Name: エネルギー化学 3 D マップの取得フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィー (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-09T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 15 s
Description: 学ぶエネルギー・フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィーによる3D化学マッピング手法。ナノスケールでの材料の化学組成分布を可視化・定量化し、材料科学や触媒研究の理解を深めます。

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著者が明らかに何もありません。

本稿の目的は、透過トモグラフィによる化学の 3 D のマップを取得する方法について説明することです。このプロトコルは完全にオリジナルと著者らによって開発されました。
EFTEM トモグラフィ前述のようにいくつかの欠点があります: フィルターされた画像を取得するために必要な長い露出時間による電子ビーム耐性は、(i) のみサンプルが分析できます。(ii) EFTEM トモグラフィーは、回折コントラストに敏感です。(iii) 線形の多くは手動で行った。3 D の化学のマップを取得するには、ゼロ損失量と化学のボリュームは、座標の 1 つのシステムにする必要があります。これは同じ座標系ですべてのフルティルト シリーズが完全に一致することを必要とします。これは 1 サンプルあたり少なくとも 2 週間の長い作業期間を表します。時間がかかるにもかかわらず、このプロトコルは、ナノメートルの解像度で 3 D 化学マップの計算をことができます。さらに、その他など、分光・分析技術、蛍光 x 線、x 線光電子分光法と組み合わせると、赤外分光法、またはマジック角回転 (MAS) NMR 分光学、機能性材料の完...

機能性材料の特性は 3 D パラメーターに依存しています。完全に彼らの特性を理解し、その機能を強化、形態および 3 D で化学の分布を分析することが重要です。電子断層撮影法1 (ET) は、ナノメートル スケールの2,3でこの情報を提供する最高のテクニックのひとつです。それは広い角度範囲にサンプルを回転と角度ステップごとに 1 つの画像を記録から成っています。得られた傾きのシリーズを使用して、ラドン変換4,5に基づく数学的なアルゴリズムを使用して、サンプルのボリュームを再構築します。3 D のサンプルをモデルしのような粒子局在6とサイズ分布73D パラメーターを定量化、毛穴の位置とサイズ分布8等は、ボリュームの灰色レベルを選択すること
一般的には、ET は、できればどちらの方向に 70 ° 以上の最大の可能な角度にサンプルを傾けることによって電子顕微鏡で実行されます。各傾斜角に成型、画像の傾きシリーズ サンプルの投影が記録されます。その傾きの系列を整列し、セグメント化と定量化がサンプルのボリュームを再構築するために使用します。+90 °、-90 ° からサンプルを回転ことはできません、ために、盲検角度による直交軸9に沿って異方性解像度があります再構成ボリューム。
ET は、イメージングの異なるモードで実行できます。触媒サポート複雑な形状または明視野 TEM モード (BF TEM) は非晶質材料、生体試料、高分子を研究に使用されます。画像解析は、コンポーネント10 (高密度になります詳細ライターよりも暗い、すなわち密度の低いコンポーネント) の密度を特徴付ける灰色レベルの分化に基づいています。高角環状暗視野 TEM モード (関数幹) をスキャンする際に、結晶性試料を分析する使用されます。信号は、原子番号の機能として化学情報を提供しますサンプルの重いコンポーネントが明るく表示される、ライター 1 つ9。収集材料11、およびエネルギーによって放出される x 線エネルギー分散型 x 線分光 (EDX) のような他のモード イメージング モード (EFTEM)12,13をフィルタ リング、3 D の化学的分布を評価することができるもサンプル。
EFTEM イメージング、電子顕微鏡を用いた電子エネルギー分析器 2D 化学マップを記録できます。分光計は、彼らのエネルギーの機能として電子を分散させることによって磁気プリズムとして機能します。イメージは、特定の原子との相互作用から失われたエネルギーによって電子によって作成されます。同じ 2 D 化学マップが異なる傾きの角度、化学予測のシリーズを取得すると、傾斜で計算される場合 3 D 化学ボリュームを再構築するを使用できます。
すべての材料は、透過トモグラフィによる分析できます。テクニックは、弱いまたは不規則材料サンプルの予約されています。それにもかかわらず、他のイメージング技術を使用してときに区別し非常ににくい軽元素の分析に使用できます。さらに、信頼性の高い 2 D 化学マップを得るためには、材料の厚さは、材料14を介して電子の平均自由行程以下に必要です。この条件下で最大の単一電子単一原子との相互作用を持っていることの確率です。2 つのメソッドは、2 D 化学マップの計算に使用されます。1 番目は、最もよく使われるイオン化エッジ13後分析、および 3 分の 1 の下の要素のイオン化エッジの前に 2 つのフィルターが適用されたエネルギー ウィンドウを記録する場所「3 windows 法」をです。最初の 2 つの画像を用いて推定して、3 番目のウィンドウの位置から力法を使用して、それから差し引かれる背景を推定します。得られた画像は、3 D サンプル ボリュームの分析元素分布の投影です。2 番目のメソッドは、「ジャンプ比;」と呼ばれる前に、と後の 2 つだけエネルギー フィルター画像を使用してイオン化エッジ。この方法は質的、最終的なイメージはこれらの 2 つの画像間の比率を実行するだけで計算され、背景エネルギーの変化については考慮しません。
EFTEM ET と組み合わせることで、フィルター選択されたエネルギーの解析的トモグラフィーを得ることができます。EFTEM トモグラフィーとアトム プローブ断層レントゲン写真撮影 (APT) は、相補的な技術です。APT、に比べて EFTEM 断層レントゲン写真撮影は複雑な前処理を必要としない非破壊特性解析です。ユニークなナノ粒子の様々 な特徴を実行する使用できます。EFTEM トモグラフィーは、APT は、それらを測定する非常に少なくともレーザー支援で必要としながら絶縁材料を分析できます。EFTEM 断層が低解像度で適切に動作しながら、原子スケールの APT が実行されます。透過トモグラフィ実験中にビームの劣化に抵抗するサンプルに対してのみ適切であります。すべての傾斜角度でのすべてのフィルターが適用された画像を記録するには、サンプルは 2 時間限りの電子ビームを公開できます。さらに、2 D マップで最大の化学信号を記録する高いビーム強度で長い博覧会の期間は、必要かもしれません。このような条件でビームの敏感なサンプル抜本的な形態学的・化学的変化に苦しみます。したがって、電子ビームにサンプル感度の正確な測定は、実験前に確立されなければなりません。さらに、透過トモグラフィは空間的な位置およびサンプル.に存在する元素の性質を決定する必要に応じてできるだけ多くの断層を記録の結果それにもかかわらず、EFTEM トモグラフィーは、触媒アプリケーションをモデル化するための新たな洞察を与えるための触媒担体などのサンプルの 3 D 化学配分に関する重要な情報を提供できます。
今日それはエネルギー間隔を選択することができます専用のソフトウェアを使用することが可能、記録エネルギー ウィンドウ画像をフィルター処理し化学物質が異なる角度でマップを計算します。サンプルでは、追跡、焦点を当て、および透過モードでフィルター処理された画像の記録を傾斜できます。2D 化学マップを計算できると、フルティルト シリーズ配置できますが、反復的なアルゴリズムを使用して計算化学のボリュームとシリーズがセグメント化と定量化された15,16をすることができます最後に。

