Energi dispersive X-ray Tomografi for 3D Elemental Kartlegging av individuelle Nanopartikler

Introduction

Formålet med denne metoden er å tilveiebringe nøyaktig bestemmelse av den tredimensjonale fordeling av elementene i enkeltnanopartikler. Dette utføres ved bruk av energi dispersiv røntgen (EDX) spektroskopi i kombinasjon med en tomografisk rekonstruksjon utført i scanning transmisjonselektronmikroskop (STEM).

Energi dispersiv røntgenspektroskopi har lenge vært brukt som en teknikk for å kvantifisere og romlig kartlegge elementer til stede i transmisjonselektronmikroskopi prøver. Med bruk av høy vinkel ringformet mørke feltet (HAADF) STEM tomografi for tredimensjonal avbildning av krystallinske materialer ^1, ble energi dispersive X-ray tomografi også foreslått som en metode for å tillate bestemmelse av element distribusjoner i tre dimensjoner ^2. Imidlertid tidlige studiene var begrenset på grunn av utformingen av røntgendetektorer innenfor transmisjonselektronmikroskop. Spesielt disse tradisjonelle deProtector design hadde relativt lave samling effektivitet og målt noe signal på et stort spekter av tilt vinkler grunn skygging fra prøveholderen ^2,3. Innføringen av nye geometriske design av røntgendetektorer i (skanning) transmisjonselektronmikroskop har gjort energi dispersive X-ray tomografi en levedyktig teknikk og har ført til en rekke nyere studier ^4-6.

HAADF STEM bildebehandling er et mye brukt electron tomography avbildningsmodus og er i stand til å gi kompositorisk informasjon i bestemte situasjoner basert på atomnummer følsomheten til HAADF signalintensitet. For eksempel, er HAADF tomografi godt egnet til studiet av nanopartikler med diskrete elementære områder, f.eks veldefinert kjerne-skall-morfologi ^7, men kan ikke brukes når elementene har en mer komplisert fordeling. Elektron energitap spektroskopi (EELS) gir en komplementær tilnærming for fastsettelse tredimensjonal elemental fordelinger innenfor STEM ^8. I denne teknikken energitapene av den innfallende elektronstråle anvendes for å bestemme sammensetningen av prøven, og dette har fordelen av høyere signal-til-støy-forhold enn det som ofte er oppnådd ved EDX-spektroskopi ^9. Ulempen av ål er at flere spredningshensyn pålegge strenge begrensninger på prøvetykkelse, og i flere situasjoner analyse kompliseres ved nærværet av forsinket begynnelse kanter eller overlappende spektrale egenskaper. Dermed er EDX-spektroskopi ofte bedre egnet for å studere tunge elementer slik som de som ofte er forbundet med katalytiske eller Plasmonic nanopartikkelsystemer ^9. I tillegg, som et fullt spekter bilde blir oppsamlet i EDX spektroskopi er det lett å identifisere retrospektivt uventede elementer, som er vanskeligere i energi filtrert transmisjonselektronmikroskopi (EFTEM) og EELS på grunn av hyppigheten av elementært informasjon overlappende eller være utenforspektralområdet av datasettet.

Den ideelle prøvegeometri for EDX tomografi består av en nål formet prøve suspendert i en vakuum og orientert langs den tomografiske vippeaksen ^4. Denne situasjon sikrer at det ikke er noen skygge av EDX detektorene på en hvilken som helst vinkel av enten prøve eller prøveholderen. Men montering av de nødvendige nål formet prøver for nanopartikkel-systemer er utfordrende ¹⁰ og prøveopparbeidelse vanligvis består av bare overføre nanopartikler på en tynn karbon film TEM støtte rutenett. Disse nett er vant med en tomografi prøveholder spesielt utformet slik at den kan vippes til store vinkler (≈ ± 75 °), men skygge av de EDX detektorene innenfor dette området av prøven oppvipp er uunngåelig og kan forringe kvaliteten på den resulterende tomographic gjenoppbygging. Denne skygging er karakteristisk for et spesielt mikroskop-detektor-holderen oppsett, og kan derfor forhindreutvunnet ved måling av en skikkelig kalibrering prøve før oppkjøpet ^11. Enkelt sfæriske nanopartikler er en ideell kalibrerings prøven som intensiteten av X-ray tellinger fra disse prøvene bør forbli konstant over alle vinkler. Detektoren skygge kan da kompenseres ved enten å variere oppkjøpet tid på hver vinkel eller ved multiplikasjon med korreksjonsfaktor etter datainnsamling. Den førstnevnte metode benyttes, da dette minimerer elektron dosen samtidig maksimere signal-til-støy-forholdet.

