Obtenção de mapas 3D de químicos por energia filtrada tomografia computadorizada de microscopia eletrônica de transmissão
Summary
Este artigo descreve um protocolo para conseguir mapas 3D químicos, combinando energia filtrada imagem e tomografia computadorizada do elétron. Foi estudada a distribuição química de dois suportes de catalisador formado pelos elementos que são difíceis de distinguir de outras técnicas de imagem. Cada aplicativo consiste em mapeamento de elementos químicos sobrepostos – bordas respectivamente espaçados-ionização.
Abstract
Energia tomografia computadorizada microscopia eletrônica de transmissão filtrada (tomografia computadorizada EFTEM) pode fornecer tridimensional (3D) químico mapas de materiais à escala nanométrica. Tomografia computadorizada EFTEM pode separar elementos químicos que são muito difíceis de distinguir usando outras técnicas de imagem. O protocolo experimental descrito aqui mostra como criar mapas 3D de químicos para entender a distribuição química e morfologia de um material. Etapas de preparação de amostra de segmentação de dados são apresentadas. Este protocolo permite a análise de distribuição 3D de elementos químicos em uma amostra nanométrica. No entanto, deve notar-se que atualmente, os mapas 3D químicos podem ser gerados apenas para as amostras que não são sensíveis, feixe, desde a gravação de imagens filtradas requer longos períodos de exposição a um feixe de elétrons intensa. O protocolo foi aplicado para quantificar a distribuição química dos componentes dos dois suportes diferentes catalisador heterogêneo. No primeiro estudo, foi analisada a distribuição química de alumínio e titânio em suportes de Titânia-alumina. As amostras foram preparadas usando o método de balanço-pH. Na segunda, analisou-se a distribuição química de alumínio e silício em suportes de sílica-alumina que foram preparadas usando os métodos de mistura mecânica e pó-de-sol.
Introduction
As propriedades de materiais funcionais são dependentes de seus parâmetros 3D. Para inteiramente compreender suas propriedades e melhorar as suas funções, é importante analisar a sua morfologia e distribuição química em 3D. Tomografia computadorizada de elétron1 (ET) é uma das melhores técnicas para fornecer esta informação nos nanômetros escala2,3. Trata-se de girar a amostra sobre uma escala grande angular e gravação de uma imagem a cada passo angular. A série de inclinação obtidos é usada para reconstruir o volume da amostra por meio de algoritmos matemáticos baseados o Radon transform4,5. Seleção de níveis de cinza no volume ajuda a modelar a amostra em 3D e quantificar parâmetros 3D como partícula localização6 e tamanho distribuição7, pore de posição e de distribuição de tamanho8, etc.
Em geral, ET é realizada com um microscópio eletrônico, inclinando a amostra para o ângulo máximo possível, de preferência mais de 70° em qualquer direção. Em cada ângulo de inclinação, uma projeção da amostra é registrada, formando uma série de inclinação de imagens. Essa série de inclinação é alinhado e usado para reconstruir o volume da amostra que será segmentado e quantificado. Porque a amostra não pode ser girada de-90 ° a + 90 °, o volume reconstruído tem uma resolução anisotrópica ao longo do eixo ortogonal9 devido ao ângulo de gravação cego.
ET pode ser executada em diferentes modos de imagem. O modo de temperatura de campo brilhante (BF-TEM) é usado para estudar materiais amorfos, amostras biológicas, polímeros, ou catalisador suporta com formas complexas. A análise de imagem baseia-se a diferenciação dos níveis de cinza, caracterizando a densidade dos componentes10 (um componente denso será mais escuro do que um isqueiro, ou seja, componente menos denso). Alto-ângulo campo escuro anular em digitalização modo TEM (HAADF-tronco) é usado para analisar amostras de cristalinas. O sinal fornece informações químicas em função do número atômico; um pesado componente da amostra aparecerá mais brilhante que um isqueiro e um9. Outros modos, como espectroscopia de energia dispersiva de raio-x (EDX), que recolhe o raio-x emitido pelo material11e energia filtrada de imagem modo (EFTEM)12,13, também são capazes de avaliar a distribuição química 3D dentro da amostra.
Na imagem latente EFTEM, os mapas 2D químicos podem ser gravados usando uma temperatura com um espectrômetro de energia do elétron. O espectrômetro atua como um prisma magnético por dispersar dos elétrons em função da sua energia. Uma imagem é criada pelos elétrons dependendo da energia perdida de interagir com um átomo específico. Se o mesmo mapa de químico 2D é calculado em ângulos de inclinação diferentes, uma inclinação série de projeções químicas é obtido, que pode ser usado para reconstruir o volume 3D de químico.
