Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att använda maskinseende programvara för att stabilisera dynamiska processer under TEM-avbildning, samtidigt som vi indexerar flera strömmar av metadata till varje bild i en navigerbar tidslinje. Vi demonstrerar hur denna plattform möjliggör automatiserad kalibrering och kartläggning av elektrondosen under ett experiment.
Abstract
Transmissionselektronmikroskopi (TEM) gör det möjligt för användare att studera material i deras grundläggande, atomära skala. Komplexa experiment genererar rutinmässigt tusentals bilder med många parametrar som kräver tidskrävande och komplicerad analys. AXON-synkronicitet är en mjukvarulösning för maskinsynssynkronisering (MVS) som är utformad för att ta itu med de smärtpunkter som är inneboende i TEM-studier. När den väl är installerad på mikroskopet möjliggör den kontinuerlig synkronisering av bilder och metadata som genereras av mikroskopet, detektorn och in situ-systemen under ett experiment. Denna anslutning möjliggör tillämpning av maskinvisionsalgoritmer som tillämpar en kombination av rumsliga, stråle och digitala korrigeringar för att centrera och spåra ett område av intresse inom synfältet och ge omedelbar bildstabilisering. Förutom den betydande förbättringen av upplösningen som en sådan stabilisering ger, möjliggör metadatasynkronisering tillämpning av beräknings- och bildanalysalgoritmer som beräknar variabler mellan bilder. Dessa beräknade metadata kan användas för att analysera trender eller identifiera viktiga intresseområden i en datauppsättning, vilket leder till nya insikter och utveckling av mer sofistikerade maskinvisionsfunktioner i framtiden. En sådan modul som bygger på denna beräknade metadata är doskalibrering och hantering. Dosmodulen tillhandahåller toppmodern kalibrering, spårning och hantering av både elektronfluensen (e-/Å 2·s-1) och den kumulativa dosen (e-/Å2) som levereras till specifika områden i provet pixel-för-pixel-basis. Detta möjliggör en omfattande översikt över interaktionen mellan elektronstrålen och provet. Experimentanalys effektiviseras genom en dedikerad analysprogramvara där dataset som består av bilder och motsvarande metadata enkelt visualiseras, sorteras, filtreras och exporteras. Tillsammans underlättar dessa verktyg effektiva samarbeten och experimentell analys, uppmuntrar datautvinning och förbättrar mikroskopiupplevelsen.
Introduction
Transmissionselektronmikroskop (TEM) och deras kapacitet har gynnats enormt av framsteg inom kameror, detektorer, provhållare och datorteknik. Dessa framsteg hindras dock av frånkopplade dataströmmar, begränsningar av mänsklig drift och besvärlig dataanalys 1,2. Dessutom anpassar in situ- och operando-experiment TEM till nanoskala laboratorier i realtid, vilket gör det möjligt att studera prover i gas- eller vätskemiljöer samtidigt som man tillämpar en rad externa stimuli 3,4,5. Införandet av sådana komplexa arbetsflöden har bara förstorat dessa begränsningar, och den resulterande ökningen av storleken och komplexiteten hos dessa dataströmmar är ett område med växande oro. Således finns det en växande tonvikt på att utnyttja maskinens handlingsförmåga för att hitta, komma åt, interoperera och återanvända data, en praxis som kallas FAIR-principerna6. Publicering av forskningsdata i enlighet med FAIR-principerna har fått positiv uppmärksamhet från myndigheter runt om i världen7,8, och tillämpning av FAIR-principerna med hjälp av maskinvisionsprogramvara är ett viktigt steg i deras antagande.
En mjukvaruplattform för maskinsynssynkronisering (MVS) har utvecklats som svar på de specifika smärtpunkterna som är inneboende vid utförande och analys av komplexa, metadatatunga TEM-experiment (särskilt in situ - och operando-experiment)9. När MVS-programvaran har installerats på TEM ansluter, integrerar och kommunicerar den med mikroskopkolonnen, detektorerna och integrerade in situ-system . Detta gör det möjligt att kontinuerligt samla in bilder och anpassa dessa bilder till deras experimentella metadata, bilda en omfattande sökbar databas, en tidslinje för experimentet från början till slut (figur 1). Denna anslutning gör det möjligt för MVS-programvaran att tillämpa algoritmer som intelligent spårar och stabiliserar en region av intresse (ROI), även när prover genomgår morfologiska förändringar. Programvaran tillämpar justeringar av scen-, strål- och digitala korrigeringar efter behov för att stabilisera ROI genom dess Drift Control och Focus Assist-funktioner . Förutom att berika bilderna med de råa metadata som produceras från de olika experimentella systemen, kan programvaran producera nya, beräkningsmetadata med hjälp av bildanalysalgoritmer för att beräkna variabler mellan bilder, vilket gör det möjligt att automatiskt korrigera för provdrift eller förändringar i fokus.
TEM-bilder och tillhörande metadata som samlas in via MVS-programvaran är organiserade som en experimentell tidslinje som kan öppnas och ses av vem som helst via den kostnadsfria offlineversionen av analysprogramvaran Studio (nedan kallad analysprogramvaran)10. Under ett experiment synkroniserar och registrerar MVS-programvaran tre typer av bilder från mikroskopets kamera eller detektor, som visas högst upp på tidslinjen under bildvisaren: enstaka förvärv (enskilda enstaka förvärvsbilder som förvärvats direkt från TEM-programvaran), raw (bilder från detektorn/kamerans livestream som inte har haft några digitala driftkorrigeringar; dessa bilder kan ha korrigerats fysiskt via scenrörelse eller strålförskjutning) och driftkorrigerad (bilder från detektorns/kamerans livestream som har drivits digitalt). Data som samlas in under ett experiment eller en session kan förfinas ytterligare till mindre avsnitt eller utdrag av data, så kallade samlingar, utan förlust av inbäddade metadata. Från analysprogramvaran kan bilder, bildstaplar och metadata exporteras direkt till en mängd olika bilder och kalkylbladstyper i öppet format för analys med andra verktyg och program.
Ramverket för mikroskopkontroll, stabilisering och metadataintegration som möjliggörs av MVS-programvaran möjliggör också implementering av ytterligare maskinvisionsprogram eller moduler, utformade för att lindra begränsningar i nuvarande TEM-arbetsflöden. En av de första modulerna som utvecklats för att dra nytta av denna synkroniseringsplattform är elektrondoskalibrering och rumslig spårning av strålexponerade områden i provet. Alla TEM-bilder bildas av interaktionen mellan provet och elektronstrålen. Dessa interaktioner kan emellertid också resultera i negativa, oundvikliga effekter på provet, såsom radiolys och knock-on-skada 11,12, och kräver en noggrann balans mellan att applicera en tillräckligt hög elektrondos för att generera bilden och minimera den resulterande strålskadan 13,14.
