Name: studying dynamic processes of nano-sized objects in liquid using scanning transmission electron microscopy
Uploaded: 2017-02-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 29 s
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We thank E. Arzt for his support through INM. The research was in part supported by the Leibniz Competition 2014.

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	<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.

記載されているプロトコルは、動的プロセスの観察を含め、液体中にAuNPsのSTEMを可能にします。ホルダーの組み立てが容易に習得できる技術です。液体流TEMホルダーで作業する場合しかし、いくつかの側面を考慮しなければなりません。例えば、Oリング上のSiマイクロチップや大きな粒子の壊れたエッジは、液晶セルの漏れが生じることがあります。一方、大きな粒子（&gt; 200nmで、 例えば、埃やSiの破片）のSiN膜上には、低イメージング造影または低空間分解能につながる、液晶セルの厚さが増加をもたらす可能性があっても発生することがありこのSiN窓が破壊します。重要なことには、塩または他の化学物質の残留物は、望ましくない方法での実験の結果に影響を及ぼし得ます。したがって、試料調製及びホルダアセンブリの異なるステップを慎重かつ清潔で埃のない環境で行われることが重要です。 液体CEの厚さllが達成可能な解像度だけでなく、得られる画像17のコントラストを決定します。この厚さは、2つのSiマイクロチップの上に配置さのスペーサーを介して調整することができます。試料の寸法に応じて、液晶セルの異なる厚さを実現することができます。全体の真核細胞は、最大5ミクロンの大きなスペーサを必要としながら、AuNPsの研究のために、小さいスペーサー（200-500 nm）を使用することが可能です。液晶セルの厚さは、さらに液晶セルと周囲の真空との圧力差から生じたSiN膜の窓の膨らみによって影響されます。この効果は大きいのSiN膜の窓でより顕著になります。したがって、液晶セルの厚さを最小限にするためには、小のSiN膜の窓を使用することが推奨されます。ケースでは、2つの小さな窓の間の重複を見つけることは困難であり、それらは、異なるベースのマイクロチップを用いて、交差した構成で組み立てることができます。代替構成のラーグエリー膨らみ防止し、試料ローディングに関する柱19が、これらの展示欠点でサポートされているモノリシックマイクロチップ18または膜の窓から構成されています。現在の技術の最も困難な側面の一つは、液体の厚さの正確な制御の欠如です。ここに示されたように、多くの場合、液体は、使用されるスペーサの寸法から予想されるものよりもはるかに厚いです。いくつかのグループは、閉じた液室4、20、21、22を用います。これらのシステムは、液体の厚さは、液体中に気泡を誘導することによって減少させることができるように、空間分解能に関するいくつかの利点を有します。また、このSiN窓は薄い液体層につながる、崩壊するように強制することができます。また、はるかに薄い液体が得られる第三に、他のシンナーのウィンドウの筐体が存在する（ 例えば、グラフェン）23、このプロトコルに記載されているシステムで可能なものより。しかし、これらのシステム内の液体を流すことができません。 任意の高解像度顕微鏡技術に関しては、実験的な側面の数が考慮されなければなりません。最も重要な側面は、液体又は試料と電子ビームとの相互作用です。多くの固体試料24のために達成可能空間分解能を制限する放射線損傷に加えて、液体試料も電子線発生放射線分解産物15、25によって影響されます。