Wir sind dankbar, Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) nuklearen Prozess Science Initiative (NPSI)-Labor leitete Forschung und Entwicklung (LDRD) Fonds für die Unterstützung. Dr. Sayandev Chatterjee vorgesehen die synthetisierte Böhmit Partikel. Instrumental wurde durch W. R. Wiley Umwelt Molecular Sciences Laboratory (EMSL) allgemeine Benutzer Vorschlag zur Verfügung. EMSL ist eine nationale wissenschaftliche Benutzer Einrichtung Büro der biologischen und ökologischen Forschung (BER) auf PNNL gesponsert. Battelle für DOE unter Vertrag DE AC05 76RL01830 PNNL gesteuert.

<ol>
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Die Autoren haben nichts preisgeben.

SEM ist eine leistungsfähige Technik in Oberflächencharakterisierung von organischen und anorganischen Materialien auf ein Niveau von nanoskaligen (nm) mit hoher Auflösung1. Beispielsweise ist es für die Analyse von festen und trockenen Proben wie geologischen Materialien26 und Halbleiter27verbreitet. Es hat jedoch Einschränkungen bei der Charakterisierung von Feuchte und flüssige Proben durch die Unvereinbarkeit der Flüssigkeit innerhalb der hoch aufgesaugten Umgebung für Elektronenmikroskopie1erforderlich. SEM Probenvorbereitung oft erfordert Dehydrierung oder Gefriertrocknung für einen hydratisierten Probe und besonders für biologische Proben2. Infolgedessen ist es schwierig, genau die Informationen natürlich hydratisiert oder flüssige Proben zu erfassen, wie ihre innere Informationen während der Probe Vorbereitung Prozess28,29verloren gehen kann. Dies kann unter anderem beschränkt sich nicht auf biologische Aktivität in den Zellen, die Synthese von Nanopartikeln in Lösung, Aggregation der Partikel in komplexen Flüssigkeit und elektrochemische Reaktionen. Obwohl die ESEM hydratisierte Proben in einer kontrollierten Dampf Umgebung abbilden kann, konnte die Auflösung der Bilder nicht so hoch wie die REM-Bilder von den festen Proben in den hohen Vakuumbetrieb30,31,32 erreichen , 33. vor kurzem nassen Proben ein Elektron transparente Dünnschicht-6 fallenden oder versiegelt durch eine Probe Kapsel30 SEM war beschäftigt, als rückgestreute Elektronen wurden für Bilder, die mit dieser Methode gesammelt wurden.
SALVI ist eine vielseitige mikrofluidischen-Schnittstelle, die Oberflächenanalyse von Flüssigkeiten mit Vakuum-basierten Instrumenten wie TEM und ToF-SIMS ermöglicht hat. 11 , 12 , 13 , 14 unsere Technik mit SALVI und optimiert die SEM-Bedingungen kann SE Bilder und EDX kompositorischen Informationen liefern. Abbildung 1a präsentiert das SE Bild von Böhmit Partikeln in DI Wasser mit einem Submikron-Maßstab (400 nm) und hoher Vergrößerung von 200.000. REM-Aufnahme zeigt die Morphologie und Verteilung der Partikel Böhmit in Flüssigkeit, die überprüft, ob die Partikel in der Flüssigkeit zu sehen und sicher innerhalb der Sünde Membran durch Oberflächenspannung20gehalten. Im Gegensatz dazu zeigt Figuren 1 b SE Bilder von DI-Wasser in der Bohrung mit 100.000 × Vergrößerungsgrad. Es bietet direkter Beweis, das Wasser Halt durch seine Oberflächenspannung ohne außerhalb undicht sein kann. Darüber hinaus wurde der Kammerdruck bei 1,0 × 10-5 Torr während der Messung konstant. Abbildung 1 c stellt ein Loch in einen leeren Kanal mit 200.000 × Vergrößerung; nichts wird in das Loch unter den gleichen Strom und Spannungseinstellungen beobachtet. Die SE flüssige bildgebende Funktion über diesen Ansatz bietet hochauflösende SE Bilder im Vergleich zu den Mikrometer Auflösung rückgestreute Elektronen Bilder aufgenommen mit der gemeldeten nassen SEM Technik30.
EDX elementare Zuordnung erfolgt mittels AlOOH Partikel in VE-Wasser, VE-Wasser und den leeren Kanal bzw.. Die beiden letzteren werden als Referenz-Steuerelemente verwendet. Wie in Abbildung 2agezeigt, die Aluminium-Peak tritt bei rund 1,5 keV mit signifikantes Signal, zwar gibt es keine markante Gipfel, die an die gleiche Energie in die DI-Wasser und den leeren Kanal EDX-Spektren. Das Sauerstoff-Signal ist dominant in AlOOH und DI-Wasser, das bestätigt, dass dieses Signal aus dem Wasser kommt. Dies bestätigt weiter, dass Partikel während der Bildgebung in Wasser eingetaucht sind. Die C und Si Gipfel in Figuren 2a, 2 b und 2 c sind aus der Carbon-Beschichtung der Fenster "Erkennung" und Sünde Membran bilden den Erfassungsbereich bzw.. Der N-Gipfel ist auch von der Sünde-Membrane. Der EDX-Vergleich zeigt die Erkennung der Aluminium Zusammensetzung des AlOOH im Wasser, darauf hinweist, dass die Böhmit Partikel tatsächlich eingehalten werden.
