Name: studying dynamic processes of nano-sized objects in liquid using scanning transmission electron microscopy
Uploaded: 2017-02-05T14:00:00
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.

Den beskrevne protokol muliggør STEM af AuNPs i en væske, herunder observation af dynamiske processer. Samlingen af ​​indehaveren er en nem-at-lære teknikken. Dog skal flere aspekter overvejes, når der arbejdes med strømmen TEM holder væske. For eksempel kan brudte kanter af Si mikrochip eller store partikler på O-ringene resultere i lækage af det flydende celle. På den anden side, store partikler (&gt; 200 nm; fx støv eller Si materiale) kan på SiN membran resultere i en forøget tykkelse af det flydende celle, hvilket fører til en lav billeddannelse kontrast eller til en lav rumlig opløsning og endog medføre SiN vinduer til at bryde. Vigtigt er det, kan rester af salt eller andre kemikalier påvirke resultatet af forsøgene på en uønsket måde. Derfor er det afgørende, at de forskellige trin i prøveforberedelse og holder samling udføres omhyggeligt og på et rent og støvfrit miljø. Tykkelsen af ​​den flydende cell bestemmer den opnåelige opløsning, samt kontrasten af de opnåede billeder 17. Denne tykkelse kan justeres via afstandsstykker placeret på en af ​​de to Si mikrochips. Afhængigt af dimensionerne af prøven, kan forskellige tykkelser af det flydende celle realiseres. Til studiet af AuNPs, er det muligt at anvende små afstandsstykker (200-500 nm), mens hele eukaryote celler brug for større afstandsstykker på op til 5 um. Tykkelsen af ​​den flydende celle er yderligere påvirket af udbuling af SiN membran vinduer som følge af trykforskellen mellem væsken celle og den omgivende vakuum. Denne virkning bliver mere udtalt med større SiN membran vinduer. Således, for at minimere tykkelsen af ​​den flydende celle, anbefales det at bruge små SiN membran vinduer. I tilfælde er det vanskeligt at finde en overlapning mellem to små vinduer, kan de samles i en krydset konfiguration under anvendelse af en anden base, mikrochip. Alternative konfigurationer largely forhindre udbuling og består af et monolitisk mikrochip 18 eller membran vinduer understøttet af søjler 19, men disse udviser ulemper vedrørende prøvepåsætning. Et af de mest udfordrende aspekter ved den nuværende teknologi er manglen på præcis kontrol over den flydende tykkelse. Ofte er væsken meget tykkere end hvad der forventes af afstandselementerne dimensioner anvendes, som blev vist her. Flere grupper brugte lukket flydende kamre 4, 20, 21, 22; disse systemer har nogle fordele med hensyn til rumlig opløsning, som den flydende tykkelse kan reduceres ved at inducere en boble i væsken. Alternativt kan SiN vinduer blive tvunget til at bryde sammen, hvilket fører til en tyndere flydende lag. For det tredje, indkapsling af andre tyndere vinduer eksisterer (f.eks graphene) 23, også resulterer i meget tyndere væskerend hvad der er muligt med systemet beskrevet i denne protokol. Det er imidlertid umuligt at flyde væske i disse systemer. Som for enhver høj opløsning mikroskopi teknik, skal en række eksperimentelle aspekter tages i betragtning. Det vigtigste aspekt er samspillet af elektronstrålen med væsken eller prøven. Foruden stråleskader, hvilket begrænser den opnåelige rumlige opløsning for mange faste prøver 24 er de flydende prøver også påvirket af elektronstrålekanoner-genereret Radiolyseprodukterne 15, 25. Da disse produkter kan påvirke forsøget, omhyggelige data fortolkning og eksperimenterende design er afgørende 26. Mikroskopet indstillinger skal vælges i overensstemmelse med målene for en bestemt undersøgelse. ADF STEM er mere kraftfuld for billeddannende nanopartikler af en høj atomnummer (Z) i større tykkelser af det flydende celle, while TEM giver bedre kontrast på lav-Z materialer og er typisk hurtigere, men kræver tyndere flydende