Nem todos os materiais podem ser analisados por tomografia computadorizada EFTEM. A técnica é reservada para amostras com materiais fracos ou desordenados. No entanto, pode ser usada para a análise de elementos leves que são muito difíceis de diferenciar quando usando outras técnicas de imagem. Além disso, para obter confiança mapas 2D de químicos, a espessura do material é necessário para ser menor do que o percurso livre médio dos elétrons através do material14. Sob esta condição, a probabilidade de ter um único elétron interagindo com um único átomo é maior. Dois métodos são usados para calcular um mapa 2D de químico. O primeiro e o mais utilizado é o método de”três-windows”, onde duas janelas de energia filtrada são registadas antes da borda de ionização do elemento sob análise e um terceiro após a ionização borda13. As duas primeiras imagens são usadas para estimar o fundo, que é extrapolado usando uma lei de potência na posição da janela do terceira e é subtraído. A imagem obtida é a projeção da distribuição 3D do elemento químico analisado no volume da amostra. O segundo método é chamado o “salto-relação”; Ele usa apenas duas imagens energia filtrada, um antes e um depois a borda de ionização. Este método é qualitativo, como a imagem final é calculada apenas realizando a relação entre essas duas imagens e não leva em conta para a variação de energia de plano de fundo.
Combinando EFTEM com ET, o tomography analítico da energia filtrada pode ser obtido. Tomografia computadorizada EFTEM e tomografia computadorizada de sonda de átomo (APT) são técnicas complementares. Em comparação com o APT, EFTEM tomografia é uma análise de caracterização não-destrutiva, que não precisa de preparação de amostras complexas. Ele pode ser usado para executar várias caracterizações em uma exclusivo de nanopartículas. Tomografia computadorizada EFTEM pode analisar materiais de isolamento, enquanto APT precisa ao menos assistência do laser para medi-los. APT é executado na escala atômica, enquanto a tomografia computadorizada EFTEM executa adequadamente com uma resolução mais baixa. Tomografia computadorizada EFTEM é pertinente somente para amostras que resistir a degradação do feixe durante o experimento. Para gravar todas as imagens filtradas em todos os ângulos de inclinação, a amostra pode ser exposta para o feixe de elétrons para contanto que 2 h. Além disso, para gravar um sinal químico máximo nos mapas 2D, durações mais longas exposições no feixe de alta intensidade podem ser necessárias. Em tais condições, as amostras sensíveis do feixe sofrem drásticas alterações morfológicas e químicas. Portanto, uma medição precisa, a sensibilidade da amostra para o feixe de elétrons deve ser estabelecida antes do experimento. Além disso, a tomografia computadorizada EFTEM é o resultado da gravação como muitos tomograms conforme necessário para determinar a localização espacial e a natureza dos elementos químicos que estão presentes na amostra. Não obstante, tomografia computadorizada EFTEM pode fornecer informações importantes relativas à repartição de química 3D para amostras, tais como suportes de catalisador, para dar novas ideias para suas aplicações catalíticas de modelagem.
Hoje é possível usar software dedicado que pode selecionar o intervalo de energia, registro filtrado imagens de janela de energia e calcular o produto químico mapas em ângulos de inclinação diferentes. Eles permitem inclinar a amostra, rastreamento, concentrando-se e gravar a imagem filtrada no modo EFTEM. Os mapas 2D químicos podem ser calculados e então a série de inclinação pode ser alinhada, o químico volume calculado utilizando algoritmos iterativos, e finalmente a série pode ser segmentado e quantificados15,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
O objetivo deste trabalho é descrever como obter mapas químicos 3D usando tomografia computadorizada EFTEM. Este protocolo é completamente original e foi desenvolvido pelos autores.
Tomografia computadorizada EFTEM conforme descrito aqui tem várias desvantagens: amostras de (i) só que são resistentes ao feixe de elétrons podem ser analisadas, devido ao tempo de exposição longo necessário para a obtenção de imagens filtradas. (ii) tomografia computadorizada EFTEM é sensível o cont…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nós estamos gratos ao Ministério francês do ensino superior e pesquisa, convenções Industrielles de formação par la Recherche (CIFRE) e IFP Nouvelles de energias pelo apoio financeiro.
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).
