Summary
本稿では、エネルギー フィルタ リング画像と電子線トモグラフィーを組み合わせた 3 D 化学マップを達成するためにプロトコルについて説明します。他のイメージング手法を区別することは困難である要素によって形成される 2 つの触媒担体の化学の分布を調べた。各アプリケーション重複元素それぞれ間隔がイオン化エッジのマッピングで構成されます。
Abstract
エネルギー フィルター透過電子顕微鏡トモグラフィー (EFTEM 断層レントゲン写真撮影) は、ナノメートル スケールでの材料の三次元 (3 D) 化学マップを提供できます。EFTEM 断層撮影は、他のイメージング技術を使用して区別するために非常に困難な化学元素を区切ることができます。ここで記述されている実験のプロトコルは、化学的分布と材料の形態を理解する化学 3 D のマップを作成する方法を示しています。データ分割の準備手順、サンプルが掲載されています。このプロトコルは、ナノメートルのサンプルの化学要素の 3次元分布解析を許可します。ただし、現在、3 D 化学マップのみ生成されることをサンプル フィルターされた画像の記録は、強烈なビームに長い露出時間を必要とするので、機密性の高い、ビームではないです。プロトコルは、2 つの異なる異種触媒担体の成分の化学分布の定量化に適用されました。最初の研究では、アルミニウム、チタン酸化チタン アルミナ サポートでの化学の分布を調べた。スイング pH メソッドを使用して調製します。第二に、ソル粉と機械的混合法を使用して作製したシリカ-アルミナ サポート中のアルミニウムおよび si の化学の分布を調べた。
Introduction
機能性材料の特性は 3 D パラメーターに依存しています。完全に彼らの特性を理解し、その機能を強化、形態および 3 D で化学の分布を分析することが重要です。電子断層撮影法1 (ET) は、ナノメートル スケールの2,3でこの情報を提供する最高のテクニックのひとつです。それは広い角度範囲にサンプルを回転と角度ステップごとに 1 つの画像を記録から成っています。得られた傾きのシリーズを使用して、ラドン変換4,5に基づく数学的なアルゴリズムを使用して、サンプルのボリュームを再構築します。3 D のサンプルをモデルしのような粒子局在6とサイズ分布73D パラメーターを定量化、毛穴の位置とサイズ分布8等は、ボリュームの灰色レベルを選択すること
一般的には、ET は、できればどちらの方向に 70 ° 以上の最大の可能な角度にサンプルを傾けることによって電子顕微鏡で実行されます。各傾斜角に成型、画像の傾きシリーズ サンプルの投影が記録されます。その傾きの系列を整列し、セグメント化と定量化がサンプルのボリュームを再構築するために使用します。+90 °、-90 ° からサンプルを回転ことはできません、ために、盲検角度による直交軸9に沿って異方性解像度があります再構成ボリューム。
ET は、イメージングの異なるモードで実行できます。触媒サポート複雑な形状または明視野 TEM モード (BF TEM) は非晶質材料、生体試料、高分子を研究に使用されます。画像解析は、コンポーネント10 (高密度になります詳細ライターよりも暗い、すなわち密度の低いコンポーネント) の密度を特徴付ける灰色レベルの分化に基づいています。高角環状暗視野 TEM モード (関数幹) をスキャンする際に、結晶性試料を分析する使用されます。信号は、原子番号の機能として化学情報を提供しますサンプルの重いコンポーネントが明るく表示される、ライター 1 つ9。収集材料11、およびエネルギーによって放出される x 線エネルギー分散型 x 線分光 (EDX) のような他のモード イメージング モード (EFTEM)12,13をフィルタ リング、3 D の化学的分布を評価することができるもサンプル。
EFTEM イメージング、電子顕微鏡を用いた電子エネルギー分析器 2D 化学マップを記録できます。分光計は、彼らのエネルギーの機能として電子を分散させることによって磁気プリズムとして機能します。イメージは、特定の原子との相互作用から失われたエネルギーによって電子によって作成されます。同じ 2 D 化学マップが異なる傾きの角度、化学予測のシリーズを取得すると、傾斜で計算される場合 3 D 化学ボリュームを再構築するを使用できます。
