Cuantificar datos de fluorescencia de rayos x usando mapas

La fluorescencia de rayos X basada en sincrotrón es una técnica importante para observar la segregación elemental, las relaciones de estequiometría y el comportamiento de agrupamiento en muestras provenientes de múltiples campos, incluyendo la biología, la química y la ciencia de materiales. La información obtenida de estos estudios es cualitativa hasta que se utilizan procedimientos adecuados de cuantificación para convertir los recuentos brutos de fluorescencia en masas aéreas elementales. Este video demostrará cómo utilizar el programa de cuantificación creado por el Laboratorio Nacional Argonne para generar información numérica para mapas bidimensionales de fluorescencia de rayos X.

Para utilizar el programa MAPS, primero es necesario descargar el software IDL desde Internet. Actualmente, esto puede hacerse accediendo al sitio web de IDL y creando una cuenta. A continuación, seleccione Mi cuenta y luego Descargas, lo que mostrará una página con todos los programas disponibles.

Desplácese hacia abajo y seleccione la versión más reciente de IDL. A continuación, MAPS puede descargarse desde el sitio web del Laboratorio Nacional de Argonne. Después de descargar y extraer la carpeta zip, deberían haber cuatro archivos.Compound.

dat, henke. xdr, maps y xrf_library.csv. Los tres archivos distintos de maps deben copiarse y pegarse en la subcarpeta de IDL llamada lib.

Para computadoras con Windows, esto muy probablemente se encuentra dentro de Archivos de programa, en la carpeta Exelis. Generalmente es conveniente ejecutar el ajuste desde el escritorio, sin embargo, es fundamental que el nombre de la carpeta y la ruta no contengan espacios ni caracteres especiales, ya que MAPS generará un error al intentar ejecutar el ajuste. Si la ruta hacia el escritorio contiene espacios, coloque la carpeta en otra ubicación.

Por ejemplo, directamente dentro de la unidad C. Para esta demostración, colocaré la carpeta de ajuste y el icono de MAPS. sav en el escritorio para facilitar el acceso.

Dentro de esta carpeta, coloque los archivos maps_fit_parameters_override.txt y maps_settings.txt. En los documentos complementarios se proporcionan ejemplos de estos archivos.

A continuación, cree una carpeta denominada mda y pegue el archivo de mapa de alta resolución elegido que se utilizará inicialmente para el ajuste. También se agregan los archivos para el ajuste estándar y deben incluir uno o cuatro archivos, dependiendo del número de elementos del detector utilizados por el sector. Estos archivos indican el estándar.

Si se utilizó el estándar AXO, entonces el archivo debería llamarse axo_std.mca; de lo contrario, si se utilizó el estándar NIST o cualquier otro estándar, puede tener cualquier nombre que finalice en mca, ya que estos archivos se seleccionarán más adelante. Luego, para un detector de cuatro cuadrantes, los archivos de estándar y de parámetros de ajuste deben nombrarse de esta manera, con un rango de mca0 a mca3 y de txt0 a txt3, e incluyendo un archivo de fit_parameters que finalice en txt.

A continuación, verifique en el archivo de configuración de mapas que esté utilizando el número correcto de elementos del detector. En el caso de este ajuste, se utilizó un elemento del detector. Con la carpeta de ajuste preparada, abra MAPS y cambie el directorio a la carpeta recién creada en el escritorio.

Luego haga clic en aceptar e ir a configuración. La ventana de configuración tiene una variedad de funciones que establecen los parámetros para el ajuste. En primer lugar, seleccione la línea de haz que sea representativa de la línea de haz utilizada para las mediciones.

Si las mediciones se realizaron en el Laboratorio Nacional Argonne, entonces la línea de haz debe corresponderse directamente. De lo contrario, se incluye información adicional en el manuscrito sobre qué selección utilizar. A continuación, seleccione el archivo mda que se usará y escriba la energía incidente utilizada para la medición.

Seleccione iniciar procesamiento y espere hasta que el programa finalice. Una vez completado, vaya a archivo y luego seleccione la primera opción. Abra la imagen de XRF promedio o de elemento individual.

El programa debería haber creado una serie de carpetas nuevas, así que seleccione la carpeta img, donde deberían encontrarse los archivos fit o los archivos h5 generados. Seleccione el archivo correspondiente al mapa y luego cambie el segundo menú desplegable desde la izquierda para que sea la normalización. En este caso, los datos se normalizan respecto a la cámara de iones aguas arriba o USIC.

Al seleccionar la vista, la vista de múltiples elementos generará imágenes para los canales de elementos individuales. Las unidades ahora están en microgramos por centímetro cuadrado. Pero los valores aún no son representativos de las cantidades ajustadas.