Även om många användare förlitar sig på skärmströmmätningar för att uppskatta elektrondosen, har denna metod visat sig kraftigt underskatta den faktiska strålströmmen15. Kvalitativa dosvärden kan erhållas via skärmströmmen på samma mikroskop med samma inställningar, men återgivning av dessa dosbetingelser med olika mikroskop eller inställningar är mycket subjektivt. Dessutom kräver alla justeringar av bildparametrar som användaren gör under experimentet, såsom spotstorlek, bländare, förstoring eller intensitet, en separat mätning av skärmströmmen för att beräkna den resulterande dosen. Användare måste antingen strikt begränsa de avbildningsförhållanden som används under ett givet experiment eller noggrant mäta och registrera varje linsförhållande som används, vilket väsentligt komplicerar och utvidgar experimentet utöver vad som är möjligt för normal drift av mikroskopet16,17.
Dos, kallad dosprogramvara för detta protokoll, är en programvarumodul för doskalibrering som använder en dedikerad kalibreringshållare utformad för att möjliggöra automatiserade strömmätningar. En Faraday-kopp, guldstandarden för exakt strålströmkalibrering15, är integrerad i kalibreringshållarens spets. MVS-programvaran utför en serie kalibreringar av strålström och strålområde för varje linsförhållande och bäddar in dessa värden på bilderna på pixelnivå.
I den här videoartikeln presenteras MVS-programvaruprotokoll som är utformade för att förbättra alla delar av TEM-arbetsflödet med hjälp av representativa nanomaterialprover. Ett strålkänsligt zeolitnanopartikelprov14 används för att demonstrera arbetsflöden för kalibrering och doshantering. Vi utför ett representativt in situ-uppvärmningsexperiment med ett Au/FeOx nanokatalysator18,19-prov som genomgår betydande morfologiska förändringar vid upphettning. Detta in situ-experiment belyser programvarans stabiliseringsalgoritmer och dess förmåga att samla flera strömmar av metadata, vilket är en inneboende utmaning för in situ- och operandostudier. Även om det inte beskrivs i protokollet, på grund av dess unika elektrondoskänslighet, diskuterar vi representativa exempel på programvarans användbarhet för vätske-EM-studier (protokoll för vilka tidigare har rapporterats i litteraturen20,21,22), och hur dessa tekniker kan tillämpas för att förbättra förståelsen av effekten av dos på vätske-EM-experiment. Slutligen visar vi hur dataanalys effektiviseras med hjälp av offlineanalysprogramvaran för att visualisera, filtrera och exportera en mängd olika bild-, video- och datafiler till andra tillgängliga format.
Bild 1: Exempel på användargränssnitt för MVS och analysprogram. (A) Synkroniseringsprogrammets bildvisningsfönster och kontrollpanel. En anslutning mellan TEM och synkroniseringsprogramvaran upprättas genom att aktivera Connect-knappen, som strömmar bilder och metadata från mikroskopet till synkroniseringsprogramvaran. Från bildvisaren kan föraren utföra en mängd olika maskinseendeassisterade operationer, till exempel Drift Correct och Focus Assist. Det ger också möjlighet att tillämpa tagga bilder och granskningssession utan att störa datainsamlingen. (B) Skärmdump av bildanalysprogrammet som markerar platsen för bildvisningsporten, tidslinjen och panelen Metadata och analys. Analysprogramvaran kan nås när som helst under ett experiment för att granska de bilder som hämtats fram till den tidpunkten med knappen Granska session. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Protocol
1. Metod 1: Doskalibrering av transmissionselektronmikroskopet för TEM och svepning av TEM (STEM) avbildningslägen
- Slå på pikoammetern och låt den värmas upp i minst 30 minuter innan en doskalibrering påbörjas. Fyll på doskalibreringshållaren i TEM och anslut kalibreringshållaren till picoammetern med snabbanslutningskabeln.
- Öppna kolonnventilerna med mikroskopet i TEM-läge och lokalisera det 35 μm fiduciella hålet på doshållaren (figur 2). Starta MVS-programvaran och välj Dos (kalibreringsautomatisering) från experimentalternativen.
OBS: Den fiduciella hålplatsen sparas av programvaran efter den första kalibreringen, vilket gör det möjligt för programvaran att automatiskt lokalisera sin position för framtida kalibreringar. - Klicka på ikonen Anslut (bild 1A) och välj mikroskopet för att aktivera anslutningen mellan TEM och MVS-programvaran. När de är anslutna kommer bilderna från kameran/detektorn att synas i programvarans bildvisare.
OBS: Det är inte nödvändigt att optimera den eucentriska höjden, och kanten på det fiduciella hålet kan verka suddig på grund av spetsens tjocklek. Detta påverkar inte de aktuella mätningarna. - Navigera till fliken Dos och sedan till Doskalibrering. Välj Kalibrering av dosområde , följ programvaruanvisningarna och ange de begärda användarkonfigurerbara värdena (t.ex. inställningar för bländare och monokromator). När kalibreringen av dosområdet är klar väljer du processen Kalibrering av dosström och följer programvaruanvisningarna.
- Upprepa kalibreringsprocessen (steg 1.4) för varje inställning av spotstorlek, bländare eller monokromator som kan användas under experimentet.
- När kalibreringsprocessen för TEM-läge är avslutad, kalibrera elektrondosen för STEM-läge genom att upprepa steg 1.4.
OBS: STEM-läget kräver inte att kalibrering av dosområdet utförs. - När alla önskade kalibreringar är klara, klicka på Stäng session, ta bort doskalibreringshållaren och återgå till startskärmen för MVS-programvaran.
2. Metod 2: Bestämning av doströskeln med hjälp av MVS och dosprogramvaran
- Fyll på ett standardnät för tvärgående elektromagnetiskt läge med ett prov (kommersiellt tillgängliga ZSM-5 zeolitnanopartiklar användes i detta exempel) i en standard TEM-hållare. Sätt in hållaren i TEM och lokalisera ett område av intresse (kristallina zeolitnanopartiklar).
- Öppna MVS-programmet och välj Annat.
Ytterligare information om provet (t.ex. providentifierare och beskrivning, operatörens namn och experimentanteckningar) kan läggas till i fältet för experimentella parametrar. - Upprepa steg 1.3 för att ansluta till MVS-programvaran och navigera till fliken bildmetadata i MVS-programvarugränssnittet för att välja följande metadata som ska överlagras på bildströmmen som visas i livevisningen: förstoring, maxdos och dosrat. Andra metadata kan inkluderas om användaren önskar. En skärmdump av MVS-programvarans gränssnitt som visar doshanteringskontrollerna finns i tilläggsfil 1.
- Öppna fliken Dos och välj Doshantering och Aktivera dosövervakning för att aktivera automatisk elektrondosspårning. Välj Visa doslager för att visa överlagringen av dosfärgen.
- Ställ in värdena för den höga dosnivån och den höga dosraten och tryck på Spara (i det här exemplet användes värden på 60 000 e-/Å 2 respektive 500 e-/Å2·s).
- Navigera till fliken Inställningar , välj Dos och ställ in värdena Dose Navigation Map Opacity och Dose Image Overlay Opacity (i det här exemplet användes värden på 0,50 respektive 0,30).
- I Live Image Viewer-fönstret aktiverar du driftkorrigering genom att klicka på Drift Correct.
