Name: Uzyskiwanie map chemicznych 3D za pomocą tomografii tomografii mikroskopii elektronowej z filtrowaną transmisją energii (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-09T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 15 s
Description: Poznaj metodę uzyskiwania trójwymiarowych map chemicznych za pomocą tomografii z filtrowaną transmisją energii. Technika ta umożliwia wizualizację i ilościową analizę rozkładu pierwiastków chemicznych w materiałach nanometrycznych.

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

Jesteśmy wdzięczni francuskiemu Ministerstwu Szkolnictwa Wyższego i Badań, Conventions Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE) oraz IFP Energies Nouvelles za ich wsparcie finansowe.

<ol><li>Frank, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFrank%2C+J+%22Electron+Tomography+-+Methods+for+Three-Dimensional+Visualization+of+Structures+in+the+Cell%22">Electron Tomography - Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell</a>. , Springer-Verlag. New York. (2006).</li>
<li>Midgley, P. A., Dunin-Borkowski, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+tomography+and+holography+in+materials+science%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Electron tomography and holography in materials science.</a> Nat. Mater. 8, 271-280 (2009).</li>
<li>Carenco, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+core+contribution+of+transmission+electron+microscopy+to+functional+nanomaterials+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">The core contribution of transmission electron microscopy to functional nanomaterials engineering.</a> Nanoscale. 8 (3), 1260-1279 (2016).</li>
<li>Radon, J. <a target="_blank" href="http://people.csail.mit.edu/bkph/courses/papers/Exact_Conebeam/Radon_Deutsch_1917.pdf">Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte langs gewisser Mannigfaltigkeiten.</a> Akad. Wiss. 69, 262-277 (1917).</li>
<li>Radermacher, M. <a target="_blank" href="https://www.ecmjournal.org/smi/pdf/smi97-13.pdf">Radon transform techniques for alignment and three-dimensional reconstruction from random projections.</a> Scanning Microscopy. 11, 171-177 (1997).</li>
<li>Roiban, L., Sorbier, L., Pichon, C., Pham-Huu, C., Drillon, M., Ersen, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D-TEM+investigation+of+the+nanostructure+of+a+%CE%B4-Al2O3+catalyst+support+decorated+with+Pd+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">3D-TEM investigation of the nanostructure of a δ-Al2O3 catalyst support decorated with Pd nanoparticles.</a> Nanoscale. 4 (3), 946-954 (2012).</li>
<li>Georgescu, D., Roiban, L., Ersen, O., Ihiawakrim, D., Baia, L., Simon, S. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/ra/c2ra20568h">Insights on Ag doped porous TiO2 nanostructures: a comprehensive study of their structural and morphological characteristics.</a> RSC Adv. 2 (12), 5358(2012).</li>
<li>Shakeri, M., Roiban, L., Yazerski, V., Prieto, G., Gebbink, M. J. M. G., de Jongh, P. E., de Jong, K. P. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cs500777q">Engineering and Sizing Nanoreactors To Confine Metal Complexes for Enhanced Catalytic Performance.</a> ACS Catal. 4 (10), 3791-3796 (2014).</li>
<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 (3-4), 413-431 (2003).</li>
<li>Ersen, O., Florea, I., Hirlimann, C., Pham-Huu, C. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702115001200">Exploring nanomaterials with 3D electron microscopy.</a> Mater. Today. 18 (7), 395-408 (2015).</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+28nm+high+K+metal+gate+transistor%3A+STEM+XEDS+experimental+method+and+results%5BTitle%5D)+AND+%22Micron%22%5BJournal%5D)">Chemical 3D tomography of 28nm high K metal gate transistor: STEM XEDS experimental method and results.</a> Micron. 47, 43-49 (2013).</li>
<li>Roiban, L., Sorbier, L., Pichon, C., Bayle-Guillemaud, P., Werckmann, J., Drillon, M., Ersen, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Chemistry+of+Multiphase+Nanomaterials+by+Energy-Filtered+Transmission+Electron+Microscopy+Tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Microsc.+Microanal%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Chemistry of Multiphase Nanomaterials by Energy-Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography.</a> Microsc. Microanal. 18 (05), 1118-1128 (2012).</li>
