Summary
Dette dokumentet beskriver en protokoll for å oppnå 3D kjemiske kart energi filtrert bildebehandling og elektron tomografi. Kjemisk fordelingen av to katalysator støtter dannet av elementer som er vanskelig å skille av andre Bildeteknikker ble studert. Hvert program består av kartlegging overlappende grunnstoffer - henholdsvis linjeavstand ionisering kanter.
Abstract
Energi filtrerte overføring elektronmikroskop tomografi (EFTEM tomografi) gir tredimensjonale (3D) kjemiske kart av materialene på nanometric skala. EFTEM tomografi kan skille grunnstoffer som er vanskelig å skille med andre imaging teknikker. Eksperimentell protokollen beskrevet her viser hvordan du oppretter 3D kjemiske kart å forstå kjemiske distribusjon og morfologi av et materiale. Eksempel forberedelsene for data segmentering presenteres. Denne protokollen tillater 3D distribution analyse av kjemiske elementer i et nanometric utvalg. Det bør imidlertid bemerkes at foreløpig 3D kjemiske kartene kan bare genereres for prøver som ikke strålen følsom, siden innspillingen av bilder filtrert krever lange eksponeringstider til intens elektronstråler. Protokollen ble brukt for å kvantifisere kjemiske fordelingen av komponentene i to forskjellige heterogene katalysator støtter. I den første studien, ble kjemiske fordelingen av aluminium og titanium i titania alumina støtter analysert. Prøvene var forberedt med metoden swing-pH. I andre, ble kjemiske distribusjon av aluminium og silisium i silica alumina støtter som var forberedt med sol-pulver og mekanisk blanding metoder undersøkt.
Introduction
Egenskapene til funksjonelle materialer er avhengige av deres 3D parametere. Å fullt ut forstå deres egenskaper og forbedre sine funksjoner, er det viktig å analysere deres morfologi og kjemiske distribusjon i 3D. Elektron tomografi1 (ET) er en av de beste teknikkene å gi denne informasjonen på nanometer skala2,3. Det består av roterende prøven over kantete mange og opptak ett bilde på hvert kantete trinn. Innhentet tilt serien brukes til å rekonstruere volumet på prøven ved hjelp av matematiske algoritmer basert på Radon transformering4,5. Velge gråtoner i volumet hjelper modell prøven i 3D og kvantifisere 3D parametere som partikkel lokalisering6 og størrelse distribusjon7, pore posisjon og størrelse distribusjon8, osv.
Generelt, utføres ET med et elektronmikroskop ved å vippe prøven til maksimal mulig vinkel, fortrinnsvis mer enn 70° i begge retninger. På hver vinkel registreres det en projeksjon av prøven danner en tilt-bilder serien. Tilt serien er justert og brukes til å rekonstruere volumet av utvalget segmentert og kvantifisert. Fordi prøven ikke roteres fra-90 ° til 90 °, har rekonstruert volumet en Anisotrop oppløsningen langs ortogonale aksen9 på grunn av blind opptak vinkelen.
ET kan utføres i forskjellige imaging modi. Lyse feltet TEM modus (BF-TEM) brukes til å studere amorfe materialer, biologiske prøver, polymerer, eller katalysator støtter med komplekse former. Bildet analysen er basert på differensiering av gråtonene karakteriserer tettheten av komponenter10 (en tett komponent vil være mer mørk enn en lettere, dvs, mindre tett komponent). Høy vinkel ringformede mørke felt i skannemodus i TEM (HAADF-STAMMEN) brukes til å analysere krystallinsk prøver. Signalet inneholder kjemiske informasjon som en funksjon av atomnummer; en stor del av prøven vil være skarpere som en lettere en9. Andre moduser, som energi dispersiv X-ray spektroskopi (EDX), som samler X-ray slippes ut av materielle11og energi filtrert tenkelig modus (EFTEM)12,13, kan også vurdere 3D kjemiske fordelingen i prøven.
I EFTEM bildebehandling, kan 2D kjemiske kart registreres med en TEM med et elektron energi spectrometer. Spectrometer fungerer som et magnetisk prisme av spre elektronene som en funksjon av sin energi. Et bilde er laget av elektroner avhengig av energien går tapt fra å kommunisere med en bestemt atom. Hvis samme 2D kjemiske kart er beregnet på ulike tilt vinkler, en tilt rekke kjemiske anslag er oppnådd, som kan brukes til å rekonstruere 3D kjemiske volumet.
