Name: liquid-cell transmission electron microscopy for tracking self-assembly of nanoparticles
Uploaded: 2017-10-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 39 s
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役に立つ議論のためカリフォルニア大学の教授 a. ポール Alivisatos、バークレーとソウル国立大学教授 Taeghwan ヒョンに感謝しますこの作品は、IBS R006 D1 によって支えられました。W.C.L. は感謝、漢陽大学 (HY-2015-N) の研究基金から支援を認めています。

1 ナノ粒子合成 <ol><li>白金ナノ粒子の合成 <ol><li>アンモニウム hexachloroplatinate(IV) の結合 17.75 mg ((NH 4) 2 Pt (IV) Cl 6)、3.72 mg。tetrachloroplatinate(II) アンモニウム ((NH 4) 2 Pt (II) Cl 4)、テトラメチル アンモニウム ブロマイド、ポリビニルピロリドンの 109 mg 115.5 mg (MW: 29,000)、エチレング リコール 100 mL 3 首丸底フラスコに攪拌棒の 10 mlゴムキャップを装備</li>。
		<li>は、還流凝縮器とフラスコを装備し、真空下でパージします。1,000 rpm で磁気攪拌棒反応混合物をかき混ぜる</li>。
		<li>アルゴンの流れ下 10 ° C/分の速度で加熱マントルの 180 ° C に反応混合物を熱します</li>。
		<li>は、20 分間 (180 ° C) 温度を維持します。ソリューション暗褐色になります</li>。
		<li>室温に冷却するように加熱マントルからフラスコを削除します</li>。
		<li>は、製品を 50 mL の遠心管に転送します。ナノ粒子を沈殿し、2,400 x g で 10 分間のサンプルを遠心分離機に製品にアセトン 30 mL を追加 
		注: 安全のため、この処理する必要があります実行する発煙のフード.</li>
		<li>上澄みを廃棄し、10 ml のエタノールの沈殿物の黒を再分散します</li>。
		<li>トルエン 30 ml 製品の沈殿物し上澄み 2,400 x g で 10 分間破棄の懸濁液を遠心分離機し、エタノール 10 mL で黒い沈殿物を再分散します。この手順を 3 回繰り返します</li>。
		<li>白金ナノ粒子にオレイルアミン 5 mL を追加し、分散を 100 mL の丸底フラスコに転送します。発生する配位子交換反応できるように 1,000 rpm で磁気攪拌下で一晩分散を逆流します</li>。
		<li>ソリューションからそれらを分離する 30 分間、10,000 × g でリガンド交換ナノ粒子を遠心します</li>。
		<li>上澄みを廃棄し、トルエン、ヘキサン、クロロホルムなどの疎水性溶媒 10 mL で白金ナノ粒子を分散します</li>。
	</ol></li> <li>鉛セレン化ナノ粒子の合成 <ol><li>鉛オレイン酸の準備 <ol><li>三水和物酢酸鉛 (Pb(Ac) 2 ·3H 2 O) の 758 mg、オレイン酸 2.5 mL とジフェニル エーテル 10 mL を組み合わせるゴムキャップを 100 mL 3 首丸底フラスコに攪拌棒</li>。
			<li>フラスコを還流冷却器装備</li>。
			<li>70 ° C の 2 h の真空条件の下で混合物をドガし、1,000 rpm で電磁攪拌棒でかき混ぜる</li>。
			<li>アルゴンとフラスコをパージし、部屋の温度に冷却してから</li>。
		</ol></li> <li>Trioctylphosphine セレン化 (TOPSe) の準備 <ol><li>別の容器で組み合わせて 474 mg セレンと空気への試薬の露出を防ぐために、グローブ ボックスを使用して、不活性雰囲気下 (上) trioctylphosphine 6 mL</li>。
			<li>トップで 110 W、40 kHz 超音波処理によるセレン粉溶解してソリューションが目に見えないように透明になるまで渦のミキサーを使用してミックスします</li>。
		</ol></li> <li>別の 250 mL の三つ口丸底フラスコにドガ 30 分 1,000 rpm で磁気撹拌しながら真空条件下 120 ° C でジフェニル エーテル 15 mL</li>
		<li>、アルゴンとフラスコをパージし、230 にジフェニル エーテルを熱し ° C</li>
		<li>急速に事前に加熱されたジフェニル エーテル鉛オレイン酸と TOPSe ソリューションの両方を注入します。射出時にある程度気温が します。高齢化温度を 170 に設定 ° C</li>
		<li>170 ° C 10 分発生する鉛セレン化ナノ粒子の成長を許可するように積極的な攪拌での混合物の温度を維持します</li>。
		<li>室温に冷却するように加熱マントルからフラスコを削除します</li>。
		<li>2 つの 50 mL 遠沈管を準備し等しいボリューム製品に分割し、チューブ転送します。ナノ粒子を沈殿し、2,400 x g で 10 分間の懸濁液を遠心分離機に各管にエタノール 30 mL を追加</li>
		<li>上澄みを廃棄し、トルエン 10 mL で黒い沈殿物を再分散します</li>。
		<li>エタノール 30 ml 製品の沈殿物し上澄み 2,400 x g で 10 分間破棄の懸濁液を遠心分離機、トルエン 10 mL で黒い沈殿物を再分散します。この手順を 3 回繰り返します</li>。
		<li>上澄みを廃棄し、トルエン、ヘキサン、クロロホルムなどの疎水性溶媒 10 mL に鉛セレン化ナノ分散します</li>。
	</ol></li></ol> 2。液体セル作製 <ol><li>シリコン窒化液体セル ( 図 3a ) <ol><li><ol><li>シリコン窒化膜の堆積預金 100 にストレスの少ないシリコン窒化膜835 の ° C および 100 sccm ジクロロシランと 50 sccm アンモニアの流れと 140 mTorr の圧力で低圧化学気相成長 (LPCVD) によって μ m 厚のシリコン基板 (4 インチ)。〜 25 シリコン窒化層の厚さを制御成膜時間を変化させることにより nm。成膜速度は 2.5 3.0 nm/分が各 CVD によって多少異なります</li>。
		</ol></li> <li>上部と下部のチップ 注: 25 微細加工プロセスの詳細な説明を参照してください。
		ウェハを完全にウェットに十分なフォトレジストを用いた <ol><li>スピン コート 10 mL 30 3,000 rpm でシリコン窒化けい素/ウェーハ上ポジ型フォトレジストの s. 
			注: 回転中に極薄シリコン基板が簡単に壊れています。我々 は通常、500 の厚さ別ウェーハ極薄ウェハを添付の破損を避けるためにフォトレジストを用いた μ m。スピン コーティング後、薄ウェーハはアセトンに浸漬でウェハ厚から区切られます。この手法は、スピン コーティング極薄 si ウェハ上の次のプロセスにも使用できます</li>。
			<li>焼く 60 85 ° C でホット プレート上のウェハ s. 
			注: の温度で準備されたウェーハを焼かない &#62; 110 ° C. ベーキング高温フォトレジスト正からネガ型フォトレジストに変更するフォトレジストになります</li>。
			<li>紫外線レジスト コーティング ウェーハを公開 (365 nm) 10 クロム マスク ( 図 1 a) を通した s.</li>
			<li>浸フォトレジスト コーティング ウェーハ 40 開発者溶液 50 mL に米は、ウェハを洗う 1 分の脱イオン水 50 mL で開発されたウエファーを浸します。洗浄工程を 2 回繰り返します</li>。
			<li>反応性イオン エッチング装置を用いた六弗化硫黄の 50 sccm の流れ 1 分の窒化ケイ素をエッチングします</li>。
			<li>は、上部のチップとフォトレジストを削除する 2 分のアセトンの下チップを浸します。フォトレジストを効果的に削除する手で優しく料理を振る</li>。
			<li>1.5 2 h. 85 ° C で (30 mg/mL) 水酸化カリウムの水溶液では、シリコンのエッチングは、エッチング液に均一な温度プロファイルがあることを確認するのに水浴を使用します。温度ムラは、e を過度にされているいくつかのエリアにつながるtched エッチングいくつか不完全ながら</li>。
