Summary
Bu kağıt filtre enerji görüntüleme ve elektron tomografi birleştiren 3D kimyasal haritalar elde etmek için bir protokolünü açıklar. Diğer görüntüleme teknikleri tarafından ayırt etmek zor öğeleri oluşturduğu iki katalizör destekler kimyasal dağılımı incelenmiştir. Her uygulama örtüşen kimyasal elementler - sırasıyla aralıklı iyonlaşma kenarları eşleme oluşur.
Abstract
Enerji süzülmüş transmisyon elektron mikroskobu tomografi (tomografi EFTEM) üç boyutlu (3D) kimyasal malzeme nanometric ölçekli haritalar sağlayabilir. EFTEM tomografi diğer görüntüleme teknikleri kullanarak ayırt etmek çok zor olan kimyasal elementler ayırabilirsiniz. Burada açıklanan Deneysel protokol kimyasal dağıtım ve morfoloji bir malzeme anlamak için 3D kimyasal haritaları oluşturmak nasıl gösterir. Veri bölümleme için örnek hazırlık adımları sunulmaktadır. Bu protokol kimyasal elementler 3D dağıtım Analizi nanometric bir örnek verir. Ancak, şu anda, 3D kimyasal haritalar sadece süzülmüş görüntülerin kayıt uzun pozlama süreleri için bir yoğun elektron ışını gerektirdiğinden, ışın hassas olmayan örnekleri için oluşturulabilir unutulmamalıdır. Protokol iki farklı heterojen katalizör destekler bileşenlerinin kimyasal dağıtım ölçmek için uygulandı. İlk çalışmada, alüminyum ve titanyum titania-alümina destekler içinde kimyasal dağıtım analiz edildi. Örnekleri salıncak-pH yöntemiyle hazırlanmıştır. İkinci, alüminyum ve sol-toz ve mekanik karışımı yöntemleri kullanılarak hazırlanmıştır silis-alümina destekler silikon kimyasal dağılımı incelenmiştir.
Introduction
Fonksiyonel malzemelerin özellikleri onların 3D parametrelere bağlıdır. Tam özelliklerini anlamak ve bunların işlevlerini geliştirmek için onların morfolojisi ve kimyasal dağıtım 3D analiz etmek önemlidir. Elektron tomografi1 (ET) nanometre ölçek2,3, bu bilgileri temin etmeniz en iyi teknikleri biridir. Örnek bir büyük açısal aralığında döner ve kayıt açısal her adımda bir görüntü oluşur. Elde edilen tilt serisi örnek hacmi üzerinde Radon dönüşüm4,5temel matematiksel algoritmalar kullanarak yeniden oluşturmak için kullanılır. Örnek 3D modeli ve parçacık yerelleştirme6 ve boyutu dağıtım7gibi 3D parametrelerini ölçmek, gözenek konumu ve boyutu dağıtım8, vb için yardımcı olur hacminde gri düzeyleri seçme
Genel olarak, ET örnek maksimum olası açı, tercihen daha--dan 70 ° her iki yönde eğerek bir elektron mikroskobu ile gerçekleştirilir. Her tilt açıyla bir projeksiyon örnek bir görüntü tilt serisi oluşturan kaydedilir. O tilt serisi hizaladım ve parçalara ve sayısal örnek hacmi yeniden oluşturmak için kullanılan. Örnek için + 90 °-90 ° döndürülemez çünkü yeniden oluşturulan birim9 dikey eksen boyunca anizotropik bir çözünürlüğü nedeniyle kör kayıt açı vardır.
ET farklı görüntüleme modlarda gerçekleştirilebilir. Parlak alan TEM modu (BF-TEM) amorf malzemeler, biyolojik örnekleri, polimerler incelemek için kullanılır veya katalizör ile karmaşık şekiller destekler. Görüntü analizi (yoğun bir bileşeni olacak daha fazla karanlık bir çakmak daha, yani, daha az yoğun bileşeni) bileşenleri10 yoğunluğu karakterize gri düzeyleri farklılaşması üzerinde temel alır. Yüksek açı anüler karanlık alan tarama TEM modunda (HAADF-kök) kristal örnekleri analiz etmek için kullanılır. Sinyal atom numarası bir fonksiyonu olarak kimyasal bilgi sağlar; ağır bir bileşen örnek daha parlak görünür bu hafif bir9. Toplar malzeme11ve enerji tarafından yayılan x-ışını enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi (EDX), gibi diğer modları görüntüleme modu (EFTEM)12,13filtre, ayrıca 3D kimyasal dağıtım değerlendirme yeteneğine örnek içinde.
