Name: Gewinnung chemische 3D-Karten von Energy Transmission Electron Microscopy Tomographie gefiltert (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-09T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 15 s
Description: Erfahren Sie die energiegefilterte Elektronentomografie zur Erzeugung dreidimensionaler chemischer Karten nanoskaliger Materialien. Diese Methode ermöglicht die Visualisierung chemischer Verteilungen im Volumen und an Oberflächen.

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Wir sind dankbar für das französische Ministerium für Hochschulbildung und Forschung, Konventionen Industrielles de Formation Par la Recherche (CIFRE) und IFP Energies Nouvelles für ihre finanzielle Unterstützung.

1. die Probenvorbereitung
<ol><li>Die Probe in einem Mörser zerkleinern und verteilen es im Alkohol oder destilliertem Wasser; einen Tropfen der Probe auf einem Mikroskopie-Raster legen und trocknen lassen. Hinweis: Proben wie Siliziumdioxid Aluminiumoxid oder Titania Aluminiumoxid können ein Pulver oder eine extrudierte Material, zerkleinert und verteilt in einer Lösung mit Hilfe von Ultraschall. In der Regel für ET-Analyse ist es wichtig, dass die probenkonzentration in der Startaufstellung niedrig, zum Beispiel Überlagerung und shadowing ist, wenn das Raster in einem großen Winkel kippen zu vermeiden. Die 200-Mesh-Mikroskopie-Gitter, die einen Film von löchrigen Kohlenstoff oder lacey Carbon unterstützen sollten.</li>
	<li>Mit einer Pipette, legen Sie ein Tröpfchen einer kolloidalen Lösung mit kugelmarker über die Probe. Jede überschüssige Lösung zu absorbieren und trocknen lassen. Hinweis: Die kugelmarker sind gut kalibrierten Au Nanopartikel in einer Lösung suspendiert. Die kugelmarker können auch über das Netz verteilt werden, vor der Zugabe der Probe. Als Beispiel wenn die Probe von Nanopartikeln mit ähnlichen Größen als die kugelmarker erfolgt, Zahlen Sie ein, die kugelmarker über das Raster um sie auch während der Datensegmentierung und Quantifizierung zu trennen. Die kugelmarker sind Positionsangaben verwendet, wenn die gekippte Bilder ausrichten.</li>
</ol>2. Aufnahme der gefilterten Tilt-Serie Bilder
<ol><li>Finden Sie mit dem Elektronenmikroskop eine isolierte Probe in der Mitte des Rasters Mikroskopie. Hinweis: In dem Elektronenmikroskop ist der x-Achse entlang der Probenhalter, die Y-Achse steht senkrecht auf der Probenhalter und die Z-Achse ist entlang des Elektronenstrahls. Um der Probe bei der maximale Kippwinkel kippen zu können, analysieren Sie eine Probe so nah wie möglich an der x-Achse liegt.</li>
	<li>Sobald die Probe gut aufgestellt ist, überprüfen Sie die chemische Zusammensetzung der Probe. Eine chemische Analyse mit Energy dispersive x-ray Spektrometrie (EDS) oder Elektronen Energie-Verlust-Spektrometrie (AALE) durch Fokussierung des Strahls über die gewählte Probe, und zeichnen Sie ein Spektrum. Enthält die Probe der chemischen Elemente von Interesse, vom es und führen Sie die nächsten Tests auf einer nahe gelegenen repräsentativen Stichprobe.</li>
	<li>Überprüfen Sie den Elektronenstrahl Intensität über die Probe, die Breite der energiefenster der gefilterten Bilder und die Expositionszeit der einzelnen gefiltert Bild. Finden Sie den besten Kompromiss für die Probe zwischen Balken Schaden und das chemische Signal aufgezeichnet in den chemischen Projektionen12,13,17. Hinweis: Um die maximale chemisches Signal in die gefilterte Bilder aufzuzeichnen, verwenden Sie die maximale Strahlintensität. Allerdings muss ein Bestrahlung Test vor jeder Analyse für Änderungen der Probe von der Wirkung des Elektronenstrahls zu überprüfen durchgeführt werden. Um dies zu tun, berechnen Sie die Elektron-Dosis während der Aufnahme der Tilt-Serie. Darüber hinaus kann eine einfache Prüfung erfolgen durch den Vergleich ein Bild vor und ein Bild nach dem Experiment.</li>
	<li>Verwenden Sie Lutetium-Modus von der Recording-Software, um eine chemische 2D-Karte mit der drei-Fenster-Methode zu berechnen, und überprüfen Sie, ob ein ausreichendes chemische Signal aufgezeichnet wird. Hinweis: Die Software zeichnet drei gefilterte Bilder; die ersten beiden werden verwendet, um den Hintergrund aus dem dritten Bild zu schätzen.<ol>
<li>Wählen Sie in der Software das chemische Element unter Untersuchung und Ionisation Rand. Legen Sie die Breite des Fensters Energie und die Belichtungszeit. Zeichnen Sie die Bilder und dann berechnen Sie die chemische Karte mit einem Potenzgesetz Hintergrund zu extrahieren. In einer 32-Bit-Umgebung mit 512 x 512 Pixel ist das minimale Signal ca. 300-400 zählt pro Pixel in einem chemischen Bild aufgezeichnet.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Legen Sie die Probe in der euzentrische Höhe und Überprüfung der minimalen Neigungswinkel, d. h.,-70 ° oder weniger und maximalen Neigungswinkel, d. h., + 70 ° oder mehr.</li>
