La tomografía de rayos X de energía dispersiva de 3D Mapping elemental de nanopartículas individuales

El objetivo general de este experimento es investigar la distribución de elementos dentro de las nanopartículas de plata-oro que se sintetizan mediante la reacción de reemplazo galvánico. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la catálisis, como por qué ciertas composiciones de nanopartículas muestran un rendimiento catalítico mejorado. La principal ventaja de esta técnica es la capacidad de sondear la distribución de los elementos a escala nanométrica.

Esto permite una resolución increíblemente alta en tres dimensiones. Aunque el método se ha utilizado aquí para estudiar nanopartículas metálicas, también se puede utilizar para estudiar otros materiales en la escala de longitud nanométrica, como los puntos cuánticos semiconductores, donde puede ayudarnos a comprender sus propiedades ópticas y su rendimiento dentro de las células. Para comenzar la síntesis de nanopartículas, disuelva cinco gramos de PVP en 37,5 mililitros de etilenglicol a temperatura ambiente.

Luego agregue 200 miligramos de nitrato de plata a esta solución. Revuelva la solución hasta que el nitrato de plata se disuelva por completo y luego caliente la solución a una tasa constante de un grado Celsius por minuto en una placa calefactora a una temperatura de 100 grados Celsius. Deje que la reacción continúe a 100 grados centígrados durante la próxima hora y media.

A continuación, añade 87,5 mililitros de agua destilada y vuelve a enfriar la solución a temperatura ambiente. Luego centrifugue la solución a 8000 veces G. Retire el sobrenadante y vuelva a dispersar las nanopartículas de plata en 50 mililitros de agua destilada. En un matraz nuevo de fondo redondo, disuelva 50 miligramos de PVP en 50 mililitros de etilenglicol a temperatura ambiente.

Agregue 2,78 mililitros de la suspensión de nanopartículas de plata y caliente el matraz a 100 grados centígrados durante 10 minutos. A continuación, prepare 100 mililitros de 0,2 o tetraclorourato de hidrógeno trihidrato. Agregue 10, 20, 30 o 40 mililitros de alícuotas de la solución gota a gota a preparaciones separadas de la solución de nanopartículas de plata para obtener nanopartículas de oro y plata en proporciones variables.

Deje enfriar a temperatura ambiente y lave con agua destilada tres veces. Pipetee aproximadamente 0,02 mililitros de la solución de nanopartículas directamente sobre una rejilla TEM de carbono. Si es posible, use rejillas TEM de berilio para limitar los rayos X espurios y un tamaño de malla grande para minimizar el sombreado de la rejilla.

Después de que la solución de nanopartículas se seque, limpie las rejillas TEM pipeteando de 10 a 20 gotas de metanol al 100 % o etanol sobre la rejilla TEM mientras sostiene la rejilla con pinzas cruzadas anticapilares. Retire suavemente el exceso de líquido después de cada gota con papel de filtro. Por último, recocer la rejilla a 80 grados centígrados al vacío para eliminar o inmovilizar cualquier resto de contaminación.

Cargue la rejilla recubierta de nanopartículas en un soporte de tomografía y, a continuación, insértela en el TEM. Cuando el vacío del microscopio alcance un valor estable adecuado, abra las válvulas de columna y asegúrese de que el haz de electrones se pueda observar en la pantalla. En el modo TEM de escaneo, asegúrese de que la difracción esté seleccionada, luego vaya a la pestaña Buscar e incline la etapa entre más o menos 15 grados presionando el botón Alpha Wobbler.

Minimice cualquier movimiento en la muestra ajustando la altura Z a la altura eucéntrica. Ahora mueva la muestra de modo que el haz quede sobre un agujero de la muestra. Asegúrese de que la apertura del condensador adecuada esté alineada correctamente centrando la sombra de la apertura en una imagen subenfocada de la sonda.

Bambolee la intensidad para asegurarse de que la sonda enfocada no se mueva para verificar la desalineación de la cola del haz. A continuación, trace el contorno del cuadrado de la cuadrícula seleccionando mostrar pistas en la pestaña Buscar y siguiendo el contorno del cuadrado de la cuadrícula mientras toma la imagen. Encuentra una partícula representativa dentro de la parte central del cuadrado de la cuadrícula.

