エネルギー化学 3 D マップの取得フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィー
Summary
本稿では、エネルギー フィルタ リング画像と電子線トモグラフィーを組み合わせた 3 D 化学マップを達成するためにプロトコルについて説明します。他のイメージング手法を区別することは困難である要素によって形成される 2 つの触媒担体の化学の分布を調べた。各アプリケーション重複元素それぞれ間隔がイオン化エッジのマッピングで構成されます。
Abstract
エネルギー フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィー (EFTEM 断層レントゲン写真撮影) は、ナノメートル スケールでの材料の三次元 (3 D) 化学マップを提供できます。EFTEM 断層撮影は、他のイメージング技術を使用して区別するために非常に困難な化学元素を区切ることができます。ここで記述されている実験のプロトコルは、化学的分布と材料の形態を理解する化学 3 D のマップを作成する方法を示しています。データ分割の準備手順、サンプルが掲載されています。このプロトコルは、ナノメートルのサンプルの化学要素の 3次元分布解析を許可します。ただし、現在、3 D 化学マップのみ生成されることをサンプル フィルターされた画像の記録は、強烈なビームに長い露出時間を必要とするので、機密性の高い、ビームではないです。プロトコルは、2 つの異なる異種触媒担体の成分の化学分布の定量化に適用されました。最初の研究では、アルミニウム、チタン酸化チタン アルミナ サポートでの化学の分布を調べた。スイング pH メソッドを使用して調製します。第二に、ソル粉と機械的混合法を使用して作製したシリカ-アルミナ サポート中のアルミニウムおよび si の化学の分布を調べた。
Introduction
機能性材料の特性は 3 D パラメーターに依存しています。完全に彼らの特性を理解し、その機能を強化、形態および 3 D で化学の分布を分析することが重要です。電子断層撮影法1 (ET) は、ナノメートル スケールの2,3でこの情報を提供する最高のテクニックのひとつです。それは広い角度範囲にサンプルを回転と角度ステップごとに 1 つの画像を記録から成っています。得られた傾きのシリーズを使用して、ラドン変換4,5に基づく数学的なアルゴリズムを使用して、サンプルのボリュームを再構築します。3 D のサンプルをモデルしのような粒子局在6とサイズ分布73D パラメーターを定量化、毛穴の位置とサイズ分布8等は、ボリュームの灰色レベルを選択すること
一般的には、ET は、できればどちらの方向に 70 ° 以上の最大の可能な角度にサンプルを傾けることによって電子顕微鏡で実行されます。各傾斜角に成型、画像の傾きシリーズ サンプルの投影が記録されます。その傾きの系列を整列し、セグメント化と定量化がサンプルのボリュームを再構築するために使用します。+90 °、-90 ° からサンプルを回転ことはできません、ために、盲検角度による直交軸9に沿って異方性解像度があります再構成ボリューム。
ET は、イメージングの異なるモードで実行できます。触媒サポート複雑な形状または明視野 TEM モード (BF TEM) は非晶質材料、生体試料、高分子を研究に使用されます。画像解析は、コンポーネント10 (高密度になります詳細ライターよりも暗い、すなわち密度の低いコンポーネント) の密度を特徴付ける灰色レベルの分化に基づいています。高角環状暗視野 TEM モード (関数幹) をスキャンする際に、結晶性試料を分析する使用されます。信号は、原子番号の機能として化学情報を提供しますサンプルの重いコンポーネントが明るく表示される、ライター 1 つ9。収集材料11、およびエネルギーによって放出される x 線エネルギー分散型 x 線分光 (EDX) のような他のモード イメージング モード (EFTEM)12,13をフィルタ リング、3 D の化学的分布を評価することができるもサンプル。
EFTEM イメージング、電子顕微鏡を用いた電子エネルギー分析器 2D 化学マップを記録できます。分光計は、彼らのエネルギーの機能として電子を分散させることによって磁気プリズムとして機能します。イメージは、特定の原子との相互作用から失われたエネルギーによって電子によって作成されます。同じ 2 D 化学マップが異なる傾きの角度、化学予測のシリーズを取得すると、傾斜で計算される場合 3 D 化学ボリュームを再構築するを使用できます。