	<li>Bringen Sie die Probe analysiert werden, wieder ins Blickfeld und zeichnen ein Bild (das Bild vor der Anschaffung werden). Dann nehmen Sie die geneigte Reihe von gefilterten Bilder mittels geeigneter Software. Hinweis: Die engagierten Lutetium-Tomographie-Plugins können mehrere Tilt Serie gleichzeitig aufzeichnen. Dies bedeutet, dass bei jedem Neigungswinkel, mehrere aufeinander folgende Bilder aufgenommen werden können. Das erste Bild kann ein gefiltertes Bild zentriert auf NULL-Verlust und dieses Bild ist ein typisches Hellfeld Bild. Die Pre-Kante-Bilder und dann das Bild nach dem Rand des ersten chemischen Elements folgen die Pre-Kante-Bilder und das Bild nach dem Rand des zweiten chemischen Elements. Die Nachfolge der chemischen Elemente ist durch ihre ausgewählten Ionisation Kante gegeben.<ol>
<li>In der Aufnahme Lutetium kippen Serie Software, wählen Sie die Breite der einzelnen Energie-Fenster und die Belichtungszeit, und dann die maximale und minimale kippen Winkel und der eckige Schritt der Neigung. Um Kompromiss zwischen der Anzahl der Bilder in der Tilt-Serie und gesamtbelichtungszeit von der Probe der Elektronenstrahl, verwenden Sie einen Tilt-Schritt 4°, d. h., 51 Bilder pro Serie Neigung zwischen ± 71 °; jedoch kann ein kleiner Neigung Schritt gewählt werden, wenn die Probe unter dem Balken nicht verschlechtert.</li>
		<li>Zeichnen Sie für jedes chemische Element drei Tilt-Reihe von gefilterten Bilder um die chemische Projektion mit den drei Windows-Methode zu berechnen. Zur Quantifizierung der natürliche Drift der Probe bei jedem Neigungswinkel während der Aufnahme die gefilterte Bilder (die Probe kann bei bestimmten Neigungswinkel für mehr als 1 min bleiben), kann das erste Bild ein gefiltertes Bild auf NULL Verlust Signal sein, damit das zuletzt aufgenommene Bild wird ein unfil registrierten Bild durch die Elektronen bei allen Energien gebildet. Diese beiden Bilder können verwendet werden, um die Karte der Dicke der Probe zu berechnen. Daher für die Beobachtung der Chemiedistribution von zwei Elementen in jedem Neigungswinkel, 7 gefilterte Bilder aufnehmen (1 Verlust, 3 für das erste chemische Element, 3 für das zweite chemische Element null) und 1 ungefiltertes Bild (insgesamt 8 Tilt-Serie aufgenommen).</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Ausrichtung und Rekonstruktion der Baureihe Tilt
<ol><li>Die drei gefilterten Bilder jedes chemische Element für jeden Neigungswinkel entsprechend ausrichten und die chemischen Karte mit einem spezialisierten EFTEMTJ15,18 Plugin von ImageJ zu berechnen. In der ImageJ-Software, verwenden Sie den Pfad Datei | Offene und wählen Sie die Dateien entsprechend der Filter Bilder Tilt-Serie. Öffnen Sie alle drei gefilterten Tilt-Serie: zwei Pre-Flanke und einer Post-Flanke.<ol>
<li>Öffnen Sie das spezielle EFTEMTJ-Plugin. Klicken Sie auf + | Bild oder Stapel und wählen Sie die Tilt-Serie, die bereits geöffnet sind.</li>
		<li>In der Tabelle, die angezeigt wird, wurde füllen die Energiewende für jede Neigung-Serie, d.h., die Energie an die jeweils schräg Serie aufgenommen. Darüber hinaus füllen Sie die Schnittbreite, d.h., die energiefenster. Füllen Sie die "Belichtungszeit" jedes gefilterten Bildes. Überprüfen Sie alle drei Tilt Serie zuordnen. Klicken Sie auf nächste.</li>
		<li>Wählen Sie das erste Bild als Referenz-Bild und klicken Sie dann auf übernehmen. Klicken Sie auf nächste: eine Vorschau der vorgeschlagenen Ausrichtung angezeigt. Visuell zu überprüfen, dass die 3 Bilder aufgenommen in den gleichen Neigungswinkel gut überlagert (keine Verschiebung zwischen den Bildern sind zu beachten). Hinweis: Dieses Protokoll wurde auf die Version 0.9 von das EFTEMTJ-Plugin durchgeführt. In diesem Moment erfasst die gefilterte Bilder at der gleichen Neigungswinkel ausgerichtet sind.</li>
		<li>Wählen Sie im Fenster "EFTEMTJ" die Bilder entsprechend in den Hintergrund und die chemischen Rand. Wählen Sie das Modell der Signalextraktion als macht, und klicken Sie dann auf Create Karte. Wählen Sie auf ImageJ, Datei | Speichern und suchen Sie den Pfad zum Speichern dieser letzten Datei. Hinweis: Die Tilt-Series der chemischen Karte erhält. Weitere Informationen darüber, wie das Plugin ist online verfügbar.</li>
		<li>Wiederholen Sie Schritt 3.1 für alle chemischen Tilt-Serie.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Richten Sie die NULL-Verlust Tilt Series mit einer Version des Imod Software19 im Jahr 2009 veröffentlicht die Tilt Series ausrichten. Die Software ermöglicht die Anwendung der berechneten Achsen auf eine Tilt-Serie eine andere Neigung-Serie. Hinweis: Die Alignment-Software schreibt über die Datenträgerdateien enthält alle Verschiebungen auf jedes Bild angewendet. Die Ausrichtung Verfahren mit Imod20 ist an anderer Stelle überprüft und ist nicht im Rahmen dieses Artikels.</li>