- Navigera till fliken Datavy och rita metadatavärdena Defocus och Focus Quotient på Y-axeln.
Alla tillgängliga metadatavärden kan ritas i realtid under experimentet från datavytabellen. - Aktivera Focus Assist och välj sedan Kalibrera fokus för att köra den automatiska fokusassistentkalibreringen. När rutinen Kalibrera fokus är klar stänger du fliken Datavy .
- Öppna fliken Bildanalys i MVS-programvaran och aktivera alternativen Live FFT och kvadranter 1 &; 2 .
- Använd mikroskopets programvarukontroller, justera strålförhållandena så att elektronflödet är ~ 500 e-/Å2·s. och flytta till en ny region i provet och centrera provets ROI i livevyn av MVS-programvaran.
OBS: När du gör stora scenrörelser kommer driftkontroll och fokusassistent automatiskt att inaktiveras och måste återaktiveras när den nya avkastningen har valts. - Anteckna dosförhållandena i programvaran med hjälp av taggfunktionen. Markera taggikonen och ange önskad text för att beteckna en specifik serie bilder inom tidslinjen. Bilder taggas med den här texten tills taggikonen avmarkeras.
- Behåll en konstant dosrat samtidigt som du kontinuerligt avbildar samma ROI tills topparna som motsvarar atomstrukturen i FFT-diagrammet har försvunnit.
- Minska förstoringen, öppna fliken Doshantering och aktivera Visa doslager för att överlagra en färgkodad doskarta.
OBS: Denna funktion ger en visuell referens av de områden i provet som har exponerats för elektronstrålen och deras relativa dosexponering. Om du markerar dessa områden i enskilda bilder med markören anges deras respektive dosvärden. - Koppla från och avsluta sessionen genom att avmarkera Anslut och välj sedan Stäng session. Spara en kopia av sessionsdata till en extern källa för att förhindra att data som sparats i MVS-programvaran skrivs över under efterföljande experiment (kompletterande fil 2).
3. Metod 3: Metadata och trendanalys och dataexport med hjälp av analysprogramvaran
- Starta analysprogramvaran (offlineprogramvaran för att visa de fullständigt synkroniserade datauppsättningarna) och öppna experimentsessionsfilen genom att välja den i filbiblioteket.
Användare kan också komma åt analysprogramvaran via ikonen Granska session i MVS-programvaran under ett experiment. - Visa de avdriftskorrigerade bilderna genom att aktivera fliken DC under Image View Port och välj önskade dataöverlagringar genom att markera deras respektive Overlay Data-rutor på fliken Bildmetadata (i detta exempel användes mikroskop, datum/tid, dosrat, maxdos och förstoring). Andra metadata kan ritas som användaren önskar.
- Markera rutan Tidslinje för Max dos och dosrat för att lägga till ett grafiskt diagram över dessa värden på tidslinjen. Markera eller bläddra igenom dessa grafiska diagram för att uppdatera bilden som visas i visningsområdet. Få tillgång till en mängd olika verktyg via flikarna Anteckningar, Bildanalys, Verktygslåda och Datavy .
- Gå till FFT för varje bild via fliken Bildanalys och klicka på Live FFT för att uppdatera FFT medan du bläddrar igenom bilder.
- Använd blekningen av FFT-topparna för att bestämma den tidpunkt då zeolitstrukturen förlorar kristalliniteten. Anteckna det högsta dosvärde som registrerats med den bilden.
- Använd alternativet Filter för att enkelt filtrera stora datauppsättningar till mindre, delbara datauppsättningar utan att förlora deras associerade metadata. Öppna filterpanelen och justera reglagen så att endast data med en dosrat som är lika med eller över ~500 e-/Å2·s väljs, och spara den nya samlingen med namnet Dose Threshold Study.
Filter kan tillämpas för alla associerade metadatatyper. - Exportera bilder och metadata från sessionen till andra filtyper som berikats med skalningsstaplar och metadataöverlägg.
- Markera samlingen i biblioteksfönstret och välj Publicera genom att högerklicka på markeringen. I fönstret Publicera väljer du önskade alternativ för filtypsexporten.
- Välj fliken driftkorrigerade data och använd överlägg för önskade metadata och FFT (placera FFT-överlägget efter önskemål; exempel på bilder som exporterats med FFT visas i figur 3).
- Exportera bildserien som en filmfil med samma publiceringsalternativ . Markera bilderna genom att markera dem på tidslinjen, använda filteralternativen eller exportera hela databasfilen. Välj önskat filmformat, bildhastighet och filplats. En film av zeolitnedbrytningsexperimentet som erhållits med användning av en 200 kV TEM finns i tilläggsfil 3.
- Exportera metadata separat från de hämtade bilderna som en CSV-fil genom att välja alternativet Metadata (CSV) vid publicering.
OBS: Rå- och driftkorrigerade bilder exporteras som separata CSV-filer (kompletterande fil 4 och kompletterande fil 5).
4. Metod 4: In situ-uppvärmningsstudie av guld på järnoxidnanopartiklar
- Droppgjut en nanokatalysator (Au/FeOx) suspenderad i etanol på ett in situ-värme-E-chip, ett mico-elektrokrommekaniskt (MEM) provstöd, och låt det lufttorka. Montera provexemplaret i värmehållaren på plats, sätt in hållaren med provet i TEM och anslut hållaren till strömförsörjningen med den medföljande kabeln. Hitta ett exempel på ROI med hjälp av TEM-kontrollerna.
OBS: Detta experiment använde en värmehållare som är helt integrerad med MVS-programvaran, vilket gör att temperaturmetadata kan bäddas in med bilderna. - Välj lämpligt arbetsflödesalternativ från MVS-programvaran (i det här exemplet användes Fusion Workflow , men andra tillverkares värmehållare kan användas genom att välja Annat).
- Följ arbetsflödesanvisningarna för att bekräfta den elektriska anslutningen mellan hållaren och värme-E-chipet genom att ladda kalibreringsfilen och utföra en enhetskontroll.
- Anslut mikroskopet till MVS-programvaran, som visas tidigare i steg 2.3-2.10 (i det här exemplet valdes metadatavärdena för dosrat, maxdos, matchningskorrelation, drifthastighet och kanal A-temperatur) och centrera provets ROI i synfältet.
- Öppna fliken Fusion AX och ställ in och tillämpa en temperatur.
- Klicka på knappen Kanalinställning A för att komma åt inställningarna för temperaturkontroll. Välj temperaturfunktionen och manuellt styrläge.
- Klicka på knappen Experiment för att komma åt experimentkontrollerna. Ställ in ramphastigheten på 10 °C/s och målet på 600 °C. Klicka på Apply för att starta experimentet.
Experimentet kan pausas eller stoppas när som helst med snabbåtkomstknapparna i det nedre högra hörnet av MVS-programvaran, utan att öppna fliken Fusion AX . - När den inställda temperaturen på 600 °C har uppnåtts öppnar du fliken Fusion AX och väljer Experiment. Ändra ramphastigheten till 2 °C och målet till 800 °C. Klicka på Apply för att starta experimentet.
