Tomografia atomowa Analiza rozpuszczonych faz mineralnych
25 października 2019
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.
Badanie różnic w chemii minerałów może rzucić światło na zmiany w aktywności wulkanicznej i umożliwić naukowcom uzyskanie skal czasowych procesów wulkanicznych, aby lepiej zrozumieć wszelkie potencjalne zagrożenia. Tomografia sondy atomowej pozwala na bezprecedensową wizualizację 3D rozpuszczonych faz mineralnych przy jednoczesnym pomiarze ich składu chemicznego w skali atomowej. Obecnie stosujemy tę technikę do charakterystyki patologicznej mineralizacji, na przykład w przypadku kamicy nerkowej.
Metoda ta może być stosowana do systemów wulkanicznych, w których przejścia erupcyjne mogą zachodzić w małych skalach czasowych. Przejścia te rejestrowane są w minerałach w bardzo małych skalach przestrzennych. Zacznij od przelania jednego grama próbki do 10-centymetrowej szklanej szalki Petriego i owiń arkusz papieru o gramaturze trzy na trzy centymetry wokół magnesu o gausie 10 gausów.
Za pomocą magnesu wyciągnij z próbki popiołu ziarna bogate w magnetyt o średnicy od 100 do 500 mikrometrów i umieść je w sicie ze stali nierdzewnej o porach 32 mikrometrów i średnicy 8 centymetrów. Użyj wyciśniętej butelki z dejonizowaną wodą, aby przepłukać mniejsze przylegające cząstki popiołu przez sito przez 20 do 30 sekund i pozostaw ziarna do wyschnięcia na powietrzu przez 24 godziny. Następnego dnia umieść wszelkie czyste i suche cząstki popiołu na uchwytach do próbek odpowiednich dla wtórnego skaningowego mikroskopu elektronowego i zobrazuj cząstki w trybie elektronów wtórnych przy napięciu przyspieszającym od 15 do 20 kilowoltów i w odległości roboczej 10 milimetrów, aby wybrać od pięciu do dziesięciu najlepszych kandydatów do dalszej analizy.
Wyselekcjonowane ziarna powinny być z przewagą magnetytu. Przymocuj wybrane ziarna popiołu do kawałka przezroczystej taśmy i otocz próbki pustą formą o średnicy jednego cala, która została wewnętrznie pokryta smarem próżniowym, a następnie wypełnij formę formą z żywicy epoksydowej. Po utwardzeniu żywicy epoksydowej wyjmij próbkę z formy i odklej taśmę od dołu.
Ziarna popiołu powinny być częściowo odsłonięte. Wypoleruj ziarna popiołu odlewanego epoksydowo papierem szlifierskim z węglika krzemu o pięciu różnych rozmiarach ziarnistości, od najwyższej do najniższej ziarnistości ruchem ósemkowym przez co najmniej 10 minut na papier szlifierski. Pomiędzy wielkościami ziarna, sonikować próbkę w kąpieli z wodą dejonizowaną przez 10 minut.
Po każdym ostatnim polerowaniu sprawdź próbkę pod mikroskopem, aby upewnić się, że nie ma piasku polerskiego i że powierzchnia próbki jest wolna od zadrapań. Następnie użyj ściereczek do polerowania, aby wypolerować ziarna popiołu odlewane epoksydowo za pomocą kolejnych jedno- i 0,3-mikrometrowych zawiesin polerskich z tlenku glinu w ruchu ósemkowym przez co najmniej 10 minut, sonikując próbkę w wodzie dejonizowanej przez 10 minut między wielkościami zawiesiny. Po drugim polerowaniu zawiesiny sprawdź próbkę pod mikroskopem, aby upewnić się, że nie ma zawiesiny i że powierzchnia próbki jest wolna od zadrapań.
Pod koniec procedury polerowania powierzchnia epoksydowa powinna być gładka, a ziarna popiołu płaskie i dobrze wyeksponowane. Korzystając z dostępnego urządzenia do napylania napylającego, pokryj powierzchnię próbki powłoką przewodzącą węgiel o grubości około 10 nanometrów i uzyskaj obrazy elektronów wstecznie rozproszonych ziaren popiołu za pomocą mikroskopu elektronowego przy napięciu przyspieszającym od 15 do 20 kilowoltów i odległości roboczej 10 milimetrów, aby określić położenie blaszek rozpuszczających w magnetycie. Przed rozpoczęciem procedury skupionej wiązki jonów należy napylić powierzchnię próbki 15-nanometrową warstwą miedzi, aby uniknąć ładowania elektronów i dryfowania próbki.
Następnie użyj skupionej wiązki jonów galu w skaningowym mikroskopie elektronowym z podwójną wiązką na wypolerowanym odcinku zawierającym blaszki w obszarze 1,5 na 20 mikrometrów przy 30 kilowoltach i siedmiu paskalach. Użyj wiązki jonów, aby wyfrezować trzy kliny materiału poniżej trzech boków platynowego prostokąta i włóż system wtrysku gazu, aby przyspawać klin do nanomanipulatora in situ za pomocą platyny osadzonej w systemie wtrysku gazu przed odcięciem ostatniej krawędzi. Za pomocą wiązki galowo-jonowej wytnij 10 segmentów o szerokości od jednego do dwóch mikrometrów od klina i sekwencyjnie przymocuj kliny platyną do wierzchołków silikonowych słupków kuponu z mikrokońcówką.