In früheren Arbeiten haben wir die Machbarkeit der Beschäftigung einer mikrofluidischen Zelle und Hochvakuum SEM Bild und charakterisieren die flüssige Probe mit DI Wasser und Immunglobulin G (IgG) gold-Nanopartikel12,20gezeigt. In diesen früheren Werken, gold-Nanopartikel waren kleiner als 10 nm. In dieser Arbeit zeigen wir, dass Böhmit Teilchen mit viel größeren Größen (&#60; 100 nm) kann auch durch flüssige SEM untersucht werden Die Lochgröße errechnete Sicherstellung ausreichender imaging-Bereich noch genügend Oberflächenspannung die Flüssigkeit im Rahmen zu halten. Ursprünglich war das Loch hergestellt unter Verwendung der Gallium-Ionenstrahl, um Runde Öffnungen von 2 µm im Durchmesser vor Gerätemontage in der ursprünglichen Erfindung12,20zu machen. In diesem Update zeigen wir, dass die Erkennung Öffnungen erfolgen können, nachdem das Gerät montiert ist, so dass des gesamten Prozess optimiert. Eine eröffnen kann auch beliebig viele Erkennung Fenster in eine Analyse erforderlich und ist nicht begrenzt durch die Löcher vor ein Experiment gemacht. Die 2 µm Durchmesser Erkennung Fenster eignen sich für Techniken wie ToF-SIMS, und es ist auch möglich in flüssigen SEM Wegen der hohen Vergrößerung Fähigkeit von SEM, das neue Ergebnis zeigt, dass kleinere Blende (z. B.1-2 µm) funktioniert gut in SEM (Abbildung 1a).
Einige technische Details sind erwähnenswert um flüssige SEM Messungen in Situ erfolgreich zu machen. Zunächst muss das Gerät mit Carbon oder Gold beschichtet werden, um Aufladung während der Messungen zu reduzieren. Zweitens ist die Montage des Gerätes Recht kritisch in diesem Verfahren. Wackelkontakt des Gerätes mit der Montage-Bühne führt bedeutende Aufladung, Schwierigkeiten beim fokussieren und schlechte Bilder. Drittens wenn man mehr als eine Probe mit dem gleichen Gerät analysieren will, benötigt die Probe-Reihenfolge einige Gedanken. Obwohl das Gerät verfügbar ist, ist es wahrscheinlich ein Gerät mehr als einmal verwendet werden kann. Man kann Wasser oder Lösungsmittel z. B. für den Erhalt der Daten der Kontrollstichprobe, gefolgt von der Analyse einer Probe mit Partikeln oder anderen Arten von Interesse mit der gleichen Lösungsmittel. Es wird empfohlen, die Probenaufgabe einzuführen, nachdem das SALVI Gerät gesichert und Erkennung Löcher erfolgt über SEM/FIB. Die FIB dient einzig und allein für die Löcher auf der Erkennung Fenster Membran Fräsen. Wenn die Membran durch ein anderes Instrument vorbereitet wird oder die Membran mit Löchern zur Verfügung von den Lieferanten gestellt, ist es nicht nötig, FIB um Löcher vor der SEM-Analyse zu machen. Bewegen des Gerätes Weg von der Probe-Bühne für Probenaufgabe und wieder Einbau verschwendet viel Zeit, aber auch das Risiko einer schlechten Verbindungen zwischen dem Gerät und dem Probentisch hinzufügen und was zu einer unterschiedlichen Arbeitsabstand. Der SEM-Betreiber müssen auch neu auszurichten und suchen Sie den Kanal und Mikrometer Größe Runde Erkennung Windows wieder.
Mit Submikron Auflösung und präzise elementare Informationen, die in dieser Studie präsentiert, die wir uns vorstellen, dass die Integration der vakuumtaugliche mikrofluidischen Zelle (d.h.SALVI) mit hohen Vakuumbetrieb SEM allgemein bei der Identifizierung genutzt werden kann und beobachten natürlich verschiedene hydratisiert Exemplare, geologischen Proben, biologischen Proben und Nanomaterialien in Flüssigkeit synthetisiert. Mit den technologischen Verbesserungen an denflüssige SEM Ansatz werden vorher besprochen, wir zeigen, dass eine größere Vielfalt von Submikron-Partikel unterschiedlicher Größe mit diesem neuen Ansatz untersucht werden kann. Schließlich öffnet in Situ flüssige SEM mehr Gelegenheit, Exemplare in Flüssigkeit mit hohem Vakuum SEM zu studieren

