Kvantificere X-Ray fluorescens Data ved hjælp af kort

Summary

Her viser vi brugen af X-ray fluorescens montering software, kort, lavet af Argonne National Laboratory for kvantitativ bestemmelse af Fluorescens mikroskopi data. De kvantitative data, at resultaterne er nyttige for at forstå elementært distribution og støkiometriske forhold inden for en prøve af interesse.

Abstract

Kvantificering af X-ray fluorescens (XRF) mikroskopi maps ved at montere de rå spectra til en kendt standard er afgørende for evaluering af kemiske sammensætning og elementært fordeling inden for et materiale. Synkrotron-baserede XRF er blevet en integrerende karakterisering teknik til en række forskningsemner, især på grund af dens ikke-destruktiv natur og dens høj følsomhed. I dag, kan synchrotrons erhverve fluorescens data på fysisk resolutioner langt under en micron, giver mulighed for evaluering af kompositoriske ændringer på nanoplan. Gennem ordentlig kvantificering er det derefter muligt at opnå en dybdegående, høj opløsning forståelse af elementært segregation, støkiometriske forhold og klyngedannelse adfærd.

Denne artikel forklarer, hvordan du bruger KORTENE montering software udviklet af Argonne National Laboratory for kvantificering af fuld 2-D XRF kort. Vi bruger som eksempel resultater fra en Cu (i, Ga) Se₂ solar celle, taget på den avancerede Photon kilde beamline 2-ID-D ved Argonne National Laboratory. Vi viser den normale procedure for montering rå data, vise, hvordan vurdere kvaliteten af en pasform og præsenterer de typiske output genereret af programmet. Desuden, diskuterer vi i dette manuskript visse softwarebegrænsninger og tilbud forslag til, hvordan man yderligere korrigere data skal være numerisk nøjagtige og repræsentative for rumligt løst, elementært koncentrationer.

Introduction

Synkrotron-baserede XRF er blevet brugt på tværs af flere discipliner i mange årtier. For eksempel, har det været brugt i biologi på undersøgelser som gjort af Geraki et al., hvor de kvantificerede spormængder af metal koncentrationer inden for kræft og ikke-kræft bryst væv ¹. Mere generelt er kvantitative XRF blevet udlignet med en bred vifte af biologiske undersøgelser beskæftiger sig med metal koncentrationer i celler og væv, som beskrevet af Paunesku et al. ². tilsvarende marine protister blev undersøgt for mikromineraler ^3,4 og endda mikro- og makronæringsstoffer distributioner blev observeret i anlægget celler ⁵. Arbejde af Kemner et al. ⁶, som identificeret tydelige forskelle i morfologi og elementært sammensætning i enkelt bakterieceller, var også gjort muligt gennem kvantitative XRF analyse. Desuden, og specielt relevant for eksempel offentliggøres heri, materiale forskere studerer solcelle enheder har gjort brug af høj opløsning XRF for undersøgelser om eksistensen af sub micron metal urenheder i silicon halvledere ^{7 , 8}, korrelationsmaalinger arbejde på hvordan elementært distributioner påvirker elektriske ydeevne i solar enheder ^9,10, og identificere dybde-afhængige forløb af CIGS tynde film solceller via græsning forekomsten X-ray Fluorescens (GIXRF) ¹¹.

Mange af disse undersøgelser gøre brug ikke kun af synkrotron X-ray fluorescens høj opløsning evne til at studere geografiske fordeling, men også en kvantificering af oplysninger for numeriske konklusioner. I mange undersøgelser er det kritisk at vide elementært koncentrationerne forbundet med de ovennævnte rumlige distributioner. For eksempel, i arbejde af Geraki mfl., undersøgelsen kræves kvantificere forskel i koncentrationen af jern, kobber, zink og kalium i kræft og ikke-kræft brystet væv, for bedre at kunne forstå hvilke koncentrationer være skadelige for humane væv ¹. Tilsvarende arbejde af Luo mfl. gjort brug af kvantificerede XRF for at identificere små mængder af klor i perovskite solceller når syntetiseret både med og uden klor-holdige prækursorer ¹². Derfor, for visse undersøgelser, hvor koncentrationerne af elementer er nødvendige, ordentlig kvantificering er en nødvendig og afgørende skridt.

Processen med at kvantificere elementært koncentrationer fra X-ray fluorescens (XRF) målinger oversætter fluorescens intensitet tæller til massekoncentrationer (fx µg/cm²). De rå spectra præsentere antallet af fotoner indsamlet af energy dispersive fluorescens detektor som en funktion af energi. Spektre er først passer og derefter sammenlignet med en standard måling til beregning af de kvantitative data. Især er det første trin i montering fluorescens-spektre kritiske selv for kvalitativ analyse af elementerne. Dette er fordi inden montering, tæller er arkiveret lodret baseret på deres energi, som bliver et problem, når to elementer med lignende fluorescens overgange er indeholdt i prøven. I denne situation kan tæller forkert arkiveret lodret og dermed forbundet med den forkerte element.

Det er også ofte nødvendigt at kvantificere XRF spektre for at præcist drage konklusioner om de relative mængder af elementer i en prøve. Uden ordentlig kvantificering, tællinger af tunge grundstoffer og lettere grundstoffer skal sammenlignes direkte, ignorerer forskellene i fange grænseoverskridende afsnit, absorption og fluorescens sandsynlighed, dæmpning af fluorescens fotoner, og afstanden mellem den elementets absorption kant fra den hændelse energi, som alle påvirke antallet af fotoner slående detektoren. Derfor, processen med montering spektre for hvert kort og sammenligne peak intensiteter til standarden, som begge er udført i følgende procedure, er kritisk for nøjagtig kvantificering af hver af de elementære koncentrationer.