EFTEM görüntülemede 2D kimyasal haritalar bir TEM bir elektron enerji Spektrometre ile kullanarak kaydedilir. Spektrometre elektronlar enerjilerini bir fonksiyonu olarak dağıtırken tarafından manyetik bir prizma davranır. Görüntüyü bağlı olarak belirli bir atomu ile etkileşim kayıp enerji elektronlar tarafından oluşturulur. Aynı 2D kimyasal harita farklı tilt açılarla, kimyasal projeksiyonlar dizi elde edilir, bir tilt hesaplanmış olan 3B kimyasal cildi yeniden oluşturmak için kullanılabilir.
Tüm malzemeleri EFTEM tomografi tarafından çözümlenebilir. Teknik örnekleri zayıf veya düzensiz malzeme ile ayrılmış durumda. Yine de, diğer görüntüleme teknikleri kullanırken ayırt etmek çok zor olan ışık öğeleri analiz etmek için kullanılabilir. Ayrıca, güvenilir 2D kimyasal haritalar elde etmek için malzeme kalınlığı elektronlar ortalama özgür keçiyolu ile malzeme14değerinden küçük olması için gereklidir. Bu durum altında tek bir atomu ile etkileşim bir tek elektron sahip olmanın en büyük olasılıktır. 2D bir kimyasal harita hesaplamak için iki yöntem kullanılır. İlki ve en çok kullanılan yöntemdir "üç-windows", nerede iki filtre uygulanmış enerji windows altında analiz ve üçüncü bir öğe iyonlaşma kenarına daha önce iyonlaşma kenar13den sonra kaydedilir. İlk iki fotoğraf güç Hukuk üçüncü pencere konumunu kullanarak ve ondan düşülen yaygınlaştırılması arka plan tahmin etmek için kullanılır. Numune hacmi kimyasal analiz öğesinde 3D dağıtımını projeksiyon elde edilen görüntüdür. İkinci yöntem "sıçrama oranı"; denir Sadece iki enerji filtre görüntüleri, daha önce ve sonra birer tane kullanır iyonlaşma kenar. Bu yöntem son görüntü sadece bu iki resim arasındaki oran gerçekleştirerek hesaplanır ve arka plan enerji değişimi için hesaba katmaz nitel, 's.
EFTEM ET ile birleştirerek, analitik tomografi süzülmüş enerji elde edilebilir. EFTEM tomografi ve atom sonda tomografi (APT) tamamlayıcı tekniklerdir. APT ile karşılaştırıldığında, EFTEM tomografi karmaşık numune hazırlama gerekmez bir non-yıkıcı karakterizasyonu analizidir. Çeşitli karakterizasyonu üzerinde benzersiz bir nanopartikül gerçekleştirmek için kullanılabilir. APT onları ölçmek için çok az lazer yardım ihtiyacı EFTEM tomografi Yalıtım materyalleri, analiz edebilirsiniz. EFTEM tomografi ile daha düşük bir çözünürlük yeterli gerçekleştirirken APT atom ölçeğinde çalışır. EFTEM tomografi ışın bozulması deney sırasında karşı örnekleri için ilgili olduğunu. Eğik açılardan tüm filtre uygulanmış görüntüleri kaydetmek için elektron ışını 2 h kadar uzun süre için örnek gösterilebilir. Ayrıca, yüksek kimyasal sinyal 2D haritalar kaydetmek için uzun Fuar süreleri yüksek ışın yoğunluğu, gerekli olabilir. Bu şartlar altında ışın hassas örnekleri ciddi morfolojik ve kimyasal değişiklikler acı. Bu nedenle, örnek hassasiyeti elektron ışını için hassas bir ölçüm deneme önce oluşturulmalıdır. Buna ek olarak, EFTEM tomografi örnek. bulunan kimyasal elementler doğası ve uzaysal konumunu belirlemek için gerektiği kadar çok tomograms kayıt sonucudur Yine de, EFTEM tomografi örnekleri, katalizör destekleri, katalitik uygulamaları modelleme için yeni anlayışlar vermek gibi 3D kimyasal dağıtıma hakkında önemli bilgiler sağlayabilir.
Bugün enerji aralığı seçebilirsiniz özel yazılım kullanmak mümkündür, kayıt enerji pencere görüntüler filtre ve kimyasal farklı tilt açılarla haritalar hesaplamak. Onlar izlemeye, odaklama ve filtre uygulanan görüntü EFTEM modunda kayıt örnek devirme sağlar. 2D kimyasal haritalar hesaplanabilir ve o zaman tilt serisi, kimyasal cilt yinelemeli algoritmaları kullanarak hesaplanan hizalanabilir ve sonunda serisi kesimli ve quantified15,16olabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. numune hazırlama
- Bir harç örnek ezmek ve alkol dağıtmak veya distile su; bir damlacık örnek bir mikroskobu ızgara üzerinde yerleştirin ve kurumaya bırakın.
