Tomographie à dispersion d'énergie de rayons X pour la 3D élémentaire Cartographie des nanoparticules individuelles

L’objectif général de cette expérience est d’étudier la distribution des éléments dans les nanoparticules d’argent-or qui sont synthétisés par la réaction de remplacement galvanique. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la catalyse, telles que pourquoi certaines compositions de nanoparticules présentent des performances catalytiques améliorées. Le principal avantage de cette technique est la possibilité de sonder la distribution des éléments à l’échelle nanométrique.

Cela permet une résolution incroyablement élevée en trois dimensions. Bien que la méthode ait été utilisée ici pour étudier les nanoparticules métalliques, elle peut également être utilisée pour étudier d’autres matériaux à l’échelle nanométrique, tels que les points quantiques semi-conducteurs, où elle peut nous aider à comprendre leurs propriétés optiques et leurs performances à l’intérieur des cellules. Pour commencer la synthèse de nanoparticules, dissolvez cinq grammes de PVP dans 37,5 millilitres d’éthylène glycol à température ambiante.

Ajoutez ensuite 200 milligrammes de nitrate d’argent à cette solution. Remuez la solution jusqu’à ce que le nitrate d’argent soit complètement dissous, puis chauffez la solution à un taux constant d’un degré Celsius par minute sur une plaque chauffante à une température de 100 degrés Celsius. Laissez la réaction se dérouler à 100 degrés Celsius pendant la prochaine heure et demie.

Ensuite, ajoutez 87,5 millilitres d’eau distillée et refroidissez la solution à température ambiante. Ensuite, centrifugez la solution à 8000 fois G. Retirez le surnageant et redispersez les nanoparticules d’argent dans 50 millilitres d’eau distillée. Dans une nouvelle fiole à fond rond, dissoudre 50 milligrammes de PVP dans 50 millilitres d’éthylène glycol à température ambiante.

Ajoutez 2,78 millilitres de suspension de nanoparticules d’argent et chauffez le ballon à 100 degrés Celsius pendant 10 minutes. Ensuite, préparez 100 millilitres de 0,2 ou de tétrachloroaurate d’hydrogène trihydraté. Ajoutez 10, 20, 30 ou 40 millilitres d’aliquotes de la solution goutte à goutte pour séparer les préparations de la solution de nanoparticules d’argent afin d’obtenir des nanoparticules d’or-argent dans des proportions variables.

Laisser refroidir à température ambiante et laver à l’eau distillée trois fois. Pipetez environ 0,02 millilitre de la solution de nanoparticules directement sur une grille TEM en carbone. Si possible, utilisez des grilles TEM en béryllium pour limiter les rayons X parasites, et une grande taille de maille pour minimiser l’ombrage de la grille.

Une fois que la solution de nanoparticules a séché, nettoyez les grilles TEM en pipetant 10 à 20 gouttes de méthanol à 100 %, ou éthanol, sur la grille TEM tout en tenant la grille avec une pince à épiler anti-capillaire. Retirez délicatement l’excès de liquide après chaque goutte à l’aide de papier filtre. Enfin, recuit la grille à 80 degrés Celsius sous vide pour éliminer ou immobiliser toute contamination restante.

Chargez la grille recouverte de nanoparticules dans un support de tomographie, puis insérez-la dans le MET. Lorsque le vide du microscope atteint une valeur stable appropriée, ouvrez les vannes de la colonne et assurez-vous que le faisceau d’électrons peut être observé à l’écran. En mode TEM de balayage, assurez-vous que la diffraction est sélectionnée, puis allez dans l’onglet Recherche et inclinez la platine entre plus ou moins 15 degrés en appuyant sur le bouton Alpha Wobbler.

Minimisez tout mouvement dans l’échantillon en ajustant la hauteur Z à la hauteur eucentrique. Déplacez maintenant l’échantillon de manière à ce que le faisceau se trouve au-dessus d’un trou dans l’échantillon. Assurez-vous que l’ouverture appropriée du condenseur est correctement alignée en centrant l’ombre de l’ouverture dans une image sous-focalisée de la sonde.

Oscillez l’intensité pour vous assurer que la sonde focalisée ne bouge pas afin de vérifier s’il n’y a pas de désalignement de la queue du faisceau. Tracez ensuite le contour du carré de la grille en sélectionnant Afficher les pistes dans l’onglet Rechercher et en suivant le contour du carré de la grille pendant l’imagerie. Trouvez une particule représentative dans la partie centrale du carré de la grille.

Inclinez l’échantillon à la plage d’inclinaison maximale du support pendant l’imagerie pour vous assurer que la nanoparticule n’est pas obscurcie par les barres de la grille lors de grandes inclinaisons du support. Acquérez des images à angle élevé, à champ noir angulaire et du spectre des rayons X à dispersion d’énergie à un temps d’acquisition constant de cinq minutes sur toute la gamme d’angles d’inclinaison en utilisant des incréments angulaires compris entre cinq et 10 degrés. Tout d’abord, acquérez une image de vue d’ensemble en champ sombre angulaire à angle élevé en cliquant sur Acquérir dans la fenêtre Imagerie.

