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.

De beschreven protocol laat STEM van AuNPs in een vloeistof, waaronder de waarneming van dynamische processen. De montage van de houder is een makkelijk te leren techniek. Wel moet een aantal aspecten worden overwogen bij het werken met de vloeistofstroom TEM houder. Zo kan gebroken randen van de Si microchip of grote deeltjes op de O-ringen leiden tot lekkage van de vloeistof cel. Anderzijds, grote deeltjes (&gt; 200 nm, bijvoorbeeld stof of Si materiaal) kan de SiN membraan leiden tot een verhoogde dikte van de vloeibaar cel, wat leidt tot een lage imaging contrast of een lage ruimtelijke resolutie en kan zelfs leiden SiN ramen te breken. Belangrijk is dat resten van zout of andere chemicaliën het resultaat van de experimenten invloed op ongewenste wijze. Daarom is het cruciaal dat de verschillende stappen van het monster voorbereiding en houder montage zorgvuldig en in een schone en stofvrije omgeving worden uitgevoerd. De dikte van de vloeibare cell bepaalt de haalbare resolutie en het contrast van de verkregen beelden 17. Deze dikte kan worden aangepast via spacers op een van de twee Si microchips. Afhankelijk van de afmetingen van het monster kunnen verschillende dikten van de cryostaat gerealiseerd. Voor de studie van AuNPs, is het mogelijk om kleine afstandhouders (200-500 nm) gebruikt, terwijl hele eukaryote cellen moeten grotere afstandhouders tot 5 urn. De dikte van de cryostaat wordt verder beïnvloed door de bolling van de SiN membraan ramen gevolg van het drukverschil tussen de cryostaat en het omliggende vacuüm. Dit effect wordt meer uitgesproken met grotere SiN membraan ramen. Aldus teneinde de dikte van de vloeibaar cel te minimaliseren, is het raadzaam om kleine SiN membraan vensters. In geval is het moeilijk te vinden een overlap tussen twee kleine vensters, kunnen ze worden samengesteld in een gekruiste configuratie met een andere base microchip. Alternatieve configuraties largEly voorkomen bolling en bestaan uit een monolitische microchip 18 of membraan vensters ondersteund door pilaren 19, maar die nadelen vertonen met betrekking monster laden. Een van de grootste uitdagingen van de huidige technologie is het gebrek aan precieze controle over de dikte vloeistof. Vaak is de vloeistof veel dikker dan wat wordt verwacht van de afstandhouder afmetingen gebruikt, zoals hier is getoond. Verschillende groepen gebruikt gesloten vloeistofreservoirs 4, 20, 21, 22; Deze systemen hebben een aantal voordelen op het gebied van ruimtelijke resolutie, aangezien de vloeistof dikte worden verminderd door het induceren van een bel in de vloeistof. Alternatief kunnen SiN ramen gedwongen te storten, wat leidt tot een dunnere vloeistoflaag. Ten derde, de behuizing van andere dunner vensters bestaat (bijvoorbeeld grafeen) 23, eveneens resulteert in veel dunnere vloeistoffendan wat mogelijk is met de in dit protocol beschreven systeem. Het is echter onmogelijk om vloeistofstroom in die systemen. Zoals voor elke hoge resolutie microscopie techniek, moet aan een aantal experimentele aspecten worden beschouwd. Het belangrijkste aspect is de interactie van de elektronenbundel met de vloeistof of het monster. Naast stralingsschade, die de haalbare ruimtelijke resolutie voor vele vaste monsters 24 beperkt, worden de vloeistofmonsters ook beïnvloed door elektronen opgewekte radiolyseproducten 15, 25. Aangezien deze producten het experiment van invloed kunnen zijn, een zorgvuldige interpretatie van de gegevens en de experimentele opzet zijn van essentieel belang 26. De microscoop instellingen moeten worden gekozen op basis van de doelstellingen van een bepaalde studie. ADF STEM is krachtiger voor de beeldvorming nanodeeltjes van een hoog atoomnummer (Z) in grotere diktes van de vloeistof cel, whilele TEM geeft een beter contrast op low-Z materialen en is meestal sneller, maar vereist dunner vloeibare lagen 3. In plaats van de ADF detector, wordt de helder- (BF) detector soms gebruikt om beeld de cryostaat, aangezien