קבלת מפות תלת-ממדיות כימי על ידי אנרגיה מסונן הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים טומוגרפיה
Summary
מאמר זה מתאר פרוטוקול כדי להשיג מפות תלת-ממדיות כימי שילוב הדמיה אנרגיה מסונן וטומוגרפיה אלקטרון. התפלגות כימי של שני תומך זרז הנוצרת על-ידי רכיבי קשה להבחין על ידי טכניקות הדמיה אחרות היה למד. כל יישום מורכב מיפוי חופף יסודות כימיים – קצוות יינון ברווחים שווים בהתאמה.
Abstract
אנרגיה שידור מסוננים מיקרוסקופ אלקטרונים טומוגרפיה (טומוגרפיה EFTEM) יכול לספק מפות תלת מימד (3D) כימית של חומרים בקנה מידה nanometric. טומוגרפיה EFTEM יכול להפריד בין יסודות כימיים קשה מאוד להבחין באמצעות טכניקות הדמיה אחרות. פרוטוקול נסיוני המתוארים כאן מראה כיצד ליצור מפות כימית תלת-ממד כדי להבין את הפצת הכימיקלים מורפולוגיה של חומר. שלבי הכנה מדגם פילוח הנתונים מוצגים. פרוטוקול זה מאפשר ניתוח תלת-ממד הפצה של יסודות כימיים במדגם nanometric. עם זאת, יצוין כי כיום, המפות כימית תלת-ממד בלבד ניתן להפיק עבור דגימות שאינן קרן רגיש, מאחר ההקלטה של תמונות מסוננים דורשת זמן חשיפה פעמים כדי בקרן אלקטרון אינטנסיבי. הפרוטוקול הוחל לכמת ההתפלגות כימי של הרכיבים של שני תומך זרז הטרוגניות שונות. במחקר הראשון, ניתחנו את ההתפלגות כימי של אלומיניום, טיטניום ב טיטניה-אלומינה תומך. הדגימות הוכנו בשיטת סווינג-pH. בשלב השני, נבדקה התפלגות כימי של אלומיניום וסיליקון ב תומך סיליקה-אלומינה שהוכנו באמצעות אבקת סול ושיטות תערובת מכני.
Introduction
המאפיינים של חומרים פונקציונליים תלויות שלהם בפרמטרים תלת-ממד. לגמרי להבין את תכונותיהם ולשפר את הפונקציות שלהם, חשוב לנתח את המורפולוגיה שלהם ואת הפצת הכימיקלים ב- 3D. אלקטרון טומוגרפיה1 (ET) היא אחד של טכניקות הטובה ביותר לספק את המידע ב-2,מידה3ננומטר. זה מורכב סיבוב המדגם מעל טווח זוויתית גדול והקלטה תמונה אחת בכל שלב זוויתי. הסדרה הטיה שהושג משמש כדי לשחזר את אמצעי האחסון של המדגם באמצעות אלגוריתמים מתמטיים בהתבסס על ראדון המרה4,5. בחירת רמות אפור באמצעי האחסון מסייעת מודל לדוגמה ב- 3D, לכמת 3D פרמטרים כמו חלקיק לוקליזציה6 וגודל הפצה7, הנקבוביות עמדה של התפלגות גודל8, וכו ‘.
באופן כללי, ET מתבצע עם מיקרוסקופ אלקטרוני על ידי הטיית המדגם זווית אפשרית המרבי, רצוי יותר מ 70° בשני הכיוונים. כל זווית הטיה, הקרנה של המדגם נרשם להרכיב סדרות הטיה תמונות. אותה סדרה הטיה הוא מיושר ולא להשתמש בו כדי לשחזר את אמצעי האחסון של המדגם אשר להיות מקוטע, לכמת. כי לא ניתן לסובב את הדגימה מ-90 ° +90 °, האחסון המשוחזרת יש רזולוציה אניסוטרופי לאורך ציר אורתוגונלית9 בגלל זווית הקלטה עיוורת.
ניתן לבצע ET במצבי הדמיה שונות. מצב TEM שדה בהיר (BF-TEM) משמש כדי לחקור חומרים אמורפיים, דגימות ביולוגיות, פולימרים, או זרז תומכת עם צורות מורכבות. ניתוח תמונה מבוססת על הבידול של רמות אפור אפיון הצפיפות של רכיבים10 (רכיב צפופה יהיה יותר כהה יותר מצית, קרי, רכיב פחות צפוף). שדה אפל טבעתי זווית גבוהה במצב TEM (HAADF-גזע) סריקה משמש כדי לנתח דגימות גבישי. האות מספקת מידע כימי כפונקציה של המספר האטומי; מרכיב כבד של המדגם יופיעו בהיר זה אחד בהיר יותר9. מצבים אחרים, כמו אנרגיה ואנליזת הספקטרומטריה (EDX), אשר אוספת את תצלום הרנטגן הנפלטים על ידי גשמי11, ו אנרגיה מסונן מצב (EFTEM) הדמיה12,13, הם גם מסוגלים להעריך את ההתפלגות כימית תלת-ממד בתוך המדגם.
בתחום ההדמיה EFTEM, המפות כימי 2D ניתן לצרוב בעזרת ספקטרומטר האנרגיה אלקטרונים TEM. ספקטרומטר מעשים כמו מנסרה מגנטי על ידי פיזור האלקטרונים כפונקציה של האנרגיה שלהם. תמונה נוצר על ידי האלקטרונים בהתאם האנרגיה איבד מתוך אינטראקציה עם אטום ספציפי. אם אותה מפה כימי 2D מחושב בזווית הטיה שונים, הטיה סדרת הקרנות כימי מתקבל, אשר יכול לשמש לבנייה מחדש של הגוף התלת-ממדי כימי.