これらの製品は、実験に影響を与える可能性があるため、慎重なデータの解釈および実験設計は26不可欠です。顕微鏡の設定は、特定の研究の目的に応じて選択すべきです。 ADF STEMは、WHIの液体セルのより大きな厚さの高い原子番号（Z）のイメージングナノ粒子のためのより強力ですルTEMは、低Z材料に良好なコントラストを与え、典型的には高速ですが、薄い液体層3を必要とします 。代わりにADF検出器を使用するBFステムは厚い層27における低Z材料を画像化するのに有利であるため、明視野（BF）検出器は、時々 、画像を液晶セルに使用されます。液晶セルの厚さの増加に伴って、より多くの電流が必要です。しかし、これはまた、放射線分解生成物の濃度を増加させ、放射線損傷を増加させます。また、コントラストの反転は非常に厚い液体（水用&gt; 10μm）のためのADF検出器で観測されることに留意すべきです。 液体の条件は、顕微鏡からホルダーを除去し、サンプルと液体の両方を交換することによって、私たちの実験の間で変更されました。塩濃度を変化させることに加えて、 例えば、一つは、（別の液体中を流れることにより、液体の他の特性を変更することが容易に可能です特定のpHは16を設定するために緩衝液を使用するか、または有機溶液または他の添加剤）を導入することができます。ホルダがまだマイクロ流体システムを通して液体を流すことによって、顕微鏡に挿入されている間に液体を変更することも可能です。しかしながら、この場合には、試料の変化で液体を指し、その時点では不明です。電極を支持するマイクロチップが使用可能であることにも注目すべきであるので、ナノスケールの電気化学実験は、28を行うことができます。 この研究の目的は、水にAuNPsに限定されず、試験片の多種多様なシリカ、酸化チタン、およびポリマーを含む、上述のプロトコルを使用して研究することができます。オブジェクトの動きは、取得中に画像に取り込むことが速すぎる場合には、粘度は、50％グリセロール及び50％水の混合物を使用して一桁低減することができます。 上記の点から、多くの利点は、可能性が、また欠点が明らかになる。 1）任意の実験は、試料全体（被測定物、液体、及びSiN膜）を用いて電子ビームの動的相互作用の影響を受けている;：液相STEMで作業する場合、考慮すべき最も重要な欠点があること2）試料の取り扱いが面倒であり、サンプルまたはマイクロチップは、いくつかのマイクロメートルサイズの粒子を含むため、薄い液体層を達成することはしばしば困難です。 3）液体の厚さは、通常、スペーサーによって設定された意図された厚さから大きく異なります。そして4）空間分解能とコントラストが強く、液体の厚さと観察し、液体中の物体の変化密度の違いに依存します。 現在、十分な方法は、ナノメートルの空間分解能で液体内のオブジェクトの顕微鏡検査のために存在します。アモルファス氷中の電子顕微鏡は、強力な技術で29ですしかし、関与する実験手順は、すべての実験は、氷のサンプルの調製を可能にし、時間分解実験は不可能であり、繊細です。 X線顕微鏡30、31は、原理的には使用することができるが、それは限られた空間分解能を有し、実験室で広く利用可能ではありません。液体中の原子間力顕微鏡は、確立されたが、表面技術、32、33、34、35であるれています。光学顕微鏡は、十分な空間分解能を示しません。現時点では、液体中の電子顕微鏡は、液体中のナノスケールのオブジェクトおよびプロセスの直接顕微鏡検査のための最も強力な技術です。 液相TEMとSTEMはまだルーチン分析技術ではありませんが、まだ開発されています。考慮すべきパラメータの数は相当であり、ofteあります実験結果を再現するn個難しいです。調査中の効果は、電子ビームの結果として生じるプロセスに絡み合っているため、また、定量的なデータを得ることが困難です。ここで説明するプロトコルは、それによって、実験のすべての関連するベース側面を占め、実験プロトコルを標準化することを目指しています。私たちは、このプロトコルは、この新興分野での実験作業のより良い再現性につながることを願っています。

