顶端, 放置石墨烯在铜片上。最后, 把第二个玻璃滑梯放在上面。注: 将石墨烯在铜片上与石墨烯一侧向上 (触摸玻璃滑块), 以防止刮伤组织擦拭。折叠组织是用来逐步推出皱纹和防止折叠新的折痕。 按下顶部的幻灯片, 逐步平滑的任何皱纹, 石墨烯在铜片上。减少组织中的褶皱数量, 并重复按压过程。继续这个过程, 直到在两个玻璃幻灯片之间的最后挤压没有组织擦拭。 在铜石墨片上放置 TEM 网格 (图 2C)。 将孔无定形碳支持箔-TEM 网格 (参见材料表) 放在石墨烯上, 与石墨烯接触的非晶碳。注意: 小心不要弯曲或变形 TEM 网格时, 拿起镊子。弯曲的 TEM 网格不能正确地绑定到石墨烯。通过网格边缘拾取网格可防止网格变形。在这里, 金 TEM 网格被用来避免蚀刻的网格在步骤中删除铜从石墨烯-铜。 在网格上放置几滴异丙醇。注: 如果任何网格重叠, 在将异丙醇放到网格上后, 轻轻地将其与镊子的尖端一起移动。小心不要损坏石墨烯表面。 让干燥 2 + h, 以确保网格是正确的粘合。这种干燥过程使孔非晶碳与石墨烯接触更好。注: 要检查网格是否粘附在石墨烯上, 请轻轻地拾起石墨烯上的铜片并将其翻转。如果重力不移除栅格, 它们应该得到适当的粘合。 使用过硫酸钠溶液蚀刻铜 (图 2D)。 在10毫升的去离子水中, 用1克过硫酸铵做溶液。 使用镊子, 小心地把石墨烯在铜片上的过硫酸铵溶液与铜侧向下。让棋子浮在过硫酸铵溶液的顶端 (图 2D)。 用石墨烯涂层的网格在一夜之间保持溶液。请注意, 该解决方案将成为蓝色的铜蚀刻, 并将没有可见的铜后, 石墨烯片后蚀刻完成 (图 2E)。 清洗网格以清除过硫酸钠。 从解决方案中移除浮动网格, 并将它们放在清洁、去离子水的顶端 (请参阅第二个培养皿中的过滤器的材料表)。注意: 传输网格最简单的方法是使用玻璃滑块来拾起网格, 然后将它们放在充满水的第二个培养皿中。在转移过程中, 有些网格会落到培养皿的底部。这通常是在网格上的石墨烯破裂或其他损坏的迹象。 重复这个过程3次, 以去除所有的过硫酸铵残渣从石墨烯涂层的网格。 用镊子拿起网格, 把网格石墨烯端到滤纸上, 让它们干。注: 这最后的转移水清洗可能是困难的, 因为网格经常坚持的镊子由于毛细力从残余的水。 2. 制作液体电池袋 采取两个石墨烯涂层 TEM 网格, 并把他们的石墨烯一侧上的玻璃幻灯片。使用小型外科手术刀刀片, 切断石墨烯涂层 TEM 网格的边缘, 大约1/4 到1/8 的网格区域 (图 3A)。注: 切割其中一个网格是假设, 使两个网格上的石墨烯更接近接触, 以提供更好的石墨烯-石墨烯相互作用, 形成口袋。 准备要封装的解决方案。注: 该溶液为纳米晶蚀刻实验所特有。 使三缓冲 HCl 溶液与去离子水浓度在10-100 毫米之间。注: 我们发现, 为制备含水金属纳米粒子溶液, 三个缓冲 hcl 导致稳定袋的成功率更高, 虽然需要更多的研究来了解为什么三个缓冲盐酸有助于使稳定的口袋。在这种情况下, 使用三个缓冲基座或无三个缓冲器似乎有很低的成功率的口袋形成。每一个溶剂和样品可能会要求优化, 以找到条件, 创造稳定的口袋, 而不是破坏化学正在研究。对文献的简要调查表明, 与邻二氯苯/油胺 (9:1 比值), 23 0.5x 三硼酸-EDTA () 和200毫米 nacl 溶液, 33 和水性0.15 米氯化钠溶液30以及水下三缓冲 HCl 的成功 系统在这里提出。 