التحديد الكمي للبيانات Fluorescence الأشعة السينية باستخدام خرائط
Summary
هنا، ندلل على استخدام الأشعة السينية fluorescence تركيب البرمجيات، الخرائط، تم إنشاؤها بواسطة “مختبر أرغون الوطني” للتحديد الكمي للبيانات مجهرية الأسفار. البيانات الكمية التي تنتج مفيد لفهم توزيع عنصري ونسب المقايسة داخل عينة فائدة.
Abstract
التحديد الكمي للأشعة السينية مجهرية الفلورية (XRF) خرائط باحتواء الأطياف الخام إلى معيار معروف أمر حاسم لتقييم التركيب الكيميائي وتوزيع عنصري داخل مادة. على أساس السنكروتروني XRF أصبح أسلوب توصيف لا يتجزأ لمجموعة متنوعة من مواضيع البحث، لا سيما بسبب طبيعته غير المدمرة وحساسية عالية. اليوم، سينتشروترونس يمكن الحصول على بيانات fluorescence في القرارات المكانية أقل بكثير ميكرون، مما يسمح لتقييم التغيرات التركيبية في النانو. من خلال التحديد الكمي المناسب، من الممكن ثم إلى التوصل إلى فهم متعمق، عالية الاستبانة فصل عنصري وعلاقات المقايسة، وسلوك التجميع.
يشرح هذا المقال كيفية استخدام الخرائط بتركيب البرمجيات التي وضعها “مختبر أرغون الوطني” للتحديد الكمي لخرائط XRF كامل 2-د. ونحن نستخدم كمثال على النتائج من Cu (في, Ga) الخلايا الشمسية2 Se، اتخذت في “مصدر فوتون متقدمة” بيمليني 2-المعرف-د في “مختبر أرغون الوطني”. علينا إظهار الإجراء القياسي لتركيب البيانات الخام، لشرح كيفية تقييم جودة لنوبة والحاضر النواتج النموذجية التي تم إنشاؤها بواسطة البرنامج. وباﻹضافة إلى ذلك، ونحن نناقش في هذه المخطوطة بعض التقييدات البرمجيات وعرض اقتراحات بشأن كيفية مواصلة تصحيح البيانات أن تكون دقيقة وتمثيلا عددياً مكانياً حلها، تركيزات عنصري.
Introduction
وقد استخدمت XRF المستندة إلى السنكروتروني عبر تخصصات متعددة لعقود عديدة. على سبيل المثال، قد استخدمت في علم الأحياء على دراسات مثل التي تتم بواسطة جيراكي et al.، التي هي كمياً كميات نزرة من تركيزات المعادن داخل أنسجة الثدي السرطانية وغير السرطانية 1. وبصورة أعم، XRF الكمية تم تطبيقه على مجموعة واسعة من دراسات علم الأحياء المعنية مع تركيزات المعادن في الخلايا والأنسجة، كما وصفها بونيسكو et al. 2-وبالمثل، درست الاولانيات البحرية للعناصر النزرة 3،4 وتوزيع المشاريع المتناهية الصغر و macronutrient حتى لوحظت داخل الخلايا النباتية 5. العمل بواسطة كيمنير et al. كما أمكن 6، التي حددت اختلافات واضحة في مورفولوجيا وتكوين عنصري في خلايا البكتيريا واحدة، عن طريق التحليل الكمي XRF. بالإضافة إلى ذلك، وعلى وجه الخصوص ذات الصلة إلى المثال كشف هذه الوثيقة، جعلت العلماء مواد تدرس أجهزة الخلايا الشمسية في استخدام XRF عالية الاستبانة للدراسات على وجود الشوائب المعدنية الفرعية ميكرون في أشباه الموصلات السيليكون 7 , 8، يرتبط العمل على توزيع عنصري كيف تؤثر على الأداء الكهربائية في أجهزة الطاقة الشمسية 9،10، وتحديد التدرجات تعتمد على عمق من CIGS رقيقة الفيلم الخلايا الشمسية عن طريق الرعي الإصابة بالأشعة السينية 11من الأسفار (جيكسرف).