<li>Roiban, L., Sorbier, L., Hirlimann, C., Ersen, O. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.201600033/abstract">3 D Chemical Distribution of Titania-Alumina Catalyst Supports Prepared by the Swing-pH Method.</a> ChemCatChem. 8 (9), 1651-1657 (2016).</li>
<li>Egerton, R. F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEgerton%2C+RF+%22Electron+Energy-Loss+Spectroscopy+in+the+Electron+Microscope%22">Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope</a>. , Springer. (2011).</li>
<li>Messaoudi, C., Aschman, N., Cunha, M., Oikawa, T., Sorzano, C. O. S., Marco, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Chemical+Mapping+by+EFTEM-TomoJ+Including+Improvement+of+SNR+by+PCA+and+ART+Reconstruction+of+Volume+by+Noise+Suppression%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Chemical Mapping by EFTEM-TomoJ Including Improvement of SNR by PCA and ART Reconstruction of Volume by Noise Suppression.</a> Microscopy and Microanalysis. 19 (6), 1669-1677 (2013).</li>
<li>Pettersen, E. F., Goddard, T. D., Huang, C. C., Couch, G. S., Greenblatt, D. M., Meng, E. C., Ferrin, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((UCSF+Chimera-A+visualization+system+for+exploratory+research+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Computational+Chemistry%22%5BJournal%5D)">UCSF Chimera-A visualization system for exploratory research and analysis.</a> Journal of Computational Chemistry. 25 (13), (2004).</li>
<li>Roiban, L., Ersen, O., Hirlimann, C., Drillon, M., Chaumonnot, A., Lemaitre, L., Gay, A. S., Sorbier, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.201600543/abstract">Three-Dimensional Analytical Surface Quantification of Heterogeneous Silica-Alumina Catalyst Supports.</a> ChemCatChem. 9 (18), 3503-3512 (2017).</li>
<li>EFTEM-TomoJ. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.cmib.fr/en/download/softwares/EFTEM-TomoJ.html">http://www.cmib.fr/en/download/softwares/EFTEM-TomoJ.html</a> (2018).</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 (1), 71-76 (1996).</li>
<li>The IMOD Home Page. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://bio3d.colorado.edu/imod/">http://bio3d.colorado.edu/imod/</a> (2018).</li>
<li>Landini, G. Align RGB planes. ImageJ. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://ImageJ.net/Align_RGB_planes">https://ImageJ.net/Align_RGB_planes</a> (2018).</li>
<li>Messaoudi, C. TomoJ. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.cmib.fr/en/download/softwares/TomoJ.html">http://www.cmib.fr/en/download/softwares/TomoJ.html</a> (2018).</li>
<li>MessaoudiI, C., Boudier, T., Sorzano, C., Marco, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TomoJ%3A+tomography+software+for+three-dimensional+reconstruction+in+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Bioinf%22%5BJournal%5D)">TomoJ: tomography software for three-dimensional reconstruction in transmission electron microscopy.</a> BMC Bioinf. 8 (1), 288(2007).</li>
<li>Saxton, W. O., Baumeister, W., Hahn, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+reconstruction+of+imperfect+two-dimensional+crystals%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional reconstruction of imperfect two-dimensional crystals.</a> Ultramicroscopy. 13 (1-2), 57-70 (1984).</li>
<li>Gatan, Inc. Quantum Energy Filters High Throughput Spectrometers. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.gatan.com/products/tem-imaging-spectroscopy/gif-quantum-energy-filters">http://www.gatan.com/products/tem-imaging-spectroscopy/gif-quantum-energy-filters</a> (2018).</li>
<li>Gatan, Inc. Direct Detection 16-Megapixel Camera. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.gatan.com/products/tem-imaging-spectroscopy/k2-direct-detection-cameras">http://www.gatan.com/products/tem-imaging-spectroscopy/k2-direct-detection-cameras</a> (2018).</li>
<li>Direct Electron, LP. DE-Series Cameras. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.directelectron.com/products/de-series">http://www.directelectron.com/products/de-series</a> (2018).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Celem pracy jest opisanie, w jaki sposób można uzyskać trójwymiarowe mapy chemiczne za pomocą tomografii EFTEM. Protokół ten jest całkowicie oryginalny i został opracowany przez autorów.
Opisana tutaj tomografia EFTEM ma kilka wad: (i) Tylko próbki odporne na wiązkę elektronów mogą być analizowane, ze względu na długi czas ekspozycji potrzebny do uzyskania przefiltrowanych obrazów. (ii) Tomografia EFTEM jest wrażliwa na kontrast dyfrakcyjny. (iii) Wiele wyrównań zostało wykonanych ręcznie. Aby...

