Энергия рентгеновской томографии для 3D Elemental карт индивидуальных наночастицами

Общая цель этого эксперимента — исследовать распределение элементов в серебряно-золотых наночастицах, синтезируемых в результате реакции гальванического замещения. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области катализа, например, почему определенные композиции наночастиц демонстрируют повышенные каталитические свойства. Основным преимуществом этой методики является возможность зондирования распределения элементов в нанометровом масштабе.

Это обеспечивает невероятно высокое разрешение в трех измерениях. Хотя этот метод использовался здесь для изучения металлических наночастиц, он также может быть использован для изучения других материалов в нанометровом масштабе, таких как полупроводниковые квантовые точки, где он может помочь нам понять их оптические свойства и их производительность внутри клеток. Чтобы начать синтез наночастиц, растворите пять граммов ПВП в 37,5 миллилитрах этиленгликоля при комнатной температуре.

Затем добавьте в этот раствор 200 миллиграмм нитрата серебра. Размешайте раствор до полного растворения нитрата серебра, а затем нагрейте раствор с постоянной скоростью один градус Цельсия в минуту на конфорке до температуры 100 градусов Цельсия. Дайте реакции протекать при температуре 100 градусов Цельсия в течение следующего и 1/2 часа.

Затем добавьте 87,5 миллилитров дистиллированной воды и охладите раствор до комнатной температуры. Затем центрифугируйте раствор при 8000-кратном G. Удалите надосадочную жидкость и повторно диспергируйте наночастицы серебра в 50 миллилитрах дистиллированной воды. В новой колбе с круглым дном растворите 50 миллиграммов ПВП в 50 миллилитрах этиленгликоля комнатной температуры.

Добавьте 2,78 миллилитра суспензии наночастиц серебра и нагрейте колбу до 100 градусов Цельсия в течение 10 минут. Далее готовят 100 миллилитров 0,2 или тригидрата тетрахлораурата. Добавьте 10, 20, 30 или 40 миллилитров аликвот раствора по каплям к отдельным препаратам раствора наночастиц серебра для получения наночастиц золота и серебра в различных соотношениях.

Остудите до комнатной температуры, и трижды промойте дистиллированной водой. Пипетка впрыскивает примерно 0,02 миллилитра раствора наночастиц непосредственно в углеродную сетку ПЭМ. Если возможно, используйте бериллиевые сетки ПЭМ для ограничения паразитных рентгеновских лучей и большой размер сетки для минимизации затенения от сетки.

После того, как раствор наночастиц высохнет, очистите сетки ПЭМ, нанеся от 10 до 20 капель 100% метанола или этанола на сетку ПЭМ, удерживая сетку антикапиллярным кроссоверным пинцетом. Аккуратно удаляйте лишнюю жидкость после каждой капли с помощью фильтровальной бумаги. Наконец, отжгите сетку при температуре 80 градусов Цельсия под вакуумом, чтобы удалить или обездвижить остатки загрязнений.

Загрузите сетку, покрытую наночастицами, в держатель для томографа, а затем вставьте ее в ПЭМ. Когда вакуум микроскопа достигнет подходящего стабильного значения, откройте клапаны колонок и убедитесь, что электронный пучок можно наблюдать на экране. В режиме сканирования TEM убедитесь, что выбрана дифракция, затем перейдите на вкладку «Поиск» и наклоните столик в угол между плюсом или минус 15 градусами, нажав кнопку Alpha Wobbler.

Сведите к минимуму любые перемещения образца, отрегулировав высоту Z до высоты эуцентрика. Теперь переместите образец так, чтобы луч оказался над отверстием в образце. Убедитесь, что соответствующая апертура конденсора правильно выровнена, центрировав тень апертуры на недостаточно сфокусированном изображении пробника.

Покачивайте интенсивность, чтобы убедиться, что сфокусированный зонд не перемещается, чтобы проверить смещение хвостовой части луча. Затем обведите контур квадрата сетки, выбрав «Показать дорожки» на вкладке «Поиск» и следуя контуру квадрата сетки во время создания изображения. Найдите репрезентативную частицу в средней части квадрата сетки.

