Name: studying dynamic processes of nano-sized objects in liquid using scanning transmission electron microscopy
Uploaded: 2017-02-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 29 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy at JoVE.com

We thank E. Arzt for his support through INM. The research was in part supported by the Leibniz Competition 2014.

<ol>
	<li>Ring, E. A., de Jonge, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+system+for+transmission+electron+microscopy.">Microfluidic system for transmission electron microscopy.</a> Microsc. Microanal. 16, 622-629 (2010).</li><li>Ross, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Opportunities+and+challenges+in+liquid+cell+electron+microscopy.">Opportunities and challenges in liquid cell electron microscopy.</a> Science. 350, 9881-9889 (2015).</li><li>de Jonge, N., Ross, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+microscopy+of+specimens+in+liquid.">Electron microscopy of specimens in liquid.</a> Nat. Nanotechnol. 6, 695-704 (2011).</li><li>Zheng, H., Smith, R. K., Jun, Y. W., Kisielowski, C., Dahmen, U., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+single+colloidal+platinum+nanocrystal+growth+trajectories.">Observation of single colloidal platinum nanocrystal growth trajectories.</a> Science. 324, 1309-1312 (2009).</li><li>Evans, J. E., Jungjohann, K. L., Browning, N. D., Arslan, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+growth+of+nanoparticles+from+solution+with+in+situ+liquid+transmission+electron+microscopy.">Controlled growth of nanoparticles from solution with in situ liquid transmission electron microscopy.</a> Nano Lett. 11, 2809-2813 (2011).</li><li>Alloyeau, D., 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=Unravelling+kinetic+and+thermodynamic+effects+on+the+growth+of+gold+nanoplates+by+liquid+transmission+electron+microscopy.">Unravelling kinetic and thermodynamic effects on the growth of gold nanoplates by liquid transmission electron microscopy.</a> Nano Lett. 15, 2574-2581 (2015).</li><li>Smeets, P. J., Cho, K. R., Kempen, R. G., Sommerdijk, N. A., De Yoreo, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calcium+carbonate+nucleation+driven+by+ion+binding+in+a+biomimetic+matrix+revealed+by+in+situ+electron+microscopy.">Calcium carbonate nucleation driven by ion binding in a biomimetic matrix revealed by in situ electron microscopy.</a> Nat. Mater. 14, 394-399 (2015).</li><li>Peckys, D. B., de Jonge, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+Scanning+Transmission+Electron+Microscopy:+Imaging+Protein+Complexes+in+their+Native+Environment+in+Whole+Eukaryotic+Cells.">Liquid Scanning Transmission Electron Microscopy: Imaging Protein Complexes in their Native Environment in Whole Eukaryotic Cells.</a> Microsc. Microanal. 20, 346-365 (2014).</li><li>de Jonge, N., Peckys, D. B., Kremers, G. J., Piston, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+microscopy+of+whole+cells+in+liquid+with+nanometer+resolution.">Electron microscopy of whole cells in liquid with nanometer resolution.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 2159-2164 (2009).</li><li>Evans, J. E., 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=Visualizing+macromolecular+complexes+with+in+situ+liquid+scanning+transmission+electron+microscopy.">Visualizing macromolecular complexes with in situ liquid scanning transmission electron microscopy.</a> Micron. 43, 1085-1090 (2012).</li><li>Dukes, M. J., 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=Improved+microchip+design+and+application+for+in+situ+transmission+electron+microscopy+of+macromolecules.">Improved microchip design and application for in situ transmission electron microscopy of macromolecules.</a> Microsc. Microanal. 20, 338-345 (2014).</li><li>Ring, E. A., Peckys, D. B., Dukes, M. J., Baudoin, J. P., de Jonge, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+nitride+windows+for+electron+microscopy+of+whole+cells.">Silicon nitride windows for electron microscopy of whole cells.</a> J. Microsc. 243, 273-283 (2011).</li><li>de Jonge, N., Pfaff, M., Peckys, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Practical+aspects+of+transmission+electron+microscopy+in+liquid.">Practical aspects of transmission electron microscopy in liquid.</a> Adv. Imag. Electr. Phys. 186, 1-37 (2014).</li><li>Verch, A., Pfaff, M., De Jonge, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exceptionally+slow+movement+of+gold+nanoparticles+at+a+solid:liquid+interface+investigated+by+scanning+transmission+electron+microscopy.">Exceptionally slow movement of gold nanoparticles at a solid:liquid interface investigated by scanning transmission electron microscopy.</a> Langmuir. 31, 6956-6964 (2015).</li><li>Schneider, N. M., Norton, M. M., Mendel, B. J., Grogan, J. M., Ross, F. M., Bau, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-water+interactions+and+implications+for+liquid+cell+electron+microscopy.">Electron-water interactions and implications for liquid cell electron microscopy.</a> J. Phys. Chem. C. 118, 22373-22382 (2014).</li><li>Hermannsdoerfer, J., de Jonge, N., Verch, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+beam+induced+chemistry+of+gold+nanoparticles+in+saline+solution.">Electron beam induced chemistry of gold nanoparticles in saline solution.</a> Chem. Comm. 51, 16393-16396 (2015).</li><li>Schuh, T., de Jonge, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+scanning+transmission+electron+microscopy:+Nanoscale+imaging+in+micrometers-thick+liquids.">Liquid scanning transmission electron microscopy: Nanoscale imaging in micrometers-thick liquids.</a> C. R. Phys. 15, 214-223 (2014).</li><li>Jensen, E., Burrows, A., Molhave, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monolithic+chip+system+with+a+microfluidic+channel+for+in+situ+electron+microscopy+of+liquids.">Monolithic chip system with a microfluidic channel for in situ electron microscopy of liquids.</a> Microsc. Microanal. 20, 445-451 (2014).</li><li>Creemer, J. F., 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=A+MEMS+reactor+for+atomic-scale+microscopy+of+nanomaterials+under+industrially+relevant+conditions.">A MEMS reactor for atomic-scale microscopy of nanomaterials under industrially relevant conditions.</a> J. Microelectromech. Syst. 19, 254-264 (2010).</li><li>Williamson, M. J., Tromp, R. M., Vereecken, P. M., Hull, R., Ross, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+microscopy+of+nanoscale+cluster+growth+at+the+solid-liquid+interface.">Dynamic microscopy of nanoscale cluster growth at the solid-liquid interface.</a> Nat. Mater. 2, 532-536 (2003).</li><li>Thiberge, 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=Scanning+electron+microscopy+of+cells+and+tissues+under+fully+hydrated+conditions.">Scanning electron microscopy of cells and tissues under fully hydrated conditions.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 101, 3346 (2004).</li><li>Chen, Q., 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=3D+motion+of+DNA-Au+nanoconjugates+in+graphene+liquid+cell+electron+microscopy.">3D motion of DNA-Au nanoconjugates in graphene liquid cell electron microscopy.</a> Nano Lett. 13, 4556-4561 (2013).</li><li>Yuk, J. M., 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=High-resolution+EM+of+colloidal+nanocrystal+growth+using+graphene+liquid+cells.">High-resolution EM of colloidal nanocrystal growth using graphene liquid cells.</a> Science. 336, 61-64 (2012).</li><li>Reimer, L., Kohl, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Transmission electron microscopy: physics of image formation. , (2008).</li><li>Abellan, P., Woehl, T. J., Parent, L. R., Browning, N. D., Evans, J. E., Arslan, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Factors+influencing+quantitative+liquid+(scanning)+transmission+electron+microscopy.">Factors influencing quantitative liquid (scanning) transmission electron microscopy.</a> Chem. Commun. 50, 4873-4880 (2014).</li><li>Woehl, T. J., Jungjohann, K. L., Evans, J. E., Arslan, I., Ristenpart, W. D., Browning, N. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+procedures+to+mitigate+electron+beam+induced+artifacts+during+in+situ+fluid+imaging+of+nanomaterials.">Experimental procedures to mitigate electron beam induced artifacts during in situ fluid imaging of nanomaterials.</a> Ultramicroscopy. 127, 53-63 (2013).</li><li>Hohmann-Marriott, M. F., 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=Nanoscale+3D+cellular+imaging+by+axial+scanning+transmission+electron+tomography.">Nanoscale 3D cellular imaging by axial scanning transmission electron tomography.</a> Nat. Methods. 6, 729-731 (2009).</li><li>Unocic, R. R., 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=Quantitative+electrochemical+measurements+using+in+situ+ec-S/TEM+devices.">Quantitative electrochemical measurements using in situ ec-S/TEM devices.</a> Microsc. Microanal. 20, 452-461 (2014).