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.

Det beskrivna protokollet möjliggör STEM av AuNPs i en vätska, innefattande observationen av dynamiska processer. Monteringen av innehavaren är en enkel att lära sig tekniken. Dock måste flera aspekter beaktas när man arbetar med vätskeflödet TEM hållare. Exempelvis kan brutna kanter av Si mikrochip eller stora partiklar på O-ringarna resulterar i läckage av den flytande cellen. Å andra sidan, stora partiklar (&gt; 200 nm, t ex damm eller Si skräp) kan på SiN membranet resultera i en ökad tjocklek av den flytande cellen, vilket leder till en låg avbildning kontrast eller till en låg spatial upplösning och kan även orsaka SiN fönster att bryta. Viktigt kan rester av salt eller andra kemikalier påverka resultatet av experimenten på ett oönskat sätt. Därför är det viktigt att de olika stegen av provpreparering och hållarenheten utförs noggrant och i en ren och dammfri miljö. Tjockleken av vätske cell bestämmer den uppnåbara upplösningen, såväl som kontrasten av de erhållna bilderna 17. Denna tjocklek kan justeras via distansorgan belägna på en av de två Si-mikrochips. Beroende på dimensionerna för provet, kan olika tjocklekar av den flytande cellen realiseras. För studier av AuNPs, är det möjligt att använda små distansorgan (200-500 nm), medan hela eukaryota celler behöver större distanser på upp till 5 ^ m. Tjockleken hos den flytande cellen påverkas vidare av utbuktning av de SiN membranfönster som resulterar från tryckskillnaden mellan vätskecellen och den omgivande vakuum. Denna effekt blir mer uttalad med större SiN membranfönster. Således, för att minimera tjockleken hos den flytande cell, är det rekommenderat att använda små SiN membran fönster. I fall det är svårt att hitta en överlappning mellan två små fönster, kan de monteras i en korsad konfiguration med hjälp av en annan bas mikrochip. Alternativa konfigurationer largely förhindra utbuktning och består av en monolitisk mikrochip 18 eller membranfönster stöds av pelare 19, men de uppvisar nackdelar när det gäller provbelastning. En av de mest utmanande aspekterna av den nuvarande tekniken är bristen på exakt kontroll över vätske tjocklek. Ofta är vätskan mycket tjockare än vad som förväntas av distans dimensioner som används, såsom visas här. Flera grupper använde slutna vätskekamrarna 4, 20, 21, 22; dessa system har vissa fördelar vad gäller spatial upplösning, som vätske tjocklek kan reduceras genom att inducera en bubbla i vätskan. Alternativt kan SiN fönstren tvingas att kollapsa, vilket leder till en tunnare vätskeskiktet. För det tredje finns höljet andra tunnare fönster (t.ex. grafen) 23, också resulterar i mycket tunnare vätskorän vad som är möjligt med det system som beskrivs i detta protokoll. Det är emellertid omöjligt att flöda vätskan i dessa system. Som för alla med hög upplösning mikroskopi teknik måste ett antal experimentella aspekter beaktas. Den viktigaste aspekten är interaktionen av elektronstrålen med vätskan eller provet. Förutom strålningsskada, vilket begränsar den uppnåe rumsliga upplösningen för många fasta prover 24, är de flytande proverna påverkas även av elektronstrålegenererade radiolysprodukter 15, 25. Eftersom dessa produkter kan påverka experimentet noggranna tolkning av data och experimentell design är viktiga 26. Inställningarna mikroskop bör väljas i enlighet med målen för en viss studie. ADF STEM är mer kraftfull för avbildning nanopartiklar av ett högt atomnummer (Z) i större tjocklekar i den flytande cellen, while TEM ger bättre kontrast på låg-Z material och är typiskt snabbare men kräver tunnare vätskeskikt 3. Istället för att använda den automatiska dokumentmataren detektorn är Bright Field (BF) detektor används ibland