lag 3. Stedet for at bruge ADF detektoren er Bright Field (BF) detektor undertiden anvendes til at afbilde det flydende celle, eftersom BF STEM er fordelagtig til afbildning lav-Z materialer i tykke lag 27. Med stigende tykkelse af den flydende celle, er behov for mere strøm. Dette forøger imidlertid også koncentrationerne af Radiolyseprodukterne og øger strålingsskade. Det skal også bemærkes, at en omvending af kontrastmiddel observeres i ADF detektor til meget tykke væsker (&gt; 10 um for vand). De flydende betingelser blev ændret mellem vore forsøg ved at fjerne holderen fra mikroskopet og udveksling både prøven og væsken. Ud over at ændre saltkoncentrationen, er det let muligt at ændre andre egenskaber af væsken ved at strømme i forskellige væsker (f.eks, kan manbruge bufferopløsninger for at sætte en bestemt pH-værdi 16 eller kan indføre økologiske løsninger eller andre tilsætningsstoffer). Det er også muligt at ændre væsken mens holderen stadig er indsat i mikroskopet ved at strømme væsker gennem mikrofluidsystem. Men i dette tilfælde er det ukendt, på hvilket tidspunkt punkt væsken ved prøven ændringer. Det er også bemærkelsesværdigt, at mikrochips understøttende elektroder er tilgængelige, så nanoskala elektrokemi eksperimenter kan udføres 28. Formålene med undersøgelsen er ikke begrænset til AuNPs i vand, men en lang række prøver kan undersøges under anvendelse af protokollen beskrevet ovenfor, herunder silica, titanoxid, og polymerer. Hvis bevægelser af objekter er for hurtigt til at fange i et billede inden købet, kan viskositeten reduceres med en størrelsesorden ved hjælp af en blanding af 50% glycerol og 50% vand. Fra de førnævnte punkter,en række fordele, muligheder, og også ulemper bliver synlige. Når man arbejder med flydende fase STEM, de vigtigste ulemper at overveje, er, at: 1) enhver eksperiment er påvirket af det dynamiske samspil af elektronstrålen med hele prøven (objektet under observation, væsken og Synden membraner); 2) prøvehåndteringen er langsommelig, og det er ofte vanskeligt at opnå et tyndt væskelag, fordi prøven eller mikrochips indeholder nogle mikrometer størrelse partikler; 3) den flydende tykkelse sædvanligvis varierer stærkt fra den tiltænkte tykkelse fastsat af afstandsstykket; og 4) rumlig opløsning og kontrast stærkt afhænge af flydende tykkelsen og forskellen mellem ændringen densiteten af ​​objektet under observation og væsken. I øjeblikket findes der rigelig metoder for mikroskopi af objekter i væske med nanometer rumlig opløsning. Elektronmikroskopi i amorf is er en kraftfuld teknik 29,men de involverede eksperimentelle procedurer er sarte, ikke alle eksperimenter tillader forberedelse af prøven i is, og tid-løst eksperimenter er umulige. Røntgenmikroskopi 30, 31 kunne i princippet anvendes, men det har en begrænset rumlig opløsning og er ikke bredt tilgængelige i laboratorier. Atomic force mikroskopi i væske er blevet fastlagt, men er en overflade teknik kun 32, 33, 34, 35. Lysmikroskopi ikke udviser tilstrækkelig rumlig opløsning. På nuværende, elektronmikroskopi i flydende synes den mest kraftfulde teknik til direkte mikroskopi af nanoskala objekter og processer i væske. Flydende-fase TEM og STEM er endnu ikke rutinemæssige analytiske teknikker, men er stadig under udvikling. Antallet af parametre for at tage i betragtning, er betydelig, og det er oftenn vanskelige at reproducere eksperimentelle resultater. Desuden kvantitative data er vanskeligt at opnå, fordi virkningerne af undersøgelsen er sammenflettet med processer, der forekommer som et resultat af elektronstrålen. Protokollen beskrevet her har til formål at standardisere forsøgsprotokollen, hvorved der tegner sig for alle relevante uædle aspekter af eksperimentet. Vi håber, at denne protokol vil føre til en bedre reproducerbarhed af eksperimentelt arbejde i dette nye område.

