Att erhålla 3D kemiska kartor av energi filtreras Transmission Electron Microscopy tomografi
Summary
Detta dokument beskriver ett protokoll för att uppnå 3D kemiska kartor att kombinera energi filtreras imaging och elektron tomografi. Kemisk distribution av två katalysator stöder bildas av delar som är svåra att skilja genom andra avbildningstekniker studerades. Varje program består av mappning överlappade grundämnen – respektive fördelade-jonisering kanter.
Abstract
Energi filtrerade överföring elektronmikroskopi tomografi (EFTEM tomografi) kan ge tredimensionella (3D) kemiska kartor av material i nanometrisk skala. EFTEM datortomografi kan separera grundämnen som är mycket svåra att skilja använder andra avbildningstekniker. Det experimentella protokollet som beskrivs här visar hur man skapar 3D kemiska kartor för att förstå kemiska distribution och morfologi av ett material. Provberedningssteg för data segmentering presenteras. Detta protokoll tillåter 3D distribution analys av grundämnen i en nanometriska provet. Det bör dock noteras att för närvarande 3D kemiska kartor kan endast skapas för prover som inte är beam känslig, eftersom inspelningen av filtrerade bilder kräver långa exponeringstider till en intensiv elektronstråle. Protokollet har tillämpats för att kvantifiera kemisk distribution av komponenterna i två olika heterogena katalysator stöd. I den första studien analyserades kemiska fördelningen av aluminium och Titan i titania-aluminiumoxid stöder. Proverna var förberedda med metoden swing-pH. I andra undersöktes kemisk distribution av aluminium och kisel i silica-aluminiumoxid stöder som utarbetades med hjälp av sol-pulver och mekanisk blandning metoder.
Introduction
Egenskaperna för funktionella material är beroende av deras 3D parametrar. För att fullt förstå deras egenskaper och förbättra deras funktioner, är det viktigt att analysera deras morfologi och kemisk distribution i 3D. Electron tomografi1 (ET) är en av de bästa teknikerna för att tillhandahålla denna information på nanometer skala2,3. Den består av roterande provet över stora kantiga räckvidd och inspelning av en bild på varje kantiga steg. Den erhållna tilt-serien används för att rekonstruera volymen av provet med hjälp av matematiska algoritmer baserat på Radon transform4,5. Att välja grå nivåer i volymen hjälper till att modell provet i 3D och kvantifiera 3D parametrar som partikel lokalisering6 och storlek distribution7, pore position och storlek distribution8, osv
I allmänhet utförs ET med ett elektronmikroskop genom att luta provet till den högsta möjliga vinkeln, helst mer än 70° i endera riktningen. På varje tiltvinkel registreras en projektion av provet bildar en bilder tilt series. Tilt serien riktas och används för att rekonstruera volymen av provet som kommer vara segmenterade och kvantifieras. Eftersom provet inte kan roteras från-90 ° till + 90 °, har rekonstruerade volymen en Anisotrop upplösning längs den ortogonala axel9 på grund av den blinda inspelning vinkeln.
ET kan utföras i olika imaging lägen. Det ljusa fält TEM läget (BF-TEM) används för att studera amorfa material, biologiska prover, polymerer eller katalysator stöder med komplexa former. Bildanalys bygger på differentieringen av grånivåerna kännetecknar tätheten av komponenter10 (en tät komponent blir mer mörk än en ljusare, dvs, mindre tät komponent). Hög vinkel ringformig mörka fält i sökningsläge TEM (HAADF-STEM) används för att analysera kristallina prover. Signalen innehåller kemiska information som en funktion av det Atom-numret; en tung del av provet kommer ljusare som en lättare en9. Andra lägen, som Energy Dispersive X-ray spektroskopi (EDX), som samlar in röntgen som avges av den materiella11och energi filtreras imaging läge (EFTEM)12,13, klarar också av att bedöma 3D kemisk distribution inom urvalet.
I EFTEM imaging, kan 2D kemiska kartor registreras med en TEM med en elektron spektrometer. Spektrometern fungerar som en magnetisk Prisma genom spridning elektronerna som en funktion av deras energi. En bild skapas av elektronerna beroende på den energi som försvinner från att interagera med en viss atom. Om samma 2D kemisk karta beräknas på olika lutningsvinklar, en tilt serie kemiska prognoserna erhålls, som kan användas för att rekonstruera 3D kemiska volymen.
