Quantificação dos dados de fluorescência de raios-x usando mapas

A fluorescência de raios X baseada em sincrotrão é uma técnica importante para observar a segregação de elementos, relações de estequiometria e comportamento de agrupamento em amostras de diversas áreas, incluindo biologia, química e ciência dos materiais. As informações obtidas a partir desses estudos são qualitativas até que procedimentos adequados de quantificação sejam utilizados para converter as contagens brutas de fluorescência em massas aéreas elementares. Este vídeo demonstrará como utilizar o programa de quantificação criado pelo Argonne National Laboratory para gerar informações numéricas para mapas bidimensionais de fluorescência de raios X.

Para utilizar o programa MAPS, é primeiro necessário baixar o software IDL da Internet. Atualmente, isso pode ser feito acessando o site do IDL e criando uma conta. Em seguida, selecione Minha Conta e depois Downloads, o que exibirá uma página com todos os programas disponíveis.

Role para baixo e selecione a versão mais recente do IDL. Em seguida, o MAPS pode ser baixado do site do Argonne National Laboratory. Após baixar e extrair a pasta zip, devem haver quatro arquivos.Compound.

dat, henke, xdr, maps e xrf_library.csv. Os três arquivos, exceto os maps, devem ser copiados e colados na subpasta IDL chamada lib.

Para computadores com Windows, isso provavelmente pode ser encontrado dentro da pasta Program Files, na pasta Exelis. Geralmente, é conveniente executar o ajuste a partir da área de trabalho, entretanto é fundamental que o nome da pasta e o caminho não contenham espaços ou caracteres especiais; caso contrário, o MAPS gerará um erro ao tentar executar o ajuste. Se o caminho para a área de trabalho contiver espaços, coloque a pasta em outro local.

Por exemplo, diretamente dentro da unidade C. Para esta demonstração, colocarei a Pasta de Ajuste e o ícone do MAPS. sav na área de trabalho para facilitar o acesso.

Dentro desta pasta, coloque os arquivos maps_fit_parameters_override.txt e maps_settings.txt. Exemplos desses arquivos estão disponíveis nos documentos complementares.

Em seguida, crie uma pasta denominada mda e cole o arquivo de mapa de alta resolução escolhido que será usado inicialmente para o ajuste. Os arquivos para o ajuste padrão também são adicionados e devem incluir um ou quatro arquivos, dependendo do número de elementos do detector utilizados pelo setor. Esses arquivos indicam o padrão.

Se o padrão AXO foi utilizado, o arquivo deve ser nomeado axo_std.mca; caso contrário, se o padrão NIST ou qualquer outro padrão foi usado, o nome pode ser qualquer um que termine em mca, já que esses arquivos serão selecionados posteriormente. Em seguida, para um detector de quatro quadrantes, os arquivos de padrão e de parâmetros de ajuste devem ser nomeados conforme indicado, variando de mca0 a mca3 e de txt0 a txt3, incluindo um arquivo de parâmetros de ajuste que termine em txt.

Em seguida, verifique o arquivo de configurações do mapa para garantir que esteja utilizando o número correto de elementos do detector. No caso deste ajuste, um elemento do detector foi utilizado. Com a pasta de ajuste preparada, abra o MAPS e altere o diretório para a pasta recém-criada na área de trabalho.

Em seguida, clique em OK e vá para configuração. A janela de configuração possui uma variedade de recursos que definem os parâmetros para o ajuste. Primeiramente, selecione a linha de luz que representa a linha de luz utilizada para as medições.

Se as medições foram realizadas no Argonne National Laboratory, o beamline deve corresponder diretamente. Caso contrário, informações adicionais sobre qual seleção usar estão incluídas no manuscrito. Em seguida, selecione o arquivo mda que será utilizado e digite a energia incidente usada para a medição.

Selecione iniciar processamento e aguarde até que o programa termine. Após a conclusão, vá até arquivo e então selecione a primeira opção. Abrir imagem de FRX média ou de elemento único.

Uma série de novas pastas deveria ter sido criada pelo programa, então selecione img e os arquivos fit ou arquivos h5 gerados deverão estar localizados nesta pasta. Selecione o arquivo correspondente ao mapa e, em seguida, altere o segundo menu suspenso a partir da esquerda para a normalização. Nesta situação, os dados são normalizados em relação à câmara de íons a montante ou USIC.

A seleção da visualização, modo múltiplos elementos, produzirá imagens para os canais elementares individuais. As unidades estão agora em microgramas por centímetro quadrado. Porém, os valores ainda não representam as quantidades ajustadas.