			<li>完全に肉眼でエッチング、エッチングを停止しエッチング液から細胞を取るウィンドウが表示されたら。浮力は、水平に持ち上げた場合に発生することができますによって壊されるウィンドウのチャンスを避けるためにエッチング ソリューションから削除するときにセルを傾ける</li>。
			<li>下チップ ( 図 1 b) のマスクでこれらの手順を繰り返します 。
			注: 上部と下部のチップの窓が非常に薄く、約 25 nm の, 彼らは非常に壊れやすい。そのため、取り扱いには、細心の注意をすべき。窓側必要があります表面上にチップが休んでいるときに上向きに直面する常にします</li>。
		</ol></li> <li>上部と下部のチップは接合 <ol><li>スピン コート 10 mL 30 3,000 rpm でシリコン窒化けい素/ウェーハ上ポジ型フォトレジストの s.</li>
			<li>60 90 ° C のホット プレートにウェーハを焼く s.</li>
			<li>紫外線レジスト コーティング ウェーハを公開 (365 nm) 10 クロム マスク ( 図 1 c) を通した s.</li>
			<li>浸フォトレジスト コーティング ウェーハ 40 開発者溶液 50 mL に米は、ウェハを洗う 1 分の脱イオン水 50 mL で開発されたウエファーを浸します。洗浄工程を 2 回繰り返します</li>。
			<li>熱蒸発器を用いて下のチップにはインジウムの ~ 100 nm 厚を預金します。インジウムの層は、スペーサー、シール材として使用されます</li>。
			<li>は、フォトレジストを削除する 2 分をアセトンでチップを浸します。フォトレジストを効果的に削除する手で優しく料理を振る</li>。
			<li>アライナを使用して下部と上部のチップを合わせ、100 で接着し ° C</li>
		</ol></li></ol></li> <li>シリコン液体セル ( 図 3b ) <ol><li>上部と下部のチップの準備 <ol><li>の層の厚さと p 型絶縁体上シリコン (SOI) ウエハーを使用100 nm、400 nm、およびトップ シリコン 600 μ m 埋め SiO 2, とシリコンの処理層、それぞれします</li>。
			<li>実行 170 の厚さとシリコン酸化物の層を成長する 950-1100 ° C で酸化炉内 SOI ウェーハの湿式酸化 nm</li>。
			<li>エッチング バッファー酸化に SOI 基板を浸漬によるシリコン酸化膜エッチング シリコン酸化物の湿式エッチング液は、2 分間室温で (BOE) ソリューションであります。2.2.1.2 と 2.2.1.3 の手順の目的は、25 に SOI ウェーハのトップ シリコン層の厚さを減らすために nm</li>。
			<li>25 の厚さでストレスの少ないシリコン窒化層を入金型減圧 CVD ステップ 2.1.1.1 同じプロセス条件による SOI 層 (4 インチ) に nm</li>。
			<li>窒化ケイ素の同じプロセスを使用してのパターンし、手順 - 2.1.2.1 2.1.2.4 のようにパターンをマスクします</li>。
			<li>は、アセトン、フォトレジストを削除する 2 分内でウエハを浸します。フォトレジストを効果的に削除する手で優しく料理を振る</li>。
			<li>30 の BOE ソリューションとシリコン酸化膜をエッチング s.</li>
			<li>7 12 h. トリメチルアミン水溶液 (TMAH) をシリコン エッチングの使用もできますの 80 ° c (500 mg/mL) 水酸化カリウムの水溶液では、シリコンをエッチングします</li>。
			<li>Etch 160 ° C 10 分で 85% リン酸で窒化ケイ素</li>
			<li>3 分間室温で BOE ソリューションとシリコン酸化膜エッチング</li>
			<li>ステップ - 2.2.1.1 2.2.1.10 下チップ ( 図 1 b) のマスクとの手順を繰り返します</li>。
		</ol></li> <li>上部と下部のチップは接合 <ol><li>スピン コート 10 mL 30 3,000 rpm でシリコン窒化けい素/ウェーハ上ポジ型フォトレジストの s.</li>
			<li>60 90 ° C のホット プレートにウェーハを焼く s.</li>
			<li>紫外線レジスト コーティング ウェーハを公開 (365 nm) 10 クロム マスク ( 図 1 c) を通した s.</li>
			<li>浸フォトレジスト コーティング ウェーハ 40 開発者溶液 50 mL に米は、ウェハを洗う 1 分の脱イオン水 50 mL で開発されたウエファーを浸します。洗浄工程を 2 回繰り返します</li>。
			<li>熱蒸発器を用いて下のチップにはインジウムの ~ 100 nm 厚を預金します。インジウムの層は、スペーサー、シール材として使用されます</li>。
			<li>は、フォトレジストを削除する 2 分をアセトンでチップを浸します。フォトレジストを効果的に削除する手で優しく料理を振る</li>。
			<li>アライナを使用して下部と上部のチップを合わせ、100 で接着し ° C</li>
		</ol></li></ol></li></ol> 3。液体セル TEM <ol><li><ol><li>5 mL にナノ粒子分散 (プロトコル 1.1 および 1.2) の追加の 20 μ L を ソリューションの読み込み のバイアルと空気中 10 分分散溶媒混合物 (o-ジクロロ ベンゼンの 1 mL 中のナノ粒子のドライペンタデカン、250 μ L とオレイルアミンの 10 μ L). 
		注: 拡張期間、高温、低圧など、極端な条件の下で乾燥貧しいナノ粒子分散可能性があります。リガンド-粒子相互作用は動的なので極端な条件の下でリガンド剥離後粒子のアグロメレーションの高い確率があります。オレイルアミン、ペンタデカン、o-ジクロロ ベンゼンの蒸気圧が異なるので乾燥工程は、溶媒の比を一定に保つため、読み込みプロセスの直前に実施されなければならない</li>。
		<li>光学顕微鏡による液細胞を検査します 。
		注: 液晶セルのウィンドウのいずれかが壊れている場合使用しないでくださいセル</li>。
		<li>貯水池にナノ粒子分散の負荷 〜 100 nL ( 図 2 a と 2 b) 液体セルの。液体セルの貯水池に効果的に分散の少量をロードする極薄キャピラリ ( 図 2 c) を装備、インジェクターを使用できます 。
		注: 一般に、ナノ粒子分散系の注入量は、貯水池の容量を超えています。分散は、貯水池からオーバーフローすると完全に液体セルはシールがあります。したがって、タンク外任意のあふれる分散は、ファンの形状にカット フィルター ペーパーの先端で吸収されなければなりません。吸収中にウィンドウとの接触を避ける</li>。
		<li>O-ジクロロ ベンゼンを乾燥する 10 分間空気に液体セルを公開します</li>。
		<li>サイズ 2 mm と穴径 600 μ m 銅絞りグリッドの 1 つの側面に真空グリースを塗布し、密封された環境を作成する絞り値グリッドの油を塗った側に液体セルをカバーします 。
		注: ウィンドウ上に大きく堆積真空グリース分解能が減少します。したがって、最初の試行でセルの窓のある銅絞りグリッドの穴に合わせて障害を修正しないように;代わりに、セルを破棄する必要があり、新しいものを用意します</li>。
	</ol></li> <li>TEM 測定 <ol><li>標準 TEM ホルダーに液体セルを配置します。液体セルは標準ホルダーに収まるように設計されています 。
		注: TEM ホルダーの汚染を避けるために手袋を使用します</li>。
		<li>は、画像の連続取得モードで TEM を設定しました。200 の加速電圧で電子顕微鏡画像をキャプチャ 〜 700/m 2 の電流密度を持つ kV 。
		注: 頻繁に TEM 圧レベルをチェックします。圧力レベルが異常の場合、すぐにイメージングを停止し、できるだけ早く電子顕微鏡室からホルダーを取り外します。液体セル TEM の低コントラスト画像の中心の難しさが発生します。な位置と焦点は、ウィンドウの端に初期粗フォーカスによって簡単に実行できます。乾燥速度は、電流密度を変更することによって制御できます。2 D の乾燥速度は、進化する乾燥パッチのサイズを追跡することによって測定できます。しかし、ひらに困難です。ボリュームの面で評価する年度乾燥します</li>。
		<li>は、ImageJ のソフトウェア パッケージを使用して元の TEM 画像を開きます。プログラムの多点アイコンを選択し、イメージとし、抽出、x のすべての個々 のナノ粒子と選択した粒子の y 座標の中心を割り当てます</li>。