Uformuj i naostrz każdą końcówkę próbki za pomocą pierścieniowych wzorów frezowania o coraz mniejszych średnicach wewnętrznych i zewnętrznych, zaczynając od 30 kilowoltów, aby uzyskać geometrię próbki niezbędną do tomografii sondy atomowej, a kończąc na przyspieszającym napięciu kilowoltów, aby zmniejszyć implantację galu i uzyskać spójny kształt od końcówki do końcówki. W celu akwizycji tomografii sondy atomowej zamontuj mikrokupon z zaostrzonymi końcówkami przyspawanymi do silikonowych słupków na krążku próbki i załaduj krążek do karuzeli w celu umieszczenia w lokalnej sondzie atomowej elektrody. Włóż karuzelę do komory buforowej lokalnej sondy atomowej elektrody wyposażonej w pikosekundowy laser ultrafioletowy o długości 355 nanometrów i obróć głowicę lasera.
Po kalibracji należy osiągnąć podciśnienie w komorze analitycznej na poziomie lub poniżej 6 na 10 do ujemnego 11 torów i użyć pręta transferowego, aby wprowadzić próbkę krążka do głównej komory analitycznej. Następnie przesuń krążek próbki, aby wyrównać mikrokupon z lokalną elektrodą, aby wybrać końcówkę i zaktualizować bazę danych, aby wskazać numer końcówki. W tej analizie z monokryształu udało się wyekstrahować cztery końcówki próbek tytanomagnetytu i przeanalizować je za pomocą tomografii sondy atomowej.
Dwa z próbek wykazały jednorodne stężenia zarówno żelaza, jak i tytanu w całym tekście, co wskazuje, że blaszki nie były przecięte. Pozostałe dwa okazy wykazywały strefy o zmiennych stężeniach żelaza, tlenu i tytanu. Rekonstrukcje 3D danych tomografii sondy atomowej pozwalają na precyzyjny pomiar odstępów wewnątrzpłytkowych i zapewniają skale długości, które wynoszą średnio od 14 do 29 nanometrów przy wartości jednej sigma wynoszącej dwa nanometry dla obu próbek.
Oprócz tych pomiarów, tomografia sondy atomowej pozwala na ekstrakcję informacji chemicznych przez te blaszki w wysokiej rozdzielczości przestrzennej poprzez analizę proksogramach wykorzystujących punkt zero jako punkt przecięcia między blaszką a minerałem gospodarza. Stężenia atomowe tytanu w krysztale potwierdziły, że fragment jest rzeczywiście tytanomagnetytem i są zgodne z wcześniejszymi analizami petrologicznymi produktów erupcji wulkanu Soufriere Hills. Te proksogramy potwierdzają również, że skład blaszki jest zgodny ze składem ilmenitu.
Przygotowanie klinów do uchwycenia lameli ma kluczowe znaczenie dla przygotowania próbki FIB SEM, a także naostrzenia końcówek do właściwego wymiaru. Można również wykonać elektromikroskopię transmisyjną w celu sprawdzenia wymiarów lameli i rozstawu międzypłytkowego. Technika ta może pozwolić wulkanologom na obliczenie skali czasowych aktywności erupcyjnej, aby lepiej zrozumieć potencjalne zagrożenia związane z aktywnymi wulkanami.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje zastosowanie tomografii sondą atomową (APT) do badania lamel eksolucyjnych w minerałach, dostarczając informacji na temat procesów geologicznych, takich jak wulkanizm i metamorfizm. Poprzez porównanie APT z tradycyjną mikroskopią elektronową oraz nanotomografią opartą na FIB, praca podkreśla zalety APT w wizualizacji faz eksolucyjnych minerałów w skali atomowej.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Geologia
- Mineralogia
- Wulkanologia
Wstęp
- Lamelki eksolucyjne świadczą o procesach geologicznych.
- Zrozumienie chemii minerałów jest kluczowe dla oceny aktywności wulkanicznej.
- Tradycyjne metody mogą nie zapewniać wystarczającej szczegółowości w przypadku przejść w małej skali.
- APT umożliwia wizualizację 3D oraz analizę chemiczną na poziomie atomowym.
Cel badania
- Charakterystyka lameli eksolucyjnych za pomocą APT.
- Porównanie APT z konwencjonalnymi technikami obrazowania.
- Pogłębienie zrozumienia procesów wulkanicznych i potencjalnych zagrożeń.
Zastosowane metody
- Tomografia sondą atomową do wizualizacji 3D.
- Porównanie z technikami mikroskopii elektronowej.
- Zastosowanie w przypadkach patologicznej mineralizacji.
- Przygotowanie próbek z wykorzystaniem specyficznych technik manipulacji.