Rasterelektronenmikroskop (REM) hat weit angewendet worden, um eine Vielzahl von Proben zu untersuchen, indem Sie produzieren hochauflösende Bildgebung1. Die Energie energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) verbunden mit dem REM ermöglicht die Bestimmung der Elementarzusammensetzung1. Traditionell wird SEM für imaging nur trockene und feste Proben angewendet. In den letzten 30 Jahren entwickelte sich die Umwelt SEM (ESEM) für die Analyse von hydratisierten Teilstichproben in einem Dampf-Umgebung2,3,4,5. ESEM ist jedoch nicht in der Lage, die nassen, voll flüssigen Proben mit hoher Auflösung6Bild. Nassen SEM Zellen entstanden auch an Bild nasse Exemplare mit SEM7,8; Dennoch, diese Zellen wurden hauptsächlich für biologische Proben entwickelt zurückgestreuten Elektronen Bildgebung und sind leichter zugänglich für Anwendungen mit diesen Designs9,10.
Zur Bewältigung die Herausforderungen bei der Analyse von verschiedenen Proben in ihrer natürlichen flüssigen Umgebung mit SEM, erfanden wir eine Vakuum kompatibel mikrofluidischen Gerät, System zur Analyse an den flüssigen Vakuum Schnittstelle (SALVI), ermöglichen hohen räumlichen Auflösung sekundäre Elektronen (SE) Bildgebung und elementare Analyse von flüssigen Proben mit hohen Vakuumbetrieb in SEM Diese neuartige Technik umfasst die folgenden einzigartigen Eigenschaften: 1) Flüssigkeit wird direkt in eine kleine Öffnung von 1-2 µm im Durchmesser; sondiert (2) Flüssigkeit wird in der Bohrung durch Oberflächenspannung gehalten; und 3) SALVI ist portabel und kann auf mehr als eine analytische Plattform11,12,13,14,15,16,17 angepasst werden ,18.
SALVI besteht aus einer 100 nm dicken Silizium-Nitrid (SiN) Membran und einem 200 µm breite Microchannel aus Polydimethylsiloxan (PDMS) Block. Die Sünde Membran Fenster wird angewendet, um die Microchannel zu versiegeln. Die Verarbeitungsdetails und wichtigsten Entwurfsüberlegungen waren in früheren Arbeiten und Patente11,19,20detailliert. Derzeit hat ein führender Hersteller und Vertreiber von Verbrauchsmaterial Lieferung für die Mikroskopie die Lizenz um SALVI Geräte kommerziell für flüssige SEM Anwendungen21,22zu verkaufen gekauft.
Die Einsatzmöglichkeiten von SALVI in Vakuum-analytische Instrumente wurden nachgewiesen unter Verwendung einer Vielzahl von wässrigen Lösungen und komplexe Flüssigkeitsgemischen einschließlich Biofilme, Säugerzellen, Nanopartikeln und Elektrode Materialien12, 14 , 17 , 20 , 23 , 24. jedoch die meisten der oben genannten Arbeiten Time-of-Flight secondary Ion mass Spectrometry (ToF-SIMS) als wichtigen Analyse-Tool, damit die Anwendung der Flüssigkeit genutzt SEM mit SALVI nicht vollständig erforscht. In diesem Werk wurde SALVI zur größere nicht-sphärische kolloidale Teilchen in Flüssigkeit mit flüssigen SEM Bildgebung und EDX Elementaranalyse zu studieren. Das Beispiel besteht aus AlOOH Teilchen in unserem Labor synthetisiert. Submikrometer-mittlere Böhmit Partikel sind dafür bekannt, in hochradioaktiver Abfälle an der Hanford Site vorhanden sind. Sie sind langsam aufzulösen und in Abfallbehandlung rheologische Probleme verursachen können. Daher ist es wichtig, die Möglichkeit, Böhmit Teilchen in Flüssigkeit25charakterisieren. Dieser technische Ansatz kann verwendet werden, um Böhmit in verschiedenen physikalisch-chemischen Bedingungen für besseres Verständnis dieser Partikel und verwandte rheologischen Eigenschaften zu studieren. Diese Partikel wurden genutzt, um Schritt für Schritt zeigen, wie man Hochvakuum SEM SALVI zuweisen, um Schwebeteilchen in Flüssigkeit zu studieren. Technische Eckpunkte für SALVI und SEM Integration und SEM Datenerfassung werden in das Papier hervorgehoben.
Das Protokoll sieht Demonstration der flüssigen Probenanalyse mit SALVI und flüssigen SEM Bildgebung für diejenigen, die bei der Nutzung dieser neuartigen Technik in vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von flüssigen SEM in der Zukunft interessiert.

