Gewinnung chemische 3D-Karten von Energy Transmission Electron Microscopy Tomographie gefiltert
Summary
Dieses Whitepaper beschreibt ein Protokoll zur chemischen 3D-Karten Energie gefiltert Bildgebung und Elektron Tomographie kombiniert zu erreichen. Die Chemiedistribution von zwei Katalysator unterstützt durch Elemente, die schwer zu unterscheiden von anderen bildgebenden Verfahren gebildet wurde untersucht. Jede Anwendung besteht aus mapping überlappende chemische Elemente – bzw. Abstand Ionisation Kanten.
Abstract
Energie, die gefilterte Übertragung Elektronenmikroskopie Tomographie (Lutetium-Tomographie) dreidimensionale (3D) chemische Materialien im Nanometer-Maßstab Karten anbieten kann. Lutetium-Tomographie kann chemische Elemente trennen, die sehr schwer zu unterscheiden, mit anderen bildgebenden Verfahren. Das hier beschriebene experimentelle Protokoll zeigt, wie Sie chemische 3D-Karten Verständnis der Chemiedistribution und Morphologie eines Materials zu erstellen. Probe Vorbereitungsschritte für Datensegmentierung werden vorgestellt. Dieses Protokoll ermöglicht die 3D Verteilungsanalyse der chemischen Elemente in einer nanometrischen Probe. Allerdings ist anzumerken, dass derzeit die chemische 3D-Karten nur für Proben können, die nicht Träger empfindlich erzeugt werden, da die Aufnahme des gefilterten Bilder lange Belichtungszeiten zu einem intensiven Elektronenstrahl erfordert. Das Protokoll wurde angewandt, um die chemische Verteilung der Komponenten von zwei verschiedenen heterogenen Katalysator unterstützt zu quantifizieren. In der ersten Studie wurde die Chemiedistribution von Aluminium und Titan im Titania-Aluminiumoxid unterstützt analysiert. Die Proben wurden mit der Schaukel-pH-Methode vorbereitet. Im zweiten Fall wurde der Chemiedistribution von Aluminium und Silizium in Silica-Alumina unterstützt, die bereit waren, mit den Sol-Pulver und mechanische Mischung Methoden untersucht.
Introduction
Die Eigenschaften von Funktionsmaterialien sind ihre 3D Parametern abhängig. Um voll begreifen, ihre Eigenschaften und ihre Funktionen zu verbessern, ist es wichtig, ihre Morphologie und Chemiedistribution in 3D zu analysieren. Elektronenstrahl-Tomographie1 (ET) ist eines der besten Techniken, um diese Informationen auf der Nanometer-Skala2,3. Es besteht aus drehen die Probe über einen großen Winkelbereich und Aufnahme ein Bild bei jedem Winkel Schritt. Die erhaltenen Tilt Series wird verwendet, um das Volumen der Probe zu rekonstruieren, mithilfe von mathematischen Algorithmen basieren auf der Radon-Transformation4,5. Auswahl der Graustufen in der Band hilft, Modell Probe in 3D und 3D Parameter wie Partikel Lokalisierung6 und Größe Verteilung7zu quantifizieren, pore, Position und Größe Verteilung8, etc.
Im Allgemeinen erfolgt durch Kippen der Probe auf den maximal möglichen Winkel, vorzugsweise mehr als 70° in beide Richtungen ET mit einem Elektronenmikroskop. Bei jedem Neigungswinkel ist eine Projektion der Probe aufgezeichnet bilden eine Bilder-Tilt-Serie. Die Tilt-Serie ist ausgerichtet und verwendet, um das Volumen der Probe rekonstruieren die segmentiert und quantifiziert werden. Da die Probe von-90 ° bis + 90 ° gedreht werden kann nicht, hat das rekonstruierte Volumen eine anisotrope Auflösung entlang der orthogonalen Achsen9 aufgrund der blind Aufnahme-Winkel.
