Name: Tomografia rentgenowska z dyspersją energii do mapowania pierwiastkowego 3D pojedynczych nanocząstek (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min
Description: Poznaj tomografię rentgenowską z dyspersją energii do mapowania pierwiastkowego 3D nanocząstek srebro-złota. Ta technika umożliwia badanie dystrybucji pierwiastków w skali nanometrycznej, co jest kluczowe dla zrozumienia właściwości katalitycznych materiałów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

TJAS i SJH dziękują Brytyjskiej Radzie ds. Badań Inżynieryjnych i Fizycznych (numery grantów EP/G035954/1 i EP/L01548X/1) za wsparcie finansowe. Autorzy pragną podziękować za wsparcie ze strony Rządu Wielkiej Brytanii dla zapewnienia funduszy na Titan G2 80-200 S/TEM związanych z możliwościami badawczymi Centrum Badawczego Nuclear Advanced Manufacturing.

1. Synteza nanocząstek
<ol>
	<li>Rozpuścić 10 g poliwinylopirolidonu (PVP) (MW = 10 000 g/mol) w 75 ml glikolu etylenowego w temperaturze pokojowej. Do tego roztworu dodać 400 mgAgNO3</li>.
	<li>Mieszać roztwór, aż AgNO3 całkowicie się rozpuści, a następnie podgrzać na płycie grzejnej do 100 °C ze stałą szybkością 1 °C min-1. Pozostawić reakcję w temperaturze 100 °C przez 1,5 godziny.</li>
	<li>Dodać 175 ml wody destylowanej i schłodzić do temperatury pokojowej. Odwirować przy 8 000 x g, usunąć supernatant i ponownie rozproszyć nanocząstki w 50 ml wody destylowanej. Powtórz trzy razy.</li>
	<li>Rozpuścić 500 mg PVP (55 000 g/mol) w 500 ml glikolu etylenowego w temperaturze pokojowej. Dodać ten roztwór i 27,8 ml zawiesiny nanocząstek Ag z poprzedniego etapu do kolby okrągłodennej o pojemności 1 000 ml. Podgrzewać kolbę w temperaturze 100 °C przez 10 min.</li>
	<li>Dodać trójwodny wodorowodor tetrachloroauran do 1 000 ml wody, aby uzyskać 0,2 mM roztwór AuCl4-(aq). Dodać kroplami 100, 200, 300 lub 400 ml podwielokrotności 0,2 mM AuCl4-(aq) do roztworu otrzymanego w poprzednim etapie, aby otrzymać nanocząstki AgAu o średnim składzie: Ag93Au7 (Ag 93 at% Au 7 at%), Ag82Au18 (Ag 82 at% Au 18at%), Ag78Au22 (Ag 78 at% Au 22 at%) i Ag66Au34 (Ag 66 at% Au 18 at%).</li>
	<li>Schłodzić do temperatury suchej, a następnie przemyć wodą destylowaną trzykrotnie w kolejnych rundach wirowania przy stężeniu 8 000 x g, usuwając sklarowany osad i redyspersję w 50 ml wody destylowanej. Dodać 0,05 ml roztworu nanocząstek do 10 ml wody demineralizowanej.</li>
</ol>
2. Przygotowanie próbki TEM
<ol>
	<li>Odpipetować około 0,05 ml roztworu nanocząstek na dziurawą/ciągłą siatkę TEM z włókna węglowego. Użyj metalowego nośnika używanego do siatek TEM z berylu, aby ograniczyć fałszywe promieniowanie rentgenowskie, chociaż siatka Cu lub Au wystarczy, jeśli w widmie EDX próbki nie ma nakładających się pików zainteresowania z Cu lub Au. Używaj większych rozmiarów oczek (np. 200 oczek), aby zminimalizować możliwość zacienienia od siatki.</li>
	<li>Po wyschnięciu roztworu nanocząstek należy oczyścić kratki TEM, myjąc je w czystym metanolu lub etanolu. Pipeta 10-20 upuszcza się na siatkę TEM, gdy jest trzymana za pomocą pęsety krzyżowej antykapilarnej. Usuń nadmiar płynu po każdej kropli z siatki za pomocą bibuły filtracyjnej delikatnie dotykanej krawędzi siatki.</li>
	<li>Siatka wyżarzania w temperaturze około 80 °C (najlepiej w próżni) w celu zmniejszenia zanieczyszczenia pod wiązką elektronów poprzez usunięcie lub unieruchomienie wszelkich pozostałych zanieczyszczeń.</li>
</ol>
3. Charakterystyka cieniowania detektora
<ol>
	<li>Załaduj nanocząstki z siatki nośnej TEM do uchwytu tomografii, a następnie włóż uchwyt do TEM.</li>
	<li>Poczekaj, aż podciśnienie w mikroskopie osiągnie odpowiednią stabilną wartość (poniżej około 1.8 x 10-7 Torr). Otwórz zawory kolumny i upewnij się, że wiązka elektronów jest widoczna na ekranie fluorescencyjnym mikroskopu.</li>
	<li>Wyrównaj STEM. 
	Uwaga: Tutaj opisano ustawienia dla instrumentu STEM Titan G2 z korekcją aberracji po stronie sondy działającego pod napięciem 200 kV wraz z uchwytem tomografu 2020. Optymalne procedury ustawiania dla innych mikroskopów mogą nieznacznie różnić się od opisanych.
	<ol>
		<li>W trybie dyfrakcji STEM użyj nieostrego obrazu cienia, aby ustawić próbkę na wysokości eucentrycznej. Aby to zrobić, przechyl stolik w zakresie ± 15°, naciskając przycisk Alpha Wobbler na karcie Search (Szukaj) i zminimalizuj wszelkie ruchy obiektów w próbce, dostosowując wysokość z.</li>
		<li>Przesuń próbkę tak, aby wiązka znajdowała się nad otworem w próbce i upewnij się, że odpowiednia apertura kondensatora jest prawidłowo wyrównana, centrując cień apertury na niedostatecznie ostrym obrazie sondy. Wahaj intensywność i upewnij się, że skupiona sonda nie porusza się, aby sprawdzić, czy nie ma niewspółosiowości nachylenia wiązki.</li>
		<li>Przesunąć próbkę tak, aby obszar amorficznego węgla był widoczny i skupić wiązkę w trybie dyfrakcji, aby uzyskać Ronchigram. Chwiej, skup się, aby zaobserwować aberracje w obrębie Ronchigramu i skoryguj je (np. astygmatyzm i komę osiową), jeśli to konieczne.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Prześledź kontur kwadratu siatki (jeden blisko środka siatki), wybierając opcję "Pokaż utwory" w zakładce "Szukaj" i podążając za konturem kwadratu siatki podczas obrazowania. Ułatwia to zapewnienie, że kolejne pomiary są wykonywane dla nanocząstek, które znajdują się w środku kwadratu siatki, w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa zacienienia z siatki nośnej. Jeśli akwizycja jest przeprowadzana na cząstce znajdującej się w pobliżu pręta siatki, jedna para detektorów będzie zacieniona w znacznie większym zakresie kątów nachylenia próbki.</li>
	<li>Znajdź reprezentatywną cząstkę w środkowej części kwadratu siatki. Przechyl do maksymalnego zakresu nachylenia uchwytu (zwykle ±70°) podczas obrazowania, aby upewnić się, że nanocząstka nie jest zasłonięta przez pręty siatki przy dużych pochyleniach uchwytu.</li>
	<li>Rejestruj obrazy widma HAADF i EDX przy użyciu stałego czasu akwizycji (np. 5 minut) w pełnym zakresie kątów nachylenia (zwykle ± 70°) z krokami kątowymi w zakresie 5-10°. Najpierw uzyskaj ogólny obraz HAADF, klikając przycisk Pobierz w okienku obrazowania. Wybierz okno mapowania wokół nanocząstki, przeciągając pole nad tym obrazem i naciśnij Pobierz.</li>
	<li>Wyodrębnij charakterystyczne zliczenia promieniowania rentgenowskiego z obrazów widma EDX, aby określić przedziały czasowe dla akwizycji danych, otwierając kostki danych spektralnych w oprogramowaniu do przetwarzania obrazu (jako pliki RAW). Następnie zsumuj intensywność wycinków kostki danych, które odpowiadają kanałom energii interesujących nas pików, używając funkcji slice2D i sum, skryptów dołączonych jako kod uzupełniający 1-3.</li>
</ol>
4. Akwizycja tomografii EDX
<ol>
	<li>Powtórzyć kroki 3.1-3.5 dla próbki nanocząstek, która jest przedmiotem zainteresowania.</li>
	<li>Uzyskaj obrazy widma HAADF i EDX w odstępach czasu określonych na podstawie charakterystyki cieniowania detektora z poprzedniej sekcji dla zakresu kątów nachylenia próbki (zwykle ± 70°), w taki sam sposób, jak w kroku 3.6.</li>
</ol>
5. Rekonstrukcja i wizualizacja
<ol>
	<li>Skompiluj serię obrazów HAADF tilt do formatu pliku mrc za pomocą jednej z następujących metod:
	<ol>
		<li>Użyj programu MRC Writer w oprogramowaniu do wizualizacji obrazów12 (File > Save As > MRC writer) po zaimportowaniu plików TIFS HAADF jako "Sekwencji obrazów".</li>
		<li>Alternatywnie można skorzystać z funkcji tif_to_mrc w pakiecie oprogramowania tomografii13.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Skoreluj krzyżowo obrazy HAADF w wybranym oprogramowaniu, aby uzyskać zgrubne wyrównanie serii pochylenia. Zapisz dane wyrównania jako plik .sft lub jako plik xcorr.txt. W oprogramowaniu tomograficznym skonfiguruj filtr w oknie Setup Filter (Filtr konfiguracji), który zapewnia najostrzejszy pik w okienku Korelacja krzyżowa.
	<ol>
		<li>Następnie naciśnij przycisk Kontynuuj w oknie Oblicz przesunięcia wyrównania, aby wykonać korelację krzyżową dla całej serii pochylenia. Powtarzaj wyrównanie, aż lokalne przesunięcia spadną poniżej 1 piksela, upewniając się, że wszystkie pliki przesunięć na każdym kroku są zapisywane jako tekst. 
		Uwaga: Czasami konieczne jest staranne ustawienie filtra używanego podczas wykonywania korelacji krzyżowej, aby zapewnić dobre wyrównanie danych serii pochylenia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W oprogramowaniu do przetwarzania obrazu załaduj uzyskane kostki danych spektralnych i wyodrębnij mapy, które są zsumowanymi wycinkami kanałów energetycznych odpowiadających interesującym elementom za pomocą funkcji skryptowych slice3d i sum, skryptów dołączonych jako kod uzupełniający 4 i 5.</li>
	<li>Zastosuj wyrównania określone na podstawie obrazów HAADF do wyodrębnionych map elementarnych EDX. Zrób to w oprogramowaniu do rekonstrukcji tomografii w zakładce Zastosuj wyrównanie, wybierając opcję "Użyj przesunięć z widoku danych wyrównania".</li>
	<li>W razie potrzeby wykonaj regulację osi nachylenia w oprogramowaniu do rekonstrukcji tomografii w serii obrazów HAADF i zastosuj zarówno do obrazów HAADF, jak i map EDX, zaznaczając opcję "Użyj korekt z zadania regulacji osi pochylenia" w zakładce "Zastosuj wyrównanie".</li>
	<li>Rekonstrukcja zestawu danych tomograficznych dla każdego z wyodrębnionych sygnałów elementarnych EDX przy użyciu algorytmu techniki jednoczesnej rekonstrukcji iteracyjnej (SIRT) zaimplementowanego w pakiecie oprogramowania tomografii, zapewniając, że wymiary rekonstrukcji są takie same dla wszystkich elementów. W oprogramowaniu do rekonstrukcji tomografii ustaw parametry w oknie Rekonstruuj objętość (wielkość objętości, 20 iteracji itp.) i naciśnij Kontynuuj. Upewnij się, że parametry rekonstrukcji są takie same dla każdego elementu.</li>
	<li>Wyodrębnij ortoplasterki oddzielnych rekonstrukcji elementarnych, wybierając Obraz > Stosy > Widoki ortogonalne w oprogramowaniu do wizualizacji obrazu12.</li>
	<li>Konstruowanie i wizualizacja dalszych renderingów ortoplastów, objętości i powierzchni z rekonstrukcji za pomocą oprogramowania do wizualizacji. Załaduj wszystkie rekonstrukcje elementów i upewnij się, że skala jest ustawiona poprawnie, ponieważ często nie jest ona przenoszona z plików .rec.
	<ol>
		<li>Wybierz obiekt rekonstrukcyjny w puli obiektów, a następnie kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz moduł ortoplaster, aby wyodrębnić ortoplaster. Kliknij prawym przyciskiem myszy rekonstrukcję i wybierz renderowanie woluminu, aby wyodrębnić renderowanie objętości. Wyodrębnij izopowierzchnię, klikając prawym przyciskiem myszy rekonstrukcję i wybierając isosurface. 
