بيكوميتر الدقة تتبع الموقف الذري من خلال المجهر الإلكتروني
July 3rd, 2021
يقدم هذا العمل سير عمل لتتبع الموضع الذري في التصوير المجهري للإلكترون الإرسالي بدقة ذرية. يتم تنفيذ سير العمل هذا باستخدام تطبيق Matlab مفتوح المصدر (EASY-STEM).
وقد سمح لنا تصحيح الانحراف بدفع الدقة في المجاهر الإلكترونية المتقدمة إلى مستوى تحت الأنغستروم ، وهذا سمح لنا بحل الذرات الفردية في الكريستال. مع هذا التقدم ونحن لا تزال تفتقر إلى البرمجيات أو أساليب تحليل البيانات المتقدمة التي أعرف أنها تشكل حاجزا كبيرا لكثير من العلماء. هنا نحن نقدم الذاتي المتقدمة، وتطبيق MATLAB الحرة التي تسمى EasySTEM الذي يسمح لنا لأداء القياس الكامل للصور الملطخة القرار الذري.
انها واجهة مستخدم رسومية البرمجيات التي يمكن استخدامها من خلال نقرات الماوس بسيطة، وليس هناك حاجة لكتابة رموز متقدمة مخصصة. هنا في هذا البرنامج التعليمي، ونحن نقدم أولا نصائح لdenoising اقتناء آخر وتصحيح الانجراف ومن ثم نعرض كيفية تحديد بدقة مواقف العمود الذرة، وتكميم سلالة شعرية، والتشويه في الكريستال، فضلا عن العيوب والواجهات. ثم نعرض كيفية فصل أعمدة الذرة المتداخلة التي هي صعبة في العديد من صور STEM ، وكذلك كيفية فصل أنواع مختلفة من الذرات باستخدام خوارزميات خلط الوحدة 7 التي قمنا بتطويرها وتضمينها في البرنامج.
هنا هو مخطط التدفق الذي يبين الإجراء العام للقياس الكمي للموضع الذري. يبدأ البروتوكول ببعض النصائح للحصول على بيانات صورة جيدة. أولا ضمان جودة عينة TEM عالية.
حاول استخدام عينات TEM الملطخة والنظيفة وغير التالفة للتصوير. تجنب تلويث العينة عن طريق الخطأ عن طريق اللمس أثناء معالجة العينة وتحميلها. ثانيا، تنظيف العينة قبل الإدراج.
تنظيف العينة باستخدام منظف البلازما، الخبز فراغ، أو تطبيق دش شعاع. تجنب المناطق المتضررة أو الملوثة حيث التصوير. ثالثا، قم بمحاذاة المجهر وضبط مصححات الانحراف لتقليل معاملات الانحراف قدر الإمكان.
مهمة القرار عن طريق الحصول على عدد قليل من الصور STEM على عينة قياسية لتأكيد القرار المكاني يكفي. أربعة، أثناء التصوير، إمالة العينة حتى يتم محاذاة المحور البصري مع محور منطقة محددة من الكريستال. خامسا، تحسين جرعة الإلكترون مع تقليل تلف شعاع الإلكترون والحد من انجراف العينة أثناء التصوير.
الهدف هنا هو أن يكون أعلى إشارة إلى نسبة الضوضاء دون التسبب في تلف شعاع أو خلق التحف التصوير. وأخيرا، احصل على صور STEM مع اتجاهات مسح مختلفة. عادة ما تحصل أولا على صورة مسح ضوئي واحدة، ثم تأخذ الصورة الثانية من نفس المنطقة مباشرة بعد تدوير اتجاه المسح الضوئي بمقدار 90 درجة.
يجب التقاط الصور باستخدام نفس حالة التصوير، باستثناء اتجاهات المسح الضوئي. الغرض من هذه الخطوة هو تغذية الصور الدوارة إلى خوارزمية تصحيح الانجراف. بعد ذلك قم بإجراء تصحيح الانجراف باستخدام خوارزمية تصحيح غير خطية عن طريق تغذية صورتين أو أكثر باتجاهات مسح مختلفة في خوارزمية التصحيح.
