Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

At opnå 3D kemiske kort ved energi filtreret transmissions Elektron Mikroskopi tomografi

Published: June 9, 2018 doi: 10.3791/56671

Summary

Dette papir beskriver en protokol for at opnå 3D kemiske maps ved at kombinere energi filtreret imaging og elektron tomografi. Den kemiske distribution af to katalysator understøtter dannet af elementer, der er vanskelige at skelne af andre billeddiagnostiske teknikker blev studeret. Hvert program består af kortlægning overlappede grundstoffer - henholdsvis fordelt ionisering kanter.

Abstract

Energi filtrerede transmissions Elektron Mikroskopi tomografi (EFTEM tomografi) kan give tre-dimensionelle (3D) kemiske kort af materialer på en nanometrisk skala. EFTEM tomografi kan adskille kemiske elementer, som er meget vanskelige at skelne ved hjælp af andre billeddiagnostiske teknikker. Forsøgsplan beskrevet her viser, hvordan du opretter 3D kemiske kort for at forstå de kemiske distribution og morfologi af et materiale. Prøven forberedelsestrin for data segmentering er præsenteret. Denne protokol tillader 3D distribution analyse af kemiske elementer i en nanometrisk prøve. Dog skal det bemærkes, at i øjeblikket, 3D kemiske kortene kan kun oprettes for prøver, der ikke er beam følsomme, da registrering af filtreret billeder kræver lange eksponeringstider til en intens elektronstråle. Protokollen blev anvendt til at kvantificere de kemiske distribution af komponenter af to forskellige heterogene katalysator understøtter. I den første undersøgelse, blev kemiske fordelingen af aluminium og titanium i titania-alumina understøtter analyseret. Prøverne blev udarbejdet ved hjælp af metoden swing-pH. I andet, blev den kemiske distribution af aluminium og silicium i silica-alumina understøtter, der blev udarbejdet ved hjælp af sol-pulver og mekaniske blanding metoder undersøgt.

Introduction

Funktionelle materialers egenskaber er afhængige af deres 3D parametre. For at fuldt ud forstå deres egenskaber og forbedre deres funktioner, er det vigtigt at analysere deres morfologi og kemiske distribution i 3D. Elektron tomografi1 (ET) er en af de bedste teknikker til at give denne information på nanometer skala2,3. Det består af roterende prøven over et stort kantede og optage ét billede på hvert kantede trin. Opnåede tilt-serien bruges til at rekonstruere volumen af prøven ved hjælp af matematiske algoritmer baseret på Radon transform4,5. At vælge grå niveauer i volumen hjælper til model prøven i 3D og kvantificere 3D parametre som partikel lokalisering6 og størrelse distribution7, pore position og størrelse distribution8, osv.

I almindelighed, er ET udført med en elektron mikroskop ved at vippe prøven til den maksimale mulige vinkel, helst mere end 70° i begge retninger. I hver tilt vinkel registreres en projektion af prøven danner en billeder tilt serien. Tilt serien er justeret og bruges til at rekonstruere volumen af prøven, som bliver segmenteret og kvantificeres. Fordi prøven ikke kan drejes fra-90 ° til + 90 °, har den rekonstruerede volumen en anisotrope opløsning langs ortogonale akse9 på grund af den blinde optagelse vinkel.

ET kan udføres i forskellige imaging tilstande. Lysfelt TEM tilstand (BF-TEM) bruges til at studere amorfe materialer, biologiske prøver, polymerer, eller katalysator understøtter med komplekse figurer. Billedanalyse er baseret på differentiering af de grå niveauer kendetegner tætheden af komponenter10 (en tætte komponent vil være mere mørkt end en lighter, dvs., mindre tætte komponent). High-angle ringformede mørke felt i scannetilstand TEM (HAADF-STEM) bruges til at analysere krystallinsk prøver. Signalet indeholder kemiske oplysninger som en funktion af atomnummer; en tung komponent i eksemplet vises lysere, en lysere en9. Andre tilstande, som Energy Dispersive X-ray spektroskopi (EDX), som indsamler X-ray udsendes af materiale11og energi filtreret tænkelig tilstand (EFTEM)12,13, er også i stand til at vurdere den 3D kemiske distribution inden prøven.

I EFTEM imaging, kan 2D kemiske kortene registreres ved hjælp af en TEM med en elektron energi spektrometer. Spektrometeret fungerer som en magnetisk prisme ved at sprede elektronerne som funktion af deres energi. Et billede er lavet af elektroner afhængigt af energi tabt fra interagere med en specifik atom. Hvis den samme 2D kemiske kort er beregnet på forskellige tilt vinkler, en tilt serie af kemiske fremskrivninger er opnået, kan der bruges til at rekonstruere 3D kemiske volumen.

Ikke alle materialer kan analyseres ved EFTEM tomografi. Teknikken er forbeholdt prøver med svage eller uorganiseret materialer. Ikke desto mindre, det kan bruges til at analysere lette elementer, som er meget vanskelige at skelne når ved hjælp af andre billeddiagnostiske teknikker. Derudover for at opnå pålidelig 2D kemiske maps, er tykkelsen af materialet forpligtet til at være mindre end den gennemsnitlige gratis sti af elektroner gennem den materielle14. På denne betingelse er at sandsynligheden for at have en enkelt elektron interagere med et enkelt atom størst. To metoder bruges til at beregne en 2D kemiske kort. Den første, og de mest brugte er den "tre-windows metode", hvor to filtreret energi windows registreres før ionisering kanten af elementet under analyse, og en tredje efter ionisering kant13. De første to billeder bruges til at anslå den baggrund, som er ekstrapoleres ved hjælp af en power lov på placeringen af den tredje vindue og trækkes fra det. Den opnåede billede er projektionen af 3D fordelingen af de analyserede grundstof i stikprøven volumen. Den anden metode kaldes "hoppe-ratio"; Det bruger kun to energi-filtreret billeder, én før og én efter ionisering kant. Denne metode er kvalitative, som det endelige billede beregnes kun ved udførelse af forholdet mellem disse to billeder, og ikke tager højde for baggrunden energi variation.

