Introduction
Цель этого метода состоит в обеспечении точного определения трехмерного распределения элементов в одиночных наночастиц. Это осуществляется за счет использования энергии дисперсионного рентгеновского излучения (EDX) спектроскопии в сочетании с томографической реконструкции, выполненного в трансмиссии сканирующего электронного микроскопа (STEM).
Энергодисперсионный рентгеновская спектроскопия уже давно используется в качестве метода для количественного определения и пространственно отображения элементов, присутствующих в просвечивающей электронной микроскопии образцов. С появлением высокого угла кольцевого темного поля (HAADF) STEM томографии для трехмерной визуализации кристаллических материалов 1, энергия дисперсионного рентгеновской томографии была также предложена в качестве метода позволяют определить элементных распределений в трех измерениях 2. Тем не менее, ранние исследования были ограничены из-за конструкции рентгеновских детекторов внутри просвечивающего электронного микроскопа. В частности эти традиционные деТектор конструкции имели относительно низкую эффективность сбора и не измеряется никакого сигнала в широком диапазоне углов наклона из - за затенения от держателя образца 2,3. Введение новых геометрических конструкций рентгеновских детекторов в пределах (сканирование) просвечивающего электронного микроскопа сделал энергодисперсионным рентгеновской томографии жизнеспособного техники и привело к ряду недавних исследований 4-6.
HAADF STEM изображений является режим формирования изображения широко используется электронной томографии и способна обеспечить композиционную информацию в определенных ситуациях, основанных на атомном чувствительности количество интенсивности сигнала HAADF. Например, HAADF томография хорошо подходит для изучения наночастиц с дискретными элементных областей, например, хорошо определены ядро-оболочка морфологию 7, но не могут быть использованы , когда элементы имеют более сложное распределение. Электронная спектроскопия потерь энергии (EELS) обеспечивает дополнительный подход для определения трехмерной остаетсntal распределения в пределах Шток 8. В этой технике потери энергии падающего электронного луча используются для определения состава образца , и это имеет преимущество более высоким отношением сигнала к шуму , чем часто получают путем EDX спектроскопии 9. Недостатком является то, что EELS несколько соображений рассеяния накладывают жесткие ограничения на толщину образца, а также в нескольких ситуациях анализ осложняется наличием запаздывающих краев начало или перекрывающихся спектральных признаков. Таким образом, EDX - спектроскопия часто лучше подходят для изучения тяжелых элементов , таких как те , часто связаны с каталитическими или плазмонных наночастиц систем 9. Кроме того, как полный спектр изображения собраны в EDX-спектроскопии Несложно ретроспективно выявить неожиданные элементы, что является более трудным в энергии фильтруется просвечивающей электронной микроскопии (EFTEM) и EELS в связи с частотой элементарной информации перекрывающиеся или находящиеся внеспектральный диапазон набора данных.
Идеальная геометрия образца для EDX томографии состоит из игольчатых образца , взвешенных в вакууме и ориентированных вдоль оси томографического наклона 4. Такая ситуация гарантирует, что не существует теневое детекторов EDX под любым углом наклона либо образца или держатель образца. Тем не менее, сборка необходимых игольчатых образцов для систем наночастиц является сложной задачей 10 и подготовка образцов , как правило , состоит из наночастиц просто переводя на тонкую сетку поддержки ТЕМ углеродной пленки. Эти сетки используются с держателем образца томографию специально разработан таким образом, что она может быть наклонена под большим углом (≈ & plusmn; 75 & deg;), но затенение детекторов EDX в этом диапазоне образца углов наклона неизбежна и может ухудшить качество получаемого томографического реконструкция. Это затенение характерно для конкретной установки микроскопа детектора держателя и, следовательно, может быть сдерживатьдобыты путем измерения надлежащего калибровочного образца до приобретения 11. Одиночные сферические наночастицы являются идеальной калибровки образца, интенсивности рентгеновских импульсов от этих образцов должно оставаться постоянным во всех углах наклона. Детектор затенение может быть компенсировано либо варьирования времени захвата при каждом угле или умножением на коэффициент коррекции после сбора данных. Первый подход используется, так как это сводит к минимуму дозы электронов, максимизируя отношение сигнала к шуму.
