Ilościowa analiza miejsc atomowych funkcjonalnych domieszek/defektów punktowych w materiałach krystalicznych za pomocą mikroanalizy wzmocnionej kanałem elektronowym
May 10th, 2021
Przedstawiamy ogólny zarys metod mikroanalizy ilościowej do szacowania zajętości zanieczyszczeń i ich stanów chemicznych, wykorzystując zjawiska kanalizacji elektronów w warunkach padającego kołysania wiązką elektronów, które niezawodnie wydobywają informacje o gatunkach mniejszościowych, pierwiastkach lekkich, wolnych miejscach tlenu i innych defektach punktowych/liniowych/płaskich.
Ten nowatorski schemat analizy pierwiastkowej i chemicznej może być wykorzystany do ilościowego uzyskania zależnych od miejsca informacji o zanieczyszczeniach lub domieszkach w próbce za pomocą dyspersyjnych promieni rentgenowskich i spektroskopii utraty energii elektronów. Technika ta jest prosta, tania i niezawodna ilościowo w porównaniu z innymi dostępnymi obecnie technikami analitycznymi i nie wymaga najnowocześniejszego sprzętu. Metoda ta ma szerokie zastosowanie nie tylko do analizy domieszek w monokrysztale, ale także do analizy lokalnej struktury defektów sieci związanych z wakatami, śródmiąższami i granicami ziaren.
Procedurę zademonstruje Masahiro Ohtsuka, wykładowca z mojego laboratorium. Aby zamontować cienkowarstwową próbkę do transmisyjnej mikroskopii elektronowej, należy załadować próbkę do podwójnie przechylanego uchwytu próbki transmisyjnego mikroskopu elektronowego i włożyć uchwyt do transmisyjnego mikroskopu elektronowego wyposażonego w tryb skanowania i detektor promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii. Po wykonaniu rutynowej procedury wyrównania wiązki transmisyjnego mikroskopu elektronowego kliknij opcję Wyświetlanie obrazu skanowania załączników, aby przejść do trybu STEM.
Aby wykonać wyrównanie osi optycznej, kliknij przycisk Kołysanie, a następnie kliknij Punktowy, aby zatrzymać ruch kołysania wiązki. Gdy kołysanie ustanie, usuń próbkę z pola view i użyj przycisków strzałek powiększenia, aby ustawić zakres kołysania wiązki na mniej niż plus minus dwa stopnie. Obróć pokrętło Jasność zgodnie z ruchem wskazówek zegara do limitu i wyreguluj pokrętło Object Focus Coarse w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aby uzyskać zbyt niską ostrość.
Na ekranie fluorescencyjnym pojawi się plama. Naciśnij Bright Tilt i użyj pokręteł deflektora, aby przesunąć plamę na środek ekranu fluorescencyjnego. Naciśnij przycisk standardowego ustawiania ostrości i obracaj pokrętłem jasności w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż na ekranie fluorescencyjnym pojawi się alternatywna plama.
Naciśnij F3 i użyj pokręteł deflektora, aby przesunąć plamkę wiązki na środek ekranu. Następnie powtórz właśnie zademonstrowane kroki wyrównania optycznego, aż pozycja wiązki pozostanie w środku, nawet jeśli stan soczewki zostanie zmieniony. Aby skolimować wiązkę padającą, najpierw włóż trzecią co do wielkości aperturę kondensatora, obracając pokrętło przysłony zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a następnie ręcznie dostosuj jego położenie do środka osi optycznej za pomocą dwóch dołączonych.
I użyj pokrętła jasności w połączeniu z pokrętłami deflektora i stygmatorem kondensatora, aby wyregulować stygmator soczewki kondensatora, aż kształt wiązki zostanie skupiony współosiowo. Naciśnij wobler o wysokim napięciu i wyreguluj pokrętło jasności, aby zminimalizować wahania rozmiaru wiązki wraz ze zmianą napięcia przyspieszenia, aby dostosować kąt zbieżności wiązki do minimum. Naciśnij ponownie wobler wysokiego napięcia, aby zatrzymać wobler wysokiego napięcia.