Vi demonstrere, hvordan man konvertere raw greverne af fluorescens fotoner til enheder af mikrogram pr. kvadratcentimeter (µg/cm²) ved første montering af et integreret spektrum, eller en summerede frekvenser af alle de enkelte spektre produceret på hver måling spot eller pixel i en 2D kort. Dette spektrum viser de relative intensiteter af de forskellige elementer i prøven. Afstanden absorption kanten af en bestemt element er fra det indfaldende strålebundt energi påvirker intensiteten af deres fluorescens toppe. Generelt, er jo tættere de to energier, jo større intensitet produceret for disse elementer, selv om dette ikke altid er tilfældet. Figur 4 i Ref ¹³ viser afhængighed af absorption længden af X-ray fotoner, som direkte vedrører den resulterende intensitet for de fleste elementer i en methylammonium bly Iodid perovskite solcelle. Dette viser fluorescens svar af elementer med hensyn til energi, og viser at det ikke er et konstant fald i svar med stigende afstand fra den hændelse energi, men snarere at det er også afhængige af elementet, selv.

Resultatet af dette forhold er, at rå elementært koncentrationer kan forekomme højere for element kanaler med excitation energier tættere til den hændelse energi, selvom de sande mængder af disse elementer er lavere i forhold til andre elementer med excitation energi længere fra episoden. Energiafhængighed af intensitet, sammen med andre faktorer såsom fluorescens udbytte variationer, forskellige absorption kanter, detektor følsomhed, og måling baggrund, osv., er derfor, hvorfor montering data er meget vigtigt før tegning konklusioner om de observerede mængder, elementært. Vi derefter anvende en montering algoritme til integreret spektrum, hvor brugeren definerer de elementer og parametre til at passe via et tekstdokument.

Den algoritme, lavet af Vogt mfl. ¹⁴, gør brug af regioner af interesse (ROI) filtrering, hvorpå det integrerer over visse elementer peak regioner og princippet komponent analyse (PCA). Første er PCA gjort for at identificere kun elementer og toppe, der er meget stærkt tilsyneladende. Dette giver mulighed for adskillelse af støj fra den sande signal. Dernæst princippet komponenter identificeret er numerisk kvantificeret, hvilket er vigtigt for deconvoluting forskellige element toppe med samme excitation energi, for eksempel overlappende Au M_α og P K_α. Endelig, ROI filtrering kan anvendes på de numeriske data ved at integrere over bestemte dyrkningsområder.

For at relatere tæller for elementært koncentrationer, måles godt kvantificerede reference (ofte omtalt som "standard") under samme måling betingelser, geometri og energi, som prøven under undersøgelsen. Denne standard er ofte fra Dresden AXO eller National Institute of Standards and Technology (NIST). De dækker en bred vifte af forskellige elementer og komme med tabelform elementært distributioner. Normalisering af de målte tæller stikprøven af interesse til greverne af standard på samme måling betingelser danner grundlag for elementært kvantificering for prøven af interesse.

Mere konkret MAPS identificerer elementerne og deres koncentrationer af standard enten ved det faktum at de standardoplysninger, der er kendt af programmet (som er tilfældet for AXO og NIST standarderne) eller gennem data, der indtastes i en separat fil (i tilfælde af en forskellige standard bliver brugt). Fra denne information vedrører programmet de målte intensiteter af standardelementer under måling indstillinger til den forventede koncentration indlejret i MAPS. Derefter skaber en skaleringsfaktoren at justere for nogen forskydning og ekstrapolere denne skaleringsfaktoren til alle de resterende elementer ikke er medtaget i standarden. Skaleringsfaktoren derefter omfatter forskydningen fra indstillingerne for måling og oplysningerne inden for kort til den lineære konvertering af raw tæller til datadensitet i µg/cm².

Her, vi viser, hvordan man kan gøre brug af programmet, MAPS, udviklet af Dr. S. Vogt, at kvantificere data erhvervet fra fluorescens-stand beamlines ved Argonne National Laboratory (ANL) ¹⁴. Dataene bruges til demonstration var erhvervet på sektor 2-ID-D i ANL ved hjælp af måling setup vist i figur 1 af ¹⁰. Montering procedure kan også anvendes til oplysninger fra andre beamlines, men Bemærk, at visse karakteristika af ANL beamlines er integreret i programmet og bliver nødt til at blive opdateret.

Protocol

Bemærk: Forud for begyndelsen montering, er det vigtigt at vide et par ting om maalingerne: antallet af detektor elementer bruges - forskellige beamlines bruge forskellige detektorer, som er undertiden opdelt i mindre sektioner, som tæller er læse og kompileret; det hændelse energiforbruget; og standarden måles. Denne information vil blive anvendt i hele forskellige aspekter af proceduren.

