Summary
Questo articolo descrive un protocollo per ottenere mappe chimiche 3D che combina energia filtrata imaging e tomografia elettronica. La distribuzione di prodotti chimici di due supporti per catalizzatori formata da elementi che sono difficili da distinguere da altre tecniche di imaging è stata studiata. Ogni applicazione consiste nel mapping sovrapposti elementi chimici - bordi rispettivamente distanziati-ionizzazione di.
Abstract
Energia tomografia di microscopia elettronica di trasmissione filtrata (EFTEM tomografia) in grado di fornire mappe tridimensionale (3D) chimico dei materiali a scala nanometrica. La tomografia EFTEM possibile separare gli elementi chimici che sono molto difficili da distinguere usando altre tecniche di imaging. Il protocollo sperimentale descritto di seguito viene illustrato come creare mappe 3D chimiche per comprendere la distribuzione di prodotti chimici e la morfologia di un materiale. Procedura di preparazione del campione per la segmentazione dei dati è presentata. Questo protocollo permette l'analisi 3D della distribuzione degli elementi chimici in un campione nanometrico. Tuttavia, dovrebbe essere notato che attualmente, le mappe 3D chimiche possono essere generate solo per i campioni che non sono fascio sensibile, poiché la registrazione di immagini filtrate richiede tempi di esposizione lunghi per un fascio di elettroni intenso. Il protocollo è stato applicato per quantificare la distribuzione chimica dei componenti di due supporti per catalizzatori eterogenei differenti. Nel primo studio, è stata analizzata la distribuzione di prodotti chimici di alluminio e titanio in supporti di titania-allumina. I campioni sono stati preparati utilizzando il metodo di swing-pH. Nel secondo, è stata esaminata la distribuzione di prodotti chimici di alluminio e silicio in supporti di silice-allumina che sono stati preparati utilizzando i metodi di meccanica miscela e sol-polvere.
Introduction
Le proprietà funzionali dei materiali dipendono dai loro parametri 3D. Per comprendere le loro proprietà e che permettono di migliorare le loro funzioni, è importante analizzare la loro morfologia e distribuzione di prodotti chimici in 3D. Elettrone tomografia1 (ET) è una delle tecniche migliori per fornire queste informazioni ai nanometri scala2,3. Si compone di ruotando il campione sopra una vasta gamma di angolare e registrazione di un'immagine ad ogni passo angolare. La serie di inclinazione ottenuta viene utilizzata per ricostruire il volume del campione utilizzando algoritmi matematici basati sul Radon trasformazione4,5. Selezione livelli di grigio nel volume aiuta a modello l'esempio in 3D e quantificare i parametri 3D come particella localizzazione6 e dimensioni distribuzione7, poro posizione e dimensione distribuzione8, ecc.
In generale, ET viene eseguita con un microscopio elettronico inclinando il campione per il massimo angolo possibile, preferibilmente più di 70° in entrambe le direzioni. Ogni angolo di inclinazione, una proiezione del campione è registrata formando una serie di immagini tilt. Quella serie di inclinazione è allineato e utilizzato per ricostruire il volume del campione che sarà segmentato e quantificato. Perché l'esempio non può essere ruotato da-90 ° a + 90 °, il volume ricostruito ha una risoluzione anisotropica lungo l' asse ortogonale9 a causa dell'angolo di registrazione cieca.
ET può essere eseguita in diverse modalità di imaging. La modalità TEM campo luminoso (BF-TEM) è usata per studiare materiali amorfi, campioni biologici, polimeri, o catalizzatore supporta con forme complesse. L'analisi di immagine si basa sulla differenziazione dei livelli di grigio che caratterizzano la densità dei componenti10 (un componente denso sarà più scuro di un accendino, vale a dire, componente meno denso). Alto angolo anulare campo scuro in modalità TEM (ottenute-STEM) scansione viene utilizzato per analizzare campioni cristallini. Il segnale fornisce informazioni chimiche in funzione del numero atomico; una pesante componente del campione apparirà più luminosa che un accendino un9. Altre modalità, come la spettroscopia di raggi x dispersiva di energia (EDX), che raccoglie i raggi x emessi dal materiale11e l'energia filtrata imaging modalità (EFTEM)12,13, sono anche in grado di valutare la distribuzione di prodotti chimici 3D all'interno del campione.
Nell'imaging EFTEM, le mappe 2D chimiche possono essere registrate utilizzando un TEM con uno spettrometro di energia dell'elettrone. Lo spettrometro agisce come un prisma magnetico disperdendo gli elettroni in funzione della loro energia. Un'immagine è creata dagli elettroni in funzione dell'energia perdita dall'interazione con un atomo specifico. Se la stessa mappa 2D chimica è calcolata alle inclinazioni differenti, un'inclinazione si ottiene la serie di proiezioni chimiche, che consente di ricostruire il volume 3D di chimico.
