3D kimyasal haritalar tarafından enerji elde etme transmisyon elektron mikroskobu tomografi filtre
Summary
Bu kağıt filtre enerji görüntüleme ve elektron tomografi birleştiren 3D kimyasal haritalar elde etmek için bir protokolünü açıklar. Diğer görüntüleme teknikleri tarafından ayırt etmek zor öğeleri oluşturduğu iki katalizör destekler kimyasal dağılımı incelenmiştir. Her uygulama örtüşen kimyasal elementler – sırasıyla aralıklı iyonlaşma kenarları eşleme oluşur.
Abstract
Enerji süzülmüş transmisyon elektron mikroskobu tomografi (tomografi EFTEM) üç boyutlu (3D) kimyasal malzeme nanometric ölçekli haritalar sağlayabilir. EFTEM tomografi diğer görüntüleme teknikleri kullanarak ayırt etmek çok zor olan kimyasal elementler ayırabilirsiniz. Burada açıklanan Deneysel protokol kimyasal dağıtım ve morfoloji bir malzeme anlamak için 3D kimyasal haritaları oluşturmak nasıl gösterir. Veri bölümleme için örnek hazırlık adımları sunulmaktadır. Bu protokol kimyasal elementler 3D dağıtım Analizi nanometric bir örnek verir. Ancak, şu anda, 3D kimyasal haritalar sadece süzülmüş görüntülerin kayıt uzun pozlama süreleri için bir yoğun elektron ışını gerektirdiğinden, ışın hassas olmayan örnekleri için oluşturulabilir unutulmamalıdır. Protokol iki farklı heterojen katalizör destekler bileşenlerinin kimyasal dağıtım ölçmek için uygulandı. İlk çalışmada, alüminyum ve titanyum titania-alümina destekler içinde kimyasal dağıtım analiz edildi. Örnekleri salıncak-pH yöntemiyle hazırlanmıştır. İkinci, alüminyum ve sol-toz ve mekanik karışımı yöntemleri kullanılarak hazırlanmıştır silis-alümina destekler silikon kimyasal dağılımı incelenmiştir.
Introduction
Fonksiyonel malzemelerin özellikleri onların 3D parametrelere bağlıdır. Tam özelliklerini anlamak ve bunların işlevlerini geliştirmek için onların morfolojisi ve kimyasal dağıtım 3D analiz etmek önemlidir. Elektron tomografi1 (ET) nanometre ölçek2,3, bu bilgileri temin etmeniz en iyi teknikleri biridir. Örnek bir büyük açısal aralığında döner ve kayıt açısal her adımda bir görüntü oluşur. Elde edilen tilt serisi örnek hacmi üzerinde Radon dönüşüm4,5temel matematiksel algoritmalar kullanarak yeniden oluşturmak için kullanılır. Örnek 3D modeli ve parçacık yerelleştirme6 ve boyutu dağıtım7gibi 3D parametrelerini ölçmek, gözenek konumu ve boyutu dağıtım8, vb için yardımcı olur hacminde gri düzeyleri seçme
Genel olarak, ET örnek maksimum olası açı, tercihen daha–dan 70 ° her iki yönde eğerek bir elektron mikroskobu ile gerçekleştirilir. Her tilt açıyla bir projeksiyon örnek bir görüntü tilt serisi oluşturan kaydedilir. O tilt serisi hizaladım ve parçalara ve sayısal örnek hacmi yeniden oluşturmak için kullanılan. Örnek için + 90 °-90 ° döndürülemez çünkü yeniden oluşturulan birim9 dikey eksen boyunca anizotropik bir çözünürlüğü nedeniyle kör kayıt açı vardır.
ET farklı görüntüleme modlarda gerçekleştirilebilir. Parlak alan TEM modu (BF-TEM) amorf malzemeler, biyolojik örnekleri, polimerler incelemek için kullanılır veya katalizör ile karmaşık şekiller destekler. Görüntü analizi (yoğun bir bileşeni olacak daha fazla karanlık bir çakmak daha, yani, daha az yoğun bileşeni) bileşenleri10 yoğunluğu karakterize gri düzeyleri farklılaşması üzerinde temel alır. Yüksek açı anüler karanlık alan tarama TEM modunda (HAADF-kök) kristal örnekleri analiz etmek için kullanılır. Sinyal atom numarası bir fonksiyonu olarak kimyasal bilgi sağlar; ağır bir bileşen örnek daha parlak görünür bu hafif bir9. Toplar malzeme11ve enerji tarafından yayılan x-ışını enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi (EDX), gibi diğer modları görüntüleme modu (EFTEM)12,13filtre, ayrıca 3D kimyasal dağıtım değerlendirme yeteneğine örnek içinde.
EFTEM görüntülemede 2D kimyasal haritalar bir TEM bir elektron enerji Spektrometre ile kullanarak kaydedilir. Spektrometre elektronlar enerjilerini bir fonksiyonu olarak dağıtırken tarafından manyetik bir prizma davranır. Görüntüyü bağlı olarak belirli bir atomu ile etkileşim kayıp enerji elektronlar tarafından oluşturulur. Aynı 2D kimyasal harita farklı tilt açılarla, kimyasal projeksiyonlar dizi elde edilir, bir tilt hesaplanmış olan 3B kimyasal cildi yeniden oluşturmak için kullanılabilir.