Ved at kombinere EFTEM med ET, kan den analytiske tomografi den filtrerede energi opnås. EFTEM tomografi og atom sonde tomografi (APT) er komplementære teknikker. I forhold til APT er EFTEM tomografi en ikke-destruktiv karakterisering analyse, der ikke behøver komplekse forberedelsen. Det kan bruges til at udføre forskellige beskrivelser på en unik nanopartikel. EFTEM tomografi kan analysere isolerende materialer, mens APT behov på den mindste laser bistand til at måle dem. APT kører på atomar skala, mens EFTEM tomografi udfører tilstrækkeligt med en lavere opløsning. EFTEM tomografi er relevant kun for prøver, der modstår beam nedbrydning under eksperimentet. For at registrere alle de filtrerede billeder på alle skrå vinkler, kan prøven blive udsat for elektronstråle så længe 2 h. Desuden, for at registrere et maksimalt kemisk signal i 2D kort, længere exposition varighed ved høj beam intensitet kan være nødvendigt. I sådanne forhold lider beam følsomme prøver drastiske morfologiske og kemiske ændringer. Derfor fastsættes en præcis måling af prøven følsomhed over for elektronstrålen før forsøget. Derudover er EFTEM tomografi resultatet af optagelse så mange Tomogrammer som nødvendigt for at bestemme den rumlige placering og arten af de grundstoffer, der er til stede i stikprøven. Ikke desto mindre kan EFTEM tomografi give vigtige oplysninger om 3D kemiske fordelingen for prøver, som katalysator understøtter, at give ny indsigt om modellering deres katalytiske ansøgninger.

I dag er det muligt at bruge dedikeret software, der kan vælge intervallet, der energi, post filtreres energi vinduet billeder, og Beregn kemikaliets kort på forskellige tilt vinkler. De giver mulighed for vippe stikprøven, sporing, fokusering og optager de filtrerede billede i EFTEM tilstand. 2D kemiske kortene kan beregnes, og derefter tilt-serien kan blive justeret, kemiske volumen beregnet ved hjælp af iterative algoritmer, og endelig serien kan være segmenteret og kvantificerede15,16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøvetilberedning

  1. Prøven i en morter og sprede det i alkohol eller destilleret vand; Anbring en dråbe af prøven på en mikroskopi gitter og lad det tørre.
    Bemærk: Prøver som silica aluminiumoxid eller titania aluminiumoxid kan være et pulver eller en ekstruderet materiale, og kan være knust og spredt i en løsning ved hjælp af ultralyd. Generelt for ET analyse er det vigtigt at prøve koncentration på nettet er lav, at undgå at prøve superposition og shadowing når vippe gitter på store vinkler. De 200-mesh mikroskopi gitre, der understøtter en film af holey kulstof eller kulstof, Lyng anbefales.
  2. Ved hjælp af en pipette, sætte en dråbe af en kolloid opløsning indeholdende fiducial markører over prøven. Absorbere eventuelle overskydende løsning og lad det tørre.
    Bemærk: De fiducial markører er godt kalibreret Au nanopartikler suspenderet i en løsning. De fiducial mærker kan også spredt over nettet før du tilføjer prøven. Som et eksempel, deponere hvis prøven er lavet af nanopartikler med lignende størrelser som de fiducial markører, fiducial markører over nettet for at adskille dem godt under data segmentering og kvantificering. De fiducial markører er holdning referencer bruges når justering af de hældende billeder.