Ikke alle materialer kan analyseres av EFTEM tomografi. Teknikken er forbeholdt prøver med svak eller uordnede materialer. Likevel, den kan brukes for å analysere lette elementer som er svært vanskelig å skille når du bruker andre imaging teknikker. I tillegg for å få pålitelig 2D kjemiske kart, må tykkelsen på materialet være mindre enn betyr gratis banen til elektronene gjennom de materielle14. Under denne tilstanden er sannsynligheten for at en enkelt elektron samspill med en enkelt atom størst. To metoder brukes til å beregne kart 2D kjemiske. Den første, og de mest brukte er "tre-windows metode", der to filtrerte energi Vinduer registreres før ionisering kanten av elementet under analyse og en tredje etter ionisering kanten13. De to første bildene brukes til å beregne en bakgrunn – som er ekstrapolert bruker en strøm lov i plasseringen av den tredje vinduet og trekkes fra den. Illustrasjonen fremskaffet er projeksjon av 3D fordelingen av analysert grunnstoff i prøven volumet. Den andre metoden kalles "hoppe-ratio"; den bruker bare to energi-filtrert bilder, én før og én etter ionisering kanten. Denne metoden er kvalitative, som det endelige bildet beregnes bare ved å utføre forholdet mellom de to bildene, og ikke høyde for bakgrunnen energi variasjon.
Ved å kombinere EFTEM med ET, kan den analytiske tomografi av filtrerte energien hentes. EFTEM tomografi og atom sonde tomografi (APT) er komplementære teknikker. Sammenlignet med APT er EFTEM tomografi en ikke-destruktiv karakterisering analyse som ikke trenger omfattende utvalg forberedelse. Den kan brukes til å utføre ulike karakteristikk på en unik hydrogenion. EFTEM tomografi kan analysere isolerende materialer, mens APT trenger i minste laser hjelp å måle dem. APT kjører atomic skalaen, mens EFTEM tomografi utfører tilstrekkelig med en lavere oppløsning. EFTEM tomografi gjelder bare for prøver som motstå strålen fornedrelse under eksperimentet. For å registrere alle filtrert bilder på alle skrå vinkler, kan prøven bli utsatt for elektronstråle så lenge 2T. Videre, for å registrere en maksimal kjemiske signal i 2D-kart, lenger exposition varighet fjernlys intensitet kan være nødvendig. Under slike forhold lide strålen følsom prøvene drastisk morfologiske og kjemiske endringer. Derfor må en nøyaktig måling av prøven følsomheten til elektronstråle opprettes før eksperimentet. I tillegg er EFTEM tomografi resultatet av innspillingen så mange tomograms som er nødvendig for å bestemme romlige plasseringen og arten av kjemiske elementer som finnes i utvalget. EFTEM tomografi kan likevel gi viktig informasjon om 3D kjemiske fordelingen for prøver, som katalysator støtter, å gi ny innsikt for modellering katalytisk programmer.
I dag er det mulig å bruke dedikert programvare kan velge energi intervallet, post filtrert energi vinduet bilder og beregne kjemiske kart i forskjellige tilt vinkler. De tillater vippe prøven, sporing, fokus og opptak filtrerte bildet i EFTEM modus. 2D kjemiske kartene kan beregnes, og deretter tilt serien kan justeres, kjemiske volumet ved hjelp iterativ algoritmer, og endelig serien kan segmentert og kvantifisert15,16.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. sample forberedelse
- Knuse prøven i en morter og spre den i alkohol eller destillert vann. Plasser en dråpe prøven på et mikroskopi rutenett og la det tørke.
Merk: Eksempler som silica alumina eller titania alumina kan pulver eller en ekstrudert materiale, og kan bli knust og spredt i en løsning ved hjelp av ultralyd. Generelt for ET analyse er det viktig at prøven konsentrasjonen på rutenettet er lav, å unngå eksempel superposisjon og skygge når vippe rutenettet på store vinkler. 200-mesh mikroskopi rutenettene som støtter en film av holey karbon eller lacey karbon anbefales. - Bruker en pipette, sette en dråpe av en colloidal løsning som inneholder fiducial markører over utvalget. Absorberer overflødig løsning og la det tørke.
Merk: Fiducial markørene er godt kalibrert Au nanopartikler suspendert i en løsning. Fiducial markører kan være også spredt over rutenettet før du legger til prøven. Som et eksempel, hvis prøven er laget av nanopartikler med lignende størrelser som fiducial markører, innskudd fiducial markørene over rutenettet for å skille dem godt under data segmentering og kvantifisering. Fiducial markørene er posisjon referansene når justert skrå bildene.
2. opptak av filtrerte Tilt serie bilder
- Med elektron mikroskop, finne en isolert prøve i midten av mikroskopi rutenettet.