	<li>Verwenden Sie die Ausrichtung für die NULL-Verlust Tilt Series berechnet, und wenden Sie es auf die zuvor berechnete chemische Tilt Series. Hinweis: In dieser Version der Software ist es möglich, die NULL-Verlust Tilt seriendatei mit einer chemischen Tilt-Serie-Datei zu ändern, durch Erhaltung der Name der Datei und die Anwendung der früheren berechneten Verschiebungen. Ansonsten für die Software die Datei haben den gleichen Namen, die gleiche Anzahl von Bildern von der gleichen Größe, aber es enthält NULL Verlust Bilder aber chemische Bilder.</li>
	<li>Quantifizieren die Drift durch cross-das erste Bild, d. h., Zentrum auf die NULL Verluste, und die letzte korrelieren (das ungefilterte Bild). Die Probe kann einige Sekunden in jedem Neigungswinkel verbringen, während die gefilterte Bilder aufgezeichnet werden. Während dieser Zeit driftet die Probe natürlich eine kleine Menge.<ol>
<li>ImageJ Software, klicken Sie auf Datei | Öffnen Sie und wählen Sie die NULL Verlust ausgerichtet kippen Serie, dann öffnen die chemische Karten ausgerichtet Tilt-Serie.</li>
		<li>Klicken Sie auf Bearbeiten | Farbe | Kanäle zusammenfügen. Wählen Sie die Datei entspricht NULL Verlust für die rote Farbe, das erste chemische Element für Grün und das zweite chemische Element für blau, in dieser Reihenfolge. Deaktivieren Sie die Option Erstellen Sie zusammengesetzte und Halten Quellbildzu überprüfen. Ein Stapel ist bei jedem Neigungswinkel für die aufgenommenen Bilder erstellt.</li>
		<li>Klicken Sie auf -Plugins | Richten Sie RGB Pläne21. Rot ist die Referenz-Bild. Wählen Sie grün und mit den Pfeilen, es über die rote Linie überschneiden. Klicken Sie auf Weiter, und wiederholen Sie für alle Winkel.</li>
		<li>Klicken Sie auf Bearbeiten | Farbe | Split-Kanäle und RGB-Stapel aufgeteilt in drei Stapeln: rot entspricht NULL Verlust, und grün und Blau entspricht der chemischen Karten mit dem Drift korrigiert. Klicken Sie auf -Datei | Speichern Sie um die Tilt-Serie zu retten.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Klicken Sie auf -Plugins | Tomoj22,23 , die Last Winkel Formulardatei auszuwählen. Da die Tilt-Series bereits ausgerichtet sind, navigieren Sie direkt zum Wiederaufbau. Berechnen Sie das Volumen der NULL-Verlust sowie die chemische Bände mit rekonstruktionsalgorithmen wie Kunst, SIRT, OS-Kunst etc.. Hinweis: Es wird empfohlen, einen iterativen Algorithmus für den Wiederaufbau der chemischen Volumes zu verwenden. Durch die Verwendung dieser Software ist es möglich, die Volumen mit Hilfe der GPU zu rekonstruieren.</li>
	<li>Sobald alle Volumes berechnet werden, die Option Kanäle zusammenfügen verschiedene Farben anwenden, um die erhaltenen Mengen und in einem einzigen Band, zu der chemischen 3D-Karte überlappen.</li>
</ol>(4) 3D-Modellierung und Quantifizierung
<ol><li>Vollständig rekonstruierte ZL-Volumen durch Auswahl der entsprechenden grauen Ebene, die die Lautstärke in weiß erhältlich sein wird (die Intensität ist in 8-Bit, 255) und schwarz (in 8 Bit, die Intensität ist 0). In ImageJ die Option "ausgewählte Schwelle". Wählen Sie alle Pixel, die entsprechend der Probenmaterials (bei einem BF-Bild die dunkleren Pixel entsprechen zum Beispiel Masse) und machen eine Band wo die Probe ist weiß und das Vakuum ist schwarz. Hinweis: Das NULL-Verlust-Volumen bietet morphologische Informationen von der analysierten Probe, d.h., die Form und die Größe der Stichprobe.</li>
	<li>Teilen Sie die binäre Lautstärke NULL Verlust durch 255, und erhalten Sie eine Menge wo die Intensitäten innerhalb der Probe 1 und anderswo sind 0. Dies ist der normalisierte Band.</li>
	<li>Multiplizieren Sie die normalisierten Volumens mit jeder der berechneten chemische Bände (Schritt 4.1), ein Volumen zu erhalten, wo die Intensitäten innerhalb der Probe entspricht der chemischen Informationen, und diese Intensitäten sind 0 an anderer Stelle. Hinweis: Die chemische Informationen ergibt sich aus der Probe und daher alle Artefakte sind ausgeschlossen.</li>
	<li>In ImageJ das Histogramm der chemischen Volumen zu berechnen und die Werte des Histogramms in einer passenden Software importieren.<ol>
<li>Löschen Sie in der passenden Software die Zeile mit einer Intensität Heist Anzahl 0 (diese Linie entspricht dem Vakuum).</li>
		<li>In einer neuen Spalte berechnen des Anteils an jede Intensität des Volumens. Teilen Sie die Anzahl der jede Intensität durch die Summe von allen Anklagepunkten und mit 100 multiplizieren.</li>
		<li>In einer neuen Spalte berechnen des Anteils entsprechend der Intensität des gesamten Volumens durch inkrementell Hinzufügen des aktuelle Anteils der Grafen, zuvor mit dem bisherigen Anteil berechnet. Hinweis: In den chemischen Bänden entsprechen die hohen Intensitäten die chemische Informationen. Die Intensitäten sind jedoch gering und das Rauschen in die Lautstärke hoch. Die Schwelle ist durch Auswahl der höchsten Intensitäten erstellt.</li>