Para trabalhar no ajuste, em vez disso, os dados são visualizados como uma soma de todos os espectros de cada pixel do mapa, o que pode ser visualizado acessando visualização, plotar espectro integral. Em seguida, vá para gerar saída, exportar série de espectros integrados brutos no formato longo para salvar a imagem. Feche a janela e vá para ferramentas, ferramenta de espectro, carregar espectro.

Localize o arquivo que foi exportado para a pasta de saída. Geralmente, ordenar a pasta de saída por data de modificação é a maneira mais rápida de encontrar os arquivos, pois cada novo ajuste atualiza os arquivos dentro da pasta. O espectro exportado será nomeado como intspec, seguido pela linha de feixe e pelo número do escaneamento, e depois txt.

Uma vez que o espectro esteja aberto, abra o arquivo maps_fit_parameters_override. Primeiro, verifique se o número de elementos do detector está correto. Em seguida, na linha de elementos a ajustar, inclua todos os elementos que se espera que estejam na amostra.

Observe que os elementos da linha L e os elementos da linha M incluem o sufixo _L ou _M, respectivamente. Aqui, sabe-se que o cobre está presente na amostra, mas ele será excluído para fornecer um exemplo de um ajuste incompleto. Rolando para baixo, insira a energia incidente para a energia de espalhamento coerente.

Em seguida, nas duas linhas subsequentes, insira uma energia máxima e mínima que o programa utilizará como limites. Geralmente, uma faixa de mais e menos 2 a mais e menos 5 keV é suficiente. Mais abaixo, verifique se a energia máxima e mínima para ajuste inclui as energias dos elementos de interesse.

Além disso, verifique se o elemento detector de linhas possui o número correto correspondente ao detector de germânio ou silício. Na parte inferior do arquivo, é possível alterar os nomes dos canais do detector utilizados no ajuste. Mais informações sobre como alterá-los são descritas em maior detalhe no manuscrito.

Após fazer as alterações, salve o documento. Em seguida, selecione análise, ajustar espectro, e uma janela será exibida. Na parte superior, pode-se definir a faixa de energia para o ajuste, bem como o número de iterações utilizadas para o ajuste.

Após alterar a faixa, selecione o terceiro dos quatro botões na parte inferior e o programa executará um ajuste. Na janela da ferramenta de espectro, há uma série de menus suspensos que permitem a visualização de diferentes curvas. Nos menus suspensos, defina um como ajustado e as demais opções como nenhum.

No canto inferior esquerdo, selecionar "adicionar elemento" permite ao usuário procurar no espectro picos ausentes. Usando o sinal de adição e clicando através, parece que o pico ausente no ajuste é o pico de cobre K alpha. Para certos picos, particularmente aqueles próximos ao lado esquerdo da imagem, o ajuste parece incluir os elementos corretos, mas as linhas ainda estão muito distantes em intensidade em relação à intensidade do espectro.

Isso pode ser melhorado aumentando o número de iterações. Geralmente, pelo menos 50 são suficientes para fazer uma diferença perceptível. Retornando agora ao arquivo fit_parameters, adicionando cobre, salvando e executando novamente o ajuste, observa-se que o pico agora está sendo bem ajustado.

Após procurar por todos os elementos faltantes restantes, o ajuste parece bom. Em alguns casos, ainda existem alguns picos cujas linhas não estão perfeitamente alinhadas. Por exemplo, os dois picos em quatro keV, que correspondem às linhas Lg1 a Lg4 do índio, parecem ter o elemento correto ajustado, mas o ajuste está atribuindo intensidades de pico mais altas do que as realmente obtidas na medição.

Essa situação ocorre com maior frequência para os elementos da linha L. Como os elementos da linha K possuem razões de intensidade de pico tabeladas na literatura, as razões das alturas de pico para as linhas L são muito mais dependentes da energia incidente. Para melhorar o ajuste dessas linhas, primeiramente deve-se criar uma linha no arquivo fit_parameters para o ajuste da família de ramificação.

Esses números indicam as intensidades relativas em comparação com a literatura para as famílias L1, L2 e L3, que são mostradas como linhas amarela, rosa e azul na ferramenta de espectro. Muitas vezes, esses números podem permanecer como uns ou iguais aos valores da literatura. Em vez disso, a razão para cada linha individual será alterada.

Antes do ajuste da razão de ramificação para o índio, observe que as razões de ramificação para as linhas L gama estão todas definidas como um. Ao analisar o espectro integral, fica evidente que o valor da literatura é excessivamente alto. Estimando a diferença percentual entre as linhas verdes e brancas para cada energia, alterando então a razão de ramificação, salvando e refazendo o ajuste, observa-se uma melhoria no ajuste da linha verde à linha do espectro branco.