2. optagelse af filtrerede Tilt serie billeder

  1. Med elektronmikroskop, finde en isoleret prøve midt i gitteret mikroskopi.
    Bemærk: I elektronmikroskop, X-aksen er langs prøveholderen, Y-aksen er vinkelret på prøveholderen og Z-aksen er langs elektronstrålen. Hvis du vil være i stand til at vippe prøve på den maksimale tilt vinkel, analysere en prøve ligger så tæt som muligt på X-aksen.
  2. Når prøven er godt positioneret, kontrollere den prøve kemiske sammensætning. Udføre en kemisk analyse ved hjælp af energy dispersive X-ray massespektrometri (Red.), eller elektron energi tab massespektrometri (ål) ved at fokusere strålen over den valgte stikprøve, og optage et spektrum. Hvis prøven indeholder de kemiske elementer af interesse, bevæge sig væk fra det og køre de næste test på en nærliggende repræsentativt udsnit.
  3. Kontrollere elektronen stråle intensitet over prøven, bredden af energi vinduer af de filtrerede billeder, og exposition tidspunktet for hvert filtreret billede. Find det bedste kompromis for prøve mellem bom skader og det kemiske signal registreres i kemiske fremskrivninger12,13,17.
    Bemærk: For at optage den maksimale kemisk signal i de filtrerede billeder, bruge den maksimale stråle intensitet. Men en bestråling testen skal udføres før enhver analyse at kontrollere, om eventuelle ændringer til prøven fra effekten af elektronstrålen. For at gøre dette, skal du beregne elektron dosis under optagelsen af tilt-serien. Derudover kan en lethed test gøres ved at sammenligne et billede før og et billede efter forsøget.
  4. Bruge tilstanden EFTEM af optagelse software til at beregne en 2D kemiske kort ved hjælp af metoden tre-windows, og kontrollere, hvis et tilstrækkeligt kemisk signal registreres.
    Bemærk: Softwaren registrerer tre filtreret billeder; de to første bruges til at vurdere baggrunden fra den tredje billede.
    1. I softwaren, skal du vælge grundstof under undersøgelsen og dens ionisering kant. Angiv bredden af vinduet energi og eksponeringstiden. Optage billeder og derefter beregne de kemiske kort ved hjælp af en power lov til at udtrække baggrunden. I en 32-bit miljø med 512 x 512 pixel er det mindste signal ca 300-400 tæller pr. pixel registreres i en kemisk billede.
  5. Sæt prøven på eucentric højde og check minimum tilt vinkel, dvs.,-70 ° eller derunder, og maksimum tilt vinkel, dvs., + 70 ° og derover.
  6. Bringe prøven analyseres tilbage ind i Se og optage et billede (dette vil være billedet før erhvervelse). Derefter registrere den skrå række filtreret billeder ved hjælp af passende software.
    Bemærk: Den dedikerede EFTEM tomografi plugins kan optage flere tilt serien på samme tid. Det betyder, at flere successive billeder på hver tilt vinkel, kan registreres. Det første billede kan være en filtreret billedet centreret om nul-tab, og dette billede er et typisk-lysfelt billede. Før kant billeder og derefter efter kant billede af det første grundstof er efterfulgt af pre kant billeder og efter kant billedet af den anden grundstof. Træk af de kemiske elementer er givet ved deres valgte ionisering kant.
    1. I optagelse EFTEM tilt serie software, vælg bredden på hver energi vindue og dens eksponeringstid og derefter maksimum og minimum tilt vinkel og den kantede skridt på tilt. For at et kompromis mellem antallet af billeder i tilt serie og den samlede eksponeringstid prøve at elektronstrålen, bruge en tilt trin 4°, dvs., 51 udskriftsbilleder pr. tilt serien mellem ± 71 °; men en mindre tilt trin kan vælges hvis prøven ikke nedbrydes under bjælken.
    2. For hvert grundstof, registrere tre tilt serie af filtreret billeder til at beregne den kemiske projektion ved hjælp af metoden tre vinduer. For at kvantificere den naturlige drift af prøven i hver tilt vinkel mens du optager de filtrerede billeder (prøven kan forblive på visse tilt vinkler for mere end 1 min), kan det første billede være en filtrerede billede på nul tab signal, således at den sidste optaget billede vil være en unfil alvor billede dannet af alle elektroner på alle energier. Disse to billeder kan bruges til at beregne tykkelsen kort af prøven. Derfor, for at observere den kemiske distribution af to elementer i hver tilt vinkel, optage 7 filtreret billeder (1 nul tab, 3 for det første grundstof, 3 for den anden grundstof) og 1 ufiltreret billede (i alt 8 tilt serie registreret).