Protocol

1. Nanopartikkel Synthesis

1. Oppløs 10 g polyvinyl-pyrrolidon (PVP) (MW = 10000 g / mol) i 75 ml etylenglykol ved RT. Legg 400 mg AGNO ₃ til denne løsningen.
2. Stir oppløsning inntil AGNO ₃ er fullstendig oppløst, og deretter varme på en varmeplate til 100 ° C ved en konstant hastighet på 1 ° C min ^-1. La reaksjonen forløpe ved 100 ° C i 1,5 timer.
3. Legg 175 ml destillert vann og avkjøles til RT. Sentrifuger ved 8000 xg, fjern supernatanten og redispergere nanopartikler i 50 ml destillert vann. Gjenta tre ganger.
4. Oppløs 500 mg PVP (55000 g / mol) i 500 ml etylenglykol ved RT. Legge til denne løsningen og 27,8 ml av Ag nanopartikkelsuspensjonen fra det foregående trinn til en 1000 ml rundkolbe. Oppvarme kolben ved 100 ° C i 10 min.
5. Legg hydrogen tetrachloroaurate trihydrat til 1000 ml vann under dannelse av en 0,2 mM løsning av AuCl ₄ ^- _(aq) 4 ^- _(vandig) dråpevis til oppløsningen oppnådd i det foregående trinn for å oppnå AgAu nanopartikler av gjennomsnittlig sammensetning Ag93Au7 (Ag 93% Au 7 ved%), Ag82Au18 ( Ag 82 ved% Au 18at%), Ag78Au22 (Ag 78 på% Au 22 ved%) og Ag66Au34 (Ag 66 på% Au 18 ved%) hhv.
6. Avkjøl til romtemperatur og vaskes deretter med destillert vann tre ganger ved suksessive runder av sentrifugering ved 8000 xg, fjernelse av supernatanten og redispergering i 50 ml destillert vann. Tilsett 0,05 ml av nanopartikkel-løsning til 10 ml DI-vann.

2. TEM Prøvepreparering

1. Pipetter ca. 0,05 ml av nanopartikkel løsning på til en hullete / kontinuerlig karbon TEM gitter. Bruker et metallunderlag som brukes for TEM-gittere av beryllium for å begrense uønskede røntgenstråler, selv om en Cu eller Au gitter vil være tilstrekkelig hvis det ikke er noen overlappende topper av interesse med Cu eller Au i prøvens EDX spektrum. Bruk større megsh størrelser (for eksempel 200 mesh) for å minimere muligheten for skygging fra nettet.
2. Etter at nanopartikkel løsningen har tørket, rengjøre TEM nett ved å vaske tavlene i ren metanol eller etanol. Pipette 10-20 dråper i løpet av TEM rutenett mens den holdes ved hjelp av anti-kapillære crossover pinsett. Fjern overflødig væske etter hver dråpe fra nettet ved hjelp av filterpapiret rørte forsiktig på kanten av rutenettet.
3. Anneal gitter på rundt 80 ° C (fortrinnsvis i vakuum) for å redusere forurensning under elektronstrålen ved å fjerne eller å immobilisere eventuelle gjenværende forurensninger.