		<li>Zu wissen, die relative Konzentration des chemischen Elements in der Probe berechnet aus dem Spektrum der AALE, wählen Sie die Heist Intensitäten. Ab 255 (falls vorhanden) und verringern Sie Intensität, die Konzentration des chemischen Elements entspricht.</li>
		<li>Um die niedrigste Intensität entsprechend der chemischen Konzentration zu finden, navigieren Sie zu der Spalte, wo der Anteil der entsprechenden Intensität wurde berechnet in das Gesamtvolumen die 100 % normalerweise die Intensität von 255 entspricht. Aus 100 % extrahieren den berechnete relativen Anteil des chemischen Elements (aus dem AALE Spektrum): das Ergebnis wird die minimale Intensität in den Schwellenwert entspricht. Auf diese Weise sind chemische binarisierten Volumen erreicht, wo die Voxel entspricht das chemische Element mit der Intensität von 255 und der ganze Rest sind 0. Wiederholen Sie den Vorgang für das zweite Element und erhalten Sie zwei chemischen binarisierten Bände.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Überschneiden sich die binarisierten chemische Bände mit der Option "Kanäle zusammenfügen" und jedes Element Volume, ein RGB-Volumen zu machen eine andere Farbe zuweisen. Hinweis: Durch Überlappung der binarisierten chemischen zweibändigen, Voxel, die überlagert werden, die zu beiden chemischen Elemente (Gemeinde Voxel) gehören und Voxeln, die nicht mit einem chemischen Elemente (Kostenlose Voxel) gehören werden hervorgehoben. Beispielsweise erstellen die binarisierten chemische Bände der roten und grünen Gemeinde Voxeln, die gelb sind.</li>
	<li>Verwandeln Sie die RGB-Lautstärke in 8 Bit Volumen; die Farben haben verschiedene graue Intensitäten. Mit dem Schwellenwert-Option Wählen Sie die Voxel, die sowohl chemische Spezies (gelb in die RGB-Lautstärke) angehören. Wählen Sie dann mit dem gleichen Schwellenwert-Option die Voxel, die keines chemische Element gehören (sie haben niedrigere Intensitäten als die ausgewählte früher Voxel). Wählen Sie das Vakuum nicht mit Intensität 0.</li>
	<li>Die Bände der Gemeinde Voxel und das Volumen des freien Voxel zu normalisieren. Multiplizieren Sie die Datenmengen die kostenlose Voxel durch die chemische Volumina, dann ziehen Sie das andere chemische Volume. Hinweis: Dies berechnet das chemische Element in jedem Voxel, die die höchste Intensität hat.</li>
	<li>Fügen Sie die Mengen die Voxel, die gehören und die Voxel, die nicht auf das Volumen des chemischen Elements gehören, die die höchste Intensität in die Voxel hat. Hinweis: Auf diese Weise jede Gemeinde Voxel oder kostenlose Voxel ist differenziert und zugeteilt, das Volumen des chemischen Elements, das die höchste Intensität in die Voxel hat. Dies kann durch die Option "Bildrechner" durchgeführt werden:</li>
</ol><img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56671/56671eq1v3.jpg">
<ol start="9"><li>Um die Anzahl der Voxel zu quantifizieren, die die Probe bilden, importieren Sie die segmentierten Volumina in spezialisierten Oberfläche Rendering-Software, wie z. B. einen 3D Slicer. Multiplizieren Sie die Lautstärke ein Voxel in nm3 , das Volumen der Probe in 3D zu erhalten.</li>
	<li>Über die Konturen finden Option quantifizieren Sie die Voxel bildet die Oberfläche der Probe, und multiplizieren Sie mit dem Voxel-Bereich in nm2 auf der Oberfläche der Probe zu erhalten.</li>
	<li>Die spezifische Oberfläche zu berechnen, indem man die Oberfläche der Probe durch die Masse der Probe. Hinweis: Die Masse der Probe kann geschätzt werden, mithilfe der theoretischen Dichte der Probe. Im Allgemeinen ist die spezifische Oberfläche berechnet, indem ET 10 weniger als die spezifische Oberfläche durch spezielle Methoden wie N2 Adsorption Desorption berechnet.</li>
	<li>Um die Porenverteilung Größe zu berechnen, verwenden Sie das binarisierten Volumen der NULL Verlust (BF-Volumen). Das binäre Volumen der BF Rekonstruktion ist erweitert mit der 3D Toolkit/Morphological 3D Plugin erweitern, bis alle Poren fallen und dann erodiert mit 3D Toolkit/Morphological Erodieren 3D beliebig oft erweitert. Dann wird das gewonnene Volumen multipliziert das invertierte Volumen des binarisierten BF-Volumens zu Poren Verteilung Volumen führen, die mit einer speziellen Oberfläche Rendering-Software visualisiert werden können.</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Dieses Papier soll beschreiben, wie man chemische 3D-Karten mit Lutetium-Tomographie zu erhalten. Dieses Protokoll ist komplett original und wurde von den Autoren entwickelt.
Lutetium-Tomographie wie hier beschrieben hat mehrere Nachteile: (i) nur Proben, die Elektronen Strahl resistent sind analysiert werden können, aufgrund der langen Belichtungszeit erforderlich für den Erhalt der gefilterte Bilder. (Ii) Lutetium-Tomographie ist empfindlich gegenüber der Beugung Kontrast. (Iii) viele der Ac...

