Summary
Этот документ описывает протокол для достижения 3D химической карты, сочетая энергии фильтруется изображений и электронная томография. Изучена химическая распределение двух опор катализатора, образованный элементов, которые сложно отличить от других методы визуализации. Каждое приложение состоит из сопоставления перекрывающихся химических элементов - соответственно расположенных ионизации края.
Abstract
Энергия, отфильтрованных передачи электронной микроскопии томография (EFTEM томография) может обеспечить карты трехмерные (3D) химических материалов в нанометровом масштабе. EFTEM томография может отдельных химических элементов, которые очень трудно отличить, используя другие методы обработки изображений. Экспериментальный протокол, описанные здесь показано, как создать 3D химической карты для понимания распределения химических и морфология материала. Шаги подготовки образца для данных сегментации представлены. Этот протокол позволяет анализ 3D распределения химических элементов в нанометровом образца. Следует, однако, отметить, что в настоящее время, 3D химической карты могут создаваться только для образцов, которые не луч чувствительным, поскольку запись отфильтрованного изображения требует долго воздействия раз к интенсивным электронный луч. Протокол был применен для количественного определения химического распределение компонентов поддерживает два различных гетерогенных катализаторов. В первом исследовании был проанализирован химических распределение алюминия и титана в titania глинозема поддерживает. Образцы были подготовлены с использованием метода свинг рН. Во-вторых было рассмотрено химических распределение алюминия и кремния в алюмосиликатные поддерживает, которые были подготовлены с использованием соль порошок и методы механической смеси.
Introduction
Свойства функциональных материалов зависит от их 3D параметров. Чтобы полностью понять их свойства и укрепления их функций, важно проанализировать их морфологии и химические распределения в 3D. Электронная томография1 (ET) является одним из лучших методов для предоставления этой информации в нанометровом масштабе2,3. Он состоит из вращающихся образца в большом диапазоне угловых и запись одно изображение на каждой угловой шаг. Полученные наклона серии используется для восстановления объема образца с помощью математических алгоритмов, основанных на4,преобразование радона5. Выбрав уровни серого в объеме помогает модель образца в 3D и количественно 3D параметры как частица локализации6 и размер распределения7, поры позицию и размер распределение8и т.д.
В общем ET выполняется с помощью электронного микроскопа, наклоняя образца до максимально возможных угол, желательно более чем 70° в любом направлении. На каждом углу наклона проекция образца записывается, образуя серии наклона изображения. Что серия tilt выровнены и используется для восстановления объема образца, который будет дробиться и количественно. Потому, что образец не может быть повернут от-90 ° до + 90 °, реконструированный том имеет анизотропной резолюции вдоль ортогональных осей9 из-за угла слепой записи.
И могут быть выполнены в различных режимах съемки. Яркие области ТЕА режим (BF-ТЕА) используется для изучения биологических образцов, аморфные материалы, полимеры, или катализатора поддерживает с сложных фигур. Анализ изображений на основе дифференциация уровней серого, характеризующие плотность компонентов10 (плотной компонент будет более темные, чем светлее, т.е., менее плотной компонент). Крутонаклонные кольцевой темное поле в режиме ТЕА (HAADF-СТЕБЕЛЬ) сканирования используется для анализа образцов кристаллических. Сигнал обеспечивает информацией о химических веществах, как функция Атомный номер; большой компонент образца будет выглядеть ярче, светлее один9. Другие режимы, как энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии (EDX), который собирает рентгеновского, производимого материала11и энергии фильтруется изображений режим (EFTEM)12,13, также способны оценки 3D распределения химических в образце.
В EFTEM изображений, 2D химической карты могут быть записаны с помощью ТЕА с спектрометр энергии электрона. Спектрометр действует как магнитная Призма, диспергирование электроны в зависимости от их энергии. Изображение создается электронов в зависимости от энергии, потерял от взаимодействия с конкретным атома. Если же 2D химических карта вычисляется в различных наклона углов, наклона, полученные серия химических прогнозов, который может использоваться для воссоздания 3D-объем химических.
