Die Autoren danken finanzielle Unterstützung durch die Labex-Imust.

1. Biologische Probenvorbereitung Alle in dieser Studie beschriebenen Experimente wurden von der Animal Care und Verwenden Ausschuss des CECCAPP (Lyon, Frankreich) (Genehmigung # LYONSUD_2012_004) zugelassen, und die Versuche wurden unter der Aufsicht von autorisierten Personen (L. Sancey, DDPP Genehmigung durchgeführt # 38 05 32). <ol><li> 1 ml H 2 O auf 100 umol Gadolinium (Gd)-basierte Nanopartikel, warten Sie 15 min, und fügen Sie 20 ul HEPES 50 mM, NaCl 1,325 M CaCl 2 20 mm bis 100 ul H 2 O und 80 ul der primären Lösung von Gd-basierte Nanopartikel, um eine Lösung bei 200 ul 40 mM bereit für die Injektion (: Villeurbanne, im Labor-Stadt) zu erhalten. </li><li> Spritzen Sie die 200 ul Gd-basierte Nanopartikel-Lösung intravenös in anästhesiert tumortragenden Nagetiere (Stadt: Lyon Sud (Oullins), 15 km von der Labor). </li><li> 1-24 Stunden nach der Injektion, opfern die Mäuse eind die biologischen Proben in Isopentan mit flüssigem Stickstoff gekühlt setzen. Lagern Sie die Proben bei - 80 ° C (Stadt: Lyon Sud (Oullins), 15 km von der Labor). </li><li> Schneiden Sie die Probe (Ort: in der Regel Grenoble, 100 km aus dem Labor, werde ich versuchen, einen Zugang in Lyon Sud haben) in 100 um dicke Folien und legte die biologische gleitet auf bestimmte Kunststoffschalen (Petrischale). Bei -80 ° C Hinweis: Kunststoffgeschirr sind im Grunde eine sehr reine Polymerprobe. Sie werden verwendet, um Interferenzen mit den Elementen in dem Gewebe enthaltenen vermeiden. </li></ol> 2. Probenvorbereitung für die Kalibrierung <ol><li> Vorbereitung Fläschchen mit steigenden Dosen von Gd-basierte Nanopartikel in Wasser (0 nM, 100 nM, 500 nM, 1 uM, 5 uM, 10 uM, 50 uM, 100 uM, 500 uM, 1 mM und 5 mM). </li><li> Setzen Sie ein 5 ul-Tropfen jeder Lösung von 3 mm auf der Petrischale regelmäßig angeordnet sind. </li><li> Trocken bei Raumtemperatur für 20 min. </li></ol>3. LIBS Experiment <ol><li> Initialisieren der LIBS-Setup <ol><li> Laser-Einstellungen. Nach dem Einschalten der Geräte, warten 10-20 min für eine Laserpulsenergie Stabilisierung und Abkühlung der ICCD-Kamera auf -20 ° C Stellen Sie die Pulsenergie mit dem Dämpfungsglied. Hinweis: Die optimalen Laserparameter zum Abbilden Gewebe 5 ns Pulsdauer, 1.064 nm Wellenlänge und Impulsenergie von etwa 4 mJ. Der Laser verwendet einen typischen Nd: YAG-Laser Nanosekunden. </li><li> LIBS-Einstellungen. Set der Laserfokussierungsposition (bezüglich der Probenoberfläche), um die kleineren Kraterdurchmesser zu erhalten (etwa 50 um oder weniger). Anmerkung: Dies entspricht einer Laserpuls Fokalisierung 100 &amp;mgr; m unter der Oberfläche der Probe. </li><li> Spektrometer-Einstellungen. Verwenden Sie die Czerny-Turner-Spektrometer in Kombination mit einem 1200 Linien / mm Gitter und einer hohen zeitlichen Auflösung ICCD Kamera. Steuern Sie alle diese Geräte über einen Computer. Stellen Sie den Eingangsspalt Wert bis 40 um. Stellen Sie die Wieder SpektralbereichGarding das Element analysiert werden. Verwenden Sie den Spektralbereich abdecken 325-355 nm zu G-tt mit hoher Empfindlichkeit zu erfassen, sowie Na, Cu und Ca. Festlegen der ICCD Parameter mit einer Verzögerung von 300 ns, einer Gate von 2 &amp;mgr; s und einer Verstärkung von 200. </li></ol></li><li> Mapping Mess <ol><li> Legen Sie die biologische Probe auf der LIBS motorisierte Probenhalter. </li><li> Einstellen der Höhe der Probe gemäß der Laserfokusposition. </li><li> Nehmen Sie ein hochauflösendes Foto von der Probenscheibe. </li><li> Stellen Sie die Mapping-Modul der LIBS-Erfassungssoftware, um eine Karte mit in der Regel 100 x 100 Messpunkten durch eine Auflösung von etwa 100 um Abstand durchzuführen. </li><li> Starten Sie die Aufnahme. Von diesem Punkt alles zu automatisieren; das Bewegungsfolge als auch das Spektrum aufgenommen und gespeichert werden. 40 min nach einer Zuordnung von 10.000 Punkten (äquivalent zu 1 cm 2 für 100 &amp;mgr; m Auflösung) erforderlich. Umgruppieren alle aufgenommenen Spektren in der gleichen Datei. </li><li> Wenn fertig, nehmen Sie ein Foto von der zweiten Probe Scheibe </li></ol></li><li> Kalibrierung Mess </li></ol> Mit den gleichen experimentellen Parameter, messen die Eichproben (Herstellung Details siehe Abschnitt 2). Führen Sie eine Karte oder Rekord 25 Spektren (von Messstellen im Mittelteil des Tropfens erhalten) in jedem der Kalibrierung Tropfen. 4 LIBS Spectrum Analysis:. Konstruieren von Chemical Images <ol><li> Notieren Sie alle LIBS Spektren aus dem Gewebe-Mapping und laden Sie sie in der LIBS Software-Analyse. Subtrahieren Sie die Grundlinie für jedes Spektrum und bauen die chemischen Bilder mit relativen Intensitätsskala unter einer falschen Farbe. Hinweis: Ein Algorithmus ruft bestimmte Linienintensitäten, wie Gd, Cu, Na oder Ca. </li><li> Führen Sie den gleichen Vorgang auf die Spektren aus der kalibrierten Probe gemessen, um die Kalibrierungskurven-Berechnung (Beziehung zwischen Intensität und Konzentration) zu ermöglichen und zu bauen aqengen Karte oder Bild für Gd (oder ein anderes Element von Interesse). </li><li> Übernehmen Sie die angemessene Behandlung der chemischen Bilder, wie Interpolation oder Glättung. Speichern Sie die Intensität oder Konzentration Karten im Bildformat (Bitmap). </li></ol>