Właściwości materiałów funkcjonalnych zależą od ich parametrów 3D. Aby w pełni zrozumieć ich właściwości i poprawić ich funkcje, ważne jest, aby przeanalizować ich morfologię i rozkład chemiczny w 3D. Tomografia elektronowa1 (ET) jest jedną z najlepszych technik dostarczania tych informacji w skali nanometrów2,3. Polega na obracaniu próbki w dużym zakresie kątowym i rejestrowaniu jednego obrazu na każdym kroku kątowym. Uzyskany szereg pochyleń służy do rekonstrukcji objętości próbki za pomocą algorytmów matematycznych opartych na transformacie Radona 4,5. Wybór poziomów szarości w objętości pomaga modelować próbkę w 3D i ilościowo określać parametry 3D, takie jak lokalizacja cząstek6 i rozkład rozmiarów7, położenie porów i rozkład rozmiaru8, itd.
Ogólnie, ET jest wykonywany za pomocą mikroskopu elektronowego, przechylając próbkę do maksymalnego możliwego kąta, najlepiej więcej niż 70° w dowolnym kierunku. Przy każdym kącie nachylenia rejestrowana jest projekcja próbki, tworząca serię nachylenia obrazów. Ta seria nachylenia jest wyrównywana i wykorzystywana do rekonstrukcji objętości próbki, która zostanie podzielona na segmenty i określona ilościowo. Ponieważ próbki nie można obrócić w zakresie od -90° do +90°, zrekonstruowana objętość ma rozdzielczość anizotropową wzdłuż osi ortogonalnej9 ze względu na ślepy kąt zapisu.
ET może być wykonywane w różnych trybach obrazowania. Tryb TEM W JASNYM POLU (BF-TEM) służy do badania materiałów amorficznych, próbek biologicznych, polimerów lub nośników katalizatorów o skomplikowanych kształtach. Analiza obrazu opiera się na różnicowaniu poziomów szarości charakteryzujących gęstość komponentów10 (składnik gęsty będzie bardziej ciemny niż składnik jaśniejszy, tj. mniej gęsty). Ciemne pole pierścieniowe o wysokim kącie nachylenia w trybie skanowania TEM (HAADF-STEM) służy do analizy próbek krystalicznych. Sygnał dostarcza informacji chemicznej w funkcji liczby atomowej; Ciężki składnik próbki będzie jaśniejszy niż lżejszy ONE9. Inne tryby, takie jak spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDX), która zbiera promieniowanie rentgenowskie emitowane przez material11, oraz tryb obrazowania z filtrem energii (EFTEM)12,13, są również w stanie ocenić rozkład chemiczny 3D w próbce.
W obrazowaniu EFTEM, mapy chemiczne 2D mogą być rejestrowane za pomocą TEM ze spektrometrem energii elektronów. Spektrometr działa jak pryzmat magnetyczny, rozpraszając elektrony w funkcji ich energii. Obraz jest tworzony przez elektrony w zależności od energii utraconej w wyniku interakcji z określonym atomem. Jeśli ta sama mapa chemiczna 2D zostanie obliczona pod różnymi kątami nachylenia, uzyskuje się serię projekcji chemicznych pod kątem nachylenia, które można wykorzystać do rekonstrukcji objętości chemicznej 3D.
Nie wszystkie materiały mogą być analizowane za pomocą tomografii EFTEM. Technika ta jest zarezerwowana dla próbek ze słabymi lub nieuporządkowanymi materiałami. Niemniej jednak może być używany do analizy lekkich elementów, które są bardzo trudne do rozróżnienia przy użyciu innych technik obrazowania. Ponadto, aby uzyskać wiarygodne mapy chemiczne 2D, grubość materiału musi być mniejsza niż średnia swobodna ścieżka elektronów przez materiał14. W tym stanie prawdopodobieństwo oddziaływania pojedynczego elektronu z pojedynczym atomem jest największe. Do obliczenia mapy chemicznej 2D stosuje się dwie metody. Pierwszą i najczęściej stosowaną jest "metoda trzech okien", w której dwa przefiltrowane okna energetyczne są rejestrowane przed krawędzią jonizacji analizowanego elementu, a trzecie po krawędzi jonizacji edge13. Pierwsze dwa obrazy służą do oszacowania tła, które jest ekstrapolowane za pomocą prawa potęgowego w pozycji trzeciego okna i odejmowane od niego. Uzyskany obraz jest rzutem 3D rozkładu analizowanego pierwiastka chemicznego w objętości próbki. Druga metoda nazywana jest "współczynnikiem skoku"; Wykorzystuje tylko dwa obrazy z filtrem energii, jeden przed i jeden za krawędzią jonizacji. Ta metoda jest jakościowa, ponieważ ostateczny obraz jest obliczany tylko poprzez zastosowanie stosunku między tymi dwoma obrazami i nie uwzględnia zmian energii tła.
Łącząc EFTEM z ET, można uzyskać tomografię analityczną przefiltrowanej energii. Tomografia EFTEM i tomografia sondy atomowej (APT) są technikami uzupełniającymi. W porównaniu z APT, tomografia EFTEM jest nieniszczącą analizą charakterystyki, która nie wymaga skomplikowanego przygotowania próbki. Może być używany do wykonywania różnych charakterystyk unikalnej nanocząstki. Tomografia EFTEM może analizować materiały izolacyjne, podczas gdy APT potrzebuje co najmniej pomocy lasera do ich pomiaru. APT działa w skali atomowej, podczas gdy tomografia EFTEM działa odpowiednio z niższą rozdzielczością. Tomografia EFTEM jest odpowiednia tylko dla próbek, które są odporne na degradację wiązki podczas eksperymentu. Aby zarejestrować wszystkie przefiltrowane obrazy pod wszystkimi kątami nachylenia, próbka może być wystawiona na działanie wiązki elektronów nawet przez 2 godziny. Ponadto, aby zarejestrować maksymalny sygnał chemiczny na mapach 2D, konieczne może być wydłużenie czasu ekspozycji przy dużym natężeniu wiązki. W takich warunkach próbki wrażliwe na wiązkę ulegają drastycznym zmianom morfologicznym i chemicznym. W związku z tym przed rozpoczęciem doświadczenia należy ustalić dokładny pomiar wrażliwości próbki na wiązkę elektronów. Ponadto tomografia EFTEM jest wynikiem zarejestrowania tylu tomogramów, ile jest konieczne do określenia lokalizacji przestrzennej i charakteru pierwiastków chemicznych obecnych w próbce. Niemniej jednak tomografia EFTEM może dostarczyć ważnych informacji na temat rozkładu chemicznego 3D dla próbek, takich jak nośniki katalizatorów, aby dostarczyć nowych informacji na temat modelowania ich zastosowań katalitycznych.
Dzisiaj można korzystać z dedykowanego oprogramowania, które może wybierać przedział energii, rejestrować przefiltrowane obrazy okien energetycznych i obliczać mapy chemiczne pod różnymi kątami nachylenia. Umożliwiają one przechylanie próbki, śledzenie, ustawianie ostrości i nagrywanie przefiltrowanego obrazu w trybie EFTEM. Można obliczyć mapy chemiczne 2D, następnie wyrównać szereg nachylenia, obliczyć objętość chemiczną za pomocą algorytmów iteracyjnych, a na koniec szereg można podzielić na segmenty i określić ilościowo15,16.