Protocol
1. Наночастицы Синтез
- Растворить 10 г поливинилпирролидона (PVP) (MW = 10000 г / моль) в 75 мл этиленгликоля при комнатной температуре. Добавить 400 мг AgNO 3 к этому раствору.
- Перемешать раствор до AgNO 3 полностью не растворится , а затем нагревают на плитке до 100 ° С при постоянной скоростью 1 ° С мин -1. Пусть реакция протекает при 100 ° С в течение 1,5 ч.
- Добавить 175 мл дистиллированной воды и охлаждают до комнатной температуры. Центрифуга при 8000 XG, удалить супернатант и редиспергируются наночастицы в 50 мл дистиллированной воды. Повторите три раза.
- Растворить 500 мг PVP (55000 г / моль) в 500 мл этиленгликоля при комнатной температуре. Этот раствор и 27,8 мл суспензии наночастиц Ag из предыдущего шага до 1000 мл круглодонную колбу. Нагревают колбу при 100 ° С в течение 10 мин.
- Добавить тригидрат водорода тетрахлораурата до 1000 мл воды с получением 0,2 мМ раствора AuCl 4 - (водный раствор) 4 0,2 мм - (водный раствор) по каплям к раствору , полученному на предыдущей стадии , чтобы получить наночастицы , Agau среднего строения Ag93Au7 (Ag 93 ат% Аи 7 ат%), Ag82Au18 ( Ag 82% на Au 18at%), Ag78Au22 (Ag 78% в Аи 22 ат%) и Ag66Au34 (Ag 66 в% Au 18 ат%) соответственно.
- Смесь охлаждают до комнатной температуры, а затем промыть дистиллированной водой трижды последовательных циклов центрифугирования при 8000 х г, удалением надосадочной жидкости и повторным диспергированием в 50 мл дистиллированной воды. Добавить 0,05 мл раствора наночастиц в 10 мл деионизированной воды.
Подготовка образцов 2. ПЭМ
- Пипетка приблизительно 0,05 мл раствора наночастиц на к дырявой / непрерывного углерода TEM сетки. Используйте металлическую опору, используемую для ПЭМ сетей Бериллий, чтобы ограничить паразитных рентгеновских лучей, хотя сетка Cu или Au будет достаточно, если нет перекрывающихся пиков интереса с Cu или Au в EDX спектре образца. Используйте больше меняРазмеры Sh (например, 200 меш) , чтобы свести к минимуму возможность затенения от сетки.
- После того как раствор наночастиц высохнет, очистить ПЭМ сетки путем промывки сетки в чистом метаноле или этаноле. Пипетка 10-20 капель над TEM сетки в то время как она проводится с использованием анти-капиллярные кроссовера пинцета. Удалите лишнюю жидкость после каждой капли из сетки с использованием фильтровальной бумаги прикоснулся осторожно к краю сетки.
- Отжиг сетки на уровне около 80 ° С (предпочтительно в вакууме), чтобы уменьшить загрязнение под электронным пучком, удаляя или иммобилизации оставшуюся загрязнения.
3. Характеристика детектора Shadowing
- Наночастицы нагрузка на опорную решетку ПЭМ в держатель томографию, а затем вставьте держатель в ПЭМ.
- Подождите , пока вакуум микроскопа для достижения подходящего стабильного значения (ниже приблизительно 1,8 × 10 -7 мм рт.ст.). Открытые клапаны столбцов и обеспечить электронный луч можно увидеть на микроскопов флуоресцентный подкожноReen.
- Совместите STEM.