</li><li>Kourkoutis, L. F., Plitzko, J. M., Baumeister, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+Microscopy+of+Biological+Materials+at+the+Nanometer+Scale.">Electron Microscopy of Biological Materials at the Nanometer Scale.</a> Annu. Rev. Mater. Res. 42, 33-58 (2012).</li><li>Chao, W., Harteneck, B. D., Liddle, J. A., Anderson, E. H., Attwood, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+X-ray+microscopy+at+a+spatial+resolution+better+than+15+nm.">Soft X-ray microscopy at a spatial resolution better than 15 nm.</a> Nature. 435, 1210-1213 (2005).</li><li>Larabell, C. A., Nugent, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+cellular+architecture+with+X-rays.">Imaging cellular architecture with X-rays.</a> Curr Opin Struct Biol. 20, 623-631 (2010).</li><li>Muller, D. J., Helenius, J., Alsteens, D., Dufrene, Y. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force+probing+surfaces+of+living+cells+to+molecular+resolution.">Force probing surfaces of living cells to molecular resolution.</a> Nat. Chem. Biol. 5, 383-390 (2009).</li><li>Allison, D. P., Mortensen, N. P., Sullivan, C. J., Doktycz, 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=atomic+force+microscopy+of+biological+samples.">atomic force microscopy of biological samples.</a> Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. 2, 618-634 (2010).</li><li>Fleming, A. J., Kenton, B. J., Leang, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bridging+the+gap+between+conventional+and+video-speed+scanning+probe+microscopes.">Bridging the gap between conventional and video-speed scanning probe microscopes.</a> Ultramicroscopy. 110, 1205-1214 (2010).</li><li>Sulchek, T., Hsieh, R., Adams, J. D., Minne, S. C., Quate, C. F., Adderton, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+atomic+force+microscopy+in+liquid.">High-speed atomic force microscopy in liquid.</a> Rev. Sci. Instr. 71, 2097-2099 (2000).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Açıklanan protokol dinamik süreçleri gözlem de dahil olmak üzere, bir sıvı içinde AuNPs kök sağlar. sahibinin montajı kolay-öğrenme tekniğidir. sıvı akış TEM tutucu ile çalışan, ancak çeşitli yönleri göz önünde bulundurulmalıdır. Örneğin, O-ring üzerine Si mikroçip ya da büyük parçacıkların bir biçimde kırılmış kenarlar sıvı hücre kaçağına yol açabilir. Öte yandan, büyük parçacıklar (&gt; 200 nm; örneğin, toz veya Si enkaz) SİN membran üzerinde sıvı hücrenin bir kalınlığının artması sonucu düşük uzaysal çözünürlüğü düşük görüntüleme kontrast veya giden ve dahi neden olabilir SİN pencereleri kırmak için. Önemli olarak, tuz ya da diğer kimyasal kalıntılar istenmeyen bir şekilde deney sonuçlarını etkileyebilir. Nedenle, numune hazırlama ve tutucu montaj farklı adımlar dikkatli ve temiz ve tozsuz bir ortamda yürütülmektedir önemlidir. Sıvı ce kalınlığıLL elde çözünürlük hem de elde edilen görüntülerin 17 kontrastını belirler. Bu kalınlık iki Si mikroçip biri üzerinde bulunan aralama ile ayarlanabilir. numune boyutlarına bağlı olarak, bir sıvı, farklı hücre kalınlıkları gerçekleştirilebilir. Bütün ökaryotik hücreler en fazla 5 um daha büyük ara parçalar gerekir iken AuNPs çalışma için, küçük, ara parçaları (200-500 nm) kullanmak mümkündür. sıvı hücre kalınlığı, ayrıca sıvı hücre ve çevresindeki vakum arasındaki basınç farkından kaynaklanan SİN membran pencerelerin şişkin etkilenir. Bu etki daha büyük SiN zar pencereleri ile daha belirgin hale gelir. Bu nedenle, sıvı hücre kalınlığının en aza indirmek için, küçük SİN membran aralıkları kullanmak tavsiye edilir. durumda iki küçük pencereler arasında bir örtüşme, farklı bir taban mikroçip kullanarak çapraz konfigürasyonda monte edilebilir bulmak zordur. Alternatif uygulamalar, largely şişkin önlemek ve örnek yükleme ile ilgili ayağı 19 tarafından desteklenen bir monolitik mikroçip 18 veya membran pencere, ancak bu sergi dezavantajları oluşmaktadır. güncel teknoloji en zorlu yönlerinden biri sıvı kalınlığı üzerinde tam kontrol eksikliğidir. Genellikle sıvı burada görüldüğü gibi, kullanılan boşluk boyutları ne beklendiğini daha kalındır. Çeşitli gruplar kapalı sıvı odalarının 4, 20, 21, 22 kullanılır; Sıvı kalınlığı sıvı içinde bir baloncuk uyararak azaltılabilir olarak bu sistemler, uzamsal çözünürlük ile ilgili bazı avantajları vardır. Alternatif olarak, SİN pencereler ince bir sıvı tabakası yol daraltmak zorunda olabilir. Ayrıca daha ince sıvılar sonuçlanan Üçüncüsü, diğer ince pencerelerin kasa mevcuttur (örn grafen) 23,Bu protokol açıklanan sistem ile mümkün olandan. Bununla birlikte, sistemlerde sıvı akış imkansızdır. bir yüksek çözünürlüklü mikroskopi tekniği gibi, deney safhaları içinde değerlendirilmelidir. en önemli özelliği, sıvı ya da numune ile elektron ışınının etkileşimdir. Bir çok katı numuneler 24 için elde uzamsal çözünülürlüğünü sınırlar radyasyon hasarı ek olarak, sıvı örnekleri de elektron demeti tarafından oluşturulan radyoliz ürünleri 15, 25 tarafından etkilenmektedir. Bu ürünler deney etkileyebilir beri, dikkatli veri yorumlama ve deneysel tasarım 26 esastır. mikroskop ayarları, belirli bir çalışmanın amaçlarına göre seçilmelidir. ADF STEM, WHI sıvı hücre büyük kalınlıklarda yüksek atom numarası (Z) görüntüleme nanopartiküller için daha güçlüle TEM düşük Z malzemeler üzerinde daha iyi bir kontrast sağlar ve genellikle hızlı ama daha ince sıvı tabakaları 3 gerektirir. ADF yerine detektörü kullanılarak BF KÖK kalın tabakalar 27 düşük Z malzemeleri görüntülenmesi için avantajlıdır, çünkü parlak saha (BF) detektörü zaman, resim sıvı hücre kullanılır. Sıvı hücre kalınlığı arttıkça, daha fazla akım gereklidir. Bununla birlikte, bu radyoliz ürün konsantrasyonunu arttırmaktadır ve radyasyon hasarı artırır. Ayrıca, kontrast bir ters çok kalın sıvı (su&gt; 10 um) ADF detektör içinde gözlenmediğine dikkat edilmelidir. Sıvı koşullar mikroskop tutucu çıkarmadan ve örnek ve sıvı hem de alışverişi bizim deneyler arasında değişti. Tuz halindeki konsantrasyonun değişmesi ile birlikte, örneğin, tek bir olabilir (başka bir sıvı içinde akan sıvının diğer özelliklerini değiştirmek için kolaylıkla mümkündürBelirli bir pH değeri 16 ayarlamak için tampon çözeltileri kullanmak ya da organik çözeltiler veya diğer katkı maddeleri) taşıyabilirler. Tutucu de mikroakışkan sisteminden akan sıvı mikroskop takılı ise, sıvının değiştirmek de mümkündür. Bununla birlikte, bu durumda, hangi zaman örnek değişiklikleri sıvı etmektedir bilinmemektedir. Elektrotlar destekleyen mikroçip mevcuttur, bu nedenle nano ölçekli elektrokimya deneyleri 28 yapılabilir olması da dikkat çekicidir. Çalışmanın amaçları suda AuNPs ile sınırlı değildir, ancak örneklerin çok çeşitli silika, titanyum oksit ve polimerleri de dahil olmak üzere, yukarıda tarif edilen protokol kullanılarak incelenebilir. Nesnelerin hareket satın olan bir görüntü yakalamak için çok hızlı ise, viskozite% 50 gliserol ve% 50 sudan oluşan bir karışım kullanılarak bir büyüklük sırasına göre azaltılabilir. Söz konusu noktalarından,bir çok avantaj, olasılıklar ve dezavantajları da belirgin hale gelir. 1) Herhangi bir deney tüm numune (gözlem altında nesne, sıvı ve SİN membranların) ile elektron demetinin dinamik etkileşiminden etkilenir;: sıvı faz KÖK ile çalışırken, dikkat edilmesi gereken en önemli dezavantajları yönündedir 2) numune işleme sıkıcı ve örnek veya mikroçip bir mikrometre büyüklüğünde partiküller içerdiğinden ince bir sıvı tabakası elde etmek için çoğu zaman zordur; 3) Sıvı kalınlığı genellikle ayırıcı tarafından belirlenen amaçlanan kalınlığı büyük ölçüde farklıdır; ve 4) uzaysal çözünürlüğü ve kontrast güçlü sıvı kalınlığı ve gözlem ve sıvı altında nesnenin değişim yoğunluğu arasındaki fark bağlıdır. Halen, bol yöntemler nanometre mekansal çözünürlüğe sahip sıvı nesnelerin mikroskopi için var. Amorf buz elektron mikroskobu, güçlü bir tekniktir 29 olduğunuancak alan deney prosedürleri tüm deneyler buz numunenin hazırlanmasını sağlar ve zaman çözümlü deneyler imkansız, hassastır. X-ışını mikroskobu 30, 31 prensip olarak kullanılabilir, ancak sınırlı bir uzaysal çözünürlüğe sahip ve laboratuvarlarda yaygın olarak mevcut değildir. Sıvı içinde atomik kuvvet mikroskopisi kurulan ancak yüzey teknik yalnızca 32, 33, 34, 35 olmuştur. Işık mikroskobu yeterli uzaysal çözünürlüğü göstermez. Şu anda, sıvı içinde elektron mikroskobu sıvı nano nesnelerin ve işlemlerin doğrudan mikroskopi için en güçlü teknik görünüyor. Sıvı faz TEM ve KÖK henüz rutin analitik teknikler değil ama yine de gelişiyor. dikkate almak parametre sayısı oldukça büyüktür ve bu ofte olduğunun zor deney sonuçlarını çoğaltmak. Ayrıca, nicel veriler soruşturma kapsamında etkileri elektron demeti bir sonucu olarak ortaya çıkan süreçlerle iç içe çünkü elde etmek zordur. Burada açıklanan protokol, böylece deney ilgili tüm baz yönleriyle için muhasebe, deneysel protokol haline getirmeyi amaçlamaktadır. Biz bu protokol gelişmekte olan bu alanda deneysel çalışmaların daha iyi tekrarlanabilirlik yol umuyoruz.