		Uwaga: Automatyczna segmentacja poprzez progowanie jest bardziej niezawodną metodą, ale w przypadku, gdy stosunek sygnału do szumu jest słaby, może być konieczna ręczna segmentacja w celu usunięcia hałaśliwych wokseli spoza objętości nanocząstek w celu wizualizacji izopowierzchni.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Midgley, P. A., Weyland, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+electron+microscopy+in+the+physical+sciences%3A+the+development+of+Z-contrast+and+EFTEM+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">3D electron microscopy in the physical sciences: the development of Z-contrast and EFTEM tomography.</a> Ultramicroscopy. 96, 413-431 (2003).</li>
<li>Mobus, G., Doole, R. C., Inkson, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectroscopic+electron+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Spectroscopic electron tomography.</a> Ultramicroscopy. 96, 433-451 (2003).</li>
<li>Kotula, P., Brewer, L., Michael, J., Giannuzzi, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computed+Tomographic+Spectral+Imaging%3A+3D+STEM-EDS+Spectral+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Microsc.+Microanal%22%5BJournal%5D)">Computed Tomographic Spectral Imaging: 3D STEM-EDS Spectral Imaging.</a> Microsc. Microanal. 13, 1324-1325 (2007).</li>
<li>Lepinay, K., Lorut, F., Pantel, R., Epicier, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical+3D+tomography+of+28+nm+high+K+metal+gate+transistor%3A+STEM+XEDS+experimental+method+and+results%5BTitle%5D)+AND+%22Micron%22%5BJournal%5D)">Chemical 3D tomography of 28 nm high K metal gate transistor: STEM XEDS experimental method and results.</a> Micron. 47, 43-49 (2013).</li>
<li>Genc, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((XEDS+STEM+tomography+for+3D+chemical+characterization+of+nanoscale+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">XEDS STEM tomography for 3D chemical characterization of nanoscale particles.</a> Ultramicroscopy. 131, 24-32 (2013).</li>
<li>Goris, B., Polavarapu, L., Bals, S., Van Tendeloo, G., Liz-Marzan, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monitoring+galvanic+replacement+through+three-dimensional+morphological+and+chemical+mapping%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Monitoring galvanic replacement through three-dimensional morphological and chemical mapping.</a> Nano Lett. 14, 3220-3226 (2014).</li>
<li>Goris, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+elemental+mapping+at+the+atomic+scale+in+bimetallic+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional elemental mapping at the atomic scale in bimetallic nanocrystals.</a> Nano Lett. 13, 4236-4241 (2013).</li>
<li>Jarausch, K., Thomas, P., Leonard, D. N., Twesten, R., Booth, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Four-dimensional+STEM-EELS%3A+Enabling+nano-scale+chemical+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Four-dimensional STEM-EELS: Enabling nano-scale chemical tomography.</a> Ultramicroscopy. 109, 326-337 (2009).</li>
<li>von Harrach, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+the+Detection+Limits+of+EDS+and+EELS+in+S%2FTEM%5BTitle%5D)+AND+%22Microsc.+Microanal%22%5BJournal%5D)">Comparison of the Detection Limits of EDS and EELS in S/TEM.</a> Microsc. Microanal. 16, 1312-1313 (2010).</li>
<li>Tedsree, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+production+from+formic+acid+decomposition+at+room+temperature+using+a+Ag-Pd+core-shell+nanocatalyst%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Hydrogen production from formic acid decomposition at room temperature using a Ag-Pd core-shell nanocatalyst.</a> Nat. Nanotechnol. 6, 302-307 (2011).</li>
<li>Slater, T. J. A., Camargo, P. H., Burke, M. G., Zaluzec, N. J., Haigh, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+the+limitations+of+the+Super-X+energy+dispersive+x-ray+spectrometer+as+a+function+of+specimen+tilt+angle+for+tomographic+data+acquisition+in+the+S%2FTEM%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Conf.+Ser%22%5BJournal%5D)">Understanding the limitations of the Super-X energy dispersive x-ray spectrometer as a function of specimen tilt angle for tomographic data acquisition in the S/TEM.</a> J. Phys. Conf. Ser. 522, 012025(2014).</li>
<li>Schindelin, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fiji%3A+an+open-source+platform+for+biological-image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">Fiji: an open-source platform for biological-image analysis.</a> Nat. Methods. 9, 676-682 (2012).</li>
<li>Kremer, J. R., Mastronarde, D. N., McIntosh, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computer+visualization+of+three-dimensional+image+data+using+IMOD%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Struct.+Biol%22%5BJournal%5D)">Computer visualization of three-dimensional image data using IMOD.</a> J. Struct. Biol. 116, 71-76 (1996).</li>
<li>von Harrach, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+integrated+Silicon+Drift+Detector+System+for+FEI+Schottky+Field+Emission+Transmission+Electron+Microscopes%5BTitle%5D)+AND+%22Microsc.+Microanal%22%5BJournal%5D)">An integrated Silicon Drift Detector System for FEI Schottky Field Emission Transmission Electron Microscopes.</a> Microsc. Microanal. 15, 208-209 (2009).</li>
<li>Slater, T. J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlating+Catalytic+Activity+of+Ag-Au+Nanoparticles+with+3D+Compositional+Variations%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Correlating Catalytic Activity of Ag-Au Nanoparticles with 3D Compositional Variations.</a> Nano Lett. 14, 1921-1926 (2014).</li>
<li>Lewis, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+imaging+and+elemental+mapping+of+AgAu+nanoparticle+transformations%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Real-time imaging and elemental mapping of AgAu nanoparticle transformations.</a> Nanoscale. 6, 13598-13605 (2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Przedstawiony tutaj protokół zapewnia metodę określania rozkładu pierwiastków dowolnej wielopierwiastkowej nanocząstki w trzech wymiarach. W przypadku prezentowanych tutaj nanocząstek AgAu segregacja powierzchniowa obu pierwiastków jest wyraźnie zidentyfikowana i wykazano, że jest skorelowana z wydajnością katalityczną w trzyskładnikowej reakcji sprzęgania. To wyraźnie pokazuje użyteczność tej techniki w wyjaśnianiu fizycznych i chemicznych właściwości układów nanocząstek.
Jak zawsze w przypadku TEM, należy zachować ostrożność podczas przygotowywania próbek, aby zapewnić jak najlepsze wyniki. Dokładne mycie i wyżarzanie siatek po osadzeniu roztworu nanocząstek jest szczególnie ważne, aby uniknąć gromadzenia się zanieczyszczenia węglowego przez dużą dawkę elektronów potrzebną do tomografii EDX. Zastosowana duża dawka może również spowodować poważne uszkodzenie dziurawych warstw węglowych, szczególnie jeśli na cienkich odcinkach często znajdują się między otworami, ale warstwy nośne z azotku krzemu mogą sprzyjać utlenianiu nanocząstek16.
Korekta efektów cieniowania detektora jest ważna dla uzyskania dokładnej rekonstrukcji, szczególnie jeśli technika ta ma być w przyszłości stosowana do ilościowego mapowania rozkładów pierwiastków. Można to osiągnąć poprzez dokładną charakterystykę detektora, zacienianie, a następnie zmianę dawki elektronów do nanocząstki. Alternatywnie, cienie można skompensować poprzez pomnożenie obrazów widma przez współczynnik korekcji po akwizycji. Jednak zastosowanie tej techniki do dostarczania informacji ilościowych w trzech wymiarach nie jest jeszcze wykonalne ze względu na uszkodzenia nanocząstek wiązką elektronów, które ograniczają liczbę promieniowania rentgenowskiego osiągalną na każdym obrazie widma.
Kalibracja jest wymagana w celu skompensowania zacienienia detektora EDX w funkcji kąta nachylenia dla określonej kombinacji mikroskopu, detektora i uchwytu. Zacienienie należy początkowo określić przy użyciu próbki, która nie daje zmian w liczbie promieniowania rentgenowskiego dla różnych kątów nachylenia próbki i oczekuje się, że poszczególne sferyczne nanocząstki spełnią to kryterium, gdy ich skład jest stabilny pod wiązką elektronów w czasie potrzebnym do uzyskania serii nachylenia. Ponadto w przypadku nanocząstek krystalicznych wszelkie kąty nachylenia, przy których wiązka elektronów jest zorientowana wzdłuż głównej osi strefy nanocząstki, powinny zostać usunięte, a nanocząstka powinna być wystarczająco mała, aby uniknąć znacznej absorpcji promieniowania rentgenowskiego. W związku z tym, gdy obrazy widma EDX pojedynczej nanocząstki są rejestrowane w pełnym zakresie możliwych kątów nachylenia próbki przy użyciu stałego czasu akwizycji, wszelkie zmiany w zmierzonej charakterystycznej intensywności promieniowania rentgenowskiego będą spowodowane samym cieniowaniem detektora. Czasy akwizycji, a tym samym dawka, są następnie zmieniane w kolejnych akwizycjach, aby skompensować zacienienie, co oznacza, że całkowita liczba sygnałów jest w przybliżeniu stała dla wszystkich obrazów widma uzyskanych w serii pochylenia.
W porównaniu z trybami obrazowania HAADF lub EELS, akwizycja danych tomograficznych EDX jest wciąż na bardzo wczesnym etapie. Pomimo wprowadzenia detektorów promieniowania rentgenowskiego o większych kątach bryłowych, głównym ograniczeniem tomografii EDX, jak to często ma miejsce w przypadku dwuwymiarowego obrazowania EDX, jest niski sygnał. Mimo to, jedną z zalet, jaką spektroskopia EDX może mieć nad EELS dla niektórych systemów nanocząstek, jest oznaczanie niewielkich ilości ciężkich pierwiastków w dość dużych nanocząstkach. Większe wieloskładnikowe nanocząstki (>100 nm) często dobrze nadają się do badań EDX, ponieważ zapewniają więcej zliczeń i występują mniej problemów z dekonwolucją nakładania się widm, ale należy zachować ostrożność, aby używać wysokoenergetycznych pików promieniowania rentgenowskiego, które ulegają niewielkiej absorpcji.
Ogólnie rzecz biorąc, tomografia EDX jest doskonałą metodą określania rozkładu pierwiastków w nanocząstkach w trzech wymiarach, choć ograniczonym do nanocząstek, które mogą wytrzymać stosunkowo wysoką dawkę elektronów bez znacznych uszkodzeń. Dalsze zwiększanie kątów bryłowych detektorów promieniowania rentgenowskiego w ramach STEM i dalsza optymalizacja uchwytów na próbki tomograficzne pozwolą tej technice na dalszy rozwój i stanie się ważną metodą w charakterystyce pojedynczych nanocząstek.

