Summary
Detta dokument beskriver ett protokoll för att uppnå 3D kemiska kartor att kombinera energi filtreras imaging och elektron tomografi. Kemisk distribution av två katalysator stöder bildas av delar som är svåra att skilja genom andra avbildningstekniker studerades. Varje program består av mappning överlappade grundämnen - respektive fördelade-jonisering kanter.
Abstract
Energi filtrerade överföring elektronmikroskopi tomografi (EFTEM tomografi) kan ge tredimensionella (3D) kemiska kartor av material i nanometrisk skala. EFTEM datortomografi kan separera grundämnen som är mycket svåra att skilja använder andra avbildningstekniker. Det experimentella protokollet som beskrivs här visar hur man skapar 3D kemiska kartor för att förstå kemiska distribution och morfologi av ett material. Provberedningssteg för data segmentering presenteras. Detta protokoll tillåter 3D distribution analys av grundämnen i en nanometriska provet. Det bör dock noteras att för närvarande 3D kemiska kartor kan endast skapas för prover som inte är beam känslig, eftersom inspelningen av filtrerade bilder kräver långa exponeringstider till en intensiv elektronstråle. Protokollet har tillämpats för att kvantifiera kemisk distribution av komponenterna i två olika heterogena katalysator stöd. I den första studien analyserades kemiska fördelningen av aluminium och Titan i titania-aluminiumoxid stöder. Proverna var förberedda med metoden swing-pH. I andra undersöktes kemisk distribution av aluminium och kisel i silica-aluminiumoxid stöder som utarbetades med hjälp av sol-pulver och mekanisk blandning metoder.
Introduction
Egenskaperna för funktionella material är beroende av deras 3D parametrar. För att fullt förstå deras egenskaper och förbättra deras funktioner, är det viktigt att analysera deras morfologi och kemisk distribution i 3D. Electron tomografi1 (ET) är en av de bästa teknikerna för att tillhandahålla denna information på nanometer skala2,3. Den består av roterande provet över stora kantiga räckvidd och inspelning av en bild på varje kantiga steg. Den erhållna tilt-serien används för att rekonstruera volymen av provet med hjälp av matematiska algoritmer baserat på Radon transform4,5. Att välja grå nivåer i volymen hjälper till att modell provet i 3D och kvantifiera 3D parametrar som partikel lokalisering6 och storlek distribution7, pore position och storlek distribution8, osv
I allmänhet utförs ET med ett elektronmikroskop genom att luta provet till den högsta möjliga vinkeln, helst mer än 70° i endera riktningen. På varje tiltvinkel registreras en projektion av provet bildar en bilder tilt series. Tilt serien riktas och används för att rekonstruera volymen av provet som kommer vara segmenterade och kvantifieras. Eftersom provet inte kan roteras från-90 ° till + 90 °, har rekonstruerade volymen en Anisotrop upplösning längs den ortogonala axel9 på grund av den blinda inspelning vinkeln.
ET kan utföras i olika imaging lägen. Det ljusa fält TEM läget (BF-TEM) används för att studera amorfa material, biologiska prover, polymerer eller katalysator stöder med komplexa former. Bildanalys bygger på differentieringen av grånivåerna kännetecknar tätheten av komponenter10 (en tät komponent blir mer mörk än en ljusare, dvs, mindre tät komponent). Hög vinkel ringformig mörka fält i sökningsläge TEM (HAADF-STEM) används för att analysera kristallina prover. Signalen innehåller kemiska information som en funktion av det Atom-numret; en tung del av provet kommer ljusare som en lättare en9. Andra lägen, som Energy Dispersive X-ray spektroskopi (EDX), som samlar in röntgen som avges av den materiella11och energi filtreras imaging läge (EFTEM)12,13, klarar också av att bedöma 3D kemisk distribution inom urvalet.
I EFTEM imaging, kan 2D kemiska kartor registreras med en TEM med en elektron spektrometer. Spektrometern fungerar som en magnetisk Prisma genom spridning elektronerna som en funktion av deras energi. En bild skapas av elektronerna beroende på den energi som försvinner från att interagera med en viss atom. Om samma 2D kemisk karta beräknas på olika lutningsvinklar, en tilt serie kemiska prognoserna erhålls, som kan användas för att rekonstruera 3D kemiska volymen.