3. justering og genopbygning af Tilt-serien

  1. Juster de tre filtrerede billeder svarende til hvert grundstof for hver tilt vinkel, og beregne den kemiske kort ved hjælp af en specialiseret EFTEMTJ15,18 plugin for ImageJ. ImageJ software, bruge stien fil | Åben og vælge de filer, der svarer til filteret billeder tilt serien. Åbne alle tre filtrerede tilt serie: to pre kant og én post kant.
    1. Åbn den dedikerede EFTEMTJ plugin. Klik på + | Billede eller stak og vælg tilt-serien, der allerede er åbne.
    2. I tabellen vises, blev fyld energi Skift for hver tilt serie, dvsenergien som hver vippe serien indspillet. Også fylde den spalteformede bredde, dvs, vinduerne energi. Udfylde "Eksponeringstid" for hvert filtreret billede. Check for alle tre tilt serien kortlægning. Klik på næste.
    3. Valgte det første billede som referencebillede og derefter klikke på Anvend. Klik på næste: et eksempelbillede af den foreslåede linjeføring vises. Visuelt kontrollere, at de 3 billeder optaget på den samme tilt vinkel er godt overlejrede (ingen Skift mellem billederne skal overholdes).
      Bemærk: Denne protokol blev udført på version 0.9 af EFTEMTJ plugin. I dette øjeblik optaget de filtrerede billeder at den samme tilt vinkel er justeret.
    4. Vælg i vinduet EFTEMTJ billeder svarende til baggrunden og kemiske kant. Vælg modellen af signal udvinding som magt, og klik derefter på Opret kort. ImageJ, Vælg fil | Gem og finde vej til at gemme denne sidste fil.
      Bemærk: Tilt række kemiske kortet er opnået. Flere oplysninger om, hvordan du bruger plugin er tilgængelige online.
    5. Gentag trin 3.1 for alle kemiske tilt serien.
  2. Juster nul-tab tilt-serien ved hjælp af en version af Imod software19 udgivet i 2009 til at justere tilt-serien. Softwaren giver mulighed for anvendelse af de beregnede tilpasninger på en tilt-serien til en anden tilt serie.
    Bemærk: Justering software skriver på den diskfiler indeholdende alle de forskydninger, anvendes på hvert billede. Den tilpasning procedure ved hjælp af Imod20 er gennemgået andre steder og er ikke omfattet af denne artikel.
  3. Bruge justeringen beregnes for nul-tab tilt-serien, og anvende det tidligere beregnede kemiske tilt-serien.
    Bemærk: I denne softwareversion, det er muligt at ændre den nul-tab tilt serie fil med en kemisk tilt serie fil ved at bevare navnet på fil og anvende de tidligere beregnede forskydninger. Ellers for software, fil vil have det samme navn, det samme antal billeder af samme størrelse, men det vil ikke indeholde nul tab billeder men kemiske billeder.
  4. Kvantificere drift af cross korrelerede det første optaget billede, dvs., center på nul tab, og den sidste (ufiltreret billedet). Prøven kan tilbringe flere sekunder på hver tilt vinkel, mens alle de filtrerede billeder er optaget. I løbet af denne tid driver prøven naturligt en lille mængde.
    1. ImageJ software, klik på på fil | Åbn og vælg nul tab justeret vippe serie, så åbne kemiske kort justeret tilt serien.
    2. Klik på Edit | Farve | Sammenflet kanaler. Vælg den fil, der svarer til nul tab for den røde farve, den første grundstof for grøn og den anden grundstof for blå, i nævnte rækkefølge. Uncheck Oprette sammensatte og kontrollere Holde kildebilledet. En stak er lavet på hver tilt vinkler for alle de optagne billeder.
    3. Klik på Plugins | Juster RGB planer21. Rød er referenceafbildningen. Vælg grøn og bruge pilene, overlapper det over den røde ene. Klik på næste, og Gentag for alle vinkler.
    4. Klik på Edit | Farve | Split kanaler og RGB-stakken vil blive opdelt i tre stakke: rød svarer til nul tab, og grønne og blå svarende til de kemiske maps med drivgarn korrigeret. Klik på fil | Gem at gemme tilt-serien.
  5. Klik på Plugins | Tomoj22,23 at vælge filen belastning vinkel form. Fordi alle tilt serien er allerede afstemt, navigere direkte til genopbygning. Beregne mængden af nul-tab samt de kemiske diskenheder, ved hjælp af genopbygning algoritmer som kunst, SIRT, OS-kunst, osv.
    Bemærk: Det anbefales at bruge en iterativ algoritme for genopbygningen af de kemiske diskenheder. Ved hjælp af denne software, er det muligt at rekonstruere de diskenheder ved hjælp af GPU.
  6. Når alle bind er beregnet, skal du bruge indstillingen Sammenflet kanaler til at anvende forskellige farver til de fremkomne mængder og overlapper dem i en enkelt enhed til at hente 3D kemiske kortet.

4. 3D-modellering og kvantificering

  1. Binarize den rekonstruerede ZL lydstyrke ved at vælge det tilsvarende grå niveau, hvilket vil være den volumen er fremstillet i hvid (i 8 bit, intensiteten er 255) og sort (i 8 bit, intensiteten er 0). I ImageJ, skal du bruge indstillingen "Vælg tærskel". Markere alle pixel svarende til prøven (i en BF image, de mørkere pixel svarer til prøvens masse) og gøre en volumen, hvor prøven er hvid og vakuum er sort.
    Bemærk: Nul-tab volumen giver morfologiske oplysninger for den analyserede prøve, dvs., formen og størrelsen af stikprøven.
  2. Opdele den binære volumen af nul tab af 255, og opnå en volumen, hvor intensiteterne inde i prøven er 1 og andre steder er 0. Dette er den normaliseret volumen.
  3. Formere den normaliserede volumen af hver af de beregnede kemiske bind (skridt 4.1) at opnå en volumen, hvor intensiteterne inde i stikprøven svarer til den kemiske information, og disse intensiteter er 0 andetsteds.
    Bemærk: Den kemiske information er afledt af prøven og derfor alle artefakter er udelukket.
  4. ImageJ, beregne histogrammet af den kemiske volumen og importere værdier af histogram i en tabulere software.
    1. I programmet krydstabulere slette linjen med en intensitet heist antal 0 (denne linje svarer til vakuum).
    2. I en ny kolonne, beregne andelen af hver intensitet i volumen. Opdele antallet af hver intensitet med summen af alle tæller, og ganger det med 100.
    3. I en ny kolonne, beregne andelen svarer til intensiteten af den samlede mængde af trinvist at tilføje den aktuelle andel tæller, beregnet tidligere med de tidligere andel.
      Bemærk: I de kemiske bind, de høje intensiteter svarer til den kemiske information. Men intensiteten er lav og støj i den høje volumen. Tærsklen, der er oprettet ved at vælge de højeste intensiteter.
    4. At kende den relative koncentration af grundstof i prøven beregnes fra ål spektrum, Vælg heist intensiteter. Starte fra 255 (hvis eksisterende) og mindske intensiteten svarende til grundstof koncentration.
    5. For at finde den laveste intensiteten svarende til den kemiske koncentration, navigere til den kolonne, hvor andelen af tilsvarende intensitet blev beregnet i det totale volumen, 100% svarer normalt til intensiteten af 255. Fra 100%, uddrag den beregnede relative andel af grundstof (fra ål spektrum): resultatet vil svare til minimum intensiteten i tærsklen. På denne måde opnås kemiske binarized bind, hvor voxels svarer til de kemiske grundstoffer med intensiteten af 255 og resten er 0. Gentag proceduren for det andet element og få to kemiske binarized bind.
  5. Overlapper de binarized kemiske diskenheder ved hjælp af indstillingen Sammenflet kanaler og tildele en anden farve til hvert element volumen til at gøre en RGB-volumen.
    Bemærk: Ved overlapper de to binarized kemiske bind, voxels, der er overlejret, som tilhører begge grundstoffer (kommune voxels) og voxels, der ikke tilhører nogen af de kemiske grundstoffer (gratis voxels) er fremhævet. For eksempel oprette de binarized kemiske bind i røde og grønne kommune voxels, som er gul.
  6. Omdanne RGB volumen i 8 bit volumen; farverne vil have forskellige grå intensiteter. Brug indstillingen tærskel, vælge den voxels, der tilhører begge kemiske arter (gul i RGB-volumen). Ved hjælp af indstillingen samme tærskel, vælg derefter de voxels, der ikke tilhører kemiske grundstoffer (de har lavere støtteintensiteter end voxels valgte tidligere). Vælg ikke vakuum med intensitet 0.
  7. Normalisere mængden af kommunen voxels og mængden af den frie voxels. Formere den gratis voxels mængder af de kemiske diskenheder og derefter trække andre kemiske volumen.
    Bemærk: Dette beregnes grundstof i hver voxel, der har den højeste intensitet.
  8. Tilføje bind af de voxels, der tilhører og den voxels, der ikke hører til omfanget af de kemiske grundstoffer, der har den højeste intensitet i disse voxels.
    Bemærk: På denne måde, hver kommune voxel eller gratis voxel er differentieret og afsat til omfanget af de kemiske grundstoffer, der har den højeste intensitet i at voxel. Dette kan udføres af indstillingen "Billede calculator":

