개별 나노 입자의 3D 원소 매핑에 대한 에너지 분산 X 선 단층 촬영

이 실험의 전반적인 목표는 갈바닉 대체 반응에 의해 합성되는 은-금 나노 입자 내 원소의 분포를 조사하는 것입니다. 이 방법은 특정 나노 입자 조성이 향상된 촉매 성능을 나타내는 이유와 같은 촉매 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 나노미터 규모에서 원소 분포를 조사할 수 있다는 것입니다.

이를 통해 3차원에서 믿을 수 없을 정도로 높은 해상도를 구현할 수 있습니다. 이 방법은 금속 나노 입자를 연구하는 데 사용되었지만 반도체 양자점과 같은 나노미터 길이 규모의 다른 물질을 연구하는 데에도 사용할 수 있으며, 이를 통해 세포 내부의 광학적 특성과 성능을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 나노 입자 합성을 시작하려면 실온에서 PVP 5g을 37.5ml의 에틸렌 글리콜에 용해시킵니다.

그런 다음 이 용액에 질산은 200mg을 추가합니다. 질산은이 완전히 용해될 때까지 용액을 저어준 다음 핫플레이트에서 분당 섭씨 1도의 일정한 속도로 용액을 섭씨 100도의 온도로 가열합니다. 다음 100시간 동안 섭씨 100도에서 1/2시간 동안 반응을 진행하십시오.

그런 다음 증류수 87.5ml를 넣고 용액을 실온으로 다시 냉각합니다. 그런 다음 8000 배 G.Remove에서 용액을 원심 분리하고은 나노 입자를 증류수 50 밀리리터에 재분산시킨다. 새로운 둥근 바닥 플라스크에 PVP 50mg을 실온에서 50ml의 에틸렌 글리콜에 용해시킵니다.

은 나노 입자 현탁액 2.78 밀리리터를 넣고 플라스크를 섭씨 100도에서 10 분 동안 가열합니다. 다음으로, 100ml의 0.2 또는 수소 테트라클로로아우레이트 삼수화물을 준비합니다. 용액의 10, 20, 30 또는 40 밀리리터 분취량을 적가하여 은 나노 입자 용액의 준비물을 분리하여 다양한 비율로 금-은 나노 입자를 얻습니다.

실온으로 식힌 후 증류수로 3회 세척합니다. 약 0.02 밀리리터의 나노 입자 용액을 탄소 TEM 그리드에 직접 피펫팅합니다. 가능한 경우 베릴륨 TEM 그리드를 사용하여 스퓨리어스 X선을 제한하고 큰 메쉬 크기를 사용하여 그리드의 그림자를 최소화합니다.

나노 입자 용액이 건조된 후 모세관 방지 핀셋으로 그리드를 잡고 TEM 그리드 위에 10-20방울의 100% 메탄올 또는 에탄올을 피펫팅하여 TEM 그리드를 청소합니다. 여과지를 사용하여 한 방울 떨어뜨린 후 여분의 액체를 부드럽게 제거하십시오. 마지막으로, 진공 상태에서 섭씨 80도의 그리드를 어닐링하여 남아 있는 오염을 제거하거나 고정합니다.

나노 입자 코팅 그리드를 단층 촬영 홀더에 로드한 다음 TEM에 삽입합니다. 현미경 진공이 적절한 안정 값에 도달하면 컬럼 밸브를 열고 화면에서 전자빔을 관찰할 수 있는지 확인합니다. 스캐닝 TEM 모드에서 회절이 선택되어 있는지 확인한 다음 검색 탭으로 이동하여 Alpha Wobbler 버튼을 눌러 스테이지를 플러스 또는 마이너스 15도 사이로 기울입니다.

Z 높이를 유센트릭 높이로 조정하여 샘플의 움직임을 최소화합니다. 이제 빔이 샘플의 구멍 위에 있도록 샘플을 이동합니다. 프로브의 초점이 부족한 이미지에서 조리개의 그림자를 중앙에 배치하여 적절한 콘덴서 조리개가 올바르게 정렬되었는지 확인합니다.

빔 테일 정렬 불량을 확인하기 위해 초점이 맞춰진 프로브가 움직이지 않도록 강도를 흔듭니다. 그런 다음 Search 탭에서 show tracks를 선택하고 이미징하는 동안 그리드 사각형의 윤곽을 따라 그리드 사각형의 윤곽을 추적합니다. 그리드 사각형의 중간 부분 내에서 대표 입자를 찾습니다.

이미징하는 동안 샘플을 홀더의 최대 기울기 범위로 기울여 큰 홀더 기울기에서 나노 입자가 그리드 막대에 의해 가려지지 않도록 합니다. 5도에서 10도 사이의 각도 증분을 사용하여 전체 기울기 각도 범위에서 5분의 일정한 획득 시간으로 고각도 각도 암시야 및 에너지 분산 X선 스펙트럼 이미지를 획득합니다. 먼저, Imaging 창에서 Acquire를 클릭하여 개요가 높은 각도의 각도 암시야 이미지를 획득합니다.