Inte allt material kan analyseras med EFTEM tomografi. Tekniken är reserverad för prover med svag eller oordnade material. Den kan dock användas för att analysera lätta grundämnen som är mycket svåra att skilja när du använder andra avbildningstekniker. Dessutom, för att erhålla tillförlitlig 2D kemiska kartor, måste tjockleken på materialet vara mindre än den genomsnittliga gratis väg av elektronerna genom den materiella14. Under detta tillstånd är sannolikheten för att ha en enda elektron som interagerar med en enda atom störst. Två metoder används för att beräkna en 2D kemisk karta. Den första, och mest använda är ”tre-windows metoden”, där två filtrerade energi fönster registreras innan jonisering kanten av elementet under analys, och en tredje efter jonisering edge13. De två första bilderna används för att uppskatta bakgrunden, vilket är extrapoleras med en makt lag vid den tredje fönster och subtraheras från det. Erhållna bilden är projektionen av 3D fördelningen av de analyserade grundämnet i provvolymen. Den andra metoden kallas ”hoppa-ratio”; den använder endast två energi-filtrerad bilder, en före och en efter jonisering kanten. Denna metod är kvalitativa, som den slutliga bilden beräknas endast genom att utföra förhållandet mellan dessa två bilder, och tar inte hänsyn till bakgrunden energi variation.
Genom att kombinera EFTEM med ET, kan den analytiska tomografi av den filtrerade energin erhållas. EFTEM tomografi och atom sonden tomografi (APT) är kompletterande tekniker. Jämfört med APT är EFTEM datortomografi en icke-förstörande karakterisering analys som inte behöver komplexa provberedning. Det kan användas för att utföra olika karakteriseringar på en unik nanopartiklar. EFTEM datortomografi kan analysera isolerande material, medan APT behov vid minsta laser hjälp att mäta dem. APT körs på den atomära skalan, medan EFTEM tomografi utför tillräckligt med en lägre upplösning. EFTEM datortomografi är relevant endast för prover som motstår beam nedbrytning under experimentet. Spela in alla filtrerade bilder på alla lutande vinklar genom kan provet utsättas för elektronen strålar så länge som 2 h. Dessutom för att spela in en maximal kemisk signal i 2D kartor, kan längre utläggning varaktigheter med hög beam intensitet vara nödvändigt. Under sådana förhållanden lida beam känsliga proverna drastiska morfologiska och kemiska förändringar. Därför måste en exakt mätning av provet känsligheten för elektronstrålen fastställas innan experimentet. EFTEM datortomografi är dessutom resultatet av inspelningen så många tomograms som behövs för att fastställa geografiska läge och beskaffenhet de kemiska grundämnen som finns i provet. Dock kan EFTEM datortomografi ge viktig information om 3D kemiska utdelning för prover, såsom katalysator stöder, att ge nya insikter för modellering deras katalytiska applikationer.
Är idag det möjligt att använda särskild programvara som kan välja intervallet energi, post filtreras bilder energi fönster, och beräkna kemiskt kartor på olika lutningsvinklar. De tillåter luta provet, spårning, fokusera och registrerar den filtrerade bilden i EFTEM läge. 2D kemiska kartor kan beräknas, och sedan tilt serien kan justeras, kemiska volymen beräknas med hjälp av iterativa algoritmer, och slutligen serien kan vara segmenterade och kvantifierade15,16.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. provberedning
- Krossa provet i en mortel och skingra det i alkohol eller destillerat vatten; Placera en droppe av provet på ett mikroskopi rutnät och låt den torka.
Obs: Prover, såsom kiseldioxid aluminiumoxid eller titania aluminiumoxid kan vara ett pulver eller en extruderade material, och kan krossas och spridda i en lösning med hjälp av ultraljud. I allmänhet, för ET analys är det viktigt att provet koncentrationen på nätet är låg, att undvika prov överlagring och skuggning när vinkla rutnätet på stora vinklar. 200-mesh mikroskopi rutnäten som stöder en film av holey kol eller lacey kol rekommenderas. - Med pipett sätta en droppe av en kolloidal lösning innehållande relaterat markörer över provet. Absorbera eventuellt överskott av lösning och låt den torka.
Obs: Relaterat markörerna är väl kalibrerad Au nanopartiklar upphängd i en lösning. Relaterat markörer kan också spridas över nätet innan du lägger till provet. Som ett exempel, om provet görs från nanopartiklar med liknande storlekar som relaterat markörer, deponera relaterat markörer över nätet för att separera dem väl under data segmentering och kvantifiering. Relaterat markörerna är position referenser används vid uppriktning av lutande bilder.