<table width="2033">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Carbon Coater</td>
			<td style="width:311px;">Cressington</td>
			<td style="width:196px;">208 Carbon</td>
			<td style="width:1237px;">It is accompanied with thickness monitor MTM-10.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">SEM</td>
			<td style="width:311px;">FEI</td>
			<td>Quanta 3D FEG</td>
			<td style="width:1237px;">It provides highly resolved scanning electron microscopy and elemental analysis.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI)</td>
			<td style="width:311px;">Pacific Northwest National Laboratory</td>
			<td>N/A</td>
			<td style="width:1237px;">SALVI is a unique, vacuum compatible microfluidic cell that enables the characterization of the liquid sample using vacuu- based scientific instrument.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">PEEK Union</td>
			<td style="width:311px;">Valco</td>
			<td>ZU1TPK</td>
			<td>The polyether ether ketone union is used for connecting the inlet and outlet of SALVI</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Syringe</td>
			<td style="width:311px;">BD</td>
			<td>309659</td>
			<td style="width:1237px;">1 mL</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Pipette</td>
			<td style="width:311px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>21-377-821</td>
			<td style="width:1237px;">Range: 100 to 1,000 mL</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Pipette Tip 1</td>
			<td style="width:311px;">Neptune</td>
			<td>2112.96.BS</td>
			<td style="width:1237px;">1,000 &#181;L</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Pipette Tip 2</td>
			<td style="width:311px;">Rainin</td>
			<td>17001865</td>
			<td style="width:1237px;">20 &#181;L</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Syringe Pump</td>
			<td style="width:311px;">Harvard Apparatus</td>
			<td>70-2213</td>
			<td style="width:1237px;">It is used to inject the liquid sample into the SALVI device.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">pH meter</td>
			<td style="width:311px;">Fisher Scientific/accumet</td>
			<td>13-636-AP72</td>
			<td style="width:1237px;">It is used for measuring the pH of AlOOH in DI water.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Barnstead Ultrapure Water System, UV/UF</td>
			<td style="width:311px;">Thermo Scientific Barnstead</td>
			<td style="width:196px;">Nanopure diamond D11931</td>
			<td style="width:1237px;">It is used for producing DI water.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Centrifuge tubes</td>
			<td style="width:311px;">Fisher scientific/Falcon</td>
			<td>15-527-90</td>
			<td style="width:1237px;">15 mL</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Bransonic ultrasonic cleaner</td>
			<td style="width:311px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td>2510</td>
			<td style="width:1237px;">It is used to ultrasonicate the AlOOH liquid sample.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">Balance</td>
			<td style="width:311px;">Mettler Toledo</td>
			<td>11106015</td>
			<td style="width:1237px;">XS64</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="width:289px;height:20px;">AlOOH</td>
			<td style="width:311px;">Pacific Northwest National Laboratory</td>
			<td>N/A</td>
			<td style="width:1237px;">It is synthesized by scientists at Pacific Northwest National Laboratory.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">xT microscope Control</td>
			<td>FEI</td>
			<td>Quanta 3D FEG</td>
			<td>Default microscope control software of SEM Quanta 3D FEG</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">EDAX Genesis software</td>
			<td style="width:311px;">EDAX</td>
			<td>N/A</td>
			<td style="width:1237px;">The software is used for collecting the EDX elemental information of the samples.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="width:289px;height:21px;">Teflon tubing</td>
			<td>SUPELCO</td>
			<td>58697-U</td>
			<td style="width:1237px;">It is used for introducing the sample into the microchannel and holding adequate volume of liquid.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ characterization of boehmite particles in water using liquid sem

In Situ imaging und elementare Analyse von Böhmit (AlOOH) Partikeln im Wasser erfolgt mit dem System für die Analyse an der flüssigen Vakuum-Schnittstelle (SALVI) und Scanning Electron Microscopy (SEM). Dieses Paper beschreibt die Methode und wichtige Schritte bei der Integration des Vakuums kompatibel SAVLI SEM und Sekundär-Elektronen (SE) Bilder von Partikeln in Flüssigkeiten im Hochvakuum. Energie energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) dient zur Elementaranalyse von Partikeln in Flüssigkeiten und Kontrolle Proben einschließlich deionisiertes (DI) nur Wasser und einen leeren Kanal sowie zu erhalten. Synthetisierte Böhmit (AlOOH) Partikeln, die in der Flüssigkeit ausgesetzt sind als Modell in der flüssigen SEM Abbildung verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Partikel im SE-Modus mit guter Auflösung abgebildet werden können (d.h., 400 nm). Das AlOOH EDX-Spektrum zeigt signifikantes Signal aus Aluminium (Al) im Vergleich mit dem DI-Wasser und den leeren Kanal-Steuerung. In Situ flüssige SEM ist eine leistungsstarke Technik, Teilchen in Flüssigkeit mit viele interessante Anwendungen zu studieren. Dieses Verfahren zielt darauf ab, technisches Know-how, um flüssige SEM Bildgebung und EDX-Analyse mit SALVI zu betreiben und um potenzielle Fallstricke zu reduzieren, bei Verwendung dieser Methode bieten.

