Få 3D kjemiske kart av energi filtrert overføring elektronmikroskop tomografi
Summary
Dette dokumentet beskriver en protokoll for å oppnå 3D kjemiske kart energi filtrert bildebehandling og elektron tomografi. Kjemisk fordelingen av to katalysator støtter dannet av elementer som er vanskelig å skille av andre Bildeteknikker ble studert. Hvert program består av kartlegging overlappende grunnstoffer – henholdsvis linjeavstand ionisering kanter.
Abstract
Energi filtrerte overføring elektronmikroskop tomografi (EFTEM tomografi) gir tredimensjonale (3D) kjemiske kart av materialene på nanometric skala. EFTEM tomografi kan skille grunnstoffer som er vanskelig å skille med andre imaging teknikker. Eksperimentell protokollen beskrevet her viser hvordan du oppretter 3D kjemiske kart å forstå kjemiske distribusjon og morfologi av et materiale. Eksempel forberedelsene for data segmentering presenteres. Denne protokollen tillater 3D distribution analyse av kjemiske elementer i et nanometric utvalg. Det bør imidlertid bemerkes at foreløpig 3D kjemiske kartene kan bare genereres for prøver som ikke strålen følsom, siden innspillingen av bilder filtrert krever lange eksponeringstider til intens elektronstråler. Protokollen ble brukt for å kvantifisere kjemiske fordelingen av komponentene i to forskjellige heterogene katalysator støtter. I den første studien, ble kjemiske fordelingen av aluminium og titanium i titania alumina støtter analysert. Prøvene var forberedt med metoden swing-pH. I andre, ble kjemiske distribusjon av aluminium og silisium i silica alumina støtter som var forberedt med sol-pulver og mekanisk blanding metoder undersøkt.
Introduction
Egenskapene til funksjonelle materialer er avhengige av deres 3D parametere. Å fullt ut forstå deres egenskaper og forbedre sine funksjoner, er det viktig å analysere deres morfologi og kjemiske distribusjon i 3D. Elektron tomografi1 (ET) er en av de beste teknikkene å gi denne informasjonen på nanometer skala2,3. Det består av roterende prøven over kantete mange og opptak ett bilde på hvert kantete trinn. Innhentet tilt serien brukes til å rekonstruere volumet på prøven ved hjelp av matematiske algoritmer basert på Radon transformering4,5. Velge gråtoner i volumet hjelper modell prøven i 3D og kvantifisere 3D parametere som partikkel lokalisering6 og størrelse distribusjon7, pore posisjon og størrelse distribusjon8, osv.
Generelt, utføres ET med et elektronmikroskop ved å vippe prøven til maksimal mulig vinkel, fortrinnsvis mer enn 70° i begge retninger. På hver vinkel registreres det en projeksjon av prøven danner en tilt-bilder serien. Tilt serien er justert og brukes til å rekonstruere volumet av utvalget segmentert og kvantifisert. Fordi prøven ikke roteres fra-90 ° til 90 °, har rekonstruert volumet en Anisotrop oppløsningen langs ortogonale aksen9 på grunn av blind opptak vinkelen.
ET kan utføres i forskjellige imaging modi. Lyse feltet TEM modus (BF-TEM) brukes til å studere amorfe materialer, biologiske prøver, polymerer, eller katalysator støtter med komplekse former. Bildet analysen er basert på differensiering av gråtonene karakteriserer tettheten av komponenter10 (en tett komponent vil være mer mørk enn en lettere, dvs, mindre tett komponent). Høy vinkel ringformede mørke felt i skannemodus i TEM (HAADF-STAMMEN) brukes til å analysere krystallinsk prøver. Signalet inneholder kjemiske informasjon som en funksjon av atomnummer; en stor del av prøven vil være skarpere som en lettere en9. Andre moduser, som energi dispersiv X-ray spektroskopi (EDX), som samler X-ray slippes ut av materielle11og energi filtrert tenkelig modus (EFTEM)12,13, kan også vurdere 3D kjemiske fordelingen i prøven.
I EFTEM bildebehandling, kan 2D kjemiske kart registreres med en TEM med et elektron energi spectrometer. Spectrometer fungerer som et magnetisk prisme av spre elektronene som en funksjon av sin energi. Et bilde er laget av elektroner avhengig av energien går tapt fra å kommunisere med en bestemt atom. Hvis samme 2D kjemiske kart er beregnet på ulike tilt vinkler, en tilt rekke kjemiske anslag er oppnådd, som kan brukes til å rekonstruere 3D kjemiske volumet.
