Tomografia a dispersione di energia dei raggi X per il 3D Elemental mappatura delle nanoparticelle individuali

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di studiare la distribuzione degli elementi all'interno delle nanoparticelle di argento-oro che vengono sintetizzate dalla reazione di sostituzione galvanica. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della catalisi, ad esempio perché alcune composizioni di nanoparticelle mostrano prestazioni catalitiche migliorate. Il vantaggio principale di questa tecnica è la capacità di sondare la distribuzione degli elementi su scala nanometrica.

Ciò consente una risoluzione incredibilmente elevata in tre dimensioni. Sebbene il metodo sia stato utilizzato qui per studiare le nanoparticelle metalliche, può essere utilizzato anche per studiare altri materiali su scala di lunghezza nanometrica, come i punti quantici semiconduttori, dove può aiutarci a comprendere le loro proprietà ottiche e le loro prestazioni all'interno delle celle. Per iniziare la sintesi delle nanoparticelle, sciogliere cinque grammi di PVP in 37,5 millilitri di glicole etilenico a temperatura ambiente.

Quindi aggiungere 200 milligrammi di nitrato d'argento a questa soluzione. Mescolare la soluzione fino a quando il nitrato d'argento non è completamente sciolto, quindi riscaldare la soluzione a una velocità costante di un grado Celsius al minuto su una piastra riscaldante a una temperatura di 100 gradi Celsius. Lasciate che la reazione proceda a 100 gradi Celsius per la prossima ora e mezza.

Quindi, aggiungi 87,5 millilitri di acqua distillata e raffredda la soluzione a temperatura ambiente. Quindi centrifugare la soluzione a 8000 volte G.Rimuovere il surnatante e disperdere nuovamente le nanoparticelle d'argento in 50 millilitri di acqua distillata. In un nuovo matraccio a fondo tondo, sciogliere 50 milligrammi di PVP in 50 millilitri di glicole etilenico a temperatura ambiente.

Aggiungere 2,78 millilitri di sospensione di nanoparticelle d'argento e riscaldare il pallone a 100 gradi Celsius per 10 minuti. Successivamente, preparare 100 millilitri di 0,2 o idrogeno tetracloroarato triidrato. Aggiungere aliquote da 10, 20, 30 o 40 millilitri della soluzione goccia a goccia per separare le preparazioni della soluzione di nanoparticelle d'argento per ottenere nanoparticelle oro-argento a rapporti variabili.

Raffreddare a temperatura ambiente e lavare tre volte con acqua distillata. Pipettare circa 0,02 millilitri della soluzione di nanoparticelle direttamente su una griglia TEM di carbonio. Se possibile, utilizzare griglie TEM al berillio per limitare i raggi X spuri e una maglia di grandi dimensioni per ridurre al minimo l'ombreggiatura della griglia.

Dopo che la soluzione di nanoparticelle si è asciugata, pulire le griglie TEM pipettando da 10 a 20 gocce di metanolo al 100%, o etanolo, sulla griglia TEM tenendo la griglia con una pinzetta crossover anti-capillare. Rimuovere delicatamente il liquido in eccesso dopo ogni goccia utilizzando carta da filtro. Infine, ricuocere la griglia a 80 gradi Celsius sotto vuoto per rimuovere o immobilizzare eventuali contaminazioni residue.

Caricare la griglia rivestita di nanoparticelle in un supporto per tomografia, quindi inserirla nel TEM. Quando il vuoto del microscopio raggiunge un valore stabile adeguato, aprire le valvole della colonna e assicurarsi che il fascio di elettroni possa essere osservato sullo schermo. Nella modalità TEM di scansione, assicurarsi che la diffrazione sia selezionata, quindi andare alla scheda Cerca e inclinare il tavolino tra più o meno 15 gradi premendo il pulsante Alpha Wobbler.

Ridurre al minimo qualsiasi movimento nel campione regolando l'altezza Z sull'altezza eucentrica. Ora sposta il campione in modo che la trave si trovi sopra un foro nel campione. Assicurarsi che l'apertura del condensatore appropriata sia allineata correttamente centrando l'ombra dell'apertura in un'immagine sfocata della sonda.

Oscillare l'intensità per assicurarsi che la sonda focalizzata non si muova per verificare il disallineamento della coda del raggio. Quindi traccia il contorno del quadrato della griglia selezionando mostra tracce nella scheda Cerca e seguendo il contorno del quadrato della griglia durante l'imaging. Trova una particella rappresentativa all'interno della parte centrale del quadrato della griglia.