<ol>
	<li>Smith, M. A., Harris, P. L., Sayre, L. M., Perry, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Iron+accumulation+in+Alzheimer+disease+is+a+source+of+redox-generated+free+radicals.">Iron accumulation in Alzheimer disease is a source of redox-generated free radicals.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 94, 9866-9868 (1997).</li><li>Wang, Y., Zhu, S., Weisman, G. A., Gitlin, J. D., Petris, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conditional+knockout+of+the+Menkes+disease+copper+transporter+demonstrates+its+critical+role+in+embryogenesis.">Conditional knockout of the Menkes disease copper transporter demonstrates its critical role in embryogenesis.</a> PloS one. 7, (2012).</li><li>Reske-Nielson, E., Lou, H. 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S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+trace+elements+in+individual+aquatic+protist+cells+with+a+synchrotron+X-ray+fluorescence+microprobe.">Quantifying trace elements in individual aquatic protist cells with a synchrotron X-ray fluorescence microprobe.</a> Analytical chemistry. 75, 3806-3816 (2003).</li><li>Guerquin-Kern, J. L., Wu, T. D., Quintana, C., Croisy, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progress+in+analytical+imaging+of+the+cell+by+dynamic+secondary+ion+mass+spectrometry+(SIMS+microscopy).">Progress in analytical imaging of the cell by dynamic secondary ion mass spectrometry (SIMS microscopy).</a> Biochimica et biophysica acta. 1724, 228-238 (2005).</li><li>Binet, M. R., Ma, R., McLeod, C. W., Poole, R. 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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Um biologische Probe aufgebracht wird, ermöglicht diese Technik die chemische Bildgebung, dh die Zuordnung und Quantifizierung von Gd und Si aus injiziert Gd-basierte Nanopartikel in verschiedenen Organen. Von den wichtigsten kritischen Einstellungen, ist die Steuerung der Lasereigenschaften (Wellenlänge, Pulsenergie, wobei der Schwerpunkt und Stabilität) entscheidend für eine präzise und feine Gewebeabtragung (dh Zuordnung Auflösung) als auch für Sensibilität. Arbeiten bei hoher Energie liefer...