Die repräsentative Ergebnisse um zu zeigen, wie die Partikel abgebildet werden und mittels in Situ flüssige SEM Bildgebung gepaart mit EDX analysiert. Die Ergebnisse umfassen SE Bilder und EDX-Spektren. Die SE Bilder wurden auf X 100.000 und 200.000 X Vergrößerung Ebene in Abbildung 1erhalten. Abbildung 1a zeigt das SE Bild der AlOOH, Abb. 1 b DI-Wasser und Abbildung 1 c das Loch in einem leeren Kanal. Die Bilder wurden durch die Anwendung erhalten SE mit 8 keV Beschleunigungsspannung und 0,47 nA Strahl Strom. Die verwendete Bildschirmauflösung 1.024 × 884 mit einem Scan-Rate von 30 µs. entsprechend, Abbildung 2 zeigt die EDX-Spektren aus der AlOOH Partikel im Wasser (Abb. 2a), DI Wasserprobe (Abb. 2 b) und das Loch in einem leeren Kanal (erkannt Abbildung 2 c), anhand der gemessenen elementare Zusammensetzung. Die EDX-Spektren wurden mit dem gleichen Strom und Spannungseinstellung wie für SE Bilder erhalten. Die Informationstiefe ist aus der flachen Region an der Probenoberfläche durch die Wahl der Niederspannung. Die Rohdaten der elementaren Spektren ist ausgegebenen as.csv Datei und geplottet mit einem Grafik-Software für die Präsentation.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56058/56058fig1.jpg"> 
Abbildung 1: SE Bilder. Diese Bilder wurden durch die Anwendung erhalten SE mit 8 keV Beschleunigungsspannung und 0,47 nA Strahl Strom. Die Bildschirmauflösung genutzt wurde 1.024 × 884 mit einem Scan-Rate von 30 µs. (1a) AlOOH bei 200, 000 X, (1 b) DI Wasser bei 100, 000 X (1 c) und einer leeren Kanal bei 200, 000 X. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56058/56058fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56058/56058fig2.jpg"> 
Abbildung 2: EDX Spektren. EDX-Spektren wurden erworben im SE-Modus mit 8 kV Beschleunigungsspannung und 0,47 nA Strahl Strom. (2a) Spektrum der AlOOH im Wasser. (2 b) Spektrum von VE-Wasser-Probe. (c) Spektrum der Bohrung in einem leeren Kanal. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56058/56058fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

In Situ Charakterisierung von Böhmit Teilchen im Wasser mit flüssigem SEM

Wir präsentieren ein Verfahren zur Echtzeit-Bildverarbeitung und Analyse der Elementzusammensetzung Böhmit Partikel in entionisiertem Wasser durch in Situ Flüssigkeit Scanning Electron Microscopy.

In situ imaging and elemental analysis of boehmite (AlOOH) particles in water is realized using the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Chemistry

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

9.1K Aufrufe.  Pacific Northwest National Laboratory. Wir präsentieren ein Verfahren zur Echtzeit-Bildverarbeitung und Analyse der Elementzusammensetzung Böhmit Partikel in entionisiertem Wasser durch in Situ Flüssigkeit Scanning Electron Microscopy.

Serie: In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry (UPLC-HRMS)

Here we present a workflow to analyze the metabolic profiles for biological samples of interest including; cells, serum, or tissue. The sample is first separated into polar and non-polar fractions by a liquid-liquid phase extraction, and partially purified to facilitate downstream analysis. Both aqueous (polar metabolites) and organic (non-polar metabolites) phases of the initial extraction are processed to survey a broad range of metabolites. Metabolites are separated by different liquid chromatography methods based upon their partition properties. In this method, we present microflow ultra-performance (UP)LC methods, but the protocol is scalable to higher flows and lower pressures. Introduction into the mass spectrometer can be through either general or compound optimized source conditions. Detection of a broad range of ions is carried out in full scan mode in both positive and negative mode over a broad m/z range using high resolution on a recently calibrated instrument. Label-free differential analysis is carried out on bioinformatics platforms. Applications of this approach include metabolic pathway screening, biomarker discovery, and drug development.

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry UPLC-HRMS

Untargeted metabolomics provides a hypothesis generating snapshot of a metabolic profile. This protocol will demonstrate the extraction and analysis of metabolites from cells, serum, or tissue. A range of metabolites are surveyed using liquid-liquid phase extraction, microflow ultraperformance liquid chromatography/high-resolution mass spectrometry (UPLC-HRMS) coupled to differential analysis software.

Untargeted Metabolomics aus biologischen Quellen Mit UltraPerformance Flüssigkeits-Chromatographie-hochauflösender Massenspektrometrie (UPLC-HRMS)

Here we present a workflow to analyze the metabolic profiles for biological samples of interest including; cells, serum, or tissue. The sample is first ...

