通过能量过滤透射电镜成像获得3D 化学图

该协议的总体目标是获得、可视化和量化通过能量过滤电子断层扫描获得的 3D 化学图。这种方法可以帮助回答材料科学、化学和催化领域的关键问题，例如给定材料的成分如何在纳米尺度上混合。该技术的主要优点是它提供有关样品块体和表面化学分布的信息。

能量过滤成像可以分离使用其他成像技术很难区分的化学元素。这里描述的实验方案显示了获得 3D 化学图的方法，但也试图提供量化一些 3D 化学参数的想法。3D 化学图只能为不敏感的样品生成，因为记录过滤后的图像需要较长时间暴露在相对强烈的电子束下。

首先，如随附的文本方案中所述，制备二氧化铝或二氧化钛等样品。接下来，使用电子显微镜记录能量过滤的倾斜序列。这些图像将用于计算搜索化学元素的每个化学图谱。

在图像 J 中打开由两个前边缘系列和一个后边缘系列组成的三阶倾斜系列进行分析。现在打开专门的 EFTEMTomoJ 插件并单击，然后单击 Image 或 Stack 以选择倾斜系列。在出现的表格中，输入将倾斜序列记录为能量偏移的能量。

此外，输入每个过滤图像的狭缝宽度和曝光时间。检查映射下的所有三个倾斜序列，并确保它们将用于使用幂律计算化学映射。然后点击 Next（下一步）。

选择第一张图像作为参考图像，然后单击 使用 其次是 下一页 。此时，将显示建议的路线的预览图像。目视验证以相同倾斜角度录制的三个图像是否很好地叠加，显示图像之间没有偏移。

此协议在 EFTEMTomoJ 插件的 0.9 版本上执行。此时，以相同倾斜角度记录的过滤图像将对齐。接下来选择 EFTEMTomoJ 窗口，图像对应于背景和化学边缘。

然后选择信号提取模型作为 power 并单击 Create Map。保存化学图的倾斜序列，然后对所有其他化学倾斜序列重复此过程。为了量化这种漂移，首先打开零损耗对齐倾斜系列。

然后打开化学图对齐倾斜系列，转到图像、颜色并选择合并通道。为红色选择与零损失对应的文件，为绿色选择第一个化学元素。取消选中 Create Composite 并选中 Keep Source Image。

此时，将在每个倾斜角度为所有录制的图像创建一个堆栈。接下来，转到 Plugins 并选择 Align RGB Plans。此处 red 是参考图像。

选择绿色，然后使用箭头将其重叠在红色上。就位后，单击 Next（下一步）并对所有其他角度重复此过程。转到图像，向下转到颜色，然后选择分割通道以将 RGB 堆栈拆分为两个堆栈。

红色对应于零损失，绿色对应于漂移校正后的化学图。最后，请务必保存倾斜序列，然后对第二个化学元素重复作，并记住保存文件。对于 3D 化学映射，再次坐在计算机前打开图像 J.通过转到插件并选择 TomoJ 打开 TomoJ 插件。

这将选择加载角度格式文件。因为所有的倾斜序列都已经对齐，所以直接导航到重建并使用重建算法计算零损失体积和化学体积。建议使用交互式算法来重建化学体积。

同样使用此软件，可以使用计算机的 GPU 重建卷。计算完所有体积后，使用 Merge Channels 选项将不同的颜色应用于获得的体积，并将它们重叠在一个体积中以获得 3D 化学图。最后，按照随附的文本方案进行作，了解有关化学信息、表面积和孔径分布的 3D 建模和定量的更多详细信息。

这里使用 EFTEM 断层扫描分析具有不同组分比例的三种不同二氧化钛氧化铝催化剂载体样品。研究发现，高浓度的二氧化钛会形成嵌入氧化铝中的簇。这些模型显示了二氧化钛和氧化铝在样品表面的化学分布。

研究发现，与样品中二氧化钛和氧化铝的比例无关，样品表面覆盖着比例约为 30% 的二氧化钛氧化铝对表面具有高度特异性，目标是让二氧化钛得到氧化铝支撑。建模后发现，含有 10% 二氧化钛的样品表面有一层只有 10 纳米左右厚。这种差异可能在样品的催化应用中发挥作用。

一提的是，能量过滤电子断层扫描是一项耗时的技术。在尝试此过程时，请记住能量过滤成像对折差对比度很敏感，但还必须验证样品的厚度及其对电子束的电阻。开发后，这项技术为材料科学的研究人员更好地将形态和化学参数与所研究材料的特性相关联铺平了道路。

我们希望在遵循此协议后，电子断层扫描的新用户将更好地了解要遵循的步骤以及重建体积、分割模型和量化其参数时遇到的困难。