전송 전자 현미경 검사 법 단층 필터링 에너지에 의해 3D 화학 지도 얻기
Summary
이 종이 에너지 필터링 이미징 및 전자 단층 촬영을 결합 하는 3D 화학 지도 달성 하는 프로토콜을 설명 합니다. 다른 이미징 기법에 의해 구별 하기 어려운 요소에 의해 형성 된 2 개의 촉매 지원의 화학 유통 연구 했다. 각 응용 프로그램 매핑 겹친된 화학 요소-각각 간격 이온화 가장자리 이루어져 있다.
Abstract
에너지 걸러진된 전송 전자 현미경 검사 법 단층 촬영 (EFTEM tomography) 3 차원 (3D) 화학 물질 nanometric 규모의 지도 제공할 수 있습니다. EFTEM tomography 다른 이미징 기술을 사용 하 여 구별 하기 매우 어려운 화학 요소를 분리할 수 있습니다. 여기에 설명 된 실험 프로토콜 화학 배급과 재료의 형태를 알아야 3 차원 화학 지도 만드는 방법을 보여 줍니다. 샘플 준비 단계 데이터 세분화 되 게 됩니다. 이 프로토콜 nanometric 샘플에서 화학 요소의 3 차원 분포 분석을 허용합니다. 그러나,는 현재, 3D 화학 지도 생성 될 수 있습니다 샘플 하지 않은 민감한, 빔 필터링 된 이미지의 녹화는 강렬한 전자 빔에 긴 노출 시간을 필요로 하기 때문에 주목 한다. 프로토콜은 두 개의 서로 다른 이질적인 촉매 지원의 구성 요소의 화학 유통 계량에 적용 되었습니다. 첫 번째 연구에서 알루미늄과 티타늄 티 타 니 아-알 루미나 지원에서의 화학 유통 분석 했다. 샘플 스윙 pH 메서드를 사용 하 여 준비 되었다. 두 번째, 알루미늄과 솔 분말 및 기계적 혼합 방법을 사용 하 여 준비 된 실리 카-알 루미나 지원에 실리콘의 화학 유통 시험 되었다.
Introduction
기능성 물질의 속성 그들의 3D 매개 변수에 따라 달라 집니다. 완전히 그들의 속성을 이해 하 고 그들의 기능을 향상, 그것은 그들의 형태학과 화학 분배 차원에서 분석 하는 것이 중요입니다. 전자 단층 촬영1 (동부)는 나노미터 스케일2,3에이 정보를 제공 하는 최고의 기술 중 하나입니다. 큰 각도 범위 샘플을 회전 하 고 각 각 단계에서 하나의 이미지를 기록 그것에 의하여 이루어져 있다. 얻은 기울기 시리즈는 라 돈 변환을4,5에 따라 수학적 알고리즘을 사용 하 여 샘플의 볼륨을 재구성 하는 데 사용 됩니다. 3d에서 샘플 모델링 및 계량 입자 지역화6 및 크기 분포7같은 3D 매개 변수, 위치 및 크기 분포8, 등 기 공 수 있습니다 볼륨에서 회색을 선택
일반적으로, 외 최대 각도를 샘플이 선호 어느 방향으로 70 ° 이상 기울 어 서 전자 현미경으로 수행 됩니다. 각 기울기 각도에서 샘플의 투영 한 이미지 기울기 시리즈를 형성 기록 됩니다. 그 기울기 시리즈는 정렬 하 고 있는 세그먼트 되며, 정량 샘플의 볼륨을 재구성 하는 데 사용. 샘플 + 90 °-90 °에서 회전할 수 없습니다, 때문에 복원 된 볼륨은 직교 축9 따라 이방성 해상도 맹인 기록 각도 때문.
외 다른 이미징 모드에서 수행할 수 있습니다. 밝은 분야 가장 모드 (BF 편) 비정 질 재료, 생물 학적 샘플, 폴리머, 공부 하는 데 사용 됩니다 또는 촉매 지원 복잡 한 모양. 이미지 분석 구성 요소10 (조밀한 구성 됩니다 더 라이터 보다 어둠, 즉, 보다 적게 조밀한 구성 요소)의 밀도 특성화 하는 회색 레벨의 차별화를 기반으로 합니다. 스캐닝 가장 모드 (HAADF-줄기)에 높은 각도 환상 어두운 필드 결정 샘플을 분석 하는 데 사용 됩니다. 신호는 원자 번호;의 기능으로 화학 정보를 제공합니다. 샘플의 무거운 구성 요소 밝게 나타납니다 그 라이터 19. 수집 소재11및 에너지에 의해 방출 되는 x 선 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDX) 같은 다른 모드 필터링 이미징 모드 (EFTEM)12,13, 3D 화학 분포를 평가 할 수 있습니다. 내 샘플.
EFTEM 영상, 2D 화학 지도 전자 에너지 분석기와는 가장을 사용 하 여 기록 수 있습니다. 마그네틱 프리즘으로 그들의 에너지의 기능으로 전자를 분산 하 여는 분석기 역할을 합니다. 이미지에 따라 특정 원자와 상호 작용에서 손실 에너지 전자에 의해 만들어집니다. 같은 2D 화학 지도 다른 기울기 각도, 화학 예측의 시리즈를 얻은 기울기에서 계산 하는 경우는 3 차원 화학 볼륨 재구성 하 사용할 수 있습니다.