Die breite Entwicklung der Nanopartikel für biologische Anwendungen parallel forderte die Verbesserung der analytischen Techniken für ihre Quantifizierung und Bildgebung in biologischen Proben. Üblicherweise die Detektion und die Abbildung der Nanopartikel in Organe durch Fluoreszenzmikroskopie oder konfokaler. Leider erfordern diese Verfahren die Markierung der Nanopartikel von einer Nahinfrarot-Farbstoff, der die biologische Verteilung der Nanopartikel besonders für sehr kleine Nanopartikel aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaften modifizieren können. Der Nachweis von Nanopartikeln markiert und vor allem die sehr kleinen Nanopartikel (Größe &lt;10 nm), könnte daher mit ihren biologischen Verteilung stören am ganzen Körper Skala, sondern auch an den Gewebe-und Zell Ebenen. Die Entwicklung der neuen Geräte in der Lage, Nanopartikel ohne Kennzeichnung zu erkennen bietet neue Möglichkeiten für die Untersuchung von deren Verhalten und Kinetik. Außerdem ist die Rolle von Spurenelementen wie Eisen und Kupfer in eine Gehirnerkrankungend neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer 1, Menkes 2,3 oder 4 Wilson vorschlagen, das Interesse zu studieren und zu lokalisieren, die diese Elemente in Geweben. Verschiedene Techniken sind verwendet worden, um Elementverteilungs oder Mikroanalyse von verschiedenen Materialien. In ihrer 2006 veröffentlichten Übersichtsarbeit, R. lobinski et al. Einen Überblick der verfügbaren Standardtechniken für die Mikroelementaranalyse in biologischen Umgebung, einer der anspruchsvollsten Umgebungen für analytische Wissenschaften 5. Die Elektronenmikrosonde, die von energiedispersiven Röntgenmikroanalyse in einem Transmissions-Elektronenmikroskop besteht, kann zu zahlreichen Studien angewendet werden, wenn der Elementkonzentration ausreichend ist (&gt; 100-1.000 &amp;mgr; g / g). Um niedrigere Nachweisgrenzen zu erreichen, haben die folgenden Techniken verwendet: <ul><li> Ionenstrahl-Mikropartikel mit induzierte Röntgenemission μ-PIXE (1-10 &amp;mgr; g / g) 6 </li><li> synchrotronstrahlung Mikroanalyse μ-SXRF (0,1-1 g / g) 7 </li><li> Sekundärionen-Massenspektrometrie SIMS (0,1 ug / g) 8 </li><li> Laserablation induktiv gekoppelte Massenspektrometrie LA-ICP-MS (bis zu 0,01 g / g) 9,10 </li></ul> Die oben erwähnten Techniken bieten mikrometrischer Auflösung wie in der Tabelle 1 von lobinski et al extrahiert gezeigt. 3D-Rekonstruktion von seriellen 2D-Untersuchungen könnte auch für den Wiederaufbau der tieferen Gewebe 11 vorgeschlagen werden. Alle Geräte und Systeme erfordern jedoch sowohl qualifizierte Fachkräfte, mäßig bis stark teure Ausrüstung und lang anhaltende Experimente (in der Regel mehr als 4 Stunden für eine 100 um · 100 um für μ-SXRF und 10 mm x 10 mm für die LA-ICP-MS ) 12. Insgesamt machen diese Anforderungen elementare Mikroanalyse sehr einschränkenden und mit herkömmlichen optischen Abbildungssystemen nicht kompatibel,Fluoreszenzmikroskopie oder nichtlineare Mikroskopie. Ein weiterer Punkt, den wir hier zu erwähnen ist, dass der quantitative Messfähigkeit ist noch recht begrenzt und hängt von der Verfügbarkeit der Matrix abgestimmt Laborstandards. Die weitere Verallgemeinerung der Verwendung von elementarem Mikroanalyse in Industrieprozessen, Geologie, Biologie und anderen Bereichen der Anwendungen erhebliche konzeptionelle und technologische Durchbrüche zu erzeugen. Der Zweck der vorliegenden Manuskript ist es, Lösungen für die quantitative Elementar Mapping (oder Mikroelementaranalyse) in biologischen Geweben mit einer Tisch Instrumentierung voll kompatibel mit herkömmlichen optischen Mikroskopie vorgeschlagen. Unser Ansatz basiert auf dem Laser-Induced Breakdown-Spektroskopie (LIBS-Technologie) basiert. In LIBS wird ein Laserimpuls auf der interessierenden Probe fokussiert, um den Abbau und die Funken des Materials zu erstellen. Die atomare Strahlung im Plasma emittierte wird anschließend von einem Spektrometer analysiert und der elementarental-Konzentrationen können mit Kalibrierungsmessungen durchgeführt, vorher 13,14 abgerufen werden. Die Vorteile umfassen LIBS Empfindlichkeit (g / g für fast alle Elemente), Kompaktheit, sehr einfache Probenvorbereitung, ohne Kontakt mit der Probe, sofortige Reaktion und präzise lokalisiert (Mikro)-Oberflächenanalyse. Die Anwendung von Gewebe chemische Bildgebung bleibt jedoch eine Herausforderung, da die Laser-Ablation von Gewebe muss fein gesteuert, um Karten mit hoher räumlicher Auflösung zusammen mit Empfindlichkeit in der ug / g-Bereich 15,16 durchzuführen. Mit einer solchen Lösung ist die Hinzunahme von Tracern oder Markierungsmittel nicht benötigt, das Erkennen ermöglicht anorganische Elemente direkt in ihrer natürlichen Umgebung in biologischen Geweben. Die LIBS Instrument in unserem Labor entwickelt bietet eine aktuelle Auflösung geringer als 100 &amp;mgr; m mit einem geschätzten Empfindlichkeit Gd unter 35 ug / g, entsprechend 0,1 mM 16, die ermöglichtdie Abbildung von großen Proben (&gt; 1 cm 2) innerhalb von 30 min. Darüber hinaus erleichtert die hausgemachte Software die Übernahme und Nutzung der Daten. Dieses Instrument wird verwendet, um zu erfassen, anzeigen, und die Quantifizierung der Gewebeverteilung von Gadolinium (Gd)-Nanopartikel, 17. - 18. in Nieren und Tumorproben von Kleintieren, 1 bis 24 h nach der intravenösen Injektion der Partikel (Größe &lt;5 nm) . Anorganischen Elementen, die an sich in einem biologischen Gewebe enthalten sind, wie Fe, Ca, Na und P, wurden ebenfalls festgestellt und abgebildet.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="747">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Laser nanosecond Nd:YAG</td>
			<td style="width:129px;">Quantel</td>
			<td style="width:119px;">Brillant</td>
			<td style="width:283px;">5ns pulse witdh, wavelength 1064 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Spectrometer</td>
			<td>Andor Technology</td>
			<td>Shamrock 303</td>
			<td>with 1200 l/mm blazed at 300 nm grating</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Detector ICCD</td>
			<td>Andor Technology</td>
			<td style="width:119px;">Istar</td>
			<td>2 ns temporal resolution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">LIBS Unit</td>
			<td style="width:129px;">ILM</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Homemade Instrumentation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;"></td>
			<td style="width:129px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Gd-based nanoparticles</td>
			<td style="width:129px;">Nano-H</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>particles</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">HEPES</td>
			<td style="width:129px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">H4034</td>
			<td>for particle&#39;s dilution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">CaCl2</td>
			<td style="width:129px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">21108</td>
			<td>for particle&#39;s dilution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">NaCl</td>
			<td style="width:129px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">S5886</td>
			<td>for particle&#39;s dilution</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">mice</td>
			<td style="width:129px;">Charles River</td>
			<td style="width:119px;">depending of animal breeding</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">isoflurane</td>
			<td style="width:129px;">Coveto / Virbac</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>for anaesthesia - Isofluranum</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">isopentane</td>
			<td style="width:129px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">59060</td>
			<td>to froze the sample&#160; slowly</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">liquide nitrogen</td>
			<td style="width:129px;">Air Liquide</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>to cool down the isopentane</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">cryostat</td>
			<td style="width:129px;">Leica</td>
			<td style="width:119px;">CM-3050S</td>
			<td>to slide the samples</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">petri dishes</td>
			<td style="width:129px;">Dutscher</td>
			<td style="width:119px;">353004</td>
			<td>to stick the sample</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