NOTE i elektronmikroskop, X-akse er langs eksempel innehaveren, Y-aksen er vinkelrett til eksempel abonnenten og Z-aksen er langs elektronstråle. For å kunne vippe prøven på den maksimal vinkelen, analysere et utvalg ligger så nært som mulig til X-aksen. - Når prøven er godt posisjonert, sjekk prøvens kjemiske sammensetning. Utføre en kjemisk analyse bruker energi dispersiv X-ray massespektrometri (EDS) eller elektronet energi tap massespektrometri (ÅL) ved å fokusere strålen over valgte utvalget, og registrere et spektrum. Hvis utvalget inneholder kjemiske elementer av interesse, bevege fjerne fra den og kjøre de neste testene på et nærliggende representativt utvalg.
- Sjekk elektronet strålen intensitet over utvalget, bredden på vinduene energi filtrerte bildene, og utredning tid hver filtrert bilde. Finne den beste kompromisset for prøven mellom strålen skade og kjemiske signalet i de kjemiske anslag12,13,17.
Merk: For å registrere maksimum kjemiske signalet i filtrert bilder, bruke maksimal strålen intensiteten. Men må en bestråling test utføres før noen analyse for å sjekke for eventuelle endringer til prøven effekten av elektronstråle. Dette gjør beregne elektron dosen under innspillingen av tilt serien. I tillegg kan en enkel test gjøres ved å sammenligne et bilde før og et bilde etter eksperimentet. - Brukes EFTEM innspillingen programvare til å beregne et 2D kjemiske kart med metoden tre-vinduer, og sjekk hvis et tilstrekkelig kjemiske signal registreres.
Merk: Programvaren registrerer tre filtrert bilder; to første brukes til å beregne bakgrunnen fra det tredje bildet.- Velg et grunnstoff under etterforskning og ioniseringen kanten i programvaren. Angi bredden på vinduet energi og eksponeringstid. Ta bildene og deretter beregne kjemiske kartet med en strøm lov til å trekke ut bakgrunnen. I en 32-biters miljø med 512 x 512 bildepunkter er minimum signalet ca 300-400 teller per piksel i et kjemisk bilde.
- Angi eksempel eucentric høyde og sjekk den laveste vinkelen, i.e.-70 ° eller mindre, og maksimal vinkel, dvs, 70 ° eller mer.
- Ta prøven å bli analysert tilbake til visningen og ta et bilde (dette blir bildet før oppkjøpet). Deretter registrere den skrå rekken filtrert bilder ved hjelp av riktig programvare.
Merk: Dedikert EFTEM tomografi plugins kan registrere flere tilt-serien på samme tid. Dette betyr at på hver vinkel, flere påfølgende bilder kan registreres. Det første bildet kan være et filtrert bilde sentrert på zero-tap og dette bildet er en typisk lyse-feltet. Pre kanten bildene og deretter etter kanten bildet av den første grunnstoff følges av pre kanten bilder og etter kanten bildet av andre grunnstoff. Rekken av grunnstoffene er gitt av deres valgte ionisering kant.- I innspillingen EFTEM tilt serien programvare, Velg bredden på vinduene energi og dens eksponeringstid og deretter maksimum og minimum tilt vinkel og kantete trinnet av tilt. Til kompromiss mellom antall bilder i tilt series og total eksponering av utvalget av elektron strålen, bruke et tilt trinn 4°, dvs, 51 bilder per tilt serie mellom ± 71 grader; en mindre tilt-trinn kan imidlertid velges hvis prøven ikke fornedre under strålen.
- For hver grunnstoff, registrere tre tilt rekke bilder filtrert beregne kjemiske projeksjon med metoden tre vinduer. For å kvantifisere det naturlige drift av prøven på hver vinkel mens filtrert bilder (prøven kan forbli i visse tilt vinkel for mer enn 1 min), kan det første bildet være et filtrert bilde på null tap av signal slik at siste innspilte bildet vil bli en unfil Licen sin g bilde dannet av alle elektronene på alle energier. Disse to bildene kan brukes til å beregne tykkelsen kart over utvalget. Derfor for observere kjemiske fordelingen av to elementer på hver vinkel, registrere 7 filtrert bilder (1 null tap, 3 for første grunnstoff, 3 for andre grunnstoff) og 1 ufiltrert bilde (i alt, 8 tilt serien registrert).
3. justering og gjenoppbygging av Tilt-serien
- Justere tre filtrerte bildene tilsvarer hver grunnstoff for hver vinkel, og beregne kjemiske kartet med en spesialisert EFTEMTJ15,18 plugin av ImageJ. ImageJ programvaren, bruke banen fil | Åpne og Velg filene tilsvarer filteret bildene tilt-serien. Åpne alle tre filtrerte tilt serien: to pre kant og én post kant.