Non tutti i materiali possono essere analizzati tramite tomografia EFTEM. La tecnica è riservata ai campioni con materiali disordinati o debole. Tuttavia, può essere utilizzato per l'analisi di elementi leggeri che sono molto difficili da distinguere quando usando altre tecniche di imaging. Inoltre, per ottenere mappe chimiche 2D affidabile, lo spessore del materiale è necessaria per essere di meno che il cammino libero medio degli elettroni attraverso il materiale14. In questa circostanza, la probabilità di avere un singolo elettrone interagisce con un singolo atomo è più grande. Due metodi sono utilizzati per calcolare una mappa 2D chimica. Il primo e il più usato è il "metodo di tre-windows", dove due finestre filtrata energetico devono essere registrati prima del bordo di ionizzazione dell'elemento sotto analisi e un terzo dopo l'ionizzazione edge13. Le prime due immagini sono utilizzate per stimare lo sfondo, che viene estrapolato utilizzando una legge di potenza nella posizione del terzo vetro e sottratto da esso. L'immagine ottenuta è la proiezione della distribuzione 3D dell'elemento chimico analizzato nel volume del campione. Il secondo metodo è chiamato il "rapporto di salto"; utilizza solo due immagini di energia-filtrata, uno prima e uno dopo il bordo di ionizzazione. Questo metodo è di tipo qualitativo, come l'immagine finale viene calcolato solo eseguendo il rapporto tra queste due immagini e non tiene conto per la variazione di energia di sfondo.
Combinando EFTEM con ET, la tomografia analitica dell'energia filtrata può essere ottenuta. EFTEM tomografia e atomo sonda tomografia (APT) sono tecniche complementari. Rispetto ad APT, tomografia EFTEM è un'analisi di caratterizzazione non-distruttiva che non necessita di preparazione dei campioni complessi. Può essere utilizzato per eseguire varie caratterizzazioni su una nanoparticella unica. Tomografia EFTEM può analizzare materiali isolanti, mentre APT ha bisogno presso l'assistenza laser perlomeno per misurarli. APT viene eseguito su scala atomica, mentre la tomografia EFTEM esegue adeguatamente con una risoluzione più bassa. La tomografia EFTEM è pertinente soltanto per i campioni che resistono alla degradazione del fascio durante l'esperimento. Per registrare tutte le immagini filtrate a tutti gli angoli inclinati, il campione può essere esposto a fascio di elettroni per finchè 2 h. Inoltre, per registrare un segnale chimico massimo nelle mappe 2D, durate più lunghe esposizione al fascio ad alta intensità possono essere necessarie. In tali condizioni, i campioni sensibili fascio subiranno drastici cambiamenti morfologici e chimici. Di conseguenza, una misura precisa della sensibilità del campione per il fascio elettronico deve essere stabilita prima dell'esperimento. Inoltre, la tomografia EFTEM è il risultato della registrazione tomogrammi come molti come necessario per determinare la posizione spaziale e la natura degli elementi chimici che sono presenti nel campione. Tuttavia, la tomografia EFTEM può fornire informazioni importanti riguardanti la distribuzione di prodotti chimici 3D per i campioni, quali supporti per catalizzatori, per dare nuovi spunti per la modellazione di loro applicazioni catalitiche.
Oggi è possibile utilizzare un software dedicato che può selezionare l'intervallo di energia, energia finestra immagini filtrate record e calcolare il prodotto chimico mappe alle diverse inclinazioni. Essi consentono di inclinare il campione, di monitoraggio, messa a fuoco e registrazione dell'immagine filtrata in modalità EFTEM. Le mappe 2D chimiche possono essere calcolate e poi la serie di inclinazione può essere allineata, il volume chimico calcolato utilizzando algoritmi iterativi, e infine la serie può essere segmentato e quantificati15,16.
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Protocol
1. preparazione del campione
- Schiacciare il campione in un mortaio e si disperdono in alcool o acqua distillata; mettere una goccia del campione su una griglia di microscopia e lasciarlo asciugare.
Nota: Campioni come allumina di silice o allumina titania possono essere una polvere o un materiale estruso e può essere schiacciati e dispersi in una soluzione mediante ultrasuoni. In generale, per l'analisi di ET, è importante che la concentrazione del campione sulla griglia di partenza è bassa, per evitare sovrapposizione di campione e di ombreggiamento quando si inclina la griglia a grandi angoli. Sono consigliate le griglie di microscopia 200-maglia che supportano un film di holey carbonio o carbonio lacey. - Utilizzando una pipetta, mettere una goccia di una soluzione colloidale contenente marker fiduciali sopra il campione. Assorbire la soluzione in eccesso e lasciare asciugare.