<table><tbody><tr><td>JEOL 2100f</td><td>JEOL</td><td></td><td>Mikroskop elektronowy</td></tr><tr><td>Tridiem Gatan Filtr obrazowania (GIF)</td><td>Gatan</td><td></td><td>Filtr energii po kolumnie</td></tr><tr><td>Mikrografia cyfrowa</td><td>Gatan</td><td></td><td>Software</td></tr><tr><td>Wtyczka tomografii Gatan EFTEM</td><td>Gatan</td><td></td><td>Dedykowane oprogramowanie do nagrywania serii przefiltrowanych pochyleń dla tomograohy</td></tr><tr><td>EFTEM Tomoj</td><td>Wtyczka Imagej http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td><td></td> <td>Darmowe oprogramowanie opracowane przez Currie Institute w Paryżu, Francja dla wtyczki</td></tr><tr><td>EFTEM-Tomoj</td><td>Imagej http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td><td></td> <td>Darmowe oprogramowanie opracowane przez Currie Institute w Paryżu, Francja , do obrazowania EFTEM</td></tr><tr><td>Imod</td><td>http://bio3d.colorado.edu/imod/</td><td></td><td>Darmowe oprogramowanie opracowane przez University of Colorado, USA dla tomografii elektronowej</td></tr><tr><td>Imagej</td><td>https://imagej.nih.gov/ij/</td><td></td> <td>Darmowe oprogramowanie opracowane przez National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA do obróbki obrazów</td></tr><tr><td>Scal kanały</td><td>https://imagej.net/Color_Image_Processing</td><td></td><td>Fonction w Imagej pozwalające na nadawanie różnych kolorów objętościom, gdy nakładają się na siebie</td></tr><tr><td>3D Slicer</td><td>https://www.slicer.org/</td><td></td> <td>Darmowe oprogramowanie opracowane przez duże konsorcjum kierowane przez Rona Kikinisa , Harvard Medical School, Boston, MA, SUA</td></tr><tr><td>Chimera</td><td>https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td><td></td> <td>Darmowe oprogramowanie opracowane przez Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco, do segmentacji danych, kuratoryzacji i wizualizacji modeli 3D</td></tr><tr><td>Podłoże katalizatora</td> <td>z tlenku glinu krzemionkowegoPróbka IFPEN</td><td></td><td>przygotowana do elektryzacji tego protokołu</td></tr><tr><td>tytan tlenek glinu nośnik katalizatora</td><td>Próbka IFPEN</td><td></td><td>przygotowana do elektroboracji tego protokołu</td></tr><tr><td>alkohol</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>woda</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Au nanocząstki 5 nm</td><td>BBI Solutions</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Holey carbn film 200 mesh siatka mikroskopowa</td><td>Agar</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sepctrometr EDX</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