OBS: Proceduren för att applicera en värmeramp är beroende av det in situ-värmesystem som används. Stegen som markerats ovan för att tillämpa temperaturrampen gäller för det system som används i det här exemplet. - Markera eventuella händelser eller intressanta platser under experimentet med taggningsfunktionen, som du ser i steg 2.10. Fortsätt att avbilda provet och justera temperaturprofilen efter önskemål. När du är klar klickar du på Avsluta session och sparar datafilen med hjälp av analysprogramvaran (en del av databasfilen som diskuteras i de representativa resultaten tillhandahålls som kompletterande fil 6).
- Öppna analysprogrammet för att granska sessionen. Plotta temperatur, mallmorfningsfaktor, dosrat och kumulativ dos i tidslinjen. Exportera bilder och filmer efter behov med hjälp av stegen som beskrivs i steg 3.6 och 3.7. Bilder och filmer kan exporteras med eller utan doskartöverlagringar (figur 4).
Representative Results
Detta arbete belyser nyttan av datainsamling med MVS-programvara för TEM-avbildning och in situ-experiment. Justering av mikroskop och inställning av tillstånd utfördes och valdes genom TEM-tillverkarens standardkontroller. Efter den första installationen genomfördes protokollen som presenteras i den här videoartikeln via MVS-programvaran. En 300 kV TEM användes för alla experiment som presenterades i videoprotokollet och representativa data, förutom jämförelsezeolitdata som förvärvades med en 200 kV kall FEG (figur 3D-F och tabell 1). Alla metadata samlades in och justerades automatiskt till sina respektive bilder av MVS-programvaran.
Efter att ha startat programvaran och valt lämpligt arbetsflöde från menyn upprättas en anslutning till mikroskopet genom att aktivera knappen Anslut i verktygsfältet längst till vänster i bildvisaren, som visas i figur 1A. När knappen Anslut är markerad strömmas bilder och tillhörande metadata från mikroskopet automatiskt till MVS-programvaran och visas i bildvyfönstret. Dessa bilder och deras tillhörande metadata sparas kronologiskt i en tidslinje som kan öppnas, granskas och analyseras utan att avbryta inspelningen av nya data i tidslinjen (figur 1B). Streaming kan avbrytas av användaren när som helst genom att inaktivera ikonen Anslut .
När anslutningen har aktiverats kan andra arbetsflöden som är beroende av MVS-programvaruramverket nås. I exemplen som visas i detta videoprotokoll måste en doskalibrering utföras innan de andra funktionerna i MVS-programvaran används. Doskalibrering är en automatiserad process som styrs av MVS-programvaran; den använder en dedikerad Faraday kopp doskalibreringshållare för att mäta strålens ström och area för kombinationen av parametrar. Faradays koppkalibreringshållare, som visas i figur 2, ansluts till en extern picoammeter, som exakt mäter strålströmmen. När det väl har satts in i mikroskopet centreras det fiduciella inriktningshålet och de önskade strålförhållandena som ska kalibreras (spotstorlekar, öppningar och förstoringar) matas in i programvaran. Programvaran utför en serie kalibreringssteg för varje kombination av de valda förhållandena. Under doskalibreringen rör sig hållaren automatiskt mellan den integrerade Faraday-strömkollektorkoppen och genomhålet. Den aktuella mätningen för varje kombination av linsförhållanden mäts på Faraday-koppen av picoammetern. Sedan översätter programvaran scenen för att centrera strålen i det genomgående hålet och strålområdet bestäms genom maskinvisionsalgoritmer. Denna serie mätningar bygger en profil av förhållandet mellan intensitet / ljusstyrka och strålområdet. Detta gör det möjligt för programvaran att extrapolera strålområdet eftersom inställningen för intensitet / ljusstyrka justeras under ett experiment oavsett synfält. Värdena för kumulativ dos och dosrat beräknas med hjälp av dessa strålströms- och strålområdesmätningar och en doskalibreringsfil genereras. Denna process definierar i huvudsak ett dos "fingeravtryck" för TEM och dess individuella linsförhållanden. När dosen har kalibrerats för TEM kan användaren arbeta normalt och fritt justera förstoring och intensitet utan förlust av dosinformation eller manuell anteckning17. När kalibreringen är klar avlägsnas doskalibreringshållaren, så att provet kan föras in som vanligt. Kalibreringsprocessen för både TEM- och STEM-lägena tar normalt mindre än 10 minuter.
Efter kalibrering av dosförhållandena avbildades ett kommersiellt inköpt zeolitnanopartikelprov (ZSM-5) under förhållanden med hög dosrat för att bestämma tröskeldosen (kumulativ) vid vilken provet är för skadat för att ge strukturell information. ZSM-5-nanopartiklarna suspenderades i etanol och dropcast på ett konventionellt koppar TEM-nät. De avbildades kontinuerligt vid 300 kV i TEM-läge med en spotstorlek på 3 och en 100 μm kondensorbländare. Dosraten som avlästes av MVS-programvaran under förhållanden med hög dosrat var 519 e-/Å2·s. Nanopartiklar i synfältet avbildades kontinuerligt tills topparna i FFT försvann, vilket indikerar nedbrytning av den kristallina strukturen, som visas i figur 3A-C och kompletterande fil 3. Överlagringar (som kan läggas till under ett levande experiment eller efteråt i analysprogramvaran) applicerades på TEM-bilderna för att visa datum och tid, dosrat, maximal (kumulativ) dos och förstoring. Dosraten hölls konstant under experiment, med den kumulativa dosen (maxdosen) som ökade som en funktion av tiden. FFT-topparna började försvinna efter 42 s kontinuerlig avbildning (figur 3B). Vid 1 min och 20 s och en kumulativ dos på ~ 60 000 e-/Å2 hade FFT-topparna helt försvunnit (figur 3C).
För att visa att denna kalibreringsmetod genererar kvantitativa dosmätningar som kan tillämpas på andra mikroskop som arbetar under olika inställningar, utfördes samma kalibreringsprocess och zeolitnedbrytningsexperiment med användning av en 200 kV kallfältsemissionspistol (FEG) TEM och en spotstorlek på 1. Detta mikroskop kalibrerades med samma procedur som beskrivs i metod 1, och samma experiment som beskrivs i metod 2 utfördes med de nya spotstorleks- och bländarinställningarna. Strålinställningarna justerades så att skillnaden i tillämpad dosrat mellan de två experimenten var försumbar (499 e-/Å 2·s vs. 519 e-/Å2·s). Som visas i figur 3D-F och sammanfattas i tabell 1 försvinner FFT-fläckarna helt efter 1 min och 50 s kontinuerlig avbildning och en kumulativ dos på 58 230 e-/Å2, vilket överensstämmer med de värden som erhölls i det första experimentet.