Incline la muestra hasta el rango de inclinación máxima del soporte mientras toma la imagen para asegurarse de que la nanopartícula no quede oscurecida por las barras de la rejilla con inclinaciones grandes del soporte. Adquiera imágenes de espectro de rayos X de ángulo alto, angular, campo oscuro y dispersión de energía a un tiempo de adquisición constante de cinco minutos en toda la gama de ángulos de inclinación utilizando incrementos angulares de entre cinco y 10 grados. En primer lugar, adquiera una imagen general de campo oscuro angular de ángulo alto haciendo clic en Adquirir en el panel Imagen.

A continuación, seleccione una ventana de mapeo alrededor de la nanopartícula arrastrando el cuadro sobre esta imagen y pulsando Adquirir. A continuación, extraiga los recuentos de rayos X característicos abriendo primero los cubos de datos espectrales como archivos RAW. A continuación, sume la intensidad de los segmentos del cubo de datos que corresponden a los canales de energía de los picos de interés mediante las funciones Segmento 2D y Suma.

Adquiera imágenes de espectro de rayos X de dispersión de energía de la misma manera que en el paso anterior, pero utilizando los intervalos de tiempo determinados a partir de los datos sobre el tiempo de adquisición de la constante. Importe las imágenes TIFF de campo oscuro angular de ángulo alto como una secuencia de imágenes. Utilícelos para compilar una serie de inclinación de imágenes de campo oscuro angular de ángulo alto en el formato de archivo MRC utilizando el escritor MRC en el software de visualización de imágenes.

A continuación, correlacione las imágenes de campo oscuro angular de ángulo alto para obtener una alineación aproximada de la serie de inclinación. Guarde los datos de alineación como un archivo SFT o como el archivo XCORR.TXT. A continuación, pulse Continuar en la ventana Calcular cambios de alineación para realizar la correlación cruzada de toda la serie de inclinación.

Repita la alineación hasta que los desplazamientos locales estén por debajo de un píxel, asegurándose de guardar todos los archivos de desplazamiento en cada paso como texto. A continuación, cargue los cubos de datos espectrales adquiridos y utilice las funciones de secuencias de comandos Slice 3D y Sum para extraer mapas que sean las porciones sumadas de los canales de energía correspondientes a los elementos de interés. En el software de reconstrucción de tomografía, vaya a la pestaña Aplicar alineación y seleccione Usar cambios de la vista de datos de alineación para aplicar las alineaciones de campo oscuro angular de ángulo alto a los mapas elementales de rayos X de dispersión de energía extraída.

Si es necesario, realice un ajuste del eje de inclinación en la serie de imágenes de campo oscuro angular de ángulo alto y marque la tarea Usar correcciones del ajuste del eje de inclinación en la pestaña Aplicar alineación, para aplicar el ajuste tanto a las imágenes de campo oscuro como a los mapas de rayos X. A continuación, utilice un algoritmo de reconstrucción iterativa simultánea implementado dentro del paquete de software de tomografía para reconstruir el conjunto de datos tomográficos para cada una de las señales elementales de rayos X dispersivas de energía extraídas. En el software de visualización de imágenes, seleccione Imagen, vaya a Pilas y seleccione Vistas ortogonales para extraer las rebanadas ortogonales de las reconstrucciones elementales separadas.

Construya y visualice más cortes de ortofotos, volumen y representaciones de superficie a partir de las reconstrucciones, utilizando el software de visualización. Para asegurarse de que la escala está configurada correctamente, cargue todas las reconstrucciones elementales y compruébelas, ya que la escala a menudo no se transfiere bien desde los archivos REC. A continuación, seleccione el objeto de reconstrucción en el grupo de objetos, haga clic con el botón derecho y seleccione el módulo Ortho Slice para extraer un ortho slice.

Haga clic con el botón derecho en la reconstrucción y seleccione Representación de volumen para extraer una representación de volumen. Por último, extraiga una isosuperficie haciendo clic con el botón derecho del ratón en la reconstrucción y seleccionando Isosuperficie. El mapeo elemental tridimensional realizado mediante tomografía de rayos X de dispersión de energía reveló una segregación superficial de oro claro dentro de las nanopartículas de plata-oro de bajo contenido de oro sintetizadas por la reacción galvánica.

Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de oro, esta segregación de la superficie cambia, de modo que para el mayor contenido de oro, había una clara segregación de la superficie de plata. Esta técnica ha demostrado la capacidad de caracterizar la composición de la superficie de una nanopartícula individual. Las técnicas complementarias, como la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, pueden proporcionar información sobre la población de nanopartículas del conjunto.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo usar la tomografía de rayos X de dispersión de energía para obtener imágenes químicas tridimensionales de nanopartículas.