		<li>動径分布関数 (RDF) の計算: 
		<img alt="Equation 1"src="/files/ftp_upload/56335/56335eq1.jpg"/> r が粒子間の距離は、N は粒子数、粒子によって覆われる領域は、ρ は 2D の面密度の粒子 (N/A)、<img alt="Equation 2"src="/files/ftp_upload/56335/56335eq2.jpg"/> 粒子 j から k 粒子の位置ベクトルは、δ (r) はディラックのデルタ関数。私たちを使用して <img alt="Equation 3"src="/files/ftp_upload/56335/56335eq3.jpg"/> 場所 、 = 0.8 nm に現実的な計算のディラックのデルタ関数</li>。
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
	<li>Shevchenko, E. V., Talapin, D. V., Kotov, N. A., O'Brien, S., Murray, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+Diversity+in+Binary+Nanoparticle+Superlattices.">Structural Diversity in Binary Nanoparticle Superlattices.</a> Nature. 439, 55-59 (2006).</li><li>Talapin, D. V., 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=Quasicrystalline+Order+in+Self-Assembled+Binary+Nanoparticle+Superlattices.">Quasicrystalline Order in Self-Assembled Binary Nanoparticle Superlattices.</a> Nature. 461, 964-967 (2009).</li><li>Evers, W. 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T., Mirsaidov, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Desorption-Mediated+Motion+of+Nanoparticles+at+the+Liquid-Solid+Interface.">Desorption-Mediated Motion of Nanoparticles at the Liquid-Solid Interface.</a> J. Phys. Chem. C. 120, 20462-20470 (2016).</li><li>Liu, Y., Lin, X. -. M., Sun, Y., Rajh, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+Visualization+of+Self-Assembly+of+Charged+Gold+Nanoparticles.">In Situ Visualization of Self-Assembly of Charged Gold Nanoparticles.</a> J. Am. Chem. Soc. 135, 3764-3767 (2013).</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>Sutter, 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=In+Situ+Microscopy+of+the+Self-Assembly+of+Branched+Nanocrystals+in+Solution.">In Situ Microscopy of the Self-Assembly of Branched Nanocrystals in Solution.</a> Nat. Commun. 7, 11213 (2016).</li><li>Niu, K. -. Y., Liao, H. -. G., Zheng, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Revealing+Dynamic+Processes+of+Materials+in+Liquid+Using+Transmission+Electron+Microscopy.">Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquid Using Transmission Electron Microscopy.</a> J. Vis. Exp. (70), e50122 (2012).</li><li>Hermannsd&#246;rfer, J., 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=Studying+Dynamic+Processes+of+Nano-sized+Objects+in+Liquid+using+Scanning+Transmission+Electron+Microscopy.">Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy.</a> J. Vis. Exp. (120), e54943 (2017).</li><li>Tsung, C. K., 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=Sub-10+nm+Platinum+Nanocrystals+with+Size+and+Shape+Control:+Catalytic+Study+for+Ethylene+and+Pyrrole+Hydrogenation.">Sub-10 nm Platinum Nanocrystals with Size and Shape Control: Catalytic Study for Ethylene and Pyrrole Hydrogenation.</a> J. Am. Chem. Soc. 131, 5816-5822 (2009).</li><li>Cho, K. S., Talapin, D. V., Gaschler, W., Murray, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Designing+PbSe+Nanowires+and+Nanorings+through+Oriented+Attachment+of+Nanoparticles.">Designing PbSe Nanowires and Nanorings through Oriented Attachment of Nanoparticles.</a> J. Am. Chem. Soc. 127, 7140-7147 (2005).</li><li>Manthiram, K., Beberwyck, B. J., Talapin, D. V., 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=Seeded+Synthesis+of+CdSe/CdS+Rod+and+Tetrapod+Nanocrystals.">Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals.</a> J. Vis. Exp. (82), e50731 (2013).</li><li>Woehl, T. 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=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>Shin, 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=Growth+Dynamics+and+Gas+Transport+Mechanism+of+Nanobubbles+in+Graphene+Liquid+Cells.">Growth Dynamics and Gas Transport Mechanism of Nanobubbles in Graphene Liquid Cells.</a> Nat. Commun. 6, 6068 (2015).</li></ol>

