Name: Obtention des cartes 3D et chimiques par énergie filtré tomographie de microscopie électronique à Transmission (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-09T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 15 s
Description: Découvrez la tomographie électronique à énergie filtrée pour cartographier la distribution chimique 3D à l'échelle nanométrique. Cette méthode permet de distinguer des éléments chimiques difficiles à séparer et de quantifier leur répartition dans les matériaux.

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Le but de cet article est de décrire comment se procurer des cartes 3D chimiques en utilisant la tomographie EFTEM. Ce protocole est tout à fait original et a été développé par les auteurs.
Tomographie EFTEM tel que décrit ici a plusieurs inconvénients : échantillons de (i) seulement électron faisceau résistante peuvent être analysées, en raison du long temps de pose nécessaire à l’obtention des images filtrées. (ii) EFTEM la tomographie est sensible aux contrastes diffraction. (iii) un grand ...

Les propriétés de matériaux fonctionnels dépendent de leurs paramètres 3D. Pour bien comprendre leurs propriétés et améliorer leurs fonctions, il est important d’analyser leur morphologie et la distribution de produits chimiques en 3D. Electron tomography1 (HE) est l’une des meilleures techniques de fournir cette information à l’échelle nanométrique2,3. Il se compose de rotation de l’échantillon sur une grande plage angulaire et enregistrement d’une image à chaque étape angulaire. La série tilt obtenu est utilisée pour reconstruire le volume de l’échantillon en utilisant des algorithmes mathématiques basées sur la transformation de Radon4,5. Sélection de niveaux de gris dans le volume permet de modéliser l’échantillon en 3D et quantifier les paramètres 3D comme particule localisation6 et taille distribution7, pore position et taille distribution8, etc.
En général, ET est réalisée avec un microscope électronique en inclinant l’échantillon à l’angle maximal possible, de préférence plus de 70° dans les deux sens. Chaque angle d’inclinaison, une projection de l’échantillon est enregistrée en formant une série d’inclinaison des images. Cette série d’inclinaison est alignée et utilisée pour reconstruire le volume de l’échantillon qui sera segmenté et quantifiée. Parce que l’échantillon ne peut être tourné de 90 ° à + 90 °, le volume reconstruit a une résolution anisotrope le long de l' axe orthogonal9 en raison de l’angle de prise aveugle.
ET peut être effectuée dans les différents modes d’imagerie. Le mode TEM de champ lumineux (BF-TEM) est utilisé pour étudier les matériaux amorphes, les échantillons biologiques, les polymères ou catalyseur prend en charge avec des formes complexes. L’analyse d’image est basée sur la différenciation des niveaux de gris qui caractérisent la densité des composants10 (un composant dense sera plus sombre qu’un briquet, c'est-à-dire, moins dense composant). High angle rasant annulaire en mode TEM (HAADF-STEM) balayage sert à analyser des échantillons cristallins. Le signal fournit information chimique en fonction du nombre atomique ; une composante forte de l’échantillon paraîtra plus lumineuse qu’un briquet un9. Autres modes, tels que la spectroscopie x Dispersive en énergie (EDX), qui recueille les rayons x émis par la matière11et l’énergie filtré d’imagerie mode (EFTEM)12,13, sont également capables d’évaluer la distribution de produits chimiques 3D au sein de l’échantillon.
En imagerie EFTEM, les cartes 2D chimiques peuvent être enregistrées à l’aide d’un TEM avec un spectromètre à électrons énergétiques. Le spectromètre agit comme un prisme magnétique en dispersant les électrons en fonction de leur énergie. Une image est créée par les électrons selon l’énergie perdue d’interagir avec un atome spécifique. Si la même carte chimique 2D est calculée à des angles d’inclinaison différente, une inclinaison de la série de projections chimiques est obtenue, qui peut servir à reconstruire le volume 3D chimique.