Konventionel Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) er begrænset af intervallet af enheder egnede til analyse, specielt de tørre og faste prøver velegnet til placering i et højt vakuum. Men mange videnskabelige og teknologiske spørgsmål vedrører nanoskala materialer og processer i flydende miljø. Prøver fuldt indlejret i flydende kan nu studeres med STEM ved hjælp af et koncept, der indebærer en mikrofluid kammer samlet i prøven holder til Transmission Electron Microscopy (TEM) og STEM 1. Denne nyudviklede teknik er blevet mere og mere populært, da det giver ny indsigt i vigtige processer i forskellige forskningsemner, herunder vækst, opløsning, og aggregeringsprocesser af nanopartikler 2, 3, 4, 5, 6. Ikke kun metaller, men også biominerals 7 og biologiske systemer kan studeres 8, 9, 10, 11. Prøven lastning og erhvervelse billede til væske-fase STEM er anderledes end for STEM af tørre prøver og involverer en protokol, der kræver dedikeret træning. Den mikrofluidsystem består af to silicium mikrochips understøtter siliciumnitrid (SiN) membran vinduer gennemsigtige for elektronstrålen ved 200 keV energi 12 (se figur 1A). Nærmere oplysninger om dimensionerne og håndteringen af disse mikrochips kan findes andre steder 12, 13. Prøven indeholder normalt nanoskala objekter. I dette papir observerede vi guld nanopartikler (AuNPs). De AuNPs immobiliseres øverst vindue (med hensyn til en nedadgående-rejser elektronstråler) eller flyder på liquid. Nanoskala rumlig opløsning i STEM opnås ved scanning elektronstrålen over AuNPs og opsamling transmitterede spredte elektroner ved hjælp den ringformede Mørk Field (ADF) detektor 9. De to mikrochips anbringes i en lille spalte i spidsen af væskestrømningen TEM holder 1 (landbrugeren fungerer tilfredsstillende i både STEM og TEM men omtales som indehaveren af TEM). En af mikrochips indeholder en spacer, således at en flydende rum er dannet mellem mikrochips. O-ringe på begge sider af de to mikrochips giver vakuum forsegling af væskekammeret 13 (se figur 1 B). Formålet med denne artikel er at vise de grundlæggende trin i prøven lastning og dataopsamling, så interesserede brugere kan finde let adgang til denne nye nye teknik. Et system til rådighed fra en bestemt virksomhed er brugt, men protokollen er også gældende for systemer af andre virksomheder. Teknikken ermere kompleks end konventionelle TEM og STEM, og en række praktiske aspekter skal overvejes, når der arbejdes med en væske holder systemet 13. Vigtigst af alt er at sikre, at væskekammeret er korrekt samlet, hvilket således tilvejebringer et tyndt væskelag og et vakuum forsegling. Derfor er det yderst vigtigt at arbejde rent og forhindre dannelsen af ​​støv under fremstillingen og samling af strømningen TEM indehaveren væske. Især O-ringe og de to silicium mikrochips skal være fri for enhver urenhed. Selv små partikler af støv på en af ​​mikrochips kan alvorligt øge tykkelsen af ​​den samlede celle, som kan forhindre, at opnåelsen af ​​en nyttig rumlig opløsning. Et vakuum forsegling er vigtigt, så ingen forurening eller skader vil blive efterladt i elektronmikroskop efter forsøget. Denne protokol beskriver lastning procedure og flere nødvendige tests. Driften af ​​elektronmikroskop er ligetil, but det kræver nogle ekstra trin sammenlignet med mikroskopi af faste prøver. Med stigende flydende tykkelser, flere elektroner absorberes og spredes af væsken; en måling af den flydende tykkelse er afgørende. Endelig forklarer protokollen hvordan billeder taget, og hvordan dynamiske processer kan studeres. <img alt="figur 1" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig1.jpg" /> Figur 1: Flydende