Celem tej metody jest dokładne określenie trójwymiarowego rozkładu pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach. Odbywa się to za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX) w połączeniu z rekonstrukcją tomograficzną wykonywaną w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym (STEM).
Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii od dawna jest używana jako technika do ilościowego określania i przestrzennego mapowania pierwiastków obecnych w próbkach transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Wraz z pojawieniem się wysokokątowej pierścieniowej tomografii STEM ciemnego pola (HAADF) do trójwymiarowego obrazowania materiałów krystalicznych1, zaproponowano również tomografię rentgenowską z dyspersją energii jako metodę umożliwiającą określenie rozkładów pierwiastków w trzech wymiarach2. Jednak wczesne badania były ograniczone ze względu na konstrukcję detektorów promieniowania rentgenowskiego w transmisyjnym mikroskopie elektronowym. W szczególności te tradycyjne konstrukcje detektorów miały stosunkowo niską skuteczność zbierania i nie mierzyły sygnału w dużym zakresie kątów nachylenia z powodu zacienienia z uchwytu próbki2,3. Wprowadzenie nowych konstrukcji geometrycznych detektorów promieniowania rentgenowskiego w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (skaningowym) sprawiło, że tomografia rentgenowska z dyspersją energii stała się realną techniką i doprowadziła do wielu ostatnich badań4-6.
Obrazowanie STEM HAADF jest szeroko stosowanym trybem obrazowania tomografii elektronowej i jest w stanie dostarczyć informacji o składzie w określonych sytuacjach w oparciu o czułość liczby atomowej intensywności sygnału HAADF. Na przykład tomografia HAADF dobrze nadaje się do badania nanocząstek z dyskretnymi regionami elementarnymi, np. dobrze zdefiniowanymi morfologiami rdzenia-powłoki7, ale nie może być stosowana, gdy pierwiastki mają bardziej skomplikowany rozkład. Spektroskopia strat energii elektronów (EELS) zapewnia uzupełniające podejście do określania trójwymiarowych rozkładów pierwiastków w obrębie STEM8. W tej technice straty energii padającej wiązki elektronów są wykorzystywane do określenia składu próbki, co ma tę zaletę, że stosunek sygnału do szumu jest wyższy niż często uzyskuje się za pomocą spektroskopii EDX9. Wadą EELS jest to, że względy wielokrotnego rozpraszania nakładają rygorystyczne ograniczenia na grubość próbki, a w kilku sytuacjach analiza jest skomplikowana ze względu na obecność opóźnionych krawędzi początkowych lub nakładających się cech spektralnych. W związku z tym spektroskopia EDX jest często lepiej przystosowana do badania ciężkich pierwiastków, takich jak te często związane z katalitycznymi lub plazmonicznymi układami nanocząstek9. Dodatkowo, ponieważ obraz o pełnym spektrum jest zbierany w spektroskopii EDX, łatwo jest retrospektywnie zidentyfikować nieoczekiwane elementy, co jest trudniejsze w transmisyjnej mikroskopii elektronowej z filtrem energii (EFTEM) i EELS ze względu na częstotliwość nakładania się informacji elementarnych lub znajdowania się poza zakresem widmowym zestawu danych.
Idealna geometria próbki do tomografii EDX składa się z próbki w kształcie igły zawieszonej w próżni i zorientowanej wzdłuż osi nachylenia tomograficznego4. Taka sytuacja zapewnia, że detektory EDX nie są zacienione pod żadnym kątem nachylenia ani przez próbkę, ani przez uchwyt próbki. Jednak montaż wymaganych próbek w kształcie igieł do systemów nanocząstek jest trudny10, a przygotowanie próbki zwykle polega po prostu na przeniesieniu nanocząstek na cienką siatkę nośną TEM z warstwy węglowej. Siatki te są używane z uchwytem na próbki tomograficzne specjalnie zaprojektowanym tak, aby można go było przechylać pod dużym kątem (≈±75°), ale zacienienie detektorów EDX w tym zakresie kątów nachylenia próbki jest nieuniknione i może pogorszyć jakość uzyskanej rekonstrukcji tomograficznej. To zacienienie jest charakterystyczne dla określonego układu mikroskop-detektor-uchwyt i dlatego można je określić poprzez pomiar odpowiedniej próbki kalibracyjnej przed akwizycją11. Pojedyncze sferyczne nanocząstki są idealną próbką kalibracyjną, ponieważ intensywność zliczania promieniowania rentgenowskiego z tych próbek powinna pozostać stała we wszystkich kątach nachylenia. Zacienienie detektora można następnie skompensować poprzez zmianę czasu akwizycji pod każdym kątem lub przez pomnożenie ze współczynnikiem korekcyjnym po akwizycji danych. Pierwsze podejście jest stosowane, ponieważ minimalizuje dawkę elektronów, jednocześnie maksymalizując stosunek sygnału do szumu.