ستقوم الخوارزمية بإخراج صور STEM المصححة الانجراف. يمكن العثور على رمز MATLAB مفتوح المصدر والوصف التفصيلي للعملية في الورقة الأصلية ، التي كتبها كولن أوفوس. هنا نقدم تطبيق MATLAB تفاعلي مجاني ، يسمى Easy-STEM ، مع واجهة مستخدم رسومية للمساعدة في التحليل.
تظهر الواجهة في الشكل مع جميع الخطوات المسماة على الأزرار المقابلة. قبل التحليل، قم أولا بتحميل صورة STEM التي تم تصحيحها عن طريق النقر فوق زر ملف صورة التحميل في الزاوية اليسرى العليا. ثم أدخل قيمة المعايرة يدويا في وحدة قياس البيكمتر لكل بكسل.
الخطوة التالية هي تطبيق تقنيات مختلفة لتكتك صورة. يمكن العثور على الوظائف ذات الصلة في الزاوية اليسرى السفلى من الواجهة. التقنية الأولى هي التصفية الغاوسية.
هناك شريط تمرير لتحديد عدد كثافة البكسل القريبة إلى المتوسط. حرك شريط التمرير وسيتم تطبيق مرشح Gaussian على الصورة. والثاني هو تصفية فورييه.
ابحث عن علامة تبويب تسمى FFT في أسفل اليسار. هناك شريط تمرير لتقييد التردد المكاني لتقليل الضوضاء عالية التردد. حرك شريط التمرير وسيتم تطبيق عامل تصفية فورييه على الصورة.
والثالث هو ريتشاردسون ولوسي deconvolution. العثور على علامة تبويب تسمى deconvolution في الزاوية اليسرى السفلى، حيث هناك اثنين من مربعات الإدخال لتكرار deconvolution أعمى وريتشاردسون لوسي deconvolution، على التوالي. تغيير القيمة وتطبيق خوارزمية deconvolution بالنقر فوق الزر.
الخطوة الثانية: العثور على موضع الذرة والتكرير. يمكن العثور على الوظائف ذات الصلة على اللوحة الجانبية اليمنى. أولا، اعثر على مواقع الذرة الأولية.
حدد الحد الأدنى للمسافة بالبكسل عن طريق تغيير القيمة في مربع الإدخال الذي يحدد المسافة بين أقرب قمة. ثم انقر فوق زر البحث عن الموضع الأولي ، في تطبيق Easy-STEM يرجى ملاحظة ، لا محالة تقريبا ، أن هناك مواقف إضافية أو مواقف مفقودة باستخدام هذه الخوارزمية البسيطة. لذلك يتم إنشاء وضع تصحيح يدوي في تطبيق Easy-STEM لتصحيح مواقع الذرة الأولية.
فإنه يسمح لك لاستخدام إدخال مؤشر الماوس لإضافة أو إزالة المواقف الأولية التالي فهرسة مواضع الذرة الأولية مع وحدة متجه الخلية نظام قائم. أولا، حدد نقطة أصل في الصورة. في تطبيق Easy-STEM، انقر على زر البحث عن المنشأ بعد النقر على الزر، اسحب المؤشر إلى أحد مواقع الذرة الأولية لتعريفه بأنه الأصل.
ثانيا، حدد الخلية 2D وحدة لك و v ناقلات وكسور خلية وحدة. يرجى ملاحظة أن كسر الشبكة، أنت و v، يحدد قيمة كسر الشبكة على طول متجه الخلية الوحدة. على سبيل المثال، في خلية وحدة perovskite ABO3، يمكن تقسيم الخلية وحدة بالتساوي إلى نصفين على طول اتجاهي متجه الخلية وحدة عمودي.
وبالتالي، هناك كسران على طول كل اتجاه متجه لخلية الوحدة. إذا قيم كسر الخلية هي 2 و 2، بالنسبة لك وللاتجاه الخامس، على التوالي. انقر فوق الزر بحث u و v واسحب المؤشر إلى نهاية خلايا الوحدة.