- Åpne dedikert EFTEMTJ plugin. Klikk på + | Bilde eller stabel og velger den tilt-serien som allerede er åpne.
- Fyll energi Skift for hver tilt serie, altsåenergien som hver vippe serien ble spilt inn i tabellen som vises. Også fylle Slit bredde, dvs, vinduene energi. Fyll "Eksponeringstid" for hvert filtrerte bilde. Sjekk alle tre tilt Series kartlegging. Klikk på neste.
- Velg det første bildet som referansebildet og klikk Bruk. Klikk på neste: et forhåndsvisningsbilde av den foreslåtte justeringen vises. Visuelt kontrollere at 3 bildene registrert i samme tilt vinkel er godt stablet (ingen skifte mellom bilder bør være observert).
Merk: Denne protokollen ble utført på versjon 0.9 av EFTEMTJ plugin. I dette øyeblikk registrert bilder filtrert at den samme vinkelen er justert. - Velg EFTEMTJ i vinduet bildene tilsvarende på bakgrunnen og kjemiske kanten. Velge modellen signal utvinning som makt, og klikk deretter på Opprett kart. ImageJ, velger fil | Lagre og finne banen til denne siste filen.
Merk: Tilt serien av kjemiske kartet er oppnådd. Mer informasjon om hvordan du bruker plugin er tilgjengelig online. - Gjenta trinn 3.1 for alle kjemiske tilt serien.
- Juster zero-tap tilt serien i en versjon av Imod programvare19 utgitt i 2009 justere tilt serien. Programmet tillater bruk av beregnede justeringer på en tilt-serien til en tilt-serien.
Merk: Justering programvaren skriver på diskfiler som inneholder alle forskyvninger på hvert bilde. Justeringsprosedyren bruker Imod20 vurderes andre steder og er ikke i denne artikkelen. - Bruk justeringen beregnet for zero-tap tilt-serien, og bruke den på de tidligere beregnede kjemiske tilt.
Merk: I denne versjon er det mulig å endre filen zero-tap tilt serie kjemiske tilt serien fil ved å bevare navnet på filen og bruke de forrige beregnet forskyvningene. Ellers for programvaren, vil filen ha samme navn, samme antall bilder av samme størrelse, men det vil ikke inneholde null tap bilder men kjemiske bilder. - Kvantifisere drift av korset samkjøre første innspilte bildet, dvscenter på null tap, og den siste (ufiltrert bildet). Prøven kan tilbringe flere sekunder på hver vinkel mens alle filtrerte bildene registreres. Samtidig driver prøven naturlig litt.
- ImageJ programvare, klikk på filen | Åpne og velg null tap justert vippe serien, så åpne kjemiske kart justert tilt-serien.
- Klikk på Rediger | Farge | Slå sammen kanaler. Velg filen tilsvarer null tap for fargen rød, første grunnstoff for grønne og andre grunnstoff for blå, i den rekkefølgen. Fjern Opprette sammensatte og sjekk Holde kildebildet. En bunke opprettes på hver tilt vinkler for alle innspilte bilder.
- Klikk på Plugins | Justere RGB planer21. Red er referansebildet. Velg grønn og bruker pilene, overlapping det over den røde. Klikk på neste og gjenta for alle vinkler.
- Klikk på Rediger | Farge | Del opp kanaler og RGB stabelen deles i tre stabler: rød tilsvarer null tap og grønne og blå tilsvarende kjemiske kartene med drift korrigert. Klikk på arkiv | Lagre lagre tilt serien.
- Klikk på Plugins | Tomoj22,23 velge Last vinkel skjemafilen. Fordi alle tilt serien justeres allerede, gå direkte til gjenoppbygging. Beregne volumet av zero-tap, samt kjemiske volumene, ved hjelp av gjenoppbygging algoritmer som ART, SIRT, OS-ART, etc.
Merk: Det anbefales å bruke en iterativ algoritme for gjenoppbyggingen av kjemiske volumene. Ved hjelp av denne programvaren, er det mulig å rekonstruere volumer med GPU. - Når alle volumer beregnes, kan du bruke alternativet Slå sammen kanaler bruke forskjellige farger innhentet volumene og overlappe dem i ett enkelt volum, å få 3D-kjemiske kartet.
4. 3D-modellering og måling
- Binarize rekonstruert ZL volumet ved å velge de tilsvarende grå nivået, som blir volumet innhentet i hvitt (i 8 bit, intensiteten er 255) og svart (i 8 bit, intensiteten er 0). I ImageJ, bruker du alternativet "Velg terskelen". Velg alle bildepunktene tilsvarer eksemplet (i en BF bildet mørkere bildepunktene tilsvarer eksemplet masse) og gjøre et volum der utvalget er hvit og vakuum er svart.