Geleneksel tarama transmisyon elektron mikroskopisi (STM) analizi için uygun örnekler, yüksek vakum altında bir yerleşim için uygun olan, özellikle kuru, katı numuneler aralığı ile sınırlıdır. Ancak, birçok bilimsel ve teknolojik sorular nano ölçekli malzeme ve sıvı ortamda süreçleri ile ilgilidir. Tamamen sıvı içinde gömülü Örnekleri şimdi Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM) ve KÖK 1 numune tutucuya monte mikroakışkan odasını içeren bir kavram kullanarak KÖK ile ele alınabilir. Bu büyüme, fesih ve nanopartiküllerin 2, 3, 4, 5 toplama süreçleri, 6 dahil olmak üzere çeşitli araştırma konularının önemli süreçler, yeni bir bakış açısı sağladığından Bu yeni geliştirilmiş bir tekniktir, giderek daha popüler hale gelmiştir. Sadece metallerin, aynı zamanda biominerals 7 ve biyolojik sistemler 8, 9, 10, 11 incelenebilir. Sıvı faz KÖK örnek yükleme ve görüntü elde etme kuru örneklerin KÖK için farklıdır ve özel eğitim gerektiren bir protokol içerir. Mikroakışkan sistemi (Şekil 1A bakınız) Silisyum nitrür enerji 12 200 keV de elektron ışını için saydam (SİN) membran pencereleri destekleyen iki silikon mikroçip oluşur. Boyutların ve bu mikroçip işleme Detayları, 13 başka yerde 12 bulunabilir. Numune genellikle nano ölçekli nesneleri içerir. Bu yazıda altın nanopartiküller (AuNPs) gözlendi. AuNPs (aşağı doğru yolculuk elektron ışını ile ilgili olarak) en üst pencerede hareketsiz ya LIQU floatİD. KÖK içinde nano ölçekli uzamsal çözünürlük AuNPs üzerinde elektron ışını tarama ve Annüler Karanlık Alan (ADF) detektörü 9 kullanılarak iletilen dağınık elektronları toplayarak elde edilir. İki mikroçipler sıvı akış TEM tutucu 1 (tutucu hem STEM için çalışır ve TEM ama TEM sahibi olarak anılacaktır) ucuna küçük bir yuvaya yerleştirilir. bir sıvı bölmesi mikroçip arasında oluşturulmuş şekilde mikroçip biri bir aralayıcı içerir. İki mikroçip her iki O-halkaları sıvı bölmesine 13 (Şekil 1B&#39;ye bakınız) vakum sızdırmazlığı sağlar. Bu makalenin amacı, ilgilenen kullanıcılar bu yeni yeni tekniğin kolay erişim bulabilirsiniz böylece örnek yükleme ve veri toplama temel adımları göstermektir. Belirli Company&#39;den temin edilebilen bir sistem kullanılır, ancak protokol aynı zamanda diğer şirketlerin sistemleri için de geçerlidir. tekniktirbir sıvı tutucu sistemi 13 ile çalışırken geleneksel TEM ve STEM ve pratik yönlerini bir dizi daha karmaşık dikkate alınmalıdır. En önemlisi sıvı bölmesine doğru bu şekilde ince bir sıvı tabakasını ve bir vakum sızdırmazlık sağlayan, monte sağlamaktır. Bu nedenle, temiz çalışma ve sıvı akış TEM tutucu hazırlanması ve montaj sırasında toz oluşumunu önlemek için önemlidir. Özellikle, O-ring ve iki silisyum mikroçip tüm kirleticilerden arınmış olması gerekir. mikroçip birinde toz Hatta küçük parçacıklar ciddi yararlı bir uzamsal çözünürlük ulaşılmasını önleyebilir monte hücrenin, kalınlığını artırabilir. kontaminasyon veya hasar deney sonrasında elektron mikroskobu bırakılabilir, böylece bir vakum mühür önemlidir. Bu protokol yükleme işlemi ve birkaç gerekli testleri açıklar. Elektron mikroskobu çalışması basittir, bukatı numunelerin mikroskopi ile karşılaştırıldığında bazı ekstra adımları gerektirir t. Sıvı kalınlıkları artmasıyla, daha fazla elektron emilir ve sıvı tarafından dağınık; Sıvı kalınlığı ölçüm gereklidir. Son olarak, protokol ele alınabilir nasıl görüntüler alınır ve ne kadar dinamik süreçler açıklar. <img alt="Şekil 1" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig1.jpg" /> Şekil 1: Taramalı Transmisyon Elektron Mikroskobu (STEM) için sıvı Akış Hücresi. (A) monte sıvı hücrenin şematik gösterimi. Silikon Nitrür (SİN) zar pencereli iki silikon mikroçip iki O-halkaları arasında konumlandırılmış. Sıvı SİN zar arasında bulunan ve böylece elektron mikroskobunda vakum ayrılır. numune üzerinde bir odaklanmış elektron ışını tarar. Kontrast dağınık elektron elde edilir. Altın nanopartiküller (AuNPs) SİN membran sıvı içinde hareketsiz ama aynı zamanda hareket edebilensıvı. O-ring ile birlikte, iki mikroçip istifinin (B) şematik yandan görünüşüdür kesitidir. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a>

