الحصول على خرائط الكيميائية 3D بالطاقة التي تمت تصفيتها انتقال الميكروسكوب الإلكتروني التصوير المقطعي
Summary
وتصف هذه الورقة وضع بروتوكول لتحقيق 3D خرائط الكيميائية الجمع بين تصوير الطاقة التي تمت تصفيتها والتصوير المقطعي الإلكترون. درس توزيع المواد الكيميائية هما حافز يدعم يتكون من العناصر التي يصعب على تمييز من خلال تقنيات التصوير الأخرى. كل تطبيق يتكون من تعيين عناصر كيميائية المتراكب-حواف تاين متباعدة على التوالي.
Abstract
الطاقة انتقال المصفاة الميكروسكوب الإلكتروني التصوير المقطعي (التصوير المقطعي افتيم) يمكن أن توفر خرائط ثلاثية الأبعاد (3D) الكيميائية من المواد في نطاق النانومترية. يمكن فصل التصوير المقطعي افتيم العناصر الكيميائية التي من الصعب جداً التمييز بين استخدام تقنيات التصوير الأخرى. البروتوكول التجريبي الموصوفة هنا يوضح كيفية إنشاء خرائط الكيميائية 3D لفهم توزيع المواد الكيميائية ومورفولوجيا من مادة. تقدم خطوات إعداد نموذج لتجزئة البيانات. ويسمح هذا البروتوكول تحليل توزيع ثلاثية الأبعاد للعناصر الكيميائية في عينة النانومترية. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه في الوقت الراهن، خرائط الكيميائية 3D يمكن إنشاء فقط للعينات التي لا شعاع الحساسة، حيث يتطلب تسجيل الصور التي تمت تصفيتها مرات التعرض الطويل لشعاع إلكترون مكثفة. تم تطبيق البروتوكول التحديد الكمي لتوزيع المواد الكيميائية عناصر تدعم محفز غير متجانسة مختلفة اثنين. في الدراسة الأولى، وقد تم تحليل توزيع المواد الكيميائية من الألومنيوم والتيتانيوم في تيتانيا-شركة ألومينا يدعم. أعدت العينات باستخدام الأسلوب البديل-الأس الهيدروجيني. في الحالة الثانية، تم بحث توزيع المواد الكيميائية للألومنيوم والسليكون في يدعم الألومينا والسليكا التي أعدت باستخدام مسحوق سول والأساليب الميكانيكية خليط.
Introduction
خصائص المواد الفنية التي تعتمد على المعلمات 3D الخاصة بهم. الكامل فهم خصائصها وتعزيز وظائفها، من المهم تحليل التشكل وتوزيع المواد الكيميائية في 3D. إلكترون التصوير المقطعي1 (ET) واحدة من أفضل التقنيات لتقديم هذه المعلومات في2،مقياس نانومتر3. تتكون من تدوير العينة على نطاق كبير زاوي وتسجيل صورة واحدة في كل خطوة الزاوي. يتم استخدام سلسلة إمالة التي تم الحصول عليها لإعادة بناء حجم العينة باستخدام خوارزميات رياضية تعتمد على تحويل غاز الرادون4،5. تحديد مستويات الرمادي في الحجم يساعد على نموذج العينة في 3D وقياس بارامترات 3D مثل الجسيمات التعريب6 وحجم التوزيع7، المسام موضع وحجم التوزيع8، إلخ
بشكل عام، تتم ET مع مجهر الإلكتروني عن إمالة العينة بزاوية الحد الأقصى الممكن، يفضل أن تكون أكثر من 70 درجة في أي من الاتجاهين. وتسجل إسقاطاً للعينة في كل زاوية الميل، تشكيل سلسلة إمالة صور. أن سلسلة إمالة الانحياز واستخدامها لإعادة بناء حجم العينة التي سوف تكون مجزأة وتقديرها كمياً. لأنه يتعذر تدوير العينة من-90 ° إلى 90 °، قد حجم أعيد بناؤها قرار متباين على طول محور متعامد9 نظراً لزاوية تسجيل أعمى.