모든 자료는 EFTEM 단층 촬영 하 여 분석할 수 있습니다. 기술은 약한 또는 무질서 재료 샘플에 대 한 예약 되어 있습니다. 그럼에도 불구 하 고, 그것은 매우 다른 이미징 기술을 사용 하 여 때를 구분 하기 어려운 빛 요소를 분석 하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 신뢰할 수 있는 2D 화학 지도를, 재료의 두께 소재14를 통해 전자의 평균 자유 경로 보다 작은 필요 합니다. 이 조건 하에서 단일 원자와 상호 작용 하는 단일 전자의 확률은 가장 큰. 두 메서드는 2D 화학 지도 계산 하는 데 사용 됩니다. 첫 번째, 및 가장 많이 사용 되 어디 두 필터링 된 에너지 창을 기록 분석, 및 세 번째 요소에 대 한 이온화 가장자리 전에 이온화 가장자리13후 “3-윈도우 방법”, 이다. 처음 두 이미지는 배경, 세 번째 창의 위치에 전원 법을 사용 하 고 그것에서 빼고 추정은 추정 하는 데 사용 됩니다. 얻은 이미지는 3D 샘플 볼륨에 분석된 화학 원소 분포의 투영 이다. 두 번째 메서드는 “점프-비율 이라고”; 그것은 두 에너지 필터링 이미지, 사용 전에 한 후 이온화 가장자리. 이 메서드는 질적, 최종 이미지만 그 두 이미지 사이의 비율을 수행 하 여 계산 하 고 배경 에너지 변화에 대 한 고려 하지 않습니다.
동부와 EFTEM을 결합 하 여 필터링 된 에너지의 분석 단층 촬영을 얻을 수 있습니다. EFTEM 단층 촬영 및 원자 조사 단층 촬영 (APT)는 상호 보완적인 기술. APT, 비교 EFTEM 단층 촬영은 복잡 한 샘플 준비를 필요로 하지 않는 비-파괴적인 특성 분석. 그것은 독특한 나노에 다양 한 characterizations을 수행 하기 위해 사용할 수 있습니다. EFTEM tomography APT 그들을 측정 하는 것은 적어도 레이저 지원에 필요 하는 동안 보 온 재료를 분석할 수 있습니다. APT은 EFTEM tomography 낮은 해상도 함께 적절 하 게 수행 하는 동안 원자 규모에서 실행 됩니다. EFTEM 단층 촬영 샘플을 실험 기간 동안 광속 저하 저항에 대 한 관련입니다. 모든 기울어진된 각도에서 모든 필터링 된 이미지를 기록 하는 샘플 2 시간 만큼에 대 한 전자 빔에 노출 수 있습니다. 또한, 2D 지도에 최대 화학 신호를 기록, 하이 빔 강렬에 더 이상 박람회 기간 필요할 수 있습니다. 같은 조건에서 빔 민감한 샘플 형태학 적이 고 및 화학 변화를 겪고 있습니다. 따라서, 전자 빔에 샘플 감도의 정확한 측정 실험 하기 전에 설정 해야 합니다. 또한, EFTEM 단층 촬영은 많은 tomograms. 샘플에 존재 하는 화학 성분의 자연과 공간 위치를 결정 하는 필요에 따라 녹음의 결과 그럼에도 불구 하 고, EFTEM tomography 촉매 응용 프로그램 모델링에 대 한 새로운 통찰력을 제공 하기 위해 촉매 지원 같은 샘플에 대 한 3 차원 화학 유통에 관한 중요 한 정보를 제공할 수 있습니다.
오늘 그것은 에너지 간격을 선택할 수 있는 전용된 소프트웨어를 사용 하 여, 에너지 창 이미지 필터링 기록과 계산 화학 다른 기울기 각도에서 지도. 기울이기 샘플, 추적, 초점, 및 EFTEM 모드에서 필터링 된 이미지를 기록 수 있습니다. 2D 화학 지도 산출 될 수 있다, 그리고 기울기 시리즈를 정렬할 수 있습니다, 반복적인 알고리즘을 사용 하 여 계산 화학 볼륨 마지막 시리즈 세그먼트 및 정량15,16수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 종이의 목표 EFTEM 단층 촬영을 사용 하 여 3D 화학 지도 얻을 하는 방법을 설명 하는 것입니다. 이 프로토콜은 완전히 원래 고 저자에 의해 개발 되었다.
여기에 설명 된 대로 EFTEM 단층 촬영 몇 가지 단점이 있다: (i)만 샘플을 전자 빔 내성, 필터링 된 이미지를 얻기 위해 필요한 긴 노출 시간이 분석 수 있습니다. (ii) EFTEM tomography는 회절 대조에 민감합니다. (iii)는 정렬의 많은…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 연구, 고 등 교육의 프랑스 내각에 감사 규칙 산업 드 형성 파 라 검색 (CIFRE)와 그들의 재정 지원을 위해 IFP 에너지 새로운.
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 |
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