O uso de tomografia de raios-X por dispersão de energia no microscópio eletrônico de transmissão de varredura para caracterizar distribuições elementares dentro de nanopartículas únicas em três dimensões é descrito.
Artigo de método
O uso de tomografia de raios-X por dispersão de energia no microscópio eletrônico de transmissão de varredura para caracterizar distribuições elementares dentro de nanopartículas únicas em três dimensões é descrito.
A espectroscopia de raios-X por dispersão de energia dentro do microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) fornece análise elementar precisa com alta resolução espacial e é até capaz de fornecer mapas elementares resolvidos atomicamente. Nesta técnica, um feixe de elétrons altamente focalizado incide sobre uma amostra fina e a energia dos raios-X emitidos é medida para determinar as espécies atômicas de material dentro do caminho do feixe. Esta técnica de espectroscopia elementar sensível pode ser estendida para imagens tomográficas tridimensionais, adquirindo imagens de espectro múltiplo com a amostra inclinada ao longo de um eixo perpendicular à direção do feixe de elétrons.
As distribuições elementares dentro de nanopartículas individuais são frequentemente importantes para determinar suas propriedades ópticas, catalíticas e magnéticas. Técnicas como tomografia de raios-X e mapeamento de raios-X por dispersão de energia de corte e visualização no microscópio eletrônico de varredura fornecem imagens tridimensionais elementarmente sensíveis, mas normalmente são limitadas a resoluções espaciais de > 20 nm. A tomografia por sonda atômica fornece resolução quase atômica, mas a preparação de amostras de nanopartículas para análise de sonda atômica costuma ser um desafio. Assim, as técnicas elementarmente sensíveis aplicadas no microscópio eletrônico de transmissão de varredura estão em uma posição única para estudar distribuições elementares dentro de nanopartículas de dimensões 10-100 nm.
Aqui, a espectroscopia de raios-X por dispersão de energia (EDX) dentro do STEM é aplicada para investigar a distribuição de elementos em nanopartículas AgAu únicas. A segregação superficial de Ag e Au, em diferentes composições de nanopartículas, foi observada.
O objectivo deste método é o de proporcionar a determinação precisa da distribuição tridimensional de elementos dentro de nanopartículas individuais. Isto é realizado através da utilização de espectroscopia por energia dispersiva de raios-X (EDX), em conjugação com uma reconstrução tomográfica realizada no microscópio electrónico de transmissão de varredura (STEM).
Espectroscopia de energia dispersiva de raios X tem sido usada como uma técnica para quantificar e espacialmente mapear elementos presentes em amostras de microscopia electrónica de transmissão. Com o advento de ângulo elevado anular tomografia STEM campo escuro (HAADF) para os três imagiologia tridimensional de materiais cristalinos 1, tomografia de raios X de energia dispersiva também foi proposta como um método para permitir a determinação das distribuições elementares em três dimensões 2. No entanto, estudos iniciais foram limitados devido ao desenho de detectores de raios-X no microscópio electrónico de transmissão. Especificamente estes tradicional detector desenhos tinham eficiência relativamente baixos de coleta e medidos sem sinal em uma grande variedade de ângulos de inclinação devido sombreamento do 2,3 suporte de amostras. A introdução de novos desenhos geométricos de detectores de raios-X no interior da (varrimento) microscópio electrónico de transmissão de energia dispersiva fêz tomografia de raios X uma técnica viável e levou a uma série de estudos recentes 4-6.
HAADF imagem STEM é um modo de tomografia de elétrons amplamente utilizado e é capaz de fornecer informações sobre a composição em situações específicas com base na sensibilidade número atómico da intensidade do sinal HAADF. Por exemplo, a tomografia HAADF é bem adequado para o estudo de nanopartículas com regiões discretas elementares, por exemplo, bem definido morfologias de núcleo-revestimento 7, mas não pode ser usada quando os elementos têm uma distribuição mais complicado. Electron perda de energia espectroscopia (EELS) fornece uma abordagem complementar para a determinação de três eleme dimensionaldistribuições ntal dentro do STEM 8. Nesta técnica, as perdas de energia do feixe de electrões incidente são utilizados para determinar a composição da amostra e isto tem a vantagem de uma maior relação sinal-para-ruído que é muitas vezes obtida por EDX espectroscopia 9. A desvantagem das enguias é que várias considerações de espalhamento de impor limites estritos sobre a espessura da amostra, e em várias situações análise é complicado pela presença de bordas de início retardado ou características espectrais que se sobrepõem. Assim, espectroscopia EDX é muitas vezes mais adequado para estudar os elementos pesados, como aqueles que são frequentemente associados com sistemas de nanopartículas catalíticos ou plasmonic 9. Além disso, como uma imagem espectro completo é coletado em EDX espectroscopia é fácil identificar retrospectivamente elementos inesperados, o que é mais difícil em microscopia de energia filtrada eletrônica de transmissão (EFTEM) e enguias, devido à frequência das informações elemental sobrepostas ou estar foraa gama espectral do conjunto de dados.
