能量色散X射线断层摄影术对个人纳米3D元素映射

描述了在扫描透射电子显微镜中使用能量色散 X 射线断层扫描来表征单个纳米颗粒内的三维元素分布。

本实验的总体目标是研究由电偶置换反应合成的银金纳米颗粒中元素的分布。这种方法可以帮助回答催化领域的关键问题，例如为什么某些纳米颗粒成分显示出增强的催化性能。该技术的主要优点是能够在纳米尺度上探测元素的分布。

这允许在三维空间中实现令人难以置信的高分辨率。虽然该方法在这里已被用于研究金属纳米颗粒，但它也可以用于研究纳米长度尺度上的其他材料，例如半导体量子点，它可以帮助我们了解它们的光学特性和它们在细胞内的性能。要开始纳米颗粒合成，请在室温下将 5 克 PVP 溶解到 37.5 毫升乙二醇中。

然后向该溶液中加入 200 毫克硝酸银。搅拌溶液直至硝酸银完全溶解，然后在加热板上以每分钟 1 摄氏度的恒定速率将溶液加热至 100 摄氏度。让反应在 100 摄氏度下进行下一个 1 小时半。

接下来，加入 87.5 毫升蒸馏水，将溶液冷却至室温。然后以 8000 倍 G 离心溶液，除去上清液，并将银纳米颗粒重新分散在 50 毫升蒸馏水中。在新的圆底培养瓶中，在室温下将 50 毫克 PVP 溶解在 50 毫升乙二醇中。

加入 2.78 毫升纳米银颗粒悬浮液，将培养瓶在 100 摄氏度下加热 10 分钟。接下来，准备 100 毫升 0.2 或四氯金酸氢三水合物。滴加 10、20、30 或 40 毫升等分试样的溶液，以分离银纳米颗粒溶液的制备物，以获得不同比例的金-银纳米颗粒。

冷却至室温，并用蒸馏水洗涤 3 次。将大约 0.02 毫升纳米颗粒溶液直接移液到碳 TEM 网格上。如果可能，使用铍 TEM 网格来限制伪 X 射线，并使用较大的网格尺寸以最大限度地减少网格的阴影。

纳米颗粒溶液干燥后，在 TEM 网格上滴入 10 至 20 滴 100% 甲醇或乙醇，同时用抗毛细管交叉镊子固定网格，以清洁 TEM 网格。每滴后用滤纸轻轻去除多余的液体。最后，在 80 摄氏度的真空下对网格进行退火，以去除或固定任何残留的污染物。

将纳米颗粒涂层网格加载到断层扫描支架中，然后将其插入 TEM。当显微镜真空度达到合适的稳定值时，打开柱阀并确保可以在屏幕上观察到电子束。在扫描 TEM 模式下，确保选择衍射，然后转到"搜索"选项卡，按下 Alpha 摇摆按钮将载物台倾斜正负 15 度。

通过将 Z 高度调整到全中心高度，最大限度地减少样品中的任何移动。现在移动样品，使光束越过样品上的孔。通过将孔径的阴影置于探头的未聚焦图像中，确保适当的聚光镜孔径正确对齐。

摆动强度以确保聚焦探针不会移动以检查光束尾部未对准。然后，通过在 Search （搜索） 选项卡中选择 show tracks （显示轨道） 并在成像时遵循网格方块的轮廓来跟踪网格方块的轮廓。在网格方块的中间部分找到一个有代表性的粒子。

成像时将样品倾斜到支架的最大倾斜范围，以确保纳米颗粒在大型支架倾斜时不会被网格条遮挡。使用 5 到 10 度的角度增量，在整个倾斜角度范围内，以 5 分钟的恒定采集时间采集高角度暗场和能量色散 X 射线光谱图像。首先，通过单击 Imaging 窗格中的 Acquire 来获取概览高角度暗场图像。

然后，通过拖动此图像上的框并按 Acquire 来选择纳米粒子周围的映射窗口。接下来，首先以 RAW 文件的形式打开光谱数据立方体，以提取特征 X 射线计数。然后使用 Slice 2D 和 Sum 函数对对应于目标峰的能量通道的数据立方体切片的强度求和。

以与上一步相同的方式采集能量色散 X 射线光谱图像，但使用根据常数采集时间数据确定的时间间隔。将高角度暗场 TIFF 图像作为图像序列导入。通过使用图像可视化软件中的 MRC 编写器，使用它们将一系列倾斜的高角度暗场图像编译为 MRC 文件格式。

接下来，将高角度暗场图像交叉相关，以获得倾斜序列的粗略对齐。将对齐数据另存为 SFT 文件或文件XCORR.TXT。随后，在 Calculate Alignment Shifts 窗口中按 Proceed 对整个倾斜序列执行互相关。

重复对齐，直到局部偏移低于一个像素，确保在每个步骤中将所有偏移文件存储为文本。接下来，加载采集的光谱数据立方体并使用 Slice 3D 和 Sum 脚本函数来提取映射，这些映射是对应于感兴趣元素的能量通道的总和切片。在断层扫描重建软件中，转到 Apply Alignment 选项卡，然后选择 Use shifts from alignment data view，将高角度暗场对齐应用于提取的能量色散 X 射线元素图。

如有必要，对高角度暗场图像系列执行倾斜轴调整，并选中 Apply Alignment 选项卡中的 Use corrections from tilt axis adjustment 任务，以便将调整应用于暗场图像和 X 射线图。接下来，使用在层析成像软件包中实现的同步迭代重建算法，为每个提取的能量色散 X 射线元素信号重建层析数据集。在图像可视化软件中，选择 Image，转到 Stacks，然后选择 Orthogonal Views 以提取单独元素重建的正交切片。

使用可视化软件从重建中构建和可视化进一步的正射切片、体积和表面渲染。为确保比例设置正确，请加载所有元素重建并检查它们，因为比例通常不能很好地从 REC 文件中传输。接下来，在对象池中选择重建对象并右键单击，然后选择 Ortho Slice 模块以提取正交切片。

右键单击重建，然后选择 Volume Rendering 以提取体积渲染。最后，通过右键单击重建并选择 Isosurface 来提取等值面。使用能量色散 X 射线断层扫描进行的三维元素映射显示，通过电流反应合成的低金含量银金纳米颗粒中存在清晰的金表面偏析。

然而，随着金含量的增加，这种表面偏析会发生变化，因此对于最高的金含量，会出现明显的银表面偏析。该技术已经证明了表征单个纳米颗粒表面成分的能力。互补技术，例如 X 射线光电子能谱，可以提供有关集合纳米颗粒群的信息。

看完这个视频，你应该对如何使用能量色散 X 射线断层扫描来获得纳米颗粒的三维化学图像有了很好的了解。