Kwantificeren van Röntgen fluorescentie gegevens met behulp van MAPS

Summary

Hier, tonen we het gebruik van de X-ray software voor de montage van de fluorescentie, kaarten, gemaakt door Argonne National Laboratory voor de kwantificering van de fluorescentie microscopie gegevens. De gekwantificeerde gegevens die het resultaat is nuttig voor het begrijpen van de elementaire distributie en stoichiometrische verhoudingen binnen een steekproef van belang.

Abstract

De kwantificering van Röntgen fluorescentie (XRF) microscopie kaarten door het aanbrengen van de ruwe spectra met een bekende norm is van cruciaal belang voor de beoordeling van de chemische samenstelling en elementaire distributie in een materiaal. Synchrotron gebaseerde XRF geworden een integraal karakterisering techniek voor een verscheidenheid van onderzoeksonderwerpen, met name als gevolg van de niet-destructieve aard ervan en de hoge gevoeligheid. Vandaag, kunnen synchrotrons verwerven fluorescentie gegevens bij ruimtelijke resoluties goed onder een micron, rekening houdend met de evaluatie van compositorische variaties op nanoschaal. Door juiste kwantificering is het dan mogelijk om een diepgaande, high-resolution begrip van elementaire segregatie, stoichiometrische verhoudingen en clustering gedrag.

In dit artikel wordt uitgelegd hoe u de montage van de software die is ontwikkeld door Argonne National Laboratory voor de kwantificering van volledige 2D-XRF kaarten kaarten. We gebruiken een voorbeeld voortvloeit uit een Cu (In, Ga) Se₂ zonnecel, genomen op de geavanceerde Photon bron beamline-ID-2D bij Argonne National Laboratory. Wij tonen de standaardprocedure voor montage onbewerkte gegevens, laten zien hoe te evalueren van de kwaliteit van een fit en presenteren van de typische resultaten gegenereerd door het programma. Daarnaast bespreken we in dit manuscript bepaalde beperkingen van de software en bieden suggesties voor het verder de om gegevens te corrigeren als numeriek nauwkeurige en representatieve van ruimtelijk opgelost, elementaire concentraties.

Introduction

Synchrotron gebaseerde XRF heeft in meerdere disciplines gebruikt voor vele decennia. Bijvoorbeeld, is het gebruikt in de biologie op studies zoals dat wordt gedaan door Geraki et al., waarin zij sporen van metalen concentraties binnen kanker en niet-kanker borst weefsel ¹gekwantificeerd. Meer in het algemeen, kwantitatieve XRF is toegepast op een breed scala van biologie studies betrokken met metalen concentraties in cellen en weefsels, zoals beschreven door Paunesku et al. ². Evenzo mariene protisten werden bestudeerd voor spoorelementen ^3,4 en zelfs micro- en macronutriënten distributies werden waargenomen in plantaardige cellen ⁵. Werken door Kemner et al. ⁶, die geïdentificeerd duidelijke verschillen in morfologie en elementaire samenstelling in één bacteriën cellen, werd ook mogelijk gemaakt door kwantitatieve XRF analyse. Bovendien, en in het bijzonder relevant zijn voor het voorbeeld vermeld hierin materialen wetenschappers bestuderen zonnecel apparaten gebruik hebben gemaakt van hoge resolutie XRF voor studies op het bestaan van sub micron metalen onzuiverheden in silicium halfgeleiders ^{7 , 8}, oereenstemming werk op hoe elementaire distributies invloed hebben op de elektrische prestaties in zonne-energie apparaten ^9,10, en identificeren diepte-afhankelijke gradiënten van CIGS dunne film zonnecellen via begrazing incidentie X-ray fluorescentie (GIXRF) ¹¹.

Veel van deze studies maken gebruik niet alleen van de high-resolution mogelijkheden van synchrotron Röntgen fluorescentie te bestuderen van de ruimtelijke verdeling, maar ook de kwantificering van de informatie voor numerieke conclusies te trekken. In vele studies is het van cruciaal belang om te weten van de elementaire concentraties gekoppeld aan de bovengenoemde ruimtelijke distributies. Bijvoorbeeld, in het werk van Geraki et al.., de studie vereist kwantificeren van het verschil in concentratie van ijzer, koper, zink en kalium in kanker en niet-kanker borstweefsels, beter begrijpen welke concentraties worden schadelijk zijn voor menselijke weefsels ¹. Ook werk van Luo et al. gebruik van gekwantificeerde XRF te identificeren van kleine hoeveelheden chloor opgenomen in perovskiet zonnecellen wanneer gesynthetiseerd zowel met als zonder chloor-bevattende precursoren ¹²gemaakt. Voor bepaalde studies waarin de concentraties van elementen nodig, adequate kwantificering zijn daarom een noodzakelijke en essentiële stap.