在溶液中做一个40毫米 FeCl3溶液, 用1.8 µL 的盐酸每毫升水。注意: FeCl3是此蚀刻实验的蚀刻。其他实验可能会根据正在进行的实验添加不同的解决方案。 在清理1、34后, 制作金纳米棒并集中纳米样品。 混合0.15 毫升 0.01-0. 1 毫米三缓冲 hcl, 0.1 毫升40毫米 FeCl3在 HCl 和10µL 的纳米棒。 将0.5 µL 液滴溶液封装在非切割石墨烯涂层 TEM 网格上。在放置水滴时, 使用镊子将 tem 栅格的边缘按住, 这样毛细管力就不会拾取 tem 网格 (图 3B)。注意: 小心地使水滴尽可能小, 并把它尽可能靠近网格的中心。 快速、小心地将石墨烯涂层 TEM 栅格置于液滴顶端的切角上;目标是让第二个网格在第一个网格的顶部休息, 没有液体被挤出 (图 3C)。注: 有第二个网格已经放置在自闭镊子可以使这个过程更快, 更容易。这可以说是液态细胞形成过程中最棘手的一步, 可能会发生许多潜在的故障。当镊子在两个网格之间被卡住时, 在取下镊子时设置顶部栅格是一个挑战。一般情况下, 将顶部 TEM 网格的一个边缘向下, 然后逐步放开网格效果最好。请注意, 如果在玻璃滑梯上看到液体, 那么口袋里可能没有正确的密封。 等待5分钟, 让石墨烯液体细胞口袋形成。注: 当口袋成形时, 液体的某些蒸发可能会发生, 但一旦形成密封密封, 就不会有额外的液体损耗。溶液中每个物种的相对浓度应保持恒定。 将样品带到透射电镜进行成像。注: 为封口预留的时间从研究员到研究员不等。对于蚀刻实验, 在将液态电池带到 TEM 之前, 要避免预蚀刻的时间更短。 3. 石墨烯液体电池的加载和成像 注: 透射电子显微镜的操作遵循用户手册中的标准程序。每一个 TEM 将有不同的校准程序。 将石墨烯液体电池放置在传统的 TEM 单倾角支架上 (图 4)。注: 其他标准持有人, 如双倾角持有人或取暖持有人也可以使用。使用螺旋状机构来保护 TEM 网格的持有者可能会施加一个破坏石墨烯液体细胞的剪切力。 将 tem 支架装入 tem 柱上。注: 由于石墨烯液体细胞含有少量的液体, 没有储层, 并且有单独的口袋, 因此无需严格检查像氮化硅液细胞实验这样的泄漏。即使石墨烯液体电池口袋爆裂, 只有很小数量的液体被释放, 从而不会崩溃的 TEM 真空系统。 使用样品中的纳米粒子和非晶碳适当地对准 TEM 光束 (枪倾斜, 冷凝孔径对准, 冷凝器 stigmation), 图像 (Z 高度调整, 目标 stigmation, 旋转中心对准, 和畸变校正器调整如果适用)。然后从光束路径中取下支架, 校准电子束剂量率。 在校准前将 TEM 灯丝打开至少20分钟, 以使其稳定以重现的剂量率;根据 TEM 系统和电子枪类型, 这种等待时间可能会有所不同。注: 选举 microscopists 经常使用剂量率来指每单位时间 (e-/Å2s) 每单位面积传递的电子数量。在辐射化学群落中, 这称为通量密度, 剂量率定义为单位时间单位面积吸收的能量量。由于计算样品所吸收的能量对液体细胞中发现的复杂几何很难, 并且保持与 TEM 群落的一致性, 我们选择使用剂量率来指单位时间内单位面积的电子。 使用查看屏幕 (图 5A) 将光束压缩为最浓缩的量, 最高剂量率。读出并保存凝聚光束的透镜电流。