flowcelle til scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). (A) Skematisk illustration af den samlede flydende celle. To silicium mikrochips med siliciumnitrid (SiN) membran vinduer er anbragt mellem to O-ringe. Væsken er indesluttet mellem SiN membranen og er således adskilt fra vakuumet i elektronmikroskop. En fokuseret elektronstråle scanner over prøven. Kontrast er fremstillet af spredte elektroner. Guld nanopartikler (AuNPs) immobiliseres inden væsken ved SiN membranen, men kan også bevæge sig ivæske. (B) Skematisk sidebillede tværsnit af stablen af to mikrochips med O-ringe. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig1large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="800">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:408px;">Binocular light microscope</td>
			<td style="width:141px;">Leica</td>
			<td style="width:163px;">M60 CMO</td>
			<td style="width:88px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Scanning transmission electron mircoscope with spherical aberration corrector</td>
			<td>JEOL</td>
			<td>ARM200F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Liquid flow TEM specimen holder</td>
			<td>DENS Solutions</td>
			<td>Ocean</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Microfluidic syringe pump</td>
			<td>Harvard Scientific</td>
			<td>PicoPlus</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Plasma cleaner</td>
			<td>Gatan</td>
			<td>Solarus950</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Chemicals</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Acetone, Rotisolv&#160; Plus for HPLC</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>7328.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Water, chromasolv Plus for HPLC</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>34877-2.5L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Ethanol, Rotisolv HPLC grade</td>
			<td>Carl Roth</td>
			<td>P076.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Gold colloid citrate stabilized, diameter 30 nm</td>
			<td>British-Biocell</td>
			<td>EM.GC20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Materials</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Base silicon microchips with silicon nitride membranes of 50 nm thickness and dimensions of 20 &#181;m x 0.40 mm</td>
			<td>DENS Solutions</td>
			<td>for Ocean system</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Spacer silicon microchips with silicon nitride membranes of 50 nm thickness, dimensions of 20 &#181;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 height="21">
			<td height="21" style="height:21px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Microfluidic peek tubing</td>
			<td>Upchurch Scientific</td>
			<td>1570</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Plastic Replaceable tips Tweezers</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:408px;">(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 height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Teflon coated bent steel tweezers (EMS SA with &#34;PTFE&#34; Coating)</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>78322-7Te</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Teflon coated broad beak steel tweezers (EMS 2A &#34;PTFE&#34; Coating)</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>78322-2ATe</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hamilton syringe, 1 mL, gastight (Model 1001 TLLX SYR)</td>
			<td>Hamilton</td>
			<td>81323</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Clean room tissue Sontara Micropure AP (224x224mm)</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