Ett exempel på hur MVS-programvaran kan gynna in situ-experiment visades genom att utföra ett uppvärmningsexperiment. Ett representativt nanokatalysatorprov, Au/FeOx (syntetiserat efter en publicerad procedur19), valdes som exempelsystem eftersom det genomgår dynamiska morfologiska och strukturella förändringar vid höga temperaturer. Denna temperaturinducerade rörlighet gör det utmanande att hålla avkastningen centrerad inom synfältet på grund av provets egen rörelse och termisk expansion av provet under temperaturförändringar18. Med funktionerna Drift Correct och Focus Assist aktiverade avbildades provet under en period av ~30 s vid 800 °C. Vid förhöjda temperaturer migrerade guldnanopartiklarna i Au/FeOx längs ytan av järnoxidstödet och sintrades för att bilda större partiklar, som visas i figur 4 och som en film i kompletterande fil 7. Figur 5 visar en serie TEM-ögonblicksbilder (figur 5A–F) av ett poröst område inom en Au/FeOx nanokatalysator, registrerade vid olika tidpunkter (figur 5G) under ett in situ-uppvärmningsexperiment. Det koordinerade driftvärdet för ROI beräknades automatiskt av programvaran. De koordinerade drift- och temperaturvärdena för bilderna under seriens gång visas grafiskt i figur 5G. Som förväntat ökar provets koordinerade drift när temperaturprofilen ökar, från en hastighet av ~ 9 nm / min till ~ 62 nm / min, och börjar minska mot utjämning när temperaturen hålls konstant. Trots denna höga drifthastighet och förändringar i provets morfologi erhålls högupplösta bilder lätt under temperaturrampning, vilket avslöjar rörelse inom det porösa området, som visas i kompletterande fil 8. Se Tilläggsfil 9 för nedladdningsinstruktioner och datorspecifikationer.
Figur 2: Kalibrering och spårning av elektrondos . (A) Dosen kalibreras med hjälp av en särskild provhållare som innehåller en strömavtagare placerad vid provplanet för strålströmmätningar. (B) Illustration av spetsdesignens egenskaper: Vänster: Faraday kopp; Mitten: fiducial hål; Höger: genomgående hål (C). Den applicerade elektrondosen kan visualiseras i programvaran med hjälp av färgkodade kartor för att beteckna olika dosexponeringar i en bild. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Elektrondosinducerad nedbrytning av zeolit (ZSM-5) nanopartiklar. (A–C) Ögonblicksbilder tagna under en period på 1 min och 20 s som visar nedbrytningsdata erhållna med en 300 kV FEG och en uppmätt dosrat på 519 e-/Å2·s; Zeoliten bryts ned inom 1 min och 20 s. (D–E) Ögonblicksbilder tagna under en tidsperiod på 1 min och 50 s som visar nedbrytningsdata erhållna med en 200 kV kall FEG TEM och en elektrondosrat på 499 e-/Å2·s; insatserna visar att FFT-fläcken bleknar med tiden. Skalstången är 60 nm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: AXON-synkronicitet tillämpar maskinvisionsalgoritmer för att spåra och stabilisera dynamiskt utvecklande prover. Metadata som genereras under experimentet kan ritas längs tidslinjen, så att användaren snabbt kan para ihop en bild med tillhörande metadata när de bläddrar igenom bildserien som genereras under experimentet. (A–H) Bilder av ett nanokatalysatorprov (Au/FeOx) vid 800 °C registrerade under en period av 28 s både med (A–D) och utan (E–H) doskartans överlagring. Röda områden i överlagringen indikerar regioner med hög kumulativ dosexponering och gula områden indikerar regioner med lägre exponering. Om du markerar en enskild pixel anges den kumulativa dosen för den pixeln. Vita pilar i paneler E-H indikerar två partiklar som smälter samman under experimentet, och den orange pilen indikerar banan för en rörlig guldpartikel. (I) Experimentets tidslinje genererad av analysprogramvaran för bildserien som visas i A-H. De orange prickarna högst upp på tidslinjen anger råa (icke-digitalt korrigerade) bilder och de blå prickarna anger driftkorrigerade bilder. De orange vertikala staplarna anger de punkter på tidslinjen som motsvarar bilderna som visas paneler A-H. Skalstången är 40 nm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: TEM-ögonblicksbilder av ett poröst område inom en Au/FeOx-nanokatalysator vid olika tidpunkter. MVS-programvaran stabiliserar och centrerar provet även under höga drifthastigheter, såsom de som uppstår under en temperaturramp genom tillämpning av steg, strålförskjutning och digitala korrigeringar, vilket indikeras av maskinvisionsalgoritmer. (A–F) TEM-ögonblicksbilder av ett poröst område inom en Au/FeOx-nanokatalysator, registrerade vid olika (G) tidpunkter under ett in situ-uppvärmningsexperiment . Drifthastigheten för ROI beräknas automatiskt och registreras under ett experiment av MVS-programvaran. När temperaturprofilen ändras (den blå linjen) ökar avdriftshastigheten (orange linje) när temperaturen ökar och minskar när temperaturen hålls konstant. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Typ av mikroskop | 300 kV FEG TEM | 200 kV kall FEG TEM |
| Spotstorlek/kondensor 2 bländare | 3/100 μm | 1/100 μm |
| Dosrat | 519 e-/A2•s1 | 499 e-/A2•s1 |
| Förlust av struktur mätt med FFT (ackumulerad dos) |
60 270 e-/a2 | 58 230 e-/a2 |
Tabell 1: Sammanfattande jämförelse av zeolitnedbrytningsresultat erhållna från olika mikroskop.
Tilläggsfil 1: Skärmbild av MVS-programvarans gränssnitt med fliken doshantering öppen. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 2: MVS-programvarudatabasfil för det strålinducerade zeolitnedbrytningsexperimentet. Denna visnings- / analysprogramvara är tillgänglig för nedladdning gratis. Se Kompletterande fil 9 för nedladdningsinstruktioner och datorspecifikationer. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 3: Film av strålinducerad zeolitnedbrytning. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 4: CSV-fil 1 (zeolitnedbrytning: rådata [endast mekanisk korrigering]) Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 5: CSV-fil (zeolitnedbrytning: driftkorrigerad [mekanisk + digital korrigering]) Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 6: MVS-programvarudatabasfil nanokatalysator in situ-uppvärmningsexperiment . Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 7: Film av nanokatalysatorn vid 800 °C med dosöverlagringar. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 8: Film av nanokatalysatorn under en temperaturramp med koordinerade driftvärden. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 9: Instruktioner för nedladdning av gratis analysprogram. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Tolkningen av TEM-experimentella resultat är ofta beroende av många sammankopplade experimentella parametrar, såsom mikroskopinställningar, avbildningsförhållanden och, när det gäller operando eller in situ-experiment, förändringar i miljön eller stimuli 1,23. Noggrann analys av stora TEM-datamängder, över vilka dessa parametrar kontinuerligt kan ändras, kräver betydande uppmärksamhet från operatören för att noggrant registrera varje villkor och inställning för varje bild i en labjournal eller annan extern dokumentationskälla. När TEM-datauppsättningar växer i storlek och komplexitet blir manuell journalföring ohanterlig och viktig information kan missas eller registreras felaktigt. MVS-programvaran som beskrivs här konsoliderar metadata som genereras under ett experiment från mikroskopet, detektorn / kameran och andra system (t.ex. in situ-provhållare) och anpassar dem till sina respektive bilder.