Aby ustawić punkt obrotu, aktywuj tryb konserwacji zgodnie z instrukcjami producenta i wybierz JEOLS, Scan/Focus i Scan Control. Po kliknięciu opcji Correction and Can (Korekcja i skanowanie) użyj pokręteł Deflector (Deflektor) i Object Focus Fine (Precyzyjne ustawienie ostrości obiektu), aby zminimalizować przesunięcie wiązki wraz z kołysaniem wiązki. Następnie użyj sterujących Z, aby dopasować próbkę i wysokość punktu obrotu, tak aby próbka była skupiona na ekranie fluorescencyjnym.
Aby wykonać końcowe wyrównanie wiązki w celu uzyskania wzorca kanału elektronowego dla próbki, przesuń obszar zainteresowania próbki z powrotem do środka i kliknij przycisk Skanuj, aby rozpocząć kołysanie wiązki. Ręcznie obróć pierścieniowy cylinder detektora ciemnego pola zgodnie z ruchem wskazówek zegara i włóż detektor. Wyreguluj pokrętła deflektora, przytrzymując PLA, aby ustawić pozycję detektora na środku pozycji wiązki i sprawdź STEI-DF.
Pojawi się wzorzec kanalizacji elektronów. Dostosuj jasność i kontrast, aby zoptymalizować widok wzoru, lekko obracając pokrętło jasności, aby uzyskać najostrzejszy kontrast w razie potrzeby. Aby zebrać widma promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii, w trybie kołysania wiązki, należy użyć metody obrazowania spektralnego jako funkcji kątów nachylenia wiązki w kierunkach x i y, aby wyświetlić rozkład intensywności pierwiastków dla określonych pierwiastków.
Aby uzyskać wzorzec jonizująco-kanałowy, należy użyć funkcji skanowania linii, aby wykonać pomiar 1D nachylenia systematycznego rzędu odbić. W podglądzie wzorca kanału elektronowego pojawią się żółte strzałki, aby określić zakres pomiarowy. Przerwij pomiary, gdy uzyskane zostaną wystarczające statystyki danych.
Na tych reprezentatywnych obrazach pokazano eksperymentalne wzorce elektronów i kanałów jonizacyjnych dla tytanianu baru, baru L, baru K alfa i tlenu K alfa w pobliżu odpowiednio osi 100 i 110 stref. Tutaj można zaobserwować wzorce elektronowo-kanałowe wapnia K, cyny L, O-K, europu L i itru L dla próbki tlenku cyny wapniowo-domieszkowanego itrem europem w pobliżu strefy 100. Wzór kanału jonizującego lantanu europu w tej analizie był bliższy wzorcowi wapnia K, podczas gdy wzór itru L był bliższy temu obserwowanemu dla cyny L. Dane te sugerują, że miejsca zajmowania europu i itru mogą być obciążone, zgodnie z oczekiwaniami.
Zajętość miejsca zabrudzeń i stężenia zanieczyszczeń we wszystkich próbkach są wskazane w tabeli. Jak zaobserwowano, dla samego tlenku cyny wapniowej domieszkowanego europem, europ zajmował miejsca wapnia i cyny w równym stopniu, co jest zgodne z wynikami dyfrakcji rentgenowskiej, analizy Rietvelda. W przeciwieństwie do tego, europ i itr zajmowały miejsca wapnia i cyny w próbkach domieszkowanych w proporcjach odpowiednio około siedmiu do trzech i czterech do sześciu, zgodnie z oczekiwaniami, przy zachowaniu stanu neutralności ładunku w obecnych dokładnościach eksperymentalnych.
Ważne jest, aby uważnie obserwować krawędź wiązki i próbki, aby określić optymalne warunki ostrości, chociaż możliwa jest ostateczna niewielka korekta. Jeśli nie masz trybu kołysania wiązki w swoim TEM, wtyczka oprogramowania o nazwie QED, która działa w pakiecie Gatan Microscopy Suite, może zaimplementować ten sam schemat.
Przegląd
Ten artykuł opisuje nowy schemat analizy elementarnej i chemicznej, który ilościowo wyprowadza informacje zależne od miejsca dla zanieczyszczeń lub dopantów w próbkach. Metoda wykorzystuje energetyczną spektroskopię rentgenowską i spektroskopię strat energii elektronów, zapewniając niezawodną i opłacalną alternatywę dla istniejących technik.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Nauki o materiałach
- Chemia analityczna
Tło
- Rozumienie zajmowania miejsc przez zanieczyszczenia jest kluczowe dla charakteryzacji materiałów.