Para trabajar en el ajuste, en lugar de ello los datos se consideran como la suma de todos los espectros provenientes de cada píxel del mapa, lo cual puede visualizarse yendo a Ver, trazar espectro integral. A continuación, vaya a Generar salida, exportar serie de espectros integrados en formato largo para guardar la imagen. Cierre la ventana y vaya a Herramientas, herramienta de espectro, cargar espectro.

Localice el archivo que acaba de exportarse a la carpeta de salida. En general, ordenar la carpeta de salida por fecha de modificación es la forma más rápida de encontrar los archivos, ya que cada nuevo ajuste actualiza los archivos dentro de la carpeta. El espectro exportado tendrá el nombre intspec seguido de la línea de haz y el número de escaneo, y luego la extensión txt.

Una vez que se abra el espectro, abra el archivo maps_fit_parameters_override. Primero, verifique que el número de elementos del detector sea correcto. A continuación, en la línea de elementos a ajustar, incluya todos los elementos que se espera que estén en la muestra.

Observe que los elementos de línea L y los elementos de línea M incluyen el sufijo _L o _M, respectivamente. Aquí se sabe que el cobre está presente en la muestra, pero se excluirá para proporcionar un ejemplo de un ajuste incompleto. Al desplazarse hacia abajo, ingrese la energía incidente para la energía de dispersión coherente.

Luego, en las dos líneas siguientes, ingrese un rango de energía máximo y mínimo que el programa utilizará como límites. Por lo general, un rango de más y menos 2 a más y menos 5 keV es suficiente. Más abajo, verifique que la energía máxima y mínima para el ajuste incluya las energías de los elementos de interés.

Además, verifique que el elemento del detector de líneas tenga el número correcto correspondiente al detector de germanio o silicio. En la parte inferior del archivo, existe la posibilidad de cambiar los nombres de los canales del detector que se utilizan en el ajuste. Se describe con mayor detalle en el manuscrito cómo realizar estos cambios.

Después de realizar los cambios, guarde el documento. A continuación, seleccione análisis, ajustar espectro, y aparecerá una ventana. En la parte superior, se puede establecer el rango de energía para el ajuste, así como el número de iteraciones utilizadas para el ajuste.

Después de cambiar el rango, seleccione el tercer botón de los cuatro situados en la parte inferior y el programa ejecutará un ajuste. Desde la ventana de la herramienta de espectro, hay una serie de menús desplegables que permiten la visualización de diferentes curvas. En los menús desplegables, configure uno en "ajustado" y las demás selecciones en "ninguna".

En la parte inferior izquierda, seleccionar agregar elemento permite al usuario buscar en el espectro picos faltantes. Al usar el signo más y hacer clic a través de él, parece que el pico que falta en el ajuste es el pico de cobre K alpha. Para ciertos picos, particularmente hacia la izquierda de la imagen, el ajuste parece incluir los elementos correctos, pero las líneas aún están muy alejadas en intensidad respecto a la intensidad del espectro.

Esto puede mejorarse aumentando el número de iteraciones. Por lo general, al menos 50 son suficientes para observar una diferencia notable. Ahora, al regresar al archivo fit_parameters, se añade cobre, se guarda el archivo y luego se vuelve a ejecutar el ajuste, lo que muestra que el pico ahora se ajusta adecuadamente.

Después de buscar todos los elementos faltantes restantes, el ajuste parece adecuado. En algunos casos, aún hay algunos picos cuyas líneas no coinciden perfectamente. Por ejemplo, los dos picos en cuatro keV, que corresponden a las líneas de indio Lg1 a Lg4, parecen tener el elemento correcto ajustado, pero el ajuste está asignando intensidades más altas a los picos de las que se obtuvieron realmente en la medición.

Esta situación ocurre con mayor frecuencia en los elementos de la serie L. Mientras que para los elementos de la serie K existen relaciones de intensidad pico tabuladas en la literatura, las relaciones de alturas pico para las líneas L dependen mucho más de la energía incidente. Para mejorar el ajuste de estas líneas, primero debe crearse una línea en el archivo fit_parameters para el ajuste de la familia de ramificación.

Estos números indican las intensidades relativas en comparación con la bibliografía para las familias L1, L2 y L3, que se muestran como líneas amarilla, rosa y azul en la herramienta de espectro. A menudo, estos números pueden mantenerse como unos o iguales a los valores de la bibliografía. En cambio, se modificará la relación de cada línea individual.

Antes del ajuste de la relación de ramificación para el indio, obsérvese que las relaciones de ramificación para las líneas L gamma están todas establecidas en uno. Al examinar el espectro integral, es evidente que el valor de la literatura es demasiado alto. Tras estimar el porcentaje de diferencia entre las líneas verdes y blancas para cada energía, se modifica la relación de ramificación, se guarda y se vuelve a ejecutar el ajuste, lo que produce una mejora observable en el ajuste de la línea verde respecto a la línea del espectro blanco.

A menudo este proceso requerirá varios intentos, pero es necesario garantizar la precisión del ajuste. Después de identificar los parámetros_de_ajuste que producen el mejor ajuste posible, realice el ajuste una vez más con 10 o 50 K iteraciones. Esto se hace porque cada ajuste actualiza el archivo promedio de mapas_parámetros_de_ajuste_sobrescritos, que será el archivo que se implemente realmente para el ajuste.

Una vez finalizado el ajuste, cierre la ventana de la herramienta de espectroscopía. Luego agregue _input al archivo maps_fit_parameters y renombre el archivo promedio resultante como maps_fit_parameters_override.txt. Al completar esto, regrese a la ventana de configuración y seleccione la línea de haz.

Luego, marque la opción de uso adecuado y copie y pegue todos los archivos mda que se ajustarán en la carpeta mda. Usando los archivos mda seleccionados, revise y resalte todos los archivos que se ajustarán. La energía incidente ya habrá sido ingresada a partir del proceso de ajuste.

A la derecha de la ventana, utilizando los símbolos de más y menos, haga clic para avanzar y marque las casillas de los elementos que están incluidos en el archivo fit_parameters. Algunos elementos no están incluidos en esta casilla. Por ejemplo, el indio no lo está.

Para incluir el indio, marque una casilla para cualquiera de los otros elementos que no se estén ajustando. Luego, en la categoría de nombre de ROI, cambie el nombre al del elemento necesario. A continuación, utilizando cualquier base de datos de fluorescencia, por ejemplo la aplicación Hephaestus, busque la energía de la línea de energía principal.

En este caso, el indio L alfa uno. Continúe desplazándose por los elementos hasta el final, seleccionando también S_I, S_E, S_A, TFY y el fondo. En la parte superior izquierda, seleccione la opción de configuración para guardar el archivo de configuración y así almacenar los ajustes de ajuste para su uso futuro.

En este momento, si se va a utilizar el estándar NIST para el ajuste, seleccione el botón correspondiente al número del estándar NIST, ya sea NBS 1832 o 1833. Luego, seleccione el nombre del archivo del estándar desde la carpeta principal. Después de esto, el ajuste está listo.

Por lo tanto, seleccione iniciar procesamiento para comenzar. Una vez que las calibraciones estén completas, se pueden visualizar como antes yendo a archivo, abrir imagen de XRF, promedio o elemento individual. Y luego a visualización, vista de múltiples elementos.

Mediante los detectores de elementos seleccionados en la parte inferior derecha, es posible cambiar los canales que se analizan. A partir de esto, se muestran valores numéricos en microgramos por centímetro cuadrado del orden de lo esperado para la muestra. El cálculo utilizado para estimar los valores previstos se describe en el manuscrito.

Por ejemplo, aquí se muestran los datos cuantificados para los elementos mayoritarios de una celda solar sig, cobre, indio y galio. Debido a la energía incidente utilizada, la medición no fue sensible ni capaz de detectar el pico de selenio. Por lo tanto, ha sido excluido.

A partir de estos datos, ahora es posible relacionar la distribución de diversos elementos dentro de la muestra entre sí, extrayendo conclusiones sobre cómo se distribuyen los distintos cationes de una celda solar sig dentro de un dispositivo y el grado de heterogeneidad que presentan. El espectro ajustado para cada uno de los mapas de ajuste también puede visualizarse nuevamente yendo a visualización, espectro integral del gráfico. Aquí se debería poder observar el espectro de los datos en blanco y el ajuste en color.

Esto puede utilizarse para verificar el ajuste de todos los archivos de datos solo para asegurarse de que el proceso se aplicó correctamente a cada mapa. Finalmente, para exportar los datos, vaya a generar salida y seleccione exportar, cree archivos ASCII combinados de mapas. Esto creará un archivo de Excel que contiene los datos de fluorescencia cuantificados para todos los elementos que se muestran.

Para cambiar o agregar elementos, utilice la opción seleccionar detectores de elementos. Los datos luego se pueden encontrar en la carpeta de salida. Este video ha explicado paso a paso cómo utilizar el software de ajuste MAPS creado por el Argonne National Laboratory para la cuantificación de datos de fluorescencia de rayos X.

Aunque el procedimiento es muy útil para una variedad de situaciones, existen muchos escenarios de casos especiales y desafíos que requieren consideración adicional. Estos se describen con mayor detalle a continuación, y se están realizando mejoras continuas para avanzar aún más en la precisión del ajuste de espectros de fluorescencia de rayos X. Sin embargo, la capacidad del programa para transformar mapas de fluorescencia 2D cualitativos y de alta resolución en cantidades elementales cuantitativas con resolución espacial proporciona un aumento significativo en la información obtenible a partir de estas mediciones.

Esperamos que esta demostración haya sido útil para comprender mejor el proceso de cuantificación de datos de microscopía de fluorescencia de rayos X. Gracias por ver.