Примечание: Здесь, выравнивания для Titan G2 зонд на стороне аберрация исправлен STEM прибор работает при 200 кВ вместе с держателем в 2020 томографии описаны. Оптимальные процедуры выравнивания для других микроскопов могут незначительно отличаться от описанных.- В режиме дифракционного STEM, используйте вне фокуса теневое изображение, чтобы довести образец eucentric высоту. Для этого, наклонить стадию между ± 15 °, нажав на кнопку Альфа воблер на вкладке Поиск и свести к минимуму любое перемещение функций в образце путем регулировки Z-высоту.
- Перемещение образца таким образом, чтобы луч над отверстием в образце и убедитесь, что соответствующий конденсатор диафрагмы правильно выровнен по центрирующим тень отверстия в недостаточному сфокусированное изображение зонда. Wobble интенсивности и обеспечить целенаправленную зонд не перемещается для проверки наклона луча перекоса.
- Перемещение образца таким образом, что область аморфного углерода находится в поле зрения и фокусировки будетнахожусь в режиме дифракции для получения Ronchigram. Колебание фокус наблюдать аберраций в Ronchigram и коррекции этих (например, астигматизма и осевой комы) , если это необходимо.
- Проследите контур квадрата сетки (один близко к центру сетки), выбрав "Показать Треки" на вкладке "Поиск" и следующие контуры квадрата сетки в то время как изображения. Это делает его простым, чтобы обеспечить последующие измерения выполняются для наночастиц, которые находятся в середине квадрата сетки, с тем чтобы уменьшить вероятность затенения от опорной решетки. Если приобретение осуществляется на частицу, близкой к панели сетки одной пары детекторов будет неактивно в течение гораздо большего диапазона углов наклона образца.
- Найти репрезентативную частиц в средней части квадрата сетки. Наклон в максимальном диапазоне углов наклона держателя (как правило, ± 70 °) в то время как изображения, чтобы гарантировать, что наночастицы не закрывала ИГИг баров на большой держатель наклонов.
- Приобретать HAADF и EDX изображения спектра с использованием постоянного времени приобретения (например, 5 мин) во всем диапазоне углов наклона (обычно ± 70 °) , используя угловые приращения между 5-10 °. Во-первых, получить обзорную HAADF изображение, нажав Приобретать в области обработки изображений. Выберите окно отображения вокруг наночастицами путем перетаскивания окна над этим изображение и нажмите Acquire.
- Извлечение характерные счетчики рентгеновских изображений из спектра EDX для определения интервалов времени для сбора данных, открыв спектральные datacubes в программном обеспечении для обработки изображений (как RAW-файлов). Тогда сумма интенсивности срезов DataCube, которые соответствуют каналам энергии пиков, представляющих интерес, используя функции slice2D и сумм, сценарии, включенные в качестве дополнительного кода 1-3.
4. EDX томография Приобретение
- Повторите шаги 3.1-3.5 для наночастиц образца, представляющих интерес.
- Приобретать HAADF Aй EDX спектр изображения с интервалами времени, определяемого из детектора тенистою характеристик предыдущей секции для диапазона углов наклона образца (как правило, ± 70 °), таким же образом, как шаг 3.6.
5. Реконструкция и визуализация
- Компиляция наклона серии HAADF изображениями в MRC формат файла с помощью одного из следующих способов:
- Использование MRC писателя в изображении программного обеспечения визуализации 12 (Файл> Сохранить как> MRC писатель) после импорта HAADF TIFs в качестве '' последовательности изображений.
- В качестве альтернативы, используйте функцию tif_to_mrc в программном пакете томографии 13.
- Кросс-коррелируют HAADF изображения в выбранном программном обеспечении, чтобы получить примерное выравнивание серии наклона. Сохраните данные выравнивания либо в виде файла .sft или как файл xcorr.txt. В программном обеспечении томографии установить фильтр в окне Filter Setup, которая обеспечивает самый резкий пик в области кросс корреляции. <ол>
- Затем нажмите кнопку Продолжить в Calculate Выравнивание Сдвиги окно для выполнения кросс-корреляции для всей серии наклона. Повторите выравнивание, пока местные изменения не ниже 1 пиксель, обеспечивая, чтобы сохранить все файлы сдвига на каждом шаге в виде текста.