<table><tbody><tr><td>JEOL 2100f</td><td>JEOL</td><td></td><td>電子顕微鏡</td></tr><tr><td>Tridiem Gatan イメージングフィルター (GIF)</td><td>Gatan</td><td></td><td>ポストコラムエネルギーフィルター</td></tr><tr><td>デジタルマイクログラフ</td><td>Gatan</td><td></td><td>ソフトウェア</td></tr><tr><td>Gatan EFTEM トモグラフィープラグイン</td><td>Gatan</td><td></td><td>EFTEMフィルターチルトシリーズを記録する専用ソフト トモグラオヒ</td></tr> ト<tr><td>モジ</td><td>Imagejプラグイン http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td><td></td> <td>Currie Institute(フランス・パリ)が開発した電子線トモグラフィー用フリーソフト</td></tr><tr><td>EFTEM-Tomoj</td><td>Imagejプラグイン http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td><td></td> <td>Currie Institute(フランス・パリ)が開発したEFTEMイメージング用フリーソフト</td></tr><tr><td>Imod</td><td>http://bio3d.colorado.edu/imod/</td><td></td><td>電子線トモグラフィーImagejのために米国コロラド大学によって開発されたフリーソフトウェア</td></tr><tr><td></td><td>https://imagej.nih.gov/ij/</td><td></td> <td>画像処理のために米国メリーランド州ベセスダの国立精神衛生研究所によって開発された画像処理のためのフリーソフトウェア</td></tr><tr><td>ImagejのFonction</td><td>https://imagej.net/Color_Image_Processing</td><td></td><td>チャネルをマージ</td>し、ボリュームが重なっている間に異なる色を与えることができます</tr><tr><td>3Dスライサー</td><td>https://www.slicer.org/</td><td></td> <td>ロンKikinis、ハーバード大学医学部、ボストン、マサチューセッツ州、SUA Chimeraが率いる大規模なコンソーシアムによって開発されたフリーソフトウェア</td></tr><tr><td></td><td>https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td><td></td> <td>カリフォルニア大学サンフランシスコ校のバイオコンピューティング、視覚化、および情報学のためのリソースによって開発された、3Dモデルのデータセグメンテーション、キュア化、</td></tr><tr><td>および触媒</td><td>のシリカアルミナサポートの視覚化この</td><td>プロトコルのeleborationのために調製</td>されたIFPEN<td></td>サンプル</tr>は、<tr><td>触媒のチタニアアルミナサポート</td>、<td>このプロトコルのeleborationのために調製されたIFPEN</td><td></td><td></td>サンプル</tr>、<tr><td>アルコール</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>水</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>、5nmのAuナノ粒子</td>、<td>BBIソリューション</td><td></td><td></td></tr><tr><td>、ホーリー、炭水化物、フィルム、200メッシュ、顕微鏡、グリッド</td><td>、寒天</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EDXセプトロメーター</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

