Quantifizierung der Fluoreszenz Röntgendaten mit MAPS

Die Synchrotron-basierte Röntgenfluoreszenz ist eine wichtige Technik zur Beobachtung der Elementseigerung, der Stöchiometrie-Beziehungen und des Clustering-Verhaltens in Proben aus einer Vielzahl von Bereichen, darunter Biologie, Chemie und Materialwissenschaften. Die aus diesen Studien gewonnenen Informationen sind so lange qualitativ, bis geeignete Quantifizierungsverfahren verwendet werden, um die Rohfluoreszenzzahlen in elementare Luftmassen umzuwandeln. In diesem Video wird gezeigt, wie das vom Argonne National Laboratory entwickelte Quantifizierungsprogramm verwendet werden kann, um numerische Informationen für zweidimensionale Röntgenfluoreszenzkarten zu generieren.

Um das MAPS-Programm nutzen zu können, ist es zunächst notwendig, die IDL-Software aus dem Internet herunterzuladen. Dies kann derzeit erfolgen, indem Sie auf die Website von IDL gehen und ein Konto erstellen. Wählen Sie als Nächstes Mein Konto und dann Downloads, und es wird eine Seite mit allen verfügbaren Programmen angezeigt.

Scrollen Sie nach unten und wählen Sie die neueste Version von IDL aus. Next MAPS kann von der Website des Argonne National Laboratory heruntergeladen werden. Nach dem Herunterladen und Extrahieren des Zip-Ordners sollten vier Dateien vorhanden sein. Verbindung.

dat, henke. XDR, Karten und xrf_library.csv. Die drei Dateien, bei denen es sich nicht um Karten handelt, sollten kopiert und in den IDL-Unterordner lib eingefügt werden.

Bei Windows-Rechnern ist dies höchstwahrscheinlich in den Programmdateien unter dem Ordner Exelis zu finden. Im Allgemeinen ist es praktisch, das Fitting vom Desktop aus auszuführen, es ist jedoch wichtig, dass der Ordnername und der Pfad keine Leerzeichen oder Sonderzeichen enthalten, da sonst MAPS beim Versuch, das Fitting auszuführen, einen Fehler erzeugt. Wenn der Pfad zum Desktop Leerzeichen enthält, platzieren Sie den Ordner an einer anderen Stelle.

Zum Beispiel direkt innerhalb des Laufwerks C. Für diese Demonstration lege ich den Fitting Folder und die MAPS. sav-Symbol auf dem Desktop für einfachen Zugriff.

In diesem Ordner legen Sie die Dateien maps_fit_parameters_override. txt und maps_settings.txt ab. Beispiele für diese Dateien werden in den Begleitdokumenten zur Verfügung gestellt.

Erstellen Sie als Nächstes einen Ordner mit dem Namen mda und fügen Sie die ausgewählte hochauflösende Map-Datei ein, die ursprünglich für die Anpassung verwendet wird. Dateien für die Standardanpassung werden ebenfalls hinzugefügt und sollten je nach Anzahl der vom Sektor verwendeten Detektorelemente entweder eine oder vier Dateien enthalten. Diese Dateien bezeichnen den Standard.

Wenn der AXO-Standard verwendet wurde, sollte die Datei axo_std. mca heißen, andernfalls kann sie, wenn der NIST oder ein anderer Standard verwendet wurde, einen beliebigen Namen erhalten, der auf mca endet, da diese Dateien später ausgewählt werden. Bei einem Vier-Quadranten-Detektor sollten die Standard- und fit_parameter-Dateien wie folgt benannt werden, von mca0 bis mca3 und von txt0 bis txt3 und einschließlich einer fit_parameters Datei, die auf txt endet.

Überprüfen Sie als Nächstes in der Karteneinstellungsdatei, ob die richtige Anzahl von Detektorelementen verwendet wird. Bei dieser Armatur kam ein Detektorelement zum Einsatz. Wenn Sie den passenden Ordner vorbereitet haben, öffnen Sie MAPS und ändern Sie das Verzeichnis in den Ordner, der gerade auf dem Desktop erstellt wurde.

Klicken Sie dann auf OK und gehen Sie zur Konfiguration. Das Konfigurationsfenster verfügt über eine Vielzahl von Funktionen, mit denen die Parameter für das Fitting festgelegt werden können. Wählen Sie zunächst die Beamline aus, die für die für die Messungen verwendete Beamline repräsentativ ist.