Sélectionnez ensuite une fenêtre de cartographie autour de la nanoparticule en faisant glisser la boîte sur cette image et en appuyant sur Acquérir. Ensuite, extrayez le nombre caractéristique de rayons X en ouvrant d’abord les cubes de données spectrales sous forme de fichiers RAW. Additionnez ensuite l’intensité des tranches de cube de données qui correspondent aux canaux d’énergie des pics d’intérêt à l’aide des fonctions Tranche 2D et Somme.

Acquérir des images du spectre des rayons X à dispersion d’énergie de la même manière que à l’étape précédente, mais en utilisant les intervalles de temps déterminés à partir des données sur le temps d’acquisition de la constante. Importez les images TIFF à angle élevé et angulaires à fond sombre en tant que séquence d’images. Utilisez-les pour compiler une série d’inclinaisons d’images de champ sombre angulaires à angle élevé dans le format de fichier MRC à l’aide de l’enregistreur MRC dans le logiciel de visualisation d’images.

Ensuite, corrélez les images de champ noir angulaire à angle élevé pour obtenir un alignement approximatif de la série d’inclinaison. Enregistrez les données d’alignement sous forme de fichier SFT ou de fichier XCORR.TXT. Ensuite, appuyez sur Continuer dans la fenêtre Calculer les décalages d’alignement pour effectuer une corrélation croisée pour l’ensemble de la série d’inclinaisons.

Répétez l’alignement jusqu’à ce que les décalages locaux soient inférieurs à un pixel, en veillant à enregistrer tous les fichiers de décalage à chaque étape sous forme de texte. Ensuite, chargez les cubes de données spectrales acquis et utilisez les fonctions de script Slice 3D et Sum afin d’extraire des cartes qui sont les tranches additionnées de canaux d’énergie correspondant aux éléments d’intérêt. Dans le logiciel de reconstruction de tomographie, allez dans l’onglet Appliquer l’alignement et sélectionnez Utiliser les décalages de la vue des données d’alignement pour appliquer les alignements de champ sombre angulaire à angle élevé aux cartes élémentaires de rayons X à dispersion d’énergie extraite.

Si nécessaire, effectuez un réglage de l’axe d’inclinaison sur la série d’images de fond noir angulaire à angle élevé et cochez la tâche Utiliser les corrections de l’ajustement de l’axe d’inclinaison dans l’onglet Appliquer l’alignement, afin d’appliquer l’ajustement à la fois aux images de fond noir et aux cartes radiographiques. Ensuite, utilisez un algorithme de reconstruction itératif simultané implémenté dans le progiciel de tomographie pour reconstruire l’ensemble des données tomographiques pour chacun des signaux élémentaires de rayons X à dispersion d’énergie extraits. Dans le logiciel de visualisation d’images, sélectionnez Image, allez dans Piles et sélectionnez Vues orthogonales pour extraire les tranches orthogonales des reconstructions élémentaires séparées.

Construisez et visualisez d’autres ortho-coupes, volumes et rendus de surface à partir des reconstructions, à l’aide du logiciel de visualisation. Pour vous assurer que l’échelle est correctement réglée, chargez toutes les reconstructions élémentaires et vérifiez-les, car l’échelle n’est souvent pas bien transférée à partir des fichiers REC. Ensuite, sélectionnez l’objet de reconstruction dans le pool d’objets et cliquez avec le bouton droit de la souris, puis sélectionnez le module Ortho Slice pour extraire une orthotranche.

Faites un clic droit sur la reconstruction et sélectionnez Rendu de volume pour extraire un rendu de volume. Enfin, extrayez une isosurface en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la reconstruction et en sélectionnant Isosurface. La cartographie élémentaire tridimensionnelle réalisée à l’aide de la tomographie à rayons X à dispersion d’énergie a révélé une ségrégation de surface de l’or clair dans les nanoparticules d’argent et d’or à faible teneur en or synthétisées par la réaction galvanique.

Cependant, à mesure que la teneur en or augmente, cette ségrégation de surface change, de sorte que pour la teneur en or la plus élevée, il y avait une ségrégation de surface claire de l’argent. Cette technique a démontré sa capacité à caractériser la composition de surface d’une nanoparticule individuelle. Des techniques complémentaires, telles que la spectroscopie photo-électronique à rayons X, peuvent fournir des informations sur la population de nanoparticules dans son ensemble.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’utiliser la tomographie à rayons X à dispersion d’énergie pour obtenir des images chimiques tridimensionnelles de nanoparticules.