Merk: Zero-tap volumet gir morfologiske informasjon analysert prøven, dvs, formen og størrelsen på utvalget. - Del binære volumet av null tap av 255, og få et volum der intensiteten i eksempel 1 og andre steder er 0. Dette er normalisert volumet.
- Multiplisere normalisert volumet av hver av de beregnede kjemiske volumene (trinn 4.1) å få et volum der intensiteten i utvalget tilsvarer kjemiske informasjonen, og intensitetssonene er 0 andre steder.
Merk: Kjemiske informasjonen hentes fra utvalget og derfor alle gjenstander er utelukket. - ImageJ, beregne histogrammet av kjemiske volumet og importere verdier for histogrammet i en tabulate programvare.
- I tabulate programvaren, kan du slette linjen med en intensitet heist antall 0 (denne linjen tilsvarer vakuum).
- I en ny kolonne, beregne andelen av hver intensitet i volumet. Del antall hver intensitet på summen av alle teller, og multiplisere det med 100.
- I en ny kolonne, beregne andelen tilsvarer intensiteten av volumet totale ved gradvis å legge gjeldende andelen teller, beregnet tidligere med tidligere andelen.
Merk: I kjemisk volumer, høy intensiteten tilsvarer kjemiske informasjonen. Men er intensiteten lav og støy i høy-volumet. Terskelen opprettes ved å velge de høyeste intensiteter. - Å vite den relative konsentrasjonen av et grunnstoff i utvalget beregnet fra ÅL spekteret, Velg heist intensiteten. Start fra 255 (dersom eksisterende) og redusere intensiteten tilsvarer grunnstoff konsentrasjonen.
- For å finne laveste intensiteten tilsvarer kjemiske konsentrasjonen, Naviger til kolonnen der andelen tilsvarende intensitet var beregnet i det totale volumet, 100% korresponderer vanligvis til intensiteten av 255. Fra 100% ekstra beregnede relative andel av grunnstoff (fra ÅL spekteret): resultatet svarer til minimum intensiteten i terskelen. På denne måten er kjemiske binarized volumer oppnådd, der voxels tilsvarer grunnstoff med intensiteten av 255 og resten er 0. Gjenta dette for det andre elementet og få to kjemiske binarized volumer.
- Overlapper binarized kjemiske volumene alternativet slå sammen kanaler og tilordne en annen farge på hver element-volum for å gjøre et RGB-volum.
Merk: Ved overlappende av to binarized kjemiske volumer, voxels aktiveringspunktene, som tilhører begge grunnstoffer (kommunen voxels) og voxels som ikke tilhører noen av grunnstoffene (free voxels) utheves. For eksempel opprette binarized kjemiske mengder røde og grønne kommunen voxels som er gul. - Transformere RGB volumet i 8 biter volum; fargene vil ha forskjellige grå intensiteter. Alternativet Terskelverdi, Velg voxels som hører til både kjemiske arter (gul i RGB-volum). Bruke alternativet for samme terskel, velg deretter voxels som ikke tilhører noen grunnstoff (de har lavere intensitet enn voxels valgte tidligere). Ikke Velg vakuum med intensitet 0.
- Normalisere volumet av kommunen voxels og volumet av den gratis voxels. Multiplisere mengder av gratis voxels av kjemiske volumene, og deretter trekke andre kjemiske volumet.
Merk: Denne beregner grunnstoff i hver voxel som har høyest intensiteten. - Legge til volumene av voxels som hører og voxels som ikke tilhører volumet av et grunnstoff som har høyest intensiteten i disse voxels.
Merk: På denne måten hver kommune voxel eller gratis voxel er differensiert og tilordnet volumet av et grunnstoff som har høyest intensiteten i at voxel. Dette kan utføres av alternativet "Bildet Kalkulator":
- For å måle antall voxels som danner prøven, importere segmentert volumene til spesialiserte overflaten gjengivelsesprogramvaren, for eksempel en 3D Slicer. Deretter multiplisere volumet av en voxel i nm3 for å oppnå volumet av prøven i 3D.
- Bruker alternativet Finn kanter , kvantifisere voxels danner overflaten av prøven, og multiplisere med voxel området i nm2 å få overflaten av prøven.
- Beregne arealet på bestemte ved overflaten av utvalget av massen av prøven.