BF STEM is voordelig voor het afbeelden van lage-Z materialen in dikke lagen 27. Bij toenemende dikte van de cryostaat, wordt meer stroom nodig. Hierdoor neemt echter ook de concentraties van radiolyseproducten en verhoogt stralingsschade. Ook moet worden opgemerkt dat een omkering van contrast waargenomen in de ADF detector dikke vloeistoffen (&gt; 10 urn voor water). De vloeibare voorwaarden werden gewijzigd tussen onze experimenten door het verwijderen van de houder van de microscoop en het uitwisselen van zowel het monster en de vloeistof. Naast het veranderen van de zoutconcentratie, het gemakkelijk mogelijk andere eigenschappen van de vloeistof te veranderen door het laten stromen in verschillende vloeistoffen (bijvoorbeeld, kan eenGebruik bufferoplossingen om een bepaalde pH 16 ingesteld of kunnen organische oplosmiddelen of andere toevoegingen) introduceren. Het is ook mogelijk om de vloeistof te veranderen terwijl de houder nog steeds in de microscoop wordt ingebracht door het laten stromen van vloeistoffen door het microfluïdische systeem. In dit geval is het niet bekend op welk tijdstip de vloeistof bij het monster verandert. Het is ook opmerkelijk dat de microchips ondersteunen van elektroden zijn beschikbaar, dus nanoschaal elektrochemie experimenten kunnen 28 worden uitgevoerd. Het studieobject zijn niet beperkt tot AuNPs in water, maar een groot aantal monsters kan worden onderzocht volgens de hierboven beschreven protocol, zoals siliciumoxide, titaniumoxide en polymeren. Als bewegingen van de objecten te snel te leggen in een beeld in de overname, kan de viscositeit verlaagd met een orde van grootte onder toepassing van een mengsel van 50% glycerol en 50% water. Van de bovengenoemde punten,een aantal voordelen, mogelijkheden en ook nadelen duidelijk geworden. Bij het werken met vloeistoffase STEM, de belangrijkste nadelen te overwegen zijn dat: 1) een experiment wordt beïnvloed door de dynamische interactie van de elektronenbundel met het gehele monster (het waargenomen object, de vloeistof en de SiN membraan); 2) sample handling is vervelend, en het is vaak moeilijk om een ​​dunne vloeistoflaag te bereiken, omdat het monster of de microchips enkele micrometer-deeltjes bevatten; 3) de vloeistof dikte verschilt meestal mede bepaald door de beoogde dikte van de afstandhouder vast te stellen; en 4) de ruimtelijke resolutie en het contrast sterk afhangen van de vloeistof dikte en het verschil tussen de verandering van de dichtheid waargenomen object en de vloeistof. Op dit moment, voldoende methoden bestaan ​​voor de microscopie van objecten in vloeistof met nanometer ruimtelijke resolutie. Elektronenmicroscopie in amorfe ijs is een krachtige techniek 29,maar de betrokken experimentele procedures zijn gevoelig, niet alle experimenten kan de bereiding van het monster in ijs en tijdsopgeloste experimenten mogelijk. Röntgenmicroscopie 30, 31 kunnen in principe worden gebruikt, maar heeft een beperkte ruimtelijke resolutie en is niet algemeen beschikbaar in laboratoria. Atomic force microscopy in vloeistof is vastgesteld, maar is een oppervlakte techniek slechts 32, 33, 34, 35. Lichtmicroscopie niet vertonen voldoende ruimtelijke resolutie. Op het moment elektronenmicroscopie in vloeibare lijkt de meest krachtige techniek voor directe microscopie van nanoschaal voorwerpen en werkwijzen in vloeistof. Vloeistoffase TEM en STEM zijn nog niet routine analytische technieken, maar zijn nog in ontwikkeling. Het aantal parameters rekening te houden is aanzienlijk en is often moeilijk te reproduceren experimentele resultaten. Bovendien kwantitatieve gegevens moeilijk te verkrijgen omdat de effecten onderzochte verweven zijn met processen die zich voordoen als gevolg van de elektronenbundel. De hier beschreven protocol beoogt de experimentele protocol standaardiseren, waardoor waarbij voor alle relevante aspecten basis van het experiment. We hopen dat dit protocol zal leiden tot een betere reproduceerbaarheid van experimenteel werk op dit nieuwe terrein.