<table><tbody><tr><td>Titan G2 80-200 STEM</td><td>FEI</td><td></td><td>Z detektorem Super-X</td></tr><tr><td>Uchwyt tomograficzny 2020</td><td>Fischione</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Folia węglowa na siatce miedzianej o siatce 200 Agar</td><td>Scientific</td><td>AGS160</td><td></td></tr><tr><td>EDX Oprogramowanie akwizycyjne</td><td>Bruker</td><td></td><td>Esprit</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do wyrównania i rekonstrukcji tomograficznej</td><td>FEI</td><td></td><td>Inspect3D, alternatywy dostępny</td></tr><tr><td>pakiet oprogramowania do wyrównania i rekonstrukcji tomograficznej</td><td>University of Colorado</td><td></td><td>IMOD, dostępne alternatywy</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do</td><td>wizualizacji FEI</td><td></td><td>Avizo, dostępne alternatywy</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do przetwarzania obrazu</td><td>Gatan</td><td></td><td>Digital Micrograph, dostępne alternatywy</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do wizualizacji obrazu</td><td>Open Source</td><td></td><td>Fidżi, Dostępne alternatywy</td></tr><tr><td>Poliwinylo-pirolidon</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>856568</td><td></td></tr><tr><td>Glikol etylenowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>V900208</td><td></td></tr><tr><td>Azotan srebra Wirówka</td> stołowa <td>Sigma-Aldrich</td><td>209139</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Thermo Scientific</td><td>75007200</td><td></td></tr><tr><td>Kolba okrągłodenna</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z41,452-2</td><td>1 000 ml</td></tr><tr><td>Wodoroodór tetrachlorouran, trójwodny</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>520918</td><td></td></tr></tbody></table>