Ikke alle materialer kan analyseres av EFTEM tomografi. Teknikken er forbeholdt prøver med svak eller uordnede materialer. Likevel, den kan brukes for å analysere lette elementer som er svært vanskelig å skille når du bruker andre imaging teknikker. I tillegg for å få pålitelig 2D kjemiske kart, må tykkelsen på materialet være mindre enn betyr gratis banen til elektronene gjennom de materielle14. Under denne tilstanden er sannsynligheten for at en enkelt elektron samspill med en enkelt atom størst. To metoder brukes til å beregne kart 2D kjemiske. Den første, og de mest brukte er “tre-windows metode”, der to filtrerte energi Vinduer registreres før ionisering kanten av elementet under analyse og en tredje etter ionisering kanten13. De to første bildene brukes til å beregne en bakgrunn – som er ekstrapolert bruker en strøm lov i plasseringen av den tredje vinduet og trekkes fra den. Illustrasjonen fremskaffet er projeksjon av 3D fordelingen av analysert grunnstoff i prøven volumet. Den andre metoden kalles “hoppe-ratio”; den bruker bare to energi-filtrert bilder, én før og én etter ionisering kanten. Denne metoden er kvalitative, som det endelige bildet beregnes bare ved å utføre forholdet mellom de to bildene, og ikke høyde for bakgrunnen energi variasjon.
Ved å kombinere EFTEM med ET, kan den analytiske tomografi av filtrerte energien hentes. EFTEM tomografi og atom sonde tomografi (APT) er komplementære teknikker. Sammenlignet med APT er EFTEM tomografi en ikke-destruktiv karakterisering analyse som ikke trenger omfattende utvalg forberedelse. Den kan brukes til å utføre ulike karakteristikk på en unik hydrogenion. EFTEM tomografi kan analysere isolerende materialer, mens APT trenger i minste laser hjelp å måle dem. APT kjører atomic skalaen, mens EFTEM tomografi utfører tilstrekkelig med en lavere oppløsning. EFTEM tomografi gjelder bare for prøver som motstå strålen fornedrelse under eksperimentet. For å registrere alle filtrert bilder på alle skrå vinkler, kan prøven bli utsatt for elektronstråle så lenge 2T. Videre, for å registrere en maksimal kjemiske signal i 2D-kart, lenger exposition varighet fjernlys intensitet kan være nødvendig. Under slike forhold lide strålen følsom prøvene drastisk morfologiske og kjemiske endringer. Derfor må en nøyaktig måling av prøven følsomheten til elektronstråle opprettes før eksperimentet. I tillegg er EFTEM tomografi resultatet av innspillingen så mange tomograms som er nødvendig for å bestemme romlige plasseringen og arten av kjemiske elementer som finnes i utvalget. EFTEM tomografi kan likevel gi viktig informasjon om 3D kjemiske fordelingen for prøver, som katalysator støtter, å gi ny innsikt for modellering katalytisk programmer.
I dag er det mulig å bruke dedikert programvare kan velge energi intervallet, post filtrert energi vinduet bilder og beregne kjemiske kart i forskjellige tilt vinkler. De tillater vippe prøven, sporing, fokus og opptak filtrerte bildet i EFTEM modus. 2D kjemiske kartene kan beregnes, og deretter tilt serien kan justeres, kjemiske volumet ved hjelp iterativ algoritmer, og endelig serien kan segmentert og kvantifisert15,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Målet med denne utredningen er å beskrive hvordan få 3D kjemiske kart bruker EFTEM tomografi. Denne protokollen er helt original og ble utviklet av forfatterne.
EFTEM tomografi som beskrevet her har flere ulemper: (i) eksempler som elektron strålen motstandsdyktig kan analyseres, på grunn av lang eksponeringstiden nødvendig for å få bilder filtrert. (ii) EFTEM tomografi er følsom for Diffraksjon kontrasten. (iii) mange av justeringer ble utført manuelt. For å få 3D-kjemiske kartet,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi er takknemlige for det franske ministeriet for høyere utdanning og forskning, konvensjoner Industrielles de formasjon par la Recherche (CIFRE) og IFP energier Nouvelles for deres støtte.
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).