Nota: I fiduciali Marker sono ben calibrata Au nanoparticelle sospese in una soluzione. Il marker fiduciali possono essere disperse anche sopra la griglia prima di aggiungere il campione. Ad esempio, se il campione è fatto da nanoparticelle con dimensioni simili come il marker fiduciali, depositare i fiduciali marker sopra la griglia per separarli bene durante la segmentazione dei dati e la quantificazione. Il marker fiduciali sono riferimenti di posizione utilizzati per allineare le immagini inclinate.
2. registrazione delle immagini serie filtrata Tilt
- Con il microscopio elettronico, è possibile trovare un esempio isolato al centro della griglia della microscopia.
Nota: Nel microscopio elettronico, l'asse X è lungo il portacampioni, l'asse Y è perpendicolare al supporto del campione e l'asse Z è lungo il fascio di elettroni. Per essere in grado di inclinare il campione all'angolo di inclinazione massimo, analizzare un campione situato il più vicino possibile all'asse X. - Una volta che il campione è ben posizionato, controllare la composizione chimica del campione. Eseguire un'analisi chimica mediante spettrometria a raggi x dispersiva di energia (EDS) o spettrometria di elettrone energia perdita (anguille) mettendo a fuoco il fascio sopra il campione selezionato e registrare uno spettro. Se il campione contiene gli elementi chimici di interesse, allontanarsi da essa ed eseguire i prossimi test su un campione rappresentativo nelle vicinanze.
- Controllare l'elettrone intensità del fascio sopra il campione, la larghezza delle finestre delle immagini filtrate, energia e filtrato il tempo di esposizione di ogni immagine. Trovare il miglior compromesso per il campione tra fascio danni e il segnale chimico registrato a proiezioni chimiche12,13,17.
Nota: Per registrare il massimo segnale chimico nelle immagini filtrate, utilizzare l'intensità del fascio di massima. Tuttavia, un test di irradiazione deve essere eseguito prima di ogni analisi per verificare le eventuali modifiche al campione dall'effetto del fascio. Per effettuare questa operazione, è possibile calcolare la dose di elettrone durante la registrazione di tilt series. Inoltre, un test di facilità può essere fatto mettendo a confronto un'immagine prima e un'immagine dopo l'esperimento. - Utilizzare la modalità EFTEM del software di registrazione per calcolare una mappa 2D chimica utilizzando il metodo di tre-windows e verifica se un sufficiente segnale chimico viene registrato.
Nota: Il software registra tre immagini filtrate; i primi due sono utilizzati per stimare lo sfondo dalla terza immagine.- Nel software, selezionare l'elemento chimico sotto inchiesta e il bordo di ionizzazione. Impostare la larghezza della finestra di energia e il tempo di esposizione. Registrare le immagini e quindi calcolare la mappa chimica utilizzando una legge di potenza per estrarre lo sfondo. In un ambiente a 32 bit con 512 x 512 pixel, il minimo segnale è circa 300-400 conteggi per pixel registrati in un'immagine di chimica.
- Impostare l'angolo di inclinazione del campione all'altezza di eucentric e controllare l'angolo di inclinazione minima, vale a dire,-70 ° o meno e massimo, vale a dire, + 70 ° o più.
- Portare il campione per essere analizzati in vista e registrare un'immagine (questo sarà l'immagine prima di acquisizione). Quindi registrare la serie inclinata di immagini filtrate utilizzando il software appropriato.
Nota: I plugin di tomografia EFTEM dedicati possono registrare diverse serie di inclinazione allo stesso tempo. Ciò significa che, con ogni angolo di tilt, diverse immagini successive possono essere registrati. La prima immagine può essere un'immagine filtrata centrata sulla perdita zero e questa immagine è un tipico campo chiaro. Le immagini pre-bordo e quindi l'immagine post-bordo del primo elemento chimico sono seguiti dalle immagini di pre- bordo e post-bordo immagine del secondo elemento chimico. La successione degli elementi chimici è dato dalla loro bordo selezionato ionizzazione.- Nella registrazione EFTEM inclinare software di serie, selezionare la larghezza di ogni finestra di energia ed il relativo tempo di esposizione, e quindi la massima e la minima inclinazione angolo e il passo angolare dell'inclinazione. Al compromesso tra il numero di immagini della serie di inclinazione e il tempo di esposizione totale del campione per il fascio di elettroni, utilizzare un passaggio di inclinazione di 4°, vale a dire, 51 immagini per serie di inclinazione compreso tra ± 71 °; Tuttavia, un passo più piccolo di inclinazione può essere scelto se il campione non si degrada sotto la trave.