تعريف قيمة كسر شعرية عن طريق تغيير القيمة في شعرية frac لك و lat frac v مربعات الإدخال. ثم انقر على زر شعرية حساب فهرسة جميع الذرات بعد الحصول على مواقف الذرة الأولية وفهرسة الذرات في الصورة. يجب إجراء تركيب غاوسي ثلاثي الأبعاد حول كل عمود ذري لتحقيق دقة مستوى البكسل الفرعي في التحليل.
انقر على المواضع المكررة في تطبيق EasySTEM لتحسين مواقع الذرة مع تركيب غاوسي 2D. سيتم رسم مركز القمم المجهزة بعد التركيب. هنا هو خطوة اختيارية: صقل المواقف الذرية باستخدام خوارزمية MPFit.
عندما تتراكب الكثافات من الأعمدة الذرية المجاورة مع بعضها البعض، انقر فوق الزر تراكب MPFit في EasySTEM لتحسين الموضع الذري باستخدام خوارزمية تركيب متعددة الذروة 2D Gaussian. وأخيرا حفظ النتائج عن طريق النقر فوق حفظ زر بقعة موقف الذرة. سيطلب التطبيق من المستخدم حفظ الموقع واسم الملف.
يتم تضمين كافة النتائج المحفوظة في المتغير يسمى atom_pos في مساحة عمل MATLAB. داخل المتغير atom_pos هناك حقل يسمى posRefineM. وترد المناصب المكررة في العمودين الثالث والرابع، وترد الفهرسة في العمودين الثامن والتاسع.
ويبين الشكل الثالث مثال نتائج تتبع موضع الذرة. تظهر صورة جذعية خام ل ADF لخلية وحدة من APO3 perovskite في الشكل 3A ويتم رسم ملفها الشخصي للكثافة في 3D ، في الشكل 3B. يظهر الشكل 3C النتائج بعد تطبيق التصفية الغاوسية على صورة STEM في الشكل 3A، ويتم رسم ملف تعريف الكثافة في الشكل 3D.
يشار إلى مواقع الذرة الأولية من خلال الدوائر الصفراء في الشكل 3E. يتم فهرسة المواقع الذرية على أساس ناقلات خلايا الوحدة موضحة في الشكل 3F. في الشكل 3G و 3H ، يشار إلى المواقف المكررة 2D Gaussian كدوائر حمراء.
وأخيرا، يتم عرض ميزة تطبيق خوارزمية MPFit على كثافة متداخلة في الشكل 3I. الخطوة الثالثة: استخراج المعلومات المادية. لإثبات استخراج المعلومات المادية، تظهر صورة التطبيق STEM من الكالسيوم-3 روثينيوم-2 أكسيد-7 الكالسيوم روثينات الكريستال في الشكل 4A و 4B.
بعد الخطوة الأولى والخطوة الثانية، يتم تحديد موضع الذرة المكررة وإظهارها في الشكل 4C. وعلاوة على ذلك، باستخدام نظام الفهرسة، يمكن تحديد كل نوع من الذرة واستخدامها لمزيد من المعالجة. على سبيل المثال، يمكن التعرف بسهولة على ذرات الكالسيوم في الوسط العلوي والجانب السفلي من طبقة بيروفسكيت ويتم عرض موضعها مع دوائر مليئة بألوان مختلفة كما هو موضح في الشكل 4D.
هنا هو مظاهرة حول كيفية قياس التشريد الذري على أساس مؤشر الخلية وحدة. يتم استخدام بيانات صورة STEM من بلورة الكالسيوم روثينات هنا، كمثال. يمكن تصور الإزاحة القطبية في هذه البلورة في صور ADF STEM من خلال تحليل إزاحة ذرات الكالسيوم في وسط طبقة perovskite المزدوجة.
أولا تعريف مركز خلية وحدة. هنا، يتم تعريف الموضع المرجعي لقياس إزاحة الكالسيوم المركزية على أنه متوسط موضع ذرات الكالسيوم العليا والسفلية. يرجى ملاحظة أن كسر شعرية رقم 4 الكريستال روثينات الكالسيوم في هذه الصورة هو 10 في الاتجاه الرأسي واثنين في الاتجاه الأفقي، كما هو مبين هنا.
باستخدام نظام الفهرسة المذكور أعلاه، يتم فهرسة جميع الذرات في كل وحدة الخلايا. يتم تسمية نوعين من ذرات الكالسيوم في الطبقة الأولى مع 0 و 0.4. وتلك الموجودة في الطبقة الثانية وصفت مع 0.5 و 0.9.