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白金ナノ粒子サイズは 7 nm アンモニウム ヘキサクロロ白金 (IV) 酸およびアンモニウム テトラクロロ白金 (II) 酸27 還元剤および溶媒として配位子とエチレング リコールとしてポリ (ビニルピロリドン) (PVP) を用いた還元による合成.オレイルアミンと配位子交換反応は、疎水性溶媒中の粒子を分散させるために行った。セレン ソース28 (29カ?...

自己集合コロイドナノ粒子系の興味の個々 のナノ粒子の11集団の物理的なプロパティにアクセスする機会を提供するため。揮発性溶剤6,7,8,の蒸着基板上のナノ粒子の自己組織化は、最も効果的な方法の 1 つ自己実用的なデバイス規模のアプリケーションで使用9,10,11. この溶媒蒸発法は蒸発速度などナノ粒子基板相互作用の変化速度論因子による大きな影響は、非平衡プロセス。ただし、推定し、動力学的要因を制御することは困難なので溶剤の蒸発による自己組織化ナノ粒子の機械的な理解は完全に成熟しません。その場x 線散乱法による研究はアンサンブル平均の情報を提供しているが、非平衡のナノ粒子の自己集合処理12,13,14、このテクニックのことはできません。個々 のナノ粒子の運動が決まります、全体的な軌道との関連付けを簡単にアクセスすることはできません。
液体セル TEM は個々 のナノ粒子の軌道を追跡するための新興ツール ナノ粒子運動の不均一性やアンサンブル動作15,16への貢献を理解する私たちを有効にします。 17,18,19,20,21,22,23,24,25、 26。溶媒の境界の動きが18基板上自己組織化ナノ粒子を誘導するための主要な原動力であることを示す溶媒蒸発中に個々 のナノ粒子の運動を追跡する液体セル電子顕微鏡を用いて以前,19します。 ここで、ナノ粒子の自己集合液体セル TEM を使用してのプロセスを観察することができます我々 の実験を紹介します。まず、プラチナの合成のためのプロトコルを提供し、TEM とナノ粒子を液体セルに読み込む方法の液体セルの作製手順を導入する前にセレン化ナノ粒子を導きます。代表的な結果として溶媒乾燥による自己組織化ナノ粒子の TEM 映画からのスナップショット ・ イメージを示します。これらの映画の中の個々 の粒子を追跡するシングルナノ粒子レベルで自己溶媒乾燥媒介の詳細な機構を理解できます。中に組み立て式、シリコン窒化ウィンドウで白金ナノ粒子は主に蒸発の溶媒フロントの動き溶剤の薄層に強い毛管力のため。同様の現象は他のナノ粒子 (セレン化鉛) の基板 (シリコン)、溶媒フロントの毛管力が、基板近傍粒子移行の重要な要因であることを示すも観察されました。