Pas tous les matériaux peuvent être analysés par tomographie EFTEM. La technique est réservée aux échantillons avec des matériaux de faibles ou de troubles. Néanmoins, il peut être utilisé pour analyser des éléments légers qui sont très difficiles à différencier en utilisant d’autres techniques d’imagerie. En outre, pour obtenir des cartes chimiques 2D fiables, l’épaisseur du matériau doit être moins que le libre parcours moyen des électrons à travers la matière14. Dans ces conditions, la probabilité d’avoir un seul électron interagit avec un seul atome est le plus élevée. Deux méthodes sont utilisées pour calculer une carte chimique 2D. Le premier et le plus utilisé est la « méthode des trois-windows », où deux fenêtres énergie filtrées sont enregistrées avant le bord de l’ionisation de l’élément sous analyse et un troisième après l’ionisation bord13. Les deux premières images sont utilisées pour estimer l’arrière-plan, ce qui est extrapolé en utilisant une loi de puissance à la position de la troisième fenêtre et soustraite d’elle. L’image obtenue est la projection de la distribution 3D d’un élément chimique dans le volume de l’échantillon analysé. La deuxième méthode est appelée le « saut-ratio » ; Il utilise seulement deux images énergie filtré, un avant et un après le bord de l’ionisation. Cette méthode est qualitative, que l’image finale est calculée uniquement en effectuant le rapport entre ces deux images et ne tient pas compte de la variation d’énergie de fond.
En combinant EFTEM avec ET, la tomographie analytique de l’énergie filtré peut être obtenue. Tomographie par EFTEM et atom sonde tomographie (APT) sont des techniques complémentaires. Par rapport à APT, la tomographie EFTEM est une analyse de caractérisation non destructive ne nécessitant pas de préparation des échantillons complexes. Il peut être utilisé pour effectuer diverses caractérisations sur une NANOPARTICULE unique. Tomographie EFTEM permet d’analyser les matériaux isolants, tandis que l’APT a besoin à l’aide de laser tout le moins, de les mesurer. APT fonctionne à l’échelle atomique, tandis que la tomographie EFTEM effectue correctement avec une résolution inférieure. EFTEM la tomographie est pertinente uniquement pour les échantillons qui résistent à la dégradation de la poutre pendant l’expérience. Pour enregistrer toutes les images filtrées selon tous les angles inclinées, l’échantillon peut être exposé pour le faisceau d’électrons pour aussi longtemps que 2 h. En outre, pour enregistrer un signal chimique maximal dans les cartes 2D, les durées d’exposition plus longues à faisceau de haute intensité peuvent être nécessaires. Dans de telles conditions, les échantillons sensibles de faisceau subissent des changements morphologiques et chimiques. Par conséquent, un mesurage précis de la sensibilité de l’échantillon pour le faisceau d’électrons doit être établi avant l’expérience. En outre, la tomographie EFTEM est le résultat de l’enregistrement des tomographies autant que nécessaire pour déterminer l’emplacement dans l’espace et la nature des éléments chimiques présents dans l’échantillon. Néanmoins, la tomographie EFTEM peut fournir des informations importantes concernant la distribution de produits chimiques 3D pour les échantillons, tels que les supports de catalyseurs, de donner de nouvelles perspectives pour la modélisation de leurs applications catalytiques.
Aujourd'hui, il est possible d’utiliser un logiciel dédié qui peut choisir l’intervalle de l’énergie, enregistrement filtré images fenêtre énergie et calculer le produit chimique correspond à des angles d’inclinaison différentes. Ils permettent l’inclinaison de l’échantillon, suivi, en se concentrant et en enregistrant l’image filtrée en mode EFTEM. Les cartes chimiques 2D peuvent être calculées et puis la série d’inclinaison peut être alignée, le volume de produits chimique calculé à l’aide des algorithmes itératifs, et enfin la série peut être segmentée et quantifiés15,16.