- Per ogni elemento chimico, registrare tre serie di inclinazione di immagini filtrate per calcolare la proiezione chimica utilizzando il metodo di tre finestre. Per quantificare la naturale deriva del campione a ogni angolo di inclinazione durante la registrazione di immagini filtrate (il campione può rimanere in certi angoli di inclinazione per più di 1 min), la prima immagine può essere un'immagine filtrata su zero perdita di segnale in modo che l'ultima immagine registrata sarà un unfil tered immagine formata da tutti gli elettroni a tutte le energie. Quelle due immagini possono essere utilizzate per calcolare la mappa di spessore del campione. Pertanto, per osservare la distribuzione di prodotti chimici di due elementi a ogni angolo di inclinazione, registrare 7 immagini filtrate (1 zero perdita, 3 per il primo elemento chimico, 3 per il secondo elemento chimico) e 1 immagine non filtrata (in totale, 8 serie di inclinazione registrate).
3. allineamento e ricostruzione delle serie Tilt
- Allineare le tre immagini filtrate corrispondente a ogni elemento chimico per ogni angolo di inclinazione e calcolare la mappa chimica utilizzando un specializzato EFTEMTJ15,18 plugin di ImageJ. Nel software ImageJ, utilizzare il percorso File | Aperto e selezionare i file corrispondenti alle immagini filtro serie di inclinazione. Aprire tutte le tre serie di inclinazione filtrata: pre- bordo due e post-uno dei bordi.
- Aprire il plugin EFTEMTJ dedicato. Fare clic su + | Immagine o Stack e selezionare la serie di inclinazione che sono già aperta.
- Nella tabella che viene visualizzata, è stato registrato il passaggio di energia per ogni serie di inclinazione, cioè, l'energia alla quale ogni inclinazione serie di riempimento. Inoltre, riempire la fessura larghezza, cioè, le finestre di energia. Riempire il "Tempo di esposizione" di ogni immagine filtrata. Verifica per tutte le serie di inclinazione tre Mapping. Fare clic su successivo.
- Ha scelto la prima immagine come immagine di riferimento e quindi fare clic su applica. Fare clic su successivo: viene visualizzata un'immagine di anteprima del tracciato proposto. Verificare visivamente che le 3 immagini registrate con lo stesso angolo di inclinazione sono ben sovrapposte (nessun spostamento tra le immagini dovrebbe essere osservato).
Nota: Questo protocollo è stato eseguito la versione 0.9 del plugin EFTEMTJ. In questo momento, il filtrato le immagini registrate at lo stesso angolo di inclinazione sono allineati. - Selezionare nella finestra EFTEMTJ, le immagini corrispondenti allo sfondo e al chimico Edge. Selezionare il modello dell'estrazione segnale come potenzae quindi fare clic su Crea una mappa. ImageJ, selezionare File | Salvare e trovare il percorso per salvare questo ultimo file.
Nota: La serie di inclinazione della mappa chimica è ottenuta. Ulteriori informazioni su come utilizzare il plugin sono disponibile online. - Ripetere il passaggio 3.1 per tutte le serie di inclinazione chimica.
- Allineare il tilt perdita zero series utilizzando una versione del software Imod19 rilasciato nel 2009 per allineare il tilt series. Il software permette l'applicazione degli allineamenti calcolati su una serie di inclinazione ad un'altra serie di inclinazione.
Nota: Il software di allineamento scrive su file su disco contenente tutti gli spostamenti applicati a ciascuna immagine. La procedura di allineamento utilizzando Imod20 è esaminata altrove e non rientra nell'ambito di questo articolo. - Utilizzare l'allineamento calcolato per la serie di perdita zero tilt e applicarlo alla serie tilt chimici precedentemente calcolato.
Nota: In questa versione del software, è possibile modificare il file di serie di perdita zero tilt con un file di serie chimica tilt conservando il nome del file e applicando gli spostamenti calcolati precedenti. In caso contrario, per il software, il file avrà lo stesso nome, lo stesso numero di immagini delle stesse dimensioni, ma non conterrà zero perdita immagini ma chimiche immagini. - Quantificare la deriva da trasversale correlando la prima immagine registrata, cioè, centro su zero la perdita e l'ultimo (l'immagine non filtrato). Il campione può impiegare vari secondi a ogni angolo di inclinazione mentre vengono registrate tutte le immagini di filtrato. Durante questo tempo, il campione va alla deriva naturalmente una piccola quantità.
- Il software ImageJ, fare clic sul File | Aprire e selezionare la perdita zero allineata inclinare serie, quindi Apri il prodotto chimico mappe allineato inclinazione serie.
- Fare clic su modifica | Colore | Canali di Unione. Selezionare il file corrispondente a zero perdita per il colore rosso, il primo elemento per il verde e il secondo elemento chimico per il blu, in quell'ordine. Deselezionare Creare composito e selezionare Tenere immagine sorgente. Uno stack viene creato in ogni angolo d'inclinazione per tutte le immagini registrate.
- Fare clic su plugin | Allineare i piani RGB21. Il rosso è l'immagine di riferimento. Selezionare verde e utilizzando le frecce, sovrapposizione sopra quello rosso. Fare clic su Avanti e ripetere per tutti gli angoli.