laser-induced breakdown spectroscopy: a new approach for nanoparticle's mapping and quantification in organ tissue

Emissionsspektroskopie des laserinduzierten Plasmas wurde einer Elementaranalyse biologischer Proben. Laser-Induced Breakdown-Spektroskopie (LIBS) auf Dünnschnitten von Gewebe durch Nagetier: Nieren-und Tumor, ermöglicht die Erkennung von anorganischen Elementen wie (i) Na, Ca, Cu, Mg, P und Fe, die natürlich im Körper vorhanden ist und (ii) Si und Gd, erfasst nach der Injektion von Gadolinium-basierte Nanopartikel. Wurden die Tiere eingeschläfert 1 bis 24 h nach intravenöser Injektion von Partikeln. Eine zweidimensionale Abtastung der Probe unter Verwendung eines motorisierten Mikrometer 3D-Stufe erlaubt die Infrarot-Laserstrahl Erkundung der Oberfläche mit einer lateralen Auflösung von weniger als 100 μ m. Quantitative chemische Bilder von Gd-Element innerhalb der Orgel wurden mit sub-mm-Empfindlichkeit. LIBS bietet eine einfache und robuste Methode, um die Verteilung der anorganischen Materialien ohne spezielle LABÉLI studierenng. Darüber hinaus ist die Kompatibilität der Einrichtung mit optischen Standardmikroskop hebt das Potential, um mehrere Bilder des gleichen biologischen Gewebes mit verschiedenen Arten von Antwort zu geben: Elementar, molekularen oder zellulären.