Die Eigenschaften von Funktionsmaterialien sind ihre 3D Parametern abhängig. Um voll begreifen, ihre Eigenschaften und ihre Funktionen zu verbessern, ist es wichtig, ihre Morphologie und Chemiedistribution in 3D zu analysieren. Elektronenstrahl-Tomographie1 (ET) ist eines der besten Techniken, um diese Informationen auf der Nanometer-Skala2,3. Es besteht aus drehen die Probe über einen großen Winkelbereich und Aufnahme ein Bild bei jedem Winkel Schritt. Die erhaltenen Tilt Series wird verwendet, um das Volumen der Probe zu rekonstruieren, mithilfe von mathematischen Algorithmen basieren auf der Radon-Transformation4,5. Auswahl der Graustufen in der Band hilft, Modell Probe in 3D und 3D Parameter wie Partikel Lokalisierung6 und Größe Verteilung7zu quantifizieren, pore, Position und Größe Verteilung8, etc.
Im Allgemeinen erfolgt durch Kippen der Probe auf den maximal möglichen Winkel, vorzugsweise mehr als 70° in beide Richtungen ET mit einem Elektronenmikroskop. Bei jedem Neigungswinkel ist eine Projektion der Probe aufgezeichnet bilden eine Bilder-Tilt-Serie. Die Tilt-Serie ist ausgerichtet und verwendet, um das Volumen der Probe rekonstruieren die segmentiert und quantifiziert werden. Da die Probe von-90 ° bis + 90 ° gedreht werden kann nicht, hat das rekonstruierte Volumen eine anisotrope Auflösung entlang der orthogonalen Achsen9 aufgrund der blind Aufnahme-Winkel.
ET kann in verschiedenen bildgebenden Modi durchgeführt werden. Die Hellfeld-TEM-Modus (BF-TEM) wird verwendet, um amorphe Materialien, biologischen Proben, Polymere zu studieren, oder Katalysator unterstützt mit komplexen Formen. Die Bildanalyse basiert auf die Differenzierung der Graustufen charakterisieren die Dichte der Komponenten10 (eine dichten Komponente werden mehr dunkel als ein Feuerzeug, d. h., weniger dichten Komponente). High-Angle annular Dunkelfeld im scanning-Modus TEM (HAADF-Stamm) wird verwendet, um kristalline Proben zu analysieren. Das Signal enthält chemische Informationen in Abhängigkeit von der Ordnungszahl; eine starke Komponente der Probe erscheinen heller, leichter eine9. Andere Modi, wie Energie energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), die das Röntgenbild von der materiellen11und Energie emittiert sammelt gefiltert bildgebenden Modus (Lutetium)12,13, sind auch in der Lage beurteilen die 3D Chemiedistribution in der Probe.
In der Bildgebung Lutetium, können chemische 2D-Karten mit einem TEM mit einem Elektron Energie Spektrometer aufgezeichnet werden. Das Spektrometer wirkt als Magnet Prisma durch Dispergieren der Elektronen in Abhängigkeit von ihrer Energie. Ein Bild entsteht durch die Elektronen abhängig von der Energieverlust aus der Interaktion mit einem bestimmten Atom. Wenn die gleichen chemischen 2D-Karte auf unterschiedliche Neigungswinkel, eine Neigung, die Reihe von chemischen Projektionen vorliegt berechnet wird, kann die chemische 3D-Volumen rekonstruieren verwendet werden.
Nicht alle Materialien können durch Lutetium-Tomographie analysiert werden. Die Technik ist für Proben mit einem schwachen oder ungeordnete Materialien vorbehalten. Dennoch kann es verwendet werden, für die Analyse von leichter Elementen, die sehr schwer zu unterscheiden, wenn mit anderen bildgebenden Verfahren. Darüber hinaus muss die Dicke des Materials um zuverlässige chemische 2D-Karten zu erhalten, kleiner als die mittlere freie Weglänge der Elektronen durch die materielle14sein. Unter dieser Bedingung ist die Wahrscheinlichkeit des Habens eines einzelnen Elektrons Interaktion mit einem einzelnen Atom am größten. Zwei Methoden zur Berechnung einer chemischen 2D-Karte. Die erste und die am häufigsten verwendete ist die "drei-Fenster-Methode", wo zwei gefilterten energiefenster vor der Ionisierung Kante des Elements unter Analyse und ein Drittel nach der Ionisation Kante13aufgenommen. Die ersten beiden Bilder werden verwendet, um den Hintergrund zu schätzen, die extrapoliert wird mit einem Potenzgesetz an der Position des dritten Fenster und abgezogen. Das erhaltene Bild ist die Projektion der 3D Verteilung der analysierten chemischen Elements in das Probenvolumen. Die zweite Methode wird der "Sprung-Ratio"; Es nutzt nur zwei Energie-gefilterte Bilder vor und nach der Ionisation Kante. Diese Methode ist qualitativ, wie das endgültige Bild ergibt sich nur durch das Verhältnis zwischen diesen beiden Bildern durchführen, und nicht für Hintergrund Energie Variation berücksichtigt.
Durch die Kombination von Lutetium mit ET, erhalten Sie die analytische Tomographie der gefilterte Energie. Lutetium-Tomographie und Atom Probe Tomography (APT) sind sich ergänzende Techniken. Im Vergleich zu APT ist Lutetium-Tomographie eine zerstörungsfreie Charakterisierung-Analyse, die nicht komplexe Probenvorbereitung braucht. Es kann verwendet werden, verschiedene Charakterisierungen auf ein einzigartiges Nanopartikel durchführen. Lutetium-Tomographie kann Dämmstoffe, analysieren, während APT am allerwenigsten Laser Hilfe braucht, um sie zu messen. APT läuft auf atomarer Skala, während Lutetium-Tomographie angemessen mit einer niedrigeren Auflösung führt. Lutetium-Tomographie ist nur für Proben, die Balken Abbau während des Experiments zu widerstehen. Um die gefilterten Bilder an alle geneigten Winkel zu erfassen, kann die Probe der Elektronenstrahl 2 h lang ausgesetzt werden. Um eine maximale chemisches Signal in den 2D-Karten aufzuzeichnen, können darüber hinaus längere Exposition Laufzeiten bei Fernlicht Intensität erforderlich sein. Unter solchen Bedingungen leiden Strahl empfindlichen Proben morphologische und chemischen Veränderungen. Daher muss eine präzise Messung der Probe Empfindlichkeit zu den Elektronenstrahl vor dem Experiment hergestellt werden. Darüber hinaus ist Lutetium-Tomographie das Ergebnis der Aufnahme möglichst viele Schichtbilder wie nötig zu bestimmen die räumliche Position und die Natur der chemischen Elemente, die in der Probe. Dennoch kann Lutetium-Tomographie wichtige Informationen über die 3D Chemiedistribution für Proben, wie Katalysator unterstützt, um neue Erkenntnisse geben für die Modellierung von deren katalytische Anwendungen bereitstellen.
Heute ist es möglich, speziellen Software verwenden, der das Energie-Intervall auswählen können, Energie Fenster Bilder gefiltert und berechnen Sie die Chemikalie in verschiedene Neigungswinkel Karten. Sie ermöglichen kippen die Probe, tracking, Fokussierung und das gefilterte Bild im Lutetium Modus Aufnahme. Chemische 2D-Karten können berechnet werden, kann und dann die Tilt Series ausgerichtet werden können, die chemische Volumen mit iterative Algorithmen berechnet und schließlich die Serie segmentiert und quantifizierte15,16.

