Quantificare i dati di fluorescenza di raggi x utilizzando le mappe

La fluorescenza X basata su sincrotrone è una tecnica fondamentale per osservare la segregazione degli elementi, le relazioni di stechiometria e il comportamento di aggregazione in campioni provenienti da numerosi settori, tra cui la biologia, la chimica e la scienza dei materiali. Le informazioni ottenute da questi studi sono qualitative fino a quando non si utilizzano adeguati procedimenti di quantificazione per convertire i conteggi grezzi di fluorescenza in masse areali elementari. Questo video illustrerà come utilizzare il programma di quantificazione sviluppato dall'Argonne National Laboratory per generare informazioni numeriche relative a mappe di fluorescenza X bidimensionali.

Per utilizzare il programma MAPS, è innanzitutto necessario scaricare il software IDL da Internet. Attualmente, ciò può essere fatto accedendo al sito web di IDL e creando un account. Successivamente, selezionare My Account, quindi Downloads, e verrà visualizzata una pagina con tutti i programmi disponibili.

Scorrere verso il basso e selezionare la versione più recente di IDL. Successivamente, MAPS può essere scaricato dal sito web del Laboratorio Nazionale di Argonne. Dopo aver scaricato ed estratto la cartella zip, dovrebbero esserci quattro file.Compound.

dat, henke. xdr, maps e xrf_library.csv. I tre file, esclusi maps, devono essere copiati e incollati nella sottocartella IDL denominata lib.

Per i computer Windows, questo si trova probabilmente all'interno della cartella Programmi nella directory Exelis. In generale, è conveniente eseguire l'adattamento dal desktop; tuttavia, è fondamentale che il nome della cartella e il percorso non contengano spazi o caratteri speciali, altrimenti MAPS produrrà un errore durante il tentativo di esecuzione dell'adattamento. Se il percorso al desktop contiene spazi, posizionare la cartella in un'altra posizione.

Ad esempio, direttamente all'interno dell'unità C. Per questa dimostrazione, posizionerò la cartella Fitting e l'icona MAPS. sav sul desktop per un facile accesso.

In questa cartella inserire i file maps_fit_parameters_override.txt e maps_settings.txt. Esempi di questi file sono disponibili nei documenti allegati.

Creare successivamente una cartella denominata mda e incollare il file della mappa ad alta risoluzione scelto, che verrà utilizzato inizialmente per l'allineamento. Vengono aggiunti anche i file per l'allineamento standard e devono includere uno o quattro file, a seconda del numero di elementi del rivelatore utilizzati dal settore. Questi file indicano lo standard.

Se è stato utilizzato lo standard AXO, il file dovrebbe essere denominato axo_std.mca; in caso contrario, se è stato utilizzato lo standard NIST o qualsiasi altro standard, può avere un nome qualsiasi che termini con mca, poiché questi file verranno selezionati successivamente. Per un rivelatore a quattro quadranti, i file dello standard e dei parametri di adattamento (fit_parameter) devono essere denominati in questo modo, con un intervallo da mca0 a mca3 e da txt0 a txt3, inclusi un file di parametri di adattamento che termina con txt.

Successivamente, verificare nel file di configurazione delle mappe che venga utilizzato il numero corretto di elementi del rivelatore. Nel caso di questo adattamento, è stato utilizzato un solo elemento del rivelatore. Una volta preparata la cartella per l'adattamento, aprire MAPS e modificare la directory in modo che corrisponda alla cartella appena creata sul desktop.

Quindi fare clic su OK e passare alla configurazione. La finestra di configurazione dispone di diverse funzionalità che impostano i parametri per l'adattamento. In primo luogo, selezionare la linea di fascio rappresentativa della linea di fascio utilizzata per le misurazioni.

Se le misurazioni sono state effettuate presso l'Argonne National Laboratory, allora la beamline deve corrispondere direttamente. In caso contrario, ulteriori informazioni sulla selezione da utilizzare sono incluse nel manoscritto. Successivamente, selezionare il file mda che verrà utilizzato e inserire l'energia incidente impiegata per la misurazione.

Selezionare avvio elaborazione e attendere fino al termine del programma. Al termine, andare su file e quindi selezionare la prima opzione. Aprire l'immagine XRF media o a singolo elemento.

Dovrebbe essere stata creata una serie di nuove cartelle da parte del programma, quindi selezionare la cartella "img" e i file fit o h5 generati dovrebbero trovarsi in questa cartella. Selezionare il file corrispondente alla mappa, quindi modificare il secondo menu a discesa da sinistra impostandolo sulla normalizzazione. In questa situazione, i dati vengono normalizzati rispetto alla camera a ioni a monte (USIC).

La selezione della visualizzazione in modalità multielemento produrrà immagini per i singoli canali elementari. Le unità sono ora espresse in microgrammi per centimetro quadrato. Tuttavia, i valori non sono ancora rappresentativi delle quantità interpolate.

