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 protokollen gjør det mulig STEM av AuNPs i en væske, herunder observasjon av dynamiske prosesser. Monteringen av holderen er en lett-å-lære teknikken. Imidlertid må flere aspekter vurderes når du arbeider med væskestrømmen TEM holderen. For eksempel kan brutte kantene av Si mikrochip eller store partikler på O-ringene resultere i lekkasje av væske cellen. På den annen side, store partikler (&gt; 200 nm, for eksempel, støv eller Si rusk), kan på den SiN membranen resultere i en øket tykkelse av væske celle, noe som fører til en lav bildekontrast eller til en lav romlig oppløsning og kan også føre SiN vinduer å bryte. Viktigere, kan rester av salt eller andre kjemikalier påvirke utfallet av forsøkene på en uønsket måte. Derfor er det avgjørende at de ulike trinnene i prøveopparbeidelse og holder montering utføres nøye og i et rent og støvfritt miljø. Tykkelsen av væske cell bestemmer den oppnåelige oppløsningen, samt kontrasten av de oppnådde bildene 17. Denne tykkelse kan justeres via avstandsstykker ligger på en av de to Si microchips. Avhengig av dimensjonene av prøven, kan forskjellige tykkelser av væske celle bli realisert. For studiet av AuNPs, er det mulig å bruke små avstandsstykker (200-500 nm), mens hele eukaryote celler trenger større avstandsstykker på opp til 5 um. Tykkelsen av den flytende cellen er ytterligere påvirket av utbuling av syndmembran vinduene som følge av trykkforskjellen mellom væskecellen og det omgivende vakuum. Denne virkning blir mer utpreget med større SiN membran vinduer. Således, for å minimalisere tykkelsen av væske cellen, er det anbefalt å bruke små SiN membran vinduer. I tilfelle er det vanskelig å finne en overlapping mellom to små vinduer, kan de settes sammen i en krysset konfigurasjon ved å bruke en annen base microchip. Alternative konfigurasjoner largely hindre svulmende og består av monolittiske mikrobrikke 18 eller membran vinduer som støttes av søyler 19, men de samlings ulemper angående prøven lasting. En av de mest utfordrende sider ved dagens teknologi er mangelen på nøyaktig kontroll over væsken tykkelse. Ofte er den flytende mye tykkere enn det som er forventet fra avstandslege dimensjonene som brukes, slik det ble vist her. Flere grupper anvendes lukkede væskekamrene 4, 20, 21, 22; disse systemene har noen fordeler med hensyn til romlig oppløsning, som væsken tykkelse kan reduseres ved å fremkalle en boble i væsken. Alternativt kan synden vinduene bli tvunget til å kollapse, noe som fører til en tynnere væske lag. For det tredje finnes kabinettet av andre tynnere vinduer (f.eks graphene) 23, også resulterer i mye tynnere væskerenn hva som er mulig med systemet som beskrives i denne protokollen. Det er imidlertid umulig å strømme væske i disse systemene. Som ved enhver høy oppløsning mikroskopi teknikk, må en rekke eksperimentelle forhold tas i betraktning. Det viktigste er samspillet av elektronstråle med væske eller prøven. I tillegg til stråleskader, noe som begrenser den oppnåelige romlig oppløsning for mange faste prøver 24, blir de væskeprøver også påvirket av elektronstråle-genererte radiolyseprodukter til 15, 25. Siden disse produktene kan påvirke forsøket, forsiktig tolking og eksperimentell design er avgjørende 26. Mikroskopet innstillinger bør velges i henhold til målene i en bestemt studie. ADF STEM er kraftigere for bildenanopartikler av et høyt atomnummer (Z) i større tykkelser av væsken celle, WHIle TEM gir bedre kontrast på lav-Z materialer og er vanligvis raskere men krever tynnere flytende lag 3. I stedet for å bruke den automatiske detektoren, er det lysfelt (BF) detektor noen ganger brukt til å