<table><tbody><tr><td>JEOL 2100f</td><td>JEOL</td><td></td><td>Microscope électronique</td></tr><tr><td>Tridiem Gatan Imaging Filter (GIF)</td><td>Gatan</td><td></td><td>Filtre d’énergie post-colum</td></tr><tr><td>Micrographie numérique</td><td>Gatan</td><td></td><td>Software</td></tr><tr><td>Gatan Plugin de tomographie EFTEM</td><td>Gatan</td><td></td><td>Logiciel dédié pour l’enregistrement de séries d’inclinaison filtrées pour EFTEM tomograohy</td></tr><tr><td>Tomoj</td><td>Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td><td></td> <td>Logiciel gratuit développé par l’Institut Currie à Paris, France pour la tomographie</td></tr><tr><td>électronique EFTEM-Tomoj</td><td>Plugin Imagej http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td><td></td> <td>Logiciel gratuit développé par l’Institut Currie à Paris, France , pour l’imagerie EFTEM</td></tr><tr><td>Imod</td><td>http://bio3d.colorado.edu/imod/</td><td></td><td>Logiciel gratuit développé par l’Université du Colorado, États-Unis pour la tomographie</td></tr><tr><td>électronique Imagej</td><td>https://imagej.nih.gov/ij/</td><td></td> <td>Logiciel gratuit développé par National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, États-Unis pour le traitement d’images</td></tr><tr><td>Fusionner les canaux</td><td>https://imagej.net/Color_Image_Processing</td><td></td><td>Fonction dans Imagej permettant de donner différentes couleurs aux volumes pendant qu’ils se chevauchent</td></tr><tr><td>Trancheur</td> <td>3Dhttps://www.slicer.org/</td><td></td> <td>Logiciel libre développé par un grand consortium dirigé par 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>Logiciel libre développé par la ressource pour la bioinformatique, la visualisation et l’informatique de l’Université de Californie à San Francisco, pour la segmentation des données, la personnalisation et la visualisation de modèles</td></tr> <tr><td></td><td>3DÉchantillon IFPEN</td><td></td><td>préparé pour l’éléboration de ce protocole</td></tr><tr><td>titania alumine support du catalyseur</td><td>IFPEN</td><td></td><td>échantillon préparé pour l’éléboration de ce protocole</td></tr><tr><td>alcool</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>eau Au</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>nanoparticules de 5 nm</td><td>BBI Solutions</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Holey carbn film 200 mesh grille de microscopie</td><td>Agar</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sepctromètre EDX</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

obtention des cartes 3d et chimiques par énergie filtré tomographie de microscopie électronique à transmission

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

Énergie filtrée transmission electron microscopy tomographie (tomographie EFTEM) peut fournir des cartes en trois dimensions (3D) chimique de matériaux à l’échelle nanométrique. Tomographie par EFTEM permet de séparer des éléments chimiques qui sont très difficiles à distinguer à l’aide d’autres techniques d’imagerie. Le protocole expérimental décrit ici montre comment créer des cartes 3D et chimiques pour comprendre la distribution de produits chimiques et de la morphologie d’un matériau. Étapes de préparation d’échantillon pour la segmentation des données sont présentées. Ce protocole permet l’analyse de la distribution 3D des éléments chimiques dans un échantillon nanométrique. Toutefois, il convient de noter qu’actuellement, les cartes 3D chimiques peuvent seulement être générés pour les échantillons qui ne sont pas sensibles, faisceau, étant donné que l’enregistrement des images filtrées exige de longs temps d’exposition à un faisceau d’électrons intense. Le protocole a été appliqué afin de quantifier la distribution de produits chimiques des composants de deux supports de différents catalyseurs hétérogènes. Dans la première étude, on a analysé la distribution de produits chimiques de l’aluminium et le titane dans les soutiens de titania-alumine. Les échantillons ont été préparés selon la méthode de swing-pH. Dans le second, la distribution de produits chimiques de l’aluminium et de silicium dans la prise en charge de silice-alumine qui ont été préparés à l’aide de la sol-poudre et les méthodes mécaniques de mélange a été examinée.

Un exemple de l’application du présent protocole est indiqué dans la référence13. Tomographie par EFTEM a été utilisé pour l’analyse de supports de catalyseurs alumine titania. Afin d’améliorer l’activité catalytique de la phase active de nanoparticules de2 MoS, dans des applications telles l’hydrodésulfuration (HDS), il est important que titania est prépondérant à la surface d’appui et par contact avec la phase active. On sait que titania a une plus pet...