Tüm malzemeleri EFTEM tomografi tarafından çözümlenebilir. Teknik örnekleri zayıf veya düzensiz malzeme ile ayrılmış durumda. Yine de, diğer görüntüleme teknikleri kullanırken ayırt etmek çok zor olan ışık öğeleri analiz etmek için kullanılabilir. Ayrıca, güvenilir 2D kimyasal haritalar elde etmek için malzeme kalınlığı elektronlar ortalama özgür keçiyolu ile malzeme14değerinden küçük olması için gereklidir. Bu durum altında tek bir atomu ile etkileşim bir tek elektron sahip olmanın en büyük olasılıktır. 2D bir kimyasal harita hesaplamak için iki yöntem kullanılır. İlki ve en çok kullanılan yöntemdir “üç-windows”, nerede iki filtre uygulanmış enerji windows altında analiz ve üçüncü bir öğe iyonlaşma kenarına daha önce iyonlaşma kenar13den sonra kaydedilir. İlk iki fotoğraf güç Hukuk üçüncü pencere konumunu kullanarak ve ondan düşülen yaygınlaştırılması arka plan tahmin etmek için kullanılır. Numune hacmi kimyasal analiz öğesinde 3D dağıtımını projeksiyon elde edilen görüntüdür. İkinci yöntem “sıçrama oranı”; denir Sadece iki enerji filtre görüntüleri, daha önce ve sonra birer tane kullanır iyonlaşma kenar. Bu yöntem son görüntü sadece bu iki resim arasındaki oran gerçekleştirerek hesaplanır ve arka plan enerji değişimi için hesaba katmaz nitel, ‘s.
EFTEM ET ile birleştirerek, analitik tomografi süzülmüş enerji elde edilebilir. EFTEM tomografi ve atom sonda tomografi (APT) tamamlayıcı tekniklerdir. APT ile karşılaştırıldığında, EFTEM tomografi karmaşık numune hazırlama gerekmez bir non-yıkıcı karakterizasyonu analizidir. Çeşitli karakterizasyonu üzerinde benzersiz bir nanopartikül gerçekleştirmek için kullanılabilir. APT onları ölçmek için çok az lazer yardım ihtiyacı EFTEM tomografi Yalıtım materyalleri, analiz edebilirsiniz. EFTEM tomografi ile daha düşük bir çözünürlük yeterli gerçekleştirirken APT atom ölçeğinde çalışır. EFTEM tomografi ışın bozulması deney sırasında karşı örnekleri için ilgili olduğunu. Eğik açılardan tüm filtre uygulanmış görüntüleri kaydetmek için elektron ışını 2 h kadar uzun süre için örnek gösterilebilir. Ayrıca, yüksek kimyasal sinyal 2D haritalar kaydetmek için uzun Fuar süreleri yüksek ışın yoğunluğu, gerekli olabilir. Bu şartlar altında ışın hassas örnekleri ciddi morfolojik ve kimyasal değişiklikler acı. Bu nedenle, örnek hassasiyeti elektron ışını için hassas bir ölçüm deneme önce oluşturulmalıdır. Buna ek olarak, EFTEM tomografi örnek. bulunan kimyasal elementler doğası ve uzaysal konumunu belirlemek için gerektiği kadar çok tomograms kayıt sonucudur Yine de, EFTEM tomografi örnekleri, katalizör destekleri, katalitik uygulamaları modelleme için yeni anlayışlar vermek gibi 3D kimyasal dağıtıma hakkında önemli bilgiler sağlayabilir.
Bugün enerji aralığı seçebilirsiniz özel yazılım kullanmak mümkündür, kayıt enerji pencere görüntüler filtre ve kimyasal farklı tilt açılarla haritalar hesaplamak. Onlar izlemeye, odaklama ve filtre uygulanan görüntü EFTEM modunda kayıt örnek devirme sağlar. 2D kimyasal haritalar hesaplanabilir ve o zaman tilt serisi, kimyasal cilt yinelemeli algoritmaları kullanarak hesaplanan hizalanabilir ve sonunda serisi kesimli ve quantified15,16olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu kağıt amacı 3D kimyasal haritalar EFTEM tomografi kullanarak edinme tarif etmektir. Bu iletişim kuralı tamamen orijinaldir ve yazarlar tarafından geliştirilmiştir.
Burada açıklandığı gibi EFTEM tomografi birçok dezavantajı var: Elektron ışını dayanıklı olan (i) sadece örnekleri-var analiz, filtre uygulanmış görüntü elde etmek için gerekli uzun pozlama süresi nedeniyle. (II) EFTEM tomografi kırınım kontrast duyarlıdır. (iii) birçok hizalamaları el ile ger?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yüksek öğretim ve araştırma, Fransız Bakanı için minnettarız kuralları Industrielles de oluşumu par la Recherche (CIFRE) ve IFP enerjileri Nouvelles mali destek için.
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).