לא כל החומרים ניתן לנתח באמצעות טומוגרפיה EFTEM. הטכניקה שמור עבור דגימות עם חומרים חלשים או המתוסבכים. בכל זאת, זה יכול לשמש לניתוח יסודות קלים מאוד שקשה להבדיל בעת שימוש בטכניקות הדמיה אחרות. בנוסף, כדי להשיג אמין דו-ממדיות מפות כימי, עובי החומר נדרש להיות פחות החופשי הממוצע של האלקטרונים דרך גשמי14. תחת תנאי זה, להסתברות של אלקטרון יחיד של אינטראקציה עם מאטום בודד הוא הגדול ביותר. שתי שיטות משמשים לחישוב המפה כימי 2D. הראשון, להשתמש ביותר היא “שיטת שלושת-חלונות”, שבו יירשמו שני חלונות אנרגיה מסוננות לפני הקצה יינון של הרכיב תחת אנליזה שלישי לאחר קצה יינון13. תחילה שתי תמונות משמשים כדי להעריך את הרקע, אשר הוא אומדן בעזרת חוק החשמל במיקום של החלון השלישי, יש לחסר אותם זה מזה. התמונה שהושג היא להשלכה של חלוקת יסוד כימי שנותחה באמצעי האחסון מדגם התלת-ממד. השיטה השנייה נקראת “הקפיצה-היחס”; היא משתמשת רק שתי תמונות אנרגיה-מסוננים, אחד לפני ואחד אחרי הקצה יינון. שיטה זו היא איכותית, כפי התמונה הסופית מחושב רק על-ידי ביצוע היחס בין שתי תמונות אלה, אינו חשבון עבור רקע אנרגיה וריאציה.
על ידי שילוב EFTEM עם ואח, ניתן להשיג את טומוגרפיה אנליטית של האנרגיה מסוננים. EFTEM טומוגרפיה atom בדיקה טומוגרפיה (APT) טכניקות משלימים בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד. לעומת אפט, טומוגרפיה EFTEM הוא ניתוח ואפיון הרסניות שלא צריך הכנת הדוגמא מורכבים. זה יכול לשמש כדי לבצע אפיוני שונים ננו-חלקיק ייחודי. טומוגרפיה EFTEM ניתן לנתח חומרי בידוד, בעוד אפט צריך על הסיוע לייזר הפחות למדוד אותם. אפט מפעיל את המשקל האטומי, בעוד EFTEM טומוגרפיה מבצעת בצורה הולמת עם רזולוציה נמוכה יותר. טומוגרפיה EFTEM הוא רלוונטי רק עבור והמדגמים להתנגד קרן השפלה במהלך הניסוי. כדי להקליט את כל התמונות מסונן-כל הזוויות מוטה, הדגימה יכול להיחשף כשקרן האלקטרונים עוד 2 h. יתר על כן, כדי להקליט אות כימי המרבי המפות 2D, משכי זמן ארוכים יותר תערוכות בעוצמה גבוהה קרן ייתכן שיהיה צורך. בתנאים כאלה, הדגימות רגיש קרן סובלים שינויים כימיים מורפולוגיים. לכן, חייבים להקים מדידה מדויקת של רגישות מדגם על הקורה אלקטרון לפני הניסוי. בנוסף, טומוגרפיה EFTEM הוא התוצאה של הקלטה tomograms רבים לפי הצורך כדי לקבוע את המיקום המרחבי ואת האופי של יסודות כימיים הנמצאים הדגימה. למרות זאת, טומוגרפיה EFTEM יכול לספק מידע חשוב בעניין ההתפלגות כימית תלת-ממד עבור מדגמים, כגון תומך זרז, לתת תובנות חדשות עבור מידול היישומים קטליטי שלהם.
היום זה אפשרי להשתמש בתוכנה ייעודית זה באפשרותך לבחור את מרווח הזמן של אנרגיה, שיא סינון תמונות חלון אנרגיה, לחשב הכימיקל מפות בזווית הטיה שונים. הם מאפשרים הטיית המדגם, מעקב, התמקדות, הקלטה בתמונה המסוננת במצב EFTEM. ניתן לחשב את המפות כימי 2D, אז הסדרה הטיה ניתן ליישר, האחסון כימי שחושב באמצעות אלגורתמים איטרטיביים, ואני סוף סוף הסדרה יכול להיות מקוטע, כימות15,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
מטרת המאמר היא לתאר את האופן שבו ניתן להשיג מפות כימית תלת-ממד באמצעות טומוגרפיה EFTEM. פרוטוקול זה מקורי, פותחה על ידי המחברים.
טומוגרפיה EFTEM כפי שמתואר כאן יש מספר חסרונות: דגימות (i) רק כי הם עמידים בפני קרן אלקטרונים יכול להיות מנותח, עקב חשיפה ארוכה הזמן הנדרש להשגת תמונות מס…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים על משרד הצרפתי של ההשכלה הגבוהה והמחקר, מוסכמות Industrielles דה היווצרות par la רשרש (CIFRE), שופט Nouvelles האנרגיות שלהם לתמיכה.
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).