1. opsætning af programmet

1. Download IDL og programmet kort
   Bemærk: Links til at downloade kort og IDL kan findes på http://www.stefan.vogt.net/downloads.html og http://www.harrisgeospatial.com/ henholdsvis. Sammen, kan programfilerne forventes at tage op til ca. 20 MB. De faktiske krav til montering proces, men vil faktisk være meget større og afhænger af antallet af datafiler til at være fit og deres filstørrelser. De mindste enhed krav til montering er ca 8 GB RAM, dual eller quad core-processor med hastigheder over 2,0 GHz. Igen, kravene stige dramatisk med de filstørrelser der passer.
   1. Du kan hente IDL Virtual Machine, gå til linket og oprette en konto. Efter at have modtaget bekræftelse pr. e-mail, logge ind på hjemmesiden og vælg "Downloads" under fanen "Min konto". Inden for downloads, skal der være en mulighed for den seneste IDL software til Windows, Mac eller Linux. For video, blev version 8.5 af IDL Virtual Machine brugt.
      Bemærk: Video, version 1.7.3.12 af kort blev brugt. Version 1.7.3.12 og frem kan bruges til montering af data erhvervet i både stepscan og flyscan tilstande.
   2. Klik på linket for den seneste version af Google MAPS og download zip-mappe. ZIP-filen skal indeholde kort IDL binære fil samt filer "compound.dat", "henke.xdr" og "xrf_library.csv".
   3. Flytte de sidstnævnte tre filer til mappen "lib" i mappen IDL lavet i dokumenter efter installation. Disse filer indeholder X-ray fluorescens-specifikke oplysninger til brug for kort. Eksempelvis gemmer XRF biblioteksfil alle excitation energier for alle elementer.
   4. Placer ikonet for programmet kort overalt, dog, det er ofte nemmest at placere den på skrivebordet. Dermed gør det nemt at finde og køre den grafiske brugergrænseflade (GUI).
2. Indsamle nødvendige filer for foreløbige montering
   Bemærk: De filer, der er nødvendig før du udfører en passende hedder "maps_settings.txt", "maps_fit_parameters_override.txt", datafiler, som ender i ".mda" og en standard fil slutter med ".mca". Et eksempel sæt af disse filer kan findes i bilagene. Den angivne standard fil er den AXO standard, der blev målt på sektor 2-ID-D af Argonne National Laboratory ved hjælp af en hændelse X-ray stråle energien af 10.4 keV. De samme indstillinger blev brugt til målinger af de data, der vises i denne demonstration.
   1. Overføre parameterfilen fit, datafiler og de standard filer i mappen bruges under dataopsamling til computeren som montering med kort vil blive udført. Derudover kan kort indstillingsfil forudsat i de supplerende oplysninger bruges til enhver situation.
   2. Opret en mappe på skrivebordet. For eksempel, oprette "C:\Users\user\Desktop\Fittingfiles". Det er meget vigtigt, at ingen filer eller mapper i vej for montering indeholder et mellemrum, som kort ikke vil kunne få adgang til dem.
   3. Opret en undermappe til "Fittingfiles" navngivne "mda" og placere alle de ".mda" datafiler erhvervet fra X-ray fluorescens målinger inde. Sørg for at medtage filen for den repræsentative kort, der skal bruges til at generere fit. For eksempel i videoen bruges filen "2idd_0220.mda" fordi det er mest ligner i dimensioner og opløsning størstedelen af de resterende kort til at være egnet.
   4. Placere de resterende filer fra trin 1.2 i den overordnede mappe. Disse filer vil blive redigeret i trinene beskrevet nedenfor.
      1. Placere den standard fil(er) (slutter i ".mca") i mappen "Fittingfiles".
         Bemærk: En velegnet standard bør indeholde på minimum to elementer til fælles med prøverne undersøges. I tilfælde hvor ingen egnet kommercielle standard findes, kan et repræsentativt udsnit, der indeholder elementer af interesse i kendte mængder fabrikeret og anvendes som en standard. I denne situation, bør den oprettede prøve måles på samme måde som enhver anden standard.
      2. Når du bruger AXO Dresden standard ¹⁵, omdøbe filen for at være "axo_std.mca". For en 1 element detektor, kun én fil er påkrævet og skal ende med ".mca". Men hvis en 4-kvadrant detektor blev brugt, skal der være fire standard filer slutter med ".mca0" gennem ".mca3".
      3. Hvis ved hjælp af National Institute of Standards and Technology (NIST) standarden enten 1833 eller 1832 for tynd film stikprøver, navnet fil noget som NIST-standard er senere valgt manuelt i stedet henvises til inden for programmet.
         Bemærk: På dette tidspunkt kun en standard kan anvendes til montering på et tidspunkt. Hvis der er bekymring for en vis standard ikke dækker nok elementer, der er også indeholdt i prøven af interesse, er det imidlertid muligt at køre fittings med forskellige standarder hver gang. Data fra hver standard kan så sammenlignes for nøjagtighed.
      4. Hvis mere end én standard bruges, flytte enten den fit ".h5" filer fra hvert løb til en særskilt mappe mærket for hver standard eller omdøbe filer, for eksempel ender i "_ < standard bruges >"
      5. Hvis hverken AXO eller NIST standard er tilstrækkelig prøverne undersøges, måle nogen anden prøve som standard, så længe det indeholder en kendt mængde af elementer. I rækkefølge efter kort at vide for at bruge denne nyoprettede standard, skal du tilføje filen "maps_standardinfo.txt" til den overordnede mappe, "Fittingfiles". Denne fil er blevet medtaget i de supplerende oplysninger og kan tilpasses direkte til brug.
         1. Hvis du vil bruge den oprettede standard, Åbn filen standard info og Angiv filnavnet på den standard, som kan hedde noget slutter i ordentlig ".mca" formater, der skal bruges i linjen "filnavn:" (hvis du bruger flere kvadranter, Skriv kun navnet slutter på ".mca0"). Næste, en liste over de elementer, der er i standarden adskilt af kommaer i linjen "ELEMENTS_IN_STANDARD:".
         2. Ved at multiplicere tætheden af hvert element i standarden af den standard tykkelse, beregne datadensitet for hvert element i µg/cm². Vise disse værdier i orden med hensyn til rækkefølgen af elementerne i skridt 1.2.4.4. i linjen "vægt:", også adskilt af kommaer.
      6. Svare til antallet af filer med navnet "maps_fit_parameters_override.txt" for antallet af detektor elementer anvendes. Hvis kun én detektor blev brugt, fastholder fil format "maps_fit_parameters_override.txt".
      7. Hvis en fire kvadranter detektor blev brugt, kopiere og indsætte parameterfilen fire gange i den overordnede mappe og derefter omdøbe extensions at vifte fra ".txt0" til ".txt3".
      8. Tjek i filen "maps_settings.txt", det viser det korrekte antal detektor elementer i linjen "DETECTOR_ELEMENTS:" (det skal være enten 1 eller 4).