tomografia rentgenowska z dyspersją energii do mapowania pierwiastkowego 3d pojedynczych nanocząstek

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym (STEM) zapewnia dokładną analizę pierwiastkową o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, a nawet jest w stanie dostarczyć mapy pierwiastkowe o rozdzielczości atomowej. W tej technice silnie skupiona wiązka elektronów pada na cienką próbkę, a energia emitowanego promieniowania rentgenowskiego jest mierzona w celu określenia atomowych gatunków materiału na drodze wiązki. Ta wrażliwa na pierwiastki technika spektroskopii może zostać rozszerzona do trójwymiarowego obrazowania tomograficznego poprzez uzyskanie obrazów o wielu widmach z próbką nachyloną wzdłuż osi prostopadłej do kierunku wiązki elektronów.
Rozkłady pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach są często ważne dla określenia ich właściwości optycznych, katalitycznych i magnetycznych. Techniki takie jak tomografia rentgenowska i mapowanie rentgenowskie z dyspersją energii w skaningowym mikroskopie elektronowym zapewniają elementarnie czułe obrazowanie trójwymiarowe, ale zwykle są ograniczone do rozdzielczości przestrzennych > 20 nm. Tomografia sondy atomowej zapewnia rozdzielczość bliską atomowi, ale przygotowanie próbek nanocząstek do analizy sondą atomową jest często trudne. W związku z tym techniki wrażliwe na pierwiastki stosowane w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym są wyjątkowo przydatne do badania rozkładów pierwiastków w nanocząstkach o wymiarach 10-100 nm.
Tutaj spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDX) w STEM jest stosowana do badania rozkładu pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach AgAu. Zaobserwowano segregację powierzchni zarówno Ag, jak i Au, przy różnym składzie nanocząstek.