Conventionele Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) wordt beperkt door het bereik van monsters geschikt voor analyse, in het bijzonder de droge en vaste monsters geschikt voor plaatsing in een hoog vacuüm. Echter, veel wetenschappelijke en technologische vragen hebben betrekking op nanoschaal materialen en processen in vloeibare omgeving. Monsters volledig geïntegreerd in vloeistof kan nu worden bestudeerd STEM wijze het begrip dat een microfluïde kamer gemonteerd in de monsterhouder Transmissie Elektronen Microscopie (TEM) en bèta 1 omvat. Deze nieuw ontwikkelde techniek wordt steeds populairder, omdat het nieuwe inzicht in belangrijke processen diverse onderzoeks- onderwerpen, zoals de groei, ontbinding, en aggregatie van nanodeeltjes 2, 3, 4, 5, 6. Niet alleen metalen, maar ook Biominerals 7 en biologische systemen kunnen worden bestudeerd 8, 9, 10, 11. Het monster laden en beeldopname voor vloeistoffase STEM anders is dan voor de bèta van de droge monsters en omvatten een protocol dat speciale training nodig. De microfluïdische systeem bestaat uit twee silicium microchips ondersteunende Silicon nitride (SiN) membraan vensters transparant voor de elektronenbundel 200 keV energie 12 (zie figuur 1A). Details over de afmetingen en de behandeling van deze microchips kunnen elders worden gevonden 12, 13. Het monster bevat meestal nanoschaal objecten. In dit artikel zagen we goud nanodeeltjes (AuNPs). De AuNPs worden geïmmobiliseerd op het bovenste venster (ten opzichte van een neerwaartse-reizen elektronenstraal) of drijven in het vloeibare zeeID kaart. Nanoschaal ruimtelijke resolutie in STEM wordt verkregen door het scannen van de elektronenbundel over de AuNPs en het verzamelen van uitgezonden verstrooide elektronen met behulp van de ringvormige Dark Field (ADF) detector 9. De twee microchips worden in een kleine opening in de punt van de vloeistofstroom TEM houder 1 (de houder werkt zowel bèta en TEM maar wordt aangeduid als de houder TEM). Een van de microchips bevat een afstandhouder zodat een vloeistofkamer wordt gevormd tussen de chips. O-ringen aan weerszijden van de twee chips verschaffen vacuümafdichting van de vloeistofkamer 13 (zie figuur 1B). Het doel van dit artikel is om de basisstappen van het monster het laden en data-acquisitie te tonen, zodat geïnteresseerde gebruikers eenvoudig toegang tot deze opkomende nieuwe techniek kan vinden. Een systeem verkrijgbaar bij een specifiek bedrijf wordt gebruikt, maar het protocol ook voor systemen van andere bedrijven. De techniek iscomplexer dan conventionele TEM en STEM en een aantal praktische aspecten moeten worden overwogen bij het werken met een vloeibaar houdersysteem 13. Het allerbelangrijkste is dat de vloeistofkamer correcte montage, waardoor een dunne vloeistoflaag en een vacuüm afdichting. Daarom is het zeer belangrijk om netjes werken en stofvorming tijdens de voorbereiding en montage van de vloeistofstroom TEM houder te voorkomen. Met name de O-ringen en twee silicium chips nodig vrij van verontreinigingen zijn. Zelfs kleine stofdeeltjes op een van de microchips kan ernstig de dikte van de geassembleerde cel die het bereiken van een bruikbare ruimtelijke resolutie kan voorkomen verhogen. Een vacuümafdichting is belangrijk, zodat geen vervuiling of beschadiging zal worden achtergelaten in de elektronenmicroscoop na het experiment. Dit protocol beschrijft het laden procedure en een aantal noodzakelijke tests. De werking van de elektronenmicroscoop is eenvoudig, but het vereist enige extra stappen in vergelijking met microscopie van vaste monsters. Met toenemende dikte vloeistof worden meerdere elektronen geabsorbeerd en verstrooid door de vloeistof; een meting van de vloeistof dikte essentieel. Tenslotte het protocol uitgelegd hoe beelden worden genomen en hoe dynamische processen kunnen worden bestudeerd. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig1.jpg" /> Figuur 1: Liquid Flow Cell voor Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). (A) Schematische weergave van de samengestelde vloeistof cel. Twee silicium microchips met Silicon Nitride (SiN) membraan vensters zijn tussen twee O-ringen. De vloeistof is opgesloten tussen het SiN membraan en wordt dus gescheiden van het vacuüm in de elektronenmicroscoop. Een gerichte elektronenbundel scans over het monster. Contrast wordt verkregen uit verstrooide elektronen. Gouden nanodeeltjes (AuNPs) worden geïmmobiliseerd binnen de vloeistof bij het SiN membraan maar kan ook bewegen in devloeistof. (B) Schematische zijaanzicht dwarsdoorsnede van de stapel twee microchips met O-ringen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</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