2. udfører montering

1. Køre kort
   1. Dobbeltklik på ikonet "maps.sav" er placeret på skrivebordet og derefter klikke på et vilkårligt sted på IDL pop op-vinduet for at fortsætte.
   2. Det første vindue efter åbning, kaldet "opstart: kort v < version anvendes >", skal du vælge "Tryk på at ændre overordnede dir" og vælg derefter mappen "Fittingfiles" oprettet tidligere.
   3. Vælg "OK og gå til konfiguration".
2. Generere et spektrum fra et repræsentativt kort til brug for montering
   1. Fra konfigurationsvinduet, som kan tilgås via "config + generere kort" → "generel konfiguration", ændring af beamline indstilling skal svare til beamline anvendes til målinger.
      1. Hvis målinger blev gennemført på en anden beamline, skal du kontrollere, hvilken indstilling i programmet er for en beamline mest svarer i parametre til den anvendte setup. Beamline muligheder for avanceret Photon kilde (APS) på ANL kan findes på https://www1.aps.anl.gov/Beamlines/Directory. Sammenligne visse parametre såsom opløsning og flux kan afgøre, hvilken ANL indstilling i konfigurationsvinduet er mest ligner beamline anvendt til målingerne.
   2. Vælg "Vælg mda filer (og register)" og mappen skal åbne til mappen "Fittingfiles", der indeholder alle nødvendige filer. Dernæst skal du vælge en ".mda" fil, der svarer til et repræsentativt kort (det bør være et kort af lignende sammensætning og måling parametre til fleste af de scanninger, der vil være passe bruger driftsparametre fra den repræsentative kort) og klik på "open" .
      Bemærk: Hvis det ikke åbne til den korrekte mappe, det kan ændres ved at vælge "forælder dir" og den relevante mappe.
   3. Skrive i det hændelse energiforbruget i keV.
   4. Vælg "start forarbejdning". Når processen er færdig, er opstået forskellige nye mapper i mappen og i mappen "img.dat", der skal være 1 eller 5 filer (afhængigt af antallet af detektorer anvendes) opkaldt ".h5".
      Bemærk: I tilfælde af en multi-element detektor, en h5 filen er genereret for hvert segment af detektor (f.eks filer ".h50" gennem ".h53" for en 4-element detektor) og én fil, der er gennemsnittet af de enkelte elementer.
      1. For at se visse elementer som forarbejdede, men ikke passer eller kvantitative, Skriv disse elementer i linjen "ELEMENTS_TO_FIT:" i filen "maps_fit_parameters_override.txt". Omfatte elementer med L - eller M-line toppe som "In_L" eller "Au_M" for eksempel. Ellers, forarbejdede filen kun indeholde kortoplysninger for de elementer, der var inkluderet i parameterfilen fit før behandling.
   5. For at få vist spektret, gå til "file" → "Åbne XRF billede - avg eller enkelt element kun" og Find i mappen "img.dat" filen genererede ".h5", der skal bruges til montering af de resterende kort, så vælg "Åbn".
      Bemærk: Der er en række forskellige måder at se den forarbejdede fil, som indeholder integreret spektret af de rå data eller summen af de individuelle spektre erhvervet på hver pixel inden for en kort, samt fuld kort over uegnet og ikke kvantificerede data. I de fleste tilfælde er det bedst at se dataene normaliseres til upstream ion kammer, som kan gøres ved at gå til den anden drop down menu til mappen MAPS og vælge "U.S.-IC".
      1. Se den genererede data ved at vælge "visning" → "multi-element view (M)", som vil vise de forarbejdede kort for hvert af elementerne.
         Bemærk: på dette punkt, dataene synes at have blevet kvantificeret, som de er repræsenteret i enheder af µg/cm², men de endnu ikke er blevet plads og udgør derfor ikke korrekt kvantificerede data. Når den faktiske montering er afsluttet, tilsidesætter filen ".h5", så er det ekstremt vigtigt at holde styr på hvilke filer har været rigtigt og der er ganske enkelt blevet konverteret til ".h5" format, som blev beskrevet i trin 2.2.4.
      2. Af hensyn til montering, se den integrerende spektrum, så gå til "visning" → "plot integreret spektrum". Figur 1 viser et eksempel på hvad en integrerende spektrum (i hvidt) vil ligne.
   6. Gemme dataene i integrerede spektrum til en ".txt" fil ved at vælge "generere output" → "eksportere rå integreret spectra serie (lang)". Luk vinduet.
      1. At gemme billedet, skal du bruge en screen capture program, som kort selv har ikke mulighed for at gemme billedet.
      2. For at replot data, plot eksporterede integreret spektrum data mod området energi ved hjælp af data visualisering software.
         Bemærk: Filen med det integrerede spektrum vil blive navngivet "intspec < beamline > _ < samplenumber >. h5.txt" og vil blive fundet i den overordnede mappe i mappen med navnet "output".
3. Forberede filen override til montering
   1. Gå til "Funktioner" → "spektrum værktøj" og derefter vælge ".txt" filen med navnet "intspec < beamline > _ < samplenumber >. h5.txt"
   2. Åbn filen med navnet "maps_fit_parameters_override.txt", der nu skal være placeret i de vigtigste bibliotek som beskrevet i trin 1.2.3., og Angiv indstillingerne for kendt som drøftet nedenfor. Denne fil bruges til alle situationer, uanset antallet af detektor elementer.
      1. I linjen "DETECTOR_ELEMENTS:", Sørg for, at antallet er passende antallet til antallet af detektor elementer bruges til at beamline.
      2. I linjen "ELEMENTS_TO_FIT:", indtaste hvilken som helst mangler forventede elementer, mærkning L og M linjer med suffikser "_L" og "App.02*_m". K-linjer er antaget som standard.
      3. I linjen "COHERENT_SCT_ENERGY:", Angiv den hændelse energi bruges. I de følgende to linier, omfatte øvre og nedre grænser for energi området, som kort vil passe til den eksakte hændelse energi. Normalt, en række ± 0,2 keV til ± 0,5 keV af den hændelse energi er tilstrækkelig.
      4. I linjen "MAX_ENERGY_TO_FIT:", indtaste en værdi ikke er mindre end 1 keV ovenfor den hændelse energi og ligeledes i linjen "MIN_ENERGY_TO_FIT:", indtaste en værdi ikke er mindre end 1 keV.
      5. Mod bunden af fil, der er valgmuligheder "SI_ESCAPE_ENABLE:" og "GE_ESCAPE_ENABLE:". Afhængigt af materiale af detektoren element anvendes (Si eller Ge), skal du indtaste en 1 for elementet bruges og en 0 for elementet ikke anvendes. Dette vil indarbejde fit en flugt faktor for elementet detektor.
      6. Angiv detektor elementnavne under linjer for 2.3.2.5. Det er meget vigtigt, at disse oplysninger er korrekte, ellers kvantificering bliver forkert, fordi det ikke gjorde henvise til de rette kanaler under processen.