Inte allt material kan analyseras med EFTEM tomografi. Tekniken är reserverad för prover med svag eller oordnade material. Den kan dock användas för att analysera lätta grundämnen som är mycket svåra att skilja när du använder andra avbildningstekniker. Dessutom, för att erhålla tillförlitlig 2D kemiska kartor, måste tjockleken på materialet vara mindre än den genomsnittliga gratis väg av elektronerna genom den materiella14. Under detta tillstånd är sannolikheten för att ha en enda elektron som interagerar med en enda atom störst. Två metoder används för att beräkna en 2D kemisk karta. Den första, och mest använda är ”tre-windows metoden”, där två filtrerade energi fönster registreras innan jonisering kanten av elementet under analys, och en tredje efter jonisering edge13. De två första bilderna används för att uppskatta bakgrunden, vilket är extrapoleras med en makt lag vid den tredje fönster och subtraheras från det. Erhållna bilden är projektionen av 3D fördelningen av de analyserade grundämnet i provvolymen. Den andra metoden kallas ”hoppa-ratio”; den använder endast två energi-filtrerad bilder, en före och en efter jonisering kanten. Denna metod är kvalitativa, som den slutliga bilden beräknas endast genom att utföra förhållandet mellan dessa två bilder, och tar inte hänsyn till bakgrunden energi variation.
Genom att kombinera EFTEM med ET, kan den analytiska tomografi av den filtrerade energin erhållas. EFTEM tomografi och atom sonden tomografi (APT) är kompletterande tekniker. Jämfört med APT är EFTEM datortomografi en icke-förstörande karakterisering analys som inte behöver komplexa provberedning. Det kan användas för att utföra olika karakteriseringar på en unik nanopartiklar. EFTEM datortomografi kan analysera isolerande material, medan APT behov vid minsta laser hjälp att mäta dem. APT körs på den atomära skalan, medan EFTEM tomografi utför tillräckligt med en lägre upplösning. EFTEM datortomografi är relevant endast för prover som motstår beam nedbrytning under experimentet. Spela in alla filtrerade bilder på alla lutande vinklar genom kan provet utsättas för elektronen strålar så länge som 2 h. Dessutom för att spela in en maximal kemisk signal i 2D kartor, kan längre utläggning varaktigheter med hög beam intensitet vara nödvändigt. Under sådana förhållanden lida beam känsliga proverna drastiska morfologiska och kemiska förändringar. Därför måste en exakt mätning av provet känsligheten för elektronstrålen fastställas innan experimentet. EFTEM datortomografi är dessutom resultatet av inspelningen så många tomograms som behövs för att fastställa geografiska läge och beskaffenhet de kemiska grundämnen som finns i provet. Dock kan EFTEM datortomografi ge viktig information om 3D kemiska utdelning för prover, såsom katalysator stöder, att ge nya insikter för modellering deras katalytiska applikationer.
Är idag det möjligt att använda särskild programvara som kan välja intervallet energi, post filtreras bilder energi fönster, och beräkna kemiskt kartor på olika lutningsvinklar. De tillåter luta provet, spårning, fokusera och registrerar den filtrerade bilden i EFTEM läge. 2D kemiska kartor kan beräknas, och sedan tilt serien kan justeras, kemiska volymen beräknas med hjälp av iterativa algoritmer, och slutligen serien kan vara segmenterade och kvantifierade15,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Syftet med denna uppsats är att beskriva hur du skaffar 3D kemiska kartor med EFTEM tomografi. Detta protokoll är helt original och har utvecklats av författarna.
EFTEM datortomografi som beskrivs här har flera nackdelar: (i) endast prover som är electron beam resistenta kan analyseras, på grund av den långa exponeringstiden som behövs för att erhålla filtrerade bilder. (ii) EFTEM datortomografi är känslig för diffraktion kontrasten. (iii) många av linjeföring utfördes manuellt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi är tacksamma mot det franska ministeriet för högre utbildning och forskning, konventioner Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE) och IFP Energies Nouvelles för deras ekonomiska stöd.
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).
