本文介绍了一种结合能量过滤成像与电子断层扫描技术实现三维化学成像的实验方案。研究针对两种由其他成像技术难以区分的元素构成的催化剂载体，对其化学分布进行了分析。每个应用案例均涉及对重叠化学元素——即间隔较近的电离边——的成像 mapping。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
能量过滤透射电子显微镜断层扫描技术（EFTEM 断层扫描）能够在纳米尺度上提供材料的三维（3D）化学分布图。EFTEM 断层扫描可以区分那些使用其他成像技术难以分辨的化学元素。本文所述实验方案展示了如何构建三维化学分布图，以理解材料的化学组成分布及其形貌。文中还介绍了用于数据分割的样品制备步骤。该方案可用于分析纳米级样品中化学元素的三维分布情况。但需注意，目前该技术仅适用于对电子束不敏感的样品，因为采集过滤图像需要长时间暴露于高强度电子束下。本方案已应用于量化两种不同多相催化剂载体中各组分的化学分布。在第一项研究中，分析了二氧化钛-氧化铝载体中铝和钛的化学分布，样品采用摆动 pH 法制备；在第二项研究中，考察了分别通过溶胶-粉末法和机械混合法制备的二氧化硅-氧化铝载体中铝和硅的化学分布。
引言
功能材料的性能取决于其三维参数。为了全面理解这些材料的性能并优化其功能，有必要对其三维形貌和化学分布进行分析。电子断层扫描技术1 电子断层扫描（ET）是提供纳米尺度信息的最佳技术之一2,3通过在大角度范围内旋转样品，并在每个角度步进时记录一幅图像，从而获得倾斜系列图像。利用基于拉东变换的数学算法，对该倾斜系列图像进行重构，以获得样品的三维体积结构。4,5选择体数据中的灰度级别有助于对样本进行三维建模，并量化颗粒定位等三维参数6 和粒径分布7，孔的位置和尺寸分布8, 等等。
通常，电子断层扫描（ET）需在电子显微镜下将样品倾斜至尽可能大的角度，理想情况下在两个方向上均超过70°。在每个倾斜角度下，记录样品的投影图像，形成一系列倾斜图像。该倾斜图像系列经过对齐后，用于重构样品的三维体积，进而进行分割与定量分析。由于样品无法从-90°旋转至+90°，重构所得体积在正交轴方向上的分辨率呈现各向异性，这是由于存在无法记录的盲区角度所致
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 样品制备
- 在研钵中研磨样品，并将其分散于酒精或蒸馏水中；取一滴样品滴加到透射电镜载网上，使其自然干燥。
注意：诸如硅铝或钛铝等样品可以是粉末或挤出材料，可通过超声处理将其破碎并分散在溶液中。通常情况下，进行电子断层扫描（ET）分析时，载网上的样品浓度应较低，以避免在大角度倾斜载网时出现样品重叠和遮挡现象。建议使用支持多孔碳膜或网状碳膜的200目透射电镜载网。 - 使用移液器将含有标记金纳米颗粒的胶体溶液滴加到样品上，吸去多余液体后使其干燥。
注意：标记物为经过精确校准、悬浮于溶液中的金（Au）纳米颗粒。标记物也可在添加样品前预先分散在载网上。例如，当样品本身由与标记物尺寸相近的纳米颗粒组成时，应先将标记物沉积在载网上，以便在后续数据分割与定量分析过程中有效区分二者。这些标记物在倾斜图像对齐过程中作为位置参考点使用。
2. 采集滤波倾斜系列图像
- 使用电子显微镜，在显微镜载网中心找到一个孤立的样品。
注意：在电子显微镜中，X 轴沿样品 holder 方向，Y 轴垂直于样品 holder，Z 轴沿电子束方向。为了能够以最大倾转角度倾斜样品，应分析尽可能靠近 X 轴位置的样品。 - 样品准确定位后，检查其化学成分。通过将电子束聚焦于选定样品区域，采用能量色散X射线能谱法（EDS）或电子能量损失谱法（EELS）进行化学分析，并记录相应谱图。若样品含有目标化学....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
本方案的应用实例见参考文献13采用EFTEM电子能量损失谱断层扫描技术分析二氧化钛-氧化铝催化剂载体。为提高催化剂中活性相MoS的催化活性2 纳米颗粒在加氢脱硫（HDS）等应用中，载体表面应以二氧化钛为主，并与活性相充分接触。已知二氧化钛的比表面积小于氧化铝。本研究旨在构建由氧化铝支撑的二氧化钛载体（从而获得更高的比表面积），并将其作为催化剂载体进行测试。本研究采用EFTEM断层扫描技术，分析通过pH摆动法制备的二氧化钛-氧化铝非均相催化剂载体。实验中分析了三种不同二氧化钛含量的样品：样品1由50%氧化铝和50%二氧化钛组成，样品2由70%氧化铝和30%二氧化钛组成，样品3由90%氧化铝和10%二氧化钛组成。在 图1a-1c，显示了平行于XY平面的化学图谱的横截面。绿色代表二氧化钛的空间化学分布，红色代表氧化铝的分布，蓝色代表真空。化学体积数据是通过三窗法对倾转系列图像进行计算.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