Примечание: Тщательный установка фильтра, используемого при выполнении взаимной корреляции иногда необходимо обеспечить хорошее выравнивание данных серии наклона.
- Выберите объект реконструкции в бассейне объекта и правой кнопкой мыши и выберите модуль orthoslice для извлечения orthoslice. Щелкните правой кнопкой мыши на объемный рендеринг реконструкции и выберите для извлечения рендеринга тома. Извлечение изоповерхность, щелкнув правой кнопкой мыши по реконструкции и выбрав пункт изоповерхности.
Примечание: Автоматическая сегментация через пороговым является более надежным методом, но где отношение сигнал-шум плохой ручной сегментации может быть необходимо, чтобы удалить шумные вокселей из-за пределов объема наночастиц для визуализации изоповерхности.
Representative Results
Характеристика детектора затенение для 2020 держателя томографии в Titan G2 ChemiSTEM отображается на рисунке 1А. Детекторы , используемые здесь , что детектора Супер-X, в котором четыре детекторы работают в одинаковых азимутальных углах 90 ° вокруг оптической оси, в результате чего в телесном угле детектора больше , чем 0,6 С.Р. 14. Определение характеристик детекторов позволил определить компенсированных томографических время обнаружения , отображаемых на рисунке 1В. После применения этих времен приобретения отсчеты при каждом угле наклона должен оставаться приблизительно постоянной для одиночных наночастиц, как показано на фиг.1С.
наночастицы биметаллический Agau, синтезированные гальванической реакции замещения, были исследованы с помощью EDX томографии в стебле. При проведении этой реакции раствор AuCl 4 - этодобавляют к семенам наночастицами Ag. Аи уменьшается на поверхности наночастиц, как Ag окисляется, что приводит к биметаллической композиции и выдалбливать исходного семенного материала. Ранее считалось, что Ag и Au образуется однородный сплав на протяжении всего этого процесса, и что изменения в каталитических и оптические свойства были просто из-за выдалбливать и объемными композиционными вариаций. Однако трехмерная элементный отображение осуществляется с использованием EDX томографии показали поверхностной сегрегации в наночастиц Agau , синтезированных гальванической реакции (Рисунок 2). В композициях низкой Au, наночастицы Au четкое отображение поверхности сегрегации. Тем не менее, по мере увеличения содержания Au эта поверхностная сегрегация переключается так , что при самом высоком содержании Au существует четкая Ag поверхностная сегрегация (рисунок 3). Такое переключение поверхностной сегрегации коррелирует с изменением доходности propargylamines в реакции трех компонентов сочетания синтезированных отличаютсялор композиции этих наночастиц Agau.
Рассекает реконструкции, которые нормальны к направлению пучка электронов обеспечивают по сравнению со стандартными двумерными элементных карт. Начальные карты содержат информацию о составе суммируется вдоль направления пучка электронов, и это часто может быть сложно интерпретировать из-за перекрывания областей разного состава или, в случае Agau наночастиц исследовали здесь, за счет включения в верхней и нижней поверхности в проекции (рис 3A-C). Принимая рассекает реконструкции позволяет удалять интенсивности , связанной с верхней и нижней поверхностях частиц и , следовательно , приводит к гораздо более четкое отображение поверхностной сегрегации в этом случае (рис 3D-F).