ET kann in verschiedenen bildgebenden Modi durchgeführt werden. Die Hellfeld-TEM-Modus (BF-TEM) wird verwendet, um amorphe Materialien, biologischen Proben, Polymere zu studieren, oder Katalysator unterstützt mit komplexen Formen. Die Bildanalyse basiert auf die Differenzierung der Graustufen charakterisieren die Dichte der Komponenten10 (eine dichten Komponente werden mehr dunkel als ein Feuerzeug, d. h., weniger dichten Komponente). High-Angle annular Dunkelfeld im scanning-Modus TEM (HAADF-Stamm) wird verwendet, um kristalline Proben zu analysieren. Das Signal enthält chemische Informationen in Abhängigkeit von der Ordnungszahl; eine starke Komponente der Probe erscheinen heller, leichter eine9. Andere Modi, wie Energie energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), die das Röntgenbild von der materiellen11und Energie emittiert sammelt gefiltert bildgebenden Modus (Lutetium)12,13, sind auch in der Lage beurteilen die 3D Chemiedistribution in der Probe.
In der Bildgebung Lutetium, können chemische 2D-Karten mit einem TEM mit einem Elektron Energie Spektrometer aufgezeichnet werden. Das Spektrometer wirkt als Magnet Prisma durch Dispergieren der Elektronen in Abhängigkeit von ihrer Energie. Ein Bild entsteht durch die Elektronen abhängig von der Energieverlust aus der Interaktion mit einem bestimmten Atom. Wenn die gleichen chemischen 2D-Karte auf unterschiedliche Neigungswinkel, eine Neigung, die Reihe von chemischen Projektionen vorliegt berechnet wird, kann die chemische 3D-Volumen rekonstruieren verwendet werden.
Nicht alle Materialien können durch Lutetium-Tomographie analysiert werden. Die Technik ist für Proben mit einem schwachen oder ungeordnete Materialien vorbehalten. Dennoch kann es verwendet werden, für die Analyse von leichter Elementen, die sehr schwer zu unterscheiden, wenn mit anderen bildgebenden Verfahren. Darüber hinaus muss die Dicke des Materials um zuverlässige chemische 2D-Karten zu erhalten, kleiner als die mittlere freie Weglänge der Elektronen durch die materielle14sein. Unter dieser Bedingung ist die Wahrscheinlichkeit des Habens eines einzelnen Elektrons Interaktion mit einem einzelnen Atom am größten. Zwei Methoden zur Berechnung einer chemischen 2D-Karte. Die erste und die am häufigsten verwendete ist die “drei-Fenster-Methode”, wo zwei gefilterten energiefenster vor der Ionisierung Kante des Elements unter Analyse und ein Drittel nach der Ionisation Kante13aufgenommen. Die ersten beiden Bilder werden verwendet, um den Hintergrund zu schätzen, die extrapoliert wird mit einem Potenzgesetz an der Position des dritten Fenster und abgezogen. Das erhaltene Bild ist die Projektion der 3D Verteilung der analysierten chemischen Elements in das Probenvolumen. Die zweite Methode wird der “Sprung-Ratio”; Es nutzt nur zwei Energie-gefilterte Bilder vor und nach der Ionisation Kante. Diese Methode ist qualitativ, wie das endgültige Bild ergibt sich nur durch das Verhältnis zwischen diesen beiden Bildern durchführen, und nicht für Hintergrund Energie Variation berücksichtigt.