Förutom metadatakonsolidering tillämpar programvaran maskinvisionsalgoritmer för att spåra och stabilisera synfältet genom en kombination av rums-, strål- och digitala korrigeringar med hjälp av funktionerna Drift Correct och Focus Assist . När funktionen Drift Correct aktiveras genereras en korskorrelationsmallbild med den första bilden som hämtas till MVS-programvaran. Mallen jämförs sedan med inkommande bilder för att beräkna riktningen och storleken på provets drift eller rörelse. Med denna information tillämpar MVS-programvaran automatiskt nödvändiga korrigeringar för att hålla bildfunktionerna på samma plats genom att justera minst en av tre parametrar: scenplats, stråle eller bildförskjutning och digital bildkorrigering. Funktionen Focus Assist använder en kombination av algoritmer för att tilldela ett fokusvärde, kallat fokuspoäng till varje bild, och dessa poäng jämförs för att bestämma storleken och riktningen för defokusjustering som ska tillämpas för att hålla provet i fokus. I STEM-avbildningsläge försöker MVS-programvaran maximera kontrasten genom en proprietär version av normaliserad varians för att tilldela fokuspoängen. I TEM-läge beräknas en radiell intensitetssumma i FFT och används för att beräkna fokuspoängen. Begränsningar i MVS-programvarans förmåga att optimera fokus uppstår när den inte exakt kan beräkna rätt fokuspoäng för en bild. Detta inträffar vanligtvis när mikroskopet är feljusterat eller provet är betydligt ur fokus under kalibreringen, vilket hindrar programvaran från att korrekt beräkna rätt startfokuspoängvärde. MVS-programvaran kan ha svårt att beräkna fokuspoängen för prover med väldefinierade gitterfransar, eftersom gitterfransarna i FFT kan "överväldiga" fokuspoängalgoritmen; Om ett prov flyttas ur fokus kanske fokuspoängen inte korrekt återspeglar förändringen i fokus. Omvänt kan arbete vid låga förstoringar eller med ett prov som har en låg FFT-signal också göra det utmanande att beräkna en bra fokuspoäng. För att mildra dessa svårigheter innehåller MVS-programvaran ett antal ytterligare algoritmer som kan väljas av användaren för att beräkna fokuspoängen om standardinställningarna inte är lämpliga för provet. Dessa måste testas och tillämpas från fall till fall för att bestämma de bästa algoritmerna för ett givet experiment.
Morfologiska förändringar i provstrukturen över tid redovisas med hjälp av en mallmorfningsfaktor. Det här filtret är inställt av operatorn, så att registreringsalgoritmer tar hänsyn till morfologiska förändringar över tid. Dessutom övervakar programvaran inställningarna för kontinuerlig bild, mikroskop och kamera- eller detektorinställningar för att automatiskt uppdatera mallen när den utlöses av förändringar i provstrukturen och efter eventuella operatörsinducerade ändringar av mikroskop-, kamera- eller detektorparametrarna. Som visas i figur 4, figur 5, kompletterande fil 7 och kompletterande fil 8 ger MVS-programvaran effektiv, omedelbar stabilisering, vilket möjliggör högupplöst avbildning av dynamiskt rörliga eller föränderliga prover. Även om programvaran kan styra mycket höga drifthastigheter eller provrörelser, som de som uppstår vid applicering av en värmeramp under ett in situ-experiment, finns det begränsningar för de maximala stegkorrigeringarna eller strålförskjutningarna som programvaran kan styra om provet rör sig eller driver mycket snabbt. Denna gräns är en funktion av bilduppdateringshastigheten, synfältets storlek och avdriftshastigheten. För ett givet synfält och bilduppdateringshastighet finns det en maximal drifthastighet som kan korrigeras, och om de fysiska rörelserna inte kan hålla jämna steg kan processen avslutas eller bli instabil. Från registreringsmallarna som genereras när funktioner som Drift Correct tillämpas kan ytterligare beräknade metadata genereras. Matchningskorrelation är till exempel en numerisk post över omfattningen av förändring mellan mallar i en serie och används för att identifiera punkter i en experimentell tidslinje där provet ändrades. Ett högt matchningskorrelationsvärde motsvarar ett prov som har genomgått förändringar i sin morfologi, och ett lågt matchningskorrelationsvärde motsvarar ett prov vars struktur förblir relativt statisk. Matchningskorrelation är särskilt värdefull för in situ-studier eftersom den kan plottas grafiskt, vilket gör det möjligt för användaren att snabbt hitta bilder i serien som motsvarar betydande provförändring. Det är dock viktigt att förstå att höga matchningskorrelationsvärden också kan motsvara förändringar i bildförhållanden, till exempel att flytta scenen eller ändra förstoringen, om dessa åtgärder utförs medan funktionen Driftkorrigering förblir aktiv.
Kalibreringsarbetsflödet som presenteras här använder en unik kalibreringshållare och en halvautomatisk kalibreringsrutin för att noggrant kalibrera strålen under en mängd olika linsförhållanden med minimal operatörsintervention. Doskalibreringsrutinen nås via MVS-programvaran som är installerad på TEM. MVS-programvaran läser automatiskt relevanta mikroskopinställningar för att spara alla mätningar som referens för senare experiment. På vissa TEM är det inte möjligt att läsa bländar- eller monokromatorinställningarna, och dessa måste anges i MVS-programvaruinställningarna av operatören under kalibreringar och under användning. Det finns påminnelser inbyggda i programvaran för att hålla dessa operatörsinmatningsinställningar uppdaterade genom att följa programanvisningarna. Utvecklingen av en hållare med en inbyggd strömsamlare, snarare än att förlita sig på en integrerad någon annanstans i mikroskopkolonnen, är ett medvetet designval. Detta gör det möjligt att placera strömkollektorn i samma plan som ett prov, vilket eliminerar fel i strömmätningen som orsakas av strålböjning eller skillnader i absorptionen av elektroner genom öppningar vid olika strålpositioner. MVS-programvaran följer en automatiserad rutin för att mäta strålströmmen och arean för alla kombinationer av linsförhållanden. Programvaran kan sedan korrelera dessa uppmätta kalibreringar med kamerans eller skärmens ström och extrapolera eventuella förändringar i förstoring etc. till strålområdet under experimentet. När de har genererats kan dessa kalibreringsfiler användas omedelbart och sparas automatiskt för senare användning om programvaran upptäcker samma inställningar som används under en framtida session. Även om kalibreringsfilens livslängd varierar från mikroskop till mikroskop, har författarna funnit att de kan använda samma kalibreringsfiler i flera månader utan att observera väsentliga förändringar av de aktuella värdena. Det finns inbyggda rutiner som övervakar pistolernas utsläppsprofil för att hålla dessa kalibreringar relevanta, särskilt på kalla FEG-utsläppspistoler.