ثانيا، العثور على موقف الذرة المشردة. وصفت ذرة العد المشردين هنا مع 0.2 و 0.7 الثالث، تجد تكراريا مواقف مراكز الخلية وحدة مرجعية والذرات المشردة لجميع خلايا وحدة كاملة في الصورة. وأخيرا، احسب متجه الإزاحة، استنادا إلى المواضع المقاسة.
ويرد في المواد التكميلية رمز MATLAB ذات الصلة التي تشمل تكراريا، وإيجاد مواقف ذرات معينة وقياس التشريد. بعد ذلك، تحديد سلالة شعرية. في تطبيق EasySTEM، انقر على الضغط على حساب الضغط استنادا إلى زر المواضع الذرية تحت علامة التبويب quantify على أعلى يسار الواجهة.
تتضمن عملية الحساب المفصلة خطوات متعددة ويتم تفصيلها في البرنامج النصي اليدوي. هناك العديد من الطرق الشائعة لتصور البيانات، بما في ذلك خرائط الخط، وخرائط المتجهات، والخرائط الملونة، لعرض المسافة الذرية، والإزاحة الذرية، والإجهاد، وهلم جرا. يتم تضمين التنفيذ التفصيلي في نص المخطوطة وهنا بعض النتائج التمثيلية للمثال السابق على بلورة الكالسيوم الروثينات.
الشكل 5 ألف مثال على تنفيذ خرائط المتجهات التي تبين الإزاحة القطبية. يتم تلوين الأسهم استنادا إلى الاتجاه. يشار إلى جدران المجال العمودية 90 درجة مع الأسهم الزرقاء ويشار إلى جدار نطاق أفقي 180 درجة مع سهم أحمر.
الشكل 5B مثال على تطبيق الخرائط الملونة التي تظهر الاستقطابات. تشير الألوان إلى الحجم في الاتجاهين الأيسر والأييم. تقليل نتائج حجم في لون باهت الشكل 5C هو مثال على تنفيذ خرائط اللون تظهر سلالة في الاتجاه الأفقي.
اللون الأحمر والأزرق تشير إلى قيمة سلالة الشد وسلالة ضغط، على التوالي. ولإثبات دقة القياس، يبين الشكل 6 ألف التحديد الكمي الإحصائي للمسافة المقيسة بين مواقع perovskite A، المقدمة على شكل مخطط بياني. يتم رسم تركيب التوزيع العادي وتراكبه كأحمر متقطع الخط الذي يظهر متوسط 300.5 بيكومتر ، والانحراف المعياري لمقاييس 4.8.
ويبين الشكل 6B التحديد الكمي الإحصائي لقياس زاوية متجهات الخلايا perovskite، المقدمة على شكل مخطط بياني. يتم رسم تركيب التوزيع العادي ويظهر متوسط 90.0 درجة والانحراف المعياري 1.3 درجة. ويبين الشكل 6C التحديد الكمي الإحصائي لقياس الإزاحة القطبية في بلورة الروثينات الكالسيومية، المقدمة على شكل رسم بياني.
يتم رسم تركيب التوزيع العادي ويظهر متوسط 25.6 بيكومتر وانحراف معياري قدره 7.7 بيكوميتر. بعد التحليل، تأكد من التحقق مرة أخرى من البيانات الأولية للتأكد من عدم وجود أية قطع أثرية تم إنشاؤها بواسطة معالجة البيانات. وأعتقد أن هذا الإجراء ، المقترح هنا ، سيكون له مجموعة واسعة من التطبيقات ، ورؤية معالجة صورة المجهر الإلكتروني ، وسوف يساعد الباحثين على تصنيف وتحديد علاقات الملكية الهيكلية.
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة سير عمل لتتبع المواقع الذرية في تصوير المجاهر الإلكترونية الناقلة ذات الدقة الذرية باستخدام تطبيق MATLAB مفتوح المصدر يسمى Easy-STEM. يسهل التطبيق تحليل الصور ذات الدقة الذرية دون الحاجة إلى مهارات برمجة متقدمة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- علم الأحياء
- المجهر الإلكتروني
الخلفية
- حققت المجاهر الإلكترونية المتقدمة دقة دون الأنجستروم.