すべての材料は、透過トモグラフィによる分析できます。テクニックは、弱いまたは不規則材料サンプルの予約されています。それにもかかわらず、他のイメージング技術を使用してときに区別し非常ににくい軽元素の分析に使用できます。さらに、信頼性の高い 2 D 化学マップを得るためには、材料の厚さは、材料14を介して電子の平均自由行程以下に必要です。この条件下で最大の単一電子単一原子との相互作用を持っていることの確率です。2 つのメソッドは、2 D 化学マップの計算に使用されます。1 番目は、最もよく使われるイオン化エッジ13後分析、および 3 分の 1 の下の要素のイオン化エッジの前に 2 つのフィルターが適用されたエネルギー ウィンドウを記録する場所「3 windows 法」をです。最初の 2 つの画像を用いて推定して、3 番目のウィンドウの位置から力法を使用して、それから差し引かれる背景を推定します。得られた画像は、3 D サンプル ボリュームの分析元素分布の投影です。2 番目のメソッドは、「ジャンプ比;」と呼ばれる前に、と後の 2 つだけエネルギー フィルター画像を使用してイオン化エッジ。この方法は質的、最終的なイメージはこれらの 2 つの画像間の比率を実行するだけで計算され、背景エネルギーの変化については考慮しません。
EFTEM ET と組み合わせることで、フィルター選択されたエネルギーの解析的トモグラフィーを得ることができます。EFTEM トモグラフィーとアトム プローブ断層レントゲン写真撮影 (APT) は、相補的な技術です。APT、に比べて EFTEM 断層レントゲン写真撮影は複雑な前処理を必要としない非破壊特性解析です。ユニークなナノ粒子の様々 な特徴を実行する使用できます。EFTEM トモグラフィーは、APT は、それらを測定する非常に少なくともレーザー支援で必要としながら絶縁材料を分析できます。EFTEM 断層が低解像度で適切に動作しながら、原子スケールの APT が実行されます。透過トモグラフィ実験中にビームの劣化に抵抗するサンプルに対してのみ適切であります。すべての傾斜角度でのすべてのフィルターが適用された画像を記録するには、サンプルは 2 時間限りの電子ビームを公開できます。さらに、2 D マップで最大の化学信号を記録する高いビーム強度で長い博覧会の期間は、必要かもしれません。このような条件でビームの敏感なサンプル抜本的な形態学的・化学的変化に苦しみます。したがって、電子ビームにサンプル感度の正確な測定は、実験前に確立されなければなりません。さらに、透過トモグラフィは空間的な位置およびサンプル.に存在する元素の性質を決定する必要に応じてできるだけ多くの断層を記録の結果それにもかかわらず、EFTEM トモグラフィーは、触媒アプリケーションをモデル化するための新たな洞察を与えるための触媒担体などのサンプルの 3 D 化学配分に関する重要な情報を提供できます。
今日それはエネルギー間隔を選択することができます専用のソフトウェアを使用することが可能、記録エネルギー ウィンドウ画像をフィルター処理し化学物質が異なる角度でマップを計算します。サンプルでは、追跡、焦点を当て、および透過モードでフィルター処理された画像の記録を傾斜できます。2D 化学マップを計算できると、フルティルト シリーズ配置できますが、反復的なアルゴリズムを使用して計算化学のボリュームとシリーズがセグメント化と定量化された15,16をすることができます最後に。
Protocol
Representative Results
Discussion
本稿の目的は、透過トモグラフィによる化学の 3 D のマップを取得する方法について説明することです。このプロトコルは完全にオリジナルと著者らによって開発されました。
EFTEM トモグラフィ前述のようにいくつかの欠点があります: フィルターされた画像を取得するために必要な長い露出時間による電子ビーム耐性は、(i) のみサンプルが分析できます。(ii) EFTEM トモ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
フランス高等教育・研究省に感謝しております規則 Industrielles ド形成パー ラ抜き (CIFRE) と金融支援 IFP エネルギーヌーヴェル。
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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