för att avbilda flytande cellen, eftersom BF STEM är fördelaktig för att avbilda låg-Z material i tjocka lager 27. Med ökande tjocklek av vätske cell behövs mer aktuell. Detta ökar emellertid också koncentrationerna av radiolysprodukter och ökar strålningsskada. Det bör också noteras att en omkastning av kontrast observeras i ADF detektor för mycket tjocka vätskor (&gt; 10 ^ m för vatten). De flytande betingelser ändrades mellan våra experiment genom att ta bort hållaren från mikroskopet och utbyta både provet och vätskan. Förutom att ändra saltkoncentrationen, är det lätt möjligt att ändra andra egenskaper hos vätskan genom strömning i olika vätskor (t.ex. har enanvända buffertlösningar i syfte att skapa en viss pH 16 eller kan införa organiska lösningar eller andra tillsatser). Det är också möjligt att ändra vätskan medan hållaren fortfarande sitter i mikroskopet genom att flöda vätskor genom mikroflödessystem. Men i detta fall, är det okänt, vid vilken tidpunkt peka vätskan vid prov förändringar. Det är också värt att notera att mikrochips som stöder elektroderna är tillgängliga, så nanoelektrokemi experiment kan utföras 28. Studieobjekten är inte begränsade till AuNPs i vatten, men kan studeras en stor mångfald av prover med användning av det protokoll som beskrivs ovan, innefattande kiseldioxid, titanoxid, och polymerer. Om rörelser föremålen är för snabbt för att fånga i en bild inom förvärvet kan viskositeten sänkas med en storleksordning genom att använda en blandning av 50% glycerol och 50% vatten. Från ovanstående punkter,ett antal fördelar, möjligheter, och också nackdelar blivit uppenbart. När man arbetar med flytande fas STEM, de viktigaste nackdelarna att tänka på är att: 1) varje experiment påverkas av det dynamiska samspelet av elektronstrålen med hela provet (föremålet under observation, vätskan och SIN membran); 2) provhantering är omständlig, och det är ofta svårt att uppnå ett tunt vätskeskikt, eftersom provet eller de mikrochips innehåller vissa mikrometerstora partiklar; 3) vätske tjocklek skiljer sig vanligtvis till stor del från den avsedda tjockleken bestäms av distans; och 4) rumslig upplösning och skiljer sig starkt beroende av den vätskeformiga tjockleken och skillnaden mellan förändringen täthet hos ett föremål under observation och vätskan. För närvarande finns det gott om metoder för mikroskopi av objekt i vätska med nanometer rumslig upplösning. Elektronmikroskopi i amorf is är en kraftfull teknik 29,men de inblandade experimentella procedurer är känsliga, inte alla experiment tillåter beredning av provet i is, och tidsupplösta experiment är omöjliga. Röntgenmikroskopi 30, kunde 31 i princip användas, men det har en begränsad rumslig upplösning och inte är allmänt tillgängliga i laboratorier. Atomkraftsmikroskopi i vätska har fastställts men är en yta teknik endast 32, 33, 34, 35. Ijusmikroskopi uppvisar inte tillräcklig rumslig upplösning. För närvarande, elektronmikroskopi i flytande verkar mest kraftfulla tekniken för direkt mikroskopi av nanoobjekt och processer i flytande. Flytande fas TEM och STEM är ännu inte rutin analytiska tekniker men är fortfarande under utveckling. Antalet parametrar att ta hänsyn till är avsevärd, och det är often svårt att reproducera experimentella resultat. Dessutom är kvantitativa data svårt att erhålla eftersom effekterna är föremål för undersökningen är sammanflätade med processer som sker som ett resultat av elektronstrålen. Protokollet som beskrivs här syftar till att standardisera den experimentella protokollet, vari redovisning av alla relevanta base aspekter av experimentet. Vi hoppas att detta protokoll kommer att leda till bättre reproducerbarhet av experimentellt arbete i detta framväxande område.