Per lavorare al fitting, invece, i dati vengono visualizzati come somma di tutti gli spettri provenienti da ciascun pixel della mappa, che può essere visualizzata andando su Visualizzazione, Spettro integrale del grafico. Successivamente, andare su Genera output, Esporta serie di spettri grezzi integrati in formato lungo per salvare l'immagine. Chiudere la finestra e andare su Strumenti, Strumento spettro, Carica spettro.

Individuare il file appena esportato nella cartella di output. In genere, ordinare la cartella di output per data di modifica è il modo più rapido per trovare i file, poiché ogni nuovo adattamento aggiorna i file all'interno della cartella. Lo spettro esportato sarà denominato intspec seguito dal numero della linea di fascio e dello scan, quindi txt.

Una volta aperto lo spettro, aprire il file maps_fit_parameters_override. Verificare innanzitutto che il numero di elementi del rivelatore sia corretto. Successivamente, nella riga degli elementi da adattare, includere tutti gli elementi che si prevede siano presenti nel campione.

Si noti che gli elementi della linea L e gli elementi della linea M includono rispettivamente il suffisso _L o _M. In questo caso si sa che il rame è presente nel campione, ma verrà escluso per fornire un esempio di un fit incompleto. Scorrere verso il basso e inserire l'energia incidente per l'energia di scattering coerente.

Quindi, nelle due righe successive, inserire un intervallo di energia massima e minima che il programma utilizzerà come limiti. In generale, un intervallo compreso tra più e meno 2 e più e meno 5 keV è sufficiente. Più in basso, verificare che l'energia massima e minima da adattare includa le energie degli elementi di interesse.

Inoltre, verificare che l'elemento del rivelatore a linea abbia il numero corretto corrispondente al rivelatore al germanio o al silicio. In fondo al file è possibile modificare i nomi dei canali del rivelatore utilizzati nell'analisi. Maggiori informazioni su come modificarli sono descritte in dettaglio maggiore nel manoscritto.

Dopo aver apportato le modifiche, salvare il documento. Quindi selezionare analisi, adatta spettro, e verrà visualizzata una finestra. In alto, è possibile impostare l'intervallo energetico per l'adattamento, nonché il numero di iterazioni utilizzate per l'adattamento.

Dopo aver modificato l'intervallo, selezionare il terzo dei quattro pulsanti in basso e il programma eseguirà un adattamento. Dalla finestra dello strumento spettrale, è presente una serie di menu a discesa che consentono la visualizzazione di diverse curve. Nei menu a discesa, impostarne uno su "adattato" e le restanti selezioni su "nessuno".

In basso a sinistra, selezionando "aggiungi elemento" l'utente può cercare nello spettro i picchi mancanti. Utilizzando il segno più e procedendo con i clic, sembra che il picco assente nell'adattamento sia quello del rame K alpha. Per alcuni picchi, in particolare quelli verso sinistra dell'immagine, l'adattamento sembra includere gli elementi corretti, ma le linee si discostano ancora notevolmente dall'intensità corretta rispetto all'intensità dello spettro.

Questo può essere migliorato aumentando il numero di iterazioni. Di solito, un valore di almeno 50 è sufficiente per ottenere una differenza percettibile. Tornando ora al file fit_parameters, aggiungendo il rame, salvando e quindi rieseguendo l'adattamento, si osserva che il picco viene ora adeguatamente interpolato.

Dopo aver cercato tutti gli elementi mancanti rimanenti, l'adattamento sembra buono. In alcuni casi, ci sono ancora alcuni picchi per i quali le linee non sono perfettamente allineate. Ad esempio, i due picchi a quattro keV, che corrispondono alle linee dell'indio da Lg1 a Lg4, sembrano avere l'elemento corretto adattato, ma l'analisi attribuisce ai picchi un'intensità maggiore rispetto a quella effettivamente ottenuta dalla misurazione.

Questa situazione si verifica più frequentemente per gli elementi della serie L. Mentre per gli elementi della serie K esistono rapporti di intensità di picco tabulati in letteratura, i rapporti di altezza dei picchi per le linee L dipendono maggiormente dall'energia incidente. Per migliorare l'adattamento di queste linee, è necessario innanzitutto creare una riga nel file fit_parameters per l'aggiustamento della famiglia di ramificazione.

Questi numeri indicano le intensità relative rispetto ai valori letterari per le famiglie L1, L2 e L3, mostrate rispettivamente come linee gialla, rosa e blu nello strumento di spettroscopia. Spesso questi numeri possono rimanere pari a uno o uguali ai valori letterari. Invece, verrà modificato il rapporto per ciascuna singola riga.

Prima di procedere all'aggiustamento del rapporto di ramificazione per l'indio, si noti che i rapporti di ramificazione per le righe L gamma sono tutti impostati a uno. Osservando lo spettro integrale, è chiaro che il valore letterario è troppo elevato. Stimando la differenza percentuale tra le righe verdi e quelle bianche per ogni energia, quindi modificando il rapporto di ramificazione, salvando e rieseguendo l'adattamento, si osserva un miglioramento evidente nell'adeguamento della riga verde alla riga spettrale bianca.