         1. For at finde de relevante filnavne, åbne filen ".mda" ved at vælge "file" → "åbne mda fil" og derefter gå til "visning" → "multi elementvisningen (M)" og vælge på nederste højre side "Vælg elementer/detektorer" . Dette vil åbne et vindue, der indeholder alle de kanaler, der er gemt i filen ".mda". Afskrift og opklæbe oparbejde variabel (PV) navne for SRCurrent (f.eks. SRCURRENT:S:SRcurrentAI.VAL), opstrøms og nedstrøms ion kamre (f.eks. US_IC:2idd:scaler1_cts1. C og DS_IC:2idd:scaler1_cts1. B) og fire filer i de forløbne levende tid, den forløbne realtid, input tæller sats og output tælle hastighed (f.eks. ELT1:2iddXMAP:ElapsedLive, ERT1:2iddXMAP:ElapsedReal, ICR1:2iddXMAP:dxp1. InputCountRate, OCR1:2iddXMAP:dxp1. OutputCountRate). Endelig omfatte navngivning for airpath (f.eks. AIRPATH:0.0).
            Bemærk: Hvis det er uklart, hvilke navne at bruge, Spørg beamline videnskabsmand for bistand, som dette trin er afgørende for den procedure nøjagtighed.
   3. Gem filen.
4. At identificere passende parametre
   1. Prøv Tilpas ved at gå til "analyse" → "fit spektrum".
      1. Kontroller først, at energi området i toppen af vinduet er inklusive alle elementer af interesse. Generelt, er det nemmeste at bruge samme interval som angivet i trin 2.3.2.3.
         Bemærk: Næste, til den første montering, det er fint for den "ikke iters", eller antallet af gentagelser af montering, til nul. Dette vil øges senere i montering processen med at forbedre kvaliteten af pasformen.
      2. Endelig, nederst i vinduet hvor der står "passer BATCH af alle spektre", Vælg den tredje knap fra toppen mærket "med gratis E, FWHM, scatter, fast haler" for at køre den første pasform. I de vigtigste mappe oprettes en ny fil benævnt "average_resulting_maps_fit_parameters.txt".
   2. I venstre side af værktøjet spektrum, Vælg alle drop down menuer opkaldt "spec" at læse "ingen" med undtagelse af en, der skal læse "monteret". Dette viser kun fit overlejret på toppen af spektret, med den farvede linje, der repræsenterer pasformen og den hvide linje, der repræsenterer de målte frekvenser henholdsvis. Fra dette billede, kan det blive klart, at visse store toppe ikke overlapper meget godt med spektret eller endda at pasformen ikke indeholder et højdepunkt på alle hvor spektret viser klart en. Hvis dette er tilfældet, skal ændringerne foretages i parameterfilen fit.
   3. Starte ved hjælp af funktionen "tilføje" → "element" og (+) og (-) tegn i bunden af den spec værktøj til at søge efter forsvundne elementer. Dette kan gøres ved foring op energi linjer med toppe, at pasformen ikke synes at medtage.
   4. Hvis det ikke er helt klart hvad elementer kan mangle, køre fit med et større antal gentagelser at forbedre fit og hjælpe med at belyse, hvilke forbedringer stadig skal gøres. Dette kan gøres ved at ændre i vinduet "spec Tilpas" option "nej af iters". Normalt vil laver mindst 50 gentagelser forbedre fit betydeligt nok sådan at andre nødvendige forbedringer mere let kan identificeres.
   5. Tilføje identificerede mangler elementer i filen "maps_fit_parameters.txt" (Bemærk: ikke "average_resulting" fil nævnt før), og Gem filen.
      Bemærk: Hvis der stadig synes at være nogle toppe ikke medregnes i montering, det er muligt der er elementer med bunke ups. Et element bunke op opstår når to XRF fotoner (ofte fra de samme element med samme energi) strike detektoren på samme tid, der læses som en foton med en energi, der er summen af de to oprindelige fotoner.
   6. For at søge efter og inkludere harmonikasammenstød elementer, skal du bruge den samme procedure som i 2.4.3, men i stedet ved at vælge "Tilføj" → "element + pileup". Når bunke-ups er identificeret, Tilføj element kombinationer til linjen "ELEMENTS_WITH_PILEUP:" med de elementer, der indgår i en harmonikasammenstød adskilles af understregningstegn (f.eks. Si_Si for en silicium-silicium harmonikasammenstød) eller Si_Cl for et harmonikasammenstød Si og Cl fotoner.
   7. Evaluere de forgrenede nøgletal af L-line elementer. De fleste K-line elementer er inkluderet i parameterfilen fit allerede, og disse er stort set præcis og citeret i litteratur ^16,17. L-linjer, men skal ofte forbedres, som de er blevet fundet for at variere med excitation energi ¹⁴. I øjeblikket, er der ingen sådan procedure for M-linjer.
   8. Kig på L-line elementer behov for forbedret forgrening nøgletal, begge i afsnittene "BRANCHING_FAMILY_ADJUSTMENT_L:" og BRANCHING_RATIO_ADJUSTMENT_L: ".
      Bemærk: "BRANCHING_FAMILY_ADJUSTMENT_L:" beskriver de tilgængelige energi niveauer L1, L2, L3, der afhænger af den hændelse energi. For eksempel, hvis L1 > hændelse energi > L2, derefter 0, 1, 1 bør anvendes til de respektive justeringsværdierne.
      1. Hvis du vil justere familien forgrening, starte med at oprette individuelle linjer formateret med elementet og derefter tre 1.» Sørensen, som vist nedenfor.
         BRANCHING_FAMILY_ADJUSTMENT_L: In_L, 1., 1., 1.
         BRANCHING_FAMILY_ADJUSTMENT_L: Pb_L, 1., 1., 1.
      2. Justere disse tal for at flytte nøgletal med de maksimale intensiteter tilhører hver gruppe i forhold til hinanden i et forsøg på at bedst passer til intensiteten af fit til peak intensiteten af den integrerede spektrum.
         Bemærk: "BRANCHING_RATIO_ADJUSTMENT_L:" alternativt beskriver hver enkelte L-skallen overgang, hver med en unik energi. Forgrening forholdet ændres værdien med henvisning til litteratur-indkøbt værdien indlejret i programmet kort ved at multiplicere de to værdier.
      3. At tilpasse disse værdier, danne en sammenligning af højden om referencelinjen (blå, gul eller lyserød som regel, afhængig af de forgrenede familie) observeret gennem funktionen "Tilføj" → "element" og den faktiske tophøjde og derefter beregne de forgrening forholdet fra uslebne skøn.
         Bemærk: For eksempel, hvis linjen L_B1 er repræsenteret dobbelt så højt som den faktiske peak vises, derefter en forgrening forholdet til denne linje bør være 0,5% eller 50% af værdien litteratur.
   9. Gem filen fitparameters og Gentag trinene starter med trin 2.4.2 indtil pasformen synes at være rimelig. Når pasformen synes at være inden for rimelighedens, køre montering endnu men med mindst 10 k gentagelser.
      Bemærk: Dette er gjort fordi under kvantificering proces, er det ikke muligt at ændre antallet af gentagelser anvendes. Derfor sikrer øge antallet af gentagelser i denne fase af processen, at oplysningerne i den gennemsnitlige resulterende fit parameterfilen, som er opdateret med hver passer forsøg og senere ansat for kvantificering procedure, er så nøjagtige som muligt.