エネルギー化学 3 d マップの取得フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィー

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

エネルギー フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィー (EFTEM 断層レントゲン写真撮影) は、ナノメートル スケールでの材料の三次元 (3 D) 化学マップを提供できます。EFTEM 断層撮影は、他のイメージング技術を使用して区別するために非常に困難な化学元素を区切ることができます。ここで記述されている実験のプロトコルは、化学的分布と材料の形態を理解する化学 3 D のマップを作成する方法を示しています。データ分割の準備手順、サンプルが掲載されています。このプロトコルは、ナノメートルのサンプルの化学要素の 3次元分布解析を許可します。ただし、現在、3 D 化学マップのみ生成されることをサンプル フィルターされた画像の記録は、強烈なビームに長い露出時間を必要とするので、機密性の高い、ビームではないです。プロトコルは、2 つの異なる異種触媒担体の成分の化学分布の定量化に適用されました。最初の研究では、アルミニウム、チタン酸化チタン アルミナ サポートでの化学の分布を調べた。スイング pH メソッドを使用して調製します。第二に、ソル粉と機械的混合法を使用して作製したシリカ-アルミナ サポート中のアルミニウムおよび si の化学の分布を調べた。

参照13に、このプロトコルのアプリケーションの例を示します。EFTEM トモグラフィ チタニア アルミナ触媒担体の分析に用いる。水素化脱硫 (HDS) のようなアプリケーションで、MoS2ナノ粒子の活動的な段階の触媒の活性を強化するには、チタニアがトレード・マークの支持面で活動的な段階との接触が重要です。それは、チタニアがアルミナより小さい表面積を持っていることを知られています。研究の目的は、チタニア アルミナによるサポートを構築 (したがって、高められた表面積を作成して)、そして触媒担体としてテストします。ここでは、透過トモグラフィ、スイング pH 法により作製したチタニア アルミナ触媒サポートの分析に使用されます。本研究では酸化チタンの異なる濃度の 3 つのサンプルが分析されます。サンプル 1 は 50% アルミナから成るし、50% チタニア、サンプル 2 で構成されています 30% と 70% のアルミナ、チタニアとサンプル 3 構成 10% と 90% のアルミナのチタニア。<strong cl...

本稿では、エネルギー フィルタ リング画像と電子線トモグラフィーを組み合わせた 3 D 化学マップを達成するためにプロトコルについて説明します。他のイメージング手法を区別することは困難である要素によって形成される 2 つの触媒担体の化学の分布を調べた。各アプリケーション重複元素それぞれ間隔がイオン化エッジのマッピングで構成されます。