<table><tbody><tr><td>ammonium hexachloroplatinate (IV)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>204021</td><td></td></tr><tr><td>ammonium tetrachloroplatinate (II)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>206105</td><td></td></tr><tr><td>tetramethylammonium bromide, 98%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>195758</td><td></td></tr><tr><td>poly(vinylpyrrolidone) powder</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>234257</td><td>Mw ~29,000</td></tr><tr><td>ethylene glycol, anhydrous, 99.8%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>324558</td><td></td></tr><tr><td>n-hexane, anhydrous, 95%</td><td>Samchun Chem.</td><td>H0114</td><td></td></tr><tr><td>ethanol, anhydrous, 99.5%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>459836</td><td></td></tr><tr><td>oleylamine, 70%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>O7805</td><td>Technical grade</td></tr><tr><td>lead(II) acetate trihydrate, 99.99%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>467863</td><td></td></tr><tr><td>oleic acid, 90%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>364525</td><td>Technical grade</td></tr><tr><td>diphenyl ether, 99%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P24101</td><td>ReagentPlus</td></tr><tr><td>selenium powder, 99.99%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>229865</td><td></td></tr><tr><td>tri-n-octylphosphine, 97%</td><td>Strem</td><td>15-6655</td><td>Air sensistive</td></tr><tr><td>Toluene, anhydrous, 99.9%</td><td>Samchun Chem.</td><td>T2419</td><td></td></tr><tr><td>acetone 99.8%</td><td>Daejung Chem.</td><td>1009-2304</td><td></td></tr><tr><td>potassium hydroxide, 95%</td><td>Samchun Chem.</td><td>P0925</td><td></td></tr><tr><td>p-type silicon-on-insulator wafers</td><td>Soitec</td><td>Power-SOI</td><td>for liquid cells with silicon windows</td></tr><tr><td>tetramethylammonium hydroxide, 25% in H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td><td>J.T.Baker</td><td>02-002-109</td><td></td></tr><tr><td>AZ 5214 E</td><td>AZ Electronic Materials</td><td>AZ 5214 E</td><td>Positive photorest</td></tr><tr><td>AZ-327</td><td>AZ Electronic Materials</td><td>AZ-327</td><td>AZ 5214 develper</td></tr><tr><td>indium pellets 99.98-99.99%</td><td>Kurt J. Lesker Company</td><td>EVMIN40EXEB</td><td>thermal evaporator target</td></tr><tr><td>1,2-dichlorobenzene, &gt;99%</td><td>TCI</td><td>D1116</td><td></td></tr><tr><td>pentadecane, &gt;99%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3406</td><td></td></tr><tr><td>buffered oxide etch 7:1</td><td>microchemicals</td><td>BOE 7-1 VLSI</td><td></td></tr><tr><td>phosphoric acid, 85%</td><td>Samchun Chem.</td><td>P0449</td><td></td></tr></tbody></table>