Het proces van het kwantificeren van de elementaire concentraties van Röntgen fluorescentie (XRF) metingen vertaalt graven van de intensiteit van de fluorescentie in massaconcentraties (bijvoorbeeld µg/cm²). De ruwe spectra presenteren het aantal fotonen verzameld door de energie dispersieve fluorescentiedetector als een functie van energie. De spectra zijn eerste passen en vervolgens vergeleken met een standaard meting voor het berekenen van de gekwantificeerde gegevens. In het bijzonder, is de eerste stap van de montage van de fluorescentie spectra kritische zelfs voor de kwalitatieve analyse van de elementen. Dit is omdat voorafgaand aan de montage, de graven zijn weggegooid gebaseerd op hun energie, die een probleem ontstaat als twee elementen met soortgelijke fluorescentie overgangen zijn opgenomen in de steekproef. In deze situatie kunnen graven worden onjuist weggegooid en dus de verkeerde element zijn gekoppeld.

Het is vaak ook nodig zijn om te kwantificeren XRF spectra om nauwkeurig conclusies te trekken over de relatieve hoeveelheden van elementen in een monster. Zonder juiste kwantificering, graven van zware elementen en lichtere elementen zullen worden vergeleken rechtstreeks, het negeren van verschillen in opname cross sectie, absorptie en fluorescentie waarschijnlijkheid, demping van de fluorescentie fotonen, en de afstand van de de rand van de absorptie van het element van de invallende energie, die alle invloed op het aantal fotonen opvallend van de detector. Daarom is het proces van de montage van de spectra voor elke kaart en vergelijken intensiteiten van de piek aan de norm, die beide worden gedaan in de volgende procedure, is kritiek voor het nauwkeurige kwantificering van elk van de elementaire concentraties.

We laten zien hoe de ruwe graven van fluorescentie fotonen omzetten in eenheden van microgram per vierkante centimeter (µg/cm²) door het aanbrengen van een integraal spectrum of een opgeteld spectrum van alle individuele spectra geproduceerd bij elke meting plek of pixel in een 2D kaart. Dit spectrum toont de relatieve intensiteiten van de verschillende elementen in het monster. De afstand van die de rand van de absorptie van een bepaald element van de energie van de invallende lichtbundel is beïnvloedt de intensiteiten van de toppen van hun fluorescentie. In het algemeen, zijn hoe dichter de twee energieën, hoe groter de intensiteit geproduceerd voor deze elementen, hoewel dit niet altijd het geval. Figuur 4 in Ref ¹³ toont de afhankelijkheid van de lengte van de absorptie van röntgenstraling fotonen, die rechtstreeks verband met de resulterende intensiteit, voor de meeste elementen in een methylammonium voorsprong jodide perovskiet zonnecel houdt. Hieruit blijkt dat de reactie van de fluorescentie van elementen met betrekking tot energie en laat zien dat er niet een voortdurende afname van de reactie met toenemende afstand van de invallende energie, maar dat het is ook afhankelijk van het element zelf.

Het resultaat van deze relatie is dat rauwe elemental concentraties hoger voor element kanalen met de energieën van de excitatie dichter aan de invallende energie, verschijnen zelfs als het ware hoeveelheden van die elementen lager ten opzichte van andere elementen met excitatie zijn energie verder van het incident. Daarom is de energieafhankelijkheid van intensiteit, samen met andere factoren zoals fluorescentie opbrengst variaties met verschillende absorptie randen, gevoeligheid van de detector, en meting achtergrond, enz., de reden waarom de montage van de gegevens is zeer belangrijk voorafgaand aan tekening conclusies over de waargenomen elementaire hoeveelheden. Wij vervolgens toepassen een montage-algoritme op het integraal spectrum, waar de gebruiker definieert de elementen en parameters te passen via een tekstdocument.