Muitas vezes, esse processo levará algumas tentativas, mas é necessário garantir a precisão do ajuste. Após identificar os fit_parameters que produzem o melhor ajuste possível, execute o ajuste mais uma vez com 10 ou 50 K iterações. Isso é feito porque cada ajuste atualiza o arquivo médio de mapas_fit_parameters_override, que será o arquivo efetivamente implementado para o ajuste.

Após a conclusão do ajuste final, feche a janela da ferramenta de espectroscopia. Em seguida, adicione _input ao arquivo maps_fit_parameters e renomeie o arquivo médio resultante para maps_fit_parameters_override.txt. Com isso concluído, retorne à janela de configuração e selecione a linha de luz.

Em seguida, verifique o uso adequado e copie e cole todos os arquivos mda a serem ajustados na pasta mda. Usando os arquivos mda selecionados, percorra e destaque todos os arquivos a serem ajustados. A energia incidente já será inserida a partir do processo de ajuste.

À direita da janela, utilizando os símbolos de mais e menos, clique e marque as caixas para os elementos que estão incluídos no arquivo fit_parameters. Alguns elementos não estão incluídos nesta caixa. Por exemplo, o índio não está.

Para incluir índio, delimite uma caixa para qualquer um dos outros elementos que não estão sendo ajustados. Em seguida, na categoria nome da ROI, altere o nome para o do elemento necessário. Depois, utilizando qualquer banco de dados de fluorescência, por exemplo o aplicativo Hephaestus, encontre a energia da linha de energia principal.

Neste caso, o índio L alfa um. Continue rolando pelos elementos até o final, selecionando também S_I, S_E, S_A, TFY e o fundo. No canto superior esquerdo, selecione as configurações corretas para salvar o arquivo de configuração e manter os parâmetros de ajuste para uso futuro.

Neste momento, se o padrão NIST for utilizado para o ajuste, selecione o botão correspondente ao número do padrão NIST, seja 1832 ou 1833. Em seguida, selecione o nome do arquivo do padrão na pasta principal. Após isso, o ajuste estará pronto.

Portanto, selecione iniciar processamento para começar. Após a conclusão dos ajustes, eles podem ser visualizados como antes, indo em arquivo, abrir imagem XRF, média ou elemento único. E então em visualização, visualização multielementar.

Usando os detectores de elementos selecionados na parte inferior direita, é possível alterar os canais que estão sendo analisados. A partir disso, são exibidos valores numéricos em microgramas por centímetro quadrado na ordem do esperado para a amostra. O cálculo utilizado para estimar os valores esperados está descrito no manuscrito.

Por exemplo, mostrados aqui estão os dados quantificados para os elementos majoritários de uma célula solar sig, cobre, índio e gálio. Devido à energia incidente utilizada, a medição não foi sensível nem capaz de detectar o pico de selênio. Por isso, foi excluído.

A partir desses dados, agora é possível relacionar a distribuição de vários elementos dentro da amostra entre si, tirando conclusões sobre como os diversos cátions de uma célula solar sig se distribuem dentro de um dispositivo e o grau de heterogeneidade que exibem. O espectro ajustado para cada um dos mapas de ajuste também pode ser visualizado novamente indo até visualização, espectro integral do gráfico. Aqui, deve ser possível ver o espectro dos dados em branco e o ajuste em cores.

Isso pode ser usado para verificar o ajuste de todos os arquivos de dados, apenas para garantir que o processo foi aplicado corretamente a cada mapa. Por fim, para exportar os dados, vá até gerar saída e selecione exportar, criando arquivos ASCII combinados dos mapas. Isso criará um arquivo do Excel que contém os dados de fluorescência quantificados para todos os elementos exibidos.

Para alterar ou adicionar elementos, utilize a opção selecionar detectores de elementos. Os dados poderão então ser encontrados na pasta de saída. Este vídeo explicou passo a passo como utilizar o software de ajuste MAPS, criado pelo Argonne National Laboratory, para a quantificação de dados de fluorescência de raios X.

Embora o procedimento seja muito útil para diversas situações, existem muitos cenários e desafios de casos especiais que exigem considerações adicionais. Estes são descritos em maior detalhe abaixo e melhorias contínuas estão sendo realizadas para avançar ainda mais na precisão do ajuste de espectros de fluorescência de raios X. No entanto, a capacidade do programa de transformar mapas qualitativos de fluorescência 2D de alta resolução em quantidades elementares espacialmente resolvidas e quantitativas proporciona um aumento significativo na informação obtida a partir dessas medições.

Esperamos que esta demonstração tenha sido útil para compreender melhor o processo de quantificação de dados de microscopia de fluorescência de raios X. Obrigado por assistir.