2. registrering av de filtrerade Tilt serie bilderna
- Med elektronmikroskopet, hitta ett enstaka prov i mitten av rutnätet mikroskopi.
Obs: I elektronmikroskopet, X-axeln är längs provhållaren, Y-axeln är vinkelrät mot provhållaren och Z-axeln är längs elektronstrålen. För att kunna luta provet vid den maximala lutningsvinkel, analysera ett prov som ligger så nära som möjligt till X-axeln. - När provet är väl positionerat, kontrollera provets kemiska sammansättning. Utför en kemisk analys med hjälp av energy dispersive X-ray spektrometri (EDS) eller electron energi förlust spektrometri (EELS) genom att fokusera strålen över valda provet, och registrera ett spektrum. Om provet innehåller de kemiska beståndsdelarna av intresse, flytta bort från den och köra nästa tester på ett närliggande representativt urval.
- Kontrollera elektronen strålar intensitet över provet, bredden på Fönstren energi av de filtrerade bilderna, och exposition tiden för varje filtrerad bild. Hitta den bästa kompromissen för provet mellan beam skada och den kemiska signal registreras i den kemiska prognoser12,13,17.
Obs: För att registrera den högsta kemiska signalen i de filtrerade bilderna, använda högsta beam intensitet. Dock måste en bestrålning test utföras innan någon analys att kontrollera eventuella förändringar till provet från effekten av elektronstrålen. Gör detta genom att beräkna elektron dosen under inspelningen av serien tilt. Dessutom kan ett enkelt test göras genom att jämföra en bild före och en bild efter experimentet. - Använda EFTEM läge av inspelningsprogrammet för att beräkna en 2D kemisk karta med metoden tre-windows och kontrollera om en tillräcklig kemisk signal registreras.
Obs: Programvaran registrerar tre filtrerade bilder; två första används för att uppskatta bakgrunden från den tredje bilden.- I programvaran väljer du grundämnet under utredning och dess jonisering kant. Ange bredden på fönstret energi och exponeringstiden. Spela in bilder och sedan beräkna kemiska kartan med en makt lag för att extrahera bakgrunden. I 32-bitarsmiljö med 512 x 512 pixlar är den minsta signalen cirka 300-400 räknas per pixel registreras i en kemisk bild.
- Ange prov på eucentric höjd och kontrollera den minsta tiltvinkel, dvs-70 ° eller mindre, och maximala lutningsvinkel, dvs, + 70 ° eller mer.
- Ta provet analyseras tillbaka till Visa och spela in en bild (detta blir bilden innan förvärvet). Sedan registrera den lutande serien av filtrerade bilder med lämplig programvara.
Obs: Dedikerad EFTEM tomografi plugins kan spela in flera tilt-serien på samma gång. Detta innebär att flera på varandra följande bilder kan spelas in i varje tiltvinkel och. Den första bilden kan vara en filtrerade bilden centrerad på noll-förlust och denna bild är en typisk ljusa-fältet bild. Före edge bilderna och sedan efter kanten bilden av första grundämnet följs av före edge bilderna och efter kanten bilden av andra grundämnet. Följden av de kemiska grundämnena ges av deras valda jonisering kant.- I inspelningen EFTEM luta serien programvara, välj bredd på varje energifönster och dess exponeringstid och sedan de högsta och lägsta lutning vinkel och det kantiga steget av lutningen. För att kompromissa mellan antalet bilder i serien tilt och den totala exponeringstiden av provet elektronstrålen, använda en tilt steg 4°, dvs, 51 bilder per tilt serien mellan ± 71 °; ett mindre tilt-steg kan dock väljas om provet inte försämras under balken.
- För varje grundämne, spela in tre tilt serie filtrerade bilder att beräkna kemiska prognosen med metoden tre fönster. För att kvantifiera naturliga drivan av provet vid varje tiltvinkel medan du spelar in de filtrerade bilder (provet kan förbli på vissa lutningsvinklar för mer än 1 min), kan den första bilden vara en filtrerad bild på noll förlust signal så att den senast inspelade bilden kommer att vara en unfil rade bilden bildas av alla elektronerna på alla energier. Dessa två bilder kan användas för att beräkna tjocklek karta över provet. Därför, för att observera kemiska fördelningen av två element på varje tiltvinkel, registrera 7 filtrerade bilder (1 noll förlust, 3 för första grundämnet, 3 för andra kemiska element) och 1 ofiltrerade image (i totalt, 8 tilt-serien spelats in).