Cet article décrit un protocole pour réaliser des cartes 3D chimiques combinant énergie filtré d’imagerie et de la tomographie électronique. La distribution de produits chimiques de deux supports de catalyseurs, formé par les éléments qui sont difficiles à distinguer par d’autres techniques d’imagerie a été étudiée. Chaque application se compose de cartographie des éléments chimiques superposés - bords respectivement espacés-ionisation.

Obtention des cartes 3D et chimiques par énergie filtré tomographie de microscopie électronique à Transmission

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

L’objectif global de ce protocole est d’obtenir, de visualiser et de quantifier les cartes chimiques 3D obtenues par tomographie électronique filtrée en énergie. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines de la science des matériaux, de la chimie et de la catalyse, telles que la façon dont les composants d’un matériau donné sont mélangés à l’échelle nanométrique. Le principal avantage de cette technique est qu’elle fournit des informations concernant la distribution chimique dans la masse et à la surface de l’échantillon.L’imagerie à filtre d’énergie permet de séparer des éléments chimiques très difficiles à distinguer à l’aide d’autres techniques d’imagerie. Le protocole expérimental décrit ici montre les moyens d’obtenir des cartes chimiques 3D, mais il tente également de fournir des idées pour quantifier certains des paramètres chimiques 3D. Les cartes chimiques 3D ne peuvent être générées que pour des échantillons qui ne sont pas sensibles au faisceau, car l’enregistrement d’images filtrées nécessite de longs temps d’exposition à un faisceau d’électrons relativement intense.Pour commencer, préparez un échantillon tel que de l’alumine de silice ou de l’alumine titanique, comme décrit dans le protocole de texte ci-joint. Ensuite, utilisez un microscope électronique pour enregistrer les séries d’inclinaison filtrées en énergie. Ces images seront utilisées pour calculer chaque carte chimique de l’élément chimique recherché.Ouvrez la série d’inclinaison à trois filets, composée de deux séries de pré-bord et d’une série post-bord dans l’image J pour analyse. Ouvrez maintenant le plugin spécialisé EFTEMTomoJ et cliquez sur puis cliquez sur Image ou Stack pour sélectionner la série d’inclinaison. Dans le tableau qui apparaît, entrez l’énergie à laquelle la série d’inclinaison a été enregistrée comme le décalage d’énergie.Entrez également la largeur de la fente et le temps d’exposition de chaque image filtrée. Vérifiez les trois séries d’inclinaison sous cartographie et assurez-vous qu’elles seront utilisées pour calculer les cartes chimiques à l’aide de la loi de puissance. Cliquez ensuite sur Suivant.Choisissez la première image comme image de référence, puis cliquez sur Appliquer, puis sur Suivant. À ce stade, une image d’aperçu de l’alignement proposé apparaît. Vérifiez visuellement que les trois images enregistrées au même angle d’inclinaison sont bien superposées, ne montrant aucun décalage entre les images.Ce protocole a été réalisé sur la version 0.9 du plugin EFTEMTomoJ. À ce moment, les images filtrées enregistrées au même angle d’inclinaison sont alignées. Sélectionnez ensuite la fenêtre EFTEMTomoJ, les images correspondant à l’arrière-plan et au bord chimique.Sélectionnez ensuite le modèle d’extraction du signal comme puissance et cliquez sur Créer une carte. Enregistrez la série d’inclinaison de la carte chimique, puis répétez ce processus pour toutes les autres séries d’inclinaison chimique. Afin de quantifier cette dérive, ouvrez d’abord la série d’inclinaison alignée à perte nulle.Ouvrez ensuite la série d’inclinaison alignée des cartes chimiques, allez dans Image, Couleur et sélectionnez Fusionner les canaux. Sélectionnez le fichier correspondant à zéro perte pour la couleur rouge, le premier élément chimique pour le vert. Décochez les cases Créer un composite et Conserver l’image source.