Equation 1

  1. For at opgøre antallet af voxels, der udgør prøven, importere de segmenterede diskenheder til specialiserede overflade rendering software, som en 3D Slicer. Multiplicer volumen af en voxel i nm3 at opnå volumen af prøven i 3D.
  2. Brug indstillingen Find kanter , kvantificere voxels danner overfladen af prøven, og formere sig med området voxel i nm2 at få overfladen af prøven.
  3. Beregne den specifikke overfladeareal ved at dividere overfladen af prøven ved massen af prøven.
    Bemærk: Massen af prøven kan estimeres ved hjælp af den teoretiske tæthed af prøven. Den specifikke overfladeareal beregnet ved ET er generelt 10 er mindre end den specifikke overflade beregnes af dedikerede metoder såsom N2 adsorption desorption.
  4. For at beregne pore størrelse distribution, brug binarized mængden af nul tab (BF volumen). Den binære volumen af BF genopbygning er forstørrede ved hjælp af 3D Toolkit/Morphological spile 3D plugin indtil alle porerne er dækket og derefter eroderet ved hjælp af den 3D Toolkit/Morphological erodere 3D så mange gange som forstørrede. Derefter multipliceres den fremstillede mængde den inverterede volumen af binarized BF volumen, til resultere i porerne distribution volumen, der kan visualiseres ved hjælp af en dedikeret overflade rendering software.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Et eksempel på anvendelsen af denne protokol er vist i reference13. EFTEM tomografi blev brugt til at analysere titania alumina katalysator understøtter. For at forbedre den katalytiske aktivitet af den aktive fase af MoS2 nanopartikler, i applikationer som hydrodesulfurization (HDS), er det vigtigt at titania er fremtrædende på support overflade og i kontakt med den aktive fase. Det er kendt, at titania har en mindre specifikke overflade end aluminiumoxid. Formålet med undersøgelsen er at konstruere titania understøttes af aluminiumoxid (og således skabe en forbedret specifikke overflade), og derefter at teste det som en katalysator støtte. Her, bruges EFTEM-tomografi til at analysere titania-alumina heterogene katalysator støtte udarbejdet af swing pH metode. I dette studie analyseres tre prøver af forskellige titania koncentrationer. Prøve 1 består af 50% aluminiumoxid og 50% titania, prøve 2 er sammensat af 70% aluminiumoxid og 30% titania og prøve 3 består af 90% aluminiumoxid og 10% titania. I figur 1a-1 c, vist tværsnit af kemiske kortene parallelt med XY. Grøn repræsenterer den kemiske fordelingen af titania, rød repræsenterer fordelingen af aluminiumoxid og blå repræsenterer vakuum. De kemiske mængder beregnes ud fra tilt serien med metoden tre-windows. Den filtrerede energi vinduer var som følger: 10 eV bred, centreret på 59, 70 og 81 eV, har en exposition tid af 3 s for Al L23 kant beliggende på 73 eV og 30 eV bred, centreret på 415, 445 og 482 eV, at have en optagetid 15 s for Ti L23 kant beliggende på 455 eV. Position samt bredde og eksponeringstid for de filtrerede billeder blev valgt for at opnå en kemisk kort med en påviselig kemisk signal. Tilt-serien blev indspillet mellem-71 ° og 71 ° med en tilvækst på 4 ° i den Saxton tilstand24 i omkring 119 min.