すべての材料は、透過トモグラフィによる分析できます。テクニックは、弱いまたは不規則材料サンプルの予約されています。それにもかかわらず、他のイメージング技術を使用してときに区別し非常ににくい軽元素の分析に使用できます。さらに、信頼性の高い 2 D 化学マップを得るためには、材料の厚さは、材料14を介して電子の平均自由行程以下に必要です。この条件下で最大の単一電子単一原子との相互作用を持っていることの確率です。2 つのメソッドは、2 D 化学マップの計算に使用されます。1 番目は、最もよく使われるイオン化エッジ13後分析、および 3 分の 1 の下の要素のイオン化エッジの前に 2 つのフィルターが適用されたエネルギー ウィンドウを記録する場所「3 windows 法」をです。最初の 2 つの画像を用いて推定して、3 番目のウィンドウの位置から力法を使用して、それから差し引かれる背景を推定します。得られた画像は、3 D サンプル ボリュームの分析元素分布の投影です。2 番目のメソッドは、「ジャンプ比;」と呼ばれる前に、と後の 2 つだけエネルギー フィルター画像を使用してイオン化エッジ。この方法は質的、最終的なイメージはこれらの 2 つの画像間の比率を実行するだけで計算され、背景エネルギーの変化については考慮しません。
EFTEM ET と組み合わせることで、フィルター選択されたエネルギーの解析的トモグラフィーを得ることができます。EFTEM トモグラフィーとアトム プローブ断層レントゲン写真撮影 (APT) は、相補的な技術です。APT、に比べて EFTEM 断層レントゲン写真撮影は複雑な前処理を必要としない非破壊特性解析です。ユニークなナノ粒子の様々 な特徴を実行する使用できます。EFTEM トモグラフィーは、APT は、それらを測定する非常に少なくともレーザー支援で必要としながら絶縁材料を分析できます。EFTEM 断層が低解像度で適切に動作しながら、原子スケールの APT が実行されます。透過トモグラフィ実験中にビームの劣化に抵抗するサンプルに対してのみ適切であります。すべての傾斜角度でのすべてのフィルターが適用された画像を記録するには、サンプルは 2 時間限りの電子ビームを公開できます。さらに、2 D マップで最大の化学信号を記録する高いビーム強度で長い博覧会の期間は、必要かもしれません。このような条件でビームの敏感なサンプル抜本的な形態学的・化学的変化に苦しみます。したがって、電子ビームにサンプル感度の正確な測定は、実験前に確立されなければなりません。さらに、透過トモグラフィは空間的な位置およびサンプル.に存在する元素の性質を決定する必要に応じてできるだけ多くの断層を記録の結果それにもかかわらず、EFTEM トモグラフィーは、触媒アプリケーションをモデル化するための新たな洞察を与えるための触媒担体などのサンプルの 3 D 化学配分に関する重要な情報を提供できます。
今日それはエネルギー間隔を選択することができます専用のソフトウェアを使用することが可能、記録エネルギー ウィンドウ画像をフィルター処理し化学物質が異なる角度でマップを計算します。サンプルでは、追跡、焦点を当て、および透過モードでフィルター処理された画像の記録を傾斜できます。2D 化学マップを計算できると、フルティルト シリーズ配置できますが、反復的なアルゴリズムを使用して計算化学のボリュームとシリーズがセグメント化と定量化された15,16をすることができます最後に。
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Protocol
1. サンプル準備
- すり鉢でサンプルをつぶすとアルコールに分散あるいは蒸留水;顕微鏡グリッド上のサンプルの液滴を配置し、乾燥させてください。
注: シリカ アルミナ、チタニア アルミナなどのサンプル粉末または、押出された材料とできる粉砕でき超音波を用いたソリューションに分散しました。一般に、ET 分析グリッドのサンプル濃度が低いサンプルの重ね合わせととき、傾斜角の大きいのグリッドをシャド ウイングを避けるために、重要です。ホーリーファイバーの炭素のレーシー カーボン フィルムをサポートする 200 メッシュ顕微鏡グリッドをお勧めします。 - ピペットを使用して、サンプル上にマーカを含むコロイド溶液の滴を置きます。余分なソリューションを吸収し、乾燥させてください。