Фигура 2. Реконструкция низким содержанием Au Agau наночастицами. (А) Orthoslice через реконструкцию Au. (Б) Orthoslice через реконструкцию Ag. (C) Линейные профили , принятые через orthoslices (А) и (В) , где отображаются четкую Au поверхностной сегрегации в этом наночастицы. (D) Поверхностная визуализация реконструкций Ag и Au. Из Слейтер и др. 15. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. Реконструкция высокого содержания Au Agau наночастицами. (A) 2D EDX карта Аи и (В) 2D EDX карта Ag. (C) Линия Profilе , вз тый через 2D карты EDX (А) и (В) , показывающий трудности при определении поверхностной сегрегации в этом наночастицы из 2D - карты в одиночку. (D) Orthoslice за счет реконструкции Au. (Е) Orthoslice через реконструкцию Ag. (F) профили , взятая через orthoslices (D) и (Е) , отображающих четкую Ag поверхностной сегрегации в этом наночастицы. (G) Поверхностное визуализация реконструкций Ag и Au. Из Слейтер и др. 15. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Discussion
Протокол, представленные здесь, предложен способ определения элементного распределения любого многоэлементного наночастицу в трех измерениях. В случае наночастиц Agau, представленных здесь, поверхностная сегрегация обоих элементов четко определены и показано, что коррелирует с каталитическим выходом в трехкомпонентной реакции сочетания. Это наглядно демонстрирует полезность этого метода, помогая объяснить физические и химические свойства систем наночастиц.
Как это всегда бывает в ПЭМ, следует позаботиться при подготовке образца для обеспечения наилучших результатов. Тщательное мытье и отжига сеток после нанесения раствора наночастиц особенно важно, чтобы избежать накопления загрязнений углерода через большой электронной дозы, необходимой для EDX томографии. Большая доза применяется также может привести к серьезному повреждению дырявых углеродных пленок, особенно если на тонких участках часто встречаются между дыркас, но несущие пленки нитрида кремния может способствовать окислению наночастиц 16.
Коррекция детектора затенение важно, чтобы произвести точную реконструкцию, особенно если техника будет применяться для количественного отображения элементных распределений в будущем. Это может быть достигнуто за счет точного определения характеристик затенения детектора и затем изменяя электронную дозу до наночастицы. В качестве альтернативы, затенение может быть компенсирован путем умножения изображения спектра на коэффициент коррекции после приобретения. Тем не менее, применяя эту технику, чтобы обеспечить количественную информацию в трех измерениях пока еще не представляется возможным из-за повреждения электронного пучка наночастиц, который ограничивает отсчеты рентгеновские достижимые в каждом изображении спектра.
Калибровка необходима для того, чтобы компенсировать затенение детектора EDX в зависимости от угла наклона для конкретной комбинации микроскоп-детектор держателя. шadowing вначале следует определить, используя образец, который не дает каких-либо изменений рентгеновских импульсов для различных углов образца наклона и отдельных сферических наночастиц, как ожидается, удовлетворяют этим критериям, когда их состав стабилен под электронным пучком в течение времени, необходимого для получения наклона серии. Кроме того, для кристаллических наночастиц, любой углами наклона, при котором электронный луч направлен вдоль главной оси зоны наночастицы должны быть удалены и наночастицы должны быть достаточно малы, чтобы избежать значительного поглощения рентгеновских лучей. Поэтому, когда EDX спектр изображения одиночной наночастицы приобретаются по всему диапазону возможных углов наклона образца с использованием постоянного времени сбора, любые изменения в измеряемой характеристики интенсивности рентгеновского излучения будет из-за затенения детектора в одиночку. Времена приобретения, а, следовательно, доза, затем изменяется в последующих поглощений, чтобы компенсировать затенение означает, что общее количество отсчетов сигнала приблизительно конпостоянен для всех изображений спектра, полученных в серии наклона.
По сравнению с HAADF или EELS режимов визуализации, EDX сбора данных томографические все еще находится на очень ранних стадиях. Несмотря на введение рентгеновских детекторов с более высокими пространственными углами Основным недостатком EDX томографии, как это часто бывает для двумерного EDX визуализации, является низкий уровень сигнала. Несмотря на это, одно преимущество, что EDX-спектроскопия может проводить более угрями для некоторых систем наночастицу при определении малых количеств тяжелых элементов в довольно больших наночастиц. Большие многокомпонентные наночастицы (> 100 нм) часто хорошо подходят для исследований EDX, поскольку они обеспечивают больше счетчиков и есть меньше проблем с деконволюции спектральных дублирования, но следует соблюдать осторожность, чтобы использовать высокоэнергетические пики рентгеновских лучей, которые претерпевают малое поглощение.