Normalisering av dosmätningar mellan mikroskop och automatiserad spårning av ett provs strålexponering är kritiska funktioner i MVS-programvaran, eftersom de möjliggör kvantitativa jämförelser av dosförhållanden mellan experiment som ska utföras på olika mikroskopsystem. Dosinducerad nedbrytning av ett zeolitprov (ZSM-5), erhållet under identiska experiment med olika mikroskop, resulterar i fullständigt försvinnande av FFT-fläckarna efter en maximal kumulativ eller tröskelelektrondos (~ 60.000 e-/Å 2 vid applicering av en dosrat på ~ 500 e-/Å2·s) för båda uppsättningarna. Dessa jämförande resultat visar att dosprogramvaran underlättar reproducerbara, kvantitativa dosmätningar. Den lilla skillnaden i den kumulativa dosen vid vilken full FFT-fläckförsvinnande observeras för varje experiment är sannolikt ett resultat av de olika accelerationsspänningarna som används av de två mikroskopen, med lägre accelerationsspänningar som resulterar i fler strålningsskadevägar och högre accelerationsspänningar som vanligtvis resulterar i mer knock-on-skada24. Litteraturresultaten för den kritiska dosen av ZSM-5 nanopartiklar sträcker sig från 9 000-14 000 e-/Å2 med hjälp av de första FFT-fläckarna försvinnande, snarare än det fullständiga försvinnandet av alla FFT-fläckar 25,26. I våra resultat motsvarar det första försvinnandet av FFT-fläcken en kumulativ dos på cirka 25 000 e-/Å2. Tidigare studier förlitade sig på strömmätningar erhållna med hjälp av en fosforskärm, vilket är väl dokumenterat för att underskatta strålströmmätningar jämfört med en Faraday-kopp15. Den bestämda kritiska dosen kan variera med en faktor på två eller flera, beroende på vilken FFT-topp som används för att spåra dosen. Detta indikerar att de högre rumsfrekvenserna försämras först och kan resultera i olika värden beroende på zonåtkomst som används under mätningarna (våra resultat fokuserade på FFT-fläckar från hela zeolitkristallen, snarare än specifika strukturella egenskaper)25,26. Dessa skillnader i teknik och strömkalibrering står för skillnaden i värden mellan de två experimenten som rapporterats i våra resultat och tidigare litteraturstudier.
Även om elektrondosinteraktionerna är en viktig faktor i många TEM-experiment, är in situ- och specifikt vätske-EM-studier särskilt känsliga för dess effekter. Radiolys av vätskor av elektronstrålen resulterar i en kaskad av kemiskt reaktiva arter som kan interagera med provet, vilket komplicerar analysen. Både dosraten eller fluensen som används under ett vätske-EM-experiment och den kumulativa dosen kan påverka koncentrationen av radikala arter som genereras på grund av flytande radiolys27,28. Således möjliggör insamling och registrering av både kumulativa dos- och dosratmetadata under ett experiment direkt korrelation mellan bilder och ett provs doshistoria och är ett mer exakt sätt att belysa och kontrollera elektronstrålens inverkan i dessa experiment. Även om det inte omfattas av detta protokoll visas ett exempel på användbarheten av doshanteringsfunktionerna för flytande EM i figur 6.
Figur 6: Strålinducerad tillväxt av guldnanopartiklar under ett in situ flytande EM-experiment. (A) STEM-översikt med låg förstoring av den resulterande partikeltillväxten med en färgöverlagring av den kumulativa doskartan över regionen. Röda områden i överlagringen indikerar regioner med hög kumulativ dosexponering och gula områden indikerar regioner med lägre exponering. Om du markerar en enskild pixel med markören eller ritar en ruta över ett område med de medföljande ritverktygen anges den kumulativa dosen för den pixeln eller det området. Skalstapeln är 2 μm. (B,C) STEM-bilder med högre förstoring av de områden som markeras med de orange rutorna (b,c) i A. Område b, exponerat för en högre kumulativ dos (10,811 e-/Å 2) innehåller större partiklar än de som finns i område c, som exponerades för en lägre kumulativ dos (0,032 e-/Å2). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Den anrikade dosraten och metadata för kumulativ dos förenklar analysen av dosberoende tillväxt- och nedbrytningsvägar för nanomaterial. Figur 6 visar den strålinducerade reduktionen av en lösning av guldaurakloridjoner (HAuCl3) i vatten under flytande EM-experiment. Från färgdoskartans överlagring i figur 6A är det lätt att visualisera att den kumulativa elektrondosen påverkar den resulterande storleken och formen på nanopartiklarna 29,30,31,32. STEM-översikten med låg förstoring visar regioner som exponerats för en hög (röd) och låg (gul) kumulativ dos. Partiklarna i regionen som utsätts för högre doser är större än de i de regioner som utsätts för lägre kumulativa doser. Eftersom dosmetadata är direkt inbäddade i varje bild på pixelnivå kan de komplexa effekterna av elektrondos i flytande EM-experiment nu systematiskt analyseras på ett sätt som aldrig tidigare kunde uppnås.
I detta protokoll har vi visat att MVS-programvaran ger en omfattande lösning för kalibrering, övervakning och spårning av både elektrondosen och den totala dosen som levereras till ett prov pixel-för-pixel-basis. Denna förmåga låser upp ett nytt paradigm för avbildning av doskänsliga prover och förståelse av elektronstråleinteraktionerna. Det är särskilt spännande för flytande EM-experiment, eftersom det kommer att möjliggöra en effektivare undersökning av den roll som elektrondos spelar och förbättra experimentell reproducerbarhet. Det är vår förhoppning att detta nya ramverk kommer att möjliggöra korrekt insamling av dosrater och ackumulerad dosinformation, underlätta delning av dessa data med samhället för en mer exakt tolkning av TEM-resultat och främja vetenskapligt samarbete och datadelning genom att möjliggöra FAIR-huvudrapportering och analys.
Disclosures
Alla författare är anställda av Protochips, Inc.