A geometria da amostra ideal para tomografia EDX consiste de uma amostra em forma de agulha suspensa no vácuo e orientada ao longo do eixo de inclinação tomográfica 4. Esta situação assegura que não há sombreamento dos detectores de EDX em qualquer ângulo de inclinação, quer a amostra ou suporte da amostra. No entanto, o conjunto das amostras em forma de agulha necessários para os sistemas de nanopartículas é um desafio de preparação 10 e amostra geralmente consiste de simplesmente transferir nanopartículas dentro de uma grade fina suporte TEM filme de carbono. Estas grades são utilizados com um suporte de amostra tomografia especialmente concebidos de modo que pode ser inclinado para grandes ângulos (≈ ± 75 °), mas sombreamento dos detectores de EDX dentro desta gama de espécime ângulos de inclinação é inevitável e pode degradar a qualidade da tomográfica resultante reconstrução. Este sombreamento é característica de uma configuração particular microscópio de detector de suporte e, por conseguinte, pode ser determinado pela medição de uma amostra de calibração adequada antes da aquisição 11. nanoparticulas esféricas individuais são um espécime de calibração ideais como a intensidade da contagem dos raios-X a partir destas amostras deveria permanecer constante ao longo de todos os ângulos de inclinação. O sombreamento detector pode, em seguida, ser compensados por qualquer variação do tempo de aquisição para cada ângulo ou por multiplicação com factor de correcção após a aquisição de dados. A primeira abordagem é utilizada como isto minimiza a dose de electrões, enquanto maximiza a relação sinal-ruído.
1. nanopartículas Síntese
Preparação de Amostras 2. TEM
3. Caracterização do Detector sombreamento
4. Aquisição Tomografia EDX
5. Reconstrução e Visualização
A caracterização de um detector de sombreamento por um suporte 2020 tomografia num Titan ChemiSTEM G2 é apresentado na Figura 1A. Os detectores são utilizados aqui que a do detector super-X, em que quatro detectores são empregues em ângulos azimutais iguais de 90 ° em torno do eixo óptico, o que resulta num ângulo sólido detector de maior do que 0,6 SR14. Caracterização dos detectores permitiu a determinação de tempos de aquisição tomográficos compensados apresentados na Figura 1B. Após a aplicação destes tempos de aquisição as contagens em cada ângulo de inclinação deve permanecer praticamente constante para as nanopartículas individuais, como mostrado na Figura 1C.
nanopartículas bimetálicas Agau, sintetizados pela reação de substituição galvânica, foram investigados por meio de tomografia EDX no STEM. Nesta reacção, uma solução de AuCl 4 - éadicionada a sementes de nanopartículas AG. Au é reduzida na superfície das nanopartículas como Ag é oxidada, resultando numa composição de bimetálico e esvaziamento da semente inicial. Anteriormente, pensava-se que a Ag e Au formada uma liga homogénea ao longo deste processo e que as variações nas propriedades catalíticas e ópticas foram simplesmente devido ao esvaziamento e variações de composição a granel. No entanto, três mapeamento elementar dimensional realizada utilizando tomografia EDX revelaram segregação de superfície dentro das nanopartículas Agau sintetizados pela reacção galvânica (Figura 2). Em composições de baixa Au, as nanopartículas exibir clara segregação superfície Au. No entanto, como os de conteúdo Au aumenta essa segregação superfície muda de modo que para os maiores teores de Au há clara segregação superfície Ag (Figura 3). Esta comutação de segregação de superfície correlaciona-se com as mudanças no rendimento de propargylamines em uma reacção de três componentes de acoplamento sintetizados por diferentescomposições ent destas nanopartículas Agau.