Charakterystyka zacieniania detektora dla uchwytu do tomografii 2020 w Titan G2 ChemiSTEM została przedstawiona na Rysunku 1A. Zastosowane tutaj detektory to detektory Super-X, w których cztery detektory są rozmieszczone pod równymi kątami azymutalnymi 90° wokół osi optycznej, co przekłada się na kąt bryłowy detektora przekraczający 0.6 sR14. Charakterystyka detektorów pozwoliła na wyznaczenie skompensowanych czasów akwizycji tomograficznej przedstawionych na Rysunku 1B. Po zastosowaniu tych czasów akwizycji liczba zliczeń dla każdego kąta nachylenia powinna pozostać w przybliżeniu stała dla pojedynczych nanocząstek, co pokazano na Rysunku 1C.
Bimetaliczne nanocząsteczki AgAu, zsyntetyzowane w reakcji wymiany galwanicznej, zostały zbadane przy użyciu tomografii EDX w STEM. W tej reakcji do zarodków nanocząsteczek Ag dodaje się roztwór AuCl4-. Au ulega redukcji na powierzchni nanocząsteczek, podczas gdy Ag ulega utlenieniu, co prowadzi do powstania bimetalicznego składu i wydrążenia początkowego zarodka. Wcześniej uważano, że Ag i Au tworzą jednorodny stop w trakcie tego procesu, a zmiany właściwości katalitycznych i optycznych wynikają po prostu z wydrążenia i różnic w składzie objętościowym. Jednak trójwymiarowe mapowanie pierwiastkowe wykonane za pomocą tomografii EDX ujawniło segregację powierzchniową w nanocząsteczkach AgAu zsyntetyzowanych w reakcji galwanicznej (Rysunek 2). Przy niskiej zawartości Au nanocząsteczki wykazują wyraźną segregację powierzchniową Au. Jednak wraz ze wzrostem zawartości Au segregacja powierzchniowa ulega zmianie, tak że dla najwyższych zawartości Au występuje wyraźna segregacja powierzchniowa Ag (Rysunek 3). Ta zmiana segregacji powierzchniowej koreluje ze zmianami wydajności propargylamin w trójskładnikowej reakcji sprzęgania katalizowanej przez nanocząsteczki AgAu o różnych składach.
Przekroje przez rekonstrukcję, prostopadłe do kierunku wiązki elektronów, umożliwiają porównanie z tradycyjnymi dwuwymiarowymi mapami pierwiastkowymi. Mapy początkowe zawierają informacje o składzie zsumowanym wzdłuż kierunku wiązki, co często utrudnia interpretację ze względu na nakładanie się obszarów o różnym składzie lub, w przypadku badanych tutaj nanocząstek AgAu, ze względu na uwzględnienie górnej i dolnej powierzchni w projekcji (Rysunek 3A-C). Wykonywanie przekrojów przez rekonstrukcję pozwala na usunięcie intensywności związanej z górną i dolną powierzchnią cząstek, co w tym przypadku skutkuje znacznie wyraźniejszym obrazem segregacji powierzchniowej (Rysunek 3D-F).
<img alt="Wyniki dyfrakcji rentgenowskiej; wykresy zależności kątowej z piki Au i Ag do analizy kryształów." src="/files/ftp_upload/52815/52815fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Charakterystyka cieniowania detektora z wykorzystaniem pojedynczej nanocząsteczki AgAu. (A) Liczba zliczeń piki rentgenowskich Ag i Au w funkcji kąta nachylenia dla pojedynczej nanocząsteczki AgAu przy zastosowaniu stałego czasu akwizycji (5 min). (B) Czasy akwizycji wyznaczone na podstawie (A) i następnie wykorzystane do pozyskania serii nachyleń. (C) Liczba zliczeń piki rentgenowskich Ag i Au w funkcji kątów nachylenia dla pojedynczej nanocząsteczki AgAu przy zastosowaniu czasów akwizycji z (B). Liczba zliczeń pozostaje w przybliżeniu stała dla wszystkich kątów nachylenia. Na podstawie Slater et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52815/52815fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Rozkład nanocząsteczek złota i srebra; wykres intensywności (Au, Ag); schemat analizy składu 3D." src="/files/ftp_upload/52815/52815fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2. Rekonstrukcja nanocząsteczki AgAu o niskiej zawartości Au. (A) Przekrój ortogonalny rekonstrukcji Au. (B) Przekrój ortogonalny rekonstrukcji Ag. (C) Profile liniowe wykonane przez przekroje ortogonalne (A) i (B), wykazujące wyraźną segregację powierzchniową Au w tej nanocząsteczce. (D) Wizualizacja powierzchni rekonstrukcji Ag i Au. Z Slater et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52815/52815fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Analiza składu nanocząstek; schematy przedstawiające rozkład intensywności Au/Ag i wizualizację struktury." src="/files/ftp_upload/52815/52815fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Rekonstrukcja nanocząstki AgAu o wysokiej zawartości Au. (A) 2D mapa EDX dla Au oraz (B) 2D mapa EDX dla Ag. (C) Profil liniowy wykonany na podstawie map 2D EDX (A) i (B), pokazujący trudność w określeniu segregacji powierzchniowej w tej nanocząstce wyłącznie na podstawie map 2D. (D) Przekrój ortogonalny (orthoslice) przez rekonstrukcję Au. (E) Przekrój ortogonalny (orthoslice) przez rekonstrukcję Ag. (F) Profile liniowe wykonane przez przekroje ortogonalne (D) i (E), wykazujące wyraźną segregację powierzchniową Ag w tej nanocząstce. (G) Wizualizacja powierzchniowa rekonstrukcji Ag i Au. Na podstawie Slater et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52815/52815fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>

Opisano zastosowanie tomografii rentgenowskiej z dyspersją energii w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym do scharakteryzowania rozkładów pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach w trzech wymiarach.

