Tomografia rentgenowska z dyspersją energii do mapowania pierwiastkowego 3D pojedynczych nanocząstek

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zbadanie rozkładu pierwiastków w nanocząstkach srebra i złota, które są syntetyzowane w reakcji wymiany galwanicznej. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie katalizy, takie jak to, dlaczego niektóre kompozycje nanocząstek wykazują zwiększoną wydajność katalityczną. Główną zaletą tej techniki jest możliwość sondowania rozkładu pierwiastków w skali nanometrowej.

Pozwala to na niewiarygodnie wysoką rozdzielczość w trzech wymiarach. Chociaż metoda ta została tutaj wykorzystana do badania nanocząstek metalicznych, może być również wykorzystana do badania innych materiałów w skali nanometrowej, takich jak półprzewodnikowe kropki kwantowe, gdzie może pomóc nam zrozumieć ich właściwości optyczne i wydajność wewnątrz komórek. Aby rozpocząć syntezę nanocząstek, rozpuść pięć gramów PVP w 37,5 mililitrach glikolu etylenowego w temperaturze pokojowej.

Następnie dodaj 200 miligramów azotanu srebra do tego roztworu. Mieszaj roztwór, aż azotan srebra całkowicie się rozpuści, a następnie podgrzej roztwór ze stałą prędkością jednego stopnia Celsjusza na minutę na płycie grzejnej do temperatury 100 stopni Celsjusza. Pozwól reakcji postępować w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez następny i 1/2 godziny.

Następnie dodaj 87,5 mililitra wody destylowanej i schłodzić roztwór z powrotem do temperatury pokojowej. Następnie odwiruj roztwór w temperaturze 8000 razy G. Usuń supernatant i ponownie rozproszyć nanocząstki srebra w 50 mililitrach wody destylowanej. W nowej kolbie okrągłodennej rozpuść 50 miligramów PVP w 50 mililitrach glikolu etylenowego w temperaturze pokojowej.

Dodać 2,78 mililitra zawiesiny nanocząstek srebra i podgrzewać kolbę w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez 10 minut. Następnie przygotuj 100 mililitrów trójwodzianu 0,2 lub wodorotetrachloroauranianu. Dodawać kroplami 10, 20, 30 lub 40 mililitrowych porcji roztworu, aby oddzielić preparaty roztworu nanocząstek srebra w celu uzyskania nanocząstek złota i srebra w różnych proporcjach.

Schłodzić do temperatury pokojowej i trzykrotnie umyć wodą destylowaną. Odpipetować około 0,02 mililitra roztworu nanocząstek bezpośrednio na węglową siatkę TEM. Jeśli to możliwe, użyj berylowych siatek TEM, aby ograniczyć fałszywe promieniowanie rentgenowskie, oraz dużego rozmiaru siatki, aby zminimalizować zacienienie z siatki.

Po wyschnięciu roztworu nanocząstek wyczyść siatki TEM, pipetując od 10 do 20 kropli 100% metanolu lub etanolu przez siatkę TEM, przytrzymując siatkę antykapilarną pęsetą krzyżową. Delikatnie usuń nadmiar płynu po każdej kropli za pomocą bibuły filtracyjnej. Na koniec wyżarzaj siatkę w temperaturze 80 stopni Celsjusza w próżni, aby usunąć lub unieruchomić wszelkie pozostałe zanieczyszczenia.

Załaduj siatkę pokrytą nanocząstkami do uchwytu tomograficznego, a następnie włóż ją do TEM. Gdy próżnia mikroskopu osiągnie odpowiednią stabilną wartość, otwórz zawory kolumny i upewnij się, że wiązka elektronów może być obserwowana na ekranie. W trybie skanowania TEM upewnij się, że wybrano dyfrakcję, a następnie przejdź do zakładki Szukaj i przechyl stolik w zakresie od plus do minus 15 stopni, naciskając przycisk Alpha Wobbler.

Zminimalizuj wszelkie ruchy w próbce, dostosowując wysokość Z do wysokości eucentrycznej. Teraz przesuń próbkę tak, aby wiązka znajdowała się nad otworem w próbce. Upewnij się, że odpowiednia apertura kondensora jest prawidłowo wyrównana, wyśrodkować cień przysłony na nieostrym obrazie sondy.

Wahaj intensywność, aby upewnić się, że skupiona sonda nie porusza się, aby sprawdzić, czy nie ma niewspółosiowości ogona belki. Następnie prześledź kontur kwadratu siatki, wybierając opcję pokaż ścieżki na karcie Szukaj i podążając za konturem kwadratu siatki podczas obrazowania. Znajdź reprezentatywną cząstkę w środkowej części kwadratu siatki.

Podczas obrazowania należy przechylić próbkę do maksymalnego zakresu nachylenia uchwytu, aby upewnić się, że nanocząstka nie jest zasłonięta przez pręty siatki przy dużych pochyleniach uchwytu. Uzyskuj obrazy widma rentgenowskiego o dużym kącie, kątowym, ciemnym polu i rozpraszającym energię promieniowaniu rentgenowskim w stałym czasie rejestracji wynoszącym pięć minut w pełnym zakresie kątów nachylenia, wykorzystując przyrosty kątowe od pięciu do 10 stopni. Najpierw uzyskaj poglądowy obraz kątowego ciemnego pola pod dużym kątem, klikając przycisk Acquire (Uzyskaj) w okienku Imaging (Obrazowanie).