Główne wyniki
- APT dostarcza szczegółowych informacji na temat faz eksolwacyjnych minerałów.
- Porównanie wykazuje przewagę APT w określonych aspektach.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia przejść w erupcjach wulkanicznych.
- Metodologię tę można zastosować w różnych badaniach geologicznych.
Wnioski
- APT jest potężnym narzędziem do analizy minerałów.
- Umożliwia ono lepsze zrozumienie procesów geologicznych.
- Przyszłe zastosowania mogą objąć inne badania mineralizacji.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Tomografia sondą atomową (APT) umożliwia charakterystykę procesów eksolucji minerałów w skali nanometrycznej, dostarczając informacji na temat kinetyki dyfuzji oraz ewolucji granic faz w gradiencie termicznym. Możliwość ta wspiera minimalizację ryzyka mechanistycznego w walidacji celu, dostarczając ilościowych, rozdzielczych przestrzennie danych o składzie, które mogą posłużyć do opracowania modeli predykcyjnych zachowania materiałów pod wpływem naprężeń. W badaniach i rozwoju (R&D) biofarmaceutycznym taka precyzja analityczna pomaga w zrozumieniu zjawisk międzyfazowych w biomateriałach, oddziaływań między implantem a tkanką lub stabilności nieorganicznych substancji pomocniczych, gdzie nanometryczne gradienty składu wpływają na wydajność funkcjonalną i długoterminową niezawodność.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie rozkładu pierwiastków na granicach faz w celu wyjaśnienia mechanizmów wymiany jonowej lub reakcji kontrolowanych dyfuzyjnie, istotnych dla stabilności biomarkerów.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne, ilościowe mapowanie składu z rozdzielczością poniżej 30 nm, co zmniejsza niejednoznaczność hipotez mechanistycznych.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Dostarcza precyzyjnych pomiarów odstępów międzywarstwowych (14–29 ± 2 nm), które mogą służyć jako wzorce strukturalne dla jednorodności nanomateriałów w podłożach do analiz.
- Wartość operacyjna: Umożliwia standaryzację protokołów przygotowania próbek dla hybrydowych układów nieorganiczno-organicznych, co poprawia porównywalność wyników między laboratoriami.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ujawnia gładkie profile dyfuzji bez ostrych granic faz, co dostarcza informacji dla modeli stopniowych przejść składnikowych w implantach biodegradowalnych lub powłokach uwalniających leki.
- Wartość operacyjna: Wspiera korelację między chemią w nanoskali a działaniem makroskopowym, zwiększając pewność translacyjną w zakresie oddziaływań na linii materiał-tkanka.
Integracja potoku i przepływu pracy
- Biologia odkrywcza: Ułatwia testowanie hipotez dotyczących rozdziału pierwiastków na granicach faz minerał-ciecz lub białko-nieorganika poprzez bezpośrednią obserwację w skali atomowej.
- Przesiewanie: Umożliwia ocenę spójności składu w nanoskali w syntetyzowanych biomateriałach, wspierając powtarzalność między partiami produkcyjnymi.
- Analityka: Dostarcza gradienty składu oraz parametry rozmieszczenia wyprowadzone z proksygramów, co pozwala na obiektywne porównanie wariantów materiałowych przy kontrolowanej historii termicznej.
- Badania translacyjne: Łączy chemię międzyfazową w nanoskali z zachowaniem materiału w skali makro, wspierając decyzje uwzględniające ryzyko podczas przedklinicznej oceny urządzeń lub powłok.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy powtarzalną możliwość charakteryzacji faz nieorganicznych w systemach hybrydowych, możliwą do zastosowania w wielu projektach obejmujących biomateriały, implanty lub platformy diagnostyczne.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w zakresie stabilności międzyfazowej, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w procesach sterowanych dyfuzją.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność nanochemicznej analizy w złożonych macierzach.
- Wartość strategiczna: Ulepszone decyzje typu go/no-go dla kandydatów na biomateriały, zmniejszone ryzyko niepowodzenia na późnych etapach z powodu degradacji międzyfazowej.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja formulacji materiałowych w oparciu o ryzyko, oparta na mierzalnych danych nanoskalowych dotyczących międzyfaz.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wiedza specjalistyczna z zakresu mineralogii, nauki o materiałach lub geochemii w celu interpretacji danych APT w kontekście biologicznym lub biomateriałowym.
- Dostęp do aparatury do tomografii sondą atomową oraz powiązanej infrastruktury do przygotowania próbek (FIB, napylanie, zatapianie w żywicy epoksydowej).
- Standaryzacja protokołów obchodzenia się z próbkami w celu zminimalizowania artefaktów podczas przenoszenia z matryc próbek geologicznych na biologiczne.
- Adaptacja procedur wycinania próbek (lift-out) i ostrzenia wierzchołków za pomocą FIB dla próbek miękkich, uwodnionych lub zawierających substancje organiczne.
- Ograniczenie praktyczne: APT wymaga próbek przewodzących; materiały biologiczne lub izolacyjne mogą wymagać strategii powlekania, które mogą wpłynąć na chemię powierzchni.