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

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zbadanie rozkładu pierwiastków w nanocząsteczkach srebra i złota syntetyzowanych w drodze reakcji wymiany galwanicznej. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie katalizy, takie jak przyczyna zwiększonej wydajności katalitycznej określonych składów nanocząsteczek. Główną zaletą tej techniki jest możliwość badania rozkładu pierwiastków w skali nanometrycznej.Umożliwia to niezwykle wysoką rozdzielczość w trzech wymiarach. Chociaż metoda ta została tutaj zastosowana do badania nanocząsteczek metalicznych, może ona służyć również do badania innych materiałów w skali nanometrycznej, takich jak półprzewodnikowe kropki kwantowe, co może pomóc w zrozumieniu ich właściwości optycznych oraz funkcjonowania wewnątrz komórek. Aby rozpocząć syntezę nanocząsteczek, rozpuść pięć gramów PVP w 37,5 ml glikolu etylenowego w temperaturze pokojowej.Następnie do tego roztworu należy dodać 200 mg azotanu srebra. Mieszać roztwór do całkowitego rozpuszczenia azotanu srebra, a następnie podgrzewać go na płycie grzejnej ze stałą prędkością 1 °C na minutę do temperatury 100 °C. Reakcję należy prowadzić w temperaturze 100 °C przez kolejne 1,5 godziny.Następnie należy dodać 87,5 milliliters wody destylowanej i schłodzić roztwór z powrotem do temperatury pokojowej. Następnie roztwór należy odwirować przy 8000 ×g. Odpić nadsącz i ponownie zdyspergować nanocząsteczki srebra w 50 milliliters wody destylowanej. W nowej kolbie okrągłodennej rozpuścić 50 milligrams PVP w 50 milliliters glikolu etylenowego w temperaturze pokojowej.Dodaj 2,78 ml zawiesiny nanocząsteczek srebra i podgrzewaj kolbę w temperaturze 100 °C przez 10 minut. Następnie przygotuj 100 ml 0,2 M roztworu trichloroauranu(III) trihydratu. Dodaj kroplami alikwoty 10, 20, 30 lub 40 ml roztworu do oddzielnych porcji roztworu nanocząsteczek srebra, aby uzyskać nanocząsteczki złota i srebra w różnych proporcjach.Schłodzić do temperatury pokojowej i trzykrotnie przemyć wodą destylowaną. Nanieść pipetą około 0,02 ml roztworu nanocząsteczek bezpośrednio na siatkę TEM z węgla. Jeśli to możliwe, należy użyć siatek TEM z berylu w celu ograniczenia pasożytniczego promieniowania rentgenowskiego oraz siatek o dużym rozmiarze oczka, aby zminimalizować efekt cieniowania przez siatkę.Po wyschnięciu roztworu nanocząsteczek oczyść siatki TEM, nanieosząc pipetą od 10 do 20 kropli 100% methanolu lub etanolu na siatkę TEM, trzymając ją za pomocą pęsety antykapilarnej. Po każdej kropli delikatnie usuń nadmiar cieczy za pomocą papieru filtracyjnego. Na koniec wyżarz siatkę w temperaturze 80 °C w próżni, aby usunąć lub unieruchomić wszelkie pozostałe zanieczyszczenia.Załaduj siatkę pokrytą nanocząsteczkami do uchwytu tomograficznego, a następnie wprowadź ją do TEM. Gdy próżnia w mikroskopie osiągnie odpowiednią stabilną wartość, otwórz zawory kolumny i upewnij się, że wiązka elektronów jest widoczna na ekranie. W trybie skaningowego TEM upewnij się, że wybrano dyfrakcję, następnie przejdź do karty Search i przechyl stolik w zakresie od plus do minus 15 stopni, naciskając przycisk Alpha Wobbler.Zminimalizuj wszelkie ruchy próbki, dostosowując wysokość Z do wysokości eukentrycznej. Następnie przesuń próbkę tak, aby wiązka znajdowała się nad otworem w próbce. Upewnij się, że odpowiednia przysłona kondensora jest prawidłowo ustawiona, centrując cień przysłony na obrazie sondy przy niedostrojeniu (underfocus).Zmieniaj nieznacznie intensywność, aby upewnić się, że skupiona sonda nie przesuwa się, w celu sprawdzenia, czy nie występuje rozcentrowanie ogona wiązki. Następnie obrysuj kwadrat siatki, wybierając opcję show tracks w zakładce Search i podążając wzdłuż obrysu kwadratu siatki podczas obrazowania. Znajdź reprezentatywną cząsteczkę w środkowej części kwadratu siatki.Podczas obrazowania przechyl próbkę do maksymalnego zakresu nachylenia uchwytu, aby upewnić się, że nanocząstka nie zostanie zasłonięta przez pręty siatki przy dużych kątach nachylenia uchwytu. Pozyskaj obrazy wysokokątowe w ciemnym polu (HAADF) oraz widma rentgenowskie z dyspersją energii (EDX) przy stałym czasie akwizycji wynoszącym pięć minut w pełnym zakresie kątów nachylenia, stosując przyrosty kątowe od pięciu do 10 stopni. Najpierw wykonaj ogólny obraz wysokokątowy w ciemnym polu, klikając Acquire w panelu Imaging.Następnie wybierz okno mapowania wokół nanocząstki, przeciągając ramkę nad tym obrazem i klikając Acquire. Następnie wyodrębnij liczbę zliczeń charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, otwierając najpierw kostki danych spektralnych jako pliki RAW. Następnie zsumuj intensywność przekrojów kostki danych odpowiadających kanałom energetycznym interesujących pików, korzystając z funkcji Slice 2D oraz Sum.Pozyskaj obrazy widm rentgenowskich z dyspersją energii w ten sam sposób co w poprzednim kroku, lecz stosując odstępy czasowe określone na podstawie danych dotyczących czasu pozyskiwania stałej. Zaimportuj obrazy TIFF z ciemnego pola kątowego pod dużym kątem jako sekwencję obrazów. Wykorzystaj je do zestawienia serii nachyleń obrazów z ciemnego pola kątowego pod dużym kątem w formacie plików MRC, korzystając z modułu zapisu MRC w oprogramowaniu do wizualizacji obrazów.Następnie należy przeprowadzić korelację wzajemną obrazów w ciemnym polu pod wysokim kątem (HAADF), aby uzyskać wstępne wyrównanie serii przechyłów. Dane dotyczące wyrównania należy zapisać jako plik SFT lub plik XCORR.TXT. Następnie w oknie Calculate Alignment Shifts należy kliknąć Proceed, aby wykonać korelację wzajemną dla całej serii przechyłów.Powtarzaj dopasowanie, aż przesunięcia lokalne będą mniejsze niż jeden piksel, pamiętając o zapisywaniu wszystkich plików przesunięć na każdym etapie w formacie tekstowym. Następnie wczytaj pozyskane kostki danych spektralnych i użyj funkcji skryptowych Slice 3D oraz Sum, aby wyekstrahować mapy będące sumą przekrojów kanałów energii odpowiadających interesującym nas pierwiastkom. W oprogramowaniu do rekonstrukcji tomograficznej przejdź do karty Apply Alignment i wybierz opcję Use shifts from alignment data view, aby zastosować dopasowania wysokokątowego ciemnego pola (HADF) do wyekstrahowanych map pierwiastkowych EDS.W razie potrzeby należy przeprowadzić regulację osi nachylenia dla serii obrazów w ciemnym polu pod dużym kątem i zaznaczyć opcję Use corrections from tilt axis adjustment w karcie Apply Alignment, aby zastosować regulację zarówno do obrazów w ciemnym polu, jak i do map rentgenowskich. Następnie należy użyć algorytmu jednoczesnej rekonstrukcji iteracyjnej zaimplementowanego w pakiecie oprogramowania do tomografii, aby zrekonstruować zestaw danych tomograficznych dla każdego z wyodrębnionych sygnałów pierwiastkowych rentgenowskich z dyspersją energii. W oprogramowaniu do wizualizacji obrazów należy wybrać Image, przejść do Stacks i wybrać Orthogonal Views, aby wyodrębnić przekroje ortogonalne oddzielnych rekonstrukcji pierwiastkowych.Za pomocą oprogramowania do wizualizacji wykonaj i wyświetl dodatkowe przekroje ortogonalne, renderingi objętościowe oraz powierzchniowe na podstawie rekonstrukcji. Aby upewnić się, że skala została ustawiona prawidłowo, załaduj wszystkie rekonstrukcje elementów i sprawdź je, ponieważ skala często nie jest poprawnie przenoszona z plików REC. Następnie zaznacz obiekt rekonstrukcji w puli obiektów, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz moduł Ortho Slice, aby wyodrębnić przekrój ortogonalny.Kliknij prawym przyciskiem myszy na rekonstrukcję i wybierz Volume Rendering, aby uzyskać renderowanie objętościowe. Na koniec wygeneruj izopowierzchnię, klikając prawym przyciskiem myszy na rekonstrukcję i wybierając Isosurface. Trójwymiarowe mapowanie pierwiastkowe przeprowadzone za pomocą tomografii rentgenowskiej z dyspersją energii ujawniło wyraźną segregację złota na powierzchni nanocząstek srebra i złota o niskiej zawartości złota, zsyntetyzowanych w reakcji galwanicznej.Jednakże wraz ze wzrostem zawartości złota następuje zmiana segregacji powierzchniowej, tak że przy najwyższej zawartości złota zaobserwowano wyraźną segregację powierzchniową srebra. Technika ta wykazała zdolność do charakteryzacji składu powierzchni pojedynczej nanocząsteczki. Techniki uzupełniające, takie jak rentgenowska spektroskopia fotoelektronów, mogą dostarczyć informacji na temat całej populacji nanocząsteczek.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat wykorzystania tomografii rentgenowskiej z dyspersją energii do uzyskiwania trójwymiarowych obrazów chemicznych nanocząsteczek.