그런 다음 이 이미지 위로 상자를 드래그하고 Acquire를 눌러 나노 입자 주위의 매핑 창을 선택합니다. 다음으로, 먼저 스펙트럼 데이터 큐브를 RAW 파일로 열어 특징적인 X-ray 수를 추출합니다. 그런 다음 Slice 2D 및 Sum 함수를 사용하여 관심 피크의 에너지 채널에 해당하는 데이터 큐브 슬라이스의 명암을 합산합니다.

이전 단계와 동일한 방식으로 에너지 분산 X선 스펙트럼 이미지를 획득하되, 상수의 획득 시간에 대한 데이터에서 결정된 시간 간격을 사용합니다. 고각 각도 암시야 TIFF 이미지를 이미지 시퀀스로 가져옵니다. 이를 사용하여 이미지 시각화 소프트웨어의 MRC 라이터를 사용하여 고각 각도 암시야 이미지의 틸트 시리즈를 MRC 파일 형식으로 컴파일할 수 있습니다.

다음으로, 고각 각도 암시야 이미지를 교차 상관시켜 틸트 시리즈의 대략적인 정렬을 얻습니다. 선형 데이터를 SFT 파일 또는 파일 XCORR.TXT으로 저장합니다. 그런 다음 Calculate Alignment Shifts 창에서 Proceed를 눌러 전체 틸트 시리즈에 대한 교차 상관을 수행합니다.

로컬 이동이 1픽셀 미만이 될 때까지 정렬을 반복하고 각 단계의 모든 이동 파일을 텍스트로 저장해야 합니다. 다음으로, 획득한 스펙트럼 데이터 큐브를 로드하고 Slice 3D 및 Sum 스크립팅 기능을 사용하여 관심 요소에 해당하는 에너지 채널의 합산된 슬라이스인 맵을 추출합니다. 단층 촬영 재구성 소프트웨어에서 Apply Alignment(정렬 적용) 탭으로 이동하고 Use shifts from alignment data view(정렬 데이터 보기에서 이동 사용)를 선택하여 추출된 에너지 분산 X선 원소 맵에 고각도 각도 암시야 정렬을 적용합니다.

필요한 경우 고각 각도 암시야 이미지 시리즈에서 틸트 축 조정을 수행하고 정렬 적용 탭에서 틸트 축 조정 보정 사용 작업을 선택하여 암시야 이미지와 X-ray 맵 모두에 조정을 적용합니다. 다음으로, 단층 촬영 소프트웨어 패키지 내에 구현된 동시 반복 재구성 알고리즘을 사용하여 추출된 각 에너지 분산 X선 원소 신호에 대한 단층 촬영 데이터 세트를 재구성합니다. 이미지 시각화 소프트웨어에서 Image(이미지)를 선택하고 Stacks(스택)로 이동한 다음 Orthogonal Views(직교 보기)를 선택하여 개별 원소 재구성의 직교 슬라이스를 추출합니다.

시각화 소프트웨어를 사용하여 재구성에서 추가 직교 슬라이스, 볼륨 및 표면 렌더링을 구성하고 시각화합니다. 스케일이 올바르게 설정되었는지 확인하려면 스케일이 REC 파일에서 잘 전송되지 않는 경우가 많으므로 모든 원소 재구성을 로드하고 확인하십시오. 그런 다음 객체 풀에서 재구성 객체를 선택하고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭한 다음 직교 슬라이스 모듈을 선택하여 직교 슬라이스를 추출합니다.

재구성을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Volume Rendering을 선택하여 볼륨 렌더링을 추출합니다. 마지막으로, 재구성을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Isosurface를 선택하여 등가곡면을 추출합니다. 에너지 분산 X선 단층촬영을 사용하여 수행된 3차원 원소 매핑은 갈바닉 반응에 의해 합성된 낮은 금 함량의 은-금 나노 입자 내에서 명확한 금 표면 편석을 보여주었습니다.

그러나 금 함량이 증가함에 따라 이 표면 편석이 전환되어 금 함량이 가장 높은 경우 명확한 은 표면 편석이 있었습니다. 이 기술은 개별 나노 입자에 대한 표면 조성을 특성화하는 능력을 보여주었습니다. X선 광전자 분광법(photo-electron spectroscopy)과 같은 무료 기술은 앙상블 나노 입자 집단에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.

이 비디오를 시청한 후에는 에너지 분산 X선 단층 촬영을 사용하여 나노 입자의 3차원 화학 이미지를 얻는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.