العديد من هذه الدراسات تجعل استخدامها ليس فقط لقدرات عالية الدقة السنكروتروني fluorescence الأشعة السينية لدراسة التوزيع المكاني، ولكن أيضا التقدير الكمي للمعلومات لاستخلاص النتائج العددية. في العديد من الدراسات، من المهم معرفة تركيزات عنصري المقترنة بالتوزيعات المكانية المشار إليها أعلاه. على سبيل المثال، في العمل الذي يقوم به جيراكي et al.، يتطلب الدراسة تحدد مقدار هذا الاختلاف في تركيزات من الحديد والنحاس والزنك والبوتاسيوم في السرطانية وأنسجة الثدي غير سرطانية، إلى تحسين فهم ما التركيزات تصبح ضارة ل 1من الأنسجة البشرية. وبالمثل، العمل بواسطة لوه وآخرون. باستخدام XRF كمياً لتحديد كميات صغيرة من الكلور أدرجت في الخلايا الشمسية بيروفسكيتي عند توليفها على حد سواء مع ودون السلائف المحتوية على الكلور 12. ولذلك، لبعض الدراسات بتركيزات العناصر الكمي اللازمة، والصحيح خطوة ضرورية وحاسمة.
عملية قياس تركيزات عنصري من قياسات الأشعة الفلورية (XRF) يترجم fluorescence كثافة التهم في التركيزات (مثلاً ميكروغرام/سم2). يقدم الأطياف الخام عدد الفوتونات التي تجمعها الكاشف ومضان المشتتة الطاقة كدالة للطاقة. أولاً تناسب الأطياف وبعد مقارنة لقياس معيار لحساب البيانات الكمية. على وجه الخصوص، الخطوة الأولى لتركيب الأطياف fluorescence الحرجة حتى بالنسبة للتحليل النوعي للعناصر. لأنه يتم إهمال التهم قبل تركيب، يستند هذا على الطاقة، ويصبح مشكلة عندما عنصرين مع التحولات fluorescence مماثلة ترد في العينة. في هذه الحالة، قد بشكل غير صحيح إهمال التهم والمقترنة بذلك العنصر خاطئ.
وكثيراً ما كما أنها ضرورية لتحديد XRF الأطياف من أجل دقة استخلاص استنتاجات بشأن الكميات النسبية للعناصر في نموذج. دون التحديد الكمي المناسب، تهم أخف العناصر والعناصر الثقيلة سيتم مقارنة مباشرة، تجاهل الاختلافات في التقاط عبر احتمال القسم والاستيعاب والأسفار، وتوهين الفوتونات الأسفار، والمسافة حافة امتصاص العنصر من الطاقة، التي تؤثر على عدد الفوتونات ضرب الكشف عن جميع. ولذلك، عملية تركيب الأطياف لكل خريطة ومقارنة كثافة الذروة للمعيار، والتي تتم في الإجراء التالي، أمر بالغ الأهمية للتحديد الكمي الدقيق لكل من عنصري تركيزات.
نحن لشرح كيفية تحويل التهم الخام للفوتونات الأسفار إلى وحدات ميكروجراما لكل سنتيمتر مربع (ميكروغرام/سم2) باحتواء الأولى طيف لا يتجزأ، أو أنتجت طائفة summed من جميع الأطياف الفردية في كل بقعة القياس أو بكسل في مخطط ثنائي الأبعاد. ويبين هذا الطيف الشدة النسبية لمختلف العناصر الواردة في العينة. المسافة حافة امتصاص عنصر معين من الطاقة شعاع الحادث يؤثر كثافة على قمم الأسفار. وبصفة عامة، هي أقرب طاقات اثنين، كلما زادت كثافة المنتجة لتلك العناصر، على الرغم من أن هذا ليس هو الحال دائماً. ويبين الشكل 4 في Ref 13 الاعتماد على طول امتصاص الأشعة السينية الفوتونات، التي تتعلق مباشرة بكثافة الناتجة، لغالبية عناصر في خلية شمسية بيروفسكيتي يوديد الرصاص ميثيلامونيوم. وهذا يدل على رد fluorescence العناصر فيما يتعلق بالطاقة، ويظهر أنه ليس من انخفاض مستمر في استجابة مع زيادة المسافة من الطاقة، ولكن بدلاً من ذلك فإنه أيضا يعتمد على العنصر نفسه.
ونتيجة لهذه العلاقة أن تركيزات عنصري الخام قد تظهر أعلى بالنسبة لقنوات العنصر مع الطاقات الإثارة أقرب إلى الطاقة، حتى إذا كانت الكميات الحقيقية لتلك العناصر أقل فيما يتعلق بالعناصر الأخرى مع الإثارة الطاقات بعيداً عن الحادث. ولذلك، الاعتماد على الطاقة من الشدة، جنبا إلى جنب مع عوامل أخرى مثل الأسفار الغلة الاختلافات وحواف امتصاص مختلفة، حساسية الكاشف، وقياس الخلفية، إلخ، السبب في احتواء البيانات مهم جداً قبل الرسم استنتاجات بشأن الكميات عنصري الملاحظة. ثم نقوم بتطبيق خوارزمية مناسب إلى الطيف لا يتجزأ، حيث يحدد المستخدم العناصر والمعلمات لتناسب عبر مستند نصي.