Wenn die Messungen im Argonne National Laboratory durchgeführt wurden, sollte die Beamline direkt übereinstimmen. Andernfalls sind zusätzliche Informationen darüber, welche Auswahl verwendet werden soll, im Manuskript enthalten. Wählen Sie anschließend die mda-Datei aus, die verwendet werden soll, und geben Sie dann die für die Messung verwendete einfallende Energie ein.

Wählen Sie Verarbeitung starten und warten Sie, bis das Programm beendet ist. Sobald der Vorgang abgeschlossen ist, gehen Sie zu Datei und wählen Sie dann die erste Option aus. Öffnen Sie das RFA-Bild, den Durchschnitt oder das einzelne Element.

Das Programm sollte eine Reihe neuer Ordner erstellt haben, also wählen Sie img und die generierten Fit-Dateien oder h5-Dateien sollten sich in diesem Ordner befinden. Wählen Sie die Datei aus, die der Karte entspricht, und ändern Sie dann das zweite Dropdown-Menü von links in die Normalisierung. In dieser Situation werden die Daten auf die Upstream-Ionenkammer oder USIC normiert.

Wenn Sie die Ansicht mit mehreren Elementen auswählen, werden Bilder für die einzelnen Elementarkanäle erstellt. Die Einheiten werden jetzt in Mikrogramm pro Quadratzentimeter angegeben. Die Werte sind jedoch noch nicht repräsentativ für die angepassten Größen.

Um an der Anpassung zu arbeiten, werden die Daten stattdessen als Summe aller Spektren von jedem Pixel der Karte betrachtet, die angezeigt werden können, indem Sie zu Betrachten, Integralspektrum plotten. Gehen Sie als nächstes zur Ausgabe generieren und exportieren Sie die rohe integrierte Spektrenreihe lang, um das Bild zu speichern. Schließen Sie das Fenster und gehen Sie zu Tools, Spectrum Tool, Load Spectrum.

Suchen Sie die Datei, die gerade in den Ausgabeordner exportiert wurde. Im Allgemeinen ist das Sortieren des Ausgabeordners nach Änderungsdatum der schnellste Weg, Dateien zu finden, da jede neue Anpassung die Dateien innerhalb des Ordners aktualisiert. Das exportierte Spektrum erhält den Namen intspec, gefolgt von der Beamline und der Scannummer und dann txt.

Sobald das Spektrum geöffnet ist, öffnen Sie die maps_fit_parameters_override Datei. Überprüfen Sie zunächst, ob die Anzahl der Detektorelemente korrekt ist. Fügen Sie als Nächstes in die Linie einzupassende Elemente alle Elemente ein, die voraussichtlich in der Stichprobe enthalten sind.

Beachten Sie, dass L-Linienelemente und M-Linienelemente das Suffix _L oder _M entsprechend enthalten. Hier ist bekannt, dass Kupfer in der Probe enthalten ist, aber es wird ausgeschlossen, um ein Beispiel für eine unvollständige Passung zu liefern. Scrollen Sie nach unten und geben Sie die einfallende Energie für die kohärente Streuenergie ein.

Geben Sie dann in den folgenden beiden Zeilen einen maximalen und minimalen Energiebereich ein, den das Programm als Grenzen verwenden soll. Im Allgemeinen ist ein Bereich von plus und minus 2 bis plus und minus 5 keV ausreichend. Überprüfen Sie weiter unten, ob die maximale und minimale Energie zum Anpassen die interessierenden Elementenergien enthält.

Überprüfen Sie außerdem, ob das Liniendetektorelement die richtige Nummer hat, um entweder dem Germanium- oder dem Siliziumdetektor zu entsprechen. Am Ende der Datei gibt es die Möglichkeit, die Namen für die Detektorkanäle zu ändern, die in der Anpassung verwendet werden. Weitere Informationen, wie Sie sie ändern können, sind im Manuskript ausführlicher beschrieben.

Nachdem Sie die Änderungen vorgenommen haben, speichern Sie das Dokument. Wählen Sie dann Analyse, Spektrum anpassen und ein Fenster wird geöffnet. Oben kann der Energiebereich für die Anpassung sowie die Anzahl der für die Anpassung verwendeten Iterationen eingestellt werden.

Nachdem Sie den Bereich geändert haben, wählen Sie die dritte der vier Schaltflächen unten aus und das Programm führt eine Anpassung aus. Im Fenster des Spezifikationswerkzeugs gibt es eine Reihe von Dropdown-Menüs, die die Visualisierung verschiedener Kurven ermöglichen. Legen Sie in den Dropdown-Menüs eins auf "Angepasst" und die verbleibende Auswahl auf "Keine" fest.

