用于单个纳米颗粒三维元素分布的X射线能量色散断层扫描

本实验的总体目标是研究通过置换反应合成的金银纳米颗粒内部元素的分布情况。该方法有助于解答催化领域中的一些关键问题，例如为何某些纳米颗粒的组成表现出更强的催化性能。该技术的主要优势在于能够探测纳米尺度下元素的分布情况。

这能够在三维空间中实现极高的分辨率。尽管本方法在此用于研究金属纳米颗粒，但它也可用于研究其他纳米尺度的材料，例如半导体量子点，从而帮助我们理解其光学性质以及在细胞内的性能表现。开始纳米颗粒合成时，将五克 PVP 在室温下溶解于 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，随后将溶液置于加热板上，以每分钟 1 °C 的恒定速率加热至 100 °C。在 100 °C 下继续反应 1.5 小时。

接下来，加入87.5毫升蒸馏水，并将溶液冷却至室温。然后在8000 ×g条件下离心溶液。去除上清液，并将银纳米颗粒重新分散于50毫升蒸馏水中。在另一个圆底烧瓶中，于室温下将50毫克PVP溶于50毫升乙二醇中。

加入2.78毫升银纳米颗粒悬浮液，并将烧瓶在100摄氏度下加热10分钟。接着，配制100毫升0.2摩尔的三水合四氯金酸溶液。将10、20、30或40毫升该溶液分别逐滴加入不同的银纳米颗粒溶液中，以获得不同比例的金-银纳米颗粒。

冷却至室温，用蒸馏水洗涤三次。用移液器将约0.02毫升纳米颗粒溶液直接滴加到碳支持膜透射电镜载网上。如有可能，使用铍制透射电镜载网以减少杂散X射线，并采用大孔径网格以最大限度降低载网阴影效应。

纳米颗粒溶液干燥后，使用抗毛细管交叉镊子夹住透射电镜（TEM）载网，滴加10至20滴100%甲醇或乙醇清洗载网。每次滴加后，用滤纸轻轻吸去多余液体。最后，在真空条件下于80摄氏度退火，以去除或固定任何残留的污染物。

将包被有纳米颗粒的载网装入断层扫描样品 holder 中，然后插入透射电子显微镜（TEM）。当显微镜真空度达到合适的稳定值后，打开镜筒阀门，确保可在屏幕上观察到电子束。在扫描透射电子显微镜（STEM）模式下，选择衍射模式，然后进入 Search 选项卡，通过按下 Alpha Wobbler 按钮将样品台倾斜至正负 15 度之间。

通过调节Z轴高度至同心高度，以尽量减少样品的移动。现在移动样品，使电子束位于样品的孔洞上方。通过在探针的欠焦图像中将聚光镜光阑的阴影居中，确保已正确对准合适的聚光镜光阑。

调节强度以确保聚焦的探针不发生移动，从而检查光束尾部是否对齐不良。然后在“搜索”选项卡中选择显示轨迹，并在成像过程中沿网格方格的轮廓进行追踪，描出其外形。在网格方格的中央区域找到一个具有代表性的颗粒。

在成像的同时将样品倾斜至样品台的最大倾转角度，以确保纳米颗粒在大倾转角下不会被载网条遮挡。在整个倾转角度范围内，以5至10度的倾转角度增量，每次采集时间为恒定的五分钟，获取高角度环形暗场像及能量色散X射线谱图像。首先，在成像面板中点击“Acquire”以获取一幅全局高角度环形暗场图像。

然后通过在此图像上拖动方框并点击“采集”来选择纳米颗粒周围的映射窗口。接下来，首先将光谱数据立方体作为 RAW 文件打开，以提取特征 X 射线计数。然后使用“切片 2D”和“求和”功能，对对应于感兴趣峰能量通道的数据立方体切片进行强度求和。

以与前一步骤相同的方式获取能量色散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。将高角度环形暗场TIFF图像作为图像序列导入。利用图像可视化软件中的MRC写入工具，将高角度环形暗场图像的倾斜系列合并为MRC文件格式。

接下来，对高角度环形暗场图像进行互相关，以获得倾转系列的粗略对齐。将对齐数据保存为 SFT 文件或 XCORR.TXT 文件。随后，在“计算对齐偏移”窗口中点击“继续”，以对整个倾转系列执行互相关。

重复对齐过程，直到局部偏移小于一个像素，并确保在每一步都将所有偏移文件以文本格式保存。接下来，加载获取的光谱数据立方体，使用“三维切片”（Slice 3D）和“求和”（Sum）脚本功能，提取对应于目标元素的能量通道的累加切片图。在断层重建软件中，进入“应用对齐”（Apply Alignment）选项卡，选择“使用来自对齐数据视图的偏移”（Use shifts from alignment data view），以将高角度环形暗场对齐结果应用于提取出的能量色散X射线元素分布图。

如有必要，在高角度环形暗场像序列上执行倾转轴校正，并在“应用对齐”选项卡中勾选“使用倾转轴校正任务中的校正参数”，以便将校正应用于暗场图像和X射线元素分布图。接下来，利用断层成像软件包中实现的同步迭代重建算法，对每种提取的能谱X射线元素信号对应的断层数据集进行重建。在图像可视化软件中，选择“图像”，进入“堆栈”，然后选择“正交视图”，以提取各元素重建结果的正交切片。

使用可视化软件从重建结果中构建并可视化更多的正交切片、体积和表面渲染图像。为确保比例设置正确，需加载所有元素的重建结果并进行检查，因为比例通常无法从 REC 文件中很好地传递过来。接着，在对象池中选择重建对象，单击右键，选择正交切片模块以提取正交切片。

右键单击重建图像，选择“体渲染”以提取体渲染图像。最后，通过右键单击重建图像并选择“等值面”来提取等值面。利用能量色散X射线断层扫描进行的三维元素 mapping 显示，在通过伽伐尼反应合成的低金含量银-金纳米颗粒中，金在表面明显偏析。

然而，随着金含量的增加，这种表面偏析现象发生转变，因此在金含量最高时，出现了明显的银表面偏析。该技术已证明能够表征单个纳米颗粒的表面组成。互补的技术，如X射线光电子能谱，可提供关于纳米颗粒群体整体的信息。

观看本视频后，您应能够充分理解如何利用能量色散X射线断层扫描技术获取纳米颗粒的三维化学图像。