uzyskiwanie map chemicznych 3d za pomocą tomografii tomografii mikroskopii elektronowej z filtrowaną transmisją energii

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

Tomografia mikroskopii elektronowej z filtrem energii (tomografia EFTEM) może dostarczyć trójwymiarowe (3D) mapy chemiczne materiałów w skali nanometrycznej. Tomografia EFTEM pozwala na oddzielenie pierwiastków chemicznych, które są bardzo trudne do odróżnienia przy użyciu innych technik obrazowania. Opisany tutaj protokół eksperymentalny pokazuje, jak tworzyć mapy chemiczne 3D, aby zrozumieć rozkład chemiczny i morfologię materiału. Przedstawiono przykładowe etapy przygotowania do segmentacji danych. Protokół ten umożliwia analizę rozkładu 3D pierwiastków chemicznych w próbce nanometrycznej. Należy jednak zauważyć, że obecnie mapy chemiczne 3D można generować tylko dla próbek, które nie są wrażliwe na wiązkę, ponieważ zapis przefiltrowanych obrazów wymaga długich czasów naświetlania intensywnej wiązki elektronów. Protokół zastosowano do ilościowego określenia rozkładu chemicznego składników dwóch różnych heterogenicznych nośników katalizatora. W pierwszym badaniu przeanalizowano rozkład chemiczny aluminium i tytanu w podporach tytanowo-tlenku glinu. Próbki przygotowano metodą swing-pH. W drugim badano rozkład chemiczny glinu i krzemu w podłożach krzemionkowo-tlenku glinu, które przygotowano metodami zol-proszek i mieszaniny mechanicznej.