3. Karakterisering av Detector Hospitering

1. Lastenanopartikler på TEM støtte rutenett i tomografi holderen og sett holderen inn i TEM.
2. Vent til mikroskopet vakuum for å oppnå en passende stabil verdi (under ca. 1,8 x 10 ^-7 Torr). Åpen kolonne-ventiler, og at elektronstrålen kan ses på mikroskoper fluorescerende screen.
3. Juster STEM.
   Merk: Her justeringer for en Titan G2 probe-side avvik korrigert STEM instrument drives med 200 kV sammen med en 2020 tomografi holderen er beskrevet. Optimal justering prosedyrer for andre mikroskoper kan variere noe fra det som er beskrevet.
   1. I STEM diffraksjon modus bruker en ut-av-fokus skyggebilder for å bringe prøven til eucentric høyde. For å gjøre dette, vippe scenen mellom ± 15 ° ved å trykke på Alpha Wobbler knappen i kategorien Søk og minimere enhver bevegelse av funksjonene i prøven ved å justere z-høyde.
   2. Bevege prøve slik at strålen er over et hull i prøven og sikre at den aktuelle kondensator åpning er korrekt innrettet ved sentre skyggen av åpningen i en under fokusert bilde av sonden. Vingle intensiteten og sikre en fokusert sonde ikke beveger seg for å se etter bjelken tilt forskyvning.
   3. Flytt utvalget slik at et område av amorft karbon er i lys og fokusere væreer i diffraksjon modus for å oppnå Ronchigram. Wobble fokus å observere avvik innenfor Ronchigram, og korrigere for disse (for eksempel astigmatisme og aksial koma) om nødvendig.
4. Trace omrisset av rutenettet square (en nær sentrum av rutenettet) ved å velge 'Vis spor »i fanen Søk og følge omrisset av rutenettet torget mens bildebehandling. Dette gjør det enkelt å sikre at etterfølgende målinger er utført for nanopartikler som er i midten av rutenett for å redusere sannsynligheten for skygging fra bærenettet. Hvis kjøpet er utført på en partikkel nær et rutenett bar ett par detektorer vil bli skygget over et mye større utvalg av prøven vinkler.
5. Finne en representativ partikkel i den midtre delen av rutenett. Vipp til maksimal tilt utvalg av holderen (vanligvis ± 70 °) mens bildebehandling for å sikre at nanopartikler ikke er skjult av grid barer på store holder tilter.
6. Acquire HAADF og EDX spektrum bilder ved hjelp av en konstant oppkjøp tid (for eksempel 5 min) over hele spekteret av vinkler (vanligvis ± 70 °) ved hjelp av vinkel trinn på mellom 5-10 °. Først få oversikt HAADF bilde ved å klikke Acquire i bildefeltet. Velg en kartlegging vindu rundt nanopartikkel ved å dra boksen over dette bildet og trykker Acquire.
7. Pakk karakteristiske X-ray tellinger fra EDX spektrum bilder for å bestemme tidsintervaller for datainnsamling ved å åpne spektrale datacubes i bildebehandling (som RAW-filer). Deretter summen av intensiteten av skiver av Datacube som svarer til de kanaler av energien av toppene av interesse ved å bruke slice2D og sum-funksjoner, inkludert skript som supplerende kode 1-3.

4. EDX Tomography Acquisition

1. Gjenta trinn 3,1-3,5 for nanopartikkel eksemplar av interesse.
2. Acquire HAADF ennd EDX spektrum bilder med tidsintervallene bestemmes fra detektoren skygging karakterisering av forrige avsnitt for en rekke prøve tilt vinkler (± vanligvis 70 °), på samme måte som i trinn 3.6.

5. Rekonstruksjon og visualisering

1. Kompilere tilt serie HAADF bilder til MRC filformat gjennom en av følgende måter:
   1. Bruk MRC skribent i bildevisualiseringsprogramvare ¹² (Fil> Lagre som> MRC forfatter) etter import HAADF TIFs som en "bildesekvens".
   2. Alternativt kan du bruke tif_to_mrc funksjon i tomografi programvarepakken ^13.
2. Krysskorrelering mellom HAADF bilder i det valgte programvare for å få en grov justering av vippe-serien. Lagre justeringsdataene som en .sft fil eller som filen xcorr.txt. I tomografi programvare satt opp et filter i oppsett Filter vindu som gir det skarpeste toppen i Cross Korrelasjon ruten. <ol>
3. Deretter trykker du på Fortsett i Beregn Alignment Flytter vinduet for å utføre krysskorrelasjon for hele tilt serien. Gjenta justeringen til lokale skift er under en piksel, noe som sikrer lagre alle skift filer på hvert trinn som tekst.
   Merk: Forsiktig oppsett av filteret brukes når du utfører krysskorrelasjon er noen ganger nødvendig for å sikre en god tilpasning av tilt serien dataen.