Wie in Fig. 1, der Strahl eines Nd dargestellt: YAG-Laser in der Grundwellenlänge von 1.064 nm wurde vertikal nach unten auf das Gewebeschnitt durch eine Quarzlinse mit 50 mm Brennweite fokussiert. Die Pulsenergie betrug 4 mJ und die Wiederholungsrate von 10 Hz. Um die Erzeugung von Plasma in Luft zu vermeiden, wurde der Laserstrahl etwa 100 &amp;mgr; m unter der Oberfläche der Probe fokussiert. Keine Klima Plasma wurde in diesem Zustand beobachtet. Während der Versuche wurde die Probe durch einen Sc...

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Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle&#039;s Mapping and Quantification in Organ Tissue

Laser-Emissionsspektroskopie an dünnen Organ-und Tumorgewebe durchgeführt erfolgreich erkannt natürlichen Elemente und künstlich injiziert Gadolinium (Gd), von Gd-Nanopartikel auf der Basis ausgestellt. Bilder von chemischen Elementen erreicht eine Auflösung von 100 um und quantitative Unter mM Empfindlichkeit. Die Kompatibilität der Einrichtung mit optischen Standardmikroskop hebt das Potential, um mehrere Bilder von einer gleichen biologischen Gewebes bereitzustellen.

Laserinduzierte Plasmaspektroskopie: ein neuer Ansatz für die Nanopartikel-Mapping und Quantifizierung in Organgewebe

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) ...

laser-induced-breakdown-spectroscopy-new-approach-for-nanoparticle-s

Research

JoVE Journal

Engineering

Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle's Mapping and Quantification in Organ Tissue

13.6K Aufrufe.  CNRS - Université Lyon 1.  Laser-Emissionsspektroskopie an dünnen Organ-und Tumorgewebe durchgeführt erfolgreich erkannt natürlichen Elemente und künstlich injiziert Gadolinium (Gd), von Gd-Nanopartikel auf der Basis ausgestellt. Bilder von chemischen Elementen erreicht eine Auflösung von 100 um und quantitative Unter mM Empfindlichkeit. Die Kompatibilität der Einrichtung mit optischen Standardmikroskop hebt das Potential, um mehrere Bilder von einer gleichen biologischen Gewebes bereitzuste...

Serie: Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle's Mapping and Quantification in Organ Tissue

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

The physical properties of a material are defined by its electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;) and momentum (k) and the probability to find them in a particular state with given &omega; and k is described by the spectral function A(k, &omega;). This function can be directly measured in an experiment based on the well-known photoelectric effect, for the explanation of which Albert Einstein received the Nobel Prize back in 1921. In the photoelectric effect the light shone on a surface ejects electrons from the material. According to Einstein, energy conservation allows one to determine the energy of an electron inside the sample, provided the energy of the light photon and kinetic energy of the outgoing photoelectron are known. Momentum conservation makes it also possible to estimate k relating it to the momentum of the photoelectron by measuring the angle at which the photoelectron left the surface. The modern version of this technique is called Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) and exploits both conservation laws in order to determine the electronic structure, i.e. energy and momentum of electrons inside the solid. In order to resolve the details crucial for understanding the topical problems of condensed matter physics, three quantities need to be minimized: uncertainty* in photon energy, uncertainty in kinetic energy of photoelectrons and temperature of the sample.
In our approach we combine three recent achievements in the field of synchrotron radiation, surface science and cryogenics. We use synchrotron radiation with tunable photon energy contributing an uncertainty of the order of 1 meV, an electron energy analyzer which detects the kinetic energies with a precision of the order of 1 meV and a He3 cryostat which allows us to keep the temperature of the sample below 1 K. We discuss the exemplary results obtained on single crystals of Sr2RuO4 and some other materials. The electronic structure of this material can be determined with an unprecedented clarity.

The overall goal of this method is to determine the low-energy electronic structure of solids at ultra-low temperatures using Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy with synchrotron radiation.