Przykład zastosowania tego protokołu przedstawiono w odniesieniu13. Tomografię EFTEM wykorzystano do analizy nośników katalizatorów tytanu i glinu. Aby zwiększyć aktywność katalityczną czynnej fazy nanopartekulatu MoS2 w zastosowaniach takich jak hydrodesiarkowanie (HDS), ważne jest, aby tlenek tytanu występował w nadmiarze na powierzchni nośnika i był w kontakcie z fazą aktywną. Wiadomo, że tlenek tytanu ma mniejszą powierzchnię właściwą niż tlenek glin...

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

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

Ogólnym celem tego protokołu jest uzyskanie, wizualizacja i ilościowe określenie map chemicznych 3D uzyskanych za pomocą tomografii elektronowej z filtrem energetycznym. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu materiałoznawstwa, chemii i katalizy, takie jak sposób mieszania składników danego materiału w skali nanometrycznej. Główną zaletą tej techniki jest to, że dostarcza ona informacji dotyczących rozkładu chemicznego w masie i na powierzchni próbki.Obrazowanie z filtrem energetycznym może oddzielić pierwiastki chemiczne, które są bardzo trudne do odróżnienia przy użyciu innych technik obrazowania. Opisany tutaj protokół eksperymentalny pokazuje sposoby uzyskiwania trójwymiarowych map chemicznych, ale także stara się dostarczyć pomysłów na ilościowe określenie niektórych parametrów chemicznych 3D. Mapy chemiczne 3D można generować tylko dla próbek, które nie są wrażliwe na wiązkę, ponieważ rejestrowanie przefiltrowanych obrazów wymaga długich czasów naświetlania stosunkowo intensywnej wiązki elektronów.Na początek należy przygotować próbkę, taką jak tlenek glinu krzemionka lub tlenek glinu tytanu, zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym. Następnie użyj mikroskopu elektronowego, aby zarejestrować serię przefiltrowanych nachyleń energii. Obrazy te zostaną wykorzystane do obliczenia każdej mapy chemicznej poszukiwanego pierwiastka chemicznego.Otwórz trzy serie pochylenia składające się z dwóch serii przed krawędzią i jednej serii po krawędzi na obrazie J w celu analizy. Teraz otwórz specjalistyczną wtyczkę EFTEMTomoJ i kliknij, a następnie kliknij Obraz lub Stos, aby wybrać serię pochylenia. W wyświetlonej tabeli wprowadź energię, przy której seria pochylenia została zarejestrowana jako przesunięcie energii.Wprowadź także szerokość szczeliny i czas naświetlania każdego filtrowanego obrazu. Sprawdź wszystkie trzy serie przechyłu w obszarze mapowania i upewnij się, że zostaną one użyte do obliczenia map chemicznych przy użyciu prawa potęgowego. Następnie kliknij Dalej.Wybierz pierwszy obraz jako obraz referencyjny, a następnie kliknij Zastosuj, a następnie Dalej. W tym momencie pojawi się obraz podglądu proponowanej linii trasowania. Sprawdź wzrokowo, czy trzy obrazy zarejestrowane pod tym samym kątem nachylenia są dobrze nałożone, nie pokazując żadnych przesunięć między obrazami.Protokół ten został wykonany na wersji 0.9 wtyczki EFTEMTomoJ. W tym momencie przefiltrowane obrazy zarejestrowane pod tym samym kątem nachylenia są wyrównywane. Następnie wybierz okno EFTEMTomoJ, obrazy odpowiadające tłu i krawędzi chemicznej.Następnie wybierz model ekstrakcji sygnału jako moc i kliknij Utwórz mapę. Zapisz serię pochylenia mapy chemicznej, a następnie powtórz ten proces dla wszystkich innych serii przechyłu chemicznego. Aby określić ilościowo ten dryft, najpierw otwórz serię wychylenia wyrównanego z zerową stratą.Następnie otwórz serię wyrównanych pochyleń map chemicznych, przejdź do Obraz, Kolor i wybierz Scal kanały. Wybierz plik odpowiadający zerowej stracie dla koloru