- Fare clic su modifica | Colore | Split canali e lo stack RGB verrà suddivisi in tre pile: rosso corrispondente a perdita zero e verde e blu corrispondente alle mappe chimiche con la direzione corretta. Fare clic sul File | Salvare per conservare la serie di inclinazione.
- Fare clic su plugin | Tomoj22,23 per selezionare il file di modulo angolo di carico. Perché tutte le serie di inclinazione sono già allineate, passare direttamente alla ricostruzione. Calcolare i volumi di perdita zero, come pure i volumi chimici, utilizzando algoritmi di ricostruzione come arte, SIRT, OS-arte, ecc.
Nota: Si consiglia di utilizzare un algoritmo iterativo per la ricostruzione dei volumi chimici. Utilizzando questo software, è possibile ricostruire i volumi utilizzando la GPU. - Una volta che tutti i volumi sono calcolati, è possibile utilizzare l'opzione Merge canali per applicare colori diversi ai volumi ottenuti e li si sovrappongono in un unico volume, per ottenere la mappa 3D in chimica.
4. 3D modellazione e quantificazione
- Binarize il volume ricostruito di ZL selezionando il corrispondente livello di grigio, che sarà il volume ottenuto in bianco (a 8 bit, l'intensità è 255) e nero (a 8 bit, l'intensità è 0). In ImageJ, utilizzare l'opzione "Seleziona threshold". Selezionare tutti i pixel corrispondenti al campione (in un'immagine BF, i pixel più scuri corrispondono al campione massa) e fare un volume dove il campione è bianco e il vuoto è nero.
Nota: Il volume di perdita zero fornisce informazioni morfologiche del campione analizzato, vale a dire, la forma e la dimensione del campione. - Dividere il volume binario di zero perdita di 255 e ottenere un volume dove le intensità all'interno del campione sono 1 e altrove sono 0. Questo è il volume normalizzato.
- Moltiplicare il volume normalizzato per ognuno dei volumi calcolati chimici (punto 4.1) per ottenere un volume dove le intensità all'interno del campione corrispondono alle informazioni chimiche, e queste intensità sono 0 altrove.
Nota: Le informazioni chimiche sono derivate dal campione e quindi, sono esclusi tutti gli artefatti. - In ImageJ, calcolare l'istogramma del volume chimico e importare i valori dell'istogramma in un software tabulano.
- Nel software tabulano, eliminare la riga con un conteggio di rapina di intensità pari a 0 (questa linea corrisponde al vuoto).
- In una nuova colonna, calcolare la percentuale di ogni intensità di volume. Dividere il conteggio di ogni intensità dalla somma di tutti i conteggi e moltiplicarlo per 100.
- In una nuova colonna, calcolare la percentuale corrispondente per l'intensità del volume totale aggiungendovi la proporzione attuale dei conteggi, calcolato in precedenza con la proporzione precedente.
Nota: Nei volumi chimici, le alte intensità corrispondono alle informazioni chimiche. Comunque, le intensità sono basse ed il rumore in alto il volume. La soglia viene creata selezionando le intensità più alte. - Conoscendo la concentrazione relativa dell'elemento chimico del campione calcolato dallo spettro di anguille, selezionare l'intensità di rapina. A partire da 255 (se esistente) e diminuire l'intensità corrispondente alla concentrazione di elemento chimico.
- Per individuare l'intensità minima corrispondente alla concentrazione chimica, passare alla colonna dove la percentuale di intensità corrispondente è stato calcolato il volume totale, il 100% corrisponde normalmente all'intensità di 255. Da 100%, estrarre la proporzione relativa calcolata dell'elemento chimico (dallo spettro di anguille): il risultato corrisponderà all'intensità minima della soglia. In questo modo, si ottengono chimiche binarizzati volumi, dove il voxel corrispondono all'elemento chimico con l'intensità di 255 e tutto il resto sono 0. Ripetere la procedura per il secondo elemento e ottenere due volumi di binarizzato chimiche.
- Si sovrappongono i volumi di chimici binarized utilizzando l'opzione Unisci canali e assegnare un colore diverso per ogni volume di elemento per rendere un volume RGB.
Nota: Sovrapponendo i due volumi di chimici binarized, voxels che si sovrappongono, che appartengono a entrambi gli elementi chimici (comune voxel) e voxels che non appartengono ad uno qualsiasi degli elementi chimici (gratuito voxel) sono evidenziati. Ad esempio, i volumi di chimici binarized di rosso e verde creano voxel comune che sono di colore giallo. - Trasformare il volume RGB a 8 bit volume; i colori sono a diverse intensità di grigio. Utilizzando l'opzione di soglia, selezionare i voxels che appartengono a entrambe le specie chimiche (gialle nel volume RGB). Quindi, utilizzando la stessa opzione di soglia, selezionare i voxels che non appartengono ad alcun elemento chimico (hanno intensità inferiore rispetto il voxel selezionato in precedenza). Non selezionare il vuoto con intensità 0.