Konventionell Scanning transmissionselektronmikroskopi (STEM) är begränsat av intervallet av prover lämpliga för analys, specifikt de torra och fasta prover som är lämpliga för placering i ett högt vakuum. Men många vetenskapliga och tekniska frågor rör nanomaterial och processer i flytande miljö. Prover fullständigt inbäddade i vätska kan nu studeras med STEM med användning av ett koncept som innebär en mikroflödeskammare monterad i provhållaren för transmissionselektronmikroskopi (TEM) och STEM 1. Denna nyutvecklade tekniken har blivit allt populärare, eftersom det ger nya insikter i viktiga processer i olika forskningsområden, inklusive tillväxt, upplösning och aggregering processer nanopartiklar 2, 3, 4, 5, 6. Inte bara metaller, men också biominerals 7 och biologiska system kan studeras 8, 9, 10, 11. Provet lastning och bild förvärv för flytande fas STEM är annorlunda än för STEM av torra prover och innebär ett protokoll som kräver dedikerade utbildning. Den mikroflödessystem består av två kiselmikrochips som stöder Kiselnitrid (SiN) membran fönster öppna för elektronstrålen vid 200 keV energi 12 (se figur 1A). Närmare uppgifter om de dimensioner och av hanteringen av dessa mikrochips kan hittas någon annanstans 12, 13. Provet innehåller vanligtvis nanoobjekt. I denna uppsats observerade vi guldnanopartiklar (AuNPs). De AuNPs är immobiliserade på det övre fönstret (med avseende på en nedåt reser elektronstråle) eller flyta i flytande tvid. Nanoskala rumsliga upplösningen i STEM erhålls genom avsökning av elektronstrålen över AuNPs och samla sänds spridda elektroner med hjälp av ringformiga mörka fält (ADF) detektor 9. De två mikrochips är placerade i en liten slits i spetsen av vätskeflödet TEM hållaren 1 (hållaren fungerar för både STEM och TEM men benämnes TEM hållaren). En av mikrochips innehåller ett distansorgan, så att en vätskeavdelningen bildas mellan mikrochips. O-ringarna på båda sidor av de två mikrochips ger vakuumförslutning av vätskeavdelningen 13 (se figur 1B). Syftet med denna artikel är att visa de grundläggande stegen för provladdning och datainsamling så att intresserade användare kan finna enkel tillgång till denna framväxande nya tekniken. Ett system tillgängligt från ett visst företag används, men protokollet är också giltiga för system av andra företag. Tekniken ärmer komplex än konventionella TEM och STEM, och ett antal praktiska aspekter måste beaktas när man arbetar med en flytande hållare systemet 13. Viktigast av allt är att säkerställa att vätskeavdelningen är korrekt monterad, vilket ger ett tunt vätskeskikt och en vakuumtätning. Därför är det mycket viktigt att arbeta rent och för att förhindra dammbildning under beredning och montering av vätskeflödet TEM hållare. I synnerhet O-ringarna och två kiselmikrochips måste vara fri från all kontaminering. Även små partiklar av damm på ett av de mikrochips kan allvarligt öka tjockleken på den monterade cellen, vilket kan hindra uppnåendet av en användbar spatial upplösning. En vakuumtätning är viktigt så att ingen kontaminering eller skada kommer att vara kvar i elektronmikroskop efter experimentet. Detta protokoll beskriver laddningsproceduren och flera nödvändiga tester. Driften av elektronmikroskopet är okomplicerad, but det kräver några extra steg jämfört med mikroskopi av fasta prover. Med ökande vätsketjocklekar, fler elektroner absorberas och sprids av vätskan; en mätning av den vätskeformiga tjockleken är väsentlig. Slutligen förklarar protokollet hur bilder tas och hur dynamiska processer kan studeras. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig1.jpg" /> Figur 1: Vätska Flow Cell för skanning transmissionselektronmikroskopi (STEM). (A) Schematisk illustration av den sammansatta vätske cellen. Två kiselmikrochips med kiselnitrid (SiN) membranfönster är placerade mellan två O-ringarna. Vätskan är innesluten mellan den SiN membranet och är således separerade från vakuumet i elektronmikroskop. En fokuserad elektronstråleskanningar över provet. Kontrast erhålls från spridda elektroner. Guldnanopartiklar (AuNPs) immobiliseras inuti vätskan vid SiN membranet men kan även röra sig iflytande. (B) Schematisk sidovy tvärsnitt av stapeln av två mikrochips med O-ringar. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig1large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</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