liquid-cell transmission electron microscopy for tracking self-assembly of nanoparticles

ナノ粒子の自己組織化構造を作成する汎用性の高い方法は、ナノ粒子の分散を乾燥が、このプロセスのメカニズムが十分に理解されていません。我々 は、液晶セルの透過型電子顕微鏡 (TEM) を使用してアセンブリ プロセスのメカニズムを調査する個々 のナノ粒子の軌跡を追跡しています。ここで、液体セル TEM 研究で使用するプロトコルを提案する、自己組織化。まず、セレン化ナノ粒子になり、均一に大きさで分類されたプラチナを生成に使用される詳細な合成プロトコルを紹介します。次に、窒化ケイ素やシリコン windows 液体セルを生成し、読み込みと画像検査液細胞の電子顕微鏡技術の手順を説明するために使用する微細加工プロセスを提案します。いくつかのノートは壊れやすい細胞ウィンドウを管理する方法など、全体のプロセスのための有用なヒントを提供するために含まれます。液体セル TEM によって追跡されるナノ粒子の個々 の運動では、蒸発による溶剤の境界の変更は、ナノ粒子の自己組織化プロセスの影響を受けることを明らかにしました。溶媒の境界は、主に非晶質集合体を形成、2 次元 (2 D) 自己組織化構造を生成する集計の平坦化の順にナノ粒子を運転しました。これらの動作は、種類の異なるナノ粒子と液体細胞組成の異なるも観察されます。

液体セルは 25 の厚さによる電子ビームに透明シリコン窒化 windows に装備されている上チップと下チップから成る nm。上部のチップ試料溶液及び蒸発の溶媒を格納するための貯留しています。チップは、従来の微細加工処理25を介して行われます。上部と下部のチップ用マスクが図 1 aに示されていると1 b</strong...

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

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

ここで紹介する自己組織化プロセスのリアルタイム観測のための実験プロトコル液晶セルの透過型電子顕微鏡を用いたします。

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

liquid-cell-transmission-electron-microscopy-for-tracking-self

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Chemistry

12.6K ビュー.  Institute for Basic Science (IBS). ここで紹介する自己組織化プロセスのリアルタイム観測のための実験プロトコル液晶セルの透過型電子顕微鏡を用いたします。

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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

Method to Visualize and Analyze Membrane Interacting Proteins by Transmission Electron Microscopy

Monotopic proteins exert their function when attached to a membrane surface, and such interactions depend on the specific lipid composition and on the availability of enough area to perform the function. Nanodiscs are used to provide a membrane surface of controlled size and lipid content. In the absence of bound extrinsic proteins, sodium phosphotungstate-stained nanodiscs appear as stacks of coins when viewed from the side by transmission electron microscopy (TEM). This protocol is therefore designed to intentionally promote stacking; consequently, the prevention of stacking can be interpreted as the binding of the membrane-binding protein to the nanodisc. In a further step, the TEM images of the protein-nanodisc complexes can be processed with standard single-particle methods to yield low-resolution structures as a basis for higher resolution cryoEM work. Furthermore, the nanodiscs provide samples suitable for either TEM or non-denaturing gel electrophoresis. To illustrate the method, Ca2+-induced binding of 5-lipoxygenase on nanodiscs is presented.