本文的目的是描述如何使用能量过滤透射电子显微镜断层扫描（EFTEM断层扫描）获得三维化学图谱。该方案完全由作者原创开发。
如本文所述，EFTEM断层扫描技术存在若干缺点：（i）由于获取过滤图像需要较长的曝光时间，因此只能分析耐电子束的样品；（ii）EFTEM断层扫描对衍射衬度敏感；（iii）许多对准步骤需手动完成。为了获得三维化学分布图，零损失图像体积与化学成分图像体积必须处于同一坐标系中，这就要求所有倾斜系列图像均需在相同坐标系中实现完美对齐，每例样品至少需要两周以上的处理时间。尽管该方法耗时较长，但能够实现纳米级分辨率的三维化学图谱计算。此外，结合其他光谱与分析技术，如X射线荧光、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）或魔角旋转（MAS）核磁共振波谱，可对功能材料进行全面表征。
电子束强度通常通过聚焦电子束来控制。用于记录滤波图像的能量窗口宽度及其曝光时间会影响每个化学投影中记录的化学信号强度，这些化学投影将作为倾斜投影用于重构化学体积。滤波图像的曝光时间会影响在记录倾斜系列过程中样品在强电子束下的总曝光时间。如.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢法国高等教育与研究部、研究型培训工业协定（CIFRE）以及法国新资源能源研究所（IFP Energies Nouvelles）提供的资金支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| JEOL 2100f | JEOL | 电子显微镜 | |
| Tridiem Gatan 成像滤波器 (GIF) | Gatan | 柱后能量滤波器 | |
| Digital micrograph | Gatan | 软件 | |
| Gatan EFTEM 断层成像插件 | Gatan | 用于记录 EFTEM 断层成像过滤倾斜系列的专用软件 | |
| Tomoj | Imagej 插件 http://www.cmib.fr/en/download/softwares/ | 由法国巴黎Currie研究所开发的用于电子断层成像的免费软件 | |
| EFTEM-Tomoj | Imagej 插件 http://www.cmib.fr/en/download/softwares/ | 由法国巴黎Currie研究所开发的用于EFTEM成像的免费软件 | |
| Imod | http://bio3d.colorado.edu/imod/ | 由美国科罗拉多大学开发的用于电子断层成像的免费软件 | |
| Imagej | https://imagej.nih.gov/ij/ | 由美国马里兰州贝塞斯达国立精神卫生研究所开发的用于图像处理的免费软件 | |
| 合并通道 | https://imagej.net/Color_Image_Processing | Imagej 中的一项功能，可在体积重叠时为其赋予不同颜色 | |
| 3D Slicer | https://www.slicer.org/ | 由哈佛医学院Ron Kikinis领导的大型联盟在美国马萨诸塞州波士顿开发的免费软件 | |
| Chimera | https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ | 由加利福尼亚大学旧金山分校生物计算、可视化和信息学资源中心开发的免费软件，用于数据分割、量化和三维模型可视化 | |
| 催化剂用硅铝载体 | IFPEN | 为本方案制定所准备的样品 | |
| 催化剂用二氧化钛-氧化铝载体 | IFPEN | 为本方案制定所准备的样品 | |
| 酒精 | |||
| 水 | |||
| 5 nm 的金纳米颗粒 | BBI Solutions | ||
| 200目带孔碳膜显微镜载网 | Agar | ||
| EDX 能谱仪 | Oxford Instruments |
参考文献
- Frank, J. Electron Tomography - Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell. , Springer-Verlag. New York. (2006).
- Midgley, P. A., Dunin-Borkowski, R. E. Electron tomography and holography in materials science. Nat. Mater. 8, 271-280 (2009).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