energy-dispersive-x-ray-tomography-for-3d-elemental-mapping

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Tomografia rentgenowska z dyspersją energii do trójwymiarowego mapowania pierwiastków pojedynczych nanocząstek

Wykorzystaliśmy synchrotronową tomografię rentgenowską w Europejskiej Instalacji Promieniowania Synchrotronowego (ESRF), aby nieinwazyjnie uzyskać trójwymiarowe zbiory danych tomograficznych o rozdzielczości piksela 0.7µm. Dzięki zastosowaniu oprogramowania do renderowania objętościowego możliwe jest zrekonstruowanie struktur wewnętrznych w ich stanie naturalnym, bez artefaktów powstających podczas sekcjonowania histologicznego.

Nieinwazyjna wizualizacja 3D z rozdzielczością submikronową z wykorzystaniem synchrotronowej tomografii rentgenowskiej

Ten artykuł opisuje zastosowanie krioanalitycznej mikroskopii elektronowej do ilościowego pomiaru całkowitej zawartości i dystrybucji wapnia w rozdzielczości subkomórkowej w fizjologicznie zdefiniowanych próbkach biologicznych.

Pomiar całkowitego wapnia w neuronach za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej sondy elektronowej

Laserowa spektroskopia rozpadu przeprowadzona na cienkich narządach i tkankach nowotworowych skutecznie wykryła naturalne pierwiastki i sztucznie wstrzyknięty gadolin (Gd), emitowany z nanocząstek opartych na Gd. Obrazy pierwiastków chemicznych osiągnęły rozdzielczość 100 μm i czułość ilościową poniżej mM. Kompatybilność zestawu ze standardową mikroskopią optyczną podkreśla jego potencjał do dostarczania wielu obrazów tej samej tkanki biologicznej.

Spektroskopia rozpadu indukowanego laserem: nowe podejście do mapowania i kwantyfikacji nanocząstek w tkance narządowej

Ze względu na znaczenie i szerokie zastosowanie palladu, złota i kobaltu w sprzęcie high-tech, ich odzysk i recykling stanowią ważne wyzwanie przemysłowe. Opisany w niniejszym dokumencie system odzysku metali jest prostym, tanim sposobem na skuteczne wykrywanie, usuwanie i odzysk tych metali z kopalni miejskiej.

Wykrywanie i odzyskiwanie palladu, złota i metali kobaltowych z kopalni miejskiej przy użyciu nowatorskich czujników/adsorbentów oznaczonych nanoskalowymi porami w kształcie koła wagonowego

Opisujemy procedurę wykrywania pierwiastków chemicznych obecnych in situ w komórkach ludzkich, jak również ich kwantyfikację in vitro. Metoda ta jest odpowiednia dla każdego typu komórek i jest szczególnie przydatna do ilościowych analiz chemicznych w pojedynczych komórkach po ekspozycji na nanocząstki tlenku metalu in vitro.

In Situ Wykrywanie i kwantyfikacja pojedynczych komórek nanocząstek tlenków metali za pomocą analizy mikrosondy jądrowej

Ten artykuł opisuje protokół do tworzenia trójwymiarowych map chemicznych łączących obrazowanie z filtrem energii i tomografię elektronową. Zbadano rozkład chemiczny dwóch nośników katalizatora utworzonych przez pierwiastki trudne do odróżnienia za pomocą innych technik obrazowania. Każda aplikacja polega na mapowaniu nakładających się na siebie pierwiastków chemicznych - odpowiednio rozstawionych krawędzi jonizacji.

Uzyskiwanie map chemicznych 3D za pomocą tomografii tomografii mikroskopii elektronowej z filtrowaną transmisją energii

Opisujemy konfigurację linii badawczej przeznaczoną do przeprowadzania szybkiej dwuwymiarowej fluorescencji rentgenowskiej i mapowania mikrodyfrakcji rentgenowskiej próbek monokryształów lub proszków za pomocą dyfrakcji Laue (promieniowanie polichromatyczne) lub proszkowej (promieniowanie monochromatyczne). Wynikowe mapy dostarczają informacji o odkształceniu, orientacji, rozkładzie fazowym i odkształceniu plastycznym.

Synchrotronowe obrazowanie mikrodyfrakcji rentgenowskiej i fluorescencji próbek minerałów i skał

Analiza morfologii, składu i rozmieszczenia blaszek rozpuszczających może dostarczyć niezbędnych informacji do zrozumienia procesów geologicznych związanych z wulkanizmem i metamorfizmem. Przedstawiamy nowatorskie zastosowanie APT do charakterystyki takich blaszek i porównujemy to podejście z konwencjonalnym zastosowaniem mikroskopii elektronowej i nanotomografii opartej na FIB.

Tomografia atomowa Analiza rozpuszczonych faz mineralnych

Prezentujemy metodologię obrazowania wielu faz płynu w warunkach zbiornikowych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej. Przedstawiamy kilka reprezentatywnych wyników uwięzienia kapilarnego w próbce skały węglanowej.

Obrazowanie w skali porów stanu zbiornika wielu faz płynu za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej

Pokazano wytwarzanie siatek o wysokim kontraście jako elementu dyspersyjnego rozdzielającego równoległe spektrum w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Opisano procesy wytwarzania, w tym litografię nanoimprint, rozpylanie TiO2 i reaktywne trawienie jonowe. Wyniki pomiarów współczynnika odbicia służą do scharakteryzowania parametrów optycznych.

Wykonanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego rozdzielającego widmo w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym

Poznaj tomografię rentgenowską z dyspersją energii do mapowania pierwiastkowego 3D nanocząstek srebro-złota. Ta technika umożliwia badanie dystrybucji pierwiastków w skali nanometrycznej, co jest kluczowe dla zrozumienia właściwości katalitycznych materiałów.

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

Przeglądaj więcej filmów