Angle-Photoemissionsspektroskopie Bei extrem niedrigen Temperaturen

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

Forschung

Ingenieurwesen

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen 1-7. The performance of SOFCs and the rates of many chemical and energy transformation processes in energy storage and conversion devices in general are limited primarily by charge and mass transfer along electrode surfaces and across interfaces. Unfortunately, the mechanistic understanding of these processes is still lacking, due largely to the difficulty of characterizing these processes under in situ conditions. This knowledge gap is a chief obstacle to SOFC commercialization. The development of tools for probing and mapping surface chemistries relevant to electrode reactions is vital to unraveling the mechanisms of surface processes and to achieving rational design of new electrode materials for more efficient energy storage and conversion2. Among the relatively few in situ surface analysis methods, Raman spectroscopy can be performed even with high temperatures and harsh atmospheres, making it ideal for characterizing chemical processes relevant to SOFC anode performance and degradation8-12. It can also be used alongside electrochemical measurements, potentially allowing direct correlation of electrochemistry to surface chemistry in an operating cell. Proper in situ Raman mapping measurements would be useful for pin-pointing important anode reaction mechanisms because of its sensitivity to the relevant species, including anode performance degradation through carbon deposition8, 10, 13, 14 ("coking") and sulfur poisoning11, 15 and the manner in which surface modifications stave off this degradation16. The current work demonstrates significant progress towards this capability. In addition, the family of scanning probe microscopy (SPM) techniques provides a special approach to interrogate the electrode surface with nanoscale resolution. Besides the surface topography that is routinely collected by AFM and STM, other properties such as local electronic states, ion diffusion coefficient and surface potential can also be investigated17-22. In this work, electrochemical measurements, Raman spectroscopy, and SPM were used in conjunction with a novel test electrode platform that consists of a Ni mesh electrode embedded in an yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte. Cell performance testing and impedance spectroscopy under fuel containing H2S was characterized, and Raman mapping was used to further elucidate the nature of sulfur poisoning. In situ Raman monitoring was used to investigate coking behavior. Finally, atomic force microscopy (AFM) and electrostatic force microscopy (EFM) were used to further visualize carbon deposition on the nanoscale. From this research, we desire to produce a more complete picture of the SOFC anode.

We present a unique platform for characterizing electrode surfaces in solid oxide fuel cells (SOFCs) that allows simultaneous performance of multiple characterization techniques (e.g. in situ Raman spectroscopy and scanning probe microscopy alongside electrochemical measurements). Complementary information from these analyses may help to advance toward a more profound understanding of electrode reaction and degradation mechanisms, providing insights into rational design of better materials for SOFCs.

Sondieren und Mapping-Elektrode Oberflächen in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the electronic quantum structure of small systems - including individual atomic dopants in semiconductors. Here we present a capacitance-based method, known as Subsurface Charge Accumulation (SCA) imaging, which is capable of resolving single-electron charging while achieving sufficient spatial resolution to image individual atomic dopants. The use of a capacitance technique enables observation of subsurface features, such as dopants buried many nanometers beneath the surface of a semiconductor material1,2,3. In principle, this technique can be applied to any system to resolve electron motion below an insulating surface.
As in other electric-field-sensitive scanned-probe techniques4, the lateral spatial resolution of the measurement depends in part on the radius of curvature of the probe tip. Using tips with a small radius of curvature can enable spatial resolution of a few tens of nanometers. This fine spatial resolution allows investigations of small numbers (down to one) of subsurface dopants1,2. The charge resolution depends greatly on the sensitivity of the charge detection circuitry; using high electron mobility transistors (HEMT) in such circuits at cryogenic temperatures enables a sensitivity of approximately 0.01 electrons/Hz&frac12; at 0.3 K 5.

Scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy facilitates the study of single-electron motion in localized subsurface regions. A sensitive charge-detection circuit is incorporated into a cryogenic scanning probe microscope to investigate small systems of dopant atoms beneath the surface of semiconductor samples.

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement is used. Here we operate a Nd:YAG laser at a frequency of 10 Hz at the fundamental wavelength of 1,064 nm. The 14 nsec pulses with anenergy of 190 mJ/pulse are focused to a 50 &#181;m spot size to generate a plasma from optical breakdown or laser ablation in air. The microplasma is imaged onto the entrance slit of a 0.6 m spectrometer, and spectra are recorded using an 1,800 grooves/mm grating an intensified linear diode array and optical multichannel analyzer (OMA) or an ICCD. Of interest are Stark-broadened atomic lines of the hydrogen Balmer series to infer electron density. We also elaborate on temperature measurements from diatomic emission spectra of aluminum monoxide (AlO), carbon (C2), cyanogen (CN), and titanium monoxide (TiO).
The experimental procedures include wavelength and sensitivity calibrations. Analysis of the recorded molecular spectra is accomplished by the fitting of data with tabulated line strengths. Furthermore, Monte-Carlo type simulations are performed to estimate the error margins. Time-resolved measurements are essential for the transient plasma commonly encountered in LIBS.

