Tomografia de raios-X de energia dispersiva para 3D Elemental Mapeamento de nanopartículas individuais

O objetivo geral deste experimento é investigar a distribuição de elementos dentro de nanopartículas de prata-ouro que são sintetizadas pela reação de substituição galvânica. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da catálise, como por que certas composições de nanopartículas exibem desempenho catalítico aprimorado. A principal vantagem desta técnica é a capacidade de sondar a distribuição de elementos na escala nanométrica.

Isso permite uma resolução incrivelmente alta em três dimensões. Embora o método tenha sido usado aqui para estudar nanopartículas metálicas, ele também pode ser usado para estudar outros materiais na escala nanométrica de comprimento, como pontos quânticos semicondutores, onde pode nos ajudar a entender suas propriedades ópticas e seu desempenho dentro das células. Para iniciar a síntese de nanopartículas, dissolva cinco gramas de PVP em 37,5 mililitros de etilenoglicol à temperatura ambiente.

Em seguida, adicione 200 miligramas de nitrato de prata a esta solução. Agitar a solução até que o nitrato de prata esteja completamente dissolvido e, em seguida, aquecer a solução a uma taxa constante de um grau Celsius por minuto numa placa de aquecimento até uma temperatura de 100 graus Celsius. Deixe a reação prosseguir a 100 graus Celsius pela próxima hora e meia.

Em seguida, adicione 87,5 mililitros de água destilada e resfrie a solução de volta à temperatura ambiente. Em seguida, centrifugue a solução a 8000 vezes G.Remova o sobrenadante e redisperse as nanopartículas de prata em 50 mililitros de água destilada. Em um novo balão de fundo redondo, dissolva 50 miligramas de PVP em 50 mililitros de etilenoglicol à temperatura ambiente.

Adicione 2,78 mililitros da suspensão de nanopartículas de prata e aqueça o frasco a 100 graus Celsius por 10 minutos. Em seguida, prepare 100 mililitros de trihidrato de 0,2 ou tetracloroaurato de hidrogênio. Adicione alíquotas de 10, 20, 30 ou 40 mililitros da solução gota a gota para separar as preparações da solução de nanopartículas de prata para obter nanopartículas de ouro-prata em proporções variadas.

Deixe esfriar até a temperatura ambiente e lave com água destilada três vezes. Pipete aproximadamente 0,02 mililitros da solução de nanopartículas diretamente em uma grade MET de carbono. Se possível, use grades MET de berílio para limitar raios-x espúrios e um tamanho de malha grande para minimizar o sombreamento da grade.

Depois que a solução de nanopartículas secar, limpe as grades TEM pipetando 10 a 20 gotas de metanol 100%, ou etanol, sobre a grade TEM enquanto segura a grade com pinças cruzadas anticapilares. Remova suavemente o excesso de líquido após cada gota usando papel de filtro. Por fim, recoza a grade a 80 graus Celsius sob vácuo para remover ou imobilizar qualquer contaminação restante.

Carregue a grade revestida de nanopartículas em um suporte de tomografia e, em seguida, insira-a no TEM. Quando o vácuo do microscópio atingir um valor estável adequado, abra as válvulas da coluna e certifique-se de que o feixe de elétrons possa ser observado na tela. No modo MET de varredura, certifique-se de que a difração esteja selecionada, vá para a guia Pesquisar e incline o stage entre mais ou menos 15 graus pressionando o botão Alpha Wobbler.

Minimize qualquer movimento na amostra ajustando a altura Z para a altura eucêntrica. Agora mova a amostra para que o feixe fique sobre um orifício na amostra. Certifique-se de que a abertura do condensador apropriada esteja alinhada corretamente, centralizando a sombra da abertura em uma imagem subfocada da sonda.

Oscile a intensidade para garantir que a sonda focalizada não se mova para verificar se há desalinhamento da cauda do feixe. Em seguida, trace o contorno do quadrado da grade selecionando mostrar trilhas na guia Pesquisar e seguindo o contorno do quadrado da grade durante a geração de imagens. Encontre uma partícula representativa na parte central do quadrado da grade.