エネルギー化学 3 D マップの取得フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィー

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

このプロトコルの全体的な目標は、エネルギーフィルタリングされた電子線トモグラフィーによって得られた3D化学マップを取得、視覚化、および定量化することです。この方法は、材料科学、化学、触媒分野の重要な問題、例えば、特定の材料の成分がナノメートルスケールでどのように混合されるかなど、答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、バルク内およびサンプルの表面での化学分布に関する情報を提供することです。エネルギーフィルタリングイメージングは、他のイメージング技術では区別が非常に難しい化学元素を分離できます。ここで説明する実験プロトコルは、3D化学マップを取得する手段を示していますが、3D化学パラメータの一部を定量化するためのアイデアも提供しようとします。3D化学マップは、フィルタリングされた画像の記録には比較的強い電子ビームへの長い露光時間が必要なため、ビームに敏感でないサンプルに対してのみ生成できます。まず、添付のテキストプロトコルに記載されているように、シリカアルミナまたはチタニアアルミナなどのサンプルを調製します。次に、電子顕微鏡を使用して、エネルギーフィルタリングされた傾斜シリーズを記録します。これらの画像は、検索化学元素の各化学マップを計算するために使用されます。画像Jで、2つのプリエッジシリーズと1つのポストエッジシリーズからなる3つのファイリングチルトシリーズを開いて解析します。次に、専用のEFTEMTomoJプラグインを開き、をクリックし、[画像]または[スタック]をクリックしてチルトシリーズを選択します。表示される表に、傾斜系列がエネルギーシフトとして記録されたエネルギーを入力します。また、フィルタリングされた各画像のスリット幅と露光時間も入力します。マッピング中の 3 つの傾斜系列すべてをチェックし、べき乗則を使用して化学マップを計算するために使用されることを確認します。次に、[次へ]をクリックします。参照画像として最初の画像を選択し、[適用]、[次へ]の順にクリックします。この時点で、提案された配置のプレビュー イメージが表示されます。同じ傾斜角度で記録された 3 つの画像が適切に重ね合わされ、画像間でシフトが見られないことを視覚的に確認します。このプロトコルは、EFTEMTomoJプラグインのバージョン0.9で実行されました。このとき、同じ傾斜角度で記録されたフィルタリングされた画像が整列します。次に、EFTEMTomoJウィンドウ、背景とケミカルエッジに対応する画像を選択します。次に、信号抽出のモデルをパワーとして選択し、[マップの作成]をクリックします。化学マップの傾斜シリーズを保存し、他のすべての化学傾斜シリーズに対してこのプロセスを繰り返します。このドリフトを定量化するには、まずゼロ損失に整列した傾斜シリーズを開きます。次に、傾斜シリーズに整列した化学マップを開き、[画像]、[色]の順に選択し、[チャネルのマージ]を選択します。赤色の損失がゼロ、緑色の最初の化学元素に対応するファイルを選択します。[Create Composite] のチェックを外し、[Keep Source Image] をオンにします。この時点で、記録されたすべての画像に対して各傾斜角度でスタックが作成されます。次に、[プラグイン] に移動し、[RGB プランの整列] を選択します。ここで、赤が参考画像です。緑を選択し、矢印を使用して赤の緑に重ねます。所定の位置に移動したら、[次へ]をクリックし、他のすべての角度でこのプロセスを繰り返します。[画像]に移動し、[カラー]まで下がって[チャンネルの分割]を選択し、RGBスタックを牽引スタックに分割します。赤は損失ゼロ、緑はドリフトが補正された化学マップに対応します。最後に、チルトシリーズを必ず保存してから、2番目の化学元素のアクションを繰り返し、ファイルを保存することを忘れないでください。3Dケミカルマッピングを行うには、再びコンピューターの前に座って画像を開き、J.プラグインに移動してTomoJを選択し、TomoJプラグインを開きます。これにより、荷重角度様式ファイルが選択されます。すべての傾斜シリーズはすでに整列しているため、再構成に直接ナビゲートし、再構成アルゴリズムを使用してゼロ損失の体積と化学体積を計算します。インタラクティブなアルゴリズムを使用して、化学量を再構築することをお勧めします。また、このソフトウェアを使用すると、コンピューターのGPUを使用してボリュームを再構築することができます。すべてのボリュームが計算されたら、 Merge Channels オプションを使用して、取得したボリュームに異なる色を適用し、それらを 1 つのボリュームに重ね合わせて 3D 化学マップを取得します。最後に、付属のテキストプロトコルに従って、化学情報、表面積、細孔径分布の3Dモデリングと定量化に関する追加の詳細をご覧ください。ここでは、EFTEMトモグラフィーを使用して、成分比の異なるチタニアアルミナ触媒担体の3つの異なるサンプルを分析しました。高濃度のチタニアは、アルミナに埋め込まれたクラスターを形成することがわかりました。これらのモデルは、サンプルの表面上のチタニアとアルミナの化学分布を示しています。サンプル中のチタニアとアルミナの割合とは無関係に、サンプルの表面は約30%の割合でチタニアで覆われているアルミナは表面に対して高い特異性を持ち、目標はアルミナによって支持されたチタニアを持つことであることがわかりました。モデリングの結果、10%チタニアを含むサンプルは、表面に約10ナノメートルの厚さしかない層を持っていることがわかりました。このばらつきは、サンプルの触媒アプリケーションに役割を果たす可能性があります。エネルギーフィルタリングされた電子線トモグラフィーは時間のかかる技術であることに言及することが重要です。この手順を試みる際には、エネルギーフィルタリングイメージングは屈折コントラストに敏感であるだけでなく、サンプルの厚さと電子ビームに対する抵抗も確認する必要があることに注意してください。その開発後、この技術は、材料科学の研究者が形態学的および化学的パラメータをその研究された材料の特性とよりよく相関させる道を開きました。このプロトコルに従った後、電子線トモグラフィーの新規ユーザーが、従うべきステップと、ボリュームの再構築、モデルのセグメント化、およびそのパラメータの定量化で遭遇する困難について理解を深めることを願っています。