Fatias através da reconstrução que são normais à direcção do feixe de electrões para proporcionar uma comparação de dois mapas elementares dimensionais padrão. Os mapas iniciais contêm informações sobre a composição somadas ao longo da direcção do feixe e que pode muitas vezes ser difícil de interpretar devido à sobreposição de regiões de composições diferentes ou, no caso de o Agau nanopartículas investigados aqui, devido à inclusão da parte superior e inferior em superfícies de projecção (Figura 3A-C). Tomando fatias através da reconstrução permite a remoção da intensidade associado com as superfícies de topo e de fundo das partículas e, portanto, resulta em um visor muito mais clara de segregação de superfície neste caso (Figura 3D-F).

Caracterização de sombreamento detector utilizando uma única nanopartícula Agau. (A) A contagem de Ag e Au picos de raios-X em função do ângulo de inclinação de uma única nanopartícula Agau quando empregando um tempo de aquisição set (5 min). Vezes (B) A aquisição determinada a partir de (A) e, posteriormente, utilizado para adquirir a série de inclinação. (C) A contagem de Ag e Au picos de raios X, como uma função dos ângulos de inclinação a partir de uma única nanopartícula Agau quando se emprega a tempos de aquisição a partir de (B). As contagens permanecem mais ou menos constante sobre todos os ângulos de inclinação. De Slater et al. 15. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Reconstrução de um baixo teor de Au Agau nanopartícula. (A) Orthoslice através do Au reconstrução. (B) Orthoslice através da reconstrução Ag. Perfis de linha (C) tomadas através orthoslices (A) e (B) mostrando a clara segregação superfície Au neste nanopartículas. Visualização (D) Superfície das reconstruções Ag e Au. De Slater et al. 15. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. A reconstrução de um elevado teor de Au Agau nanopartículas. (A) 2D EDX mapa de Au e (B) 2D EDX mapa de Ag. Profil (C) Linhae feita através dos mapas 2D EDX (A) e (B) que mostra a dificuldade na determinação da segregação de superfície nesta nanopartículas de 2D mapeia sozinho. (D) Orthoslice através do Au reconstrução. (E) Orthoslice através da reconstrução Ag. (F) perfis de linha tomadas através orthoslices (D) e (E) que indicam o clara segregação superfície Ag neste nanopartículas. (G) a visualização da superfície das reconstruções Ag e Au. De Slater et al. 15. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O protocolo aqui apresentado fornece um método para determinar a distribuição elementar de qualquer multi-elemento de nanopartículas em três dimensões. No caso das nanopartículas Agau aqui apresentados, a segregação de superfície de ambos os elementos é claramente identificada e é mostrado para ser correlacionado com o rendimento catalítico em uma reacção de acoplamento de três componentes. Isto demonstra claramente a utilidade desta técnica para ajudar a explicar as propriedades físicas e químicas dos sistemas de nanopartículas.
Como é sempre o caso na TEM, cuidado deve ser tomado na preparação de amostras para garantir os melhores resultados possíveis. lavagem completa e recozimento das grades depois de depositar a solução de nanopartículas é particularmente importante para evitar acúmulo de contaminação de carbono através da grande dose de elétrons necessários para tomografia EDX. A grande dose utilizada também pode resultar em graves danos ao HOLEY filmes de carbono, particularmente se em secções finas frequentemente encontrada entre buracos, mas películas de suporte de nitreto de silício pode favorecer a oxidação das nanopartículas 16.
Correcção de efeitos de sombreamento detector é importante para produzir uma reconstrução precisa, particularmente se a técnica é para ser aplicado para o mapeamento quantitativa da distribuição elementar no futuro. Isto pode ser conseguido através da caracterização precisa do detector de sombreamento e, subsequentemente, variando a dose de electrões para a nanopartícula. Alternativamente, o sombreamento pode ser compensado pela multiplicação imagens de espectro por um fator de correção após a aquisição. No entanto, a aplicação desta técnica para proporcionar informação quantitativa em três dimensões não é ainda possível, devido a danos de feixe de electrões de nanopartículas que limita a contagem dos raios-X possíveis em cada imagem espectro.