<table><tbody><tr><td>Binocular light microscope</td><td>Leica</td><td>M60 CMO</td><td></td></tr><tr><td>Scanning transmission electron mircoscope with spherical aberration corrector</td><td>JEOL</td><td>ARM200F</td><td></td></tr><tr><td>Liquid flow TEM specimen holder</td><td>DENS Solutions</td><td>Ocean</td><td></td></tr><tr><td>Microfluidic syringe pump</td><td>Harvard Scientific</td><td>PicoPlus</td><td></td></tr><tr><td>Plasma cleaner</td><td>Gatan</td><td>Solarus950</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Chemicals&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Acetone, Rotisolv&amp;nbsp; Plus for HPLC</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7328.2</td><td></td></tr><tr><td>Water, chromasolv Plus for HPLC</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>34877-2.5L</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol, Rotisolv HPLC grade</td><td>Carl Roth</td><td>P076.2</td><td></td></tr><tr><td>Gold colloid citrate stabilized, diameter 30 nm</td><td>British-Biocell</td><td>EM.GC20</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Materials&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Base silicon microchips with silicon nitride membranes of 50 nm thickness and dimensions of 20 &amp;micro;m x 0.40 mm</td><td>DENS Solutions</td><td>for Ocean system</td><td></td></tr><tr><td>Spacer silicon microchips with silicon nitride membranes of 50 nm thickness, dimensions of 20 &amp;micro;m x 0.40 mm, and spacer thickness of 200 nm</td><td>DENS Solutions</td><td>for Ocean system</td><td></td></tr><tr><td>Microfluidic peek tubing</td><td>Upchurch Scientific</td><td>1570</td><td></td></tr><tr><td>Plastic Replaceable tips Tweezers</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>(Anti-Magnetic Anti-Acid Stainless Steel body with ESD PVDF (SV) tips)</td><td>ideal-tek</td><td>2ASVR.SA</td><td></td></tr><tr><td>Teflon coated bent steel tweezers (EMS SA with &quot;PTFE&quot; Coating)</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>78322-7Te</td><td></td></tr><tr><td>Teflon coated broad beak steel tweezers (EMS 2A &quot;PTFE&quot; Coating)</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>78322-2ATe</td><td></td></tr><tr><td>Hamilton syringe, 1 mL, gastight (Model 1001 TLLX SYR)</td><td>Hamilton</td><td>81323</td><td></td></tr><tr><td>Clean room tissue Sontara Micropure AP (224 x 224mm)</td><td>DuPont</td><td>Sontara MicroPure</td><td></td></tr></tbody></table>