Merk: Masse prøven kan beregnes ved hjelp av teoretiske tettheten av prøven. Generelt er bestemt arealet beregnet ved ET 10 mindre enn bestemte overflaten beregnet av dedikert metoder som N2 adsorpsjon desorpsjon. - Bruk binarized volumet av null tap (BF volumet) til å beregne den porestørrelse distribusjonen. Binær volumet av BF gjenoppbygging dilated bruker 3D Toolkit/Morphological dilate 3D plugin til alle porene er dekket og deretter svekket bruker 3D Toolkit/Morphological erodere 3D så mange ganger dilated. Deretter multipliseres innhentet volumet med invertert volumet av binarized BF volumet, vil resultere i porene distribusjon volumet kan visualiseres ved hjelp av en dedikert overflaten gjengivelsesprogramvaren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Et eksempel på bruk av denne protokollen vises i referanse13. EFTEM tomografi ble brukt for å analysere titania alumina katalysator støtter. For å forbedre katalytisk aktiviteten til den aktive fasen av MoS2 nanopartikler, i programmer som hydrodesulfurization (HDS), er det viktig at titania er overveiende oppbacking overflaten og i kontakt med den aktive fasen. Det er kjent at titania har en mindre spesifikke overflate enn alumina. Målet med undersøkelsen er å konstruere titania støttes av alumina (og dermed opprette en forbedret bestemt overflate), og deretter teste den katalysator støtte. Her brukes EFTEM tomografi til å analysere titania alumina heterogene katalysator støtte utarbeidet av metoden swing pH. I denne studien analyseres tre eksempler på ulike titania konsentrasjoner. Eksempel 1 består av 50% alumina og 50% titania, eksempel 2 består av 70% alumina og 30% titania og prøve 3 består av 90% alumina og 10% titania. I figur 1a-1 c, vises tverrsnitt av kjemiske kartene parallelt XY flyet. Green representerer den romlige kjemiske fordelingen av titania rød representerer fordelingen av alumina og blå representerer vakuum. Kjemisk volumene beregnes fra tilt serien med metoden tre-vinduer. Vinduene filtrerte energi var som følger: 10 eV bred, sentrert på 59, 70 og 81 eV, har en utredning tid av 3 s Al L23 kanten ligger på 73 eV og 30 eV bred, sentrert i 415 og 445 482 eV, har en opptakstid 15 s Ti L23 kanten ligger i 455 eV. Posisjonen og bredden, samt eksponeringstid filtrert bilder ble valgt for å få en kjemisk kart med en synlig kjemisk signal. Tilt serien ble spilt inn mellom-71 ° og 71 ° med en økning på 4 ° i den Saxton modus24 i ca 119 min.
Det ble funnet at titania på høy konsentrasjon danner klynger som er innebygd i alumina. Modeller vises i figur 1 d (eksempel 1) og 1e (eksempel 2) 1f (eksempel 3). I modeller av titania vises i blått og alumina vises i gjennomsiktig rød. Disse modellene ble kvantifisert ved hjelp av kjemiske fordeling av titania og alumina på overflaten av prøvene. Det ble funnet at uavhengig av andelen titania og alumina i utvalget, overflaten av prøven er dekket med titania i en andel på 30%. Imidlertid er bestemte overflaten av prøven økende, mens titania andel er synkende for å nå bestemte overflaten aluminiumoksid. For eksempel 3 inneholder bare 10% titania, et lag med ca 10 nm tykk dannes på overflaten av prøven. Også kjemiske kartet er dannet av overlappende tre bind: silica i rødt, titania i grønt og null tap i blått. Blandingen mellom rødt og grønt er gule voxels. De gule voxels er tilskrevet i modellen til elementet har den høyeste intensiteten i at voxel. Dette er en begrensning i romlig oppløsning av 3D kjemiske maps, som er direkte relatert til Anisotrop oppløsningen i ET og oppløsning 2D kjemiske kart levert av EFTEM. Analysen er korrelert med andre analytiske teknikker som X-ray fluorescens, røntgen photoelectron spektroskopi og N2 porosimetry. Det ble konkludert med at forskjellen mellom bestemte overflater kan spille en rolle i katalytisk programmer.
Som et annet eksempel vises studien i17 . I denne studien analysert vi en rekke silica alumina katalysator støtter. Disse katalysator støtter har en Surhet levert av blandingen mellom alumina og silika, danner en aluminosilicate. Målet med undersøkelsen var å kvantifisere blandingen mellom de to komponentene. Eksperimentell utfordringen løy i det faktum at L23 kantene av Al og Si er svært tett, 73 eV og 99 eV henholdsvis, og ioniseringen kanten av Al overlapper med ionisering kanten av Si. Under disse forholdene er tre-vinduet metoden mindre nøyaktige for utpakking kjemiske signalet. For å skille to signaler om Al og Si, ble "R-forhold" metoden utviklet, beskrevet i referanse12. Bilder filtrert tilt serien ble spilt inn ved å vippe eksempelskjemaet-71 ° til 71 ° med en tilvekst trinn 4 ° i den Saxton modus i ca 83-104 min. Tre bilder filtrert ble registrert for å isolere signalet L23 ionisering kant av Si. Bildene var sentrert på 59 eV, 70 eV og 81 eV, var 10 eV bred og utsatt for 5 s. For signalet tilsvarer L23 kanten av Al, bare to bilder filtrert ble innspilt, sentrert på 99 eV og 110 eV, 10 eV bredt, og utsatt for 12 s.