- هناك نقص في برامج تحليل البيانات في التصوير بالدقة الذرية.
- Easy-STEM هو تطبيق MATLAB مجاني مصمم لمساعدة الباحثين.
- توفر التطبيق واجهة مستخدم رسومية لسهولة الاستخدام.
غرض الدراسة
- تقديم سير عمل لتحديد المواقع الذرية الكمية في صور STEM.
- توفير أدوات لإزالة الضوضاء وتصحيح الانجراف في الصور.
- تمكين التحليل الدقيق للتوتر البيني والعيوب في البلورات.
الطرق المستخدمة
- اكتساب الصور باستخدام عينات TEM عالية الجودة.
- تصحيح الانجراف باستخدام خوارزميات غير خطية.
- تقنيات إزالة الضوضاء للصور بما في ذلك الترشيح الغاوسي والترشيح الترددي.
- التصحيح اليدوي لمواقع الذرات داخل تطبيق Easy-STEM.
النتائج الرئيسية
- التحديد الكمي الناجح لمواقع أعمدة الذرات في صور STEM.
- الفصل الفعال لأعمدة الذرات المتداخلة.
- تنفيذ خوارزميات الاختلاط لتمييز أنواع الذرات المختلفة.
- الدليل على تحسين جودة الصورة من خلال تقنيات إزالة الضوضاء.
الاستنتاجات
- يوفر Easy-STEM منصة سهلة الاستخدام لتحليل الدقة الذرية.
- يعزز سير العمل من إمكانية الوصول إلى تقنيات التصوير المجهري الإلكتروني المتقدمة.
- قد تتوسع التطبيقات المستقبلية لتشمل مواد وهياكل ذرية مختلفة.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Atomic-level structural characterization enables precise target validation in materials science and nanomedicine, where sub-angstrom resolution informs mechanistic understanding of biomaterial interfaces and nanoscale drug delivery systems. The workflow supports predictive confidence in structural property relationships, critical for de-risking early-stage nanomaterial candidates in therapeutic development. By quantifying lattice strain and atomic displacement, researchers gain translational continuity from discovery to preclinical evaluation of engineered biomaterials.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of atomic-scale structural hypotheses in biomaterials and nanocarriers.
- Operational Value: Provides quantitative metrics for target engagement validation at material interfaces.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Delivers reproducible, denoised atomic position data for assay standardization.
- Operational Value: Supports scalable quantification of lattice distortions as functional readouts in nanomaterial screening.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates mechanistic de-risking by linking atomic displacements to functional outcomes in disease-relevant systems.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions through quantifiable strain and defect metrics.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology through hypothesis testing of atomic arrangements, proceeds to screening via standardized lattice measurements, and supports translational research by connecting structural defects to phenotypic responses in preclinical models.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of atomic column arrangements in nanoscale systems.
- Screening: Delivers assay-ready, drift-corrected STEM images with quantitative positional outputs.
- Analytics: Provides sub-pixel precision measurements via 2D-Gaussian and multi-peak fitting for comparative condition analysis.
- Translational Research: Connects lattice strain quantification to structural property relationships in disease-relevant nanomaterials.
- Enterprise Reuse: Positions Easy-STEM as a reusable GUI-based platform for cross-project atomic metrology.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in structural integrity, reduction of mechanistic ambiguity in nanomaterial behavior.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of atomic position tracking across labs.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions on nanomaterial candidates, capital efficiency in early screening, reduced late-stage biological risk from structural unpredictability.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization based on quantifiable strain and defect thresholds.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electron microscopy and crystallography for accurate sample preparation and indexing.
- Dependent on access to aberration-corrected STEM instrumentation and MATLAB computational environment.
- Necessitates cross-team standardization of calibration protocols (picometer/pixel) and drift correction procedures.
- Involves adaptation considerations for biological vs. inorganic samples due to beam sensitivity and staining requirements.
- Practical limitations include sample drift during acquisition and overlapping atomic columns requiring multi-peak fitting refinement.