studying dynamic processes of nano-sized objects in liquid using scanning transmission electron microscopy

Tamamen sıvı içinde gömülü Örnekleri Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM) ve KÖK için numune tutucuya monte mikroakışkan odasını kullanarak tarama Transmisyon Elektron Mikroskobu (STEM) ile nano ölçekli mekansal çözünürlükte incelenebilir. mikroakışkan sistem ince Silikon Nitrür (SİN) membran pencereleri destekleyen iki silikon mikroçip oluşur. Bu makalede, örnek yükleme ve veri toplama temel adımları açıklar. En önemlisi sıvı bölmesine doğru bu şekilde ince bir sıvı tabakasını ve bir vakum sızdırmazlık sağlayan, monte sağlamaktır. Bu protokol, aynı zamanda, doğru montaj sağlamak üzere Numune yükleme işlemi esnasında yerine getirmek için gerekli bir test de içerir. Örnek elektron mikroskobu ile yüklendikten sonra, sıvı kalınlığı ölçülür gerekmektedir. Bir çok ince sıvı bir balon oluşturulur olduğu gibi sıvı olmadan, gösterebilir ise hatalı tertibatı bir çok-yoğun bir sıvı ile sonuçlanabilir. Son olarak, iletişim kuralıele alınabilir nasıl görüntüler alınır ve ne kadar dinamik süreçler açıklar. AuNPs ihtiva eden bir numune, saf su ve tuzlu su içinde hem olarak görüntülenir.