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Time-resolved atomic and diatomic molecular species are measured using LIBS. The spectra are collected at various time delays following the generation of optical breakdown plasma with Nd:YAG laser radiation&#160;and are analyzed to infer electron density and temperature.

Messung und Analyse von atomarem Wasserstoff und Zweiatomige Molekulare AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, und TiO Spektren nach Laser-induzierten Breakdown Optical

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards understanding its mechanism. Protonation and conformational changes affect the vibration pattern of amino acid side chains and of the peptide bond, respectively, both of which can be probed by infrared (IR) difference spectroscopy. For proteins whose function can be repetitively and reproducibly triggered by light, it is possible to obtain infrared difference spectra with (sub)microsecond resolution over a broad spectral range using the step-scan Fourier transform infrared technique. With ~102-103 repetitions of the photoreaction, the minimum number to complete a scan at reasonable spectral resolution and bandwidth, the noise level in the absorption difference spectra can be as low as ~10-4, sufficient to follow the kinetics of protonation changes from a single amino acid. Lower noise levels can be accomplished by more data averaging and/or mathematical processing. The amount of protein required for optimal results is between 5-100 &#181;g, depending on the sampling technique used. Regarding additional requirements, the protein needs to be first concentrated in a low ionic strength buffer and then dried to form a film. The protein film is hydrated prior to the experiment, either with little droplets of water or under controlled atmospheric humidity. The attained hydration level (g of water / g of protein) is gauged from an IR absorption spectrum. To showcase the technique, we studied the photocycle of the light-driven proton-pump bacteriorhodopsin in its native purple membrane environment, and of the light-gated ion channel channelrhodopsin-2 solubilized in detergent.

Key steps of protein function, in particular backbone conformational changes and proton transfer reactions, often take place in the microsecond to millisecond time scale. These dynamical processes can be studied by time-resolved step-scan Fourier-transform infrared spectroscopy, in particular for proteins whose function is triggered by light.

Protonen-Transfer und Protein-Zustände Dynamics in Lichtempfindliche Proteine, die durch zeitaufgelöste Step-Scan Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards ...

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. The aggressive scaling of feature sizes, both on devices and interconnects, leads to serious challenges to ensure the required product reliability. Standard reliability tests and post-mortem failure analysis provide only limited information about the physics of failure mechanisms and degradation kinetics. Therefore it is necessary to develop new experimental approaches and procedures to study the TDDB failure mechanisms and degradation kinetics in particular. In this paper, an in situ experimental methodology in the transmission electron microscope (TEM) is demonstrated to investigate the TDDB degradation and failure mechanisms in Cu/ULK interconnect stacks. High quality imaging and chemical analysis are used to study the kinetic process. The in situ electrical test is integrated into the TEM to provide an elevated electrical field to the dielectrics. Electron tomography is utilized to characterize the directed Cu diffusion in the insulating dielectrics. This experimental procedure opens a possibility to study the failure mechanism in interconnect stacks of microelectronic products, and it could also be extended to other structures in active devices.

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. This paper demonstrates the procedure of an in situ TDDB experiment in the transmission electron microscope, which opens a possibility to study the failure mechanism in microelectronic products.

In Situ Zeitabhängige Dielectric Breakdown im Transmissionselektronenmikroskop: eine Möglichkeit, die Fehlermechanismus in mikroelektronischen Bauelementen Verstehen

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. ...

Laser-induced Forward Transfer for Flip-chip Packaging of Single Dies

Flip-chip (FC) packaging is a key technology for realizing high performance, ultra-miniaturized and high-density circuits in the micro-electronics industry. In this technique the chip and/or the substrate is bumped and the two are bonded via these conductive bumps. Many bumping techniques have been developed and intensively investigated since the introduction of the FC technology in 19601 such as stencil printing, stud bumping, evaporation and electroless/electroplating2. Despite the progress that these methods have made they all suffer from one or more than one drawbacks that need to be addressed such as cost, complex processing steps, high processing temperatures, manufacturing time and most importantly the lack of flexibility. In this paper, we demonstrate a simple and cost-effective laser-based bump forming technique known as Laser-induced Forward Transfer (LIFT)3. Using the LIFT technique a wide range of bump materials can be printed in a single-step with great flexibility, high speed and accuracy at RT. In addition, LIFT enables the bumping and bonding down to chip-scale, which is critical for fabricating ultra-miniature circuitry.