Det konstateredes, at titania i en høj koncentration er danner klynger, der er indlejret i aluminiumoxid. Modeller vises i figur 1 d (prøve 1), 1e (eksempel 2) og 1f (eksempel 3). I modellerne, titania vises med blåt og alumina vises i gennemsigtig rød. Disse modeller blev kvantificeres ved hjælp af kemiske fordelingen af titania og aluminiumoxid på overfladen af prøverne. Det konstateredes, at uafhængigt af andelen af titania og aluminiumoxid i stikprøven, overfladen af prøven er dækket med titania i en andel på 30%. Men den specifikke overflade af prøven er stigende, mens titania andelen er faldende for at nå de specifikke overflade af aluminiumoxid. For eksempel 3 indeholder kun 10% titania, et lag af omkring 10 nm tykke er dannet på overfladen af prøven. Også, den kemiske kort er dannet af overlappende tre bind: silica i rød, titania i grøn, og nul tab i blå. Blanding mellem rød og grøn er gule voxels. De gule voxels er tilskrevet i modellen elementet har den højeste intensitet i at voxel. Dette er en begrænsning i den rumlige opløsning 3D kemiske kort, som er direkte relateret til den anisotrope i ET og opløsning af 2D kemiske kortene leveres af EFTEM. Analysen er korreleret med andre analytiske teknikker som f.eks X-ray fluorescens, X-ray photoelectron spektroskopi og N2 porosimetry. Det blev konkluderet, at forskellen mellem de specifikke overflader kunne spille en rolle i de katalytiske applikationer.

Som et andet eksempel er vist undersøgelsen detaljeret i17 . I denne undersøgelse analyserede vi en serie af silica alumina katalysator understøtter. Disse katalysator understøtter har et syreindhold leveres af blanding mellem aluminiumoxid og silica, danner et aluminiumsilikat. Målet med undersøgelsen var at kvantificere blanding mellem de to komponenter. Den eksperimentelle udfordring løj i, at L23 kanterne af Al og Si er meget tæt på 73 eV og 99 eV henholdsvis, og ionisering kanten af Al overlapper med ionisering kanten af Si. Under disse omstændigheder er er metoden tre-vinduet mindre nøjagtige til at udtrække den kemiske signal. For at differentiere de to signaler af Al og Si, blev metoden "R-forholdet" udviklet, detaljeret i reference12. Filtreret billeder tilt serien blev indspillet ved at vippe eksempelformular-71 ° til 71 ° med en tilvækst trin 4 ° i den Saxton tilstand i ca 83-104 min. Tre filtreret billeder blev registreret for at isolere signal af Larsen23 ionisering kanten af Si. Billederne var centreret på 59 eV, 70 eV og 81 eV, var 10 eV bred og eksponeret for 5 s. For signal svarer til L23 kanten af Al, kun to filtreret billeder blev indspillet, centreret på 99 eV og 110 eV, 10 eV bred, og udsatte for 12 s.

I denne undersøgelse analyserede vi en serie af fire prøver af Al og Si udarbejdet af forskellige metoder. Figur 2a er et tværsnit af det kemiske kort parallelt med flyet XY og model af den prøve, der tilberedes af metoden sol-pulver. Denne prøve blev termisk behandlet under damp, giver den anden prøve, hvis kemiske kort og model vises i figur 2b. Figur 2 viser de kemiske maps af den prøve, der tilberedes af mekaniske blanding. Fra denne prøve opnåede efter en termisk behandling under varmt damp, vi fjerde prøven, vist i figur 2d. Kemiske kort og modeller for aluminiumoxid er røde og silica er grøn, mens den forbedrede blå repræsenterer grænsen på overfladen mellem silica og aluminiumoxid. Den syre katalytisk aktivitet er givet ved blanding mellem aluminiumoxid og silica på overfladen af prøven. Det er konstateret, at uafhængig af metoden forberedelse, silica dækker kun 30% af prøveoverfladen. Efter termisk behandling, den kemiske distribution er mere homogen og overfladen er dækket med 50% silica og 50% aluminiumoxid. Metoden sol-pulver giver prøver med en høj ensartethed mellem komponenterne i forhold til de mekaniske blanding. Lille domæner af silica indlejret i aluminiumoxid er til stede i prøven. For den prøve, der tilberedes af mekaniske blanding, silica udgør kernen i prøven og aluminiumoxid er til stede som en shell. Som en generel karakteristisk for begge prøver, der termisk ikke bliver behandlet, silica er i centrum, og aluminiumoxid er på overfladen.

Syre site tætheden af aluminiumsilikat fase dannet af den intime blanding mellem silica og aluminiumoxid, skabe Brønsted syre websteder på dens overflade, er målt i arbitrære enheder (a.u.)/m2 af CO adsorption. Kvantisering af grænsen mellem silica og aluminiumoxid blev udført i m/g eller m/m2, som er kendt for fysiske enheder. Selvfølgelig, grænsefladen mellem silica og aluminiumoxid kunne blive tykkere, men den rumlige opløsning nåede tillod ikke beregning af en nøjagtig værdi for den tilsvarende bredde. Men denne undersøgelse åbner vejen for en dybere forståelse af grænsefladen mellem silica og aluminiumoxid.

Figure 1
Figur 1: tværsnit og rekonstruerede modeller af titania og aluminiumoxid prøverne. Tværsnit gennem den kemiske kort parallelt med XY-plan, hvor de kemiske distributioner er vist for titania (i grønt), aluminiumoxid (i rødt) og vakuum (i blåt): (et) prøve 1, 50% aluminiumoxid og 50% titania, (b) prøve 2, 70% aluminiumoxid og 30% titania, og (c) prøve 3, 90% aluminiumoxid og 10% titania. (d) (e) og (f) vise modeller af prøve 1 prøve 2 og prøve 3, henholdsvis med titania i blå og aluminiumoxid i gennemsigtig rød. I Sample 1 og prøve 2 integrerer alumina titania. I eksempel 3, et tyndt lag af 10 nm af titania er dannet på overfladen af prøven. Dette tal er blevet ændret fra Roiban et al. 13 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: tværsnit og rekonstruerede modeller af silica og aluminiumoxid prøverne. Til venstre er tværsnit parallelt med XY fra de kemiske diskenheder, til højre er de rekonstruerede modeller. Aluminiumoxid er vist med rødt, er silica i grøn, og grænsen mellem overflader af silica og aluminiumoxid angivet med blåt. I disse modeller, er grænsen kunstigt udspilede af en 4-voxel kugle til at gøre det synligt. (en) stikprøven udarbejdet af metoden sol-pulver, (b) stikprøven udarbejdet af metoden sol-pulver og termisk behandling, (c) stikprøven udarbejdet af mekaniske blanding metode, og (d) den prøve, der tilberedes af den mekanisk blanding metode og termisk behandlede. Dette tal er blevet ændret fra Roiban et al. 17 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Formålet med dette papir er at beskrive, hvordan at få 3D kemiske maps bruger EFTEM tomografi. Denne protokol er helt original og blev udviklet af forfatterne.