Het algoritme, gemaakt door Vogt et al. ¹⁴, maakt gebruik van regio’s voor het filteren van belang (ROI), waarin het integreert over bepaalde elementen piek, Regio’sen beginsel componenten analyse (PCA). Ten eerste wordt partnerschaps-en samenwerkingsovereenkomst gedaan om alleen de elementen en de bergtoppen die zeer sterk duidelijk zijn te identificeren. Dit zorgt voor de scheiding van lawaai van de ware signaal. Hierna sloeg het beginsel componenten geïdentificeerd zijn numeriek gekwantificeerd, die belangrijk is voor de ander element pieken met dezelfde excitatie energie deconvoluting, bijvoorbeeld overlappende Au M_α en P K_α. Ten slotte, ROI filteren kan worden toegepast in de numerieke gegevens door over bepaalde gebieden te integreren.

Als u wilt gaan graven over elementaire concentraties, wordt een goed gekwantificeerde verwijzing (vaak aangeduid als “standaard”) gemeten onder dezelfde voorwaarden van de meting, geometrie en energie, als het monster onder studie. Deze standaard is vaak van Dresden AXO of van het National Institute of Standards and Technology (NIST). Zij omvatten een scala aan verschillende elementen en voorzien van getabelleerde elemental distributies. De normalisatie van de gemeten graven van het monster van belang aan de graven van de standaard onder dezelfde meting voorwaarden vormt de basis voor de elementaire kwantificering voor het monster van belang.

Meer in het bijzonder, MAPS identificeert de elementen en de concentraties van de standaard door het feit dat de standaard informatie is bekend door het programma (zoals het geval voor de normen AXO en NIST) of via de gegevens die worden ingevoerd in een afzonderlijk bestand (in het geval van een verschillende standaard wordt gebruikt). Van deze informatie, heeft het programma betrekking op de gemeten intensiteiten van de standaard elementen onder de instellingen van de meting bij de verwachte concentratie ingebed in de kaarten. Vervolgens maakt een schaalfactor om aan te passen voor elke offset en extrapoleert deze schaalfactor om alle resterende elementen niet opgenomen in de standaard. De schaalfactor wordt dan de offset van de instellingen van de meting en de inlichtingen binnen MAPS voor de lineaire conversie van raw graven naar oppervlaktedichtheid in µg/cm²omvat.

Hier, we laten zien hoe maak je gebruik van het programma, kaarten, ontwikkeld door Dr. S. Vogt, te kwantificeren van fluorescentie-staat straallijnen op Argonne National Laboratory (ANL) ¹⁴verkregen gegevens. De gegevens die worden gebruikt voor de demonstratie werd overgenomen bij sector 2-ID-D van ANL met behulp van de setup van de meting afgebeeld in figuur 1 van ¹⁰. De passende procedure kan ook worden toegepast op gegevens uit andere straallijnen, echter rekening mee dat bepaalde kenmerken van de straallijnen ANL zijn ingebed in het programma en zal moeten worden bijgewerkt.

Protocol

Opmerking: Voorafgaand aan het begin van de montage, het is belangrijk om te weten een paar dingen over de verrichte metingen: het aantal detector elementen gebruikt – verschillende straallijnen gebruiken verschillende detectoren die soms zijn onderverdeeld in kleinere secties waaruit de graven zijn lezen en samengesteld; de invallende energie gebruikt; en de standaard gemeten. Deze informatie zal worden toegepast in verschillende aspecten van de procedure. 1. het opzetten van het programma …

Representative Results

Een voorbeeld van correcte montage resultaten kan worden gezien in de volgende cijfers. In de eerste plaats in Figuur 1 een directe vergelijking is aangetoond tussen een arme passen en een goed geschikt voor het integraal spectrum. De slechte pasvorm is repareren door ervoor te zorgen geen elementen ontbreekt, bijvoorbeeld koper, die heeft een duidelijke piek in Figuur 1(links), maar is niet wordt opgenomen in de pasvorm, en aanp…

Discussion

De cijfers tonen het belang van passende gegevens met behulp van deze procedure. Cijfers 1 (rechts) en 2 (onder) Toon een representatief resultaat die moet voortvloeien uit een juiste montage. Als er een onvoldoende passen, de integraal spectrum afbeelding ziet er merkbaar af en de resulterende gekwantificeerde gegevens zal fouten hebben, hoewel dit zal zijn moeilijk op te sporen in de meeste gevallen. Voor bepaalde monster typen waarvoor de norm niet vertegenwoordiger van de elementen in het monster, is…