- Zjawiska kanałowe elektronowe zwiększają analizę mniejszościowych gatunków i defektów.
- Obecne metody często wymagają zaawansowanego sprzętu, ograniczając dostępność.
- To badanie przedstawia prostszą, nisko kosztową alternatywę.
Cel badania
- Opracować niezawodną metodę analizy zanieczyszczeń i dopantów w materiałach.
- Dostarczyć prostą procedurę dla badaczy w tym polu.
- Wykazać przydatność metody do różnych analiz strukturalnych.
Stosowane metody
- Energetyczna spektroskopia rentgenowska (EDX)
- Spektroskopia strat energii elektronów (EELS)
- Mikroskopia elektronowa transmisyjna (TEM)
- Techniki kołysania wiązki dla optymalnego wyrównania
Główne wyniki
- Zajmowane miejsca europu i itru w próbkach współdopingowanych zostały zmierzone.
- Wyniki wskazały znaczące zniekształcenie w proporcjach zajmowania miejsc przez zanieczyszczenia.
- Dane wsparły wyniki z dyfrakcji rentgenowskiej i analizy Rietvelda.
- Metoda wykazała skuteczność w analizie defektów sieci krystalicznej i rozkładów dopantów.
Wnioski
- Proponowana metoda jest żywotną alternatywą dla analizy zanieczyszczeń.
- Pozwalla na szczegółową charakteryzację bez potrzeby zaawansowanego sprzętu.
- Przyszłe zastosowania mogą obejmować różne materiały i analizy defektów.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Quantitative atomic-site analysis of dopants and point defects in crystalline materials is critical for de-risking early-stage materials used in biopharma device platforms and analytical instrumentation. This electron-channeling-enhanced microanalysis method enables precise site occupancy and chemical state determination, supporting predictive confidence in material performance and reliability. Its applicability to small samples and complex element combinations addresses key bottlenecks in advanced material qualification for R&D pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables atomic-level mapping of functional dopants and impurities in device-relevant materials.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying defect distributions and site-specific chemical states.
- Improves predictive confidence in material-driven assay platforms and biosensor development.
Screening & Assay Development
- Facilitates validation of crystalline substrates and nanomaterials for reproducible assay performance.
- Provides quantitative outputs for site occupancy, supporting standardization across batches.
- Enables screening of material modifications for optimal functionalization and stability.
Translational & Preclinical Research
- Aligns material characterization with translational biomarker platforms when advanced materials are used in diagnostic or analytical devices.
- Ensures continuity from discovery to preclinical validation by confirming material integrity and defect profiles.
- Reduces risk of late-stage device or assay failure due to undetected material inconsistencies.
Pipeline & Workflow Integration
This microanalysis method integrates at the interface of material discovery, device prototyping, and analytical platform qualification, supporting workflows from early discovery through preclinical validation.
- Discovery Biology: Clarifies the impact of atomic-scale defects and dopants on device or assay performance.
- Screening: Provides reproducible, quantitative site occupancy data for material selection and optimization.
- Analytics: Delivers high-resolution elemental and chemical mapping to compare material batches and modifications.
- Translational Research: Supports alignment of material properties with regulatory and performance requirements for translational platforms.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, scalable capability for advanced material analysis across R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material-driven device and assay development.
- Operational Value: Offers a low-cost, reliable, and broadly applicable analysis method without requiring state-of-the-art equipment.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions for material selection and device prototyping, reducing downstream risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of materials and platforms for advancement in the R&D pipeline.
Implementation Considerations
- Requires expertise in transmission electron microscopy and spectroscopic analysis.
- Needs access to a TEM with energy-dispersive X-ray and electron energy-loss spectroscopy capabilities.
- Demands cross-team standardization for sample preparation and data interpretation.
- Adaptable to a wide range of crystalline materials and dopant/defect types.
- Practical limitations may include sample thickness and instrument-specific alignment procedures.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:59
Transmission Electron Microscopy (TEM) Alignment for Beam-Rocking
2:36
Incident Beam Collimation and Pivot Point Setup
3:47
Electron-Channeling Pattern (ECP) Acquisition
4:30
Energy-Dispersive X-Ray Analysis
5:10
Results: Representative ECP and ICP Emission Imaging
6:46
Conclusion