3. justering och återuppbyggnad av Tilt-serien
- Justera de tre filtrerade bilder som motsvarar varje grundämne för varje tiltvinkel, och beräkna kemiska kartan med hjälp av en specialiserad EFTEMTJ15,18 plugin imagej. Använd sökvägen fil i programmet ImageJ | Öppna och välj de filer som motsvarar filter bilderna tilt-serien. Öppna alla tre filtrerade tilt-serien: två före och ett efter kanten.
- Öppna den dedikerade EFTEMTJ plugin. Klicka på + | Bild eller Stack och välj den tilt-serie som redan är öppna.
- I tabellen som visas, spelades Fyll energi Skift för varje tilt-serien, dvsenergin som varje luta serien in. Dessutom, fylla den skåra bredd, dvs, energi Fönstren. Fyll ”exponeringstid” för varje filtrerad bild. Kontrollera alla tre tilt serien mappning. Klicka på Nästa.
- Valde den första bilden som referensbild och klicka sedan på Verkställ. Klicka på Nästa: en förhandsgranskningsbild av den föreslagna anpassningen visas. Visuellt kontrollera att de 3 bilderna som registreras i samma tilt vinkel är väl staplade (inga Skift mellan bilderna bör observeras).
Obs: Detta protokoll framfördes på 0,9-versionen av insticksmodulen EFTEMTJ. I detta ögonblick inspelade de filtrerade bilderna at den samma lutningsvinkel justeras. - Välj i fönstret EFTEMTJ, bilderna motsvarar bakgrund och kemiska kant. Välj modellen av signal utvinning som makt, och klicka sedan på skapa karta. Välj filen på ImageJ, | Spara och hitta vägen till Spara sista filen.
Obs: Tilt serien av kemiska kartan erhålls. Mer information om hur du använder plugin är tillgänglig online. - Upprepa steg 3.1 för alla kemiska tilt-serien.
- Justera den noll-förlust tilt-serien genom att använda en version av Imod programvara19 släpptes 2009 för att anpassa tilt serien. Programvaran tillåter tillämpningen av de beräknade linjeföring på en tilt-serien till en annan tilt-serien.
Obs: Programvaran anpassning skriver på diskfiler som innehåller alla de förskjutningar som tillämpas på varje bild. Justering proceduren med Imod20 ses någon annanstans och inte omfattas av denna artikel. - Använda justeringen beräknas för noll-förlust tilt-serien, och tillämpa den på den tidigare beräknade kemiska tilt-serien.
Obs: I denna version av programvaran, det är möjligt att ändra filen noll-förlust tilt-serien med en serie kemiska tilt-fil genom att bevara namnet på filen och tillämpa de tidigare beräkna förskjutningarna. Annars för programvaran, filen kommer att ha samma namn, samma antal bilder av samma storlek, men det kommer inte att innehålla noll förlust bilder men kemiska bilder. - Kvantifiera drivan av gränsöverskridande korrelera den första inspelade bilden, dvscenter på noll förlust, och den sista (den ofiltrerade bilden). Provet kan tillbringa flera sekunder vid varje tiltvinkel medan alla filtrerade bilder spelas in. Under denna tid drivor provet naturligt en liten mängd.
- Klicka på filen på ImageJ programvara, | Öppna och välj noll förlust justerad luta serien, sedan öppna kemiskt kartor justerad tilt-serien.
- Klicka på Redigera | Färg | Lägg samman kanaler. Välj den fil som motsvarar noll förlust för den röda färgen, den första kemiska elementet för green och andra grundämnet för blå, i den ordningen. Avmarkera Skapa sammansatta och kontrollera Hålla källbilden. En stack skapas vid varje lutningsvinklar för alla de inspelade bilderna.
- Klicka på Plugins | Justera RGB-planer21. Red är referensavbildningen. Välj grön och med hjälp av pilarna, överlappar det över den röda. Klicka på Nästa och upprepa för alla vinklar.
- Klicka på Redigera | Färg | Split-kanaler och RGB-stacken kommer att delas upp i tre högar: röd motsvarar noll förlust och gröna och blå motsvarande kemiska kartor med drivan korrigeras. Klicka på Arkiv | Spara att spara tilt serien.
- Klicka på Plugins | Tomoj22,23 till väljer du filen belastning vinkel form. Eftersom alla tilt serien är redan justerade, navigera direkt till återuppbyggnad. Beräkna volymerna av noll-förlust, samt de kemiska volymer, med rekonstruktion algoritmer som konst, SIRT, OS-ART, etc.