Incline a amostra para a faixa de inclinação máxima do suporte durante a imagem para garantir que a nanopartícula não seja obscurecida pelas barras da grade em grandes inclinações do suporte. Adquira imagens de espectro de raios-x angulares de alto ângulo, campo escuro e energia dispersiva em um tempo de aquisição constante de cinco minutos em toda a faixa de ângulos de inclinação usando incrementos angulares entre cinco a 10 graus. Primeiro, adquira uma imagem de campo escuro angular de alto ângulo de visão geral clicando em Adquirir no painel Imagens.

Em seguida, selecione uma janela de mapeamento ao redor da nanopartícula arrastando a caixa sobre esta imagem e pressionando Adquirir. Em seguida, extraia as contagens de raios-x características abrindo primeiro os cubos de dados espectrais como arquivos RAW. Em seguida, some a intensidade das fatias do cubo de dados que correspondem aos canais de energia dos picos de interesse usando as funções Slice 2D e Sum.

Adquira imagens do espectro de raios X por dispersão de energia da mesma maneira que na etapa anterior, mas usando os intervalos de tempo determinados a partir dos dados sobre o tempo de aquisição da constante. Importe as imagens TIFF de campo escuro angular de alto ângulo como uma sequência de imagens. Use-os para compilar uma série de imagens de campo escuro angular de alto ângulo no formato de arquivo MRC usando o gravador MRC no software de visualização de imagem.

Em seguida, correlacione as imagens de campo escuro angular de alto ângulo para obter um alinhamento aproximado da série de inclinação. Salve os dados de alinhamento como um arquivo SFT ou como o arquivo XCORR.TXT. Em seguida, pressione Continuar na janela Calcular Turnos de Alinhamento para executar a correlação cruzada para toda a série de inclinação.

Repita o alinhamento até que os deslocamentos locais estejam abaixo de um pixel, certificando-se de salvar todos os arquivos de deslocamento em cada etapa como texto. Em seguida, carregue os cubos de dados espectrais adquiridos e use as funções de script Slice 3D e Sum para extrair mapas que são as fatias somadas dos canais de energia correspondentes aos elementos de interesse. No software de reconstrução de tomografia, vá para a guia Aplicar alinhamento e selecione Usar deslocamentos da visualização de dados de alinhamento para aplicar os alinhamentos de campo escuro angular de alto ângulo aos mapas elementares de raios X dispersivos de energia extraída.

Se necessário, execute um ajuste do eixo de inclinação na série de imagens de campo escuro angular de alto ângulo e marque a tarefa Usar correções do ajuste do eixo de inclinação na guia Aplicar alinhamento, para aplicar o ajuste às imagens de campo escuro e aos mapas de raios-x. Em seguida, use um algoritmo de reconstrução iterativa simultânea implementado no pacote de software de tomografia para reconstruir o conjunto de dados tomográficos para cada um dos sinais elementares de raios-x dispersivos de energia extraídos. No software de visualização de imagem, selecione Imagem, vá para Pilhas e selecione Vistas ortogonais para extrair as fatias ortogonais das reconstruções elementares separadas.

Construa e visualize outras fatias ortopédicas, volume e renderizações de superfície das reconstruções, usando o software de visualização. Para garantir que a escala esteja definida corretamente, carregue todas as reconstruções elementares e verifique-as, pois a escala geralmente não é bem transferida dos arquivos REC. Em seguida, selecione o objeto de reconstrução no pool de objetos, clique com o botão direito do mouse e selecione o módulo Fatia de ortogona para extrair uma fatia de ortogonal.

Clique com o botão direito do mouse na reconstrução e selecione Renderização de volume para extrair uma renderização de volume. Por fim, extraia uma isosuperfície clicando com o botão direito do mouse na reconstrução e selecionando Isosuperfície. O mapeamento elementar tridimensional realizado por tomografia de raios-x por dispersão de energia revelou segregação superficial de ouro transparente dentro das nanopartículas de prata-ouro com baixo teor de ouro sintetizadas pela reação galvânica.

No entanto, à medida que o teor de ouro aumenta, essa segregação de superfície muda, de modo que, para o maior teor de ouro, há uma clara segregação de superfície de prata. Esta técnica demonstrou a capacidade de caracterizar a composição da superfície de uma nanopartícula individual. Técnicas complementares, como espectroscopia de fotoelétrons de raios-x, podem fornecer informações sobre a população de nanopartículas do conjunto.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como usar a tomografia de raios-x por dispersão de energia para obter imagens químicas tridimensionais de nanopartículas.