Не все материалы могут быть проанализированы по EFTEM томографии. Методика предназначена для образцов с слабым или неупорядоченных материалов. Тем не менее она может использоваться для анализа легких элементов, которые очень трудно дифференцировать при использовании других методов обработки изображений. Кроме того чтобы получить надежные 2D химической карты, толщина материала должен быть меньше, чем средний свободный путь электронов через материала14. При этом условии велика вероятность наличия одного электрона, взаимодействующих с один атом. Два метода используются для вычисления 2D химической карты. Первый и наиболее часто используемых является «три windows метод», где два отфильтрованных энергии windows записываются перед краем ионизации элемента под анализ и третий после ионизации края13. Первые два изображения используются для оценки фон, который является экстраполированы с помощью власть закона на положение окна третьего и вычитается из него. Полученное изображение является проекцией 3D распределения анализируемого химического элемента в объеме образца. Второй способ называется «прыжок соотношение»; Он использует только два изображения фильтруются энергии, до и после ионизации края. Этот метод является качественной, как окончательное изображение вычисляется только выполнив соотношение между этими двумя изображениями и не учитывает изменения энергии фона.
Объединив EFTEM с ET, можно получить аналитический томография отфильтрованных энергии. EFTEM томография и атом зонд томография (APT) являются взаимодополняющими методами. По сравнению с APT EFTEM томография является неразрушающим характеристика анализ, который не нуждается в Комплекс пробоподготовки. Он может использоваться для выполнения различных характеристик на уникальный наночастиц. EFTEM томография может анализировать изоляционных материалов, в то время как APT в меньшей помощи лазера необходимо измерить их. APT работает на атомной шкале, в то время как EFTEM томография выполняет адекватно с более низким разрешением. EFTEM томография уместно только для образцов, которые не поддаются разложению луча во время эксперимента. Чтобы записать все отфильтрованного изображения на всех углах наклонена, образец могут подвергаться электронного луча в течение 2 ч. Кроме того чтобы записать максимальный химического сигнала в 2D картах, дольше длительности экспозиции на света высокой интенсивности может быть необходимо. В таких условиях луч чувствительных образцы страдают резкое морфологических и химические изменения. Таким образом точное измерение образца чувствительность к электронно-лучевые должна быть создана до эксперимента. Кроме того EFTEM томография является результатом записи столько томограмм необходимости определить пространственное расположение и характер химических элементов, которые присутствуют в образце. Тем не менее EFTEM томография могут обеспечить важную информацию о 3D химических распределения для образцов, таких как катализатора опоры, чтобы дать новые идеи для моделирования их каталитической приложений.
Сегодня это возможно использовать специализированное программное обеспечение, которое можно выбрать интервал энергии, записи фильтруются энергии окна изображения и рассчитать химической карты на разных наклона углов. Они позволяют, наклоняя образца, отслеживание, фокусировки и запись отфильтрованного изображения в EFTEM режиме. 2D химической карты могут быть рассчитаны и затем наклон серии можно выравнивать, химическая объем вычисляется с помощью итерационных алгоритмов, и наконец серии может быть сегментированным и количественных15,16.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Пробоподготовка
- Раздавить образца в ступке и разогнать его в спирте или дистиллированной воды; место капли образца на сетке микроскопии и дайте ему высохнуть.
Примечание: Образцы таких глинозема кремнезема или Титания глинозема может быть порошок либо экструдированные материала и можно дробленая и рассеяны в решения с помощью УЗИ. В общем для анализа ET, важно, что концентрация образца на сетке является низкой, чтобы избежать наложения образца и затенение когда сетки на большие углы наклона. 200-сетка микроскопии сеток, которые поддерживают фильм Холи углерода или Лейси углерода рекомендуется. - С помощью пипетки, положите капельку коллоидного раствора, содержащего фидуциальный маркеры над образца. Поглощать любые излишки раствора и дайте ему высохнуть.
Примечание: Фидуциальное маркеры являются хорошо калиброванный Au наночастиц, приостановлено в растворе. Фидуциальный маркеры можно также диспергируются сетки перед добавлением образца. Например если образец из наночастиц с аналогичными размерами как фидуциальный маркеров, депозит фидуциальный маркеры над сеткой для того чтобы отделить их хорошо во время данных сегментации и количественной оценки. Фидуциальный маркеры являются положение ссылки, используемые при выравнивании наклонять изображения.
2. запись отфильтрованного Tilt серии изображений
- С микроскопом найти изолированные образца в центре сетки, микроскопии.
Примечание: В электронный микроскоп, ось X проходит вдоль держателя образца, ось Y перпендикулярна держателя образца, и Z ось расположена вдоль электронного луча. Чтобы иметь возможность выборки на максимальный угол наклона, анализировать образец, расположенный как можно ближе к оси X. - После того, как образец хорошо позиционируется, проверьте химическим составом образца. Химический анализ с помощью энергии дисперсионных рентгеновская спектрометрия (ЭЦП), или спектрометрии потери энергии электрона (УГРЕЙ), фокусировки луча на выбранный образец и записывать спектра. Если в образце содержатся химические элементы, представляющие интерес, отойти от его и запустите следующий тесты на близлежащем репрезентативной выборки.
- Проверка электронного пучка интенсивности над образца, ширина окна энергии фильтрованного изображения, и время экспозиции каждого фильтровать изображения. Необходимо найти наилучший компромисс для образца между пучка повреждений и химического сигнала, записанная в химической прогнозы12,13,17.
Примечание: Для записи максимальный химического сигнала в фильтрованного изображения, используйте интенсивности пучка максимального. Однако облучение испытания должны быть выполнены перед какой-либо анализ для проверки любых изменений образца от воздействия электронного луча. Для этого расчета дозы электронов во время записи наклона серии. Кроме того легкость испытаний может быть сделано путем сравнения изображения до и изображение после эксперимента. - Используйте EFTEM режим записи программного обеспечения для расчета 2D химических карту, с помощью метода три windows и проверить, если достаточно химический сигнал записывается.
Примечание: Программное обеспечение записи три отфильтрованного изображения; Первые два используются для оценки фон на третьей картинке.- В программном обеспечении выберите химический элемент под расследование и его ионизации края. Установка ширины окна энергии и времени экспозиции. Запись изображений и затем рассчитать химической карты, с помощью степенному закону для извлечения фон. В 32-разрядной среде с 512 x 512 пикселей примерно 300-400 рассчитывает на пиксель, записанная в образе химических это минимальный сигнал.
- Установите образец на высоту eucentric и Проверьте минимальные наклона, то есть,-70 ° или меньше и максимального наклона, то есть, + 70 ° или более.
- Принесите в примере анализируется обратно в представление и записывать изображение (это будет изображение до приобретения). Затем запишите наклонена серии фильтрованного изображения, с помощью соответствующего программного обеспечения.
Примечание: Выделенные EFTEM томография плагины можно записывать несколько наклона серии в то же время. Это означает, что на каждый угол наклона может быть записано несколько последовательных изображений. Первое изображение может быть фильтрованного изображения, сосредоточены на нулевых потерь и этот образ представляет собой типичный образ ярко поля. До края изображения, а затем после края изображения первого химического элемента следуют до края изображений и после края второй химического элемента. Правопреемства химических элементов дается их края выбранного ионизации.- В записи EFTEM наклона серии программного обеспечения, выберите ширину каждого окна энергии и времени его воздействия, а затем максимальная и минимальная наклоните угол и угловой шаг наклона. Компромисс между количество изображений в серии наклона и общая Выдержка образца до электронного луча, используйте наклона шаг 4°, т.е., 51 изображений в серии наклона между ± 71 °; Однако меньший шаг наклона может быть выбран, если образец не деградируют под балку.
- Для каждого химического элемента записывайте три наклона серии отфильтрованного изображения для вычисления химических проекции, с использованием метода три окна. Для количественного определения естественный дрейф образца на каждый угол наклона во время записи отфильтрованного изображения (образец может оставаться в определенных углах наклона для более чем 1 мин), первое изображение может быть фильтрованного изображения на нулевые потери сигнала, так что последний записанный образ будет нефильтрован ленным изображение формируется все электроны на всех энергий. Эти два изображения могут использоваться для расчета карта толщины образца. Таким образом, для наблюдений за химическим распределение двух элементов на каждый угол наклона, запись 7 отфильтрованного изображения (1 нулевой потерей, 3 для первого химического элемента, 3 для второго химического элемента) и 1 нефильтрованное изображение (в общей сложности 8 серии tilt Записанная).
3. выравнивание и реконструкция серии наклона
- Совместите три фильтрованного изображения, соответствующий каждый химический элемент для каждого угла наклона и вычислить химической карты, с помощью специализированных EFTEMTJ15,18 плагин ImageJ. В ImageJ программного обеспечения, используйте путь к файлу | Открыть и выберите файлы, соответствующие изображения фильтр серии tilt. Открыть все три серии отфильтрованных наклона: два до края и один пост край.
- Откройте выделенный плагин EFTEMTJ. Нажмите на + | Изображение или стека и выберите серии наклона, что уже открыты.
- В таблице, которая появляется заполните сдвига энергии для каждой серии наклона, то есть, энергии, в котором каждый наклон серии был записан. Кроме того заполните щели шириной, т.е., энергии windows. Заполните «Выдержка» каждого фильтрованного изображения. Проверить все три наклона серии карт. Нажмите на следующий.
- Выбрал первое изображение как эталонный образ и затем нажмите кнопку Применить. Нажмите на следующий: появляется изображение для предварительного просмотра предлагаемых выравнивания. Визуально убедитесь, что 3 изображения, записанные на тот же угол наклона хорошо наложенного (без перехода между изображениями должны соблюдаться).
Примечание: Этот протокол была выполнена в версии 0.9 EFTEMTJ плагина. В этот момент отфильтрованного изображения записан at же угол наклона выравниваются. - Выберите в EFTEMTJ окне, соответствующий фон и химической краяизображения. Выберите модель извлечения сигнала как державаи затем нажмите на создать карту. ImageJ, выберите файл | Сохранить и найти путь сохранить этот последний файл.
Примечание: Наклон серии химической карты получается. Более подробную информацию о том, как использовать плагин доступен онлайн. - Повторите шаг 3.1 для всех химических наклона серии.
- Совместите серии нулевых потерь наклона с помощью версии программного обеспечения Imod19 , выпущенный в 2009 году для выравнивания наклона серии. Программное обеспечение позволяет применение рассчитанных рядов на серию наклона в другой серии tilt.
Примечание: Выравнивание программное обеспечение записывает на диск файлов, содержащих все перемещения, применяется к каждому изображению. Процедура выравнивания с помощью Imod20 рассматривается в другом месте и не входит в сферу действия этой статьи. - Используйте выравнивание, рассчитанные для нулевых потерь наклона серии и применить его к ранее рассчитанный химических наклона серии.
Примечание: В этой версии программного обеспечения, можно изменить наклон нулевых потерь серии файла с химической наклона серии, сохраняя имя файла и применяя предыдущий расчетный перемещений. В противном случае для программного обеспечения, этот файл будет иметь то же имя, одинаковое количество изображений одинакового размера, но он не будет содержать нулевые потери изображения, но химических изображения. - Количественно дрейф, крест корреляция первые записанные изображения, т.е., центр на нулевую потерю и последний (нефильтрованное изображение). Образец может потратить несколько секунд на каждый угол наклона в то время как все отфильтрованного изображения записываются. В это время образец естественно бородки небольшую сумму.
- ImageJ программного обеспечения, нажмите на файл | Открыть и выберите нулевые потери выравнивание наклона серии, а затем открыть карты химической выравнивание наклона серии.
- Нажмите на редактировать | Цвет | Объединить каналы. Выберите файл, соответствующий к нулю потери для красного цвета, первый химический элемент для зеленого и второй химический элемент для сини, в этом порядке. Снимите флажок Создать составной и проверить Сохранить исходное изображение. Стека создается на каждом углы наклона для всех записанных изображений.
- Нажмите на плагины | Совместите RGB планы21. Красный является эталонный образ. Выберите зеленый и с помощью стрелок, перекрытие поверх красной. Нажмите кнопку Далее и повторите для всех углов.
- Нажмите на редактировать | Цвет | Разделить каналы и RGB стека будет разделен в три стеки: красный соответствующих потерь и зеленый и синий соответствующее химической карты с исправлениями дрейфа. Нажмите на файл | Сохранить сохранить серии наклона.
- Нажмите на плагины | Tomoj23 22,для выбора файла формы угол нагрузки. Потому что все серии tilt уже выровнены, перейти непосредственно к реконструкции. Расчет количества нулевых потерь, а также химических томов, с использованием алгоритмов восстановления как искусство, СИРТ, ОС-арт, и т.д.
Примечание: Рекомендуется использовать итерационный алгоритм для восстановления химического томов. С помощью этого программного обеспечения, это возможность реконструировать томов с использованием графического процессора. - После того, как вычисляются все тома, используйте параметр Объединить каналы применять различные цвета для полученных томов и дублирования их в одном томе, для получения химических карта 3D.
4. 3D моделирования и квантификация
- Бинаризация реконструированный объем ZL, выбрав соответствующий уровень серого цвета, который будет объем полученных в белом (в 8 бит, интенсивность-255) и черный (в 8 бит, интенсивность равно 0). В ImageJ используйте параметр «Выбор порога». Выделить все пикселы, соответствующий образец (в образе BF, темные пиксели соответствуют образца массы) и сделать том где образец белый и вакуум является черный.
Примечание: Объем нулевых потерь морфологические сведения анализируемого образца, то есть, форма и размер выборки. - Разделите двоичные объем потерь на 255 и получить тома, где интенсивность внутри образца 1 и других равны 0. Это нормализованного объема.
- Умножьте нормализованных объем каждой из вычисляемых химических томов (шаг 4.1) для получения объема интенсивности внутри образца соответствуют к химической информации, где эти интенсивности равны 0, в другом месте.
Примечание: Химическая информация взята из образца и таким образом, исключаются все артефакты. - В ImageJ вычислить гистограмму объема химической и импортировать значения гистограммы в табулирование программного обеспечения.
- Табулирование программного обеспечения удалите строку с числом Хейст интенсивности 0 (эта линия соответствует вакуум).
- В новом столбце рассчитайте долю каждого интенсивности в объеме. Разделите количество каждого интенсивности на сумму всех отсчетов и умножить его на 100.
- В новом столбце рассчитайте долю соответствует интенсивности всего тома, постепенно добавляя текущий доля отсчетов, вычисленной с предыдущей доля.
Примечание: В химической томах, высокой интенсивности соответствуют химической информации. Однако интенсивность, температура и шум в высокой громкости. Порог создается путем выбора высокой интенсивности. - Выберите интенсивности ограбление, зная Относительная концентрация химического элемента в образце рассчитывается от УГРЕЙ спектра. Начните с 255 (если есть) и уменьшение интенсивности, соответствующей концентрации химического элемента.
- Чтобы найти наименьшей интенсивности, соответствующей концентрации химических веществ, перейдите к столбцу, где доля соответствующей интенсивности была рассчитана в общем объеме, 100% обычно соответствует интенсивности 255. От 100%, экстракт вычисляемый относительная доля химического элемента (от УГРЕЙ спектра): результат будет соответствовать минимальной силы света на порог. Таким образом получаются химические binarized тома, где вокселей соответствуют химический элемент с интенсивностью 255 и все остальные — 0. Повторите эту процедуру для второго элемента и получить два химических binarized томов.
- Перекрытия binarized химических тома, используя параметр объединить каналы и назначить разные цвета для каждого элемента тома сделать RGB тома.
Примечание: Путем перекрытия двух томов binarized химических, вокселей, накладываются, которые принадлежат к обоим химических элементов (коммуна вокселей) и вокселей, которые не принадлежат к какой-либо из химических элементов (бесплатный вокселей) будут выделены. Например binarized химическая томов красного и зеленого создать вокселей коммуны, желтый. - Преобразование тома RGB в объеме 8 бит; цвета будут иметь различные серый интенсивности. С помощью параметра порог, выберите вокселей, которые принадлежат оба химических видов (желтый в объеме RGB). Затем используя один и тот же параметр порог, выберите вокселей, которые не принадлежат к любой химический элемент (они имеют меньше интенсивности чем ранее выбранные вокселей). Не следует выбирать пылесос с интенсивностью 0.
- Нормализовать томов вокселей коммуны и объем свободной вокселей. Умножить томов бесплатно вокселей химического томов, а затем вычесть объем других химических.
Примечание: Это вычисляет химический элемент в каждом voxel, имеющий высокие интенсивности. - Добавьте тома вокселей, которые принадлежат и вокселей, которые не принадлежат к объему химический элемент, который имеет высокие интенсивности в этих вокселей.
Примечание: Таким образом, каждой коммуне вокселей или бесплатные voxel дифференцированной и передан объем химического элемента, который имеет высокие интенсивности в этом voxel. Это можно выполнить при помощи параметра «Изображение калькулятор»:
- Чтобы подсчитать количество вокселей, которые формируют выборку, импортируйте сегментирована томов в специализированных поверхности рендеринга программного обеспечения, например 3D Slicer. Затем умножьте объем voxel в3 Нм для получения объема образца в 3D.
- С помощью параметра Краев , количественно вокселей, образуя на поверхности образца и умножить voxel площадью в2 Нм для получения поверхности образца.
- Расчет удельной площади поверхности, разделив поверхности образца по массе образца.
Примечание: Масса образца может быть оценена с помощью теоретическая плотность образца. В общем удельной площади поверхности, вычисляемая ET — 10 меньше удельная поверхность рассчитывается путем специальных методов, таких как N2 адсорбции-десорбции. - Чтобы вычислить распределением пор по размерам, используйте binarized объем потерь (BF объем). Двоичные объем реконструкции BF является расширены с помощью 3D Toolkit/морфологический расширяются 3D плагин до тех пор, пока все поры покрыты и затем эрозии с использованием 3D Toolkit/морфологический ослабить 3D, как столько раз, сколько расширены. Затем полученный объем умножается на Перевернутый объем binarized BF тома, чтобы привести объем распределения поры, которые могут быть визуализированы с помощью выделенного поверхности визуализации программного обеспечения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
В ссылка13приведен пример применения этого протокола. EFTEM томография была использована для анализа Титания глинозема катализатора поддерживает. Для повышения каталитической активности активной фазы MoS2 наночастиц, в приложениях как Гидрообессеривание (HDS), важно, что Титания преобладает на опорной поверхности и при контакте с активной фазы. Известно, что Титания имеет меньше удельная поверхность чем глинозема. Целью исследования является построить Титания, поддерживаемых глинозема (и создать таким образом, повышение удельной поверхности), а затем протестировать его в качестве катализатора. Здесь EFTEM томография используется для анализа Титания глинозема гетерогенного катализатора поддержки подготовленный метод рН качели. В этом исследовании анализируются три образцы различных концентраций Титания. Образец 1 состоит из 50% глинозема и 50% Титания, 2 образца состоит из 70% глинозема и 30% Титания и образец 3 состоит из 90% глинозема и 10% Титания. В рисунке 1a–1 c, показываются сечения химических карт, параллельной плоскости XY. Зеленый представляет пространственного распределения химических Титания, красный представляет распределение глинозема, и синий цвет представляет вакуума. Химическая тома рассчитываются из серии наклона с методом трех windows. Отфильтрованные энергии windows были следующие: 10 eV широкий, сосредоточены на 59, 70 и 81 eV, имея время экспозиции 3 s для Al L23 края расположен в 73 eV и 30 eV широкий, центрированного 415, 445 и 482 eV, имея время записи 15 s для Ti L23 край, расположенный в 455 eV. Положение и ширину, а также время экспозиции отфильтрованного изображения были выбраны для получения химических карту с обнаруживаемыми химического сигнала. Наклон серии были записаны между-71 ° и + 71 ° с шагом 4 ° в режиме Saxton24 в около 119 мин.
Было установлено, что Титания в высокой концентрации является формирование кластеров, которые внедряются в глинозема. Эти модели отображаются в Рисунок 1 d (пример 1), 1e (пример 2) и 1f (пример 3). В моделях Титания отображается синим цветом и глинозема отображается в прозрачный красный цвет. Эти модели были количественно с помощью химического распространения Титания и глинозема на поверхности образцов. Было установлено, что независимо от доли Титания и глинозема в образце, поверхности образца покрыта Титания в пропорции 30%. Однако удельная поверхность образца растет, в то время как доля Титания уменьшается достичь конкретные поверхности глинозема. Для примера 3, содержащие только 10% Титания, слой около 10 Нм толщиной формируется на поверхности образца. Кроме того, химическая карте формируется путем перекрытия трех томов: кремнезема в красном, Титания в зеленый и нулевая потеря синим цветом. Смесь между красным и зеленым, желтым вокселей. Желтая вокселей приписываются элемента, имеющих высокие интенсивности в этом voxel в модели. Это ограничение в пространственное разрешение 3D химической карты, которая напрямую связана с анизотропной резолюции в ET и резолюции 2D химической карты, предоставляемые EFTEM. Анализ соотносится с другие аналитические методы, такие как рентгенофлуоресцентный, Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и N2 porosimetry. Был сделан вывод, что разница между конкретной поверхности может играть роль катализатора приложений.
В качестве второго примера показано исследование, подробно изложены в17 . В этом исследовании мы проанализировали серии кремнезема глинозема катализатора поддерживает. Эти опоры катализатора имеют кислотность, предоставляемый смесь между глиноземом и кремнезема, образуя алюмосиликатных. Целью исследования было подсчитать смесь между двумя компонентами. Экспериментальная задача лгал в том, что края23 L Аль и Si очень близко, в 73 eV и 99 eV, соответственно, и ионизации края Аль перекрывается с краю ионизации Си. В этих условиях три окно метод является менее точным для извлечения химического сигнала. Для того чтобы продифференцировать двух сигналов Аль и Si, был разработан метод «R-коэффициент», подробно ссылка12. Серии tilt фильтрованного изображения были записаны, наклоняя образец формы-71 ° до + 71 ° с шагом приращения 4 ° в режиме Saxton около 83-104 мин. Изолировать сигнал L23 ионизации края Si были записаны три отфильтрованного изображения. Изображения были сосредоточены на 59 eV, 70 eV и 81 eV, были 10 eV широкой и облученных 5 s. Сигнал, соответствующий к краю23 L Аль, только два отфильтрованного изображения были записанные, центрированных на 99 eV и 110 eV, 10 эВ, широкий и подвергаются для 12 s.
В этом исследовании мы проанализировали ряд из четырех образцов Аль и Si, подготовленные различными методами. Рисунок 2a — поперечное сечение химического карта параллельно плоскости XY и модель образца, подготовленный метод соль порошок. В этом примере термически обработанная под паром, уступая во втором примере, чьи химические карта и модели отображаются в Рисунок 2b. Рисунок 2 c показывает химической карты образца, подготовленный механической смеси. Из этого примера после термической обработки под горячим паром, мы получили четвертый пример, показано на рисунке 2d. Химической карты и модели для глинозема являются красный и кремния зеленый, в то время как расширение blue представляет собой границу на поверхности между кремнезема и глинозема. Кислоты каталитической активности дается смесь между глиноземом и кремнезема на поверхности образца. Выяснилось, что независимо от метода подготовки, кремнезем охватывает только 30% поверхности образца. После термообработки химическая распределение более однородной, и поверхность покрыта 50% кремнезема и 50% глинозема. Соль порошок метод предоставляет образцы с высокой однородности между компонентами по сравнению с механической смеси. Небольшие домены кремнезема, встроенных в глинозем присутствуют в образце. Для образца, подготовленный механической смеси кремнезема образует ядро образца и глинозема присутствует в качестве оболочки. Как общая характеристика обоих образцов, которые не обрабатываются термически кремнезем находится в центре, и глинозема на поверхности.
Плотности кислоты сайта, предоставляемый этапа алюмосиликатных, образованный в интимных смесь между кремния и алюминия, создание сайтов Brønsted кислоты на ее поверхности, измеряется в произвольных единицах (a.u.)/m2 , CO адсорбции. Квантование границы между кремнезема и глинозема была исполнена в м/г и м/м2, которые известны в физических единицах. Конечно интерфейс между кремнезема и глинозема может быть толще, но пространственное разрешение достиг не позволяют рассчитать точное значение соответствующей ширины. Однако это исследование открывает путь к более глубокому пониманию взаимосвязи между кремнезема и глинозема.
Рисунок 1: сечений и реконструированный модели образцов Титания и глинозема. Сечений через химической карты параллельно плоскости XY, где показаны химических распределений для Титания (в зеленом), алюминия (в красном) и вакуума (в синем): () примера 1, 50% глинозема и 50% Титания, (b) образец 2, 70% глинозема и 30% Титания и (c) образец 3, 90% глинозема и 10% Титания. (d) (e) и (f) дисплей модели образец 1, образец 2 и 3 образца, соответственно, с titania синим цветом и глинозема в прозрачный красный цвет. В пример 1 и 2 образца глинозема внедряет Титания. В примере 3, тонкий слой 10 Нм Титания формируется на поверхности образца. Этот показатель был изменен с Roiban и др. 13 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: сечений и реконструированный модели образцов кремния и глинозема. На левой стороне сечений параллельно плоскости XY от химической томов, справа – реконструированный модели. Глинозем показан красным, кремнезема в зеленый и граница между поверхностями кремнезема и глинозема указаны синим цветом. В этих моделях границы искусственно расширены путем 4-voxel сферы, чтобы сделать его видимым. () образец подготовлен методом соль порошок, (b) образец подготовлен методом соль порошок и термически обработанная, (c) образец подготовлен методом механической смеси и (d) образца, подготовленный метод механической смеси и термически обработанная. Этот показатель был изменен с Roiban и др. 17 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Цель данного документа является описание как получить 3D химической карты, с помощью EFTEM томография. Этот протокол является полностью оригинальной и разработанного авторами.
EFTEM томография как описано здесь имеет несколько недостатков: (i) только образцы, которые устойчивы пучка электронов могут быть проанализированы, из-за длительной экспозиции время, необходимое для получения фильтрованного изображения. (ii) EFTEM томография чувствителен к дифракции контраст. (iii) многие из рядов выполнялись вручную. Для получения химических карта 3D, нулевых потерь и химических тома должны быть в одной системе координат. Это требует что все серии tilt вполне согласовать в той же системе координат. Это представляет собой длинный рабочий период по крайней мере две недели на сэмпл. Несмотря на то что много времени, этот протокол позволяет вычисления 3D химических карт в нанометровом резолюции. Кроме того, в сочетании с другими спектроскопические и аналитической техники, такие как, рентгенофлуоресцентный, Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, спектроскопия FTIR, или магия угол спиннинг (MAS) ЯМР спектроскопии, полное описание функциональных материалов может быть создан.
Интенсивности пучка электронов обычно контролируется конденсации электронного луча. Ширина окна энергии через который отфильтрованного изображения записываются, и их время экспозиции будет влиять на интенсивность химического сигнала, записанная в каждом химических проекции, который будет использоваться в качестве наклонной проекции восстановить объем химических. Время экспозиции отфильтрованного изображения будут влиять всего Выдержка образца под интенсивным электроннолучевые во время записи наклона серии. Если образец остается слишком много времени под луч, он может страдать радикальные изменения. Ширина окна энергии влияет приближение фона, используя власть закона для извлечения химического сигнала из фильтрованного изображения после края, с помощью метода три windows.
Так как это сложная техника, и много времени, EFTEM томография не практично для широкомасштабного осуществления. Однако новые технические усовершенствования таких, как разработка более чувствительных спектрометры25 и быстрой записи камер26,27 (камеры ссылки список приведен неполный список) позволит сократить общее время записи наклона серии и усилит энергичный резолюции химической карты. Как упоминалось выше, многие из рядов являются руководство, от сигнала добычи и расчет химических прогнозы для выравнивания всех прогнозов по той же ссылке. Разработка автоматических процедур создаст более общего пользования EFTEM томография в обычной анализа.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Мы выражаем признательность французскому министерству высшего образования и научных исследований, конвенций Industrielles де формирования par la Recherche (CIFRE) и новыми энергиями ПСИ за их финансовую поддержку.
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).