Wenn Sie unten links Element hinzufügen auswählen, kann der Benutzer das Spektrum nach fehlenden Peaks durchsuchen. Wenn Sie das Pluszeichen drücken und durchklicken, sieht es so aus, als ob der Peak, der in der Passung fehlt, der Kupfer-K-alpha-One-Peak ist. Bei bestimmten Peaks, insbesondere am linken Rand des Bildes, scheint die Anpassung die richtigen Elemente zu enthalten, aber die Linien sind in der richtigen Intensität immer noch sehr weit von der Intensität des Spektrums entfernt.

Dies kann verbessert werden, indem die Anzahl der Iterationen erhöht wird. In der Regel reichen mindestens 50 aus, um einen spürbaren Unterschied zu machen. Wenn Sie nun zur fit_parameters Datei zurückkehren, Kupfer hinzufügen, speichern und dann die Anpassung erneut ausführen, wird angezeigt, dass der Peak jetzt gut angepasst ist.

Nach der Suche nach allen verbleibenden fehlenden Elementen sieht die Passform gut aus. In einigen Fällen gibt es immer noch einige Peaks, bei denen die Linien nicht perfekt aufeinander abgestimmt sind. Zum Beispiel liegen die beiden Peaks auf vier keV, die den Indiumlinien Lg1 bis Lg4 entsprechen, scheinen das richtige Element angepasst zu haben, aber die Anpassung bewertet die Spitzenintensitäten höher als das, was tatsächlich aus der Messung erzeugt wurde.

Diese Situation tritt am häufigsten bei L-Linienelementen auf. Da K-Linien-Elemente in der Literatur tabellarische Peak-Intensitätsverhältnisse aufweisen, sind die Verhältnisse der Peakhöhen für L-Linien viel stärker von der einfallenden Energie abhängig. Um die Passung dieser Linien zu verbessern, muss zunächst in der fit_parameters Datei eine Linie für die Anpassung der Verzweigungsfamilie erstellt werden.

Diese Zahlen bezeichnen die relativen Intensitäten im Vergleich zur Literatur für die Familien L1, L2 und L3, die im Spezifikationswerkzeug als gelbe, rosa und blaue Linien dargestellt sind. Oft können diese Zahlen als Einsen oder gleich den Literaturwerten bleiben. Stattdessen wird das Verhältnis für jede einzelne Zeile geändert.

Beachten Sie, dass vor der Anpassung des Verzweigungsverhältnisses für Indium die Verzweigungsverhältnisse für die L-Gammalinien alle auf eins festgelegt sind. Wenn man sich das integrale Spektrum ansieht, wird deutlich, dass der literarische Wert zu hoch ist. Wenn man die prozentuale Differenz zwischen der grünen und der weißen Linie für jede Energie schätzt, dann das Verzweigungsverhältnis ändert, die Anpassung speichert und erneut ausführt, ergibt sich eine beobachtbare Verbesserung der Anpassung der grünen Linie an die weiße Spektrumslinie.

Oft dauert dieser Vorgang einige Versuche, aber es ist notwendig, um die Genauigkeit der Anpassung zu gewährleisten. Nachdem Sie die fit_parameters identifiziert haben, die die bestmögliche Passung erzeugen, führen Sie die Anpassung erneut mit 10- oder 50-K-Iterationen aus. Dies geschieht, weil bei jeder Anpassung die durchschnittliche resultierende maps_fit_parameters_override Datei aktualisiert wird, die die Datei ist, die tatsächlich für die Anpassung implementiert wird.

Sobald die endgültige Anpassung abgeschlossen ist, schließen Sie das Fenster des Rohrklassenwerkzeugs. Fügen Sie dann _input zur maps_fit_parameters Datei hinzu und benennen Sie die durchschnittlich resultierende Datei in Read maps_fit_parameters_override.txt um. Kehren Sie anschließend zum Konfigurationsfenster zurück und wählen Sie die Beamline aus.

Markieren Sie dann Anpassung verwenden und kopieren Sie alle mda-Dateien, die in den mda-Ordner passen sollen, und fügen Sie sie ein. Gehen Sie mit ausgewählten mda-Dateien alle Dateien durch und markieren Sie sie, um sie anzupassen. Die einfallende Energie wird bereits aus dem Anpassungsprozess eingegeben.

Klicken Sie sich rechts neben dem Fenster mit den Plus- und Minuszeichen durch und aktivieren Sie die Kontrollkästchen für die Elemente, die in der fit_parameters Datei enthalten sind. Einige Elemente sind in diesem Feld nicht enthalten. Zum Beispiel ist Indium es nicht.