Prøver fuldt indlejret i flydende kan studeres på nanoskala rumlig opløsning med Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) med en mikrofluid kammer samlet i prøven holder til Transmission Electron Microscopy (TEM) og STEM. Den mikrofluidsystem består af to silicium mikrochips understøtter tynde siliciumnitrid (SiN) membran vinduer. Denne artikel beskriver de grundlæggende trin i prøven lastning og dataopsamling. Vigtigst af alt er at sikre, at væskekammeret er korrekt samlet, hvilket således tilvejebringer et tyndt væskelag og et vakuum forsegling. Denne protokol indeholder også en række tests er nødvendige for at udføre under prøve lastning med henblik på at sikre korrekt montering. Når prøven er lagt i elektronmikroskop, skal måles væsken tykkelse. Ukorrekt montering kan resultere i en alt for tyk væske, mens en for tynd væske kan indikere fravær af væske, såsom når en boble dannes. Endelig protokollenforklarer, hvordan billederne er taget, og hvordan dynamiske processer kan studeres. En prøve indeholdende AuNPs afbildes både i rent vand og i saltvand.

flow TEM Indehaveren væsken blev anvendt til at undersøge opførslen af ​​AuNPs i væske. AuNPs blev stabilt immobiliseret på SiN membran i rent vand og blev afbildet på nanoskala hjælp væske-fase STEM (figur 6). Fremragende kontrast blev opnået på den stærkt-spredning guld. Den strømtæthed på phosphor screen målt for en tør testprøve var 20 pA / cm, mens det udgjorde 8 pA / cm med væskestrømmen TEM holder indsat. Anvendelse af ligning 1, t vand = 2,4 ± 0,5 um, meget større end hvad der var forventet baseret på afstandsstykket tykkelse på 200 nm. Alligevel er tykkelsen ikke er for store til billeddannelse af AuNPs med nanometer rumlig opløsning. Den flydende tykkelse var tykkere end 200 nm fastsat af spacer grund udbuling af SiN membraner, ikke-fladhed af mikrochips, og snavs bosat på mikrochips. 16, selvom reaktive Radiolyseprodukterne (e - aq, H • H +, OH •) med oprindelse fra interaktionen af elektronstråle med vand kan oxidere enkelt guld atomer, fører til en ændring af formen af AuNPs 15. Men når væskeflowet systemet blev anvendt til at indføre chloridioner i et andet eksperiment, stabiliteten af ​​de AuNPs ændret. Chloridioner stand til at stabilisere oxiderede guld atomer i form af tetrachloroaureat, AuCl 4 -. Figur 7 viser, at AuNPs langsomt opløst i en STEM imaging tidsforskudt serie i lighed med resultater rapporteret tidligere 16. For den anvendte elektron dosishastigheden, tog det ~ 300 s til at opløse de 30 nm-sized AuNPs. Bevægelserne af AuNPs i wate<html> R blev undersøgt i et tredje eksperiment (figur 8). Forud for forsøget blev flow TEM holder væsken renses for at fjerne alle spor af salt. Til forskel fra det første forsøg blev en alternativ prøveforberedelse tilgang, der anvendes til at opnå en svagere tilknytning af AuNPs til SiN membranen 14. I dette eksperiment blev AUNP opløsningen placeret på silicium mikrochip og samles i strømmen TEM indehaveren væske uden at lade opløsningen tørre ud. På denne måde, de AuNPs let adskilt fra SiN membranen ved billeddannelse med en dosis, der anvendes. Nogle af AuNPs bevæges bort fra synsfeltet ind i de bulkopløsninger, mens de resterende AuNPs holdt sig inden for synsfeltet i umiddelbar nærhed af vinduet SiN. Bevægelser af disse AuNPs blev observeret, og til sidst de agglomererede. Efter et stykke tid, disse agglomerater også løsrevet fra SiN membranen og flyttede ud af synsfeltet og ind i løsningen. ntent &quot;fo: holde-together.within-side =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig6.jpg" /> Figur 6: Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) Mikrograf af AuNPs 30 nm i diameter på toppen af en Pure Water Layer. Den viste billede er et udvalgt område af det oprindelige billede. Billedstørrelsen var 1.024 x 1.024 pixels, pixel opholdstid var 19 mikrosekunder, pixel størrelse var 0,73 nm, og forstørrelsen var 400,000X. Elektronen dosis var således 7,1 x 10 4 e - / nm². Strømtætheden måles på phosphor screen var 8 pA / cm2, så væsken tykkelse blev beregnet til at udgøre 2,4 um. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig6large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig7.jpg" /> Figur 7: Time-lapse-serienSTEM mikrografier af AuNPs i Saline. (AD) Billeder udvundet af time-lapse serie STEM billeder med 30 s intervaller. De AuNPs gradvist opløses i væsken som følge af tilstedeværelsen af ​​chloridioner. Den pixel opholdstid var 2 mikrosekunder, ramme tidspunktet for tidsforskydningen serien var 1,75 s, pixelstørrelse var 0,44 nm, og forstørrelsen var 500,000X. Elektronen dosis pr billede var 1,2 x 10 4 e - / nm². Den flydende tykkelse var 2,4 um. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig7large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <img alt="Figur 8" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig8.jpg" /> Figur 8: STEM Mikrograf af AuNPs Flytning i rent vand. (A) SiN membran med AuNPs, hvoraf flere er valgt med pile. (B) spor Motionaf de udvalgte AuNPs (se A). Nogle AuNPs bevæge sig væk fra synsfeltet i den tid af billeddannelse. De resterende AuNPs bevæge sig lateralt langs SiN membran og begynde agglomerering. Efter at have nået et kritisk klynge størrelse, de afsendelsen fra membranen og bevæge sig væk fra området visning.Hotellet pixel opholdstid blev 1 mikrosekund, rammen tid var 0,52 s, pixel størrelse var 1,8 nm, og forstørrelsen var 120,000X. Elektronen dosis pr billede var 3,5 x 10 2 e - / nm² og væsken tykkelse 2,4 um. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig8large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</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