À ce stade, une pile est créée à chaque angle d’inclinaison pour toutes les images enregistrées. Ensuite, allez dans Plugins et sélectionnez Aligner les plans RGB. Ici, le rouge est l’image de référence.Sélectionnez le vert et, à l’aide des flèches, superposez-le sur le rouge. Une fois en position, cliquez sur Suivant et répétez ce processus pour tous les autres angles. Allez dans Image, descendez dans Couleur et sélectionnez Diviser les canaux pour diviser la pile RVB en deux piles de remorquage.Le rouge correspond à une perte nulle et le vert correspond aux cartes chimiques avec la dérive corrigée. Enfin, assurez-vous d’enregistrer la série d’inclinaison, puis répétez les actions pour le deuxième élément chimique et n’oubliez pas d’enregistrer le fichier. Pour la cartographie chimique 3D, asseyez-vous à nouveau devant un ordinateur et ouvrez l’image J.Ouvrez le plugin TomoJ en allant dans plugins et en sélectionnant TomoJ.Cela sélectionnera le fichier de formulaire d’angle de charge. Étant donné que toutes les séries d’inclinaison sont déjà alignées, naviguez directement vers la reconstruction et calculez les volumes de perte zéro ainsi que les volumes chimiques à l’aide d’un algorithme de reconstruction. Il est recommandé d’utiliser un algorithme interactif pour reconstituer les volumes chimiques.De plus, à l’aide de ce logiciel, il est possible de reconstruire les volumes à l’aide du GPU de votre ordinateur. Une fois que tous les volumes sont calculés, utilisez les options Fusionner les canaux pour appliquer des couleurs différentes aux volumes obtenus et les superposer en un seul volume afin d’obtenir la carte chimique 3D. Enfin, suivez le protocole de texte d’accompagnement pour plus de détails sur la modélisation 3D et la quantification des informations chimiques, de la surface et de la distribution de la taille des pores.La tomographie EFTEM a été utilisée ici pour analyser trois échantillons différents de supports de catalyseurs en alumine titane avec différents rapports de composants. Il a été constaté que le titane à des concentrations élevées forme des amas qui sont incrustés dans l’alumine. Ces modèles montrent la distribution chimique du titane et de l’alumine à la surface des échantillons.Il a été constaté qu’indépendamment de la proportion de titane et d’alumine dans l’échantillon, la surface de l’échantillon est recouverte de titane dans une proportion d’environ 30 %L’alumine a une spécificité élevée à la surface et l’objectif est d’avoir du titane soutenu par de l’alumine. Après modélisation, il a été constaté que l’échantillon contenant 10 % de titania a une couche d’environ 10 nanomètres d’épaisseur à la surface. Cette variance pourrait jouer un rôle dans les applications catalytiques de l’échantillon.Il est important de mentionner que la tomographie électronique filtrée en énergie est une technique qui prend beaucoup de temps. Lors de cette procédure, n’oubliez pas que l’imagerie filtrée en énergie est sensible au contraste de défraction, mais que l’épaisseur de l’échantillon et sa résistance au faisceau d’électrons doivent également être vérifiées. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs en science des matériaux pour mieux corréler les paramètres morphologiques et chimiques avec les propriétés du matériau étudié.Nous espérons qu’après avoir suivi ce protocole les nouveaux utilisateurs de la tomographie électronique auront une meilleure compréhension de l’étape à suivre et des difficultés rencontrées pour reconstruire un volume, segmenter un modèle et quantifier ses paramètres.

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Nous présentons un protocole sur la façon de recueillir et électronique de processus cryo-tomographie de mitochondries entières. La technique donne un aperçu détaillé de la structure, la fonction et l'organisation de grands complexes de protéines membranaires en membranes biologiques indigènes.

Visualisation de l&#39;ATP synthase dimères dans les mitochondries par cryo-tomographie

L’utilisation de la tomographie à rayons X à dispersion d’énergie dans le microscope électronique à transmission à balayage pour caractériser les distributions élémentaires au sein de nanoparticules uniques en trois dimensions est décrite.