В целом, EDX томография является отличным методом определения элементарного распределения в пределах наночастиц в трех измерениях, Althoтьфу ограничивается наночастиц, которые могут выдерживать относительно высокую дозу электронов без существенных повреждений. Дальнейшее увеличение твердых углов рентгеновских детекторов в пределах STEM и дальнейшей оптимизации томографических держателей образцов позволит эту технику, чтобы продвинуться еще дальше и стать важным методом в характеристике отдельных наночастиц.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
TJAS и SJH поблагодарить Великобритании инженерных и физических наук исследовательский совет, (номера грантов EP / G035954 / 1 и EP / L01548X / 1) для финансовой поддержки. Авторы хотели бы выразить признательность за поддержку со стороны правительства Ее Величества (Великобритания) за предоставление средств для Titan G2 80-200 S / TEM, связанных с изучением возможностей Ядерного Advanced Manufacturing Research Centre.
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 |
References
- Midgley, P. A., Weyland, M. 3D electron microscopy in the physical sciences: the development of Z-contrast and EFTEM tomography. Ultramicroscopy. 96, 413-431 (2003).
- Mobus, G., Doole, R. C., Inkson, B. J.
- Kotula, P., Brewer, L., Michael, J., Giannuzzi, L. Computed Tomographic Spectral Imaging: 3D STEM-EDS Spectral Imaging. Microsc. Microanal. 13, 1324-1325 (2007).
- Lepinay, K., Lorut, F., Pantel, R., Epicier, T. Chemical 3D tomography of 28 nm high K metal gate transistor: STEM XEDS experimental method and results. Micron. 47, 43-49 (2013).
- Genc, A., et al. XEDS STEM tomography for 3D chemical characterization of nanoscale particles. Ultramicroscopy. 131, 24-32 (2013).
- Goris, B., Polavarapu, L., Bals, S., Van Tendeloo, G., Liz-Marzan, L. M. Monitoring galvanic replacement through three-dimensional morphological and chemical mapping. Nano Lett. 14, 3220-3226 (2014).
- Goris, B., et al. Three-dimensional elemental mapping at the atomic scale in bimetallic nanocrystals. Nano Lett. 13, 4236-4241 (2013).
- Jarausch, K., Thomas, P., Leonard, D. N., Twesten, R., Booth, C. R. Four-dimensional STEM-EELS: Enabling nano-scale chemical tomography. Ultramicroscopy. 109, 326-337 (2009).
- von Harrach, H., et al. Comparison of the Detection Limits of EDS and EELS in S/TEM. Microsc. Microanal. 16, 1312-1313 (2010).
- Tedsree, K., et al. Hydrogen production from formic acid decomposition at room temperature using a Ag-Pd core-shell nanocatalyst. Nat. Nanotechnol. 6, 302-307 (2011).
- Slater, T. J. A., Camargo, P. H., Burke, M. G., Zaluzec, N. J., Haigh, S. J. Understanding the limitations of the Super-X energy dispersive x-ray spectrometer as a function of specimen tilt angle for tomographic data acquisition in the S/TEM. J. Phys. Conf. Ser. 522, 012025 (2014).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nat. Methods. 9, 676-682 (2012).
- Kremer, J. R., Mastronarde, D. N., McIntosh, J. R. Computer visualization of three-dimensional image data using IMOD. J. Struct. Biol. 116, 71-76 (1996).
- von Harrach, H., et al. An integrated Silicon Drift Detector System for FEI Schottky Field Emission Transmission Electron Microscopes. Microsc. Microanal. 15, 208-209 (2009).
- Slater, T. J. A., et al. Correlating Catalytic Activity of Ag-Au Nanoparticles with 3D Compositional Variations. Nano Lett. 14, 1921-1926 (2014).
- Lewis, E., et al. Real-time imaging and elemental mapping of AgAu nanoparticle transformations. Nanoscale. 6, 13598-13605 (2014).