We demonstrate the use of the Laser-induced Forward Transfer (LIFT) technique for flip-chip assembly of optoelectronic components. This approach provides a simple, cost-effective, low-temperature, fast and flexible solution for fine-pitch bumping and bonding on chip-scale for achieving high-density circuits for optoelectronic applications.

Laser-induzierte Vorwärtstransfer für Flip-Chip-Packaging der Einzelstümpfe

Flip-chip (FC) packaging is a key technology for realizing high performance, ultra-miniaturized and high-density circuits in the micro-electronics ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial resolution, and is even capable of providing atomically resolved elemental maps. In this technique, a highly focused electron beam is incident upon a thin sample and the energy of emitted X-rays is measured in order to determine the atomic species of material within the beam path. This elementally sensitive spectroscopy technique can be extended to three dimensional tomographic imaging by acquiring multiple spectrum images with the sample tilted along an axis perpendicular to the electron beam direction.
Elemental distributions within single nanoparticles are often important for determining their optical, catalytic and magnetic properties. Techniques such as X-ray tomography and slice and view energy dispersive X-ray mapping in the scanning electron microscope provide elementally sensitive three dimensional imaging but are typically limited to spatial resolutions of &gt; 20 nm. Atom probe tomography provides near atomic resolution but preparing nanoparticle samples for atom probe analysis is often challenging. Thus, elementally sensitive techniques applied within the scanning transmission electron microscope are uniquely placed to study elemental distributions within nanoparticles of dimensions 10-100 nm.
Here, energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy within the STEM is applied to investigate the distribution of elements in single AgAu nanoparticles. The surface segregation of both Ag and Au, at different nanoparticle compositions, has been observed.

The use of energy dispersive X-ray tomography in the scanning transmission electron microscope to characterize elemental distributions within single nanoparticles in three dimensions is described.

Energieröntgentomografie für 3D-Elementar Zuordnung einzelner Nanopartikel

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in industrialized countries. Here, the development of optical mesosensors/adsorbents (MSAs) for efficient recognition and selective recovery of Pd(II), Au(III), and Co(II) from urban mine was achieved. A simple, general method for preparing MSAs based on using high-order mesoporous monolithic scaffolds was described. Hierarchical cubic Ia3d wagon-wheel-shaped MSAs were fabricated by anchoring chelating agents (colorants) into three-dimensional pores and micrometric particle surfaces of the mesoporous monolithic scaffolds. Findings show, for the first time, evidence of controlled optical recognition of Pd(II), Au(III), and Co(II) ions and a highly selective system for recovery of Pd(II) ions (up to ~95%) in ores and industrial wastes. Furthermore, the controlled assessment processes described herein involve evaluation of intrinsic properties (e.g., visual signal change, long-term stability, adsorption efficiency, extraordinary sensitivity, selectivity, and reusability); thus, expensive, sophisticated instruments are not required. Results show evidence that MSAs will attract worldwide attention as a promising technological means of recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals.

Because of the importance and extensive use of palladium, gold and cobalt metals in high-technology equipment, their recovery and recycling constitute an important industrial challenge. The metal recovery system described herein is a simple, low-cost means for the effective detection, removal, and recovery of these metals from the urban mine.

Erkennung und Wiedergewinnung von Palladium, Gold und Kobalt-Metalle aus der Urban-Mine mit Hilfe neuartiger Sensoren / Adsorbentien mit nanoskaligen Wagon-Rad-förmigen Poren Ausgewiesene

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Blast Quantification Using Hopkinson Pressure Bars

Near-field blast load measurement presents an issue to many sensor types as they must endure very aggressive environments and be able to measure pressures up to many hundreds of megapascals. In this respect the simplicity of the Hopkinson pressure bar has a major advantage in that while the measurement end of the Hopkinson bar can endure and be exposed to harsh conditions, the strain gauge mounted to the bar can be affixed some distance away. This allows protective housings to be utilized which protect the strain gauge but do not interfere with the measurement acquisition. The use of an array of pressure bars allows the pressure-time histories at discrete known points to be measured. This article also describes the interpolation routine used to derive pressure-time histories at un-instrumented locations on the plane of interest. Currently the technique has been used to measure loading from high explosives in free air and buried shallowly in various soils.

This protocol details the use of Hopkinson pressure bars to measure reflected blast loading from near-field explosive events. It is capable of interpolating a pressure-time history at any point on a reflective boundary and as such can be used to fully characterize the spatial and temporal variations in loading produced.

Explosion Quantifizierung Mit Hopkinson Pressure Bars

Near-field blast load measurement presents an issue to many sensor types as they must endure very aggressive environments and be able to measure pressures ...