3. Kør montering

1. Omdøbe filer
   1. Som filen "average_resulting_maps_fit_parameters_override.txt" er opdateret med hver montering, skal du bruge denne fil til den faktiske montering, der vil blive anvendt på alle de ".mda" filer, der har brug for kvantificering. Først, skal du omdøbe filen "maps_fit_parameters_override.txt", der blev brugt til montering som "maps_fit_parameters_override_input.txt". Derefter omdøbe filen "average_resulting_maps_fit_parameters_override.txt" som "maps_fit_parameters_override.txt".
   2. Hvis bruger en 4-element detektor, kopiere og indsætte filen nyligt navngivne "maps_fit_parameters_override.txt" for at oprette fire yderligere filer, og derefter ændre filtypenavnet i hvert at de hedder "maps_fit_parameters_override.txt0" gennem "maps_fit_ parameters_override.txt3 ".
2. Opret konfigurationsfil
   1. Gå til "config + generere kort" → "generel konfiguration og generere kort" og ændre indstillinger som i begyndelsen af proceduren for at afspejle opsætningen måling.
   2. Vælg den anvendte beamline eller repræsentative beamline og kontrollere "Brug montering".
   3. Klik på "Vælg mda filer (og register)" og vælg alle ".mda" filer at være fit fra mappen "mda". Disse filer kan have føjet til mappen tidligere taktfast 1.2.3.), men hvis ikke, de kan kopieres og indsættes i mappen på dette tidspunkt.
   4. På den højre side af vinduet, ved hjælp af (+) og (-) tegn til at flytte højre og venstre, rulle gennem elementerne og afkrydse dem, der er indeholdt i parameterfilen fit, der skal bruges for montering.
      1. Tilføj elementer mangler fra dette vindue ved at kontrollere off en kasse med et ubrugt element, og derefter omdøbe element i feltet "ROI navn", herunder "_L" eller "App.02*_m" lige som det er skrevet i parameterfilen fit. Ud over omdøbning elementet, Indtast energi til center holdning på linje med den højeste energi (dvs. Hvis skaber en fane til In_L, Angiv værdien for i_Lα1 energi) fra litteratur.
         Bemærk: En nem måde at finde denne værdi er ved hjælp af programmet Hefaistos, som kan downloades online som en del af pakken "Demeter med jordbær Perl" som kan findes i øjeblikket på https://bruceravel.github.io/demeter/ ¹⁸. En anden mulighed er at hente X-ray data hæftet fra den side http://xdb.lbl.gov/. I programmet Hefaistos er det muligt at vælge et element fra den periodiske tabel, og rul ned for at finde den rette energi (Bemærk enhed forskellen mellem Hefaistos og kort).
   5. Også check ud boksene for "s_i", "s_e", "s_a", "TFY" og "Baggr".
   6. Når alle ændringer er foretaget, skal du vælge "Skriv indstillingerne til config fil" i øverste højre hjørne. Filen kan hedde noget, men skal afsluttes i forlængelse ".cfg" og skal placeres i de vigtigste mappe, "Fittingfiles". Denne fil vil gemme alle de indstillinger, der er angivet i trin 3.2.) til fremtidig brug.
      Bemærk: Hvis du vælger "læses indstillinger fra config fil" tillader brugeren at åbne filen, der indeholder de gemte fit indstillinger igen i fremtiden. Derudover kan de gemte indstillinger ændret og opdateret ved åbning af en ".cfg" fil, indtaste ændringerne og derefter vælge "Skriv indstillingerne til config fil" endnu engang.
   7. Endelig, hvis anvender NIST-standarden (1832 eller 1833), klik på "NBS" for den korrekte standard og vælge den standard fil, der skal bruges for montering.
3. Anvende montering
   1. Vælg start forarbejdning. En række kasser vil pop-up, én for hver standard element, der er passer (afhængigt af antallet af detektor elementer bruges). Dette vil dog ikke ske, hvis en standard NIST-eller AXO bruges.
      Bemærk: Afhængigt af antallet og størrelsen af filerne ".mda" at være fit, programmet kan tage alt fra 30 minutter til timer at fuldføre.