A calibração é necessária, a fim de compensar o EDX detector de sombreamento como uma função do ângulo de inclinação para um detector de combinação microscópio-titular específico. o shadowing deve inicialmente ser determinada utilizando uma amostra que não dá nenhuma variação nas contagens de raios-X para diferentes ângulos espécime inclinação e nanopartículas esféricas individuais são esperados para satisfazer estes critérios, quando a sua composição é estável sob o feixe de electrões ao longo do tempo necessário para adquirir a inclinação série. Além disso, para as nanopartículas cristalinas, qualquer ângulos de inclinação em que o feixe de electrões é orientado ao longo de uma zona do eixo principal da nanopartícula deve ser removida e a nanopartícula deve ser pequena o suficiente para evitar a absorção significativa de raios-X. Portanto, quando EDX imagens espectro de uma única nanopartícula são adquiridos ao longo de toda a gama de possíveis ângulos de inclinação espécime usando um tempo de aquisição constante, quaisquer variações na intensidade dos raios-X característica medida será devido ao detector sombreamento sozinho. Os tempos de aquisição, e, por conseguinte, a dose, é então variada de aquisições subsequentes para compensar o sombreamento que significa que as contagens totais de sinal são aproximadamente conconstante para todas as imagens adquiridas em espectro da série de inclinação.
Em comparação com HAADF ou EELS modos de imagem, EDX aquisição de dados tomográficos ainda está em seus estágios iniciais. Apesar da introdução de detectores de raios-X com ângulos sólidos superiores a principal limitação da tomografia EDX, como é frequentemente o caso para imagiologia bidimensional EDX, é o sinal de baixa. Apesar disso, uma vantagem que a espectroscopia EDX pode deter mais de EELS para alguns sistemas de nanopartículas é na determinação de pequenas quantidades de elementos pesados em bastante grandes nanopartículas. Maiores nanopartículas multicomponentes (> 100 nm) são muitas vezes adequados para estudos EDX uma vez que proporcionam mais contagens e existem menos problemas com deconvolving sobreposições espectrais, mas deve ser tomado cuidado para utilizar os picos de raios X de alta energia que sofrem pouca absorção.
Em geral, a tomografia EDX é um excelente método de determinar distribuições elementares dentro de nanopartículas em três dimensões, although limitado a nanopartículas que podem suportar uma dose relativamente alta de elétrons sem danos significativos. Novos aumentos nos ângulos sólidos de detectores de raios-X no interior da haste e uma maior optimização dos suportes de amostra tomográficos permitirá que esta técnica para avançar ainda mais e tornar-se um método importante na caracterização de nanopartículas individuais.
Os autores não têm nada para revelar.
TJAS e SJH agradecer à Engenharia do Reino Unido e Ciências Físicas Research Council, (números Grant EP / G035954 / 1 e EP / L01548X / 1) para apoio financeiro. Os autores gostariam de agradecer o apoio do Governo de Sua Majestade (UK) para o fornecimento de fundos para a Titan G2 80-200 S / TEM associada a capacidade do Centro de Investigação Avançada Nuclear Manufacturing pesquisa.
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Titan G2 80-200 STEM | FEI | Com detector Super-X | |
| 2020 suporte para tomografia | Fischione | ||
| Filme de carbono em grade de cobre de 200 mesh | Agar Scientific | AGS160 | |
| EDX Software de aquisição | Bruker | Esprit | |
| Software de alinhamento e reconstrução tomográfica | FEI | Inspect3D, alternativas disponível | |
| Pacote de software de alinhamento e reconstrução tomográfica | University of Colorado | IMOD, alternativas disponíveis | |
| Software de visualização | FEI | Avizo, alternativas disponíveis | |
| Software de processamento de imagem | Gatan | Digital Micrograph, alternativas disponíveis | |
| Software de visualização de imagem | Open Source | Fiji, alternativas disponíveis | |
| Polivinil-pirrolidona | Sigma-Aldrich | 856568 | |
| Etilenoglicol | Sigma-Aldrich | V900208 | |
| Nitrato de prata | Sigma-Aldrich | 209139 | |
| Centrífuga de bancada | Thermo Scientific | 75007200 | |
| Frasco de fundo redondo | Sigma-Aldrich | Z41,452-2 | 1,000 ml |
| Trihidrato de tetracloroaurato de hidrogênio | Sigma-Aldrich | 520918 |
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