Наклоняйте образец до максимального диапазона наклона держателя во время визуализации, чтобы убедиться, что наночастица не заслоняется решетками при больших наклонах держателя. Получение изображений углового темного поля с большим углом обзора и энергодисперсионного рентгеновского спектра с постоянным временем сбора данных в течение пяти минут во всем диапазоне углов наклона с угловым шагом от пяти до 10 градусов. Сначала получите обзорное изображение углового темного поля под большим углом, нажав кнопку Получить на панели Изображения.

Затем выберите окно сопоставления вокруг наночастицы, перетащив поле на это изображение и нажав Acquire. Затем извлеките характеристические рентгеновские данные, сначала открыв кубы спектральных данных в виде файлов RAW. Затем суммируйте интенсивность срезов куба данных, которые соответствуют энергетическим каналам интересующих пиков, с помощью функций Slice 2D и Sum.

Получение изображений энергодисперсионного рентгеновского спектра происходит так же, как и на предыдущем шаге, но с использованием временных интервалов, определенных по данным о времени регистрации константы. Импортируйте изображения TIFF под углом угла в темном поле под высоким углом в виде последовательности изображений. Используйте их для компиляции наклонной серии угловых изображений темного поля под высоким углом в формат файла MRC с помощью модуля записи MRC в программном обеспечении для визуализации изображений.

Затем сопоставьте изображения углового темного поля под высоким углом, чтобы получить приблизительное выравнивание ряда наклонов. Сохраните данные выравнивания в виде файла SFT или в виде файла XCORR.TXT. Затем нажмите кнопку Продолжить в окне Рассчитать сдвиги выравнивания, чтобы выполнить перекрестную корреляцию для всего ряда наклонов.

Повторяйте выравнивание до тех пор, пока локальные сдвиги не станут меньше одного пикселя, сохраняя все файлы сдвигов на каждом шаге в виде текста. Затем загрузите полученные кубы спектральных данных и используйте функции скриптов Slice 3D и Sum для извлечения карт, которые представляют собой суммированные срезы энергетических каналов, соответствующие интересующим элементам. В программном обеспечении для реконструкции томографии перейдите на вкладку «Применить выравнивание» и выберите «Использовать сдвиги из представления данных выравнивания», чтобы применить выравнивания углового темного поля под высоким углом к извлеченным энергодисперсионным рентгеновским элементальным картам.

При необходимости выполните корректировку оси наклона на серии изображений темного поля с высоким углом наклона и установите флажок Использовать корректировки по оси наклона на вкладке Применить выравнивание, чтобы применить корректировку как к изображениям темного поля, так и к рентгеновским картам. Затем используйте алгоритм одновременной итерационной реконструкции, реализованный в программном комплексе томографии, для реконструкции набора томографических данных для каждого из извлеченных энергодисперсионных рентгеновских элементарных сигналов. В программном обеспечении для визуализации изображений выберите «Изображение», перейдите в раздел «Стопки» и выберите «Ортогональные виды», чтобы извлечь ортогональные срезы отдельных элементных реконструкций.

Создавайте и визуализируйте дальнейшие орто-срезы, объемы и рендеры поверхностей из реконструкций с помощью программного обеспечения для визуализации. Чтобы убедиться, что масштаб установлен правильно, загрузите все элементальные реконструкции и проверьте их, так как масштаб часто плохо передается из файлов REC. Затем выберите объект реконструкции в пуле объектов и щелкните правой кнопкой мыши, а затем выберите модуль «Орто-срез», чтобы извлечь орто-срез.

Щелкните правой кнопкой мыши реконструкцию и выберите «Объемный рендеринг», чтобы извлечь объемный рендеринг. Наконец, извлеките изоповерхность, щелкнув правой кнопкой мыши по реконструкции и выбрав «Изоповерхность». Трехмерное элементное картирование, выполненное с помощью энергодисперсионной рентгеновской томографии, выявило четкую сегрегацию поверхности золота в серебряно-золотых наночастицах с низким содержанием золота, синтезированных в результате гальванической реакции.

Однако по мере увеличения содержания золота эта поверхностная сегрегация переключается, так что для самого высокого содержания золота происходит явная сегрегация поверхности серебра. Этот метод продемонстрировал возможность охарактеризовать состав поверхности для отдельной наночастицы. Дополнительные методы, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, могут предоставить информацию о популяции ансамблевых наночастиц.

После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как использовать энергодисперсионную рентгеновскую томографию для получения трехмерных химических изображений наночастиц.