ويمكن أن يتم في أوضاع التصوير المختلفة. استخدام الوضع تيم الحقل مشرق (فرنك بلجيكي-TEM) لدراسة المواد غير متبلور، والعينات البيولوجية، والبوليمرات، أو يدعم محفز مع الأشكال المعقدة. يستند تحليل الصور إلى التفريق بين مستويات الرمادي الذي يتسم به كثافة مكونات10 (مكون كثيفة ستكون أكثر الظلام من أخف، أي، المكون أقل كثافة). يتم استخدام الحقل المظلم حلقية زاوية مرتفعة في وضع تيم (هادف-الجذعية) المسح لتحليل العينات البلورية. الإشارة يوفر المعلومات عن المواد الكيميائية كدالة لعدد الذرية؛ مكون ثقيلة من العينة ستظهر أكثر إشراقا أن أخف واحد9. تصفية تصوير الوضع (افتيم)12،13وسائط أخرى، مثل مطيافية “الأشعة السينية المشتتة الطاقة” (EDX)، الذي يقوم بتجميع الأشعة السينية المنبعثة من المواد11، والطاقة، هي أيضا قادرة على تقييم توزيع المواد الكيميائية 3D ضمن العينة.
في مجال التصوير افتيم، يمكن تسجيلها في 2D خرائط الكيميائية استخدام تيم مع مطياف الإلكترونات الطاقة. والمطياف تعمل كمنشور مغناطيسي بتشتيت الإلكترونات كدالة لاحتياجاتها من الطاقة. يتم إنشاء صورة بالإلكترونات اعتماداً على الطاقة فقدت من التفاعل مع ذرة محددة. إذا كان يتم حسابها نفس الخريطة الكيميائية 2D في زوايا مختلفة الميل، إمالة الحصول على سلسلة من الإسقاطات الكيميائية، التي يمكن استخدامها لإعادة بناء وحدة التخزين الكيميائية 3D.
ليست جميع المواد التي يمكن تحليلها بالتصوير المقطعي افتيم. التقنية محجوز لعينات المواد ضعيفة أو اضطرابه. ومع ذلك، يمكن استخدامه لتحليل العناصر الخفيفة التي يصعب جداً التفريق عند استخدام تقنيات التصوير الأخرى. وبالإضافة إلى ذلك، مطلوب سمك المواد للحصول على خرائط الكيميائية 2D موثوق بها، أن يكون أقل من مسار الإلكترونات الحرة يعني من خلال المواد14. تحت هذا الشرط، احتمالية وجود إلكترون واحد من التفاعل مع ذرة واحدة من أعظم. تستخدم طريقتين لحساب خارطة كيميائية 2D. تعد الأولى من نوعها، والأكثر استخداماً هو “الأسلوب windows ثلاثة”، حيث تسجل إطارين الطاقة التي تمت تصفيتها قبل حافة التأين للعنصر ضمن التحليل، وثالثة بعد حافة التأين13. الصور الأولى والثانية تستخدم لتقدير الخلفية، الذي هو استقراء استخدام قانون قوة في الموضع للنافذة الثالثة ومطروحاً منه. الصورة التي تم الحصول عليها من الإسقاط 3D توزيع عنصر كيميائي تم تحليلها في حجم العينة. يتم استدعاء الأسلوب الثاني “نسبة الانتقال”؛ فإنه يستخدم اثنين فقط الصور التي تمت تصفيتها الطاقة واحد قبل والثاني بعد حافة التأين. هذا الأسلوب النوعية، كما يحسب فقط بأداء النسبة بين تلك الصورتين الصورة النهائية، ولا تراعي اختلاف الطاقة الخلفية.