<table><tbody><tr><td>JEOL 2100f</td><td>JEOL</td><td></td><td>Elektronenmikroskop</td></tr><tr><td>Tridiem Gatan Imaging Filter (GIF)</td><td>Gatan</td><td></td><td>Post Colum Energiefilter</td></tr><tr><td>Digitale Mikroskopaufnahme</td><td>Gatan</td><td></td><td>Software</td></tr><tr><td>Gatan EFTEM Tomographie-Plugin</td><td>Gatan</td><td></td><td>Spezielle Software zur Aufzeichnung gefilterter Neigungsreihen für EFTEM tomograohy</td></tr><tr><td>Tomoj</td><td>Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td><td></td> <td>Freie Software, entwickelt vom Currie Institute in Paris, Frankreich für die Elektronentomographie</td></tr><tr><td>EFTEM-Tomoj</td><td>Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td><td></td> <td>Freie Software, entwickelt vom Currie Institute in Paris, Frankreich, für EFTEM</td></tr><tr><td>Imaging Imod</td><td>http://bio3d.colorado.edu/imod/</td><td></td><td>Freie Software, entwickelt von der University of Colorado, USA für die Elektronentomographie</td></tr><tr><td>Imagej</td><td>https://imagej.nih.gov/ij/</td><td></td> <td>Freie Software, entwickelt vom National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA für die Bildbearbeitung</td></tr><tr><td>Kanäle</td><td>zusammenführen https://imagej.net/Color_Image_Processing</td><td></td><td>Funktion in Imagej, die es ermöglicht, Volumina unterschiedliche Farben zu geben, während sie überlappt sind</td></tr><tr><td>3D Slicer</td><td>https://www.slicer.org/</td><td></td> <td>Freie Software, entwickelt von einem großen Konsortium unter der Leitung von Ron Kikinis, Harvard Medical School, Boston, MA, SUA</td></tr><tr><td>Chimera</td><td>https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td><td></td> <td>Freie Software, entwickelt von der Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics an der University of California, San Francisco, zur Datensegmentierung, Kuratifizierung und Visualisierung von 3D-Modellen</td></tr><tr><td>Siliziumdioxid-Aluminiumoxid-Unterstützung von Katalysatoren</td><td>IFPEN-Probe</td><td></td>, <td>vorbereitet für die Eleboration dieses Protokolls</td></tr><tr><td>, Titanoxid-Aluminiumoxid, Unterstützung des Katalysators</td>, <td>IFPEN-Probe</td><td></td>, <td>vorbereitet für die Eleboration dieses Protokolls</td></tr>, <tr><td>Alkohol</td><td></td><td></td><td></td></tr>, <tr><td>Wasser</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>, Au, Nanopartikel von 5 nm</td>, <td>BBI Solutions</td><td></td><td></td></tr><tr><td>, Holey-Carbn-Film, 200 mesh, Mikroskopiegitter</td>, <td>Agar</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EDX-Messgerät</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