Monsters volledig geïntegreerd in vloeistof kan worden bekeken op nanoschaal ruimtelijke resolutie met Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) met een microfluïde kamer gemonteerd in de monsterhouder Transmissie Elektronen Microscopie (TEM) en STEM. De microfluïdische systeem bestaat uit twee silicium chips ondersteunen dunne silicium nitride (SiN) membraan ramen. Dit artikel beschrijft de basisstappen van het monster het laden en data-acquisitie. Het allerbelangrijkste is dat de vloeistofkamer correcte montage, waardoor een dunne vloeistoflaag en een vacuüm afdichting. Dit protocol bevat ook een aantal tests die nodig zijn om uit te voeren tijdens monster laden om een ​​correcte montage te garanderen. Zodra het monster in de elektronenmicroscoop wordt geplaatst, de vloeistof dikte moet worden gemeten. Verkeerde montage kan resulteren in een te dikke vloeistof, terwijl een te dun vloeibare afwezigheid van vloeistof, bijvoorbeeld wanneer een luchtbel wordt gevormd kunnen wijzen. Ten slotte is het protocoluitgelegd hoe beelden worden opgenomen en hoe dynamische processen kunnen worden bestudeerd. Een monster dat AuNPs wordt afgebeeld, zowel in zuiver water en in een zoutoplossing.