注: 对于3.3.2 到3.3.5 的步骤, 编写了一个自定义数字显微图像脚本, 它控制了 TEM 的冷凝器系统, 以提供的电子剂量率校准第二个冷凝器 (C2) 透镜电流。这使得研究人员可以重现性在实验中将电子剂量率设定为任意值。 使用查看屏幕 (图 5B) 将光束传播到最大传播量, 最低剂量率。读出并保存传播光束的透镜电流。 将冷凝器透镜电流的范围划分为10个相等的间距值, 并使用 CCD 摄像机收集每个冷凝器透镜值的图像。 使用 ccd 灵敏度和放大校准为每个镜头电流转换 ccd 计数为剂量率。 在不同的透镜电流下使用电子通量数据进行标定曲线。使用这个校准曲线, 其余的实验, 以控制电子束的期望通量。 将该样本重新插入光束路径。 开始在液体口袋中寻找纳米微粒, 同时保持剂量率低 (通常约 20 e-/Å2s)。注意: 保持剂量率低防止纳米粒子在寻找纳米粒子时被蚀刻。 当一个纳米微粒被发现在液体口袋里, 微调的焦点在纳米粒子, 同时保持低剂量率。注: 确定纳米微粒是否在液体口袋中可能是棘手的, 但气泡或粒子运动的存在往往是一个稳定的液体口袋的良好迹象。有时, 而不是液体, 口袋像一个非常致密的凝胶与气泡移动非常缓慢。这些情况是由液体的蒸发引起的, 这可能是由于石墨烯中未密封的口袋或裂纹造成的。这是相当容易区分的凝胶与没有运动和液体环境与气泡迅速移动和改变形状。在形成良好的液体细胞口袋时可能会有一些蒸发, 但反应物之间的相对浓度保持不变。 使用校准曲线 (请参见步骤 3.3), 为所需的剂量率设置冷凝器透镜电流 (图 5D)。注: 内部脚本用于设置冷凝器镜头电流和图像采集参数 开始收集图像文件中嵌入的剂量率和时间戳元数据的 TEM 图像时间序列。 粒子完成蚀刻后, 展开光束, 开始寻找液体口袋中的其他纳米粒子。 当收集到足够数量的纳米粒子蚀刻视频时, 将透射电镜持有者从 tem 中取出, 并遵循标准 tem 程序。把石墨烯液细胞从 TEM 架上取出。注意: 一个典型的成像会话持续大约 2-3 h 与大约30个录影采取了。可用数据的视频数量取决于口袋的质量和蚀刻实验的类型。 4. 基于计算软件的 TEM 视频图像分析 注意: 由于 TEM 视频是对3维形状的2维投影, 需要仔细地进行图像分析以提取蚀刻速率或形状变化。 使用 ImageJ 将本机 DM3 视频文件转换为 avi 格式, 并将 avi 视频导入计算软件 (请参见材料表)。 分析视频每个帧中的每个纳米。 通过对图像进行阈值确定纳米的轮廓 (图 7A)。注: 金属纳米粒子的高对比度使图像分析更容易。为了研究对比度较低的系统, 在阈值前可能需要额外的过滤器。 从纳米的大纲中, 确定最接近的拟合椭圆的主要和次要轴 (图 7B)。注意: 内置图像分析软件确定主要和次要轴假定形状是椭圆。对于不是椭圆的纳米, 在对纳米粒子施胶时不应使用这些值。 使用主轴将纳米轮廓剪切成两半 (图 7C)。 对于这些半部分, 通过在主轴周围旋转该轮廓, 确定所包含形状的体积和表面积。注: 这种微积分方法有时称为环的方法。这种分析方法仅在纳米在主轴周围对称时才有效。有两个一半来比较体积和表面积提供了一些保证, 纳米是真正的旋转对称。 在提取视频的每个帧的纳米的体积和表面积后, 编译和解释数据。注意: 此大纲方法还允许分析具有定义形状的纳米晶的小平面。