Denne protokol beskriver driften af ​​et flow prøveholder væske til scanning transmissionselektronmikroskopi af AuNPs i vand, som anvendes til observation af nanoskala dynamiske processer.

Studere dynamiske processer af Nano-størrelse Objekter i Liquid hjælp Scanning Transmission Electron Microscopy

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

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Afslørende dynamiske processer af materialer i væsker ved brug 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 ...

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-sonde Single-elektron Capacitance spektroskopi

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

Dynamic Pore-scale Reservoir-condition Imaging of Reaction in Carbonates Using Synchrotron Fast Tomography

Dynamisk Pore-skala Reservoir-tilstand Imaging af reaktion i Karbonater Brug Synchrotron Fast Tomography

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve ...

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography (CT) and Light Microscopy (LM) Correlated with Scanning Electron Microscopy (SEM)

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography CT and Light Microscopy LM Correlated with Scanning Electron Microscopy SEM

I Dybde Analyser af lysdioder ved en kombination af X-ray Computed Tomography (CT) og Light Microscopy (LM) korreleret med Scanning Electron Microscopy (SEM)

In failure analysis, device characterization and reverse engineering of light emitting diodes (LEDs), and similar electronic components of ...

Precision Milling of Carbon Nanotube Forests Using Low Pressure Scanning Electron Microscopy

Precision Milling af kulstof nanorør skove Brug Low Pressure Scanning Electron Microscopy

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

Karakterisering af Ultra-finkornede og Nanokrystallinske Materialer Brug Transmission Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

A Method for Obtaining Serial Ultrathin Sections of Microorganisms in Transmission Electron Microscopy

En metode til at indhente seriel ultratynde sektioner af mikroorganismer i transmissions Elektron Mikroskopi

Observing cells and cell components in three dimensions at high magnification in transmission electron microscopy requires preparing serial ultrathin ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

Encifrede Nanometer Electron-Beam litografi med en Aberration-korrigeret Scanning transmissions elektron mikroskop

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...

Development of a Nose-only Inhalation Toxicity Test Chamber That Provides Four Exposure Concentrations of Nano-sized Particles

Udvikling af en næse-only indånding toksicitet testkammeret, der giver fire eksponering koncentrationer af Nano mellemstore partikler

Using a numerical analysis based on computerized fluid dynamics, a nose-only inhalation toxicity chamber with four different exposure concentrations is ...

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

In Situ Transmission Electron Mikroskopi med biasing og fremstilling af asymmetriske overliggere baseret på blandet faset en-VOx