I denne studien analysert vi en rekke fire prøver av Al og Si utarbeidet av ulike metoder. Figur 2a er et tverrsnitt av kjemiske kart parallell til XY flyet og modellen av utvalget utarbeidet av metoden sol-pulver. Denne prøven ble termisk behandlet under damp, gir det andre eksemplet, som kjemisk kart og modellen vises i figur 2b. Figur 2 viser kjemiske kartene på utvalget utarbeidet av mekanisk blanding. Fra dette eksemplet fikk etter en termalbehandling under varm damp, vi fjerde prøven, vist i figur 2d. Kjemisk kart og modeller for alumina er røde og for silika er grønne, mens den forbedrede blå representerer grensen på overflaten mellom silisium og alumina. Acid katalytisk aktiviteten er gitt av blandingen mellom alumina og silica på overflaten av prøven. Det er funnet at uavhengig av metoden forberedelse, silica dekker bare 30% av prøven overflaten. Etter termisk behandling, kjemiske distribusjonen er mer homogen, og overflaten er dekket med 50% silica og 50% alumina. Metoden sol-pulver gir prøver med en høy homogenitet mellom komponenter sammenlignet med mekanisk blandingen. Liten domener av silisium innebygd i aluminavirksomheten finnes i utvalget. For utvalget utarbeidet av mekanisk blanding, silica danner kjernen i utvalget og aluminiumoksid er et skall. Som en generell karakteristikk av begge prøver som ikke behandles termisk, silika er i midten, og alumina er på overflaten.
Acid nettsted tettheten fra aluminosilicate fasen av intime blandingen mellom silisium og alumina, opprette Brønsted syre områder på overflaten måles i vilkårlig enheter (a.u.)/m2 av CO adsorpsjon. Av kvantisering av silika og alumina ble utført i m/g eller m/m2, som er kjent for fysiske enheter. Selvfølgelig grensesnittet mellom silisium og alumina kan være tykkere, men romlige oppløsningen nådde tillate ikke beregning av en nøyaktig verdi av tilsvarende bredden. Men åpner denne studien veien mot en dypere forståelse av grensesnittet mellom silisium og alumina.
Figur 1: tverrsnitt og rekonstruert modeller av titania og alumina prøvene. Tverrsnitt gjennom kjemiske kartet parallelt XY flyet, der den kjemiske distribusjonen er vist for titania (i grønt), alumina (i rødt) og vakuum (i blått): (en) eksempel 1, 50% alumina og 50% titania, (b) prøve 2, 70% alumina og 30% titania, og (c) prøve 3, 90% alumina og 10% titania. (d) (e) og (f) vise modeller av eksempel 1, eksempel 2 og eksempel 3, henholdsvis titania i blått og alumina i gjennomsiktig rødt. I eksempel 1 og eksempel 2 bygger alumina på titania. I eksempel 3, et tynt lag av 10 nm i titania dannes på overflaten av prøven. Dette tallet har blitt endret fra Roiban et al. 13 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: tverrsnitt og rekonstruert modeller av silika og alumina prøvene. Til venstre er tverrsnitt parallelt XY flyet fra kjemiske volumene, er rekonstruert modeller. Alumina vises i rødt, angis silica i grønt, og grensen mellom overflater av Nd2Fe14B og aluminavirksomheten i blått. I disse modellene dilated grensen kunstig av en 4-voxel kule gjør den synlig. (en) utvalget utarbeidet av metoden sol-pulver, (b) utvalget utarbeidet av metoden sol-pulver og termisk behandlet, (c) utvalget utarbeidet av mekanisk blanding metoden, og (d) utvalget utarbeidet av det mekanisk blanding metoden og termisk behandlet. Dette tallet har blitt endret fra Roiban et al. 17 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Målet med denne utredningen er å beskrive hvordan få 3D kjemiske kart bruker EFTEM tomografi. Denne protokollen er helt original og ble utviklet av forfatterne.