注: マーカ、よく校正の金ナノ粒子が溶液中に浮遊します。サンプルを追加する前に、グリッド上のマーカも分散できます。例としてサンプルは、マーカとして同じようなサイズを持つナノ粒子から作られて場合、預金基準マーカー グリッド上のセグメンテーションと定量化の中にもそれらを分離するために。フィデューシャル マーカーは位置参照傾いた画像を整列するときに使用です。
2 フィルター選択された傾斜シリーズ画像の記録
- 電子顕微鏡、顕微鏡グリッドの中央に孤立したサンプルを見つけます。
注: 電子顕微鏡で X 軸に沿ってサンプル ホルダーは、Y 軸はサンプル ホルダーに垂直な Z 軸は電子ビームに沿って。最大傾斜角度でサンプルを傾けることが、X 軸にできるだけ近くに位置していますサンプルを分析します。 - サンプルは、サンプルの化学組成をチェックします。エネルギー分散型 x 線分析法 (EDS)、または電子エネルギー損失分光 (EELS) を使用して選択したサンプル上ビームの集束化学分析を実行し、スペクトルを記録します。サンプルに興味の化学要素が含まれる場合それから離れて移動し、近くの代表的なサンプルで次のテストを実行します。
- 電子ビーム強度のサンプルでは、フィルター処理されたイメージのエネルギー窓の幅の上、それぞれの博覧会の時にフィルタ リングされたイメージを確認します。線照射損傷と化学予測12,13,17に記録された化学信号のサンプルの最良の妥協点を見つけます。
注: フィルターされた画像を最大の化学信号を記録するには、最大強度を使用します。ただし、電子ビームの効果からのサンプルのように変更をチェックするすべての解析の前に照射テストを実行する必要があります。これを行うには、フルティルト シリーズの録画中に電子線照射量を計算します。さらに、実験の後の前に画像と画像を比較することにより使いやすさのテストを行うことができます。 - 3 windows メソッドを使用して 2 D 化学マップの計算にレコーディング ソフトウェアの EFTEM モードを使用し、十分な化学信号が記録されますを確認してください。
注: ソフトウェアの記録 3 つのフィルターが適用されたイメージ。最初の 2 つは、3 番目のイメージから背景を推定するために使用されます。- ソフトウェアで、調査とそのイオン化エッジの下で化学要素を選択します。エネルギー ウィンドウと露光時間の幅を設定します。画像を記録し、べき乗則を使用して背景を抽出する化学マップを計算します。512 x 512 ピクセル 32 ビット環境、最小信号は化学イメージに記録されているピクセルあたり約 300-400 カウント。
- サンプルのユーセン トリック高さとチェック最小傾斜角度、すなわち-70 ° 以下、最大傾斜角、すなわち+70 ° 以上設定します。
- 分析して (これは取得する前にイメージになります) のイメージを記録するサンプルをもたらします。傾斜一連の適切なソフトウェアを使用してフィルター処理された画像を記録します。
注: 専用の透過トモグラフィ プラグインは同時にいくつかの傾斜シリーズを記録できます。これは、各傾斜角で複数の連続した画像が記録されることができますを意味します。最初のイメージは、ゼロ損失を中心としたフィルターが適用されたイメージをすることができ、このイメージは典型的な明視野イメージ。前エッジ画像をクリックし、最初の化学要素の後端の画像は、前エッジ画像と 2 番目の化学要素の後端の画像が続いています。化学元素の承継は、その選択したイオン化エッジによって与えられます。- EFTEM 記録シリーズ ソフトウェアを傾けて、各エネルギー ウィンドウとその露光時間の幅を選択そして、最大・最小傾斜角度と傾きの角度ステップ。フルティルト シリーズ内のイメージ数と電子ビームを試料の総露光時間の間、妥協する使用 4 °、すなわち、51 枚 ± 間傾きシリーズの傾斜ステップ 71 °;ただし、サンプルは梁下で低下しない場合より小さい傾斜ステップを選択できます。
- 化学要素ごとに 3 つのウィンドウ法を用いた化学の投影を計算するフィルターが適用されたイメージの 3 つの傾斜シリーズを記録します。最後の記録された画像は、unfil になります (サンプルは 1 分以上一定の傾斜角度のままできます。) フィルター画像を記録しながら各傾斜角でサンプルの自然なドリフトを定量化するには、最初のイメージがゼロ損失信号にフィルターされたイメージをすることができます。すべてのエネルギーの電子によって形成された新規画像。これらの 2 つの画像は、サンプルの厚さマップの計算に使用できます。したがって、各傾斜角で 2 つの要素の化学の分布を観察するため 7 フィルター画像を記録 (1 最初の化学要素、2 番目の化学要素のための 3 の 3 の損失をゼロ) と (合計 8 フルティルト シリーズ記録) で 1 のフィルタ リングされていないイメージ。