sıvı akış TEM tutucu sıvı AuNPs davranışını incelemek için kullanılmıştır. AuNPs kararlı bir şekilde saf suda SİN membran üzerinde immobilize edilmiş ve sıvı faz gövdesinin (Şekil 6) kullanılarak nano çözünürlüğü ile görüntülendi. Mükemmel kontrast kuvvetle-saçılma altın elde edildi. o takılı sıvı akış TEM tutucu ile 8 pA / cm² olurken kuru test numunesi için ölçülen fosfor ekranda akım yoğunluğu, 20 pA / cm² oldu. 200 nm spacer kalınlık göre beklenen olandan çok daha büyük Denklem 1, t su = 2.4 ± 0.5 um, kullanma. Bununla birlikte, kalınlık nanometre uzaysal çözünürlüğü ile AuNPs görüntülenmesi için çok büyük değil. Sıvı kalınlığı nedeniyle mikroçip SİN membranlar, olmayan düzlük şişkin ve enkaz mikroçipler üzerinde bulunan için ayırıcı tarafından belirlenen 200 nm daha kalındır. 16 sırasında şeklini muhafaza rağmen reaktif radyoliz ürünleri (e - aq, H • H +, • OH) elektron demeti etkileşimi ile gelen menşeli su AuNPs 15 şeklinde bir değişikliğe yol tek altın atomlarını okside olabilir. sıvı akış sisteminin ikinci bir deneyde, klorür iyonlarının tatbik etmek için kullanılmıştır, ancak, AuNPs stabilitesi değiştirildi. Klorür iyonları tetrachloroaureat formunda oksitlenmiş altın atomuna stabilize edebilen, AuCl 4 -. Şekil 7 sonuçlarına benzer yavaş yavaş KÖK görüntüleme time-lapse serisi sırasında çözünmüş AuNPs, 16 daha önce rapor olduğunu göstermektedir. Kullanılan elektron doz oranı için, 30 nm büyüklüğünde AuNPs çözmek için ~ 300 s sürdü. Su sağlama olarak AuNPs hareketleri<html> R, bir üçüncü deneyde (Şekil 8) &#39;de incelenmiştir. Deneyden önce, sıvı akış TEM tutucu tuzu izlerini ortadan kaldırmak için temizlendi. İlk deneyde farklı olarak, alternatif bir örnek hazırlama yaklaşımı SıN zar 14 AuNPs zayıf bir eki elde etmek için kullanıldı. çözüm kurumasına izin vermeden bu deneyde, AuNP çözüm silikon mikroçip üzerine yerleştirildi ve sıvı akış TEM tutucu toplandı. Bu şekilde, AuNPs kolay kullanılan doz oranında görüntüleme hata&#39;ya membran kopuk. Kalan AuNPs SİN pencereye yakın görüş alanı içinde kalırken AuNPs bazıları, uzak toplu çözümler görüş alanından taşındı. Bu AuNPs hareketleri gözlendi ve sonunda onlar aglomere. Bir süre sonra, bu topaklar da SiN zarından müstakil ve görüş alanının dışında ve çözüm taşındı. ntent &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Şekil 6," src="/files/ftp_upload/54943/54943fig6.jpg" /> Şekil 6: Saf Su katmanı Başı Çap AuNPs 30 nm Tarama Transmisyon Elektron Mikroskobu (STEM) Mikrografik. Resimdeki orijinal görüntünün seçilen bir alandır. görüntü boyutu piksel bekleme süresi 19 us oldu 1024 x 1024 piksel oldu piksel boyutu 0.73 nm idi ve büyütme 400,000X oldu. Elektron doz bu şekilde 7.1 x 10 4 E - oldu / nm². Sıvı kalınlık 2.4 mikron tutarı için hesaplandı böylece fosfor ekranda ölçülen akım yoğunluğu, 8 pA / cm 2 idi. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig6large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 7," src="/files/ftp_upload/54943/54943fig7.jpg" /> Şekil 7: Time-lapse SerileriSaline AuNPs ve KÖK Mikrografilerinin. (AD) Görüntüler 30 s aralıklarla KÖK görüntülerin time-lapse serisi elde. AuNPs kademeli klorür iyonları bir sonucu olarak, sıvı içinde çözülür. pixel bekleme süresi 2 us, zaman atlamalı serilerinin çerçeve süresi 1.75 sn, piksel boyutu 0.44 nm idi ve büyütme 500,000X oldu. Görüntü başına elektron dozu, 1.2 x 10 4 E - oldu / nm². Sıvı kalınlığı 2.4 mm idi. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig7large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 8," src="/files/ftp_upload/54943/54943fig8.jpg" /> Şekil 8: Saf Su içinde hareket AuNPs mikrografı STEM. Birkaç oklarla seçilir olan AuNPs, (A) sin membran. (B) Hareket parçalarıSeçilen AuNPs ait (A). Bazı AuNPs görüntüleme zamanında görüş alanından uzağa taşıyın. Kalan AuNPs SİN zar boyunca yanal olarak hareket eder ve topaklaştırma başlar. Çerçeve süresi 0.52 sn, 1 ms olan kritik bir küme boyutu ulaştıktan sonra, onlar zardan sevk ve view.The piksel bekleme süresinden alanında uzaklaşın, piksel boyutu 1.8 nm idi ve büyütme 120,000X oldu. Görüntü başına elektron dozu 3.5 x 10 2 E - oldu / nm² ve sıvı kalınlığı 2.4 um idi. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig8large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy at JoVE.com

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Bu protokol, nano ölçekli dinamik süreçleri gözlem için kullanıldığı şekilde, su içinde AuNPs transmisyon elektron mikroskobu için bir sıvı akımı numune tutucu çalışmasını açıklar.

Tarama Transmisyon Elektron Mikroskobu kullanılarak Sıvı Nano-ölçekli Nesnelerin dinamik Süreçlerinin İncelenmesi

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

studying-dynamic-processes-nano-sized-objects-liquid-using-scanning

Research

JoVE Journal

Engineering

12.6K Görüntüleme.  INM-Leibniz Institute for New Materials.  Bu protokol, nano ölçekli dinamik süreçleri gözlem için kullanıldığı şekilde, su içinde AuNPs transmisyon elektron mikroskobu için bir sıvı akımı numune tutucu çalışmasını açıklar. 

Video: Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted significant interests across the research fields of materials science, physics, chemistry and biology. The key enabling technology is a liquid cell. We fabricate liquid cells with thin viewing windows through a sequential microfabrication process, including silicon nitride membrane deposition, photolithographic patterning, wafer etching, cell bonding, etc. A liquid cell with the dimensions of a regular TEM grid can fit in any standard TEM sample holder. About 100 nanoliters reaction solution is loaded into the reservoirs and about 30 picoliters liquid is drawn into the viewing windows by capillary force. Subsequently, the cell is sealed and loaded into a microscope for in situ imaging. Inside the TEM, the electron beam goes through the thin liquid layer sandwiched between two silicon nitride membranes. Dynamic processes of nanoparticles in liquids, such as nucleation and growth of nanocrystals, diffusion and assembly of nanoparticles, etc., have been imaged in real time with sub-nanometer resolution. We have also applied this method to other research areas, e.g., imaging proteins in water. Liquid cell TEM is poised to play a major role in revealing dynamic processes of materials in their working environments. It may also bring high impact in the study of biological processes in their native environment.

We have developed a self-contained liquid cell, which allows imaging through liquids using a transmission electron microscope. Dynamic processes of nanoparticles in liquids can be revealed in real time with sub-nanometer resolution.

Sıvı Hücre Transmisyon Elektron Mikroskobu kullanarak Sıvılarda Malzemelerin Dinamik Süreçler Revealing

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

Mühendislik

Quantitative and Qualitative Examination of Particle-particle Interactions Using Colloidal Probe Nanoscopy

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate using the Atomic Force Microscope (AFM), can provide key insights into physical interactions present within colloidal systems. Colloidal systems are widely existent in several applications including, pharmaceuticals, foods, paints, paper, soil and minerals, detergents, printing and much more.1-3 Furthermore, colloids can exist in many states such as emulsions, foams and suspensions. Using colloidal probe nanoscopy one can obtain key information on the adhesive properties, binding energies and even gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of the colloids present within. Additionally, colloidal probe nanoscopy can be used with biological cells to aid in drug discovery and formulation development. In this paper we describe a method for conducting colloidal probe nanoscopy, discuss key factors that are important to consider during the measurement, and show that both quantitative and qualitative data that can be obtained from such measurements.