EFTEM tomografi som beskrevet her har flere ulemper: (i) eksempler som elektron strålen motstandsdyktig kan analyseres, på grunn av lang eksponeringstiden nødvendig for å få bilder filtrert. (ii) EFTEM tomografi er følsom for Diffraksjon kontrasten. (iii) mange av justeringer ble utført manuelt. For å få 3D-kjemiske kartet, må zero-tap volumet og kjemiske volumer være i ett enkelt system med koordinater. Dette nødvendiggjør at alle tilt serien justeres perfekt samme koordinatsystem. Dette representerer en lang arbeidsperioden minst to uker per prøve. Til tross for tidkrevende, kan denne protokollen beregning av 3D kjemiske kart nanometric oppløsning. I tillegg kombineres med andre spektroskopiske og analytiske teknikker som X-ray fluorescens, røntgen photoelectron spektroskopi, FTIR spektroskopi, eller magic-vinkel-spinning (MAS) NMR spektroskopi, en fullstendig beskrivelse av en funksjonell materiale kan være opprettet.
Elektron strålen intensiteten kontrolleres vanligvis av kondenserende elektronstråle. Bredden på vinduet energi som filtrert bildene registreres, og deres eksponeringstid vil påvirke kjemiske signal intensiteten i hver kjemisk projeksjon, som vil bli brukt som skrå anslag for å rekonstruere kjemiske volumet. Eksponeringstid filtrert bilder vil påvirke totale eksponeringstiden for prøven under intens elektronstråler under innspillingen av tilt serien. Hvis et utvalg forblir for mye tid under strålen, kan det lider drastiske endringer. Bredden på vinduene energi påvirker bakgrunn tilnærming ved hjelp av en strøm lov for å trekke kjemiske signalet fra etter kanten filtrerte bildet med metoden tre-vinduer.
Siden det er en utfordrende teknikk, og tidkrevende, EFTEM tomografi er ikke praktisk for bred skala implementering. Imidlertid vil nye tekniske forbedringer som utviklingen av mer følsomme spektrometre25 og rask opptak kameraer26,27 (listen kameraer referanser er en delvis liste) redusere den totale opptakstid på tilt serien og vil forbedre energisk oppløsningen av kjemiske kartene. Som nevnt tidligere, er mange av justeringer manuell, fra signal utvinning og beregning av kjemiske anslagene til justeringen av alle anslag på den samme referansen. Utviklingen av automatisk prosedyrer oppretter en mer generell bruk av EFTEM tomografi rutinemessig analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Vi er takknemlige for det franske ministeriet for høyere utdanning og forskning, konvensjoner Industrielles de formasjon par la Recherche (CIFRE) og IFP energier Nouvelles for deres 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 |
References
- Frank, J. Electron Tomography - Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell. , Springer-Verlag. New York. (2006).
- Midgley, P. A., Dunin-Borkowski, R. E. Electron tomography and holography in materials science. Nat. Mater. 8, 271-280 (2009).
- Carenco, S. The core contribution of transmission electron microscopy to functional nanomaterials engineering. Nanoscale. 8 (3), 1260-1279 (2016).
- Radon, J. Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte langs gewisser Mannigfaltigkeiten. Akad. Wiss. 69, 262-277 (1917).
- Radermacher, M. Radon transform techniques for alignment and three-dimensional reconstruction from random projections. Scanning Microscopy. 11, 171-177 (1997).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ersen, O., Florea, I., Hirlimann, C., Pham-Huu, C. Exploring nanomaterials with 3D electron microscopy. Mater. Today. 18 (7), 395-408 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Egerton, R. F. Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope. , Springer. (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- EFTEM-TomoJ. , Available from: http://www.cmib.fr/en/download/softwares/EFTEM-TomoJ.html (2018).
- 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).
- The IMOD Home Page. , Available from: http://bio3d.colorado.edu/imod/ (2018).
- Landini, G. Align RGB planes. ImageJ. , Available from: https://ImageJ.net/Align_RGB_planes (2018).
- Messaoudi, C. TomoJ. , Available from: http://www.cmib.fr/en/download/softwares/TomoJ.html (2018).
- 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).
- Saxton, W. O., Baumeister, W., Hahn, M. Three-dimensional reconstruction of imperfect two-dimensional crystals. Ultramicroscopy. 13 (1-2), 57-70 (1984).
- Gatan, Inc. Quantum Energy Filters High Throughput Spectrometers. , Available from: http://www.gatan.com/products/tem-imaging-spectroscopy/gif-quantum-energy-filters (2018).
- Gatan, Inc. Direct Detection 16-Megapixel Camera. , Available from: http://www.gatan.com/products/tem-imaging-spectroscopy/k2-direct-detection-cameras (2018).
- Direct Electron, LP. DE-Series Cameras. , Available from: http://www.directelectron.com/products/de-series (2018).