Forschung

Chemie

Assessment of Boron Doped Diamond Electrode Quality and Application to In Situ Modification of Local pH by Water Electrolysis

Boron doped diamond (BDD) electrodes have shown considerable promise as an electrode material where many of their reported properties such as extended solvent window, low background currents, corrosion resistance, etc., arise from the catalytically inert nature of the surface. However, if during the growth process, non-diamond-carbon (NDC) becomes incorporated into the electrode matrix, the electrochemical properties will change as the surface becomes more catalytically active. As such it is important that the electrochemist is aware of the quality and resulting key electrochemical properties of the BDD electrode prior to use. This paper describes a series of characterization steps, including Raman microscopy, capacitance, solvent window and redox electrochemistry, to ascertain whether the BDD electrode contains negligible NDC i.e. negligible sp2 carbon. One application is highlighted which takes advantage of the catalytically inert and corrosion resistant nature of an NDC-free surface i.e. stable and quantifiable local proton and hydroxide production due to water electrolysis at a BDD electrode. An approach to measuring the local pH change induced by water electrolysis using iridium oxide coated BDD electrodes is also described in detail.

Assessment of Boron Doped Diamond Electrode Quality and Application to In Situ Modification of Local pH by Water Electrolysis

A protocol is described for the characterization of the key electrochemical parameters of a boron doped diamond (BDD) electrode and subsequent application for in situ pH generation experiments.

Beurteilung der bordotierten Diamantelektrode Qualität und Anwendung auf<em&gt; In-situ-</em&gt; Änderung des Local pH durch Elektrolyse von Wasser

Boron doped diamond (BDD) electrodes have shown considerable promise as an electrode material where many of their reported properties such as extended ...

Synthesis and Exfoliation of Discotic Zirconium Phosphates to Obtain Colloidal Liquid Crystals

Due to their abundance in natural clay and potential applications in advanced materials, discotic nanoparticles are of interest to scientists and engineers. Growth of such anisotropic nanocrystals through a simple chemical method is a challenging task. In this study, we fabricate discotic nanodisks of zirconium phosphate [Zr(HPO4)2&#183;H2O] as a model material using hydrothermal, reflux and microwave-assisted methods. Growth of crystals is controlled by duration time, temperature, and concentration of reacting species. The novelty of the adopted methods is that discotic crystals of size ranging from hundred nanometers to few micrometers can be obtained while keeping the polydispersity well within control. The layered discotic crystals are converted to monolayers by exfoliation with tetra-(n)-butyl ammonium hydroxide [(C4H9)4NOH, TBAOH]. Exfoliated disks show isotropic and nematic liquid crystal phases. Size and polydispersity of disk suspensions is highly important in deciding their phase behavior.

A two dimensional model material of discotic zirconium phosphate was developed. The inorganic crystal with lamellar structure was synthesized by hydrothermal, reflux, and microwave-assisted methods. On exfoliation with organic molecules, layered crystals can be converted to monolayers, and nematic liquid crystal phase was formed at sufficient concentration of monolayers.

Synthese und Exfoliation von diskotischen Zirkoniumphosphaten Erhalten Kolloidales Liquid Crystals

Due to their abundance in natural clay and potential applications in advanced materials, discotic nanoparticles are of interest to scientists and ...

Radiolabeling and Quantification of Cellular Levels of Phosphoinositides by High Performance Liquid Chromatography-coupled Flow Scintillation

Phosphoinositides (PtdInsPs) are essential signaling lipids responsible for recruiting specific effectors and conferring organelles with molecular identity and function. Each of the seven PtdInsPs varies in their distribution and abundance, which are tightly regulated by specific kinases and phosphatases. The abundance of PtdInsPs can change abruptly in response to various signaling events or disturbance of the regulatory machinery. To understand how these events lead to changes in the amount of PtdInsPs and their resulting impact, it is important to quantify PtdInsP levels before and after a signaling event or between control and abnormal conditions. However, due to their low abundance and similarity, quantifying the relative amounts of each PtdInsP can be challenging. This article describes a method for quantifying PtdInsP levels by metabolically labeling cells with 3H-myo-inositol, which is incorporated into PtdInsPs. Phospholipids are then precipitated and deacylated. The resulting soluble 3H-glycero-inositides are further extracted, separated by high-performance liquid chromatography (HPLC), and detected by flow scintillation. The labeling and processing of yeast samples is described in detail, as well as the instrumental setup for the HPLC and flow scintillator. Despite losing structural information regarding acyl chain content, this method is sensitive and can be optimized to concurrently quantify all seven PtdInsPs in cells.

Phosphoinositides are signaling lipids whose relative abundance rapidly changes in response to various stimuli. This article describes a method to measure the abundance of phosphoinositides by metabolically labeling cells with 3H-myo-inositol, followed by extraction and deacylation. Extracted glycero-inositides are then separated by high-performance liquid chromatography and quantified by flow scintillation.