Obs: Det rekommenderas att använda en iterativ algoritm för återuppbyggnaden av de kemiska volymerna. Genom att använda denna programvara är det möjligt att rekonstruera de volymer som använder GPU. - När alla volymer beräknas använda alternativet Lägg samman kanaler att tillämpa olika färger på de erhållna volymerna och överlappa dem i en enda volym, att erhålla 3D kemisk karta.
4. 3D-modellering och kvantifiering
- Binarize rekonstruerade ZL volymen genom att välja motsvarande grå nivå, som kommer att vara volymen erhålls i vitt (i 8 bitar, intensiteten är 255) och svart (i 8 bitar, intensiteten är 0). I ImageJ, använder du alternativet ”Välj tröskel”. Markera alla pixlar motsvarar provet (i en BF bild, mörkare pixlar motsvarar provets massa) och göra en volym där provet är vit och vakuum är svart.
Obs: Noll-förlust volymen ger morfologisk information av det analyserade provet, dvs, formen och storleken på provet. - Dela binära volymen av noll förlust av 255 och erhålla en volym där stödnivåerna som släpper provet är 1 och på andra håll är 0. Detta är den normaliserade volymen.
- Multiplicera den normaliserade volymen av varje av de beräknade kemiska volymerna (steg 4.1) att en volym där stödnivåerna som släpper provet motsvarar den kemiska informationen, och dessa stödnivåer är 0 någon annanstans.
Obs: Kemiska informationen härleds från provet och därför alla artefakter är undantagna. - I ImageJ, beräkna histogrammet av kemiska volymen och importerar värdena av histogrammet en tabulata programvara.
- Ta bort raden med en intensitet heist antal 0 (denna linje motsvarar vakuum) i tabulata-programvaran.
- I en ny kolumn, beräkna andelen varje intensitet i volymen. Dela upp räkningen av varje intensitet med summan av alla punkter, och multiplicera det med 100.
- I en ny kolumn, beräkna den andel som motsvarar intensiteten av den totala volymen genom att stegvis lägga den nuvarande proportionen av räkningarna, beräknat tidigare med den tidigare andelen.
Obs: I de kemiska volymerna, höga stödnivåerna motsvarar den kemiska informationen. Stödnivåerna är dock låg och brus i volymen högt. Tröskeln är skapad genom att välja de högsta stödnivåerna. - Att veta den relativa koncentrationen av grundämnet i provet beräknas från ål spektrumet, Välj stödnivåerna som heist. Starta från 255 (om befintlig) och minska intensitet motsvarande grundämne koncentrationen.
- För att hitta lägsta intensiteten motsvarar den kemiska koncentrationen, navigera till kolumnen där andelen motsvarande intensitet beräknades i den totala volymen, 100% motsvarar normalt till intensiteten av 255. Från 100%, extrahera den beräkna relativa andelen av grundämnet (från ål spektrumet): resultatet kommer att motsvara lägsta intensiteten i tröskeln. På detta sätt erhålls kemiska binarized volymer, där voxlar motsvarar grundämnet med intensiteten av 255 och resten är 0. Upprepa proceduren för den andra delen och få två kemiska binarized volymer.
- Överlappar binarized kemiska volymerna med alternativet Lägg samman kanaler och tilldela olika färger till varje element volym för att göra en RGB-volym.
Obs: Genom att överlappa de två binarized kemiska volymerna, voxlar som är överlagrade, som hör till både kemiska grundämnen (kommun voxlar) och voxlar som inte tillhör någon av de kemiska beståndsdelarna (gratis voxlar) markeras. Till exempel skapa binarized kemiska volymerna av rött och grönt kommun voxlar som är gul. - Omvandla RGB-volymen i 8 bitar volym; färgerna har olika grå intensiteter. Med alternativet tröskelvärdet, Välj den voxlar som tillhör båda kemiska arter (gul i RGB-volym). Med alternativet samma tröskel, Välj den voxlar som inte tillhör någon kemisk beståndsdel (de har lägre stödnivåer än den voxlar valde tidigare). Välj inte dammsuga med intensitet 0.
- Normalisera volymerna av den kommun voxlar och volymen av de gratis voxlar. Multiplicera volymerna av den gratis voxlar av de kemiska volymerna och sedan subtrahera den andra kemiska volymen.