De stroom TEM houder vloeistof werd gebruikt om het gedrag van AuNPs in vloeibare bestuderen. AuNPs werden stabiel geïmmobiliseerd op het SiN membraan zuiver water en werden afgebeeld met nanoschaal resolutie met behulp van vloeistoffase STEM (figuur 6). Uitstekend contrast werd verkregen op de sterk verstrooiende goud. De huidige dichtheid op het fosforscherm gemeten voor een droge monster was 20 Pa / cm², terwijl het bedrag van 8 pA / cm² met de vloeistofstroom TEM houder geplaatst. Gebruik Vergelijking 1, t = water 2,4 ± 0,5 pm, veel groter dan wat werd verwacht op basis van de afstandhouder dikte van 200 nm. Niettemin is de dikte niet te groot voor de beeldvorming van de AuNPs met nanometer ruimtelijke resolutie. De vloeistof dikte was dikker dan 200 nm door de afstandhouder ingesteld door bolling van de SiN membranen, niet-vlakheid van de microchips en vuil die zich op de microchips. 16, hoewel reactieve radiolyseproducten (e - AQ, H •, H +, OH •) afkomstig van de interactie van de elektronenbundel met water kan oxideren enkele gouden atomen, leidt tot een vormverandering van de AuNPs 15. Echter, wanneer de vloeistofstroom werd gebruikt om chloride-ionen te voeren in een tweede experiment werd de stabiliteit van de AuNPs veranderd. Ionen zijn kan stabiliseren geoxideerd goud atomen in de vorm van tetrachloroaureat, AuCl 4 -. Figuur 7 toont dat de AuNPs loste langzaam gedurende een STEM beeldvorming time-lapse reeks Soortgelijke resultaten eerder 16 vermeld. Voor de gebruikte elektronen dosering, het duurde ~ 300 s naar de 30 nm-sized AuNPs ontbinden. De bewegingen van AuNPs in wate<html> r werden bestudeerd in een derde experiment (Figuur 8). Voorafgaand aan het experiment werd de stroming TEM houder vloeistof gereinigd om alle sporen van zout te verwijderen. Verschilt van het eerste experiment, werd een alternatieve monstervoorbereiding benadering een zwakkere hechting van de AuNPs de SiN membraan 14 bereikt. In dit experiment werd de oplossing AuNP op de silicium chip geplaatst en geassembleerd in de vloeistofstroom TEM houder zonder dat de oplossing uitdrogen. Zo de AuNPs gemakkelijk los van de SiN membraan aan beeldvorming met een dosis gebruikt. Enkele AuNPs afgestapt van het gezichtsveld in de bulk oplossing, terwijl de overige AuNPs binnen het gezichtsveld bleef dicht bij het venster SiN. Het verloop van deze AuNPs werden waargenomen, en uiteindelijk geperst ze. Na een tijdje, deze agglomeraten ook los van de SiN membraan en verhuisd van het gezichtsveld en in de oplossing. ntent &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="figuur 6" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig6.jpg" /> Figuur 6: Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) Deze coupe van AuNPs 30 nm in diameter op de Top van een zuiver water Layer. De getoonde afbeelding is een geselecteerd gebied van de originele afbeelding. Het beeldformaat is 1024 x 1024 pixels, de pixel verblijftijd was 19 microseconden, de pixelgrootte was 0,73 nm, en de vergroting was 400,000X. Het elektron dosis was dus 7,1 x 10 4 e - / Nm². De stroomdichtheid gemeten bij het fosforscherm was 8 pA / cm 2, zodat de vloeistof dikte werd berekend bedraagt 2,4 urn. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 7" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig7.jpg" /> Figuur 7: Time-lapse-serievan STEM Microfoto van AuNPs in Saline. (AD) Beelden geëxtraheerd uit de time-lapse serie STEM beelden op 30 s intervallen. De AuNPs geleidelijk oplossen in vloeistof als gevolg van de aanwezigheid van chloride-ionen. De pixel verblijftijd was 2 microseconden, het frame tijd van de time lapse serie werd 1,75 s, de pixelgrootte was 0,44 nm, en de vergroting was 500,000X. Het elektron dosis per beeld was 1,2 x 10 4 e - / Nm². De vloeistof dikte was 2,4 urn. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig7large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="Figuur 8" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig8.jpg" /> Figuur 8: STEM Micrograaf van AuNPs Bewegen in zuiver water. (A) SiN membraan met AuNPs, waarvan verscheidene zijn geselecteerd met pijlen. (B) Motion tracksvan de geselecteerde AuNPs (zie A). Sommige AuNPs verder van het gezichtsveld in de tijd van beeldvorming. De resterende AuNPs bewegen zijdelings langs het SiN membraan en beginnen agglomereren. Bij het bereiken van een kritische cluster grootte, zij verzenden van het membraan en verder weg van het gebied van view.The pixelverblijftijd werd 1 microseconde is het frame bedroeg 0,52 s, de pixelgrootte was 1,8 nm, en de vergroting was 120,000X. Het elektron dosis per beeld was 3,5 x 10 2 e - / Nm² en de vloeistof dikte 2,4 micrometer. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig8large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</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

Dit protocol beschrijft de werking van een vloeistofstroom monsterhouder voor het scannen van transmissie elektronenmicroscopie van AuNPs in water, zoals gebruikt voor de observatie van nanoschaal dynamische processen.

Het bestuderen van dynamische processen van Nano-sized Objecten in Vloeistof met behulp van 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

Onthulling dynamische processen van de grondstoffen in vloeistoffen met behulp van vloeibare Cell Transmissie Elektronen Microscopie

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-probe Single-electron Capaciteit Spectroscopie

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

Dynamische Pore schaal Reservoir voorwaarde beeldvorming van Reaction in carbonaten met 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

In detail Analyses LEDs door een combinatie van X-ray Computed Tomography (CT) en lichtmicroscopie (LM) gecorreleerd met 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

Precisie Frezen van koolstof nanobuis Bossen Met behulp van 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 van Ultra-fijnkorrelige en nanokristallijne materialen met behulp van 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

Een methode voor het verkrijgen van seriële uiterst dunne secties van micro-organismen in transmissie-elektronenmicroscopie

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

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography met aberratie-gecorrigeerde scannen transmissie elektronenmicroscoop

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

Ontwikkeling van een neus-alleen inademing toxiciteit testkamer waarmee vier blootstellingsconcentraties voor de Nano-sized deeltjes

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 Microscopy met biasing en fabricage van asymmetrische dwarsbalken op basis van gemixte a-VOx