I bildebehandling, legger de oppkjøpte spektrale datacubes og hente kart som er de summerte skiver av energikanaler som tilsvarer de elementer av interesse å bruke slice3d og sum scripting funksjoner, skript inngår som tilleggskode 4 & 5.

Påfør justeringer bestemt fra HAADF bilder til de utpakkede EDX elementære kart. Utfør dette i tomografi rekonstruksjon programvare i Apply Alignment kategorien ved å velge "Bruk Skifter fra Alignment datavisning".

Hvis det er nødvendig, utføre vippeakse justering itomografi rekonstruksjon programvare på HAADF bildeserie og gjelder både HAADF bilder og EDX kart ved å sjekke "Bruk Korreksjoner fra Tilt Axis Justering oppgave" i "Bruk Justering-fanen.

Rekonstruere tomographic datasett for hver av de ekstraherte EDX element-signaler ved hjelp av en samtidig iterativ rekonstruksjonsteknikk (SIRT) algoritmen implementert innenfor en tomografi programvarepakke, slik at dimensjonene av rekonstruksjonen er de samme for alle elementer. I tomografi rekonstruksjon programvare, sette opp parametrene i volumvinduet (størrelsen på volumet, 20 gjentakelser, etc.), og trykk Fortsett Rekonstruks. Sørg for at gjenoppbyggingen parametere er de samme for hvert element.

Pakk orthoslices av de enkelte element rekonstruksjoner ved å velge Bilde> Stabler> ortogonale riss i bildet visualisering programvare ^12.

Konstruer og visualisere ytterligere orthoslices, volum og overflate renderings fra rekonstruksjoner ved hjelp av visualisering programvare. Last alle elementære rekonstruksjoner og sørge for at skalaen er riktig innstilt som dette er ofte ikke overføres fra .rec filer.

1. Velg gjenoppbygging objektet i objektet bassenget og høyreklikk og velg orthoslice modulen for å trekke ut en orthoslice. Høyreklikk på gjenoppbygging og velg volumgjengivelse for å trekke ut en volumgjengivelse. Pakk en isosurface ved å høyreklikke på gjenoppbygging og velge isosurface.
   Merk: Automatisk segmentering gjennom terskel er en mer robust metode, men hvor signalet til støyforholdet er dårlig manuell oppdeling kan være nødvendig for å fjerne støy fra utsiden voksler nanopartikkelvolumet for isosurface visualisering.

Representative Results

Karakterisering av detektoren skygging for en 2020 tomografi holder i en Titan G2 ChemiSTEM vises i figur 1A. De anvendte her detektorer er det av Super-X-detektor, der fire detektorer er anvendt i like asimutale vinkler på 90 ° rundt den optiske aksen, noe som resulterer i en detektor fast vinkel på større enn 0,6 sR ^14. Karakterisering av detektorene tillot bestemmelse av kompenserte tomografiske innhentingstider vist i figur 1B. Etter påføring av disse innhentingstider tellingene ved hver vinkel bør forbli omtrent konstant for enkeltnanopartikler, som vist i figur 1C.

Bimetall AgAu nanopartikler, syntetisert av galvanisk erstatning reaksjon, ble undersøkt ved hjelp av EDX tomografi i STEM. I denne reaksjon, ble en løsning av AuCl ₄ ^- erlagt til Ag nanopartikkel frø. Au er redusert på overflaten av nanopartiklene som Ag oksyderes, noe som resulterer i en bimetallisk sammensetning og uthuling av den første frø. Tidligere ble det antatt at Ag og Au dannet en homogen legering under denne prosessen, og at variasjoner i katalytiske og optiske egenskaper var rett og slett på grunn av uthuling og massesammensetningsvariasjoner. Imidlertid tredimensjonal elementært kartlegging utført ved anvendelse av EDX-tomografi avdekket overflate segregering i de AgAu nanopartikler syntetisert ved galvanisk reaksjon (figur 2). På komposisjoner av lav Au, nanopartikler vise klart Au overflaten segregering. Imidlertid, ettersom innholdet øker Au denne overflateseparasjon brytere, slik at det for de høyeste Au innholdet er det klart Ag overflateseparasjon (figur 3). Denne veksling av overflateseparasjon korrelerer med endring i utbytte av propargylamines i en tre-komponent koblingsreaksjon syntetisert ved å varierelige komposisjoner av disse AgAu nanopartikler.