الخوارزمية، تم إنشاؤها بواسطة فوغت وآخرون. 14، يجعل استخدام المناطق لتصفية المصالح (ROI)، الذي يجمع بين أكثر المناطق الذروة عناصر معينة، ومبدأ مكون تحليل (PCA). أولاً، يتم تحديد العناصر والقمم التي واضحة جداً بشدة فقط محكمة التحكيم الدائمة. وهذا يسمح لفصل الضوضاء من إشارة حقيقية. المقبل، ومبدأ العناصر المحددة عددياً كمياً، هو أمر مهم ديكونفولوتينج قمم مختلفة عنصر بنفس الطاقة الإثارة، على سبيل المثال تداخل م الاتحاد الأفريقيα “وك ف”α. وأخيراً، قد تطبيق التصفية دوروا للبيانات الرقمية بإدماج أكثر المناطق المحددة.
تتعلق التهم إلى تركيزات عنصري، يقاس مرجعاً جيدا كمياً (غالباً ما يشار إلى “المعيار”) تحت نفس ظروف القياس والهندسة والطاقة، كالعينة قيد الدراسة. هذا المعيار غالباً من “الذخائر المتفجرة المتروكة درسدن” أو من “المعهد الوطني للمعايير” والتكنولوجيا (NIST). أنها تغطي مجموعة متنوعة من عناصر مختلفة، وتأتي مع جداول التوزيعات عنصري. تطبيع التهم قياس العينة من الفائدة من التهم لمعيار القياس نفس الشروط يوفر الأساس لعنصري التقدير الكمي للعينة للفائدة.
وبشكل أكثر تحديداً، خرائط تحدد العناصر وتركزاتها المعيار أما بحقيقة أن المعلومات القياسية المعروف بالبرنامج (كما الحال بالنسبة لمعايير الذخائر المتروكة و NIST) أو من خلال البيانات المدخلة في ملف منفصل (في حالة من المعايير المختلفة المستخدمة). من هذه المعلومات، يتصل البرنامج قياس كثافات العناصر القياسية تحت إعدادات القياس إلى تركيز المتوقعة جزءا لا يتجزأ من الخرائط. ثم ينشئ عامل تحجيم لضبط أي إزاحة ويستنبط هذا عامل التحجيم لجميع العناصر المتبقية التي لم تدرج في المعيار. ويشمل عامل التحجيم ثم الإزاحة من إعدادات القياس والمعلومات المقدمة ضمن مخططات لتحويل خطي من التهم الخام إلى كثافة مساحية في ميكروغرام/سم2.
هنا، نحن لشرح كيفية جعل استخدام البرنامج، الخرائط، التي وضعها الدكتور س. فوغت، تحديد كمية البيانات التي تم الحصول عليها من بيملينيس قادرة على الأسفار في مختبر أرغون الوطني (ANL) 14. تم اقتناء البيانات المستخدمة للمظاهرة في القطاع 2-معرف-د من ANL استخدام إعداد القياس هو مبين في الشكل 1 من 10. يمكن أيضا تطبيق الإجراء المناسب للبيانات المأخوذة من بيملينيس الأخرى، ومع ذلك، علما بأن بعض الخصائص بيملينيس ANL المضمنة في البرنامج، وسوف تحتاج إلى تحديث.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتبين الأرقام أهمية احتواء البيانات باستخدام هذا الإجراء. الأرقام 1 (يمين) و 2 (أسفل) تظهر نتيجة تمثيلية التي ينبغي أن تنشأ من مناسب سليم. إذا كان هناك عدم كفاية تناسب، ستبدو الصورة الطيف لا يتجزأ ملحوظ قبالة والبيانات الكمية الناتجة سوف تحتوي على أخطاء، على الرغم من أن هذه سوف يكون …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نعترف بتمويل من “وزارة الطاقة الأميركية” تحت العقد دي-EE0005948. استخدام المركز لمواد النانو ومصدر فوتون متقدمة، كل من مرافق المستخدم “مكتب العلم”، تدعمها وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم، “مكتب للطاقة العلوم الأساسية”، تحت “رقم العقد” دي-AC02-06CH11357. هذه المواد ويستند إلى العمل المدعوم جزئيا من مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) والطاقة (وزارة) تحت “رقم المرجع المصدق جبهة الخلاص الوطني” الجماعة الاقتصادية الأوروبية-1041895. تحرير الفيديو فعل فيسلاب في جامعة ولاية أريزونا. أي آراء أو النتائج والاستنتاجات أو التوصيات التي أعرب عنها في هذه المواد هي تلك التي المؤلف ولا تعكس بالضرورة آراء من جبهة الخلاص الوطني أو الكيان التشغيلي المعين. ويدعم T.N. زمالة إيجيرت-سون تمولها “المؤسسة الوطنية للعلوم” (جائزة 1144616).