3. 配置およびフルティルト シリーズの再構成
- 各傾斜角の各化学要素に対応する 3 つのフィルターが適用されたイメージに合わせ、ImageJ の専門 EFTEMTJ15,18プラグインを使用して化学のマップの計算。ImageJ ソフトウェアでファイルのパスを使用して、|オープンフルティルト シリーズ フィルター画像に対応するファイルを選択します。すべての 3 つのフィルターが適用された傾斜シリーズを開く: 2 つの前の端と 1 つの後端。
- 専用の EFTEMTJ プラグインを開きます。をクリックして + |イメージまたはスタックし、既に開いているフルティルト シリーズを選択します。
- 表示されるテーブルで塗りつぶし系列ごとに傾斜、すなわち、それぞれのエネルギーエネルギー シフト傾斜シリーズを記録しました。また、スリット幅、すなわちエネルギー窓を埋めます。各フィルターが適用されたイメージの「露出時間」を入力します。すべて 3 傾斜シリーズのマッピングを確認します。次へをクリックします。
- 参照イメージとクリック適用として最初の画像を選んだ。[次へ: 提案された配置のプレビュー イメージが表示されます。視覚的に同じ傾斜角で記録した 3 つの画像がよく重畳 (画像間のシフトする必要がありますも見られなくなる) ことを確認します。
注: このプロトコルは、EFTEMTJ プラグインのバージョン 0.9 で実行されました。この時点でフィルターされた画像は同じ傾斜角度を揃え at を記録しました。 - [EFTEMTJ] ウィンドウで、バック グラウンドおよび化学のエッジに対応する画像を選択します。電源と信号抽出のモデルを選択し、[地図を作成] をクリックします。ImageJ は、ファイルを選択 |保存とこの最後のファイルの保存先のパスを見つけます。
注: 化学のマップの傾きシリーズを入手します。プラグインを使用する方法の詳細についてはオンラインで利用できます。 - すべての化学フルティルト シリーズの 3.1 の手順を繰り返します。
- フルティルト シリーズを合わせて Imod ソフトウェア19 2009 年にリリースのバージョンを使用してゼロ損失傾斜シリーズで揃えます。ソフトウェア別の傾斜シリーズにフルティルト シリーズに計算される線形の適用になります。
注: 位置合わせソフトウェアは、各画像に適用されるすべての変位を含むディスク ファイルに書き込まれます。Imod20を使用して配置の手順は、他の場所が見直され、この資料のスコープ内ではありません。 - ゼロ損失傾斜シリーズの計算位置合わせを使用し、以前に計算された化学フルティルト シリーズに適用すること。
注: このソフトウェアのバージョンでそれはファイルの名前を保存し前変位算定に適用化学傾斜時系列ファイルのゼロ損失傾斜シリーズ ファイルを変更すること。そうでなければ、ソフトウェア、ファイル、同じ名前、同じサイズのイメージの同じ数を持っているが、ゼロ損失画像が化学の画像は含まれません。 - 関連付ける最初記録された画像、すなわち、ゼロの損失と最後の 1 つにセンター クロスでドリフトを定量化 (フィルター処理されないイメージ)。サンプルは、すべてのフィルターが適用されたイメージは記録しながらあらゆる角度で数秒を過ごすことができます。この時間の間にサンプルは当然のことながら少量を漂います。
- ImageJ のソフトウェアでファイルをクリックして |開くとゼロの損失揃え選択傾斜シリーズ、化学物質マップ開く整列フルティルト シリーズ。
- [編集 |カラー |チャンネルを統合。赤い色、緑の最初の化学要素および青の順に 2 番目の化学要素の損失ゼロに対応するファイルを選択します。複合を作成チェック ボックスをオフし、ソース イメージの維持をチェックします。スタックは、すべての記録されたイメージの各傾斜角で作成されます。
- プラグインをクリックして |RGB 計画提携21。赤は、参考イメージです。グリーンを選択し、矢印を使用して、赤の 1 つ以上。次へをクリックし、すべての角度を繰り返します。