Radiomarkierung und Quantifizierung von Cellular Ebenen Phosphoinositide von High Performance Liquid Chromatography-gekoppelten Durchflussscintilla

Phosphoinositides (PtdInsPs) are essential signaling lipids responsible for recruiting specific effectors and conferring organelles with molecular ...

In Situ Characterization of Hydrated Proteins in Water by SALVI and ToF-SIMS

This work demonstrates in situ characterization of protein biomolecules in the aqueous solution using the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). The fibronectin protein film was immobilized on the silicon nitride (SiN) membrane that forms the SALVI detection area. During ToF-SIMS analysis, three modes of analysis were conducted including high spatial resolution mass spectrometry, two-dimensional (2D) imaging, and depth profiling. Mass spectra were acquired in both positive and negative modes. Deionized water was also analyzed as a reference sample. Our results show that the fibronectin film in water has more distinct and stronger water cluster peaks compared to water alone. Characteristic peaks of amino acid fragments are also observable in the hydrated protein ToF-SIMS spectra. These results illustrate that protein molecule adsorption on a surface can be studied dynamically using SALVI and ToF-SIMS in the liquid environment for the first time.

In Situ Characterization of Hydrated Proteins in Water by SALVI and ToF-SIMS

This work presents a protocol for liquid handling and sample introduction to a microchannel for in situ time-of-flight secondary ion mass spectrometry analysis of protein biomolecules in an aqueous solution.

In-situ-Charakterisierung von Hydrated Proteine ​​in Wasser durch SALVI und TOF-SIMS

This work demonstrates in situ characterization of protein biomolecules in the aqueous solution using the System for Analysis at the Liquid Vacuum ...

Sequencing of Plant Wall Heteroxylans Using Enzymic, Chemical (Methylation) and Physical (Mass Spectrometry, Nuclear Magnetic Resonance) Techniques

This protocol describes the specific techniques used for the characterization of reducing end (RE) and internal region glycosyl sequence(s) of heteroxylans. De-starched wheat endosperm cell walls were isolated as an alcohol-insoluble residue (AIR)1 and sequentially extracted with water (W-sol Fr) and 1 M KOH containing 1% NaBH4 (KOH-sol Fr) as described by Ratnayake et al. (2014)2. Two different approaches (see summary in Figure 1) are adopted. In the first, intact W-sol AXs are treated with 2AB to tag the original RE backbone chain sugar residue and then treated with an endoxylanase to generate a mixture of 2AB-labelled RE and internal region reducing oligosaccharides, respectively. In a second approach, the KOH-sol Fr is hydrolyzed with endoxylanase to first generate a mixture of oligosaccharides which are subsequently labelled with 2AB. The enzymically released ((un)tagged) oligosaccharides from both W- and KOH-sol Frs are then methylated and the detailed structural analysis of both the native and methylated oligosaccharides is performed using a combination of MALDI-TOF-MS, RP-HPLC-ESI-QTOF-MS and ESI-MSn. Endoxylanase digested KOH-sol AXs are also characterized by nuclear magnetic resonance (NMR) that also provides information on the anomeric configuration. These techniques can be applied to other classes of polysaccharides using the appropriate endo-hydrolases.

Sequencing of Plant Wall Heteroxylans Using Enzymic, Chemical Methylation and Physical Mass Spectrometry, Nuclear Magnetic Resonance Techniques

This protocol describes the specific techniques used for the structural characterization of reducing end (RE) and internal region glycosyl sequence(s) of heteroxylans by tagging the RE with 2 aminobenzamide prior to enzymatic (endoxylanase) hydrolysis and then analysis of the resultant oligosaccharides using mass spectrometry (MS) and nuclear magnetic resonance (NMR).

Sequenzierung von Pflanzenwand Heteroxylane Mit Enzymatische, Chemical (Methylierungs) und Physical (Mass Spectrometry, Nuclear Magnetic Resonance) Techniques

This protocol describes the specific techniques used for the characterization of reducing end (RE) and internal region glycosyl sequence(s) of ...

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with nitroxide spin probe 3-(2-Iodoacetamido)-2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) as a guest inside the periodic mesoporous organosilica (PMO) aerogel UKON1-GEL as a host and ethanol as a solvent is used as an example to describe the protocol. Data is shown from a previous publication, where the protocol has been applied to both IPSL and Tris(8-carboxy-2,2,6,6-perdeutero-tetramethyl-benzo[1,2-d:4,5-d&#8242;]bis(1,3)dithiole) methyl (Trityl) as guest molecules and UKON1-GEL and SILICA-GEL as host systems. 
A method is shown to prepare aerogel samples that cannot be synthesized directly in the sample tube for measurement due to a size change during synthesis. The aerogel is attached to sample tubes using heat shrink tubing and a pressure cooker to reach the necessary temperature without evaporating the solvent in the process. The method does not assume a clearly defined initial distribution of guest molecules at the start of the measurement. Instead, it requires a reservoir on top of the aerogel and experimentally determines the influx rate during data analysis.
The diffusion is monitored continually over a period of 20 hr by recording the 1d spin density profile within the sample. The spectrometer settings for the imaging experiment are described quantitatively. Data analysis software is provided to take the resonator sensitivity profile into account and to numerically solve the diffusion equation. The software determines the macroscopic translational diffusion coefficient by least square minimization of the difference between the experiment and the numerical solution of the diffusion equation.