avbilde den flytende cellen, ettersom BF STEM er fordelaktig for avbilding av lav-Z-materiale i tykke lag 27. Med økende tykkelse av væske cellen, blir mer strøm nødvendig. Dette øker imidlertid også konsentrasjonen av radiolyseprodukter og øker stråleskader. Det bør også bemerkes at en inversjon av kontrast observeres i ADM detektor for meget tykke væsker (&gt; 10 um for vann). De flytende betingelser ble endret mellom våre eksperimenter ved å fjerne holderen fra mikroskopet og utveksling av både prøven og væsken. I tillegg til å endre saltkonsentrasjon, er det lett mulig å endre andre egenskaper av væsken ved å strømme i forskjellige væsker (for eksempel kan enbruke bufferløsninger for å sette en bestemt pH 16 eller kan innføre organiske løsninger eller andre tilsetningsstoffer). Det er også mulig å skifte væsken mens holderen fremdeles er satt inn i mikroskopet ved å strømme væske gjennom mikrofluidsystem. Men i dette tilfellet, er det ikke kjent på dette tidspunkt peker væsken i prøven forandres. Det er også verdt å merke seg at mikrobrikker som støtter elektroder er tilgjengelige, så nanoelektrokjemi eksperimenter kan utføres 28. Gjenstander av studien er ikke begrenset til AuNPs i vann, men en lang rekke prøver som kan studeres ved anvendelse av protokollen som er beskrevet ovenfor, inkludert silisiumdioksyd, titanoksyd, og polymerer. Hvis bevegelser av objekter er for rask til å fange i et bilde i oppkjøpet kan viskositeten reduseres med en størrelsesorden ved hjelp av en blanding av 50% glyserol og 50% vann. Fra de nevnte punktene,en rekke fordeler, muligheter, og også ulemper blir tydelige. Når du arbeider med væskefase STEM, de viktigste ulemper å vurdere er at: 1) noen eksperiment er påvirket av det dynamiske samspillet mellom elektronstråle med hele prøven (objektet under observasjon, væsken, og synden membraner); 2) prøvehåndtering er langtekkelig, og det er ofte vanskelig å oppnå et tynt væskelag fordi prøven eller mikrobrikker inneholde noen mikrometer-store partikler; 3) den flytende tykkelse varierer vanligvis i stor grad fra den tiltenkte tykkelsen er fastsatt av avstandsstykket; og 4) romlig oppløsning og kontrast sterkt avhengig av den flytende tykkelse og forskjellen mellom forandringen tettheten av gjenstanden under observasjon og væsken. I dag, rikelig metoder finnes for mikroskopi av objekter i væske med nanometer romlig oppløsning. Elektronmikroskopi i amorf is er en kraftfull teknikk 29,men de involverte eksperimentelle prosedyrer er skjøre, ikke alle forsøkene tillate fremstillingen av prøven i is, og tidsoppløst eksperimenter er umulig. Røntgen mikroskopi 30, 31 kan i prinsippet anvendes, men det har en begrenset romlig oppløsning og ikke er allment tilgjengelig i laboratorier. Atomkraftmikroskopi i væske har blitt etablert, men er en overflate teknikk bare 32, 33, 34, 35. Lysmikroskopi oppviser ikke tilstrekkelig rommessig oppløsning. På det nåværende, elektronmikroskopi i flytende synes den mest kraftfulle teknikk for direkte mikroskopi av nanoskala objekter og prosesser i væske. Væskefase TEM og STEM ennå ikke er rutine analytiske teknikker, men er fortsatt under utvikling. Antallet parametere for å ta i betraktning er betydelig, og det er Often vanskelig å reprodusere eksperimentelle resultater. Videre er kvantitative data vanskelig å oppnå fordi de virkninger under gransking henger sammen med prosesser som skjer som et resultat av elektronstrålen. Protokollen er beskrevet her tar sikte på å standardisere forsøksprotokollen, hvorved sto for alle aktuelle base aspekter av forsøket. Vi håper at denne protokollen vil føre til bedre reproduserbarhet av eksperimentelt arbeid i dette nye feltet.