czerwonego, pierwszego pierwiastka chemicznego dla koloru zielonego. Usuń zaznaczenie opcji Utwórz kompozyt i zaznacz opcję Zachowaj obraz źródłowy.W tym momencie tworzony jest stos pod każdym kątem nachylenia dla wszystkich zarejestrowanych obrazów. Następnie przejdź do Wtyczki i wybierz Wyrównaj plany RGB. Tutaj czerwony jest obrazem referencyjnym.Wybierz zielony i za pomocą strzałek nałóż go na czerwony. Po znalezieniu się na miejscu kliknij Dalej i powtórz ten proces dla wszystkich innych kątów. Przejdź do Obraz, w dół do Kolor i wybierz Podziel kanały, aby podzielić stos RGB na stosy holownicze.Kolor czerwony oznacza zerową stratę, a zielony odpowiada mapom chemicznym z skorygowanym dryftem. Na koniec pamiętaj, aby zapisać serię pochylenia, a następnie powtórz czynności dla drugiego pierwiastka chemicznego i pamiętaj o zapisaniu pliku. Aby ponownie wykonać mapowanie chemiczne 3D, usiądź przy komputerze i otwórz obraz J. Otwórz wtyczkę TomoJ, przechodząc do wtyczek i wybierając TomoJ.Spowoduje to wybranie pliku formularza kąta obciążenia. Ponieważ wszystkie serie pochyleń są już wyrównane, przejdź bezpośrednio do rekonstrukcji i oblicz objętości o zerowej stracie, a także objętości chemiczne za pomocą algorytmu rekonstrukcji. Zaleca się użycie interaktywnego algorytmu do rekonstrukcji objętości chemicznych.Również za pomocą tego oprogramowania można zrekonstruować woluminy za pomocą procesora graficznego komputera. Po obliczeniu wszystkich objętości użyj opcji Scal kanały, aby zastosować różne kolory do uzyskanych objętości i nałożyć je na siebie w jednej objętości, aby uzyskać mapę chemiczną 3D. Na koniec postępuj zgodnie z załączonym protokołem tekstowym, aby uzyskać dodatkowe informacje na temat modelowania 3D i kwantyfikacji informacji chemicznych, powierzchni i rozkładu wielkości porów.Tomografia EFTEM została wykorzystana do analizy trzech różnych próbek nośników katalizatora z tlenku glinu tytanu o różnych proporcjach składników. Stwierdzono, że tytan w wysokich stężeniach tworzy klastry, które są osadzone w tlenku glinu. Modele te pokazują rozkład chemiczny tytanu i tlenku glinu na powierzchni próbek.Stwierdzono, że niezależnie od proporcji tytanu i tlenku glinu w próbce, powierzchnia próbki pokryta jest tytanem w proporcji około 30%Tlenek glinu ma wysoką specyficzność dla powierzchni, a celem jest uzyskanie tytanu wspieranego przez tlenek glinu. Po modelowaniu okazało się, że próbka zawierająca 10% tytanu ma warstwę o grubości zaledwie około 10 nanometrów na powierzchni. Ta wariancja może odgrywać rolę w zastosowaniach katalitycznych próbki.Należy wspomnieć, że tomografia elektronowa z filtrem energii jest techniką czasochłonną. Podejmując tę procedurę, należy pamiętać, że obrazowanie z filtrem energetycznym jest wrażliwe na kontrast defrakcji, ale należy również zweryfikować grubość próbki i jej odporność na wiązkę elektronów. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się materiałoznawstwem do lepszego powiązania parametrów morfologicznych i chemicznych z właściwościami badanego materiału.Mamy nadzieję, że po zastosowaniu tego protokołu nowi użytkownicy tomografii elektronowej będą mieli lepsze zrozumienie etapu, który należy wykonać, oraz trudności napotkanych podczas rekonstrukcji objętości, segmentacji modelu i ilościowego określania jego parametrów.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Przedstawiamy protokół zbierania i przetwarzania krio-tomogramów elektronowych całych mitochondriów. Technika ta zapewnia szczegółowy wgląd w strukturę, funkcję i organizację dużych kompleksów białek błonowych w natywnych błonach biologicznych.