Inclinare il campione fino all'intervallo di inclinazione massimo del supporto durante l'imaging per assicurarsi che la nanoparticella non venga oscurata dalle barre della griglia in caso di grandi inclinazioni del supporto. Acquisisci immagini angolari ad alto angolo, in campo scuro e con spettro di raggi X a dispersione di energia con un tempo di acquisizione costante di cinque minuti sull'intera gamma di angoli di inclinazione, utilizzando incrementi angolari compresi tra cinque e 10 gradi. Innanzitutto, acquisire un'immagine panoramica del campo scuro angolare angolare superiore facendo clic su Acquisisci nel riquadro Imaging.

Quindi seleziona una finestra di mappatura attorno alla nanoparticella trascinando la casella su questa immagine e premendo Acquisisci. Quindi, estrai i conteggi caratteristici dei raggi X aprendo prima i cubi di dati spettrali come file RAW. Quindi sommare l'intensità delle fette del cubo di dati che corrispondono ai canali di energia dei picchi di interesse utilizzando le funzioni Slice 2D e Sum.

Acquisire immagini dello spettro dei raggi X a dispersione di energia nello stesso modo del passaggio precedente, ma utilizzando gli intervalli di tempo determinati dai dati sul tempo di acquisizione della costante. Importa le immagini TIFF angolari angolari in campo scuro come sequenza di immagini. Utilizzarli per compilare una serie di immagini in campo scuro angolare ad alto angolo nel formato di file MRC utilizzando il writer MRC nel software di visualizzazione delle immagini.

Quindi, correlare in modo incrociato le immagini in campo scuro angolare ad alto angolo per ottenere un allineamento approssimativo della serie di inclinazione. Salvare i dati di allineamento come file SFT o come file XCORR.TXT. Successivamente, premere Procedi nella finestra Calcola spostamenti di allineamento per eseguire la correlazione incrociata per l'intera serie di inclinazione.

Ripetere l'allineamento fino a quando gli spostamenti locali non sono inferiori a un pixel, assicurandosi di salvare tutti i file di spostamento ad ogni passaggio come testo. Successivamente, caricare i cubi di dati spettrali acquisiti e utilizzare le funzioni di scripting Slice 3D e Sum per estrarre le mappe che sono le fette sommate dei canali di energia corrispondenti agli elementi di interesse. Nel software di ricostruzione tomografica, andare alla scheda Applica allineamento e selezionare Usa spostamenti dalla vista dei dati di allineamento per applicare gli allineamenti angolari del campo scuro angolare ad alto angolo alle mappe elementari a raggi X a dispersione di energia estratta.

Se necessario, eseguire una regolazione dell'asse di inclinazione sulla serie di immagini in campo scuro angolare ad angolo elevato e selezionare l'attività Usa correzioni dalla regolazione dell'asse di inclinazione nella scheda Applica allineamento, per applicare la regolazione sia alle immagini in campo scuro che alle mappe a raggi X. Successivamente, utilizzare un algoritmo di ricostruzione iterativa simultanea implementato all'interno del pacchetto software di tomografia per ricostruire il set di dati tomografici per ciascuno dei segnali elementari a raggi X a dispersione di energia estratti. Nel software di visualizzazione delle immagini, selezionare Immagine, andare su Pile e selezionare Viste ortogonali per estrarre le sezioni ortogonali delle ricostruzioni elementari separate.

Costruisci e visualizza ulteriori ortoslice, volumi e rendering di superfici dalle ricostruzioni, utilizzando il software di visualizzazione. Per assicurarti che la scala sia impostata correttamente, carica tutte le ricostruzioni elementari e controllale, poiché spesso la scala non viene trasferita bene dai file REC. Quindi, selezionare l'oggetto di ricostruzione nel pool di oggetti e fare clic con il pulsante destro del mouse, quindi selezionare il modulo Sezione ortogonale per estrarre una sezione ortogonale.

Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla ricostruzione e selezionare Rendering volume per estrarre un rendering del volume. Infine, estrarre una isosuperficie facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla ricostruzione e selezionando Isosurface. La mappatura elementare tridimensionale eseguita utilizzando la tomografia a raggi X a dispersione di energia ha rivelato una chiara segregazione della superficie dell'oro all'interno delle nanoparticelle argento-oro a basso contenuto di oro sintetizzate dalla reazione galvanica.

Tuttavia, all'aumentare del contenuto d'oro, questa segregazione superficiale cambia, in modo che per il contenuto d'oro più alto, c'era una chiara segregazione superficiale dell'argento. Questa tecnica ha dimostrato la capacità di caratterizzare la composizione superficiale di una singola nanoparticella. Tecniche complementari, come la spettroscopia fotoelettronica a raggi X, possono fornire informazioni sulla popolazione di nanoparticelle d'insieme.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come utilizzare la tomografia a raggi X a dispersione di energia per ottenere immagini chimiche tridimensionali di nanoparticelle.