Many proteins perform their function when attached to membrane surfaces. The binding of extrinsic proteins on nanodisc membranes can be indirectly imaged by transmission electron microscopy. We show that the characteristic stacking (rouleau) of nanodiscs induced by the negative stain sodium phosphotungstate is prevented by the binding of extrinsic protein.

透過型電子顕微鏡により膜相互作用タンパク質を視覚化し、分析するための方法

Monotopic proteins exert their function when attached to a membrane surface, and such interactions depend on the specific lipid composition and on the ...

生化学

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

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

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a microfluidic chamber assembled in the specimen holder for Transmission Electron Microscopy (TEM) and STEM. The microfluidic system consists of two silicon microchips supporting thin Silicon Nitride (SiN) membrane windows. This article describes the basic steps of sample loading and data acquisition. Most important of all is to ensure that the liquid compartment is correctly assembled, thus providing a thin liquid layer and a vacuum seal. This protocol also includes a number of tests necessary to perform during sample loading in order to ensure correct assembly. Once the sample is loaded in the electron microscope, the liquid thickness needs to be measured. Incorrect assembly may result in a too-thick liquid, while a too-thin liquid may indicate the absence of liquid, such as when a bubble is formed. Finally, the protocol explains how images are taken and how dynamic processes can be studied. A sample containing AuNPs is imaged both in pure water and in saline.

This protocol describes the operation of a liquid flow specimen holder for scanning transmission electron microscopy of AuNPs in water, as used for the observation of nanoscale dynamic processes.

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 ...

Visualizing Diffusional Dynamics of Gold Nanorods on Cell Membrane using Single Nanoparticle Darkfield Microscopy

Analyzing the diffusional dynamics of nanoparticles on cell membrane plays a significant role in better understanding the cellular uptake process and provides a theoretical basis for the rational design of nano-medicine delivery. Single particle tracking (SPT) analysis could probe the position and orientation of individual nanoparticles on cell membrane, and reveal their translational and rotational states. Here, we show how to use traditional dark-field microscopy to monitor the dynamics of gold nanorods (AuNRs) on live cell membrane. We also show how to extract the location and orientation of AuNRs using ImageJ and MATLAB, and how to characterize the diffusive states of AuNRs. Statistical analysis of hundreds of particles show that single AuNRs perform Brownian motion on the surface of U87 MG cell membrane. However, individual long trajectory analysis shows that AuNRs have two distinctly different types of motion states on the membrane, namely long-range transport and limited-area confinement. Our SPT methods can be potentially used to study the surface or intracellular particle diffusion in different biological cells and can become a powerful tool for investigations of complex cellular mechanisms.

Here, we show the use of traditional dark-field microscopy to monitor the dynamics of gold nanorods (AuNRs) on cell membrane. The location and orientation of single AuNRs are detected using ImageJ and MATLAB, and the diffusive states of AuNRs are characterized by single particle tracking analysis.

単一ナノ粒子ダークフィールド顕微鏡を用いた細胞膜上の金ナノロッドの拡散ダイナミクスの可視化

Analyzing the diffusional dynamics of nanoparticles on cell membrane plays a significant role in better understanding the cellular uptake process and ...

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 ...

化学

Advancing High-Resolution Imaging of Virus Assemblies in Liquid and Ice

Interest in liquid-electron microscopy (liquid-EM) has skyrocketed in recent years as scientists can now observe real-time processes at the nanoscale. It is extremely desirable to pair high-resolution cryo-EM information with dynamic observations as many events occur at rapid timescales - in the millisecond range or faster. Improved knowledge of flexible structures can also assist in the design of novel reagents to combat emerging pathogens, such as SARS-CoV-2. More importantly, viewing biological materials in a fluid environment provides a unique glimpse of their performance in the human body. Presented here are newly developed methods to investigate the nanoscale properties of virus assemblies in liquid and vitreous ice. To accomplish this goal, well-defined samples were used as model systems. Side-by-side comparisons of sample preparation methods and representative structural information are presented. Sub-nanometer features are shown for structures resolved in the range of ~3.5-&#197;-10 &#197;. Other recent results that support this complementary framework include dynamic insights of vaccine candidates and antibody-based therapies imaged in liquid. Overall, these correlative applications advance our ability to visualize molecular dynamics, providing a unique context for their use in human health and disease.

Here protocols are described to prepare virus assemblies suitable for liquid-EM and cryo-EM analysis at the nanoscale using transmission electron microscopy.

液体および氷中のウイルス集合体の高解像度イメージングの進歩

Interest in liquid-electron microscopy (liquid-EM) has skyrocketed in recent years as scientists can now observe real-time processes at the nanoscale. It ...