References
- Geraki, K., Farquharson, M. J., Bradley, D. A. X-ray fluorescence and energy dispersive x-ray diffraction for the quantification of elemental concentrations in breast tissue. Phys. Med. Biol. 49, 99-110 (2004).
- Paunesku, T., Vogt, S., Maser, J., Lai, B., Woloschak, G. X-ray fluorescence microprobe imaging in biology and medicine. J. Cell. Biochem. 99 (6), 1489-1502 (2006).
- Twining, B. S., et al. Quantifying Trace Elements in Individual Aquatic Protist Cells with a Synchrotron X-ray Fluorescence Microprobe. Anal. Chem. 75 (15), 3806-3816 (2003).
- de Jonge, M. D., et al. Quantitative 3D elemental microtomography of Cylotella meneghiniana at 400-nm resolution. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (36), 15676-15680 (2010).
- Duĉić, T., et al. Enhancement in statistical and image analysis for in situ µSXRF studies of elemental distribution and co-localization, using Dioscorea balcanica. J. Synchrotron Rad. 20, 339-346 (2013).
- Kemner, K. M., et al. Elemental and Redox Analysis of Single Bacterial Cells by X-ray Microbeam Analysis. Science. 306 (5696), 686-687 (2004).
- Bertoni, M. I., et al. Nanoprobe X-ray fluorescence characterization of defects in large-area solar cells. Energy Environ. Sci. 4 (10), 4252-4257 (2011).
- Fenning, D. P., et al. Iron distribution in silicon after solar cell processing: Synchrotron analysis and predictive modeling. Appl. Phys. Lett. 98 (162103), (2011).
- Buonassisi, T., et al. Quantifying the effect of metal-rich precipitates on minority carrier diffusion length in multicrystalline silicon using synchrotron-based spectrally resolved x-ray beam induced current. Appl. Phys. Lett. 87 (044101), (2005).
- Stuckelberger, M. Engineering solar cells based on correlative X-ray microscopy. J. Mat. Res. 32 (10), 1825-1854 (2017).
- Streeck, C., et al. Grazing-incidence x-ray fluorescence analysis for non-destructive determination of In and Ga depth profiles in Cu(In,Ga)Se2 absorber films. Appl. Phys. Lett. 103 (113904), (2013).
- Luo, Y., et al. Spatially Heterogeneous Chlorine Incorporation in Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells. Chem. Mater. 28, 6536-6543 (2016).
- Stuckelberger, M. Charge Collection in Hybrid Perovskite Solar Cells: Relation to the Nanoscale Elemental Distribution. IEEE J. Photovolt. 7 (2), 590-597 (2017).
- Vogt, S., Maser, J., Jacobsen, C. Data analysis for X-ray fluorescence imaging. J. Phys. IV France. 104, 617-622 (2003).
- West, B. M. Grain engineering: How nanoscale inhomogeneities can control charge collection in solar cells. Nano Energy. 32, 488-493 (2017).
- Krause, M. O. Atomic Radiative and Radiationless Yields for K and L Shells. J. Phys. Chem. Ref. Data. 8 (2), 307-327 (1979).
- Hubbell, J. H., et al. A Review, Bibliography, and Tabulation of K,L, and Higher Atomic Shell X-Ray Fluorescence Yields. J. Phys. Chem. Ref. Data. 23 (2), 339-364 (1994).
- Ravel, B., Newville, M. ATHENA, ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT. J. Synchrotron Rad. 12, 537-541 (2005).
- West, B. M., et al. X-ray fluorescence at nanoscale resolution for multicomponent layered structures: a solar cell case study. J Synchrotron Rad. 24, (2017).
- De Boer, D. K. G. Calculation of X-Ray Fluorescence Intensities from Bulk and Multilayer Samples. X-Ray Spectrom. 19 (3), 145-154 (1990).
- Lachance, G. R., Claisse, F. . Quantitative X-ray Fluorescence Analysis: Theory and Application. , (1995).
- Sokaras, D., Karydas, A. G. Secondary Fluorescence Enhancement in Confocal X-ray Microscopy Analysis. Anal. Chem. 81 (12), 4946-4954 (2009).
