Energieröntgentomografie für 3D-Elementar Zuordnung einzelner Nanopartikel

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Verteilung von Elementen in Silber-Gold-Nanopartikeln zu untersuchen, die durch die galvanische Ersatzreaktion synthetisiert werden. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen auf dem Gebiet der Katalyse zu beantworten, z. B. warum bestimmte Nanopartikelzusammensetzungen eine verbesserte katalytische Leistung aufweisen. Der Hauptvorteil dieser Technik ist die Möglichkeit, die Verteilung von Elementen auf der Nanometerskala zu untersuchen.

Dies ermöglicht eine unglaublich hohe Auflösung in drei Dimensionen. Obwohl die Methode hier zur Untersuchung von metallischen Nanopartikeln verwendet wurde, kann sie auch zur Untersuchung anderer Materialien auf der Nanometerlängenskala verwendet werden, wie z. B. halbleitender Quantenpunkte, wo sie uns helfen kann, ihre optischen Eigenschaften und ihre Leistung im Inneren der Zellen zu verstehen. Um mit der Nanopartikelsynthese zu beginnen, lösen Sie fünf Gramm PVP bei Raumtemperatur in 37,5 Milliliter Ethylenglykol auf.

Geben Sie dann 200 Milligramm Silbernitrat in diese Lösung. Rühren Sie die Lösung, bis sich das Silbernitrat vollständig aufgelöst hat, und erhitzen Sie die Lösung dann mit einer konstanten Geschwindigkeit von einem Grad Celsius pro Minute auf einer Heizplatte auf eine Temperatur von 100 Grad Celsius. Lassen Sie die Reaktion die nächsten eineinhalb Stunden bei 100 Grad Celsius ablaufen.

Fügen Sie dann 87,5 Milliliter destilliertes Wasser hinzu und kühlen Sie die Lösung wieder auf Raumtemperatur ab. Dann zentrifugieren Sie die Lösung bei 8000 mal G.Entfernen Sie den Überstand und dispergieren Sie die Silbernanopartikel in 50 Millilitern destilliertem Wasser erneut. In einem neuen Rundkolben werden 50 mg PVP in 50 Millilitern Ethylenglykol bei Raumtemperatur gelöst.

Fügen Sie 2,78 Milliliter der Silbernanopartikelsuspension hinzu und erhitzen Sie den Kolben 10 Minuten lang bei 100 Grad Celsius. Bereiten Sie als nächstes 100 Milliliter 0,2 oder Tetrachloraurat-Wasserstofftrihydrat vor. Geben Sie 10, 20, 30 oder 40 Milliliter Aliquots der Lösung tropfenweise hinzu, um Zubereitungen der Silbernanopartikellösung zu trennen, um Gold-Silber-Nanopartikel in unterschiedlichen Verhältnissen zu erhalten.

Auf Raumtemperatur abkühlen lassen und dreimal mit destilliertem Wasser waschen. Pipettieren Sie etwa 0,02 Milliliter der Nanopartikellösung direkt auf ein Kohlenstoff-TEM-Gitter. Wenn möglich, verwenden Sie Beryllium-TEM-Gitter, um störende Röntgenstrahlen zu begrenzen, und eine große Maschenweite, um die Abschattung durch das Gitter zu minimieren.

Nachdem die Nanopartikellösung getrocknet ist, reinigen Sie die TEM-Gitter, indem Sie 10 bis 20 Tropfen 100 % Methanol oder Ethanol über das TEM-Gitter pipettieren und das Gitter mit einer Anti-Kapillar-Crossover-Pinzette festhalten. Entfernen Sie die überschüssige Flüssigkeit nach jedem Tropfen vorsichtig mit Filterpapier. Zum Schluss glühen Sie das Gitter bei 80 Grad Celsius unter Vakuum, um verbleibende Verunreinigungen zu entfernen oder zu immobilisieren.

Laden Sie das mit Nanopartikeln beschichtete Gitter in einen Tomographie-Halter und setzen Sie es dann in das TEM ein. Wenn das Vakuum des Mikroskops einen geeigneten stabilen Wert erreicht, öffnen Sie die Säulenventile und stellen Sie sicher, dass der Elektronenstrahl auf dem Bildschirm beobachtet werden kann. Stellen Sie im Scan-TEM-Modus sicher, dass die Beugung ausgewählt ist, gehen Sie dann zur Registerkarte Suchen und neigen Sie den Tisch auf plus oder minus 15 Grad, indem Sie die Alpha-Wobbler-Taste drücken.

Minimieren Sie jegliche Bewegung in der Probe, indem Sie die Z-Höhe auf die euzentrische Höhe einstellen. Bewegen Sie nun die Probe so, dass sich der Balken über einem Loch in der Probe befindet. Stellen Sie sicher, dass die entsprechende Kondensorblende richtig ausgerichtet ist, indem Sie den Schatten der Blende in einem unterscharfen Bild der Sonde zentrieren.

Wackeln Sie mit der Intensität, um sicherzustellen, dass sich die fokussierte Sonde nicht bewegt, um zu prüfen, ob das Strahlende falsch ausgerichtet ist. Zeichnen Sie dann den Umriss des Rasterquadrats nach, indem Sie auf der Registerkarte "Suchen" die Option "Spuren anzeigen" auswählen und während der Aufnahme dem Umriss des Rasterquadrats folgen. Finde ein repräsentatives Teilchen im mittleren Teil des Rasterquadrats.