من خلال الجمع بين افتيم مع آخرون، ويمكن الحصول على التصوير المقطعي التحليلية من الطاقة التي تمت تصفيتها. افتيم التصوير المقطعي والتصوير المقطعي بمسبار ذرة (APT) تقنيات تكميلية. بالمقارنة مع الرابطة، هو التصوير المقطعي افتيم تحليل توصيف غير مدمرة التي لا تحتاج إلى إعداد نماذج معقدة. يمكن استخدامه لتنفيذ مختلف الأوصاف على نانوحبيبات فريدة من نوعها. ويمكن تحليل التصوير المقطعي افتيم المواد العازلة، بينما تحتاج الرابطة في مساعدة ليزر أقل جداً لقياس هذه. APT يعمل على النطاق الذري، في حين أن التصوير المقطعي افتيم ينفذ على نحو كاف مع دقة أقل. افتيم التصوير المقطعي ذات الصلة فقط لعينات أن مقاومة تدهور شعاع أثناء التجربة. لتسجيل جميع الصور التي تمت تصفيتها في جميع زوايا إمالة، يمكن أن تتعرض العينة إلى شعاع الإلكترون لطالما ح 2. وعلاوة على ذلك، لتسجيل إشارة كيميائية كحد أقصى في 2D الخرائط، يلزم أطول المدد المعرض بكثافة شعاع عالية. في مثل هذه الظروف، تعاني العينات الحساسة شعاع تغييرات جذرية المورفولوجية والكيميائية. ولذلك، يجب إنشاء قياس دقة حساسية عينة لشعاع الإلكترون قبل التجربة. وباﻹضافة إلى ذلك، افتيم التصوير المقطعي هو نتيجة لتسجيل العديد من توموجرامس عند الضرورة لتحديد الموقع المكاني وطبيعة العناصر الكيميائية الموجودة في العينة. ومع ذلك، يمكن أن توفر التصوير المقطعي افتيم المعلومات الهامة المتعلقة بتوزيع المواد الكيميائية 3D للعينات، مثل يدعم محفز، لتقديم رؤى جديدة للنمذجة تطبيقاتها الحفاز.
اليوم من الممكن استخدام البرمجيات المخصصة التي يمكنك تحديد الفاصل الزمني الطاقة، سجل تصفية الطاقة نافذة الصور، وحساب خرائط المادة الكيميائية في زوايا الميلان المختلفة. أنها تسمح لإمالة العينة، تتبع، والتركيز، وتسجيل الصورة التي تمت تصفيتها في وضع افتيم. يمكن أن تحسب في 2D خرائط الكيميائية، وثم سلسلة الميل يمكن الانحياز، حجم المواد الكيميائية المحسوبة باستخدام خوارزميات متكررة، وأخيراً يمكن أن تكون السلسلة مجزأة وكمياً15،16.
Protocol
Representative Results
Discussion
الهدف من هذه الورقة وصف كيفية الحصول على خرائط الكيميائية ثلاثي الأبعاد باستخدام التصوير المقطعي افتيم. هذا البروتوكول هو الأصلي تماما كما وضعت الكتاب.
التصوير المقطعي افتيم كما هو موضح هنا له عيوب عدة: يمكن تحليل عينات (ط) فقط التي هي مقاومة شعاع الإلكترون، بسبب التعرض الط?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن ممتنون للوزارة الفرنسية للتعليم العالي والبحوث، والاتفاقيات الصناعية دي تشكيل par la بحوث (سيفري) و “حزب إنكاثا للحرية الطاقات الجديدة” لتقديم الدعم المالي.
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
- Frank, J. . Electron Tomography – Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell. , (2006).
- Midgley, P. A., Dunin-Borkowski, R. E. Electron tomography and holography in materials science. Nat. Mater. 8, 271-280 (2009).
- Carenco, S. The core contribution of transmission electron microscopy to functional nanomaterials engineering. Nanoscale. 8 (3), 1260-1279 (2016).
- Radon, J. Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte langs gewisser Mannigfaltigkeiten. Akad. Wiss. 69, 262-277 (1917).