- [編集 |カラー |チャンネルの分割と RGB スタックは 3 つのスタックに分割されます: 修正ドリフト化学のマップに対応する緑および青と赤ゼロ損失で対応します。ファイルをクリックして |保存を保存する傾斜シリーズ。
- プラグインをクリックして |Tomoj22,23負荷角度フォーム ファイルを選択します。すべてのフルティルト シリーズは既に整列されているので復興に直接移動します。SIRT、アートのような再構成アルゴリズムを使用して、化学のボリュームだけでなく、ゼロ損失のボリュームを計算するOS アートなど。
注: 化学のボリュームの復元のための反復アルゴリズムを使用することをお勧めします。このソフトウェアを使用して、GPU を使用してボリュームを再構築することが可能です。 - 一度すべてのボリュームを計算し, 得られたボリュームに異なる色を適用し、3 D 化学マップを得るための 1 つのボリュームで重ねてチャンネルを統合オプションを使用します。
4. 3D モデリングと定量化
- 白で得られるボリュームになります対応する階調を選択することによって再建された ZL ボリュームを成す (8 ビット、強度は 255) と黒 (8 ビット、強度は 0 です)。ImageJ は、「しきい値を選択」オプションを使用します。サンプルに対応するすべてのピクセルを選択 (BF 画像サンプルに対応する暗いピクセル質量) サンプルは白、真空は黒いボリュームを作ると。
注: ゼロ損失ボリューム分析サンプル、すなわち、図形およびサンプルの大きさの形態の情報を提供します。 - 255 でバイナリ ゼロ損失量を分割し、試料内部強度 1、他 0 ボリュームを取得します。これは、正規化されたボリュームです。
- 各化学物質情報に対応するサンプルの内部強度これらの強度が他の場所で 0 ボリュームを取得する計算化学ボリューム (手順 4.1) を正規化されたボリュームを掛けます。
注: 化学物質の情報は、サンプルに由来し、したがって、すべての項目が除外されます。 - ImageJ で化学量のヒストグラムを計算し、床板ソフトウェアのヒストグラムの値をインポートします。
- 床板のソフトウェアで強度ヘイスト カウントが 0 (このラインは真空に相当) の行を削除します。
- 新しい列のボリュームの各強度の割合を計算します。各輝度のすべての数の合計数を割り、100 を掛けます。
- 新しい列の割合が前に計算、カウントの現在の割合を追加により出来高の合計の強度に対応する割合を計算します。
注: 化学ボリューム高強度化学情報に対応しています。しかし、強度、低と高のボリュームのノイズ。しきい値は、最高の強度を選択することによって作成されます。 - EELS スペクトルから計算されるサンプルの元素の相対的な濃度を知ること、ヘイストの強度を選択します。(既存の) 場合、255 から始まり、化学成分濃度に対応する強度を減少します。
- 化学物質の濃度に対応した最低の強さを見つける、合計ボリュームの対応する強度の割合は計算される 100% は通常 255 の強度に対応する列に移動します。100% から抽出化学要素 (EELS スペクトル) からの計算される相対的な割合: 結果が閾値の最小の強度に対応します。この方法では、ボクセルが 255 の強度と化学要素に対応して、すべての残りの部分は 0 に化学の 2 値化ボリュームを取得します。手順を繰り返します 2 番目の要素と 2 つの化学 2 値化ボリュームを取得します。
- チャンネルを統合オプションを使用して 2 値化化学ボリュームが重なり、RGB ボリュームに各要素のボリュームに異なる色を割り当てます。
注: 2 つの 2 値化化学ボリュームを重ね合せボクセルを重ね合わせることで両方の化学要素 (コミューン ボクセル) に属する、化学要素 (無料ボクセル) のいずれかに属していないボクセルが強調表示されます。たとえば、赤と緑の 2 値化化学ボリュームは黄色コミューン ボクセルを作成します。 - 8 ビット ボリュームで RGB ボリュームを変換します。色がグレー強度の違いがあります。しきい値] オプションを使用して、両方の化学種 (RGB ボリュームで黄色) に属するボクセルを選択します。その後、同じのしきい値] オプションを使用すると、(以前に選択ボクセルより低い強度がある) 任意の化学要素に属していないボクセルを選択します。強度 0 の真空を選択しないでください。