従来の走査型透過電子顕微鏡（STEM）は、分析のための適切な標本、高真空中に配置するのに適し、特に乾燥した固体試料の範囲によって制限されます。しかし、多くの科学技術の質問は、液体環境中のナノスケール材料とプロセスに関するものです。完全に液体中に埋め込まれたサンプルは、現在透過型電子顕微鏡（TEM）およびSTEM 1用試料ホルダーに組み立てられたマイクロ流体チャンバを含む概念を用いてSTEMを用いて研究することができます。それが成長、溶解、およびナノ粒子が2、3、4、5の凝集プロセス、6を含む様々な研究トピックの重要なプロセス、に新たな洞察を提供し、この新たに開発された技術は、ますます人気となっています。のみならず、金属はなく、biominerals 7および生物学的システムは図8、 図9、図 10、 図11を検討することができます。液相STEM用のサンプル負荷と画像取得は、乾燥試料のSTEMよりも異なり、専用の訓練を必要とするプロトコルを伴います。 マイクロ流体システムは、（ 図1A参照）、エネルギー12の200 keVの時の電子ビームのための透明な窒化シリコン（SiN）からの膜ウィンドウをサポートする2つのシリコンマイクロチップで構成されています。寸法のこれらのマイクロチップの取り扱いの詳細については、他の場所で12、13見つけることができます。サンプルは、通常、ナノスケールのオブジェクトが含まれています。本稿では、金ナノ粒子（AuNPs）を観察しました。 AuNPsは、（下向きの電子ビーム走行に関して）トップウィンドウで、またはフロートliquに固定化されていますID。 STEMにおけるナノスケールの空間分解能はAuNPsにわたって電子ビームを走査し、環状暗視野（ADF）検出器9を用いて送信散乱電子を収集することによって得られます。 2マイクロチップは、液体流TEMホルダ1（ホルダSTEM及びTEMの両方のために動作するが、TEMホルダとも呼ばれる）の先端に小さなスロットに配置されています。液体区画は、マイクロチップとの間に形成されるように、マイクロチップの一つは、スペーサーが含まれています。 2マイクロチップの両側にOリング（ 図1B参照 ）、液体室13の真空シールを提供します。 この記事の目的は、興味のあるユーザーは、この新興の新しい技術への容易なアクセスを見つけることができるようにサンプルローディングとデータ収集の基本的な手順を示すことです。特定の会社から入手可能なシステムが使用されるが、このプロトコルは、他の企業のシステムに対して有効です。技術であります液体容器システム13を操作する場合より、従来のTEMとSTEMよりも複雑で、かつ実用的な側面の数が考慮されなければなりません。すべての最も重要なのは、液体区画が正しく、したがって、薄い液体層と真空シールを提供し、組み立てられることを保証することです。したがって、きれいに動作し、液体流TEMホルダの製造および組立中に粉塵の形成を防止するために極めて重要です。具体的には、Oリングと2つのシリコンマイクロチップは、すべての汚染がないことが必要です。マイクロチップの上のほこりの小さな粒子がひどく有用空間分解能の達成を防止することができる組電池の厚さを増加させることができます。何の汚れや損傷が実験後、電子顕微鏡に残されないように真空シールが重要です。このプロトコルは、ロード手順といくつかの必要なテストを説明しています。電子顕微鏡の操作は簡単であり、BUそれは固体試料の顕微鏡に比べていくつかの追加の手順が必要ですtは。液体の厚さの増加に伴って、より多くの電子が吸収され、液体により散乱します。液体の厚さの測定が不可欠です。最後に、プロトコルは、画像が取得され、どのように動的プロセスを研究することができる方法について説明します。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig1.jpg" /> 図1：走査型透過電子顕微鏡（STEM）のための液体フローセル。 （A）組み立てられた液晶セルの模式図。窒化ケイ素（SiN）から膜の窓を有する2つのシリコンマイクロチップは、2つのOリングとの間に配置されています。液体は、このSiN膜との間に封入されているので、電子顕微鏡の真空から分離されます。サンプルの上に集束電子ビームを走査します。コントラストが散乱電子から得られます。金ナノ粒子（AuNPs）は、このSiN膜で液体内に固定化されているだけでなく、中に移動することができます液体。 （B）のOリングを有する2つのマイクロチップのスタックの概略側面断面図。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54943/54943fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