Acknowledgments
Detta arbete utfördes delvis vid Analytical Instrumentation Facility (AIF) vid North Carolina State University, som stöds av delstaten North Carolina och National Science Foundation (tilldelningsnummer ECCS-2025064). AIF är medlem i North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network (RTNN), en plats i National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI). Författarna vill tacka Damien Alloyeau, CNRS Research Director vid University Paris Cité, för att ha tillhandahållit 200 kV CFEG zeolit doströskel studieresultat.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ARM200F CFEG | JEOL | Transmission Electron Microscope (200 kV) | |
| AXON DOSE Calibration Holder | Protochips, Inc. | AXA-FC-TFS | Dose calibration and management hardware package for ThermoFisher ScientificTEM |
| AXON DOSE Software: Version 10.6.5.3 | Protochips, Inc. | AX-MOD-DOSE-01-1YR | Dose calibration and management software |
| AXON Studio Software: Version 10.6.5.3 | Protochips, Inc. | No Part Number. Available to download at success.protochips.com |
Offline analysis software for AXON datasets. A free copy of the AXON Studio software is available for down load at: success.protochips.com |
| AXON Synchronicity Core | Protochips, Inc. | AXON-CORE | Hardware component of the synchronization software. |
| AXON Synchronicity Software: Version 10.6.5.3 | Protochips, Inc. | AX-MOD-SYNCPRO-01-1YR | Synchronization software |
| Fusion In-Situ Heating E-chip | Protochips, Inc. | E-FHDC-VO-10 | Sample Support E-chip with carbon film. Used with in situ heating system |
| Fusion Select In Situ Heating System | Protochips, Inc. | FFAD-6200-EXP | In-situ MEMs heating system for ThermoFisher Scientific TEM. |
| Gold(III) chloride (50% gold basis) hydrate 50790 | Sigma Aldrich | 27988-77-8 | Used to prepare Au/FeOx nanocatalyst. Coprecipitation synthesis procedure followed in C. Sze et al. Materials Letters. 36 (1–4), 11–16 (1998) |
| Iron (III) Oxide 310050 (Fe2O3) | Sigma Aldrich | 1309-37-1 | Used to prepare Au/FeOx nanocatalyst. Coprecipitation synthesis procedure followed in C. Sze et al. Materials Letters. 36 (1–4), 11–16 (1998) |
| Titan ChemiSTEM | ThermoFisher Scientific | Transmission Electron Microscope (300 kV) | |
| Zeolite ZSM-5 | Zeolyst | CBV 8014 | Nanocatalyst sample: 80 SiO2/Al2O3 Mole Ratio |
References
- Thomas, J. M., Leary, R. K., Eggeman, A. S., Midgley, P. A. The rapidly changing face of electron microscopy. Chemical Physics Letters. 631, 103-113 (2015).
- Spurgeon, S. R., et al. Towards data-driven next-generation transmission electron microscopy. Nature Materials. 20 (3), 274-279 (2021).
- Gai, P. L., Boyes, E. D. In situ visualisation and analysis of dynamic single atom processes in heterogeneous catalysts. Journal of Materials Chemistry A. 10 (11), 5850-5862 (2022).
- Zheng, H., Lu, X., He, K. In situ transmission electron microscopy and artificial intelligence enabled data analytics for energy materials. Journal of Energy Chemistry. 68, 454-493 (2022).
- Topsøe, H. Developments in operando studies and in situ characterization of heterogeneous catalysts. Journal of Catalysis. 216 (1), 155-164 (2003).
- Wilkinson, M. D., et al. The FAIR Guiding Principles for scientific data management and stewardship. Scientific Data. 3 (1), 160018 (2016).
- FAIR Principles. Go Fair. , Available from: https://www.go-fair.org/fair-principles/ (2023).
- Draxl, C., Scheffler, M. NOMAD: The FAIR concept for big data-driven materials science. MRS Bulletin. 43 (9), 676-682 (2018).
- Kelly, D. F., et al. Liquid-EM goes viral-visualizing structure and dynamics. Current Opinion in Structural Biology. 75, 102426 (2022).
- AXON Studio Software Download. Protochips, Inc. , Available from: https://success.protochips.com/s/?language=en_US (2023).
- Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).
- Grubb, D. T. Radiation damage and electron microscopy of organic polymers. Journal of Materials Science. 9 (10), 1715-1736 (1974).
- Buban, J. P., Ramasse, Q., Gipson, B., Browning, N. D., Stahlberg, H. High-resolution low-dose scanning transmission electron microscopy. Journal of Electron Microscopy. 59 (2), 103-112 (2010).
- Chen, Q., et al. Imaging beam-sensitive materials by electron microscopy. Advanced Materials. 32 (16), 1907619 (2020).
- Krause, F. F., et al. Precise measurement of the electron beam current in a TEM. Ultramicroscopy. 223, 113221 (2021).
- Żak, A. Guide to controlling the electron dose to improve low-dose imaging of sensitive samples. Micron. 145, 103058 (2021).
- Damiano, J., et al. AXON dose: A solution for measuring and managing electron dose in the TEM. Microscopy Today. 30 (4), 22-25 (2022).
- Allard, L. F., Flytzani-Stephanopoulos, M., Overbury, S. H. Behavior of Au species in Au/Fe2O3 catalysts characterized by novel in situ heating techniques and aberration-corrected STEM imaging. Microscopy and Microanalysis. 16 (4), 375-385 (2010).
- Sze, C., Gulari, E., Demczyk, B. G. Structure of coprecipitated gold-iron oxide catalyst materials. Materials Letters. 36 (1-4), 11-16 (1998).
- DiCecco, L. A., et al. Advancing high-resolution imaging of virus assemblies in liquid and ice. Journal of Visualized Experiments. (185), e63856 (2022).
- Dukes, M. J., Gilmore, B. L., Tanner, J. R., McDonald, S. M., Kelly, D. F. In situ TEM of biological assemblies in liquid. Journal of Visualized Experiments. (82), e50936 (2013).
- Scheutz, G. M., et al. Probing thermoresponsive polymerization-induced self-assembly with variable-temperature liquid-cell transmission electron microscopy. Matter. 4 (2), 722-736 (2020).
- Howe, J. Y., Allard, L. F., Bigelow, W. C., Demers, H., Overbury, S. H. Understanding catalyst behavior during in situ heating through simultaneous secondary and transmitted electron imaging. Nanoscale Research Letters. 9 (1), 614 (2014).
- Egerton, R. F. Mechanisms of radiation damage in beam-sensitive specimens, for TEM accelerating voltages between 10 and 300 kV. Microscopy Research and Technique. 75 (11), 1550-1556 (2012).
- Yoshida, K., Sasaki, Y. Optimal accelerating voltage for HRTEM imaging of zeolite. Microscopy. 62 (3), 369-375 (2013).
- Yoshida, K., Sasaki, Y., Kurata, H. High-resolution imaging of zeolite with aberration-corrected transmission electron microscopy. AIP Advances. 3 (4), 042113 (2013).
- Lee, J., Nicholls, D., Browning, N. D., Mehdi, B. L. Controlling radiolysis chemistry on the nanoscale in liquid cell scanning transmission electron microscopy. Physical Chemistry Chemical Physics. 23 (33), 17766-17773 (2021).
- Schneider, N. M., et al. Electron-water interactions and implications for liquid cell electron microscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (38), 22373-22382 (2014).
- Fritsch, B., et al. Radiolysis-driven evolution of gold nanostructures - model verification by scale bridging in situ liquid-phase transmission electron microscopy and x-ray diffraction. Advanced Science. 9 (25), e2202803 (2022).
- Alloyeau, D., et al. Unravelling kinetic and thermodynamic effects on the growth of gold nanoplates by liquid transmission electron microscopy. Nano Letters. 15 (4), 2574-2581 (2015).
- Ahmad, N., Le Bouar, Y., Ricolleau, C., Alloyeau, D. Growth of dendritic nanostructures by liquid-cell transmission electron microscopy: a reflection of the electron-irradiation history. Advanced Structural and Chemical Imaging. 2 (1), 9 (2016).
- Zhang, Y., Keller, D., Rossell, M. D., Erni, R. Formation of Au nanoparticles in liquid cell transmission electron microscopy: From a systematic study to engineered nanostructures. Chemistry of Materials. 29 (24), 10518-10525 (2017).