Skiver gjennom rekonstruksjonen som er normal til retningen av elektronstrålen tilveiebringe en sammenligning med standard todimensjonale elementkart. Den innledende kart inneholder informasjon om sammensetningen summert langs retningen av strålen, og dette kan ofte være vanskelig å tolke på grunn av overlappende områder av forskjellige sammensetninger eller, i tilfelle av AgAu her nanopartikler undersøkt, på grunn av inkludering av toppen og bunnen flater i fremspring (figur 3A-C). Tar skiver gjennom oppbyggingen tillater fjerning av intensiteten forbundet med den øvre og nedre overflater av partiklene, og således resulterer i en mye klarere visning av overflateseparasjon i dette tilfellet (figur 3D-F).

Karakterisering av detektoren skygge ved hjelp av en enkelt AgAu nanopartikkel. (A) tellinger av Ag og Au røntgentopper som en funksjon av hellingsvinkelen fra en enkelt AgAu nanopartikkel ved anvendelse av et sett innhentingstiden (5 min). (B) Den innhentingstider bestemmes fra (A) og deretter brukt til å erverve tilt serien. (C) Tellingene av Ag og Au røntgen topper som en funksjon av vinkler fra en enkelt AgAu nanopartikkel når ansette oppkjøps ganger fra (B). Tellingene forbli omtrent konstant over alle vinkler. Fra Slater et al. ^15. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2. Rekonstruksjon av en lav Au innhold AgAu nanopartikler. (A) Orthoslice gjennom Au gjenoppbygging. (B) Orthoslice gjennom Ag gjenoppbygging. (C) Linje profiler tatt gjennom orthoslices (A) og (B) viser den klare Au overflateseparasjon i denne nanopartikler. (D) Overflate visualisering av Ag og Au rekonstruksjoner. Fra Slater et al. ^15. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3. Rekonstruksjon av en høy Au innhold AgAu nanopartikler. (A) 2D EDX kart over Au og (B) 2D EDX kartet Ag. (C) Linje profile tatt gjennom 2D-EDX kart (A) og (B) viser vanskeligheten med å bestemme overflateseparasjon i denne nanopartikler fra 2D-kart alene. (D) Orthoslice gjennom Au gjenoppbygging. (E) Orthoslice gjennom Ag gjenoppbygging. (F) er på linje profiler tatt gjennom orthoslices (D) og (E) viser den klare Ag overflateseparasjon i denne nanopartikler. (G) Overflate visualisering av Ag og Au rekonstruksjoner. Fra Slater et al. ^15. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Protokollen presenteres her tilveiebringer en fremgangsmåte for å bestemme elementfordeling i alle multi-element nanopartikkel i tre dimensjoner. I tilfelle av de AgAu nanopartikler som er presentert her, er overflateseparasjon av begge elementer klart identifisert og er vist å være korrelert til katalytisk utbytte ved en tre-komponent koblingsreaksjon. Dette demonstrerer klart anvendbarheten av denne teknikken i å hjelpe til å forklare de fysiske og kjemiske egenskapene til nanopartikkel-systemer.

Som alltid er tilfellet i TEM, bør man være forsiktig i prøveopparbeidelse for å sikre best mulig resultat. Grundig vasking og gløding av gitrene etter avsetning av nanopartikkel løsning er særlig viktig for å unngå oppbygging av karbon forurensning gjennom den store elektron dose som er nødvendig for EDX tomografi. Den store dose næringsdrivende kan også resultere i alvorlig skade på holey karbon film, spesielt hvis den tynne snitt ofte funnet mellom hulls, men silikonnitrid støtte filmer kan favorisere oksidasjon av nanopartikler ^16.