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

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

完全に液体中に埋め込まれたサンプルを透過型電子顕微鏡（TEM）およびSTEM用試料ホルダーに組み立てられたマイクロ流体チャンバーを用いて走査型透過電子顕微鏡（STEM）でナノスケールの空間分解能で調べることができます。マイクロ流体システムは、薄い窒化シリコン（SiN）からの膜ウィンドウをサポートする2つのシリコンマイクロチップで構成されています。この記事では、サンプルローディングとデータ収集の基本的な手順を説明します。すべての最も重要なのは、液体区画が正しく、したがって、薄い液体層と真空シールを提供し、組み立てられることを保証することです。このプロトコルは、正確な組み立てを確実にするために、サンプルローディング時実行するために必要なテストの数を含みます。試料を電子顕微鏡にロードされると、液体の厚さを測定する必要があります。あまりに薄い液体は、気泡が形成されている場合のように、液体が存在しないことを示すかもしれないが、誤ったアセンブリは、あまりにも厚い液体をもたらすことができます。最後に、プロトコル画像が取得され、どのように動的プロセスを研究することができる方法について説明します。 AuNPsを含む試料は、純水および生理食塩水の両方で画像化されます。

液体流TEMホルダは、液体中にAuNPsの挙動を研究するために使用しました。 AuNPsを安定純水でのSiN膜上に固定化し、液相STEM（ 図6）を使用して、ナノスケールの分解能で画像化しました。優れたコントラストが強く散乱金で得られました。それが挿入された液体流TEMホルダーで8 PA / cm 2でに達しながら、乾燥試験サンプルについて測定し、蛍光体スクリーン上の電流密度は、20 PA / cm 2でした。 200nmのスペーサの厚さに基づいて予想されたものよりもはるかに大きい式1、T 水 = 2.4±0.5μmで、使用。それにもかかわらず、厚さがナノメートルの空間分解能でAuNPsのイメージングのための大きすぎません。液体厚さが原因でマイクロチップ上に存在するのSiN膜、マイクロチップの非平坦性、および破片の膨らみにスペーサーによって設定さ200nmよりも厚かったです。 - 水溶液 、H•、H +、•OH E）と電子ビームの相互作用から生じる反応性放射線分解生成物があるが、純水の場合= &quot;1&quot;&gt;ページをther.within、AuNPsは、16を撮像する時にその形状を維持します水はAuNPs 15の形状の変化につながる、単一の金原子を酸化することができます。しかし、液体のフローシステムは、第2の実験において、塩化物イオンを導入するために使用された場合、AuNPsの安定性が変化しました。 -塩化物イオンはtetrachloroaureatの形態のAuCl 4中の酸化金原子を安定化することが可能です。 図7は AuNPsがゆっくりと16以前に報告された結果と類似しSTEMイメージングタイムラプスシリーズ、中に溶解していることを示しています。使用される電子線量率のためには、30nmのサイズのAuNPsを溶解させ〜300秒を要しました。 ウォートでAuNPsの動き<html> rは第三の実験（ 図8）で検討しました。実験の前に、液体流TEMホルダは、塩の痕跡を除去するために洗浄しました。最初の実験とは異なり、代替サンプル調製法は、このSiN膜14にAuNPsの弱い付着を達成するために使用しました。この実験では、AuNP溶液は、シリコンマイクロチップ上に配置し、溶液を乾燥させることなく、液体流TEMホルダに組み付け。このようにして、AuNPsは容易に使用する線量率での撮像時にSiN膜から剥離します。残りのAuNPsが罪のウィンドウに近接して、視野内のままAuNPsのいくつかは、バルク溶液に離れて視界から移動しました。これらAuNPsの動きが観察され、そして最終的にはそれらが凝集しました。しばらくして、これらの凝集物はまた、このSiN膜から剥離し、視野の外と溶液中に移動しました。 ntent「FO：キープtogether.withinページ= &quot;1&quot;&gt; <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig6.jpg" /> 図6：純水層の上部に直径AuNPs 30nmの走査型透過電子顕微鏡（STEM）顕微鏡写真。示す画像は、原画像の選択された領域です。画像サイズは、ピクセル滞留時間は19マイクロ秒であり、1,024×1024ピクセルであり、ピクセルサイズは0.73 nmであった、そして倍率400,000Xました。 /nm² -電子線量は、このように7.1×10 4電子ました。液体の厚さが2.4ミクロンに達するように計算したように、蛍光体スクリーン上の測定された電流密度は、8 PA / cm 2でした。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54943/54943fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図7" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig7.jpg" /> 図7：タイムラプスシリーズ生理食塩水でAuNPsのSTEM顕微鏡写真の。 （AD）画像は30秒間隔でSTEM像のタイムラプスシリーズから抽出しました。 AuNPs徐々に塩化物イオンの存在の結果として、液体中に溶解します。ピクセル滞留時間は2マイクロ秒であったタイムラプスシリーズのフレーム時間は1.75秒であった、画素サイズが0.44 nmであった、と倍率は500,000Xました。 /nm² -画像あたりの電子線量は1.2×10 4電子ました。液体の厚さは2.4μmでした。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54943/54943fig7large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図8" src="/files/ftp_upload/54943/54943fig8.jpg" /> 図8：純水での移動AuNPsのSTEM顕微鏡写真。いくつかは、矢印で選択されるのAuNPs、と（A）のSiN膜。 （B）モーショントラック選択AuNPs（Aを参照）。一部のAuNPsは、撮影の時間の間に視界から離れます。残りのAuNPsは、このSiN膜に沿って横方向に移動し、凝集を開始します。フレーム時間は0.52秒であった、1マイクロ秒をされた重要なクラスタサイズに達すると、彼らは膜から派遣とview.The画素滞留時間のフィールドから離れる、画素サイズが1.8 nmであった、と倍率は120,000Xました。画像あたりの電子線量は3.5×10 2電子あった- /nm²と液体の厚さは2.4μmでした。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54943/54943fig8large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