gewinnung chemische 3d-karten von energy transmission electron microscopy tomographie gefiltert

Obtaining 3D Chemical Maps by Energy Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography

Energie, die gefilterte Übertragung Elektronenmikroskopie Tomographie (Lutetium-Tomographie) dreidimensionale (3D) chemische Materialien im Nanometer-Maßstab Karten anbieten kann. Lutetium-Tomographie kann chemische Elemente trennen, die sehr schwer zu unterscheiden, mit anderen bildgebenden Verfahren. Das hier beschriebene experimentelle Protokoll zeigt, wie Sie chemische 3D-Karten Verständnis der Chemiedistribution und Morphologie eines Materials zu erstellen. Probe Vorbereitungsschritte für Datensegmentierung werden vorgestellt. Dieses Protokoll ermöglicht die 3D Verteilungsanalyse der chemischen Elemente in einer nanometrischen Probe. Allerdings ist anzumerken, dass derzeit die chemische 3D-Karten nur für Proben können, die nicht Träger empfindlich erzeugt werden, da die Aufnahme des gefilterten Bilder lange Belichtungszeiten zu einem intensiven Elektronenstrahl erfordert. Das Protokoll wurde angewandt, um die chemische Verteilung der Komponenten von zwei verschiedenen heterogenen Katalysator unterstützt zu quantifizieren. In der ersten Studie wurde die Chemiedistribution von Aluminium und Titan im Titania-Aluminiumoxid unterstützt analysiert. Die Proben wurden mit der Schaukel-pH-Methode vorbereitet. Im zweiten Fall wurde der Chemiedistribution von Aluminium und Silizium in Silica-Alumina unterstützt, die bereit waren, mit den Sol-Pulver und mechanische Mischung Methoden untersucht.

Referenz13zeigt ein Beispiel für die Anwendung dieses Protokolls. Lutetium-Tomographie wurde verwendet für die Analyse von Titania-Aluminiumoxid-Katalysator unterstützt. Verbesserung die katalytische Aktivität der aktiven Phase der MoS2 Nanopartikel in Anwendungen wie Hydrodesulfurierung (HDS), ist es wichtig, dass Titania überlegene an der Auflagefläche, und im Kontakt mit der aktiven Phase. Es ist bekannt, dass Titania eine kleinere spezifische Oberflä...

Dieses Whitepaper beschreibt ein Protokoll zur chemischen 3D-Karten Energie gefiltert Bildgebung und Elektron Tomographie kombiniert zu erreichen. Die Chemiedistribution von zwei Katalysator unterstützt durch Elemente, die schwer zu unterscheiden von anderen bildgebenden Verfahren gebildet wurde untersucht. Jede Anwendung besteht aus mapping überlappende chemische Elemente - bzw. Abstand Ionisation Kanten.

Gewinnung chemische 3D-Karten von Energy Transmission Electron Microscopy Tomographie gefiltert

Energy filtered transmission electron microscopy tomography (EFTEM tomography) can provide three-dimensional (3D) chemical maps of materials at a ...