EFTEM tomografi som beskrevet her har flere ulemper: (i) kun prøver, der er electron beam resistente kan analyseres, på grund af lang eksponering fristerne for at opnå filtreret billeder. (ii) EFTEM tomografi er følsomme over for diffraktion kontrast. (iii) mange af linjeføringer er udført manuelt. For at få 3D kemiske kortet, skal nul-tab volumen og de kemiske diskenheder være i et enkelt system med koordinater. Dette kræver at alle tilt serien være justeret perfekt i det samme koordinatsystem. Dette repræsenterer en lang arbejdstid på mindst to uger pr. prøve. Selvom det er tidskrævende, denne protokol giver mulighed for beregning af 3D kemiske kort på en nanometrisk opløsning. Desuden kombineret med andre spektroskopiske og analytiske teknikker såsom, X-ray fluorescens, X-ray photoelectron spektroskopi, FTIR spektroskopi, eller magic-vinkel-snurrende (MAS) NMR spektroskopi, en fuld beskrivelse af en funktionel materiale kan være oprettet.

Elektron stråle intensitet er generelt styres af kondenserende elektronstrålen. Bredden af vinduet energi, hvorigennem de filtrerede billeder er optaget, og deres eksponeringstid vil påvirke kemisk signal intensiteten registreres i hver kemisk projektion, som vil blive brugt som vippes fremskrivninger for at rekonstruere den kemiske volumen. Eksponeringstid for de filtrerede billeder vil påvirke den samlede eksponeringstid af prøven under en intens elektronstråle under optagelsen af tilt-serien. Hvis en prøve er fortsat for meget gang under bjælken, kan det lider drastiske ændringer. Bredden af vinduerne energi påvirker baggrund tilnærmelse ved hjælp af en power lov til at udtrække den kemiske signal fra efter kant filtrerede billede ved hjælp af metoden tre-windows.

Da det er en udfordrende teknik, og tidskrævende, EFTEM tomografi er ikke praktisk for bred skala gennemførelse. Nye tekniske forbedringer såsom udvikling af mere følsomme spektrometre25 og hurtig optagelse kameraer26,27 (kameraer henvisninger liste er en ufuldstændig liste) vil dog reducere det samlede rekordtid på tilt serien og vil forbedre den energiske opløsning af de kemiske kort. Som nævnt før, er mange af tilpasninger manuel, fra signal udvinding og beregning af de kemiske fremskrivninger til justeringen af alle fremskrivninger på den samme reference. Udvikling af automatiske procedurer vil skabe en mere generel brug af EFTEM tomografi i rutinemæssig analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Vi er taknemmelige for det franske ministerium for højere uddannelse og forskning, konventioner Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE) og IFP energier Nouvelles for deres finansielle støtte.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
JEOL 2100f JEOL Electron microscope
Tridiem Gatan Imaging Filter (GIF) Gatan Post colum energy filter
Digital micrograph Gatan Software
Gatan EFTEM tomography plugin Gatan Dedicated software to record filtered tilt series for EFTEM tomograohy
Tomoj Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/ Free software developed by Currie Institute in Paris, France for electron tomography
EFTEM-Tomoj Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/ Free software developed by Currie Institute in Paris, France , for EFTEM imaging
Imod http://bio3d.colorado.edu/imod/ Free software developed by University of Colorado, USA for electron tomography
Imagej https://imagej.nih.gov/ij/ Free software developed by National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA for images treatment
Merge channels https://imagej.net/Color_Image_Processing Fonction in Imagej allowing to give different colors to volumes while they are overlapped
3D Slicer https://www.slicer.org/ Free software developed by a large consortium lead by Ron Kikinis , Harvard Medical School, Boston, MA, SUA
Chimera https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ Free software developed by the Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics at the University of California, San Francisco,for data segmentation, cuatification and visualisation of 3D models
silica alumina support of catalyst IFPEN sample prepared for eleboration of this protocol
titania alumina support of catalyst IFPEN sample prepared for eleboration of this protocol
alcohol
water
Au nanoparticles of 5 nm BBI Solutions
Holey carbn film 200 mesh microscopy grid Agar
EDX sepctrometer Oxford Instruments