Tomographie à dispersion d&#39;énergie de rayons X pour la 3D élémentaire Cartographie des nanoparticules individuelles

Nous présentons un protocole sur la façon d'utiliser à haut débit tomographie cryo-électronique pour déterminer haute résolution dans les structures in situ de machines moléculaires. Le protocole permet de grandes quantités de données à traiter, évite les goulots d'étranglement communs et de réduire l'indisponibilité des ressources, permettant à l'utilisateur de se concentrer sur des questions biologiques importantes.

Utilisation Tomoauto: Un protocole pour la tomographie à haut débit automatisé cryo-électronique

Nous décrivons la préparation de rubans de sections série et leur collecte sur un grand support de transfert pour une utilisation en tant qu’échantillons de tomographie en réseau, ainsi que des procédures d’imagerie automatisées dans un microscope électronique à balayage. Le protocole permet le dépistage, la récupération et l’imagerie ciblée d’événements locaux rares, ainsi que l’acquisition de grands volumes de données.

Flux de travail de tomographie en réseau pour l’acquisition ciblée d’informations de volume à l’aide de la microscopie électronique à balayage

Ici, un protocole décrivant les étapes de préparation des échantillons et de collecte de données requises en cryomodensitométrie à rayons X mous (SXT) pour imager l’ultrastructure de cellules entières cryo-préservées à une résolution de 25 nm demi-pas, est présenté.

Une description cartographique 3D de la cellule par cryo tomographie par rayons X mous

Ce protocole présente une technique de cartographie à haute résolution des sites de réplication dans la chromatine structurellement préservée in situ qui utilise une combinaison de marquage pré-intégration EdU-streptavidin-Nanogold et ChromEMT.

Imagerie des domaines réplicatifs dans la chromatine ultrastructurellement préservée par tomographie électronique

Le présent protocole décrit l’acquisition à distance de données par cryotomographie électronique à haute résolution à l’aide de Tomo5, ainsi que le traitement ultérieur des données et la moyenne des sous-tomogrammes à l’aide d’emClarity. L’apoferritine est utilisée comme exemple pour illustrer des processus détaillés étape par étape pour obtenir une structure cryo-ET à une résolution de 2,86 Å.

Cryotomographie électronique Collecte de données à distance et moyenne par sous-tomogramme

La tomographie cryo-STEM permet de visualiser les organites de cellules intactes sans enrobage, sectionnement ou autres préparations invasives. La résolution 3D obtenue est actuellement de l’ordre de quelques nanomètres, avec un champ de vision de plusieurs micromètres et une épaisseur accessible de l’ordre de 1 μm.

Visualisation d’organites in situ par tomographie cryo-STEM

Ce protocole vidéo illustre comment effectuer une tomographie par microscopie électronique à transmission à balayage d’échantillons virologiques. Pour des résultats optimaux, les échantillons sont préparés par congélation à haute pression et substitution ultérieure de la congélation.

Tomographie par microscopie électronique à transmission à balayage en virologie : imagerie 3D d’échantillons congelés à haute pression et substitués par congélation

Tracer des vapeurs explosives de TNT et RDX recueillies sur des tubes de désorption thermique sorbant remplis ont été analysés en utilisant un système de désorption programmée en température couplé au CA avec un détecteur à capture d'électrons. L'analyse instrumentale est combiné avec la méthode de dépôt direct de liquide pour réduire la variabilité de l'échantillon et compte de la dérive et des pertes instrumentation.

Détection quantitative des traces de vapeurs explosives par désorption à température programmée gaz Détecteur à capture d&#39;électrons-chromatographie

Découvrez la tomographie électronique à énergie filtrée pour cartographier la distribution chimique 3D à l'échelle nanométrique. Cette méthode permet de distinguer des éléments chimiques difficiles à séparer et de quantifier leur répartition dans les matériaux.

Obtention des cartes 3D et chimiques par énergie filtré tomographie de microscopie électronique à Transmission

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