Spesso questo processo richiede diversi tentativi, ma è necessario per garantire l'accuratezza dell'adattamento. Dopo aver identificato i parametri di adattamento che producono il miglior risultato possibile, eseguire nuovamente l'adattamento per 10 o 50 K iterazioni. Questo viene fatto perché ogni adattamento aggiorna il file medio dei parametri di adattamento risultanti, maps_fit_parameters_override, che sarà effettivamente il file applicato per l'adattamento.

Una volta completato l'adattamento finale, chiudere la finestra dello strumento di analisi spettrale. Quindi aggiungere _input al file maps_fit_parameters e rinominare il file risultante medio in modo che si legga maps_fit_parameters_override.txt. Al termine di questa operazione, tornare alla finestra di configurazione e selezionare la linea di fascio.

Quindi selezionare l'uso appropriato e copiare tutti i file mda da adattare nella cartella mda. Selezionando i file mda, scorrere e evidenziare tutti i file da adattare. L'energia incidente sarà già stata inserita nel processo di adattamento.

A destra della finestra, utilizzando i simboli più e meno, scorrere e selezionare le caselle degli elementi inclusi nel file fit_parameters. Alcuni elementi non sono inclusi in questa casella. Ad esempio, l'indio non è incluso.

Per includere l'indio, delimitare una casella per uno qualsiasi degli altri elementi che non vengono analizzati. Quindi, nella categoria del nome della zona di interesse (ROI), modificare il nome con quello dell'elemento desiderato. Successivamente, utilizzando un qualsiasi database di fluorescenza, ad esempio l'applicazione Hephaestus, individuare l'energia della linea energetica principale.

In questo caso, l'indio L alpha uno. Continuare a scorrere attraverso gli elementi fino alla fine, selezionando anche S_I, S_E, S_A, TFY e il fondo. In alto a sinistra, selezionare le impostazioni corrette per salvare il file di configurazione al fine di conservare le impostazioni di adattamento per utilizzi futuri.

In questo momento, se si desidera utilizzare lo standard NIST per l'adattamento, selezionare il pulsante corrispondente al numero dello standard NIST, ovvero NBS 1832 o 1833. Quindi selezionare il nome del file dello standard dalla cartella principale. A questo punto, l'adattamento è pronto.

Pertanto, selezionare "Inizia elaborazione" per cominciare. Una volta completati gli adattamenti, è possibile visualizzarli come in precedenza andando su File, Apri immagine XRF, Media o Singolo elemento. Quindi passare a Visualizzazione, Vista multi-elemento.

Utilizzando i selettori di elementi in basso a destra, è possibile modificare i canali analizzati. Da ciò vengono visualizzati valori numerici in microgrammi per centimetro quadrato dell'ordine di grandezza previsto per il campione. Il calcolo utilizzato per stimare i valori attesi è descritto nel manoscritto.

Ad esempio, qui viene mostrato il dato quantificato per gli elementi maggioritari di una cella solare sig, rame, indio e gallio. A causa dell'energia incidente utilizzata, la misurazione non è stata sensibile né in grado di rilevare il picco del selenio. Pertanto, è stato escluso.

Da questi dati, è ora possibile mettere in relazione la distribuzione di diversi elementi all'interno del campione, trarre conclusioni su come i vari cationi di una cella solare sig si distribuiscono all'interno di un dispositivo e sul grado di eterogeneità che manifestano. Lo spettro di adattamento per ciascuna delle mappe di adattamento può essere visualizzato nuovamente andando su visualizzazione, spettro integrale del grafico. Qui si dovrebbe essere in grado di vedere lo spettro dei dati in bianco e l'adattamento in colore.

Questo può essere utilizzato per verificare l'adattamento di tutti i file di dati, al fine di assicurarsi che il processo sia stato applicato correttamente a ciascuna mappa. Infine, per esportare i dati, andare su "generate output" e selezionare "export", creando file ASCII combinati delle mappe. Verrà così generato un file Excel contenente i dati di fluorescenza quantificati per tutti gli elementi visualizzati.

Per modificare o aggiungere elementi, utilizzare l'opzione seleziona elementi rivelatori. I dati possono quindi essere trovati nella cartella di output. Questo video ha spiegato passo dopo passo come utilizzare il software di analisi MAPS sviluppato dall'Argonne National Laboratory per la quantificazione dei dati di fluorescenza a raggi X.

Sebbene il procedimento sia molto utile in una varietà di situazioni, esistono numerosi scenari particolari e sfide che richiedono ulteriori considerazioni. Questi aspetti sono descritti in maggiore dettaglio di seguito e vengono apportati continui miglioramenti per aumentare ulteriormente l'accuratezza dell'adattamento degli spettri di fluorescenza a raggi X. Tuttavia, la capacità del programma di trasformare mappe di fluorescenza 2D qualitative ad alta risoluzione in quantità elementari quantitative con risoluzione spaziale rappresenta un notevole incremento delle informazioni ottenibili da queste misurazioni.

Speriamo che questa dimostrazione si sia rivelata utile per comprendere meglio il processo di quantificazione dei dati di microscopia a fluorescenza a raggi X. Grazie per aver guardato.