Następnie wybierz okno mapowania wokół nanocząstki, przeciągając pole nad tym obrazem i naciskając przycisk Pobierz. Następnie wyodrębnij charakterystyczne zliczenia promieniowania rentgenowskiego, otwierając najpierw kostki danych spektralnych jako pliki RAW. Następnie zsumuj intensywność wycinków kostki danych, które odpowiadają kanałom energetycznym interesujących pików, używając funkcji Slice 2D i Sum.

Pobieraj obrazy widma promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii w taki sam sposób, jak w poprzednim kroku, ale przy użyciu przedziałów czasowych określonych na podstawie danych dotyczących czasu akwizycji stałej. Zaimportuj kątowe obrazy TIFF ciemnego pola pod dużym kątem jako sekwencję obrazów. Służą one do kompilowania serii kątowych obrazów ciemnego pola o dużym kącie nachylenia do formatu pliku MRC za pomocą modułu zapisującego MRC w oprogramowaniu do wizualizacji obrazów.

Następnie skoreluj krzyżowo kątowe obrazy ciemnego pola pod dużym kątem, aby uzyskać przybliżone wyrównanie serii nachylenia. Dane wyrównania można zapisać jako plik SFT lub jako plik XCORR.TXT. Następnie naciśnij przycisk Kontynuuj w oknie Oblicz przesunięcia wyrównania, aby przeprowadzić korelację krzyżową dla całej serii pochylenia.

Powtarzaj wyrównanie, aż przesunięcia lokalne spadną poniżej jednego piksela, pamiętając, aby zapisać wszystkie pliki przesunięć na każdym kroku jako tekst. Następnie załaduj pozyskane kostki danych spektralnych i użyj funkcji skryptowych Slice 3D i Sum w celu wyodrębnienia map, które są zsumowanymi wycinkami kanałów energetycznych odpowiadających interesującym elementom. W oprogramowaniu do rekonstrukcji tomografii przejdź do zakładki Zastosuj wyrównanie i wybierz opcję Użyj przesunięć z widoku danych wyrównania, aby zastosować kątowe wyrównania ciemnego pola pod dużym kątem do wyodrębnionych map pierwiastkowych promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii.

W razie potrzeby wykonaj regulację osi pochylenia na serii zdjęć ciemnego pola kątowego pod dużym kątem i zaznacz zadanie Użyj korekcji z regulacji osi pochylenia na karcie Zastosuj wyrównanie, aby zastosować korektę zarówno do obrazów ciemnego pola, jak i map rentgenowskich. Następnie użyj algorytmu jednoczesnej rekonstrukcji iteracyjnej zaimplementowanego w pakiecie oprogramowania tomografii, aby zrekonstruować zestaw danych tomograficznych dla każdego z wyodrębnionych sygnałów elementarnych promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii. W oprogramowaniu do wizualizacji obrazów wybierz opcję Obraz, przejdź do opcji Stosy i wybierz opcję Widoki ortogonalne, aby wyodrębnić wycinki orto oddzielnych rekonstrukcji elementów.

Konstruowanie i wizualizacja dalszych ortoplastów, objętości i renderingów powierzchni z rekonstrukcji za pomocą oprogramowania do wizualizacji. Aby upewnić się, że skala jest ustawiona poprawnie, załaduj wszystkie rekonstrukcje elementów i sprawdź je, ponieważ skala często nie jest dobrze przenoszona z plików REC. Następnie wybierz obiekt rekonstrukcyjny w puli obiektów i kliknij prawym przyciskiem myszy, a następnie wybierz moduł Przekrój orto, aby wyodrębnić przekrój orto.

Kliknij prawym przyciskiem myszy rekonstrukcję i wybierz opcję Renderowanie objętości, aby wyodrębnić renderowanie objętości. Na koniec wyodrębnij izopowierzchnię, klikając prawym przyciskiem myszy rekonstrukcję i wybierając Isosurface. Trójwymiarowe mapowanie pierwiastków przeprowadzone za pomocą tomografii rentgenowskiej z dyspersją energii ujawniło wyraźną segregację powierzchni złota w nanocząstkach srebra i złota o niskiej zawartości złota zsyntetyzowanych w reakcji galwanicznej.

Jednak wraz ze wzrostem zawartości złota ta segregacja powierzchni zmienia się, tak że dla najwyższej zawartości złota nastąpiła wyraźna segregacja powierzchni srebra. Technika ta wykazała zdolność do charakteryzowania składu powierzchni pojedynczej nanocząstki. Techniki uzupełniające, takie jak rentgenowska spektroskopia fotoelektronów, mogą dostarczyć informacji na temat populacji nanocząstek w zespole

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak używać tomografii rentgenowskiej z dyspersją energii do uzyskania trójwymiarowych obrazów chemicznych nanocząstek.