- コミューンのボクセルのボリュームと無料のボクセルのボリュームを正規化します。化学のボリュームで無料のボクセルのボリュームを乗算し、その他の化学物質の量を減算します。
注: これは、最高の強度を持っている各ボクセルの化学要素を計算します。 - 属するボクセルとそれらのボクセルで最高の強度を持っている化学要素のボリュームに属していないボクセルのボリュームを追加します。
注: この方法で各コミューン ボクセルまたは無料ボクセルは区別される、そのボクセルで最高の強度を持っている化学要素のボリュームに割り当てられています。これは、「イメージの計算」オプションで実行できます。
- サンプルを形成するボクセルの数を定量化するには、3 D スライサーなどの特殊な表面のレンダリング ソフトウェアにセグメント化されたボリュームをインポートします。3 D でサンプルのボリュームを取得する nm3ボクセルのボリュームを掛けます。
- 輪郭検出オプションを使用して、サンプルの表面を形成するボクセルを定量化し、nm2サンプルの表面を得るためにボクセル エリアと乗算します。
- サンプルの質量によって試料の表面を割ることによって表面積を計算します。
注: サンプルの理論的な密度を使用して、サンプルの質量を推定できます。一般に、ET まで計算表面積は N2吸着脱離など専用の方法で計算した比表面積より小さい 10。 - 細孔径分布を計算するには、ゼロの損失 (BF ボリューム) の 2 値化ボリュームを使用します。BF 復興のバイナリのボリュームは 3 D を使用して拡張ツールキット/形態はすべての毛穴が覆われており、拡張回数だけ 3 D をむしばむ侵食された 3D ツールキット/形態を使用してまで 3 D プラグインを拡張させます。その後、得られたボリュームは反転専用表面レンダリング ソフトウェアを使用して視覚化することができます毛穴分布容積のための 2 値化 BF ボリューム量が乗算されます。
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Representative Results
参照13に、このプロトコルのアプリケーションの例を示します。EFTEM トモグラフィ チタニア アルミナ触媒担体の分析に用いる。水素化脱硫 (HDS) のようなアプリケーションで、MoS2ナノ粒子の活動的な段階の触媒の活性を強化するには、チタニアがトレード・マークの支持面で活動的な段階との接触が重要です。それは、チタニアがアルミナより小さい表面積を持っていることを知られています。研究の目的は、チタニア アルミナによるサポートを構築 (したがって、高められた表面積を作成して)、そして触媒担体としてテストします。ここでは、透過トモグラフィ、スイング pH 法により作製したチタニア アルミナ触媒サポートの分析に使用されます。本研究では酸化チタンの異なる濃度の 3 つのサンプルが分析されます。サンプル 1 は 50% アルミナから成るし、50% チタニア、サンプル 2 で構成されています 30% と 70% のアルミナ、チタニアとサンプル 3 構成 10% と 90% のアルミナのチタニア。図 1 a-1 c、XY 平面に平行化学マップの断面が表示されます。グリーン チタニア化学分布、赤はアルミナの分布を表します表し青真空。化学のボリュームは 3 windows メソッドのフルティルト シリーズから計算されます。フィルター処理されたエネルギー windows は次のとおり: 10 eV 幅が 59、70、および 3 の博覧会時間を過ごして、81 の eV を中心とアル L23端の s に位置し 73 eV と 30 eV 幅 415、445、および 15 の録音時間を持つ 482 の eV を中心とした Ti の sL23端 455 eV に位置しています。位置、幅、フィルターされた画像の露光時間は、検出可能な化学信号と化学の地図を得るために選ばれました。-71 ° から 4 ° ・ サクストンのモード24約 119 分のインクリメントで +71 ° チルト シリーズを記録しました。
高濃度の酸化チタン、アルミナに埋め込まれているクラスターを形成した.モデルは、図 1 の d (サンプル 1)、 1e (サンプル 2)、および1 階(サンプル 3) に表示されます。モデル、チタニアは青に表示され、アルミナは透明な赤で表示されます。これらのモデルは、サンプルの表面にチタニアとアルミナの化学物質の分布を用いて定量化されました。それは、チタニアとアルミナのサンプルの割合の独立した、サンプルの表面で覆われている酸化チタン 30% の割合で見つかりました。しかし、アルミナの比表面積に到達するチタニア割合を減少しながら、試料の比表面積が増えています。サンプル 3 10% のみを含むチタニア、約 10 層 nm 厚がサンプルの表面に形成されます。また、化学の地図は 3 つのボリュームの重複によって形成される: 赤でシリカ、緑で、チタニア、青で消失。赤と緑の混合物は、黄色の画素です。黄色のボクセル モデルのボクセルで最高の強度を持つ要素に起因しています。これ等価異方性解像度と EFTEM によって提供される 2D 化学マップの解像度に直接関連している 3 D 化学マップの空間分解能の制限です。分析、蛍光 x 線、x 線光電子分光法、N2ポロシ メーターなど他の分析手法と相関した.特定の面の違いが触媒のアプリケーションで役割を果たすことが示唆されました。
2 番目の例として17の詳細な研究は示されています。本研究では、シリカ アルミナ触媒担体のシリーズを行った。これらの触媒担体アルミナとシリカ、形成、アルミノケイ酸塩の混合物によって提供される酸味があります。研究の目標は、2 つのコンポーネント間の混合物を定量化することでした。実験課題は Al と Si の L23エッジが非常に近く、73 eV と 99 電気でそれぞれ、アルのイオン化エッジが Si のイオン化エッジと重なるという事実で嘘をついた。これらの条件の下で 3 つウィンドウ メソッドは化学信号の抽出精度が低下です。Al と Si の 2 つの信号を区別するために参照12に詳細な「R 比率」メソッドを開発しました。フィルターされた画像の傾きシリーズは、約 83 104 分・ サクストンのモードで 4 ° のサンプル フォーム増分ステップと +71-71 ° の傾きによって記録されました。3 つのフィルターが適用されたイメージは、Si の L23イオン化エッジの信号を分離する記録しました。画像が 59 eV、70 eV と 81 の eV を中心とした広くて露出 10 eV は、5 s。アルの L23端に対応する信号の 2 つだけのフィルターされた画像が記録で中央 99 eV と 110 電気、10 eV 幅および 12 の露出 s。
本研究では Al とさまざまな方法で作製した Si の 4 つのサンプルのシリーズを行った。図 2 aは XY 平面に平行な化学マップの断面とソル粉末法により調製した試料のモデル。このサンプルは扱われた熱蒸気、下 2 番目のサンプルを降伏の化学マップとモデルが表示されます図 2 bに。図 2 cは、機械的混合物により調製した試料の化学のマップを示しています。このサンプルからは高温の蒸気の下で熱処理後2 d 図に示す 4 番目のサンプルを得た。化学物質をマップし、アルミナが赤とシリカが、強化された青がシリカとアルミナとの界面で境界を表す緑をモデル化します。酸の触媒活性は、試料の表面にアルミナとシリカの混合物によって与えられます。調製法の独立、シリカをカバーするサンプルの表面の 30% だけがあります。熱治療後化学分布はより均一なと表面が 50% シリカとアルミナ 50% で覆われています。ソル粉末法と機械の混合物と比較してコンポーネント間均質性の高いサンプルを提供します。サンプルには、シリカ アルミナに埋め込まれた小さなドメインがされています。機械の混合物で作製したサンプルは、シリカ フォーム サンプルのコアとアルミナ シェルとして存在しています。熱扱われない両方のサンプルの一般的な特徴として中心部には、シリカとアルミナ表面上にあります。
シリカとアルミナ、ブレーンステッド酸を作成する、その面での親密な混合物によって形成されたアルミノケイ酸塩相によって提供される酸サイト密度は測定任意単位 (a.u.)/m の2つの CO 吸着。シリカとアルミナの境界の量子化は、物理単位知られているメートル/g または m/m2で行われました。もちろん、シリカとアルミナとの間のインターフェイスは、厚くすることができるが、達する空間解像度は対応する幅の正確な値の計算を許可しませんでした。ただし、この研究は、シリカとアルミナのインターフェイスのより深い理解への道を開きます。
図 1: 断面積と、チタニアとアルミナのサンプルの復元モデル。(緑) で、ティタニア、アルミナ (赤) は (青) で真空に化学物質の分布を表示する XY 平面に平行に化学マップを通じて断面: (、) サンプル 1、50% と 50% アルミナ (b) サンプル 2、70% アルミナ、チタニア、30% 10% (c) サンプル 3、90% アルミナとチタニア、酸化チタン。(d) (e) と (f) で青にチタニアとアルミナ透明な赤でそれぞれ、サンプル 1、サンプル 2、サンプル 3 のモデルを表示します。サンプル 1、サンプル 2 では、アルミナは、チタニアを埋め込みます。サンプル 3、10 の薄層の nm のチタニアがサンプルの表面に形成されます。この図は、Roibanらから変更されています。13この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 断面積と、シリカとアルミナのサンプルの復元モデル。左側化学ボリュームから XY 平面に平行断面には、右側の復元モデル。アルミナは、赤で表示されます、緑、シリカとアルミナとシリカの表面との間の境界は、青色で示されます。それらのモデルで、境界は表示する 4 ボクセル球による人工的に拡張しました。ソル粉末法により作製したサンプルを (、)、(b) サンプル ソル粉末法により作製した、熱処理、(c) (d) 機械的混合法による作製したサンプルにより調製した試料、機械的混合法と加熱処理。この図は、Roibanらから変更されています。17この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
本稿の目的は、透過トモグラフィによる化学の 3 D のマップを取得する方法について説明することです。このプロトコルは完全にオリジナルと著者らによって開発されました。
EFTEM トモグラフィ前述のようにいくつかの欠点があります: フィルターされた画像を取得するために必要な長い露出時間による電子ビーム耐性は、(i) のみサンプルが分析できます。(ii) EFTEM トモグラフィーは、回折コントラストに敏感です。(iii) 線形の多くは手動で行った。3 D の化学のマップを取得するには、ゼロ損失量と化学のボリュームは、座標の 1 つのシステムにする必要があります。これは同じ座標系ですべてのフルティルト シリーズが完全に一致することを必要とします。これは 1 サンプルあたり少なくとも 2 週間の長い作業期間を表します。時間がかかるにもかかわらず、このプロトコルは、ナノメートルの解像度で 3 D 化学マップの計算をことができます。さらに、その他など、分光・分析技術、蛍光 x 線、x 線光電子分光法と組み合わせると、赤外分光法、またはマジック角回転 (MAS) NMR 分光学、機能性材料の完全な説明することができます。作成されます。
電子ビームの強度は一般に電子ビームを絞ることによって制御されます。フィルターされた画像が記録され、露光時間は化学ボリュームを再構築する傾斜投影される化学各投影法で記録された化学信号強度に影響を与えるエネルギー ウィンドウの幅。フィルターされた画像の露光時間傾斜シリーズの録音中に大強度電子ビームの下でサンプルの総露光時間に影響します。サンプルは、梁下であまりにも多くの時間のまま、抜本的な変更を苦しむことができるそれ。3 windows メソッドを使用して後エッジ フィルターが適用されたイメージから化学信号を抽出する力法を用いた背景近似をエネルギー窓の幅に影響します。
挑戦的な技術だから、時間がかかり、透過トモグラフィない広範な適用のために実用的。しかしより敏感な分光計25と高速記録カメラ26,27 (カメラの参照のリストは部分的なリスト) の開発など新しい技術の改善は傾きの合計記録時間を削減します。シリーズ化学のマップのエネルギッシュな解像度を強化していきます。前に述べたように、線形の多くが手動信号の抽出と同じ参照のすべての予測の配置に投射する化学の計算から。自動プロシージャの開発は、ルーチン分析で透過トモグラフィのより一般的な使用を作成します。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
フランス高等教育・研究省に感謝しております規則 Industrielles ド形成パー ラ抜き (CIFRE) と金融支援 IFP エネルギーヌーヴェル。
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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