Konvensjonell Scanning transmisjonselektronmikroskopi (STEM) er begrenset av omfanget av prøver som er egnet for analyse, spesielt de tørre og faste stoffer som er egnet for plassering i et høyvakuum. Men mange vitenskapelige og tekniske spørsmålene gjelder nanoskala materialer og prosesser i flytende miljø. Prøver fullt innebygd i væske kan nå bli studert med STEM bruker et begrep som innebærer en mikrofluidkammer montert i prøveholder for transmisjonselektronmikroskopi (TEM) og STEM en. Denne nyutviklede teknikken har blitt stadig mer populært, da det gir ny innsikt i viktige prosesser i ulike forskningstema, blant annet vekst, oppløsning, og aggregering prosesser av nanopartikler 2, 3, 4, 5, 6. Ikke bare metaller, men også biominerals 7 og biologiske systemer kan studeres 8, 9, 10, 11. Prøven lasting og bildeopptak for væskefase STEM er annerledes enn for STEM av tørre prøver og innebærer en protokoll som krever dedikert trening. Den mikrofluidsystem består av to silisiummikrobrikker bære silisiumnitrid (SiN) membran vinduer transparente for elektronstrålen ved 200 keV energi 12 (se figur 1A). Detaljer om dimensjonene og i håndteringen av disse mikrobrikker kan finnes andre steder 12, 13. Prøven inneholder vanligvis nanoskala stedene. I denne artikkelen observerte vi gull nanopartikler (AuNPs). De AuNPs er immobilisert på toppen vinduet (med hensyn til en nedover tur elektronstråler) eller flyte i væskerid. Nanoskala romlig oppløsning i STEM oppnås ved å skanne elektronstråle over AuNPs og samle overfør spredte elektroner som bruker Ring Mørk Field (ADF) detektor 9. De to mikrobrikker er plassert i en liten spalte i spissen av væskestrømmen TEM holder en (holderen kan brukes i både STEM og TEM, men er henvist til som den TEM holderen). En av de mikrobrikker inneholder et avstandsstykke, slik at et flytende kammer dannes mellom mikrobrikker. O-ringer på begge sider av de to mikrobrikker tilveiebringe vakuum forsegling av væskerommet 13 (se figur 1B). Målet med denne artikkelen er å demonstrere grunnleggende trinnene for utvalg lasting og datainnsamling, slik at interesserte brukere kan finne enkel tilgang til denne nye nye teknikken. Et system er tilgjengelig fra et bestemt selskap benyttes, men protokollen er også gyldig for systemer av andre selskaper. Teknikken ermer kompleks enn konvensjonell TEM og STEM, og en rekke praktiske aspekter må vurderes når du arbeider med en væske holder system 13. Viktigst av alt er å sikre at væskerommet er korrekt montert, og dermed gi et tynt væskesjikt, og en vakuumtetning. Derfor er det meget viktig å arbeide en ren, og for å hindre dannelsen av støv under fremstillingen og sammenstillingen av væskestrømmen TEM holderen. Spesielt O-ringene og de to silisiummicrochips må være fri for urenheter. Selv små partikler av støv på den ene av de mikrobrikker kan forårsake alvorlig øke tykkelsen av den sammenstilte cellen, noe som kan hindre oppnåelsen av en nyttig romlig oppløsning. Et vakuum segl er viktig slik at ingen forurensning eller skade vil bli liggende i elektronmikroskop etter forsøket. Denne protokollen beskriver lasting fremgangsmåten og flere nødvendige tester. Driften av elektronmikroskopet er grei, but det krever noen ekstra skritt i forhold til mikroskopi av faste prøver. Med økende væske tykkelser, er flere elektroner absorberes og spres av væsken; en måling av væske tykkelse er viktig. Til slutt, forklarer den protokoll hvor bildene blir tatt og hvordan dynamisk prosesser kan studeres. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig1.jpg" /> Figur 1: Liquid Flow Cell for Scanning transmisjonselektronmikroskopi (STEM). (A) Skjematisk illustrasjon av den sammenstilte væske cellen. To silisium mikrobrikker med silisiumnitrid (SiN) membran vinduer er plassert mellom to O-ringer. Væsken er innelukket mellom de SiN membranen, og blir således skilt fra vakuumet i elektronmikroskop. En fokusert elektronstråle skanner over prøven. Kontrast oppnås fra spredte elektroner. Gull nanopartikler (AuNPs) er immobilisert inne i væsken på SiN membranen, men kan også bevege seg ivæske. (B) Skjematisk sideriss tverrsnitt av stabelen av to mikrobrikker med O-ringer. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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 fullt innebygd i væske kan studeres på et nanonivå romlig oppløsning med Scanning transmisjonselektronmikroskopi (STEM) ved hjelp av en mikrofluidkammer montert i prøveholder for transmisjonselektronmikroskopi (TEM) og STEM. Den microfluidic systemet består av to silisiummikrobrikker som støtter tynne silisiumnitrid (SiN) membran vinduer. Denne artikkelen beskriver de grunnleggende trinnene for utvalg lasting og datainnsamling. Viktigst av alt er å sikre at væskerommet er korrekt montert, og dermed gi et tynt væskesjikt, og en vakuumtetning. Denne protokollen innbefatter også en rekke tester som er nødvendige for å utføre under prøve lasting for å sikre riktig montering. Når prøven er lastet i elektronmikroskop, må væsken tykkelse skal måles. Uriktig montering kan resultere i en altfor tykk væske, mens en altfor tynn væske kan indikere fravær av væske, for eksempel når en boble blir dannet. Til slutt, protokollenforklarer hvordan bildene er tatt og hvordan dynamiske prosesser kan studeres. En prøve inneholdende AuNPs avbildes både i rent vann og i saltvann.