Kippen Sie die Probe während der Bildgebung auf den maximalen Neigungsbereich des Halters, um sicherzustellen, dass das Nanopartikel bei großen Halterneigungen nicht durch die Gitterbalken verdeckt wird. Erfassen Sie Bilder des Röntgenspektrums mit hohem Winkelwinkel, Dunkelfeld und energiedispersem Röntgenspektrum mit einer konstanten Erfassungszeit von fünf Minuten über den gesamten Bereich der Neigungswinkel in Winkelschritten zwischen fünf und 10 Grad. Erstellen Sie zunächst ein Übersichtsbild mit einem Winkel-Dunkelfeld aus einem hohen Winkel, indem Sie im Imaging-Bereich auf "Erfassen" klicken.

Wählen Sie dann ein Mapping-Fenster um das Nanopartikel aus, indem Sie das Feld über dieses Bild ziehen und auf "Erfassen" drücken. Extrahieren Sie als Nächstes die charakteristischen Röntgenzahlen, indem Sie zunächst die spektralen Datenwürfel als RAW-Dateien öffnen. Summieren Sie dann die Intensität der Datenwürfel-Slices, die den Energiekanälen der interessierenden Spitzen entsprechen, mit den Funktionen Slice 2D und Sum.

Erfassen Sie energiedispersive Röntgenspektrumbilder auf die gleiche Weise wie im vorherigen Schritt, jedoch unter Verwendung der Zeitintervalle, die aus den Daten zur Erfassungszeit der Konstante bestimmt wurden. Importieren Sie die TIFF-Bilder mit hohem Winkelwinkel und Dunkelfeld als Bildsequenz. Verwenden Sie sie, um eine Neigungsreihe von Winkel-Dunkelfeldbildern mit hohem Winkel in das MRC-Dateiformat zu kompilieren, indem Sie den MRC-Writer in der Bildvisualisierungssoftware verwenden.

Korrelieren Sie als Nächstes die Bilder mit hohem Winkelwinkel und Dunkelfeld, um eine grobe Ausrichtung der Neigungsreihe zu erhalten. Speichern Sie die Achsdaten entweder als SFT-Datei oder als Datei XCORR.TXT. Drücken Sie anschließend im Fenster Alignment-Verschiebungen berechnen auf Fortfahren, um eine Kreuzkorrelation für die gesamte Neigungsserie durchzuführen.

Wiederholen Sie die Ausrichtung, bis die lokalen Verschiebungen unter einem Pixel liegen, und achten Sie darauf, dass alle Verschiebungsdateien bei jedem Schritt als Text gespeichert werden. Laden Sie als Nächstes die erfassten spektralen Datenwürfel und verwenden Sie die Skriptfunktionen Slice 3D und Sum, um Maps zu extrahieren, die die summierten Schichten von Energiekanälen sind, die den interessierenden Elementen entsprechen. Gehen Sie in der Tomographie-Rekonstruktionssoftware zur Registerkarte Ausrichtung anwenden und wählen Sie Verschiebungen aus der Ausrichtungsdatenansicht verwenden, um die Winkelausrichtungen des Dunkelfelds mit hohem Winkel auf die extrahierten energiedispersiven Röntgenelementkarten anzuwenden.

Führen Sie bei Bedarf eine Neigungsachsenanpassung für die Dunkelfeld-Bildserie mit hohem Winkel durch, und aktivieren Sie die Aufgabe Korrekturen aus Neigungsachsenanpassung verwenden auf der Registerkarte Ausrichtung anwenden, um die Anpassung sowohl auf die Dunkelfeldbilder als auch auf die Röntgenkarten anzuwenden. Verwenden Sie als Nächstes einen simultanen iterativen Rekonstruktionsalgorithmus, der in der Tomographie-Software implementiert ist, um den tomographischen Datensatz für jedes der extrahierten energiedispersiven Röntgenelementsignale zu rekonstruieren. Wählen Sie in der Bildvisualisierungssoftware Bild aus, gehen Sie zu Stapel und wählen Sie Orthogonale Ansichten, um die orthogonalen Schichten der einzelnen Elementrekonstruktionen zu extrahieren.

Erstellen und visualisieren Sie weitere Ortho-Slices, Volumen- und Oberflächen-Renderings aus den Rekonstruktionen mit der Visualisierungssoftware. Um sicherzustellen, dass die Skala korrekt eingestellt ist, laden Sie alle Elementarrekonstruktionen und überprüfen Sie diese, da die Skala oft nicht gut aus REC-Dateien übertragen wird. Wählen Sie als Nächstes das Rekonstruktionsobjekt im Objektpool aus, klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie das Modul Ortho Slice aus, um einen Ortho-Slice zu extrahieren.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Rekonstruktion und wählen Sie Volumen-Rendering, um ein Volumen-Rendering zu extrahieren. Extrahieren Sie abschließend eine Isofläche, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Rekonstruktion klicken und Isofläche auswählen. Dreidimensionale Elementkartierungen, die mit energiedispersiver Röntgentomographie durchgeführt wurden, zeigten eine klare Goldoberflächensegregation innerhalb der Silber-Gold-Nanopartikel mit niedrigem Goldgehalt, die durch die galvanische Reaktion synthetisiert wurden.

Mit zunehmendem Goldgehalt verschiebt sich jedoch diese Oberflächenseigerung, so dass für den höchsten Goldgehalt eine klare Silberoberflächenentmischung vorlag. Diese Technik hat gezeigt, dass es möglich ist, die Oberflächenzusammensetzung eines einzelnen Nanopartikels zu charakterisieren. Komplementäre Techniken wie die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie können Informationen über die Ensemble-Nanopartikelpopulation liefern.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die energiedispersive Röntgentomographie verwenden können, um dreidimensionale chemische Bilder von Nanopartikeln zu erhalten.