Colloidal probe nanoscopy can be used within a variety of fields to gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of colloidal systems and aid in drug discovery and formulation sciences using biological systems. The method described within provides a quantitative and qualitative means to study such systems.

Kolloidal Probe Nanoscopy kullanarak parçacık-parçacık Etkileşimleri Nicel ve Nitel Sınav

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate ...

Kimya

In situ TEM of Biological Assemblies in Liquid

Researchers regularly use Transmission Electron Microscopes (TEMs) to examine biological entities and to assess new materials. Here, we describe an additional application for these instruments- viewing viral assemblies in a liquid environment. This exciting and novel method of visualizing biological structures utilizes a recently developed microfluidic-based specimen holder. Our video article demonstrates how to assemble and use a microfluidic holder to image liquid specimens within a TEM. In particular, we use simian rotavirus double-layered particles (DLPs) as our model system. We also describe steps to coat the surface of the liquid chamber with affinity biofilms that tether DLPs to the viewing window. This permits us to image assemblies in a manner that is suitable for 3D structure determination. Thus, we present a first glimpse of subviral particles in a native liquid environment.

In situ TEM of Biological Assemblies in Liquid

Here we describe a procedure to image viral complexes in liquid at nanometer resolution using a transmission electron microscope.

Yerinde Sıvıda Biyolojik Montajlar TEM

Researchers regularly use Transmission Electron Microscopes (TEMs) to examine biological entities and to assess new materials. Here, we describe an ...

Biyomühendislik

Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown that when operated in amplitude-modulation (tapping) mode, atomic or molecular-level resolution images can be achieved over a wide range of soft and hard samples in liquid. In these situations, small oscillation amplitudes (SAM-AFM) enhance the resolution by exploiting the solvated liquid at the surface of the sample. Although the technique has been successfully applied across fields as diverse as materials science, biology and biophysics and surface chemistry, obtaining high-resolution images in liquid can still remain challenging for novice users. This is partly due to the large number of variables to control and optimize such as the choice of cantilever, the sample preparation, and the correct manipulation of the imaging parameters. Here, we present a protocol for achieving high-resolution images of hard and soft samples in fluid using SAM-AFM on a commercial instrument. Our goal is to provide a step-by-step practical guide to achieving high-resolution images, including the cleaning and preparation of the apparatus and the sample, the choice of cantilever and optimization of the imaging parameters. For each step, we explain the scientific rationale behind our choices to facilitate the adaptation of the methodology to every user's specific system.

We present a method for achieving sub-nanometer resolution images with amplitude-modulation (tapping mode) atomic force microscopy in liquid. The method is demonstrated on commercial atomic force microscopes. We explain the rationale behind our choices of parameters and suggest strategies for resolution optimization.

Sıvı olarak Genlik modülasyonu Atomik Kuvvet Mikroskobu ile alt nanometre Çözünürlüklü Görüntüleme

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown ...

Liquid-cell Transmission Electron Microscopy for Tracking Self-assembly of Nanoparticles

Drying a nanoparticle dispersion is a versatile way to create self-assembled structures of nanoparticles, but the mechanism of this process is not fully understood. We have traced the trajectories of individual nanoparticles using liquid-cell transmission electron microscopy (TEM) to investigate the mechanism of the assembly process. Herein, we present the protocols used for liquid-cell TEM studies of the self-assembly mechanism. First, we introduce the detailed synthetic protocols used to produce uniformly sized platinum and lead selenide nanoparticles. Next, we present the microfabrication processes used to produce liquid cells with silicon nitride or silicon windows and then describe the loading and imaging procedures of the liquid-cell TEM technique. Several notes are included to provide helpful tips for the entire process, including how to manage the fragile cell windows. The individual motions of nanoparticles tracked by liquid-cell TEM revealed that changes in the solvent boundaries caused by evaporation affected the self-assembly process of nanoparticles. The solvent boundaries drove nanoparticles to primarily form amorphous aggregates, followed by flattening of the aggregates to produce a 2-dimensional (2D) self-assembled structure. These behaviors are also observed for different nanoparticle types and different liquid-cell compositions.

Here we introduce experimental protocols for the real-time observation of a self-assembly process using liquid-cell transmission electron microscopy.

Hücre içi sıvı iletim elektron mikroskobu nano tanecikleri, kendinden montajlı takibi için

Drying a nanoparticle dispersion is a versatile way to create self-assembled structures of nanoparticles, but the mechanism of this process is not fully ...

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new techniques capable of characterizing their dynamics. Investigating single dopants requires sub-nanometer spatial resolution, which motivates the use of scanning tunneling microscopy (STM). However, conventional STM is limited to millisecond temporal resolution. Several methods have been developed to overcome this shortcoming, including all-electronic time-resolved STM, which is used in this study to examine dopant dynamics in silicon with nanosecond resolution. The methods presented here are widely accessible and allow for local measurement of a wide variety of dynamics at the atomic scale. A novel time-resolved scanning tunneling spectroscopy technique is presented and used to efficiently search for dynamics.

We demonstrate an all-electronic method to observe nanosecond-resolved charge dynamics of dopant atoms in silicon with a scanning tunneling microscope.

Tüm elektronik Nanosecond çözüldü tarama tünelleme mikroskobu: tek Dopant şarj Dynamics incelenmesi kolaylaştırılması

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...

Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching

Graphene liquid cell electron microscopy provides the ability to observe nanoscale chemical transformations and dynamics as the reactions are occurring in liquid environments. This manuscript describes the process for making graphene liquid cells through the example of graphene liquid cell transmission electron microscopy (TEM) experiments of gold nanocrystal etching. The protocol for making graphene liquid cells involves coating gold, holey-carbon TEM grids with chemical vapor deposition graphene and then using those graphene-coated grids to encapsulate liquid between two graphene surfaces. These pockets of liquid, with the nanomaterial of interest, are imaged in the electron microscope to see the dynamics of the nanoscale process, in this case the oxidative etching of gold nanorods. By controlling the electron beam dose rate, which modulates the etching species in the liquid cell, the underlying mechanisms of how atoms are removed from nanocrystals to form different facets and shapes can be better understood. Graphene liquid cell TEM has the advantages of high spatial resolution, compatibility with traditional TEM holders, and low start-up costs for research groups. Current limitations include delicate sample preparation, lack of flow capability, and reliance on electron beam-generated radiolysis products to induce reactions. With further development and control, graphene liquid cell may become a ubiquitous technique in nanomaterials and biology, and is already being used to study mechanisms governing growth, etching, and self-assembly processes of nanomaterials in liquid on the single particle level.

Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching

Graphene liquid cell electron microscopy can be used to observe nanocrystal dynamics in a liquid environment with greater spatial resolution than other liquid cell electron microscopy techniques. Etching premade nanocrystals and following their shape using graphene liquid cell Transmission Electron Microscopy can yield important mechanistic information about nanoparticle transformations.

Situ Nanocrystal gravür çalışmaya Graphene sıvı hücre iletim elektron mikroskobu kullanarak

Graphene liquid cell electron microscopy provides the ability to observe nanoscale chemical transformations and dynamics as the reactions are occurring in ...

Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar energy and fuel generation, and electrochemical energy storage. Nanoscale characterization of such interfaces has recently been achieved using cryogenic electron microscopy, thereby providing a new path to advancing our fundamental understanding of interface processes.
This contribution provides a practical guide to mapping the structure and chemistry of solid-liquid interfaces in materials and devices using an integrated cryogenic electron microscopy approach. In this approach, we pair cryogenic sample preparation which allows stabilization of solid-liquid interfaces with cryogenic focused ion beam (cryo-FIB) milling to create cross-sections through these complex buried structures. Cryogenic scanning electron microscopy (cryo-SEM) techniques performed in a dual-beam FIB/SEM enable direct imaging as well as chemical mapping at the nanoscale. We discuss practical challenges, strategies to overcome them, as well as protocols for obtaining optimal results. While we focus in our discussion on interfaces in energy storage devices, the methods outlined are broadly applicable to a range of fields where solid-liquid interface play a key role.

Cryogenic Focused Ion Beam (FIB) and Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques can provide key insights into the chemistry and morphology of intact solid-liquid interfaces. Methods for preparing high quality Energy Dispersive X-ray (EDX) spectroscopic maps of such interfaces are detailed, with a focus on energy storage devices.

Kriyo-Odaklı İyon Işını Frezelemeyi Taramalı Elektron Mikroskobu ve Spektroskopi ile Birleştirerek Sıvı-Katı Arayüzlerinin Nano Ölçekli Karakterizasyonu

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar ...

Studying the Effects of Temperature on the Nucleation and Growth of Nanoparticles by Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy

Temperature control is a recent development that provides an additional degree of freedom to study nanochemistry by liquid cell transmission electron microscopy. In this paper, we describe how to prepare an in situ heating experiment for studying the effect of temperature on the formation of gold nanoparticles driven by radiolysis in water. The protocol of the experiment is fairly simple involving a special liquid cell with uniform heating capabilities up to 100 &#176;C, a liquid-cell TEM holder with flow capabilities and an integrated interface for controlling the temperature. We show that the nucleation and growth mechanisms of gold nanoparticles are drastically impacted by the temperature in liquid cell. Using STEM imaging and nanodiffraction, the evolution of the density, size, shape and atomic structure of the growing nanoparticles are revealed in real time. Automated image processing algorithms are exploited to extract useful quantitative data from video sequences, such as the nucleation and growth rates of nanoparticles. This approach provides new inputs for understanding the complex physico-chemical processes at play during the liquid-phase synthesis of nanomaterials.

Temperature control during liquid-phase electron microscopy experiments opens up new perspectives of studying the dynamic of nanoparticles in liquid environments mimicking their formation or application media. Using recently developed heating liquid cells, we directly observed the influence of temperature on the nucleation and growth processes of gold nanoparticles in water.

Sıvı Hücreli İletim Elektron Mikroskopisi ile Sıcaklığın Nanopartiküllerin Çekirdeklenmesi ve Büyümesi Üzerindeki Etkilerinin Incelenmesi

Temperature control is a recent development that provides an additional degree of freedom to study nanochemistry by liquid cell transmission electron ...

Light-Induced In Situ Transmission Electron Microscopy for Observation of the Liquid-Soft Matter Interaction

The current protocol describes the modifications of the transmission electron microscope (TEM) setup for in situ light-induced observations. A glass optical fiber inserted into the electron column above the objective lens polepiece, and a laser, an adjustable light source, was used to fabricate the device. After the illuminator has been calibrated using an external measuring system, it allows one to adjust the intensity of the lighting to the needs of the observed process. This lighting system was utilized to image antimicrobial photodynamic therapy phenomena, which are currently the subject of intense research. The sample was prepared by spotting a suspension of bacteria on a carbon, graphene, or silicon nitride substrate, blotting the excess solution, spotting the photosensitizer solution, blotting the excess liquid again, and then assembling the liquid cell with a second substrate or graphene film. The process of the imaging experiment itself includes choosing the right place for observation with the use of low magnification and a minimum dose of electrons, and then cyclical activation of the light source to capture subsequent images at specified intervals with the minimum amount of electrons necessary. The electron dose of each exposure and the time and intensity of lighting used need to be carefully recorded due to the complexity of the observed phenomena as, at the same time, the process is both light- and electron-driven. After the actual experiment is performed, additional control observations must be made, in which the same doses of electrons are used but without additional light influence and smaller doses of electrons are used for higher doses of light. This makes it possible to distinguish light-induced microstructural effects from those caused by electrons in both the fields of life and materials science.

Light-Induced In Situ Transmission Electron Microscopy for Observation of the Liquid-Soft Matter Interaction

The present protocol describes transmission electron microscope (TEM) modifications with a light illumination system, the fabrication of liquid cells, and in situ TEM observations of light-induced interactions between bacterial cells and a photosensitizer. The sample preparation methods, electron beam damage, and imaging are also discussed.

Sıvı-Yumuşak Madde Etkileşiminin Gözlemlenmesi için Işık Kaynaklı In Situ İletim Elektron Mikroskobu

The current protocol describes the modifications of the transmission electron microscope (TEM) setup for in situ light-induced observations. A glass ...