Come ottenere mappe 3D chimiche di energia filtrata tomografia di microscopia elettronica di trasmissione
Summary
Questo articolo descrive un protocollo per ottenere mappe chimiche 3D che combina energia filtrata imaging e tomografia elettronica. La distribuzione di prodotti chimici di due supporti per catalizzatori formata da elementi che sono difficili da distinguere da altre tecniche di imaging è stata studiata. Ogni applicazione consiste nel mapping sovrapposti elementi chimici – bordi rispettivamente distanziati-ionizzazione di.
Abstract
Energia tomografia di microscopia elettronica di trasmissione filtrata (EFTEM tomografia) in grado di fornire mappe tridimensionale (3D) chimico dei materiali a scala nanometrica. La tomografia EFTEM possibile separare gli elementi chimici che sono molto difficili da distinguere usando altre tecniche di imaging. Il protocollo sperimentale descritto di seguito viene illustrato come creare mappe 3D chimiche per comprendere la distribuzione di prodotti chimici e la morfologia di un materiale. Procedura di preparazione del campione per la segmentazione dei dati è presentata. Questo protocollo permette l’analisi 3D della distribuzione degli elementi chimici in un campione nanometrico. Tuttavia, dovrebbe essere notato che attualmente, le mappe 3D chimiche possono essere generate solo per i campioni che non sono fascio sensibile, poiché la registrazione di immagini filtrate richiede tempi di esposizione lunghi per un fascio di elettroni intenso. Il protocollo è stato applicato per quantificare la distribuzione chimica dei componenti di due supporti per catalizzatori eterogenei differenti. Nel primo studio, è stata analizzata la distribuzione di prodotti chimici di alluminio e titanio in supporti di titania-allumina. I campioni sono stati preparati utilizzando il metodo di swing-pH. Nel secondo, è stata esaminata la distribuzione di prodotti chimici di alluminio e silicio in supporti di silice-allumina che sono stati preparati utilizzando i metodi di meccanica miscela e sol-polvere.
Introduction
Le proprietà funzionali dei materiali dipendono dai loro parametri 3D. Per comprendere le loro proprietà e che permettono di migliorare le loro funzioni, è importante analizzare la loro morfologia e distribuzione di prodotti chimici in 3D. Elettrone tomografia1 (ET) è una delle tecniche migliori per fornire queste informazioni ai nanometri scala2,3. Si compone di ruotando il campione sopra una vasta gamma di angolare e registrazione di un’immagine ad ogni passo angolare. La serie di inclinazione ottenuta viene utilizzata per ricostruire il volume del campione utilizzando algoritmi matematici basati sul Radon trasformazione4,5. Selezione livelli di grigio nel volume aiuta a modello l’esempio in 3D e quantificare i parametri 3D come particella localizzazione6 e dimensioni distribuzione7, poro posizione e dimensione distribuzione8, ecc.
In generale, ET viene eseguita con un microscopio elettronico inclinando il campione per il massimo angolo possibile, preferibilmente più di 70° in entrambe le direzioni. Ogni angolo di inclinazione, una proiezione del campione è registrata formando una serie di immagini tilt. Quella serie di inclinazione è allineato e utilizzato per ricostruire il volume del campione che sarà segmentato e quantificato. Perché l’esempio non può essere ruotato da-90 ° a + 90 °, il volume ricostruito ha una risoluzione anisotropica lungo l’ asse ortogonale9 a causa dell’angolo di registrazione cieca.
ET può essere eseguita in diverse modalità di imaging. La modalità TEM campo luminoso (BF-TEM) è usata per studiare materiali amorfi, campioni biologici, polimeri, o catalizzatore supporta con forme complesse. L’analisi di immagine si basa sulla differenziazione dei livelli di grigio che caratterizzano la densità dei componenti10 (un componente denso sarà più scuro di un accendino, vale a dire, componente meno denso). Alto angolo anulare campo scuro in modalità TEM (ottenute-STEM) scansione viene utilizzato per analizzare campioni cristallini. Il segnale fornisce informazioni chimiche in funzione del numero atomico; una pesante componente del campione apparirà più luminosa che un accendino un9. Altre modalità, come la spettroscopia di raggi x dispersiva di energia (EDX), che raccoglie i raggi x emessi dal materiale11e l’energia filtrata imaging modalità (EFTEM)12,13, sono anche in grado di valutare la distribuzione di prodotti chimici 3D all’interno del campione.
Nell’imaging EFTEM, le mappe 2D chimiche possono essere registrate utilizzando un TEM con uno spettrometro di energia dell’elettrone. Lo spettrometro agisce come un prisma magnetico disperdendo gli elettroni in funzione della loro energia. Un’immagine è creata dagli elettroni in funzione dell’energia perdita dall’interazione con un atomo specifico. Se la stessa mappa 2D chimica è calcolata alle inclinazioni differenti, un’inclinazione si ottiene la serie di proiezioni chimiche, che consente di ricostruire il volume 3D di chimico.