Durch die Kombination von Lutetium mit ET, erhalten Sie die analytische Tomographie der gefilterte Energie. Lutetium-Tomographie und Atom Probe Tomography (APT) sind sich ergänzende Techniken. Im Vergleich zu APT ist Lutetium-Tomographie eine zerstörungsfreie Charakterisierung-Analyse, die nicht komplexe Probenvorbereitung braucht. Es kann verwendet werden, verschiedene Charakterisierungen auf ein einzigartiges Nanopartikel durchführen. Lutetium-Tomographie kann Dämmstoffe, analysieren, während APT am allerwenigsten Laser Hilfe braucht, um sie zu messen. APT läuft auf atomarer Skala, während Lutetium-Tomographie angemessen mit einer niedrigeren Auflösung führt. Lutetium-Tomographie ist nur für Proben, die Balken Abbau während des Experiments zu widerstehen. Um die gefilterten Bilder an alle geneigten Winkel zu erfassen, kann die Probe der Elektronenstrahl 2 h lang ausgesetzt werden. Um eine maximale chemisches Signal in den 2D-Karten aufzuzeichnen, können darüber hinaus längere Exposition Laufzeiten bei Fernlicht Intensität erforderlich sein. Unter solchen Bedingungen leiden Strahl empfindlichen Proben morphologische und chemischen Veränderungen. Daher muss eine präzise Messung der Probe Empfindlichkeit zu den Elektronenstrahl vor dem Experiment hergestellt werden. Darüber hinaus ist Lutetium-Tomographie das Ergebnis der Aufnahme möglichst viele Schichtbilder wie nötig zu bestimmen die räumliche Position und die Natur der chemischen Elemente, die in der Probe. Dennoch kann Lutetium-Tomographie wichtige Informationen über die 3D Chemiedistribution für Proben, wie Katalysator unterstützt, um neue Erkenntnisse geben für die Modellierung von deren katalytische Anwendungen bereitstellen.
Heute ist es möglich, speziellen Software verwenden, der das Energie-Intervall auswählen können, Energie Fenster Bilder gefiltert und berechnen Sie die Chemikalie in verschiedene Neigungswinkel Karten. Sie ermöglichen kippen die Probe, tracking, Fokussierung und das gefilterte Bild im Lutetium Modus Aufnahme. Chemische 2D-Karten können berechnet werden, kann und dann die Tilt Series ausgerichtet werden können, die chemische Volumen mit iterative Algorithmen berechnet und schließlich die Serie segmentiert und quantifizierte15,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Papier soll beschreiben, wie man chemische 3D-Karten mit Lutetium-Tomographie zu erhalten. Dieses Protokoll ist komplett original und wurde von den Autoren entwickelt.
Lutetium-Tomographie wie hier beschrieben hat mehrere Nachteile: (i) nur Proben, die Elektronen Strahl resistent sind analysiert werden können, aufgrund der langen Belichtungszeit erforderlich für den Erhalt der gefilterte Bilder. (Ii) Lutetium-Tomographie ist empfindlich gegenüber der Beugung Kontrast. (Iii) viele der…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir sind dankbar für das französische Ministerium für Hochschulbildung und Forschung, Konventionen Industrielles de Formation Par la Recherche (CIFRE) und IFP Energies Nouvelles für ihre finanzielle Unterstützung.
Materials
| JEOL 2100f | JEOL | Electron microscope | |
| Tridiem Gatan Imaging Filter (GIF) | Gatan | Post colum energy filter | |
| Digital micrograph | Gatan | Software | |
| Gatan EFTEM tomography plugin | Gatan | Dedicated software to record filtered tilt series for EFTEM tomograohy | |
| Tomoj | Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/ | Free software developed by Currie Institute in Paris, France for electron tomography | |
| EFTEM-Tomoj | Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/ | Free software developed by Currie Institute in Paris, France , for EFTEM imaging | |
| Imod | http://bio3d.colorado.edu/imod/ | Free software developed by University of Colorado, USA for electron tomography | |
| Imagej | https://imagej.nih.gov/ij/ | Free software developed by National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA for images treatment | |
| Merge channels | https://imagej.net/Color_Image_Processing | Fonction in Imagej allowing to give different colors to volumes while they are overlapped | |
| 3D Slicer | https://www.slicer.org/ | Free software developed by a large consortium lead by Ron Kikinis , Harvard Medical School, Boston, MA, SUA | |
| Chimera | https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ | Free software developed by the Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics at the University of California, San Francisco,for data segmentation, cuatification and visualisation of 3D models | |
| silica alumina support of catalyst | IFPEN | sample prepared for eleboration of this protocol | |
| titania alumina support of catalyst | IFPEN | sample prepared for eleboration of this protocol | |
| alcohol | |||
| water | |||
| Au nanoparticles of 5 nm | BBI Solutions | ||
| Holey carbn film 200 mesh microscopy grid | Agar | ||
| EDX sepctrometer | Oxford Instruments |
References
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