Um Indium einzuschließen, markieren Sie ein Feld für alle anderen Elemente, die nicht angepasst werden. Ändern Sie dann in der Kategorie ROI-Name den Namen in den Namen des benötigten Elements. Als nächstes finden Sie mit Hilfe einer beliebigen Fluoreszenzdatenbank, z. B. der Anwendung Hephaestus, die Energie für die Hauptenergieleitung.

In diesem Fall das Indium L alpha eins. Scrollen Sie weiter bis zum Ende durch die Elemente und wählen Sie dabei S_I, S_E, S_A, TFY und Hintergrund aus. Wählen Sie oben links die rechten Einstellungen für die Konfigurationsdatei aus, um die Anpassungseinstellungen für die zukünftige Verwendung zu speichern.

Wenn zu diesem Zeitpunkt der NIST-Standard für die Anpassung verwendet werden soll, wählen Sie die Schaltfläche aus, die der NIST-Standardnummer NBS 1832 oder 1833 entspricht. Wählen Sie dann den Dateinamen für den Standard aus dem übergeordneten Ordner aus. Danach ist die Montage fertig.

Wählen Sie also Verarbeitung starten, um zu beginnen. Sobald die Anpassungen abgeschlossen sind, können sie wie zuvor visualisiert werden, indem Sie zu Datei gehen, RFA-Bild, Durchschnitt oder einzelnes Element öffnen. Und dann zur Ansicht, der Ansicht mit mehreren Elementen.

Mit Hilfe von Detektoren für ausgewählte Elemente unten rechts ist es möglich, die zu analysierenden Kanäle zu ändern. Daraus werden numerische Werte in Mikrogramm pro Quadratzentimeter in der Größenordnung dessen angezeigt, was für die Probe erwartet wird. Die Berechnung, die zur Schätzung der erwarteten Werte verwendet wird, ist im Manuskript unterschrieben.

Hier sind beispielsweise die quantifizierten Daten für die meisten Elemente einer Sig-Solarzelle, Kupfer, Indium und Gallium, dargestellt. Aufgrund der verwendeten einfallenden Energie war die Messung nicht empfindlich oder in der Lage, den Selenpeak zu detektieren. Es wurde also ausgeschlossen.

Aus diesen Daten ist es nun möglich, die Verteilung der verschiedenen Elemente innerhalb der Probe zueinander in Beziehung zu setzen und Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie sich die verschiedenen Kationen einer Sig-Solarzelle innerhalb eines Geräts verteilen und welchen Grad der Inhomogenität sie aufweisen. Das Anpassungsspektrum für jedes der Anpassungskarten kann auch erneut angezeigt werden, indem Sie zu Ansicht, Integralspektrum darstellen gehen. Hier sollte man das Spektrum der Daten in weiß und die Passung in Farbe erkennen können.

Dies kann verwendet werden, um die Anpassung für alle Datendateien zu überprüfen, um sicherzustellen, dass der Prozess ordnungsgemäß auf jede Karte angewendet wurde. Um schließlich die Daten zu exportieren, gehen Sie zu Ausgabe generieren und wählen Sie Exportieren, um kombinierte ASCII-Dateien von Karten zu erstellen. Dadurch wird eine Excel-Datei erstellt, die die quantifizierten Fluoreszenzdaten für alle angezeigten Elemente enthält.

Um Elemente zu ändern oder hinzuzufügen, verwenden Sie die Option Elementdetektoren auswählen. Die Daten befinden sich dann im Ausgabeordner. In diesem Video wurde Schritt für Schritt erklärt, wie die vom Argonne National Laboratory entwickelte Anpassungssoftware MAPS für die Quantifizierung von Röntgenfluoreszenzdaten verwendet wird.

Während das Verfahren für eine Vielzahl von Situationen sehr nützlich ist, gibt es viele spezielle Fallszenarien und Herausforderungen, die zusätzliche Überlegungen erfordern. Diese werden im Folgenden ausführlicher beschrieben und es werden kontinuierliche Verbesserungen vorgenommen, um die Genauigkeit der Anpassung von Röntgenfluoreszenzspektren weiter zu verbessern. Die Fähigkeit des Programms, qualitative, hochauflösende 2D-Fluoreszenzkarten in quantitative ortsaufgelöste Elementgrößen umzuwandeln, bietet jedoch eine signifikante Steigerung der aus diesen Messungen erhaltenen Informationen.

Wir hoffen, dass diese Demonstration hilfreich war, um den Prozess der Quantifizierung von Röntgenfluoreszenzmikroskopiedaten besser zu verstehen. Danke fürs Zuschauen.