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

このプロトコルは、ナノスケールの動的プロセスを観察するために使用されるような、水にAuNPsの透過型電子顕微鏡を走査するための液体流試料ホルダの動作を説明します。

走査型透過電子顕微鏡を用いて、液体中にナノサイズのオブジェクトの動的プロセスを学びます

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

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

12.6K ビュー.  INM-Leibniz Institute for New Materials. このプロトコルは、ナノスケールの動的プロセスを観察するために使用されるような、水にAuNPsの透過型電子顕微鏡を走査するための液体流試料ホルダの動作を説明します。 

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

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

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

液晶セルの透過型電子顕微鏡を使用して液体の材料の動的過程を明らかにする

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

工学

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

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

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

コロイドプローブナノスを使用して、粒子間相互作用の定量的および定性的調査

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

化学

In situ TEM of Biological Assemblies in Liquid

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

In situ TEM of Biological Assemblies in Liquid

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

その時 液体中の生物学的集合体のTEM

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

生物工学

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

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

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

液体中の振幅変調原子間力顕微鏡でのサブナノメートル分解能イメージング

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

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

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

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

ナノ粒子の自己集合の追跡のため液晶セルの透過電子顕微鏡観察

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

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

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

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

すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

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

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

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

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

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

グラフェン液セル透過型電子顕微鏡を使用してナノ結晶エッチングその場を研究するには

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

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

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

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

クライオ集束イオンビームフライス加工と走査型電子顕微鏡・分光法の結合による液体-固体界面のナノスケール特性評価

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

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

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

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

液体細胞透過電子顕微鏡によるナノ粒子の核形成と成長に及ぼす温度の影響の研究

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

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

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

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

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

液体-ソフトマター相互作用観察のための光誘起 In situ 透過型電子顕微鏡

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

走査型透過電子顕微鏡を用いて、液体中にナノサイズのオブジェクトの動的プロセスを学びます

要約

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液晶セルの透過型電子顕微鏡を使用して液体の材料の動的過程を明らかにする

コロイドプローブナノスを使用して、粒子間相互作用の定量的および定性的調査

その時液体中の生物学的集合体のTEM

液体中の振幅変調原子間力顕微鏡でのサブナノメートル分解能イメージング

ナノ粒子の自己集合の追跡のため液晶セルの透過電子顕微鏡観察

すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

グラフェン液セル透過型電子顕微鏡を使用してナノ結晶エッチングその場を研究するには

クライオ集束イオンビームフライス加工と走査型電子顕微鏡・分光法の結合による液体-固体界面のナノスケール特性評価

液体細胞透過電子顕微鏡によるナノ粒子の核形成と成長に及ぼす温度の影響の研究

液体-ソフトマター相互作用観察のための光誘起 In situ 透過型電子顕微鏡

走査型透過電子顕微鏡を用いて、液体中にナノサイズのオブジェクトの動的プロセスを学びます

要約

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液晶セルの透過型電子顕微鏡を使用して液体の材料の動的過程を明らかにする

コロイドプローブナノスを使用して、粒子間相互作用の定量的および定性的調査

その時 液体中の生物学的集合体のTEM

液体中の振幅変調原子間力顕微鏡でのサブナノメートル分解能イメージング

ナノ粒子の自己集合の追跡のため液晶セルの透過電子顕微鏡観察

すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

グラフェン液セル透過型電子顕微鏡を使用してナノ結晶エッチングその場を研究するには

クライオ集束イオンビームフライス加工と走査型電子顕微鏡・分光法の結合による液体-固体界面のナノスケール特性評価

液体細胞透過電子顕微鏡によるナノ粒子の核形成と成長に及ぼす温度の影響の研究

液体-ソフトマター相互作用観察のための光誘起 In situ 透過型電子顕微鏡

その時液体中の生物学的集合体のTEM