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

A protocol for the in situ monitoring of the diffusion of guest molecules in porous media using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging is presented.

In Situ Überwachung der Diffusion von Gastmolekülen in porösen Medien Mit Elektronenspintomographie

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with ...

In Situ Characterization of Shewanella oneidensis MR1 Biofilms by SALVI and ToF-SIMS

Bacterial biofilms are surface-associated communities that are vastly studied to understand their self-produced extracellular polymeric substances (EPS) and their roles in environmental microbiology. This study outlines a method to cultivate biofilm attachment to the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI) and achieve in situ chemical mapping of a living biofilm by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). This is done through the culturing of bacteria both outside and within the SALVI channel with our specialized setup, as well as through optical imaging techniques to detect the biofilm presence and thickness before ToF-SIMS analysis. Our results show the characteristic peaks of the Shewanella biofilm in its natural hydrated state, highlighting upon its localized water cluster environment, as well as EPS fragments, which are drastically different from the same biofilm's dehydrated state. These results demonstrate the breakthrough capability of SALVI that allows for in situ biofilm imaging with a vacuum-based chemical imaging instrument.

In Situ Characterization of Shewanella oneidensis MR1 Biofilms by SALVI and ToF-SIMS

This article presents a method for growing a biofilm for in situ time-of-flight secondary ion mass spectrometry for chemical mapping in its hydrated state, enabled by a microfluidic reactor, System for Analysis at the liquid Vacuum Interface. The Shewanella oneidensis MR-1 with green fluorescence protein was used as a model.

In Situ Charakterisierung von Shewanella Oneidensis MR1 Biofilmen von SALVI und ToF-SIMS

Bacterial biofilms are surface-associated communities that are vastly studied to understand their self-produced extracellular polymeric substances (EPS) ...

A Convenient Method for Extraction and Analysis with High-Pressure Liquid Chromatography of Catecholamine Neurotransmitters and Their Metabolites

The extraction and analysis of catecholamine neurotransmitters in biological fluids is of great importance in assessing nervous system function and related diseases, but their precise measurement is still a challenge. Many protocols have been described for neurotransmitter measurement by a variety of instruments, including high-pressure liquid chromatography (HPLC). However, there are shortcomings, such as complicated operation or hard-to-detect multiple targets, which cannot be avoided, and presently, the dominant analysis technique is still HPLC coupled with sensitive electrochemical or fluorimetric detection, due to its high sensitivity and good selectivity. Here, a detailed protocol is described for the pretreatment and detection of catecholamines with high pressure liquid chromatography with electrochemical detection (HPLC-ECD) in real urine samples of infants, using electrospun composite nanofibers composed of polymeric crown ether with polystyrene as adsorbent, also known as the packed-fiber solid phase extraction (PFSPE) method. We show how urine samples can be easily precleaned by a nanofiber-packed solid phase column, and how the analytes in the sample can be rapidly enriched, desorbed, and detected on an ECD system. PFSPE greatly simplifies the pretreatment procedures for biological samples, allowing for decreased time, expense, and reduction of the loss of targets. 
Overall, this work illustrates a simple and convenient protocol for solid-phase extraction coupled to an HPLC-ECD system for simultaneous determination of three monoamine neurotransmitters (norepinephrine (NE), epinephrine (E), dopamine (DA)) and two of their metabolites (3-methoxy-4-hydroxyphenylglycol (MHPG) and 3,4-dihydroxy-phenylacetic acid (DOPAC)) in infants' urine. The established protocol was applied to assess the differences of urinary catecholamines and their metabolites between high-risk infants with perinatal brain damage and healthy controls. Comparative analysis revealed a significant difference in urinary MHPG between the two groups, indicating that the catecholamine metabolites may be an important candidate marker for early diagnosis of cases at risk for brain damage in infants.

We present a convenient solid-phase extraction coupled to high-pressure liquid chromatography (HPLC) with electrochemical detection (ECD) for simultaneous determination of three monoamine neurotransmitters and two of their metabolites in infants' urine. We also identify the metabolite MHPG as a potential biomarker for the early diagnosis of brain damage for infants.

Eine bequeme Methode für die Extraktion und Analyse mit Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie Katecholamin Neurotransmitter und deren Metabolite

The extraction and analysis of catecholamine neurotransmitters in biological fluids is of great importance in assessing nervous system function and ...

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.

Verwendung von Graphen Flüssigkeit Cell Transmissions-Elektronenmikroskopie in Situ Nanocrystal Ätzen zu studieren

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