Væskestrømmen TEM holderen ble benyttet for å studere oppførselen til AuNPs i væske. AuNPs ble stabilt immobilisert på SiN membranen i rent vann og ble fotografert med nanoskala oppløsning ved hjelp av væske-fase STEM (figur 6). Utmerket kontrast ble innhentet på det sterk-spredning gull. Strømtettheten på fosforskjermen målt for en tørr testprøve var 20 pA / cm, mens det utgjorde 8 pA / cm med væskestrømmen TEM holderen satt inn. Ved å bruke ligning 1, t vann = 2,4 ± 0,5 um, mye større enn hva som ble forventet på grunnlag av avstandsstykket tykkelse på 200 nm. Ikke desto mindre er tykkelsen ikke er for store for avbildning av AuNPs med nanometer romlig oppløsning. Væsken tykkelse var tykkere enn 200 nm satt av avstands grunn svulmende av synden membraner, ikke-flathet av mikrobrikker, og rusk bosatt på mikrobrikker. 16, selv om reaktive radiolyseprodukter (e - aq, H •, H +, OH •) som stammer fra interaksjonen av elektronstrålen med vann kan oksydere enkeltgullatomer, som fører til en endring av formen på AuNPs 15. Når imidlertid væskestrømmen system ble anvendt for å innføre klorioner i et andre forsøk ble stabiliteten til AuNPs endret. Kloridioner er i stand til å stabilisere oksyderte gullatomer i form av tetrachloroaureat, AuCl 4 -. Figur 7 viser at AuNPs sakte oppløst i løpet av en STEM bildebehandling time-lapse serie, tilsvarende resultater rapportert tidligere 16. For brukte elektron doseraten, tok ~ 300 s å oppløse de 30 nm-sized AuNPs. Bevegelsene til AuNPs i wate<html> r ble undersøkt i et tredje eksperiment (figur 8). Før eksperimentet, ble væskestrømmen TEM holder renset for å fjerne alle spor av salt. Til forskjell fra det første eksperimentet, ble en alternativ prøveprepareringsfremgangsmåten som brukes for å oppnå en svakere befestigelse av AuNPs til SiN membranen 14. I dette eksperimentet, ble løsningen AuNP plassert på silisium mikrobrikke og satt sammen i væskestrømmen TEM holderen uten å la oppløsningen tørke ut. På denne måten de AuNPs lett løsrevet fra SiN membranen på bildebehandling i dosen som benyttes. Noen av de AuNPs flyttet bort fra synsfeltet til bulk løsninger, mens de resterende AuNPs holdt seg innenfor synsfeltet i umiddelbar nærhet til SiN vinduet. Bevegelser av disse AuNPs ble observert, og til slutt de agglomerert. Etter en stund, disse agglomerater også løsrevet fra SiN membran og flyttet ut av synsfeltet og inn i løsningen. ntent &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig6.jpg" /> Figur 6: Scanning transmisjonselektronmikroskopi (STEM) Micrograph av AuNPs 30 nm i diameter på toppen av en Pure Water Layer. Bildet som vises er et valgt område av det opprinnelige bildet. Bildestørrelsen var 1024 x 1024 piksler, pixel holdetid var 19 mikrosekunder, pikselstørrelse var 0,73 nm, og forstørrelsen var 400,000X. Elektronet dose var dermed 7,1 x 10 4 e - / nm². Strømtettheten målt på fosforskjermen var 8 pA / cm2, slik at den flytende tykkelse ble beregnet til å utgjøre 2,4 um. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig7.jpg" /> Figur 7: Time-lapse-serienav STEM mikrografer av AuNPs i Saline. (AD) Bilder hentet fra time-lapse serie STEM bilder på 30 s intervaller. De AuNPs gradvis oppløses i væsken som følge av tilstedeværelsen av kloridioner. Pikselen dvele tiden var 2 ms, rammen tiden av tid forfalle serien ble 1,75 s, pikselstørrelsen var 0,44 nm, og forstørrelsen var 500,000X. Elektronet dose per bilde var 1,2 x 10 4 e - / nm². Væsken tykkelse var 2,4 mikrometer. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig7large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Figur 8" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig8.jpg" /> Figur 8: STEM Micrograph av AuNPs Flytte i Pure Water. (A) SiN membran med AuNPs, hvorav flere er valgt med piler. (B) Motion sporav de utvalgte AuNPs (se A). Noen AuNPs bevege seg bort fra synsfeltet i den tiden av imaging. De resterende AuNPs bevege seg sideveis langs SiN membran og begynne agglomerering. Når du har nådd et kritisk cluster størrelse, de sende fra membranen og bevege seg bort fra feltet av view.The pixel holdetid ble 1 ms, rammen tiden var 0,52 s, pikselstørrelsen var 1,8 nm, og forstørrelsen var 120,000X. Elektron dose per bilde var 3,5 x 10 2 e - / nm² og væsken tykkelse var 2,4 um. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig8large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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 protokollen beskriver drift av en væskestrøm prøveholder for skanning av transmisjonselektronmikroskopi av AuNPs i vann, som anvendes for observasjon av nanoskala dynamiske prosesser.

Studerer dynamiske prosesser av Nano store objekter i flytende ved hjelp av skanning transmisjonselektronmikroskopi

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

Avslører dynamiske prosesser av materialer i væsker med flytende Cell transmisjonselektronmikroskopi

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

Skanning-probe Single-elektron Kapasitans 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 av Reaction i karbonater Bruke 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 av lysdioder ved en kombinasjon av X-ray computertomografi (CT) og lysmikroskopi (LM) korrelert med Scanning elektronmikroskopi (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 Fresing av karbon nanorør Forests av lavtrykk Scanning elektronmikroskopi

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 av Ultra-finkornet og nanocrystalline materialer Bruke Sende Kikuchi Diffraksjon

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 for å få føljetong Ultrathin deler av mikroorganismer i overføring elektronmikroskop

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

Ett siffer Nanometer elektronstråle Litografi med et avvik-korrigert skanning Transmission 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

Utvikling av en nese-bare innånding toksisitet Test Chamber som gir fire eksponering konsentrasjoner av Nano-størrelse 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 fabrikasjon av asymmetriske tverrligger basert på blandet faset a-VOx