4. kontrollere pasformen

1. Åbn filer for monteret spektrene ved at gå til "file" → "Åben XRF billede - avg eller enkelt element kun" og vælg under mappen "img.dat", en af de ".h5" filer, der er blevet oprettet.
2. Efter samme procedure som beskrevet i trin 2.2.5.1, åbne visningsvinduet multi-element og normalisere dataene til upstream ion kammer.
   1. For at vælge, hvilke elementer/kanaler vises, bruge drop-down menuerne til "# billeder X:" og "# billeder Y:" at vælge dimensionerne af kort der skal vises. Dernæst skal du vælge "Vælg elementer/detektorer" og en pop-up-menu vises afkrydsningsfelter for alle de kanaler, der er indeholdt i filen fit ".h5".
3. Kontrollere, at værdierne for de elementer, der er kendt for at være i prøven, der giver mening. Et skøn for koncentrationen kan beregnes, hvis prøven tykkelse er kendt. For at beregne, skal du bruge følgende ligning:
   Koncentration = elementært tæthed × prøve tykkelse
   Bemærk: For eksempel, et skøn over koncentrationen af kobber i en 2 µm tykt CIGS solar celle er omkring 18 µg/cm². Sammenligne det med værdierne for kobber i figur 2, kan det ses at vurdering er på den nederste ende, men at kvantificeringen af de rigtige størrelsesorden.
4. For at kunne klikke sig igennem flere scanninger, der har været plads, gå til "file" → "Opdater liste af aktuelle filer fra bibliotek". Dette vil placere alle filer i mappen "img.dat" i den tredje rullemenu fra venstre side af vinduet kort.
5. Hvis du vil eksportere dataene til en regnearksfil eller en Igor fil, Vælg "gøre kombineret ASCII-filer af kort" eller "gøre kombineret IGOR filer af kort" til at eksportere data til hver aktuelt valgte kanal bliver vist i vinduet. Derfor, for at eksportere data i alle kanaler, først vælge nok rækker og kolonner for antallet af elementer og detektorer, der vil blive set på og eksporteret og klik derefter på "Vælg elementer/detektorer" for at vælge dem. Hvis det er ønskeligt, at hver af de kanaler, der er gemt som separate filer, bruge indstillingen "tjene separate..." for den pågældende filtype.
6. Hvis du vil eksportere data til et parti af filer, gå til "file" → "opdateringslisten med nuværende filer fra Directory". Dette vil vise alle filerne i mappen "img.dat". Derefter, at have valgt elementerne, der skal eksporteres, mulighed "eksport kombineret (separat) ASCII-filer af kort" vil generere regnearksfiler til alle ".h5"-filer i mappen.
   Bemærk: De eksporterede data vil blive gemt i mappen "output" i rodbiblioteket.

Representative Results

Et eksempel på korrekt montering resultater kan ses i følgende tal. For det første, i figur 1 er vist en direkte sammenligning mellem en dårlig pasform og en god pasform for den integrerende spektrum. Den dårlige pasform er oprettelig ved både at sikre ingen elementer er savnet, for eksempel kobber, som har en klar top i figur 1(venstre), men indgår ikke i pasformen, og justere de forgrening forhold mellem linjerne L og K at forbedre nøjagtigheden. Figur 2 viser i stedet en sammenligning mellem element-kanaler før og efter montering. Den første mærkbar forskel er enhederne for værdier ændres fra "rå" til "ug/cm ^ 2", tyder på, at dataene er blevet kvantificeret. Derudover skal nummerserier justeres med dem, der forventes fra den foreslåede beregning i afsnit 4.2. Disse værdier bør generelt ikke gå til nul. Hvis de gør, er det næsten altid et tegn på at der er en fejl i montering.

Både jern og kobber kanaler kan ses både før og efter montering. Ud over observere værdiændringer, det er også tydeligt at billederne er bedre løst og de striber, der vises i de rå data er væk efter montering. Denne opløsning stigning kommer som følge af peak deconvolution udført af montering til adskillelse af grundstoffer med overlappende toppe. Det er blot en af fordelene ved montering og kvantificere data, giver mulighed for mere præcist kvalitativt og kvantitativt analysere fluorescens data. I det eksempel af en CIGS solcelle er en af de egenskaber, som forskerne er interesserede i fordelingen af de tre kationer, kobber, indium, og gallium, hele enheden. Statistisk forskning har gjort for at undersøge ændringer i deres koncentrationer inden for korn og korn grænser ¹⁶. Sådan undersøgelse kræver den forbedrede opløsning inden for kortet, så grænserne mere nemt kan identificeres ved hjælp af et vandskel teknik. Derudover giver har kapacitet til at studere korrelation og anti-korrelation af elementer en outlook på prøve homogenitet og hvordan man kan forbedre den.

Mens de kvantificerede data kan nu bruges til at relatere elementært koncentrationer, er montering procedure ikke perfekt. Der vil altid være en vis fejl indført fra de forskellige procedure trin, herunder, men ikke begrænset til, kvaliteten af pasformen, udvælgelse, matrix homogenitet, måling og ekstrapolering af standarden, og indflydelse andre faktorer såsom sekundære fluorescens og prøve tykkelse variation, der ikke er taget i betragtning af kort. Disse fejl kan minimeres ved at vælge en ensartet standard med flere fælles elementer med prøven og forbedre forgrening nøgletal så meget som muligt, dog bemærke, at nogle af disse, såsom kontrol fit kvalitet, er systematiske fejl, der er svært at udrydde helt. Selv om det ikke er muligt at sætte direkte tal fejlen opstår, vil købte standarder give en fejl skøn for koncentrationerne af de elementer, der er ofte ganske høje og bør overvejes, når de forsøger at analysere og udbrede fejl.