Prover helt inbäddade i vätska kan studeras på en nanoskala rumsliga upplösning med Scanning transmissionselektronmikroskopi (STEM) med hjälp av en mikroflödeskammare monteras i provhållare för transmissionselektronmikroskopi (TEM) och STEM. Den mikroflödessystem består av två kiselmikrochips som stöder tunna kiselnitrid (SiN) membranfönster. Den här artikeln beskriver de grundläggande stegen för provladdning och datainsamling. Viktigast av allt är att säkerställa att vätskeavdelningen är korrekt monterad, vilket ger ett tunt vätskeskikt och en vakuumtätning. Detta protokoll innehåller också ett antal tester som behövs för att utföra under provladdning för att säkerställa korrekt montering. När provet laddas i elektronmikroskop, behöver den vätskeformiga tjockleken som skall mätas. Felaktig montering kan leda till en alltför tjock vätska, medan en alltför tunn vätska kan tyda på avsaknad av vätska, till exempel när en bubbla bildas. Slutligen protokolletförklarar hur bilder tas och hur dynamiska processer kan studeras. Ett prov innehållande AuNPs avbildas både i rent vatten och i saltlösning.

Vätskeflödet TEM hållare användes för att studera beteendet hos AuNPs i vätska. AuNPs stabilt immobiliserat på SiN membranet i rent vatten och avbildades med nanoskala upplösning med användning av flytande-fas STEM (Figur 6). Utmärkt kontrast erhölls på starkt spridande guld. Strömtätheten på fosforskärmen mätt för ett torrt prov var 20 pA / cm, medan den uppgick till 8 pA / cm med vätskeflödet TEM hållare införas. Användning av ekvation 1, t vatten = 2,4 ± 0,5 | j, m, mycket större än vad som förväntades baserat på distanstjocklek av 200 nm. Icke desto mindre, är tjockleken inte är alltför stor för att avbilda de AuNPs med nanometer rumslig upplösning. Den flytande tjocklek var tjockare än 200 nm bestäms av distans grund av utbuktning av Sin membran, icke-planhet av mikrochips och skräp som bor på mikrochips. 16, även om reaktiva radiolysprodukters (e - aq, H • H +, OH •) med ursprung från interaktionen mellan elektronstrålen med vatten kan oxidera enkla guld atomer, vilket leder till en förändring av formen på AuNPs 15. Men när systemet vätskeflödet användes för att införa kloridjoner i ett andra experiment, stabiliteten hos de AuNPs förändrats. Kloridjoner är i stånd att stabilisera oxiderade guld atomer i form av tetrachloroaureat, AuCl 4 -. Figur 7 visar att AuNPs lösta långsamt under en STEM imaging tidsförlopp serie, liknande resultat rapporterats tidigare 16. För den använda elektron dosering, tog det ~ 300 s för att lösa upp 30 nm-storlek AuNPs. Rörelser AuNPs i wate<html> r studerades i ett tredje experiment (figur 8). Före experimentet, var vätskeflödet TEM hållaren rengöras för att avlägsna alla spår av salt. Som skiljer sig från det första experimentet var en alternativ provberedning metod som används för att uppnå en svagare fastsättning av AuNPs till SiN membranet 14. I detta experiment var den AuNP lösning placerades på kisel mikrochip och monteras i vätskeflödet TEM hållaren utan att låta lösningen torka ut. På detta sätt, de AuNPs lätt lösgöras från SiN membranet vid avbildning vid dosen som används. Några av de AuNPs flyttas bort från synfältet in i bulklösningar, medan de återstående AuNPs förblev inom synfältet i nära anslutning till SiN-fönstret. Transport av dessa AuNPs observerades, och så småningom de agglomererade. Efter ett tag, dessa agglomerat fristående även från SiN membranet och flyttade ut ur synfältet och i lösningen. 