Obs: Detta beräknar den kemiska beståndsdelen i varje voxel som har den högsta intensiteten. - Lägga till volymerna av den voxlar som hör och de voxlar som inte hör till volymen av den kemiska beståndsdelen som har den högsta intensiteten i dessa voxlar.
Obs: På detta sätt varje kommun voxel eller gratis voxel är differentierade och tilldelats volymen av den kemiska beståndsdelen som har den högsta intensiteten i det voxel. Detta kan utföras av alternativet ”bild calculator”:
- För att kvantifiera antalet voxlar som bildar provet, importera de segmenterade volymerna till specialiserade surface rendering programvara, till exempel ett 3D utsnitt. Sedan multiplicera volymen av en voxel i nm3 för att få volym av provet i 3D.
- Med alternativet Hitta kanter , kvantifiera den voxlar bildar ytan av provet och multiplicera med voxel området i nm2 att få ytan av provet.
- Beräkna den specifika ytan genom att dividera ytan av provet genom massan av provet.
Obs: Massan av provet kan uppskattas med hjälp av teoretiska tätheten av provet. I allmänhet är den specifika ytan beräknas genom ET 10 mindre än den specifika ytan beräknas av dedikerade metoder såsom N2 adsorption desorption. - För att beräkna fördelningen av por-storlek, Använd den binarized volymen av noll förlust (BF volymen). Binärt volymen av BF rekonstruktionen är vidgade i 3D-Toolkit/morfologisk vidgas 3D plugin tills alla porer är täckta och sedan eroderad använder den 3D Toolkit/morfologisk urholka 3D så många gånger som vidgade. Sedan multipliceras erhållna volymen inverterad volymen av binarized BF volymen, leda till distributionsvolymen porer som kan visualiseras med hjälp av en dedikerad surface rendering programvara.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ett exempel på tillämpningen av detta protokoll visas i referens13. EFTEM tomografi användes för att analysera titania aluminiumoxid katalysator stöder. För att förbättra den katalytiska aktiviteten av den aktiva fasen av MoS2 nanopartiklar, i program som hydrodesulfurization (HDS), är det viktigt att titania samproduktionskostnaden stödytan och i kontakt med den aktiva fasen. Det är känt att titania har en mindre specifik yta än aluminiumoxid. Syftet med studien är att konstruera titania stöds av aluminiumoxid (och således skapa en förbättrad specifika yta), och sedan testa den som katalysator stöd. Här används den EFTEM datortomografi att analysera titania-aluminiumoxid heterogena katalysator stöd utarbetat metoden swing pH. I denna studie analyseras tre prover av olika titania koncentrationer. Prov 1 består av 50% aluminiumoxid och 50% titania, prov 2 består av 70% aluminiumoxid och 30% titania och prov 3 består av 90% aluminiumoxid och 10% titania. I figur 1a–1 c, visas tvärsnitt av kemiska kartor parallellt med XY-planet. Grönt representerar rumslig kemisk distribution av titania, rött representerar fördelningen av aluminiumoxid och blå representerar vakuum. Kemiska volymerna beräknas från tilt-serien med tre-windows-metoden. Filtrerade energi fönstren var följande: 10 eV bred, centrerad på 59 och 70 81 eV, att ha en exposition tid 3 s för Al L23 kanten ligger på 73 eV och 30 eV bred, centrerad på 415, 445 och 482 eV, har en inspelningstid på 15 s för Ti L23 edge ligger på 455 eV. Position och bredd, samt exponeringstiden filtrerade bilder valdes för att få en kemisk karta med en detekterbar kemisk signal. Tilt serien spelades mellan-71 ° och 71 ° med en ökning på 4 ° i den Saxton läge24 i ca 119 min.
Det konstaterades att titania på en hög koncentration bildar kluster som är inbäddade i aluminiumoxid. Modellerna visas i figur 1 d (exempel 1), 1e (exempel 2) och 1f (exempel 3). I modellerna, titania visas i blått och aluminiumoxid visas i transparent röd. Dessa modeller kvantifierades använder kemisk distribution av titania och aluminiumoxid på ytan av proverna. Det konstaterades att oberoende av andelen titania och aluminiumoxid i provet, ytan av provet är täckt med titania i en andel på 30 procent. Dock ökar den specifika ytan av provet, medan titania andel minskar för att nå den specifika ytan av aluminiumoxid. För prov 3 som innehåller endast 10% titania, ett lager av cirka 10 nm tjock bildas på ytan av provet. Även kemiska karta bildas av överlappande tre volymer: kiseldioxid i rött, titania i grönt, och noll förlust i blått. Blandningen mellan rött och grönt är gula voxlar. De gula voxlar tillskrivs elementet med högsta intensitet i det voxel i modellen. Detta är en begränsning i den rumsliga upplösningen i 3D kemiska kartor, som är direkt relaterad till den anisotropisk upplösningen i ET och upplösningen av 2D kemiska kartor tillhandahålls av EFTEM. Analysen är korrelerad med andra analystekniker som X-ray fluorescens, röntgen fotoelektronen spektroskopi och N2 porosimetry. Slutsatsen var att skillnaden mellan de särskilda ytorna kunde spela en roll i de katalytiska applikationerna.