Wizualizacja dimerów syntazy ATP w mitochondriach za pomocą kriotomografii elektronowej

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

Przedstawiamy protokół, jak wykorzystać wysokoprzepustową tomografię krioelektronową do określenia wysokiej rozdzielczości struktur in situ maszyn molekularnych. Protokół pozwala na przetwarzanie dużych ilości danych, pozwala uniknąć typowych wąskich gardeł i skraca przestoje zasobów, pozwalając użytkownikowi skupić się na ważnych kwestiach biologicznych.

Korzystanie z Tomoauto: protokół dla wysokowydajnej zautomatyzowanej tomografii krioelektronowej

Opisujemy przygotowanie wstęg odcinków szeregowych i ich zbieranie na dużym nośniku transferu do użycia jako próbki tomografii matrycowej, wraz z automatycznymi procedurami obrazowania w skaningowym mikroskopie elektronowym. Protokół umożliwia badania przesiewowe, wyszukiwanie i ukierunkowane obrazowanie miejscowych, rzadkich zdarzeń oraz pozyskiwanie dużych ilości danych.

Tomografia matrycowa do ukierunkowanego pozyskiwania informacji objętościowych za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej

Tutaj przedstawiono protokół opisujący etapy przygotowania próbki i zbierania danych wymagane w kriogenicznej tomografii rentgenowskiej (SXT) do obrazowania ultrastruktury całych komórek kriokonserwowanych w rozdzielczości połowy tonu 25 nm.

Kartograficzny opis 3D komórki za pomocą kriomiękkiej tomografii rentgenowskiej

Ten protokół prezentuje technikę mapowania miejsc replikacji w strukturalnie zachowanej chromatynie in situ, która wykorzystuje kombinację wstępnego znakowania EdU-streptawidyny-Nanogold i ChromEMT.

Obrazowanie domen replikacyjnych w ultrastrukturalnie zachowanej chromatynie za pomocą tomografii elektronowej

Obecny protokół opisuje zdalne pozyskiwanie danych za pomocą tomografii krioelektronowej o wysokiej rozdzielczości za pomocą Tomo5 oraz późniejsze przetwarzanie danych i uśrednianie subtomogramowe za pomocą emClarity. Apoferrytyna jest używana jako przykład do zilustrowania szczegółowych procesów krok po kroku w celu uzyskania struktury krio-ET o rozdzielczości 2,86 A.

Tomografia krioelektronowa: zdalne zbieranie danych i uśrednianie subtomogramu

Tomografia krio-STEM umożliwia wizualizację organelli nienaruszonych komórek bez osadzania, cięcia lub innych inwazyjnych przygotowań. Uzyskana rozdzielczość 3D mieści się obecnie w zakresie kilku nanometrów, przy polu widzenia kilku mikrometrów i dostępnej grubości rzędu 1 μm.

Wizualizacja organelli in situ za pomocą tomografii krio-STEM

Ten protokół wideo ilustruje, jak wykonać skaningową tomografię elektronową mikroskopii transmisyjnej na próbkach wirusologicznych. Dla optymalnych rezultatów próbki przygotowuje się przez zamrażanie pod wysokim ciśnieniem i późniejszą podstawienie zamrożenia.

Skaningowa transmisyjna tomografia elektronowa w wirusologii: obrazowanie 3D próbek zamrożonych i zamrożonych pod wysokim ciśnieniem

Śladowe wybuchowe opary TNT i RDX zebrane na wypełnionych sorbentem termicznych rurkach desorpcyjnych były analizowane przy użyciu zaprogramowanego systemu desorpcji temperatury sprzężonego z GC z detektorem wychwytu elektronów. Analiza instrumentalna jest połączona z metodą bezpośredniego osadzania cieczy w celu zmniejszenia zmienności próbki i uwzględnienia dryfu oprzyrządowania i strat.

Ilościowe wykrywanie śladowych ilości par wybuchowych za pomocą detektora chromatografii gazowej z desorpcją w zaprogramowanej temperaturze i wychwytu elektronów

Poznaj metodę uzyskiwania trójwymiarowych map chemicznych za pomocą tomografii z filtrowaną transmisją energii. Technika ta umożliwia wizualizację i ilościową analizę rozkładu pierwiastków chemicznych w materiałach nanometrycznych.

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

Przeglądaj więcej filmów