obtaining-3d-chemical-maps-energy-filtered-transmission-electron

Research

JoVE Journal

Chemistry

化学

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個々のナノ粒子の3次元元素マッピングのためのエネルギー分散型X線トモグラフィー

我々は、分子機械のその場構造で高解像度を決定するために、ハイスループット低温電子断層撮影法を利用する方法のプロトコルを提示します。プロトコルは、処理すべき大量のデータを可能にし、一般的なボトルネックを回避し、ユーザは、重要な生物学的問題に集中することができ、リソースのダウンタイムを減少させます。...

Tomoautoの使用：ハイスループット自動クライオ電子断層撮影のためのプロトコル

配列断層撮影サンプルとして使用するための大きな転写サポートに関するシリアルセクションのリボンの作成と、走査型電子顕微鏡での自動イメージング手順について説明します。このプロトコルにより、局所的なまれな事象のスクリーニング、検索、および標的画像処理、および大量のデータ量の取得が可能になります。...

走査型電子顕微鏡を用いたボリューム情報の標的取得のためのアレイ断層化ワークフロー

ここでは、クライオ軟X線断層撮影法(SXT)で凍結保存細胞全体の超構造を25nmハーフピッチの分解能で画像化するために必要なサンプル調製およびデータ収集ステップを説明するプロトコルを提示する。...

クライオ軟X線断層撮影による細胞の3D地図作成記述

このプロトコルは、事前埋め込みEdU-ストレプトアビジン-ナノゴールド標識とChromEMTの組み合わせを採用した、構造的に保存されたクロマチンin in situにおける...

電子断層撮影による超構造保存クロマチン中の複製ドメインのイメージング

本プロトコルは、Tomo5を用いた高分解能クライオ電子線トモグラフィー遠隔データ収集と、その後のデータ処理およびemClarityを用いたサブトモグラム平均化について記述する。アポフェリチンは、2.86...

クライオ電子線トモグラフィー遠隔データ収集とサブトモグラム平均化

クライオSTEMトモグラフィーは、埋め込み、切片作成、またはその他の侵襲的な調製物なしで、無傷の細胞の細胞小器官を視覚化する手段を提供します。得られた3D解像度は現在、数ナノメートルの範囲であり、数マイクロメートルの視野および1μmのオーダーのアクセス可能な厚さを有する。...

クライオSTEMトモグラフィーによるオルガネラのin situ 可視化

このビデオプロトコルは、ウイルス学的標本の走査型透過型電子顕微鏡断層撮影法を実行する方法を示しています。最適な結果を得るために、サンプルは高圧凍結とその後の凍結置換によって調製されます。...

ウイルス学における走査型透過型電子顕微鏡断層撮影:高圧凍結凍結置換サンプルの3Dイメージング

吸着剤が充填された熱脱着チューブ上に集めTNT及びRDXの爆発性蒸気をトレースは、電子捕獲型検出器でGCに結合され、プログラムされた昇温脱離ガスシステムを用いて分析した。機器分析は、インスツルメンテーション·ドリフトおよび損失のためのサンプルの変動やアカウントを減らすために直接液体蒸着法と組み合わされる。...

プログラムされた温度脱着ガスクロマトグラフィー - 電子捕獲型検出器による微量爆発性気体の定量的検出

学ぶエネルギー・フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィーによる3D化学マッピング手法。ナノスケールでの材料の化学組成分布を可視化・定量化し、材料科学や触媒研究の理解を深めます。

エネルギー化学 3 D マップの取得フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィー

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