- Radermacher, M. Radon transform techniques for alignment and three-dimensional reconstruction from random projections. Scanning Microscopy. 11, 171-177 (1997).
- Roiban, L., Sorbier, L., Pichon, C., Pham-Huu, C., Drillon, M., Ersen, O. 3D-TEM investigation of the nanostructure of a δ-Al2O3 catalyst support decorated with Pd nanoparticles. Nanoscale. 4 (3), 946-954 (2012).
- Georgescu, D., Roiban, L., Ersen, O., Ihiawakrim, D., Baia, L., Simon, S. Insights on Ag doped porous TiO2 nanostructures: a comprehensive study of their structural and morphological characteristics. RSC Adv. 2 (12), 5358 (2012).
- Shakeri, M., Roiban, L., Yazerski, V., Prieto, G., Gebbink, M. J. M. G., de Jongh, P. E., de Jong, K. P. Engineering and Sizing Nanoreactors To Confine Metal Complexes for Enhanced Catalytic Performance. ACS Catal. 4 (10), 3791-3796 (2014).
- Midgley, P. A., Weyland, M. 3D electron microscopy in the physical sciences: the development of Z-contrast and EFTEM tomography. Ultramicroscopy. 96 (3-4), 413-431 (2003).
- Ersen, O., Florea, I., Hirlimann, C., Pham-Huu, C. Exploring nanomaterials with 3D electron microscopy. Mater. Today. 18 (7), 395-408 (2015).
- Lepinay, K., Lorut, F., Pantel, R., Epicier, T. Chemical 3D tomography of 28nm high K metal gate transistor: STEM XEDS experimental method and results. Micron. 47, 43-49 (2013).
- Roiban, L., Sorbier, L., Pichon, C., Bayle-Guillemaud, P., Werckmann, J., Drillon, M., Ersen, O. Three-Dimensional Chemistry of Multiphase Nanomaterials by Energy-Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography. Microsc. Microanal. 18 (05), 1118-1128 (2012).
- Roiban, L., Sorbier, L., Hirlimann, C., Ersen, O. 3 D Chemical Distribution of Titania-Alumina Catalyst Supports Prepared by the Swing-pH Method. ChemCatChem. 8 (9), 1651-1657 (2016).
- Egerton, R. F. . Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope. , (2011).
- Messaoudi, C., Aschman, N., Cunha, M., Oikawa, T., Sorzano, C. O. S., Marco, S. Three-Dimensional Chemical Mapping by EFTEM-TomoJ Including Improvement of SNR by PCA and ART Reconstruction of Volume by Noise Suppression. Microscopy and Microanalysis. 19 (6), 1669-1677 (2013).
- Pettersen, E. F., Goddard, T. D., Huang, C. C., Couch, G. S., Greenblatt, D. M., Meng, E. C., Ferrin, T. E. UCSF Chimera-A visualization system for exploratory research and analysis. Journal of Computational Chemistry. 25 (13), (2004).
- Roiban, L., Ersen, O., Hirlimann, C., Drillon, M., Chaumonnot, A., Lemaitre, L., Gay, A. S., Sorbier, S. Three-Dimensional Analytical Surface Quantification of Heterogeneous Silica-Alumina Catalyst Supports. ChemCatChem. 9 (18), 3503-3512 (2017).
- Kremer, J. R., Mastronarde, D. N., McIntosh, J. R. Computer visualization of three-dimensional image data using IMOD. J Struct Biol. 116 (1), 71-76 (1996).
- Align RGB planes. ImageJ Available from: https://ImageJ.net/Align_RGB_planes (2018)
- MessaoudiI, C., Boudier, T., Sorzano, C., Marco, S. TomoJ: tomography software for three-dimensional reconstruction in transmission electron microscopy. BMC Bioinf. 8 (1), 288 (2007).
- Saxton, W. O., Baumeister, W., Hahn, M. Three-dimensional reconstruction of imperfect two-dimensional crystals. Ultramicroscopy. 13 (1-2), 57-70 (1984).