Som ett andra exempel visas studien beskrivs i17 . I denna studie analyserade vi en serie av kiseldioxid aluminiumoxid katalysator stöder. Dessa katalysator stöd har en surhetsgrad som tillhandahålls av blandningen mellan aluminiumoxid och kiseldioxid, bildar ett aluminiumsilikat. Målet med studien var att kvantifiera blandningen mellan de två komponenterna. Den experimentella utmaningen ljög i det faktum att L23 kanterna av Al och Si är mycket nära, på 73 eV och 99 eV respektive och jonisering kanten av Al överlappar med jonisering kanten av Si. Under dessa förhållanden är tre-fönster metoden mindre exakt för att extrahera den kemiska signalen. För att skilja de två signalerna av Al och Si, utvecklades metoden ”R-ratio”, beskrivs i referens12. Filtrerade bilder tilt serien spelades in genom att luta exempelformuläret-71 ° till 71 ° med ett increment steg 4 ° i den Saxton läge i ca 83-104 min. Tre filtrerade bilder registrerades för att isolera signalen L23 jonisering kant Si. Bilderna var centrerad på 59 eV, 70 eV och 81 eV, var 10 eV brett och exponerade för 5 s. För den signal som motsvarar L23 kanten av Al, endast två filtrerade bilder var inspelade, centrerat på 99 eV och 110 eV, 10 eV brett och exponerade för 12 s.
I denna studie analyserade vi en serie av fyra prover av Al och Si utarbetats av olika metoder. Figur 2a är ett tvärsnitt av det kemiska karta parallellt med XY-planet och modell av provet utarbetat metoden sol-pulver. Detta prov var termiskt behandlade under ånga, ger det andra provet, vars kemiska karta och modell visas i figur 2b. Figur 2 c visar de kemiska kartorna över provet utarbetats av mekanisk blandning. Från detta prov erhålls efter en termisk behandling under het ånga, vi fjärde provet, visas i figur 2d. Kemiskt kartor och modeller för aluminiumoxid är röda och kiseldioxid är gröna, medan den förbättra blå representerar gränsen på ytan mellan kvarts och aluminiumoxid. Den sura katalytiska aktiviteten ges av blandningen mellan aluminiumoxid och kiseldioxid på ytan av provet. Det konstateras att oberoende av den förberedelse metoden, kiseldioxid täcker endast 30% av provets yta. Efter värmebehandling, kemisk fördelningen är mer homogena, och ytan är täckt med 50% kvarts och 50% aluminiumoxid. Sol-pulver metoden ger prover med en hög homogenitet mellan komponenterna jämfört med mekaniska blandningen. Liten domäner av kiseldioxid inbäddade i aluminiumoxid är i provet. I urvalet som utarbetats av mekanisk blandning, kiseldioxid utgör kärnan i provet och aluminiumoxid är närvarande som ett skal. Som en allmän egenskap hos både prover som inte behandlas termiskt, kiseldioxid i mitten och aluminiumoxid är på ytan.
Sura webbplats densiteten som tillhandahålls av fasen aluminiumsilikat som bildas av en intim blandning mellan kvarts och aluminiumoxid, skapa Brønsted syrliga platser på sin yta, mäts i godtyckliga enheter (a.u.)/m2 genom CO adsorption. Quantizationen av gränsen mellan kvarts och aluminiumoxid utfördes i m/g eller m/m2, som är kända fysiska enheter. Naturligtvis, gränssnittet mellan kvarts och aluminiumoxid kunde vara tjockare, men den rumsliga upplösningen nådde tillät inte beräkningen av ett exakt värde motsvarande bredd. Men öppnar denna studie vägen mot en djupare förståelse för gränssnittet mellan kvarts och aluminiumoxid.