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, die chemischen 3D-Karten zu erhalten, zu visualisieren und zu quantifizieren, die durch energiegefilterte Elektronentomographie erhalten werden. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen in den Materialwissenschaften, der Chemie und der Katalyse zu beantworten, z. B. wie die Komponenten eines bestimmten Materials auf nanometrischer Skala gemischt werden. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie Informationen über die chemische Verteilung im Volumen und an der Oberfläche der Probe liefert.Durch die energiegefilterte Bildgebung können chemische Elemente getrennt werden, die mit anderen bildgebenden Verfahren nur sehr schwer zu unterscheiden sind. Das hier beschriebene Versuchsprotokoll zeigt die Möglichkeiten zur Erstellung chemischer 3D-Karten, versucht aber auch, Ideen zur Quantifizierung einiger chemischer 3D-Parameter zu liefern. Die chemischen 3D-Karten können nur für Proben erstellt werden, die nicht strahlempfindlich sind, da die Aufnahme von gefilterten Bildern lange Belichtungszeiten bei relativ starkem Elektronenstrahl erfordert.Zu Beginn bereiten Sie eine Probe vor, z. B. Siliziumdioxid-Aluminiumoxid oder Titanoxid-Aluminiumoxid, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben. Verwenden Sie als Nächstes ein Elektronenmikroskop, um energiegefilterte Neigungsreihen aufzuzeichnen. Diese Bilder werden verwendet, um jede chemische Karte des gesuchten chemischen Elements zu berechnen.Öffnen Sie die drei feiligen Neigungsreihen, die aus zwei Vorkantenreihen und einer Nachkantenreihe in Bild J bestehen, zur Analyse. Öffnen Sie nun das spezialisierte EFTEMTomoJ-Plugin und klicken Sie auf und dann auf Image oder Stack, um die Tilt-Serie auszuwählen. Geben Sie in der erscheinenden Tabelle die Energie ein, bei der die Neigungsreihe als Energieverschiebung aufgezeichnet wurde.Geben Sie auch die Spaltbreite und die Belichtungszeit jedes gefilterten Bildes ein. Überprüfen Sie alle drei Neigungsreihen unter Mapping und stellen Sie sicher, dass sie für die Berechnung der chemischen Karten nach dem Potenzgesetz verwendet werden. Klicken Sie dann auf Weiter.Wählen Sie das erste Bild als Referenzbild aus und klicken Sie dann auf Anwenden und dann auf Weiter. An dieser Stelle wird ein Vorschaubild der vorgeschlagenen Achse angezeigt. Vergewissern Sie sich visuell, dass die drei Bilder, die mit demselben Neigungswinkel aufgenommen wurden, gut überlagert sind und keine Verschiebung zwischen den Bildern zu erkennen ist.Dieses Protokoll wurde auf der Version 0.9 des EFTEMTomoJ-Plugins durchgeführt. In diesem Moment werden die gefilterten Bilder, die mit demselben Neigungswinkel aufgenommen wurden, ausgerichtet. Wählen Sie als nächstes das EFTEMTomoJ-Fenster aus, die Bilder, die dem Hintergrund und der chemischen Kante entsprechen.Wählen Sie dann das Modell der Signalextraktion als Leistung aus und klicken Sie auf Karte erstellen. Speichern Sie die Neigungsreihe der chemischen Karte, und wiederholen Sie diesen Vorgang für alle anderen chemischen Neigungsreihen. Um diese Drift zu quantifizieren, öffnen Sie zunächst die verlustfrei ausgerichtete Neigungsreihe.Öffnen Sie dann die Neigungsserien der Chemical Maps, gehen Sie zu Bild, Farbe und wählen Sie Kanäle zusammenführen. Wählen Sie die Datei aus, die für die rote Farbe verlustfrei ist, das erste chemische Element für grün. Deaktivieren Sie Composite erstellen, und aktivieren Sie Quellbild beibehalten.An dieser Stelle wird bei jedem Neigungswinkel ein Stapel für alle aufgenommenen Bilder erstellt. Gehen Sie als Nächstes zu Plugins und wählen Sie RGB-Pläne ausrichten. Hier ist Rot das Referenzbild.Wählen Sie Grün und überlappen Sie es mit den Pfeilen mit dem roten. Sobald Sie in Position sind, klicken Sie auf Weiter und wiederholen Sie diesen Vorgang für alle anderen Winkel. Gehen Sie zu Bild, nach unten zu Farbe, und wählen Sie Kanäle teilen, um den RGB-Stack in zwei Stacks aufzuteilen.Rot entspricht dem Nullverlust und Grün den chemischen Karten mit korrigierter Drift. Stellen Sie abschließend sicher, dass Sie die Neigungsserie speichern, wiederholen Sie dann die Aktionen für das zweite chemische Element und denken Sie daran, die Datei zu speichern. Für die chemische 3D-Kartierung setzen Sie sich wieder an einen Computer und öffnen Sie Image J.Öffnen Sie das TomoJ-Plugin, indem Sie zu Plugins gehen und TomoJ auswählen.Dadurch wird die Formulardatei für den Lastwinkel ausgewählt. Da alle Neigungsserien bereits ausgerichtet sind, navigieren Sie direkt zur Rekonstruktion und berechnen Sie die verlustfreien Volumina sowie die chemischen Volumina mit einem Rekonstruktionsalgorithmus. Es wird empfohlen, einen interaktiven Algorithmus zu verwenden, um die chemischen Volumina zu rekonstruieren.Auch mit dieser Software ist es möglich, die Volumes mit Hilfe der GPU Ihres Computers zu rekonstruieren. Nachdem alle Volumina berechnet wurden, verwenden Sie die Optionen Kanäle zusammenführen, um unterschiedliche Farben auf die erhaltenen Volumina anzuwenden und sie in einem einzigen Volumen zu überlappen, um das chemische 3D-Map zu erhalten. Folgen Sie schließlich dem begleitenden Textprotokoll für weitere Details zur 3D-Modellierung und Quantifizierung der chemischen Informationen, der Oberfläche und der Porengrößenverteilung.Mit Hilfe der EFTEM-Tomographie wurden hier drei verschiedene Proben von Titanoxid-Aluminiumoxid-Katalysatorträgern mit unterschiedlichen Komponentenverhältnissen analysiert. Es wurde festgestellt, dass Titandioxid in hohen Konzentrationen Cluster bildet, die in das Aluminiumoxid eingebettet sind. Diese Modelle zeigen die chemische Verteilung von Titanoxid und Aluminiumoxid auf der Oberfläche der Proben.Es wurde festgestellt, dass unabhängig vom Anteil von Titanoxid und Aluminiumoxid in der Probe die Oberfläche der Probe in einem Anteil von etwa 30% mit Titanoxid bedeckt ist. Aluminiumoxid hat eine hohe Spezifität gegenüber der Oberfläche und das Ziel ist es, Titanoxid durch Aluminiumoxid gestützt zu haben. Nach der Modellierung stellte sich heraus, dass die Probe, die 10% Titandioxid enthält, eine nur etwa 10 Nanometer dicke Schicht auf der Oberfläche aufweist. Diese Varianz könnte bei den katalytischen Anwendungen der Probe eine Rolle spielen.Es ist wichtig zu erwähnen, dass die energiegefilterte Elektronentomographie eine zeitaufwändige Technik ist. Wenn Sie dieses Verfahren ausprobieren, denken Sie daran, dass die energiegefilterte Bildgebung empfindlich auf den Brechungskontrast reagiert, aber auch die Dicke der Probe und ihre Beständigkeit gegen den Elektronenstrahl überprüft werden müssen. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher in der Materialwissenschaft, die morphologischen und chemischen Parameter besser mit den Eigenschaften des untersuchten Materials zu korrelieren.Wir hoffen, dass die neuen Benutzer der Elektronentomographie nach der Befolgung dieses Protokolls ein besseres Verständnis für den zu befolgenden Schritt und für die Schwierigkeiten haben, die bei der Rekonstruktion eines Volumens, der Segmentierung eines Modells und der Quantifizierung seiner Parameter auftreten.

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Research

Forschung

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Chemistry

Chemie

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