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 transmissionselektronmikroskopi (STEM) Micrograph av AuNPs 30 nm i diameter vid toppen av en rent vatten lager. Bilden som visas är ett valt område av den ursprungliga bilden. Bildstorleken var 1,024 x 1024 pixlar, tidspixeluppehålls var 19 ps, pixelstorleken var 0,73 nm, och förstoringen var 400,000X. Elektron dosen var således 7,1 x 10 4 e - / nm². Strömtätheten mätt på fosforskärmen var 8 pA / cm 2, så det flytande tjocklek beräknades uppgå till 2,4 | im. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="figur 7" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig7.jpg" /> Figur 7: Time-lapse-serienstammikrofotografier av AuNPs i Saline. (AD) Bilder extraheras från tidsförlopp serie STEM bilder med 30 s intervaller. De AuNPs gradvis löser sig i vätskan som en följd av närvaron av kloridjoner. Pixel uppehållstid var 2 ^ s, ramtiden för time lapse serien var 1,75 s, pixelstorleken var 0,44 nm, och förstoringen var 500,000X. Elektron dos per bild var 1,2 x 10 4 e - / nm². Den flytande Tjockleken var 2,4 um. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig7large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="Figur 8" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig8.jpg" /> Figur 8: STEM mikroskop av AuNPs Moving i rent vatten. (A) SiN membran med AuNPs, varav flera är valda med pilar. (B) Förslag spårav de valda AuNPs (se A). Vissa AuNPs rör sig bort från synfältet under tiden för avbildning. De återstående AuNPs röra sig i sidled längs SiN membranet och börja att agglomerera. Vid en kritisk klusterstorlek, de sändningarna från membranet och röra sig bort från området view.The pixel uppehållstid var 1 ps, ramtiden var 0,52 s, pixelstorleken var 1,8 nm, och förstoringen var 120,000X. Elektron dos per bild var 3,5 x 10 2 e - / nm² och vätske tjocklek var 2,4 pm. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54943/54943fig8large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</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

Detta protokoll beskriver driften av ett vätskeflöde provhållare för avsökning transmissionselektronmikroskopi av AuNPs i vatten, som användes för observation av nanoskala dynamiska processer.

Studera dynamiska processer av Nano stora objekt i Liquid använder Scanning transmissionselektronmikroskopi

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

Avslöja dynamiska processer av material i vätskor använder flytande Cell transmissionselektronmikroskop

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-sond Single-elektron kapacitans 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-tillstånd avbildning av reaktion i karbonater Använda Synchrotron Snabb 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 Djup Analyser av lysdioder genom en kombination av röntgen Computed Tomography (CT) och ljusmikroskop (LM) korrelerad med svepelektronmikroskop (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 Fräsning av Nanorör skogar Använda Lågtrycks Svepelektronmikroskopi

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

Karaktärisering av ultra finkornig och nanokristallina material att använda 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 metod för att erhålla seriell Ultrathin sektioner av mikroorganismer i transmissionselektronmikroskopi

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

Ensiffriga Nanometer elektronstråle litografi med en Aberration-korrigerade skanning transmissionselektronmikroskop

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

Utveckling av en näsa-bara inandning toxicitet provkammare som ger fyra exponering koncentrationerna av Nano-storlek partiklar

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 ElectronMikroskopi med förspänning och tillverkning av asymmetriska tvärstänger baserade på blandade faser a-VOx