Figur 1: tvärsnitt och rekonstruerade modeller av titania och aluminiumoxid proverna. Tvärsnitt genom kemiska kartan parallellt med XY-planet, där den kemiska distributioner visas för titania (i grönt), aluminiumoxid (i rött) och dammsuga (i blått): (en) prov 1, 50% aluminiumoxid och 50% titania, (b), prov 2, 70% aluminiumoxid och 30% titania, och (c), prov 3, 90% aluminiumoxid och 10% titania. (d), (e) och (f) Visa modeller av prov 1, prov 2 och prov 3, respektive med titania i blått och aluminiumoxid i transparent röd. I exempel 1 och exempel 2 bäddar aluminiumoxid på titania. Prov 3, ett tunt lager av 10 nm av titania bildas på ytan av provet. Denna siffra har ändrats från Roiban et al. 13 Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: tvärsnitt och rekonstruerade modeller av kvarts och aluminiumoxid proverna. Till vänster är tvärsnitt parallellt med XY-planet från kemiska volymer, till höger är de rekonstruerade modellerna. Aluminiumoxid är visas i rött, indikeras kiseldioxid i grönt, och gränsen mellan ytbehandlar av kiseldioxid och aluminiumoxid i blått. I dessa modeller, är gränsen artificiellt vidgade med en 4-voxel sfär att göra den synlig. (en) provet som utarbetat metoden sol-pulver, (b) provet utarbetat metoden sol-pulver och termiskt behandlade, (c) provet utarbetats av mekanisk blandning metod och (d) det prov som utarbetats av den mekanisk blandning metod och termiskt behandlade. Denna siffra har ändrats från Roiban et al. 17 Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Syftet med denna uppsats är att beskriva hur du skaffar 3D kemiska kartor med EFTEM tomografi. Detta protokoll är helt original och har utvecklats av författarna.
EFTEM datortomografi som beskrivs här har flera nackdelar: (i) endast prover som är electron beam resistenta kan analyseras, på grund av den långa exponeringstiden som behövs för att erhålla filtrerade bilder. (ii) EFTEM datortomografi är känslig för diffraktion kontrasten. (iii) många av linjeföring utfördes manuellt. För att få 3D-kemiska kartan, måste volymen noll-förlust och de kemiska volymerna vara i ett enda system av koordinater. Detta kräver att alla tilt serien anpassas perfekt i samma koordinatsystem. Detta representerar en lång arbete under minst två veckor per prov. Trots att tidskrävande, tillåter detta protokoll uträkningen av 3D kemiska kartor med nanometrisk upplösning. Dessutom kombineras med andra spektroskopiska och analytiska tekniker såsom, X-ray fluorescens, röntgen fotoelektronen spektroskopi, FTIR spektroskopi, eller magic-vinkel-spinning (MAS) NMR spektroskopi, en fullständig beskrivning av funktionella material kan vara skapat.
Electron beam intensitet styrs generellt av kondenserande elektronstrålen. Bredden på fönstret energi genom vilken de filtrerade bilderna registreras, och deras exponeringstiden kommer att påverka den kemiska signalintensitet registreras i varje kemisk projektion, som kommer att användas som lutande prognoser för att rekonstruera kemiska volymen. Exponeringstiden filtrerade bilder kommer att påverka den totala exponeringstiden av provet under en intensiv elektronstråle under inspelningen av serien tilt. Om ett prov förblir alltför mycket tid under balken, kan den drabbas av drastiska ändringar. Bredden på Fönstren energi påverkar bakgrunden tillnärmning använder en makt lag för att extrahera den kemiska signalen från den efter kanten filtrerade bilden med tre-windows-metoden.
Eftersom det är en utmanande teknik och tidskrävande, EFTEM datortomografi är inte praktiskt för bred skala genomförande. Dock kommer att nya tekniska förbättringar såsom utvecklingen av mer känsliga spektrometrar25 och snabb inspelning kameror26,27 (listan kameror referenser är en ofullständig lista) minska den totala rekordtiden av lutningen serien och kommer att förbättra den energiska resolutionen av kemiska kartor. Som tidigare nämnts, är många av livsåskådningar manuell, från signal utvinning och uträkningen av de kemiska prognoserna till anpassningen av alla prognoser på samma referens. Utveckling av automatiska förfaranden kommer att skapa en mer allmän användning av EFTEM tomografi i rutinanalys.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Vi är tacksamma mot det franska ministeriet för högre utbildning och forskning, konventioner Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE) och IFP Energies Nouvelles för deras ekonomiska stöd.
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).