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Frank, J. Electron Tomography - Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell. , Springer-Verlag. New York. (2006).
  2. Midgley, P. A., Dunin-Borkowski, R. E. Electron tomography and holography in materials science. Nat. Mater. 8, 271-280 (2009).
  3. Carenco, S. The core contribution of transmission electron microscopy to functional nanomaterials engineering. Nanoscale. 8 (3), 1260-1279 (2016).
  4. Radon, J. Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte langs gewisser Mannigfaltigkeiten. Akad. Wiss. 69, 262-277 (1917).
  5. Radermacher, M. Radon transform techniques for alignment and three-dimensional reconstruction from random projections. Scanning Microscopy. 11, 171-177 (1997).
  6. Roiban, L., Sorbier, L., Pichon, C., Pham-Huu, C., Drillon, M., Ersen, O. 3D-TEM investigation of the nanostructure of a δ-Al2O3 catalyst support decorated with Pd nanoparticles. Nanoscale. 4 (3), 946-954 (2012).
  7. Georgescu, D., Roiban, L., Ersen, O., Ihiawakrim, D., Baia, L., Simon, S. Insights on Ag doped porous TiO2 nanostructures: a comprehensive study of their structural and morphological characteristics. RSC Adv. 2 (12), 5358 (2012).
  8. Shakeri, M., Roiban, L., Yazerski, V., Prieto, G., Gebbink, M. J. M. G., de Jongh, P. E., de Jong, K. P. Engineering and Sizing Nanoreactors To Confine Metal Complexes for Enhanced Catalytic Performance. ACS Catal. 4 (10), 3791-3796 (2014).
  9. Midgley, P. A., Weyland, M. 3D electron microscopy in the physical sciences: the development of Z-contrast and EFTEM tomography. Ultramicroscopy. 96 (3-4), 413-431 (2003).
  10. Ersen, O., Florea, I., Hirlimann, C., Pham-Huu, C. Exploring nanomaterials with 3D electron microscopy. Mater. Today. 18 (7), 395-408 (2015).
  11. Lepinay, K., Lorut, F., Pantel, R., Epicier, T. Chemical 3D tomography of 28nm high K metal gate transistor: STEM XEDS experimental method and results. Micron. 47, 43-49 (2013).
  12. Roiban, L., Sorbier, L., Pichon, C., Bayle-Guillemaud, P., Werckmann, J., Drillon, M., Ersen, O. Three-Dimensional Chemistry of Multiphase Nanomaterials by Energy-Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography. Microsc. Microanal. 18 (05), 1118-1128 (2012).
  13. Roiban, L., Sorbier, L., Hirlimann, C., Ersen, O. 3 D Chemical Distribution of Titania-Alumina Catalyst Supports Prepared by the Swing-pH Method. ChemCatChem. 8 (9), 1651-1657 (2016).
  14. Egerton, R. F. Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope. , Springer. (2011).
  15. Messaoudi, C., Aschman, N., Cunha, M., Oikawa, T., Sorzano, C. O. S., Marco, S. Three-Dimensional Chemical Mapping by EFTEM-TomoJ Including Improvement of SNR by PCA and ART Reconstruction of Volume by Noise Suppression. Microscopy and Microanalysis. 19 (6), 1669-1677 (2013).
  16. Pettersen, E. F., Goddard, T. D., Huang, C. C., Couch, G. S., Greenblatt, D. M., Meng, E. C., Ferrin, T. E. UCSF Chimera-A visualization system for exploratory research and analysis. Journal of Computational Chemistry. 25 (13), (2004).
  17. Roiban, L., Ersen, O., Hirlimann, C., Drillon, M., Chaumonnot, A., Lemaitre, L., Gay, A. S., Sorbier, S. Three-Dimensional Analytical Surface Quantification of Heterogeneous Silica-Alumina Catalyst Supports. ChemCatChem. 9 (18), 3503-3512 (2017).
  18. EFTEM-TomoJ. , Available from: http://www.cmib.fr/en/download/softwares/EFTEM-TomoJ.html (2018).
  19. Kremer, J. R., Mastronarde, D. N., McIntosh, J. R. Computer visualization of three-dimensional image data using IMOD. J Struct Biol. 116 (1), 71-76 (1996).
  20. The IMOD Home Page. , Available from: http://bio3d.colorado.edu/imod/ (2018).
  21. Landini, G. Align RGB planes. ImageJ. , Available from: https://ImageJ.net/Align_RGB_planes (2018).
  22. Messaoudi, C. TomoJ. , Available from: http://www.cmib.fr/en/download/softwares/TomoJ.html (2018).
  23. MessaoudiI, C., Boudier, T., Sorzano, C., Marco, S. TomoJ: tomography software for three-dimensional reconstruction in transmission electron microscopy. BMC Bioinf. 8 (1), 288 (2007).
  24. Saxton, W. O., Baumeister, W., Hahn, M. Three-dimensional reconstruction of imperfect two-dimensional crystals. Ultramicroscopy. 13 (1-2), 57-70 (1984).
  25. Gatan, Inc. Quantum Energy Filters High Throughput Spectrometers. , Available from: http://www.gatan.com/products/tem-imaging-spectroscopy/gif-quantum-energy-filters (2018).
  26. Gatan, Inc. Direct Detection 16-Megapixel Camera. , Available from: http://www.gatan.com/products/tem-imaging-spectroscopy/k2-direct-detection-cameras (2018).
  27. Direct Electron, LP. DE-Series Cameras. , Available from: http://www.directelectron.com/products/de-series (2018).

Tags

Kemi sag 136 3D kemiske kortlægning EFTEM tomografi analytiske tomografi silica alumina titania alumina katalysator støtte
At opnå 3D kemiske kort ved energi filtreret transmissions Elektron Mikroskopi tomografi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Roiban, L., Sorbier, L., Hirlimann,More

Roiban, L., Sorbier, L., Hirlimann, C., Ersen, O. Obtaining 3D Chemical Maps by Energy Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography. J. Vis. Exp. (136), e56671, doi:10.3791/56671 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter