Summary
이 종이 에너지 필터링 이미징 및 전자 단층 촬영을 결합 하는 3D 화학 지도 달성 하는 프로토콜을 설명 합니다. 다른 이미징 기법에 의해 구별 하기 어려운 요소에 의해 형성 된 2 개의 촉매 지원의 화학 유통 연구 했다. 각 응용 프로그램 매핑 겹친된 화학 요소-각각 간격 이온화 가장자리 이루어져 있다.
Abstract
에너지 걸러진된 전송 전자 현미경 검사 법 단층 촬영 (EFTEM tomography) 3 차원 (3D) 화학 물질 nanometric 규모의 지도 제공할 수 있습니다. EFTEM tomography 다른 이미징 기술을 사용 하 여 구별 하기 매우 어려운 화학 요소를 분리할 수 있습니다. 여기에 설명 된 실험 프로토콜 화학 배급과 재료의 형태를 알아야 3 차원 화학 지도 만드는 방법을 보여 줍니다. 샘플 준비 단계 데이터 세분화 되 게 됩니다. 이 프로토콜 nanometric 샘플에서 화학 요소의 3 차원 분포 분석을 허용합니다. 그러나,는 현재, 3D 화학 지도 생성 될 수 있습니다 샘플 하지 않은 민감한, 빔 필터링 된 이미지의 녹화는 강렬한 전자 빔에 긴 노출 시간을 필요로 하기 때문에 주목 한다. 프로토콜은 두 개의 서로 다른 이질적인 촉매 지원의 구성 요소의 화학 유통 계량에 적용 되었습니다. 첫 번째 연구에서 알루미늄과 티타늄 티 타 니 아-알 루미나 지원에서의 화학 유통 분석 했다. 샘플 스윙 pH 메서드를 사용 하 여 준비 되었다. 두 번째, 알루미늄과 솔 분말 및 기계적 혼합 방법을 사용 하 여 준비 된 실리 카-알 루미나 지원에 실리콘의 화학 유통 시험 되었다.
Introduction
기능성 물질의 속성 그들의 3D 매개 변수에 따라 달라 집니다. 완전히 그들의 속성을 이해 하 고 그들의 기능을 향상, 그것은 그들의 형태학과 화학 분배 차원에서 분석 하는 것이 중요입니다. 전자 단층 촬영1 (동부)는 나노미터 스케일2,3에이 정보를 제공 하는 최고의 기술 중 하나입니다. 큰 각도 범위 샘플을 회전 하 고 각 각 단계에서 하나의 이미지를 기록 그것에 의하여 이루어져 있다. 얻은 기울기 시리즈는 라 돈 변환을4,5에 따라 수학적 알고리즘을 사용 하 여 샘플의 볼륨을 재구성 하는 데 사용 됩니다. 3d에서 샘플 모델링 및 계량 입자 지역화6 및 크기 분포7같은 3D 매개 변수, 위치 및 크기 분포8, 등 기 공 수 있습니다 볼륨에서 회색을 선택
일반적으로, 외 최대 각도를 샘플이 선호 어느 방향으로 70 ° 이상 기울 어 서 전자 현미경으로 수행 됩니다. 각 기울기 각도에서 샘플의 투영 한 이미지 기울기 시리즈를 형성 기록 됩니다. 그 기울기 시리즈는 정렬 하 고 있는 세그먼트 되며, 정량 샘플의 볼륨을 재구성 하는 데 사용. 샘플 + 90 °-90 °에서 회전할 수 없습니다, 때문에 복원 된 볼륨은 직교 축9 따라 이방성 해상도 맹인 기록 각도 때문.
외 다른 이미징 모드에서 수행할 수 있습니다. 밝은 분야 가장 모드 (BF 편) 비정 질 재료, 생물 학적 샘플, 폴리머, 공부 하는 데 사용 됩니다 또는 촉매 지원 복잡 한 모양. 이미지 분석 구성 요소10 (조밀한 구성 됩니다 더 라이터 보다 어둠, 즉, 보다 적게 조밀한 구성 요소)의 밀도 특성화 하는 회색 레벨의 차별화를 기반으로 합니다. 스캐닝 가장 모드 (HAADF-줄기)에 높은 각도 환상 어두운 필드 결정 샘플을 분석 하는 데 사용 됩니다. 신호는 원자 번호;의 기능으로 화학 정보를 제공합니다. 샘플의 무거운 구성 요소 밝게 나타납니다 그 라이터 19. 수집 소재11및 에너지에 의해 방출 되는 x 선 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDX) 같은 다른 모드 필터링 이미징 모드 (EFTEM)12,13, 3D 화학 분포를 평가 할 수 있습니다. 내 샘플.
EFTEM 영상, 2D 화학 지도 전자 에너지 분석기와는 가장을 사용 하 여 기록 수 있습니다. 마그네틱 프리즘으로 그들의 에너지의 기능으로 전자를 분산 하 여는 분석기 역할을 합니다. 이미지에 따라 특정 원자와 상호 작용에서 손실 에너지 전자에 의해 만들어집니다. 같은 2D 화학 지도 다른 기울기 각도, 화학 예측의 시리즈를 얻은 기울기에서 계산 하는 경우는 3 차원 화학 볼륨 재구성 하 사용할 수 있습니다.
모든 자료는 EFTEM 단층 촬영 하 여 분석할 수 있습니다. 기술은 약한 또는 무질서 재료 샘플에 대 한 예약 되어 있습니다. 그럼에도 불구 하 고, 그것은 매우 다른 이미징 기술을 사용 하 여 때를 구분 하기 어려운 빛 요소를 분석 하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 신뢰할 수 있는 2D 화학 지도를, 재료의 두께 소재14를 통해 전자의 평균 자유 경로 보다 작은 필요 합니다. 이 조건 하에서 단일 원자와 상호 작용 하는 단일 전자의 확률은 가장 큰. 두 메서드는 2D 화학 지도 계산 하는 데 사용 됩니다. 첫 번째, 및 가장 많이 사용 되 어디 두 필터링 된 에너지 창을 기록 분석, 및 세 번째 요소에 대 한 이온화 가장자리 전에 이온화 가장자리13후 "3-윈도우 방법", 이다. 처음 두 이미지는 배경, 세 번째 창의 위치에 전원 법을 사용 하 고 그것에서 빼고 추정은 추정 하는 데 사용 됩니다. 얻은 이미지는 3D 샘플 볼륨에 분석된 화학 원소 분포의 투영 이다. 두 번째 메서드는 "점프-비율 이라고"; 그것은 두 에너지 필터링 이미지, 사용 전에 한 후 이온화 가장자리. 이 메서드는 질적, 최종 이미지만 그 두 이미지 사이의 비율을 수행 하 여 계산 하 고 배경 에너지 변화에 대 한 고려 하지 않습니다.
동부와 EFTEM을 결합 하 여 필터링 된 에너지의 분석 단층 촬영을 얻을 수 있습니다. EFTEM 단층 촬영 및 원자 조사 단층 촬영 (APT)는 상호 보완적인 기술. APT, 비교 EFTEM 단층 촬영은 복잡 한 샘플 준비를 필요로 하지 않는 비-파괴적인 특성 분석. 그것은 독특한 나노에 다양 한 characterizations을 수행 하기 위해 사용할 수 있습니다. EFTEM tomography APT 그들을 측정 하는 것은 적어도 레이저 지원에 필요 하는 동안 보 온 재료를 분석할 수 있습니다. APT은 EFTEM tomography 낮은 해상도 함께 적절 하 게 수행 하는 동안 원자 규모에서 실행 됩니다. EFTEM 단층 촬영 샘플을 실험 기간 동안 광속 저하 저항에 대 한 관련입니다. 모든 기울어진된 각도에서 모든 필터링 된 이미지를 기록 하는 샘플 2 시간 만큼에 대 한 전자 빔에 노출 수 있습니다. 또한, 2D 지도에 최대 화학 신호를 기록, 하이 빔 강렬에 더 이상 박람회 기간 필요할 수 있습니다. 같은 조건에서 빔 민감한 샘플 형태학 적이 고 및 화학 변화를 겪고 있습니다. 따라서, 전자 빔에 샘플 감도의 정확한 측정 실험 하기 전에 설정 해야 합니다. 또한, EFTEM 단층 촬영은 많은 tomograms. 샘플에 존재 하는 화학 성분의 자연과 공간 위치를 결정 하는 필요에 따라 녹음의 결과 그럼에도 불구 하 고, EFTEM tomography 촉매 응용 프로그램 모델링에 대 한 새로운 통찰력을 제공 하기 위해 촉매 지원 같은 샘플에 대 한 3 차원 화학 유통에 관한 중요 한 정보를 제공할 수 있습니다.
오늘 그것은 에너지 간격을 선택할 수 있는 전용된 소프트웨어를 사용 하 여, 에너지 창 이미지 필터링 기록과 계산 화학 다른 기울기 각도에서 지도. 기울이기 샘플, 추적, 초점, 및 EFTEM 모드에서 필터링 된 이미지를 기록 수 있습니다. 2D 화학 지도 산출 될 수 있다, 그리고 기울기 시리즈를 정렬할 수 있습니다, 반복적인 알고리즘을 사용 하 여 계산 화학 볼륨 마지막 시리즈 세그먼트 및 정량15,16수 있습니다.
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Protocol
1. 샘플 준비
- 박격포에 샘플을 분쇄 하 고 알코올에 분산 또는 증류수; 현미경 검사 법 격자에는 샘플의 작은 물방울을 놓고 말리.
참고: titania 알 루미나 실리 카 알 루미나 등 샘플 수는 분말 또는 압출된 소재, 그리고 짓 눌린 고 초음파를 사용 하 여 솔루션에 분산. 일반적으로, 외 분석에 대 한 그리드 샘플 농도 낮은 샘플 중첩 및 숨김 기울이기 큰 각도에서 그리드 때를 피하기 위해 중요 하다. 200 메쉬 현미경 격자 홀리 탄소 또는 탄소 레이의 영화를 지 원하는 것이 좋습니다. - 피 펫을 사용 하 여 샘플을 통해 표준 마커를 포함 하는 콜 로이드 해결책의 한 방울 넣어. 초과 하는 모든 솔루션을 흡수 하 고 건조 하 게.
참고: 표준 마커 잘 보정 Au 나노 입자 솔루션에 있습니다. 표준 마커 샘플을 추가 하기 전에 그리드를 통해 또한 분산 수 있습니다. 예를 들어 샘플은 표준 표식으로 비슷한 크기를 가진 나노 입자에서 경우, 입금 표준 마커 그리드를 통해 데이터 세분화 및 정량화 동안 잘 그들을 분리 하기 위하여. 표준 마커는 기울어진된 이미지를 정렬 하는 경우에 사용 하는 위치 참조입니다.
2. 필터링 된 기울기 시리즈 이미지의 기록
- 전자 현미경으로 현미경 눈금의 중앙에 고립 된 샘플을 찾아.
참고: 전자 현미경, X 축은 샘플 홀더 따라, Y 축 샘플 홀더에 수직 이며 전자 빔 따라 Z 축이. 최대 기울기 각도에서 샘플을 기울일 수 있을, X 축에 최대한 가까이 위치 하는 샘플을 분석. - 일단 샘플 위치, 검사 샘플의 화학 성분. 에너지 흩어진 엑스레이 분 광 분석 (EDS), 또는 전자 에너지 손실 분 광 분석 (뱀장어)를 사용 하 여 선택한 샘플에는 광속을 집중 하 여 화학 분석을 수행 하 고 스펙트럼을 기록 합니다. 샘플의 화학 요소를 포함, 멀리 이동 하 고 인근 대표 하는 샘플에는 다음 테스트를 실행 합니다.
- 전자 빔 강도 샘플, 필터링 된 이미지의 에너지 윈도우의 너비를 통해 각 박람회 시간 필터링 된 이미지 확인 합니다. 빔 손상 사이의 화학 신호 화학 예측12,,1317에 기록 된 샘플에 대 한 좋은 타협을 찾아.
참고: 필터링 된 이미지에 최대 화학 신호를 기록 하기 위해 사용 하 여 최대 빔 강도. 그러나, 방사선 테스트 전자 빔 효과에서 샘플을 모든 변경 내용을 확인을 분석 하기 전에 수행 되어야 합니다. 이 작업을 수행 하려면 기울기 시리즈의 녹음 하는 동안 전자 복용량을 계산 합니다. 또한, 실험 후 전에 이미지와 이미지를 비교 하 여 쉽게 테스트를 수행할 수 있습니다. - 레코딩 소프트웨어의 EFTEM 모드를 사용 하 여 2D 화학 지도 3-windows 메서드를 사용 하 여 계산 하 고 충분 한 화학 신호 기록 됩니다 확인 합니다.
참고: 소프트웨어 기록 3 필터링 된 이미지; 처음 두 세 번째 이미지에서 배경을 추정 하는 데 사용 됩니다.- 소프트웨어에서 조사 및 그것의 이온화 가장자리에서 화학 요소를 선택 합니다. 노출 시간과 에너지 창의 너비를 설정 합니다. 이미지를 기록 하 고 화학 지도 배경 추출 전원 법을 사용 하 여 계산. 512 x 512 픽셀 32 비트 환경에서 최소 신호 화학 이미지에 기록 하는 픽셀 당 약 300-400 건의입니다.
- Eucentric 높이와 확인 최소 기울기 각도, 즉,-70 ° 이하의 샘플 및 최대 기울기 각도, 즉, + 70 ° 이상 설정 합니다.
- 다시 보기로 분석 (이 인수 하기 전에 이미지를 있을 것입니다) 이미지를 기록 하는 샘플을가지고. 그런 다음 적절 한 소프트웨어를 사용 하 여 필터링 된 이미지의 기울어진된 시리즈 기록.
참고: 전용된 EFTEM tomography 플러그인 동시에 여러 기울기 시리즈를 기록할 수 있습니다. 즉, 각 기울기 각도에서 여러 개의 연속 이미지 기록 될 수 있습니다. 첫 번째 이미지 0 손실에 중심으로 필터링 된 이미지를 수 있으며이 이미지는 전형적인 밝은 필드 이미지입니다. 사전 가장자리 이미지와 다음의 첫 번째 화학 원소 사후 가장자리 이미지는 선행 사전 가장자리 이미지와 두 번째 화학 요소의 후 지 이미지. 화학 성분의 승계는 그들의 선택한 이온화 가장자리에 의해 주어진 다.- 녹음 EFTEM 시리즈 소프트웨어 기울기 각 에너지 창 및 노출 시간, 너비를 선택한 다음 최대 및 최소 기울기 각도 기울기의 각도 단계. 기울기 시리즈에는 이미지의 수와 전자 빔에 샘플의 총 노출 시간 사이 타협 하려면 4 °, 즉, ± 사이 기울기 시리즈 당 51 이미지의 기울기 단계 71 °; 그러나, 작은 기울기 단계 샘플 광선 아래 저하 되지 않습니다 경우 선택할 수 있습니다.
- 각 화학 원소에 대 한 기록 3 시리즈 3 windows 메서드를 사용 하 여 화학 프로젝션 계산에 필터링 된 이미지의 기울기. (샘플은 1 분 이상에 대 한 특정 기울기 각도에 남아 수)는 필터링 된 이미지를 기록 하는 동안 각 기울기 각도에서 샘플의 자연 드리프트를 계량, 첫 번째 이미지 수 신호 0 손실에 필터링 된 이미지를 마지막으로 기록 된 이미지는 unfil 수 있도록 입력 이미지에서 모든 에너지 모든 전자에 의해 형성. 그 두 이미지는 샘플의 두께 지도 계산에 사용할 수 있습니다. 따라서, 각 기울기 각도에서 두 성분의 화학 분포를 관찰, 기록 7 필터링 된 이미지 (1 감소, 3 두 번째 화학 요소에 대 한 첫 번째 화학 요소에 대 한 3 0) 그리고 1 필터링 되지 않은 이미지 (총, 8 틸트 시리즈 기록).
3. 맞춤 및 기울기 시리즈의 재건
- 3 필터링 된 이미지 각 기울기 각도 대 한 각 화학 요소에 해당 하며 화학 지도 ImageJ의 전문된 EFTEMTJ15,18 플러그인을 사용 하 여 계산 됩니다. ImageJ 소프트웨어에서 파일의 경로 사용 하 여 | 오픈 기울기 시리즈 필터 이미지에 해당 하는 파일을 선택 하 고. 모든 3 개의 필터링 된 기울기 시리즈 열: 두 사전 가장자리와 한 후 가장자리.
- 전용된 EFTEMTJ 플러그인을 엽니다. 클릭 + | 이미지 또는 스택 기울기 시리즈는 이미 열려 있는 선택.
- 표시 되는 테이블에서 채우기 시리즈에 대 한 각 기울기, 즉, 에너지는 각 에너지 변화 기울기 시리즈 기록 되었다. 또한, 슬릿 폭, 즉, 에너지 창 기입. 각 필터링 된 이미지의 "노출 시간"을 입력 합니다. 모든 3 개의 기울기 시리즈 매핑을확인 합니다. 다음을 클릭 합니다.
- 참조 이미지 및 다음 적용을 클릭 합니다 첫 번째 이미지를 선택 했습니다. 다음클릭: 제안 된 정렬의 미리 보기 이미지가 나타납니다. 시각적으로 확인 같은 기울기 각도에서 기록 된 3 이미지 잘 개 (이미지 사이 아무 변화 관찰 해야) 합니다.
참고:이 프로토콜은 EFTEMTJ 플러그인의 버전 0.9에서 수행 되었다. 이 순간, 필터링 된 이미지 기록에서 동일한 기울기 각도 정렬 됩니다. - EFTEMTJ 창에서 배경 하 고 화학 가장자리에 해당 하는 이미지를 선택 합니다. 전원, 신호 추출의 모델을 선택 하 고 만들기에클릭. ImageJ, 파일 선택 | 저장 이 마지막 파일을 저장할 경로 찾을.
참고: 화학 지도의 기울기 시리즈는 얻어진 다. 플러그인을 사용 하는 방법에 더 많은 정보는 온라인. - 모든 화학 기울기 시리즈 3.1 단계를 반복 합니다.
- 기울기 시리즈에 맞게 아이 모드 소프트웨어19 2009 년에서 발표의 버전을 사용 하 여 0 손실 기울기 시리즈를 맞춥니다. 소프트웨어는 다른 기울기 시리즈 기울기 시리즈에 계산 된 정렬의 응용 프로그램을 있습니다.
참고: 맞춤 소프트웨어는 각 이미지에 적용 된 모든 치환을 포함 하는 디스크 파일에 씁니다. 아이 모드20 를 사용 하 여 정렬 프로시저 다른 검토는 그리고이 문서의 범위 내에서 아니에요. - 정렬 0 손실 기울기 시리즈에 대 한 계산 사용 하 고 이전 계산된 화학 기울기 시리즈에 적용.
참고:이 소프트웨어 버전에서는 파일의 이름을 보존 이전 계산된 변위를 적용 하 여 화학 기울기 시리즈 파일 0 손실 기울기 시리즈 파일을 변경할 수입니다. 그렇지 않으면, 소프트웨어, 파일 같은 이름, 같은 크기의 이미지의 동일한 수를 있을 것 이다 하지만 제로 손실 이미지 하지만 화학 이미지 포함 되지 않습니다. - 첫 번째 기록 된 이미지, 즉, 손실, 그리고 마지막에 센터를 상호 교차 하 여 드리프트를 계량 (필터링 되지 않은 이미지). 샘플 모든 필터링 된 이미지를 기록 하는 동안 모든 기울기 각도에서 몇 초를 보낼 수 있습니다. 이 시간 동안 샘플 자연스럽 게 작은 금액을 나타난다.
- ImageJ 소프트웨어에서 파일에 클릭 | 오픈 손실 없이 정렬 선택 기울기 시리즈, 그리고 화학 지도 오픈 정렬 기울기 시리즈.
- 편집 클릭 | 컬러 | 병합 채널. 붉은 색, 녹색에 대 한 첫 번째 화학 요소 그리고 파랑, 그 순서 대로 두 번째 화학 요소에 대 한 손실에 해당 하는 파일을 선택 합니다. 복합 만들기 의 선택을 취소 하 고 유지 소스 이미지를 확인 합니다. 스택 모든 기록 된 이미지에 대 한 각 기울기 각도에서 만들어집니다.
- 플러그인을 클릭 | 정렬 RGB 계획21. 레드는 참고 이미지입니다. 그린을 선택 하 고 빨간색 하나 이상의 중복 화살표를 사용 하 여. 다음에 클릭 하 고 모든 각도 대 한 반복.
- 편집 클릭 | 컬러 | 분할 채널 와 RGB 스택 3 스택에 분할 됩니다: 빨간색에 해당 하는 손실, 및 녹색 및 파랑에 해당 하는 화학 지도 수정 드리프트로. 파일을 클릭 | 저장 기울기 시리즈를 하기.
- 플러그인을 클릭 | Tomoj,2223 부하 각도 양식 파일을 선택. 모든 틸트 시리즈는 이미 정렬 때문에 재건에 직접 이동 합니다. 예술, SIRT, 처럼 재구성 알고리즘을 사용 하 여 화학 볼륨으로 볼륨 0 손실의 계산 OS-예술, 등.
참고: 그것은 화학 볼륨의 재건에 대 한 반복 알고리즘을 사용 하 여 권장. 이 소프트웨어를 사용 하 여 GPU를 사용 하 여 볼륨을 재구성 가능 하다. - 모든 볼륨은 계산 병합 채널 옵션 사용 하 여 얻은 볼륨에 서로 다른 색상을 적용 하 여 3D 화학 지도를 단일 볼륨에 중복.
4. 3D 모델링 및 정량화
- 볼륨 화이트에 있을 것입니다 해당 회색 레벨을 선택 하 여 복원된 ZL 볼륨을 binarize (8 비트에 강렬은 255)과 검은색 (8 비트, 강도 0 이다). ImageJ에서 "선택 임계값" 옵션을 사용 합니다. 샘플에 해당 하는 모든 픽셀을 선택 (어두운 픽셀 샘플에 해당 하는 BF 이미지에 질량) 샘플은 흰색 고 진공 블랙 볼륨 하 고.
참고: 0 손실 볼륨 분석된 샘플, 즉, 모양 및 샘플의 크기의 형태학 정보를 제공합니다. - 255, 0 손실의 이진 볼륨을 나누어 하 고 시료 내 농도 1 하 고 다른 곳은 0 볼륨. 이것은 정규화 된 볼륨입니다.
- 화학 정보에 해당 하는 시료 내 농도 이러한 농도 0 다른 곳에서 볼륨을 얻기 위해 계산된 화학 볼륨 (4.1 단계)의 각각에 의해 정규화 된 볼륨을 곱하면 됩니다.
참고: 화학 정보 샘플에서 파생 되 고 따라서 모든 아티팩트는 제외. - ImageJ, 화학 볼륨의 히스토그램을 계산 하 고 tabulate 소프트웨어에서 히스토그램의 값을 가져옵니다.
- Tabulate 소프트웨어에서 강도 강도 수 0 (이 라인 진공에 해당)의 줄을 삭제 합니다.
- 새 열에서 각 강도 볼륨에서의 비율을 계산 합니다. 모든 수의 합으로 각 강도의 수를 분할 하 고 100을 곱하십시오.
- 새 열에서 증분 수, 이전 이전 비율 계산의 현재 비율을 추가 하 여 총 볼륨의 강도에 해당 하는 비율을 계산 합니다.
참고: 화학 볼륨에서 높은 농도 화학 정보에 해당합니다. 그러나, 고 농도 낮 및 높은 볼륨에서 잡음. 임계값은 높은 농도 선택 하 여 생성 됩니다. - 뱀장어 스펙트럼에서 계산 하는 샘플에서 화학 원소의 상대 농도 알면, 강도 강도 선택 합니다. (기존) 경우 255에서 시작 하 고 화학 원소 농도에 해당 하는 강도 감소.
- 화학 농도에 해당 하는 최저 강도 찾으려면, 255의 강도에 일반적으로 해당 하는 100% 하 전체 볼륨에서 해당 강도의 비율은 계산 하는 열으로 이동 합니다. 100%에서 추출 (뱀장어 스펙트럼)에서 화학 요소의 계산 된 상대적 비율: 결과 임계값의 최소 강도에 해당 합니다. 이 방법에서는, 화학 binarized 볼륨 얻을 수 있습니다, 255의 강도와 화학 원소에 해당 하는 복 및 모든 나머지는 0. 두 번째 요소에 대해 절차를 반복 하 고 두 개의 화학 binarized 볼륨.
- 겹치는 병합 채널 옵션을 사용 하 여 binarized 화학 볼륨 고 RGB 볼륨을 각 요소 볼륨에 다른 색을 할당 합니다.
참고: 두 개의 binarized 화학 볼륨, 겹쳐 있다 복 중복 하 여 두 화학 요소 (코뮌 복)에 속하는 하 고 화학 요소 (무료 복) 중 하나에 속하지 않는 복 강조 표시 됩니다. 예를 들어, 빨간색과 녹색의 binarized 화학 볼륨 노란색 코뮌 복을 만듭니다. - 8 비트 볼륨; RGB 볼륨 변환 색상이 서로 다른 회색 농도가 있을 것 이다. 임계값 옵션을 사용 하 여 두 화학 종 (RGB 볼륨에서 노란색)에 속하는 복을 선택 합니다. 그런 다음 동일한 임계값 옵션을 사용 하 여 (그들은 복 선정 되어 이전 보다 더 낮은 농도) 화학 요소에 속하지 않는 복을 선택 합니다. 강도 0 진공을 선택 하지 마십시오.
- 무료 복의 볼륨과 코뮌 복의 볼륨을 정상화. 화학 볼륨에 의해 무료 복의 볼륨을 곱하면 다음 다른 화학 볼륨을 뺍니다.
참고:이 높은 강도 가진 각 복에 화학 원소를 계산 합니다. - 속하는 복과 그 복에 높은 강도 가진 화학 원소의 볼륨에 속하지 않는 복의 볼륨을 추가 합니다.
참고:이 방법에서는, 각 코뮌 복 또는 무료 복 분화 이며 그 복에 높은 강도 가진 화학 원소의 볼륨에 할당 된. 이 "이미지 계산기" 옵션에 의해 수행할 수 있습니다.
- 샘플을 구성 하는 복의 수 정량, 3 차원 슬라이서 등 표면 렌더링 소프트웨어에 세그먼트 볼륨을 가져옵니다. 그런 다음 nm3 차원에서 샘플의 볼륨을 얻을에 복의 볼륨을 곱하면 됩니다.
- 가장자리 찾기 옵션을 사용 하는 샘플의 표면을 형성 하는 복을 계량 고 nm2 샘플의 표면을 얻기 위해 복 지역으로 증식.
- 샘플의 질량에 의해 샘플의 표면을 분할 하 여 특정 표면 영역을 계산 합니다.
참고: 샘플의 대량 샘플의 이론적 밀도 사용 하 여 추정 될 수 있습니다. 일반적으로, 동부 표준시 계산 특정 표면적은 10 N2 흡착 탈 착 등 전용된 방법으로 계산 하는 특정 표면 있습니다. - 기 공 크기 분포를 계산 하려면 binarized 양의 손실 (BF 볼륨)를 사용 합니다. BF 재건의 이진 볼륨은 3D를 사용 하 여 열려진 모든 모 공 커버 될 때까지 다음 크기 만큼 3D를 침식 3D 툴킷/Morphological를 사용 하 여 침식 툴킷/Morphological 3D 플러그인 같은데요. 그런 다음 얻은 볼륨 전용된 표면 렌더링 소프트웨어를 사용 하 여 구상 될 수 있다 숨 구멍 유통 볼륨을 binarized BF 볼륨의 거꾸로 볼륨 곱합니다.
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Representative Results
이 프로토콜의 응용 프로그램의 예로 참조13에 표시 됩니다. EFTEM tomography titania 알 루미나 촉매 지원 분석을 위해 사용 되었다. MoS2 나노 hydrodesulfurization (HDS) 같은 응용 프로그램에서의 활성 단계의 촉매 활동을 향상 시키기 위해 titania 우세한 지원 표면에 그리고 접촉 활성화 단계는 중요 하다. Titania는 알 루미나 보다 작은 특정 표면 알려져 있다. 연구의 목표는 titania 알 루미나 지원 구성 (만들고 따라서, 향상 된 특정 표면), 그리고 촉매 지원으로 그것을 테스트. 여기, EFTEM 단층 촬영 titania-알 루미나 이질적인 촉매 지원 스윙 pH 방법에 의해 준비의 분석 하는 데 사용 됩니다. 이 연구에서는 다른 titania 농도의 3 개의 샘플 분석 된다. 샘플 1의 50%로 구성 되며 50 %titania, 샘플 2 구성 70% 알 루미나 및 30%의 티 타 니 아, 그리고 샘플 3은 알 루미나 90%와 10%의 구성 titania. 그림 1a-1 c, 화학 지도 XY 평면에 평행한 횡단면 표시 됩니다. 그린 titania의 공간 화학 배급, 레드의 분포를 나타냅니다 나타내고 파란색 진공을 나타냅니다. 화학 볼륨 3-윈도우 방법으로 기울기 시리즈에서 계산 됩니다. 필터링 된 에너지 창 했다 다음과 같습니다: 10 eV, 폭 59, 70, 및 3의 박람회 시간 81 eV에 중심 알 L23 지에 대 한 s 위치 73에 eV 30 eV, 415, 445, 및 15의 녹화 시간을 보내고 482 eV에 중심으로 Ti에 대 한 s L23 가장자리 455 eV에 위치 해 있습니다. 필터링 된 이미지의 노출 시간 뿐만 아니라 위치와 폭, 화학 지도 감지 화학 신호를 얻기 위하여 선택 되었다. 기울기 시리즈-71 +71 ° 사이의 약 119 분에 스턴의 모드24 에 4 °의 증가를 기록 했다.
그것은 높은 농도에 titania는 알 루미나에 포함 되어 있는 클러스터 형성은 발견 되었다. 모델은 그림 1 d (예제 1), 1e (예제 2), 및 1 층 (예제 3)에 표시 됩니다. 모델, titania는 파란색으로 표시 하 고는 알 루미나 투명 빨간색으로 표시 됩니다. 이러한 모델 샘플의 표면에 titania 및 알 루미나의 화학 분포를 사용 하 여 정량 했다. 그것은 titania와 샘플에서 알 루미나의 비율의 독립, 샘플의 표면으로 덮여 titania 30%의 비율에 발견 되었다. 그러나, 샘플의 특정 표면 titania 비율 감소의 특정 표면에 도달 하는 동안, 증가 하고있다. 10%를 포함 하는 샘플 3 titania, 약 10의 레이어 nm 두꺼운 샘플의 표면에 형성 된다. 또한, 화학 지도 3 볼륨 중복에 의해 형성 된다: 실리 카 빨간색에서, 녹색, titania 및 파란색에서 손실. 레드와 그린 사이의 혼합은 노란 복. 노란 복은 그 복에 높은 강도 갖는 요소에 모델에 할당 됩니다. 이 외에 이방성 해상도 EFTEM에서 제공 하는 2D 화학 지도 해상도에 직결 되는 3 차원 화학 지도의 공간 해상도에 한계입니다. 분석은 x-선 형광, 엑스레이 광전자 분광학, N2 porosimetry 등 다른 분석 기법으로 상관 된다. 그것은 특정 표면 사이의 차이 촉매 응용 프로그램에서 역할을 할 수 있습니다 체결 했다.
두 번째 예로 연구17 에 자세히 표시 됩니다. 이 연구에서 우리는 실리 카 알 루미나 촉매 지원의 시리즈 분석. 이러한 촉매 지원 알 루미나 및 실리 카, 형성 된 aluminosilicate 사이 혼합에 의해 제공 하는 산도 있다. 연구의 목표는 두 구성 요소 간의 혼합 계량 했다. 실험적 도전 사실 알와 시의 L23 가장자리는 아주 가까이, 73 eV와 99 eV에서 각각 알의 이온화 가장자리 Si의 이온화 가장자리와 겹치는 거짓말. 이러한 조건에서 3 창 메서드는 화학 신호를 추출 하기 위한 덜 정확 합니다. 알와 시의 2 개의 신호를 구별 하기 위해 "R-비율" 메서드 참조12에 개발 되었다. 필터링 된 이미지 기울기 시리즈는 약 83-104 분에 스턴의 모드에서 4 °의 샘플 양식 증가 단계 +71 °-71 °를 기울이기로 기록 되었다. 3 필터링 된 이미지 시의 L23 이온화 가장자리의 신호 분리를 기록 했다. 이미지 59 eV, 70 eV와 81 eV에 집중 되었다 5 10 eV 폭, 그리고 노출 된 s. 알의 L23 가장자리에 해당 하는 신호에 대 한 두 개의 필터링 된 이미지 되었고 기록, 중심에서 99 eV 110 eV, 폭, 그리고 12에 대 한 노출 10 eV s.
이 연구에서 우리는 일련의 알과 다른 방법으로 준비 하는 시의 4 개의 샘플 분석. 그림 2a XY 평면에 화학 지도 병렬의 크로스 섹션 및 솔 분말 방법으로 준비 하는 샘플의 모델 이다. 이 샘플은 치료 열 증기, 아래 두 번째 예제 저조한 그 화학 지도 모델에에서 표시 됩니다 그림 2b. 그림 2 c 기계적 혼합에 의해 준비 된 샘플의 화학 지도 보여줍니다. 이 샘플에서 뜨거운 증기에서 열 처리 후 우리가 얻은 그림 2d4 샘플. 화학 지도 및 모델 알 루미나는 빨간색 실리 카는 녹색, 반면 향상 된 블루 실리 카와 알 루미나 표면에 경계를 나타냅니다. 산 성 촉매 활동 샘플의 표면에 알 루미나와 실리 카 사이 혼합에 의해 제공 됩니다. 그 준비 방법의 독립, 실리 카 커버 샘플 표면의 30%만 발견 된다. 열 처리 후 화학 유통 더 균질 이며 표면 50% 실리 카 및 알 루미나 50%로 덮여 있다. 솔 분말 메서드는 기계적 혼합에 비해 구성 요소 간의 높은 동질성과 샘플을 제공 합니다. 알 루미나에 포함 된 실리 카의 작은 도메인 샘플에 있습니다. 기계적 혼합에 의해 준비 샘플, 샘플의 핵심을 형성 하는 실리 카 및 알 루미나는 포탄으로 존재 하는. 열 처리 되지 않습니다 두 샘플의 일반적인 특성,으로 실리 카 센터에서 이며 표면에는 알 루미나입니다.
실리 카와 알 루미나, 그것의 표면에 Brønsted 산 사이트를 만드는 사이 친밀 한 혼합물에 의해 형성 된 aluminosilicate 단계에서 제공 하는 산 사이트 밀도 측정 임의의 단위 (a.u.)/m2 CO 흡착에 의해. 실리 카와 알 루미나의 양자화 m/g 또는 m/m2, 물리적 단위 알려져 있습니다 수행 했습니다. 물론, 실리 카와 알 루미나 간의 인터페이스, 두꺼운 수 하지만 공간적 해상도 도달 해당 너비의 정확한 값의 계산을 허용 하지 않았다. 그러나,이 연구는 실리 카와 알 루미나 사이의 인터페이스의 더 깊은 이해를 향해 길을 엽니다.
그림 1: 크로스 섹션 및 titania 및 알 루미나 샘플의 복원된 모델. 횡단면 화학 지도 통해 화학 배포판 (녹색)에 titania, 알 루미나 (레드)에 고 (파란색)으로 진공에 대 한 표시 되어 있는 XY 평면에 평행: (한) 샘플 1, 50%와 50% 알 루미나 titania, (b) 샘플 2, 70% 알 루미나와 30 %titania, 및 알 루미나 (c) 샘플 3, 90%와 10 %titania. (d) (e)와 (f) 파란색에서 titania와 투명 한 레드 알 루미나 샘플 1, 샘플 2 및 예제 3의 모델을 각각, 표시. 샘플 1, 샘플 2는 알 루미나는 titania를 포함합니다. 샘플 3, 10의 얇은 층에에서 titania의 nm 샘플의 표면에 형성 된다. 이 그림 Roiban 그 외 여러분 에서 수정 되었습니다. 13 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 크로스 섹션 및 실리 카 및 알 루미나 샘플의 복원된 모델. 왼쪽에는 횡단면 화학 볼륨에서 XY 평면에 평행한, 오른쪽에는 재건된 모델. 알 루미나는 빨간색으로 표시 됩니다, 녹색, 실리 카 및 알 루미나 및 실리 카의 표면 사이 경계는 파란색으로 표시 됩니다. 그 모델에 경계 인위적으로 표시 되도록 4-복 구로 크기입니다. 솔 분말 방법으로 준비 하는 (한) 샘플, (b) 샘플 솔 분말 방법으로 준비 하 고 열 처리, (c) 기계적 혼합 방법 및 (d)에 의해 샘플 준비 샘플 준비는 기계적 혼합 방법 및 열 처리. 이 그림 Roiban 그 외 여러분 에서 수정 되었습니다. 17 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
이 종이의 목표 EFTEM 단층 촬영을 사용 하 여 3D 화학 지도 얻을 하는 방법을 설명 하는 것입니다. 이 프로토콜은 완전히 원래 고 저자에 의해 개발 되었다.
여기에 설명 된 대로 EFTEM 단층 촬영 몇 가지 단점이 있다: (i)만 샘플을 전자 빔 내성, 필터링 된 이미지를 얻기 위해 필요한 긴 노출 시간이 분석 수 있습니다. (ii) EFTEM tomography는 회절 대조에 민감합니다. (iii)는 정렬의 많은 수동으로 수행 했다. 3D 화학 지도를, 0 손실 볼륨 및 화학 볼륨 좌표의 단일 시스템에 있이 필요 합니다. 이 그 모든 틸트 시리즈 같은 좌표 시스템에 완벽 하 게 정렬 필요로 합니다. 이 샘플 당 적어도 2 주간의 긴 작업 기간을 나타냅니다. 시간이 소요 되 고에 불구 하 고이 프로토콜 nanometric 해상도에 3D 화학 지도의 계산을 허용 한다. 또한, 다른 같은 분 광 분석 기술, x-선 형광, 엑스레이 광전자 분광학과 결합, FTIR 분광학, 또는 매직 각도 회전 (MAS) NMR 분광학, 기능적인 물자의 전체 설명 될 수 있습니다. 만들었습니다.
전자 빔 강도 일반적으로 전자 빔 응축에 의해 제어 됩니다. 통해 필터링 된 이미지를 기록 하 고 그들의 노출 시간 기울이면된 예측으로 화학 볼륨을 재구성 하는 데 사용 됩니다 각 화학 프로젝션에 기록 된 화학 신호 강도 영향을 미치는 에너지 창의 너비입니다. 필터링 된 이미지의 노출 시간 기울기 시리즈의 녹음 하는 동안 강렬한 전자 빔 아래 샘플의 총 노출 시간을 좌우할 것 이다. 샘플 빔에서 너무 많은 시간을 위한 경우, 그것은 과감 한 수정 겪을 수 있다. 에너지 창의 너비 3 windows 방법을 사용 하 여 후 지 필터링 된 이미지에서 추출 하는 화학 신호를 전원 법을 사용 하 여 배경 근사 영향.
그것은 도전적인 기술, 시간이 걸리고, EFTEM 단층 촬영은 대규모 구현에 대 한 실용적인 때문에. 그러나, 더 민감한 분석기25 및 빠른 녹화 카메라26,27 (카메라 참조 목록은 일부 목록)의 개발 등 새로운 기술 개선 기울기의 총 기록 시간 줄어 시리즈 및 화학 지도의 에너지 분해능을 향상 시킬 것입니다. 전에 설명 했 듯이는 정렬의 대부분은 신호 추출 및 동일한 기준에 모든 계획의 맞춤 화학 예측의 계산에서 수동. 자동 프로시저 개발 일상적인 분석 EFTEM 단층 촬영의 좀 더 일반적인 사용을 만들어집니다.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
우리는 연구, 고 등 교육의 프랑스 내각에 감사 규칙 산업 드 형성 파 라 검색 (CIFRE)와 그들의 재정 지원을 위해 IFP 에너지 새로운.
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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