Korreksjon av detektoren skyggeeffekter er viktig for å frembringe en nøyaktig rekonstruksjon, særlig dersom teknikken er som skal anvendes for kvantitativ avbildning av elementær fordelinger i fremtiden. Dette kan oppnås ved nøyaktig karakterisering av detektoren skygging og deretter å variere elektron dose til nanopartikkelen. Alternativt kan skygge kompenseres ved å multiplisere spektrum bilder med en korreksjonsfaktor etter oppkjøpet. Men bruk av denne teknikken for å gi kvantitativ informasjon i tre dimensjoner er ennå ikke mulig på grunn av elektronstråleskader av nanopartikler som begrenser røntgen tellinger som kan oppnås i hvert spektrum bilde.

Kalibrering er nødvendig for å kompensere for EDX-detektor skygge som en funksjon av hellingsvinkelen for et spesielt mikroskop-detektor-holderen kombinasjon. den shadowing bør i utgangspunktet bestemmes ved hjelp av en prøve som gir ingen variasjon i X-ray teller for ulike prøve oppvipp og individuelle sfæriske nanopartikler er forventet å oppfylle disse kriteriene, når deres sammensetning er stabil under elektronstråle i løpet av den tiden det tar å skaffe seg vippe serie. I tillegg, for krystallinske nanopartikler, angles noen helling ved hvilken elektronstrålen er orientert langs en større sone-aksen i nanopartikkel bør fjernes, og nanopartikkel bør være liten nok til å unngå vesentlig røntgen-absorpsjon. Derfor, når EDX spektrum bilder av en enkelt nanopartikkel er ervervet over hele spekteret av mulige prøve vinkler ved hjelp av en konstant oppkjøpet tid, vil eventuelle variasjoner i den målte karakteristiske X-ray intensitet skyldes detektor skygging alene. De innhentingstider, og derfor dosen blir så variert i etterfølgende anskaffelser for å kompensere for skygging noe som betyr at den totale signalet teller er tilnærmet conkonstant for alle spektrum bilder ervervet i tilt serien.

I forhold til HAADF eller ål bildemoduser, er EDX tomographic datainnsamling fortsatt i en svært tidlig fase. Til tross for innføringen av røntgendetektorer med høyere romvinkel den vesentlig begrensning av EDX tomografi, som ofte er tilfelle for to-dimensjonal avbildning EDX, er den lave signal. Til tross for dette, en fordel at EDX spektroskopi kan holde over EELS for enkelte nanopartikkel-systemer er i fastsettelsen av små mengder av tunge elementer i ganske store nanopartikler. Større multikomponent nanopartikler (> 100 nm) er ofte godt egnet til EDX studier som de gir flere punkter og det er færre problemer med dekonvolvering spektrale overlappinger, men forsiktighet bør tas for å bruke høyenergi røntgen topper som gjennomgår lite absorpsjon.

Samlet sett er EDX tomografi en utmerket metode for bestemmelse av element fordelinger innenfor nanopartikler i tre dimensjoner, selv omugh begrenset til nanopartikler som kan tåle en relativt høy elektron dose uten betydelige skader. Ytterligere økning i de faste vinkler av røntgendetektorer innenfor STEM og ytterligere optimalisering av tomografiske prøveholdere vil tillate denne teknikken for å fremme ytterligere og blitt en viktig fremgangsmåte ved karakterisering av de enkelte nanopartikler.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Titan G2 80-200 STEM	FEI		With Super-X detector
2020 tomography holder	Fischione
Carbon film on 200 mesh copper grid	Agar Scientific	AGS160
EDX Acquisition software	Bruker		Esprit
Tomographic alignment and reconstruction software	FEI		Inspect3D, alternatives available
Tomographic alignment and reconstruction software package	University of Colorado		IMOD, alternatives available
Visualisation software	FEI		Avizo, alternatives available
Image processing software	Gatan		Digital Micrograph, alternatives available
Image visualisation software	Open Source		Fiji, alternatives available
Polyvinyl-pyrrolidone	Sigma-Aldrich	856568
Ethylene glycol	Sigma-Aldrich	V900208
Silver nitrate	Sigma-Aldrich	209139
Benchtop Centrifuge	Thermo Scientific	75007200
Round bottom flask	Sigma-Aldrich	Z41,452-2	1,000 ml
Hydrogen tetrachloroaurate trihydrate	Sigma-Aldrich	520918