- Normalizzare i volumi di voxel il comune e il volume del voxel gratis. Moltiplicare i volumi i voxel libero dai volumi chimici, poi sottrarre l'altro volume di chimico.
Nota: Questo calcola l'elemento chimico in ogni voxel che ha la massima intensità. - Aggiungere i volumi di voxels che appartengono e i voxels che non appartengono al volume dell'elemento chimico che ha la massima intensità in quei voxel.
Nota: In questo modo, ogni voxel comune o voxel gratuito è differenziato e allocato per il volume dell'elemento chimico che ha la massima intensità in quel voxel. Questa può essere eseguita tramite l'opzione "Immagine calcolatrice":
- Per quantificare il numero di voxel che formano il campione, è necessario importare i volumi segmentati in software di rendering superficie specializzato, ad esempio un filtro dei dati 3D. Quindi, moltiplicare il volume di un voxel in nm3 per ottenere il volume del campione in 3D.
- Utilizzando l'opzione Trova bordi , quantificare i voxels che formano la superficie del campione e si moltiplicano con l'area di voxel in nm2 per ottenere la superficie del campione.
- Calcolare la superficie specifica dividendo la superficie del campione dalla massa del campione.
Nota: La massa del campione può essere stimata utilizzando la densità teorica del campione. In generale, la superficie specifica calcolata da ET è 10 meno di superficie specifica calcolata da metodi dedicati quali desorbimento di adsorbimento di N2 . - Per calcolare la distribuzione delle dimensioni dei pori, utilizzare il binarized volume di perdita zero (il volume BF). Il volume binario della ricostruzione BF è dilatato utilizzando il 3D Toolkit/morfologiche dilatare plugin 3D fino a quando tutti i pori sono coperti e quindi eroso utilizzando il Toolkit/morfologiche 3D erodere 3D altretante volte come dilatata. Quindi, il volume ottenuto è moltiplicato per il volume invertito del volume binarized BF, per provocare il volume di distribuzione di pori che possa essere visualizzato utilizzando un software di rendering superficie dedicata.
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Representative Results
Riferimento13è riportato un esempio dell'applicazione del presente protocollo. EFTEM tomografia è stata usata per l'analisi dei supporti per catalizzatori allumina titania. Per migliorare l'attività catalitica della fase attiva di MoS2 nanoparticelle, in applicazioni come hydrodesulfurization (HDS), è importante che titania è preponderante sulla superficie di supporto e a contatto con la fase attiva. È noto che titania ha una più piccola superficie specifica di allumina. Lo scopo dello studio è quello di costruire titania supportato da allumina (e pertanto di creare una maggiore superficie specifica) e poi per testarlo come supporto di catalizzatori. Qui, la tomografia EFTEM viene utilizzata per analizzare di supporto di catalizzatori eterogenei titania-allumina preparato con il metodo di pH di oscillazione. In questo studio, sono analizzati tre campioni di differenti concentrazioni di titania. Esempio 1 è composto di allumina di 50% e 50% titania, esempio 2 è composto di allumina di 70% e 30% titania e campione 3 è composto di allumina di 90% e 10% titania. In Figura 1a–1C, sezioni trasversali delle mappe chimiche parallele al piano XY sono mostrate. Verde rappresenta la distribuzione spaziale di chimica di titania, il rosso rappresenta la distribuzione di allumina e blu rappresenta il vuoto. I volumi di chimici sono calcolati appartenente alla serie di inclinazione con il metodo di tre-windows. Le finestre di energia filtrata erano come segue: 10 eV ampia, centrata a 59, 70 e 81 eV, avendo un tempo di esposizione di 3 s per il bordo di23 Al L situato a 73 eV ed eV 30 ampia, centrata a 415, 445 e 482 eV, avendo un tempo di registrazione di 15 s per il Ti Bordo di23 L situato a 455 eV. La posizione e la larghezza, come pure il tempo di esposizione delle immagini filtrate sono stati scelti al fine di ottenere una mappa chimica con un segnale chimico rilevabile. La serie di inclinazione sono stata registrata tra-71 ° e + 71 ° con un incremento di 4 ° a modalità24 a circa 119 min di Saxton.
È stato trovato che titania ad un'alta concentrazione è formando aggregati che sono incorporati in allumina. I modelli vengono visualizzati nella Figura 1 d (campione 1), 1e (esempio 2) e 1f (esempio 3). Nei modelli, la titania viene visualizzato in blu e l'allumina è visualizzata in rosso trasparente. Questi modelli sono stati quantificati utilizzando la distribuzione di prodotti chimici di titania e allumina sulla superficie dei campioni. È stato trovato che indipendente della proporzione di titania e allumina nel campione, la superficie del campione è coperto con titania in una percentuale del 30%. Tuttavia, la superficie specifica del campione è in aumento, mentre la proporzione di titania è in diminuzione per raggiungere la superficie specifica di allumina. Per il campione 3 contenente solo il 10% titania, uno strato di circa 10 nm di spessore è formata sulla superficie del campione. Inoltre, la mappa di chimica è formata da tre volumi sovrapposti: silice in rosso, titania in verde e zero perdita in blu. La miscela tra rosso e verde sono giallo voxel. Il giallo voxel sono attribuiti nel modello per l'elemento con la massima intensità in quel voxel. Si tratta di una limitazione nella risoluzione spaziale delle mappe 3D chimiche, che è direttamente correlata alla risoluzione anisotropica in ET e la risoluzione delle mappe 2D chimiche fornita da EFTEM. L'analisi è correlato con altre tecniche analitiche quali la fluorescenza a raggi x, spettroscopia fotoelettronica a raggi x e N2 porosimetria. Si è concluso che la differenza tra le superfici specifiche potrebbe svolgere un ruolo nelle applicazioni catalitiche.
Come secondo esempio, è indicato lo studio dettagliato in17 . In questo studio, abbiamo analizzato una serie di supporti per catalizzatori silice allumina. Questi supporti per catalizzatori hanno un'acidità fornita dalla miscela tra l'allumina e silice, formando un silicato di alluminio. L'obiettivo dello studio era di quantificare la miscela tra i due componenti. La sfida sperimentale ha mentito nel fatto che i bordi di23 L Al e Si sono molto vicini, a 73 eV ed eV 99 rispettivamente, e il bordo di ionizzazione Al si sovrappone con il bordo di ionizzazione di Si. In queste condizioni, il metodo di tre-finestra è meno accurato per estrarre il segnale chimico. Per differenziare i due segnali Al e Si, è stato sviluppato il metodo del "R-rapporto", dettagliato in riferimento12. Le immagini filtrate tilt series sono state registrate inclinando il modulo di esempio-71 ° a + 71 ° con un passo di incremento di 4 ° in modalità di Saxton in circa 83-104 min. Tre immagini filtrate sono stati registrati per isolare il segnale del bordo di ionizzazione L23 del Si. Le immagini sono state centrate a eV 59, 70 eV ed eV 81, erano 10 eV ampia ed esposta per 5 s. Per il segnale corrispondente al bordo di23 L Al, solo due immagini filtrate sono stati registrati, centrata a eV 99 e 110 eV, eV 10 ampia ed esposta per 12 s.
In questo studio, abbiamo analizzato una serie di quattro campioni di Al e Si preparato con diversi metodi. Figura 2a è una sezione trasversale del parallelo al piano XY mappa chimica ed il modello del campione preparato con il metodo sol-polvere. In questo esempio è stato trattato termicamente sotto vapore, ottenendo il secondo esempio, cui chimica mappa e modello vengono visualizzati in Figura 2b. Figura 2 c Mostra le mappe chimiche del campione preparato da miscela meccanica. Da questo esempio, dopo un trattamento termico sotto vapore caldo, abbiamo ottenuto il quarto campione, mostrato in figura 2d. Il prodotto chimico mappe e modelli per allumina sono rosso e per silice sono verdi, mentre il blu avanzato rappresenta il limite sulla superficie tra la silice e allumina. L'attività catalitica acida è dato dalla miscela tra allumina e silice sulla superficie del campione. È trovato che indipendentemente dal metodo di preparazione di, la silice copre solo il 30% della superficie del campione. Dopo il trattamento termico, la distribuzione di prodotti chimici è più omogenea, e la superficie è ricoperta con 50% di silice e allumina di 50%. Il metodo sol-polvere fornisce campioni con un alta omogeneità tra i componenti rispetto con la miscela di meccanica. Piccoli domini di silice incorporato in allumina sono presenti nel campione. Per il campione preparato da miscela meccanica, silice costituisce il nucleo del campione e dell'allumina è presente come un guscio. Come una caratteristica generale di entrambi i campioni che non sono trattati termicamente, la silice è nel centro, e l'allumina è sulla superficie.
La densità di acido sito fornita dalla fase di alluminosilicato formata dalla miscela intima tra silice e allumina, creazione di siti acidi di Brønsted alla sua superficie, viene misurata in unità arbitrarie (a.u.)/m2 di adsorbimento di CO. La quantizzazione del confine tra silice e allumina è stata eseguita in m/g o m/m2, che sono noti unità fisiche. Naturalmente, l'interfaccia tra silice e allumina potrebbe essere più spesso, ma la risoluzione spaziale raggiunta non ha permesso il calcolo di un valore esatto della larghezza corrispondente. Tuttavia, questo studio apre la strada verso una più profonda comprensione dell'interfaccia tra silice e allumina.
Figura 1: sezioni trasversali e ricostruiti modelli dei campioni titania e allumina. Sezioni trasversali attraverso la mappa chimica parallela al piano XY, dove le distribuzioni chimiche sono mostrate per titania (in verde), allumina (in rosso) e il vuoto (in blu): (un) dell'esempio 1, allumina di 50% e 50% titania, (b) esempio 2, 70% di allumina e 30% titania e allumina (c) il campione 3, 90% e 10% titania. (d) (e) e (f) visualizzare i modelli di campione 1 e campione 2 campione 3, rispettivamente, con titania in blu e allumina in rosso trasparente. Nell'esempio 1 e 2 del campione, l'allumina incorpora il titania. Nell'esempio 3, un sottile strato di 10 nm di titania è formata sulla superficie del campione. Questa figura è stata modificata da Roiban et al. 13 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: sezioni trasversali e ricostruiti modelli dei campioni di silice e allumina. Sulla sinistra sono sezioni trasversali parallele al piano XY dai volumi chimici, sulla destra ci sono i modelli ricostruiti. Allumina è mostrato in rosso, silice in verde e il confine tra le superfici della silice e dell'allumina sono indicati in blu. In tali modelli, il confine è artificialmente dilatato da una sfera di 4-voxel per renderlo visibile. (un) il campione preparato con il metodo sol-polvere, (b) il campione preparato con il metodo sol-polvere e trattati termicamente, (c) il campione preparato dal metodo miscela meccanica e (d) il campione preparato del Metodo meccanico miscela e trattati termicamente. Questa figura è stata modificata da Roiban et al. 17 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Lo scopo di questa carta è di descrivere come ottenere mappe chimiche 3D usando la tomografia EFTEM. Questo protocollo è completamente originale ed è stato sviluppato dagli autori.
La tomografia EFTEM come descritto qui ha diversi inconvenienti: possono essere analizzati campioni di (i) solo che sono resistenti al fascio di elettroni, a causa del tempo di esposizione lunghi necessario per l'ottenimento di immagini filtrate. (ii) EFTEM tomografia è sensibile per il contrasto di diffrazione. (iii) molti degli allineamenti sono stati eseguiti manualmente. Per ottenere la mappa 3D in chimica, il volume di perdita zero e i volumi di chimici devono essere in un unico sistema di coordinate. Ciò richiede che tutte le serie di inclinazione essere perfettamente allineati sullo stesso sistema di coordinate. Questo rappresenta un periodo di lungo lavoro di almeno due settimane per campione. Pur essendo molto tempo, questo protocollo permette il calcolo delle mappe 3D chimiche ad una risoluzione nanometrica. Inoltre, in combinazione con altre tecniche analitiche e spettroscopiche come, fluorescenza a raggi x, spettroscopia fotoelettronica a raggi x, spettroscopia FTIR o spettroscopia NMR (MAS) di magia-angolo-filatura, una descrizione completa di un materiale funzionale può essere creato.
L'intensità del fascio di elettroni è generalmente controllata di condensazione il fascio di elettroni. La larghezza della finestra di energia attraverso il quale vengono registrate le immagini filtrate e il loro tempo di esposizione influenzerà l'intensità di segnale chimico registrato in ogni proiezione chimica, che verrà utilizzato come proiezioni inclinate per ricostruire il volume chimico. Il tempo di esposizione delle immagini filtrate influenzerà il tempo totale di esposizione del campione sotto un fascio di elettroni intenso durante la registrazione di tilt series. Se un campione rimane per troppo tempo sotto la trave, possono subire modifiche drastiche. La larghezza delle finestre energia influenza il ravvicinamento di sfondo utilizzando una legge di potenza per estrarre il segnale chimico da post-bordo immagine filtrata utilizzando il metodo di tre-windows.
Poiché è una tecnica impegnativa e richiede tempo, EFTEM tomografia non è pratica per l'implementazione su vasta scala. Tuttavia, nuovi miglioramenti tecnici come lo sviluppo di più sensibile spettrometri25 e veloce registrazione telecamere26,27 (l'elenco di riferimenti di telecamere è un elenco parziale) si riducono il tempo di registrazione totale dell'inclinazione serie e consentirà di migliorare la risoluzione energetica delle mappe chimiche. Come accennato prima, molti degli allineamenti sono manuali, dall'estrazione di segnale e calcolo delle proiezioni chimiche per l'allineamento di tutte le proiezioni sullo stesso riferimento. Lo sviluppo di procedure automatiche creerà un uso più generale di tomografia EFTEM nelle analisi di routine.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Siamo grati al Ministero francese dell'istruzione superiore e della ricerca, convenzioni Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE) e IFP Energies Nouvelles per il loro sostegno finanziario.
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 |
References
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