Korrigere data yderligere for visse spørgsmål såsom tykkelse variation, beam dæmpning og sekundære fluorescens kan medvirke til at reducere fejl endnu længere. Metoder kan gøre sådanne korrektioner er beskrevet i afsnittet diskussion.

Figur 1. Demonstration af før (venstre) og efter (til højre) er foretaget korrekt justeringer til montering-fil til at producere en præcis montering (vist med grønt) af den integrerende spektrum (vist i hvid) og senere, for at konvertere raw tæller til µg/cm² præcist. To almindelige typer af fejl er cirklet i litra a: den røde cirkel identificerer et manglende element, i dette tilfælde Cu, og den gule cirkel identificerer et problem med de forgrening nøgletal for linjen In_L. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2. Demonstration af før (øverst) og efter (nederst) montering og kvantificering af fluorescens kanaler af interesse. Mest bemærkelsesværdige er ændringen i enheder fra "rå" til "ug/cm ^ 2". De kvantitative værdier for jern og kobber i en 2 µm tykt CIGS solar celle på en 500 µm tykt rustfrit stål substrat er på rækkefølgen af 1000 og 100 µg/cm².

Discussion

Tallene viser betydningen af montering af data ved hjælp af denne procedure. Figur 1 (højre) og 2 (nederst) viser et repræsentativt resultat, som skulle opstå fra en korrekt montering. Hvis der er en utilstrækkelig passer, integreret spektrum billedet ser mærkbart ud og den resulterende kvantificerede data vil have fejl i det, selv om det vil være svært at finde i de fleste tilfælde. For visse prøve typer som standard ikke er repræsentant for elementer i stikprøven, navnlig idet prøverne ikke indeholder nogen af elementer i standarden, kvantificering bygger udelukkende på ekstrapolering af oplysninger for alle elementer i interesse. I en situation som denne vises montering at være nøjagtig når analyseret ved hjælp af integreret spektrum, dog efter kvantificering, værdierne vises dramatisk forkert. I denne situation bliver det nødvendigt at bruge en standard af kendte mængder, der mere svarer til prøven. Processen med at vælge og sammenligne standarder er godt påvist i en undersøgelse af slyngende mfl., som gjorde brug af NIST standard, samt nogle syntetiseret standarder, for kvantificering af biologiske prøver ³. Dermed, har forfatterne kunnet kontrollere hensigtsmæssigheden af hver standard og sammenligne de datadensiteter, der er produceret ved hjælp af hver standard for montering. Vigtigst, viser papiret reduktion af fejl, der er resultatet af at vælge en passende standard og oppositely, den kraftige indvirkning, som bruger den forkerte standard kan have på kvantificering.

Ud over at montering og kvantificere er der andre korrektioner, der kan gøres for at sikre en præcis fortolkning af kvantificerede data produceret af XRF. Et eksempel er beskrevet af West mfl. ²⁰, som bruger dæmpning beregninger af DeBoer ²¹ yderligere korrigere de kvantificerede data for tykkelse variationer og beam dæmpning i en multi-lag prøve. Artiklen bruger CIGS tyndfilm solceller i en case study for at vise betydningen af at anvende sådanne dæmpning korrektioner forud for formgivning konklusioner på de observerede koncentration variationer. Rettelsen løser, i en flerlags prøve med formodet tykkelse variation i lag, regioner før korrektion kan foreslå højere relative mængder af en vis element på grund af øget tykkelse snarere end øget elemental koncentration. Korrektionen også tegner sig for beam dæmpning af de indgående og udgående stråle i flerlags prøver samt selvstændig dæmpning af elementer inden for det specifikke lag af interesse. Dette er et eksempel på yderligere analyse nødvendig for nøjagtig kvantificering af X-ray Fluorescens mikroskopi data. Men korrektioner i ²⁰ er baseret på antagelser, der ikke holder af alle former for prøver, og yderligere korrektioner kan skal overvejes afhængig af prøvemateriale og strukturelle karakteristika.

Det er vigtigt at bemærke, at de rå og monteret data omfatter også tæller fra sekundære fluorescens opstår fra fluorescens fotoner af ét element at levere nok energi til at producere fluorescens fotoner af andre elementer med lavere bindende energier ^{21 ,22}. Isolering af primære fluorescens fotoner fra andre er ikke muligt ved montering program, resulterer i over - og under - quantification af visse elementer. Mere specifikt elementer med højere fluorescens energier giver energi til elementer af lavere bindende energi og er derfor ikke optalt af detektoren. I mellemtiden, atomer bliver ophidset af sekundære fluorescens fotoner kan medregnes mere end en gang fordi de først frigive fotoner på grund af den indfaldende stråle og derefter igen frigive fotoner fra de andre sample elementer. Data, derfor kræver yderligere behandling hvis disse interaktioner forventes for at have en betydelig indflydelse på kvantificeringen af elementer af interesse. I øjeblikket er den bedste tilgang til håndtering af sekundær fluorescens gennem modellering og estimering af udbyttet, som det er beskrevet i ²³. Oplysninger om den ordning, som sekundære fluorescens bliver betydelig og yderligere ligninger for estimation findes i ²².

Dette arbejde har vist de første trin er nødvendige for kvantificering af X-ray fluorescens data. Selvom processen stadig kræver mange forbedringer og problemer kan opstå, er specifikke for typen prøve studerede (halvledere, planteceller, humane væv, etc.), teknikken er en pålidelig metode til at udtrække meningsfuld kvantitative oplysninger fra den kvalitative rå data erhvervet fra XRF målinger.