Non tutti i materiali possono essere analizzati tramite tomografia EFTEM. La tecnica è riservata ai campioni con materiali disordinati o debole. Tuttavia, può essere utilizzato per l’analisi di elementi leggeri che sono molto difficili da distinguere quando usando altre tecniche di imaging. Inoltre, per ottenere mappe chimiche 2D affidabile, lo spessore del materiale è necessaria per essere di meno che il cammino libero medio degli elettroni attraverso il materiale14. In questa circostanza, la probabilità di avere un singolo elettrone interagisce con un singolo atomo è più grande. Due metodi sono utilizzati per calcolare una mappa 2D chimica. Il primo e il più usato è il “metodo di tre-windows”, dove due finestre filtrata energetico devono essere registrati prima del bordo di ionizzazione dell’elemento sotto analisi e un terzo dopo l’ionizzazione edge13. Le prime due immagini sono utilizzate per stimare lo sfondo, che viene estrapolato utilizzando una legge di potenza nella posizione del terzo vetro e sottratto da esso. L’immagine ottenuta è la proiezione della distribuzione 3D dell’elemento chimico analizzato nel volume del campione. Il secondo metodo è chiamato il “rapporto di salto”; utilizza solo due immagini di energia-filtrata, uno prima e uno dopo il bordo di ionizzazione. Questo metodo è di tipo qualitativo, come l’immagine finale viene calcolato solo eseguendo il rapporto tra queste due immagini e non tiene conto per la variazione di energia di sfondo.
Combinando EFTEM con ET, la tomografia analitica dell’energia filtrata può essere ottenuta. EFTEM tomografia e atomo sonda tomografia (APT) sono tecniche complementari. Rispetto ad APT, tomografia EFTEM è un’analisi di caratterizzazione non-distruttiva che non necessita di preparazione dei campioni complessi. Può essere utilizzato per eseguire varie caratterizzazioni su una nanoparticella unica. Tomografia EFTEM può analizzare materiali isolanti, mentre APT ha bisogno presso l’assistenza laser perlomeno per misurarli. APT viene eseguito su scala atomica, mentre la tomografia EFTEM esegue adeguatamente con una risoluzione più bassa. La tomografia EFTEM è pertinente soltanto per i campioni che resistono alla degradazione del fascio durante l’esperimento. Per registrare tutte le immagini filtrate a tutti gli angoli inclinati, il campione può essere esposto a fascio di elettroni per finchè 2 h. Inoltre, per registrare un segnale chimico massimo nelle mappe 2D, durate più lunghe esposizione al fascio ad alta intensità possono essere necessarie. In tali condizioni, i campioni sensibili fascio subiranno drastici cambiamenti morfologici e chimici. Di conseguenza, una misura precisa della sensibilità del campione per il fascio elettronico deve essere stabilita prima dell’esperimento. Inoltre, la tomografia EFTEM è il risultato della registrazione tomogrammi come molti come necessario per determinare la posizione spaziale e la natura degli elementi chimici che sono presenti nel campione. Tuttavia, la tomografia EFTEM può fornire informazioni importanti riguardanti la distribuzione di prodotti chimici 3D per i campioni, quali supporti per catalizzatori, per dare nuovi spunti per la modellazione di loro applicazioni catalitiche.
Oggi è possibile utilizzare un software dedicato che può selezionare l’intervallo di energia, energia finestra immagini filtrate record e calcolare il prodotto chimico mappe alle diverse inclinazioni. Essi consentono di inclinare il campione, di monitoraggio, messa a fuoco e registrazione dell’immagine filtrata in modalità EFTEM. Le mappe 2D chimiche possono essere calcolate e poi la serie di inclinazione può essere allineata, il volume chimico calcolato utilizzando algoritmi iterativi, e infine la serie può essere segmentato e quantificati15,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lo scopo di questa carta è di descrivere come ottenere mappe chimiche 3D usando la tomografia EFTEM. Questo protocollo è completamente originale ed è stato sviluppato dagli autori.
La tomografia EFTEM come descritto qui ha diversi inconvenienti: possono essere analizzati campioni di (i) solo che sono resistenti al fascio di elettroni, a causa del tempo di esposizione lunghi necessario per l’ottenimento di immagini filtrate. (ii) EFTEM tomografia è sensibile per il contrasto di diffrazione….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Siamo grati al Ministero francese dell’istruzione superiore e della ricerca, convenzioni Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE) e IFP Energies Nouvelles per il loro sostegno finanziario.
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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