Single-Molecule Diffusion and Assembly on Polymer-Crowded Lipid Membranes

Cellular membranes are highly crowded environments for biomolecular reactions and signaling. Yet, most in vitro experiments probing protein interaction with lipids employ naked bilayer membranes. Such systems lack the complexities of crowding by membrane-embedded proteins and glycans and exclude the associated volume effects encountered on cellular membrane surfaces. Also, the negatively charged glass surface onto which the lipid bilayers are formed prevents the free diffusion of transmembrane biomolecules. Here, we present a well-characterized polymer-lipid membrane as a mimic for crowded lipid membranes. This protocol utilizes polyethylene glycol (PEG)-conjugated lipids as a generalized approach for incorporating crowders into the supported lipid bilayer&#160;(SLB). First, a cleaning procedure of the microscopic slides and coverslips for performing single-molecule experiments is presented. Next, methods for characterizing the PEG-SLBs and performing single-molecule experiments of the binding, diffusion, and assembly of biomolecules using single-molecule tracking and photobleaching are discussed. Finally, this protocol demonstrates how to monitor the nanopore assembly of bacterial pore-forming toxin Cytolysin A (ClyA) on crowded lipid membranes with single-molecule photobleaching analysis. MATLAB codes with example datasets are also included to perform some of the common analyses such as particle tracking, extracting diffusive behavior, and subunit counting.

Here, a protocol to perform and analyze the binding, mobility, and assembly of single molecules on artificial crowded lipid membranes using single-molecule total internal reflection fluorescence (smTIRF) microscopy is presented.

高分子密集脂質膜上での1分子拡散と集合

Cellular membranes are highly crowded environments for biomolecular reactions and signaling. Yet, most in vitro experiments probing protein interaction ...

タンパク質局在解析のための金ナノ粒子の直接合成

Direct Synthesis of EM-Visible Gold Nanoparticles in Cells for Protein Localization Analysis with Well-Preserved Ultrastructure

Analyzing the precise localization of protein molecules in cells with ultrastructural resolution is of great significance for the study of various physiological or pathological processes in all living organisms. Therefore, the development of clonable tags that can be used as electron microscopy probes is of great value, just as fluorescent proteins have played a crucial role in the field of optical imaging. The autonucleation suppression mechanism (ANSM) was recently uncovered, which allows for the specific synthesis of gold nanoparticles (AuNPs) on cysteine-rich tags, such as metallothionein (MT) and antifreeze protein (AFP).
Based on the ANSM, an electron microscopy labeling technology was developed, which enables the specific detection of tagged proteins in prokaryotic and eukaryotic cells with an unprecedented labeling efficiency. This study illustrates a protocol for the detection of MTn (an engineered MT variant lacking aldehyde-reactive residues) fusion proteins in mammalian cells with well-preserved ultrastructure. In this protocol, high-pressure freezing and freeze-substitution fixation were performed using non-aldehyde fixatives (such as tannic acid, uranyl acetate) to preserve near-native ultrastructure and avoid damage to the tag activity caused by aldehyde crosslinking.
A simple one-step rehydration was used prior to the ANSM-based AuNP synthesis. The results showed that the tagged proteins targeted various organelles, including the membranes and the lumen of the endoplasmic reticulum (ER), and mitochondrial matrices were detected with high efficiency and specificity. This research provides biologists with a robust protocol to address an enormous range of biological questions at the single-molecule level in cellular ultrastructural contexts.

著者スポットライト:細胞内でのEM可視金ナノ粒子の直接合成による、保存状態の良い超微細構造によるタンパク質局在解析(英語)  

The present protocol describes a clonable electron microscopy labeling technology for detecting metallothionein-tagged proteins in cells using a novel autonucleation suppression mechanism-based gold nanoparticle synthesis technique.

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

要約

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この動画の章

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

透過型電子顕微鏡により膜相互作用タンパク質を視覚化し、分析するための方法

その時液体中の生物学的集合体のTEM

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

単一ナノ粒子ダークフィールド顕微鏡を用いた細胞膜上の金ナノロッドの拡散ダイナミクスの可視化

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

液体および氷中のウイルス集合体の高解像度イメージングの進歩

高分子密集脂質膜上での1分子拡散と集合

細胞内EM可視金ナノ粒子の直接合成によるタンパク質局在解析(英語)

細胞内EM可視金ナノ粒子の直接合成によるタンパク質局在解析(英語)

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

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

透過型電子顕微鏡により膜相互作用タンパク質を視覚化し、分析するための方法

その時 液体中の生物学的集合体のTEM

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

単一ナノ粒子ダークフィールド顕微鏡を用いた細胞膜上の金ナノロッドの拡散ダイナミクスの可視化

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

液体および氷中のウイルス集合体の高解像度イメージングの進歩

高分子密集脂質膜上での1分子拡散と集合

細胞内EM可視金ナノ粒子の直接合成によるタンパク質局在解析(英語)

細胞内EM可視金ナノ粒子の直接合成によるタンパク質局在解析(英語)

その時液体中の生物学的集合体のTEM