Not: Örnek silis alümina veya titania alümina gibi bir toz veya yükseltilmiş bir malzeme olması ve ezilmiş ve ultrason kullanarak bir çözümde dağınık. Genel olarak, ET analiz için bu kılavuzdaki örnek toplama örnek süperpozisyon ve kılavuz büyük açılarda devirme zaman gölgeleme önlemek için düşük olduğunu önemlidir. Bir film delikli karbon veya lacey karbon destek 200 mesh mikroskobu ızgaralar tavsiye edilir. - Bir pipet kullanarak, bir damlacık indirgeme işaretleri üzerinde örnek içeren bir kolloidal çözümün koyun. Aşırı herhangi bir çözüm emer ve kurumaya bırakın.
Not: Bir çözümde askıya iyi kalibre edilmiş Au nano tanecikleri indirgeme işaretleri vardır. İndirgeme işaretleri de örnek eklemeden önce kılavuz üzerinde dağınık. Örnek indirgeme işaretleyici olarak benzer boyutlarda ile nano tanecikleri üzerinden yapılırsa, örnek olarak, onları iyi veri bölümleme ve miktar sırasında ayırmak için kılavuz üzerinde indirgeme işaretleri Kasası. İndirgeme veri işaretleyicilerini hareket ettirildiğinde görüntüleri hizalama kullanılır konum başvurulardır.
2. filtre uygulanmış Tilt serisi görüntülerin kayıt
- Elektron mikroskobu ile izole bir örnek mikroskobu kılavuz merkezinde bulabilirsiniz.
Not: elektron mikroskobu, X ekseni örnek sahibi olduğunu, Y ekseni örnek sahibine dik ise Z ekseni elektron ışını. En fazla tilt açıyla örnek eğimli edebilmek için X ekseni için mümkün olduğunca yakın yer alan bir örneğini analiz. - Örnek iyi konumlandırılmış bir kez örnek'ın kimyasal bileşimi kontrol. Seçilen örnek üzerinde ışın odaklanarak enerji dağıtıcı x-ışını spektrometresi (EDS) veya elektron enerji kaybı spektrometresi (yılan) kullanarak kimyasal analizi gerçekleştirmek ve bir spektrum kaydedin. Örnek ilgi kimyasal elementlerin içeriyorsa, uzak hareket ve yakındaki temsil edici bir örnek üzerinde sonraki testler.
- Elektron ışın yoğunluğu örnek üzerinde enerji windows filtre uygulanmış görüntülerin genişlik ve Fuar zaman her görüntü filtre kontrol edin. En iyi örnek ışın hasar ve kimyasal projeksiyonlar12,13,17' kaydedilen kimyasal sinyal arasında bulmak.
Not: en fazla ışın yoğunluğu yüksek kimyasal sinyal filtre uygulanmış görüntülerde kaydetmek için kullanın. Ancak, bir ışınlama testi herhangi bir analizi herhangi bir değişiklik için örnek için elektron ışını etkisinden kontrol etmek için önce gerçekleştirilmelidir. Bunu yapmak için elektron doz tilt serisi kayıt sırasında hesaplayın. Buna ek olarak, bir kolay testi önce bir resim ve bir resim deneyden sonra karşılaştırarak yapılabilir. - 2D bir kimyasal harita üç-windows yöntemini kullanarak hesaplamak için kayıt yazılımı EFTEM modunu kullanacak ve yeterli bir kimyasal sinyal kaydedilir kontrol edin.
Not: Yazılım üç filtre uygulanmış görüntüleri kaydeder; ilk iki üçüncü resim kökenli tahmin etmek için kullanılır.- Yazılım, kimyasal element altında soruşturma ve iyonizasyon kenarını seçin. Enerji pencere ve çekim hızı genişliğini ayarlayın. Görüntüleri ve arka plan çıkarmak için bir güç yasa kullanarak kimyasal harita hesaplayın. 512 x 512 piksel bulunan bir 32-bit ortamında, yaklaşık 300-400 sayar / kimyasal bir görüntüde kaydedilen piksel minimum sinyal var.
- Örnek eucentric yükseklik ve onay en az tilt açı, yani,-70 ° veya daha az ve en fazla tilt açı, yani, + 70 ° veya daha ayarlayın.
- Görünüme geri analiz edilebilir ve (Bu görüntü edinme önce olacak) bir görüntü kaydetmek için örnek getir. Sonra hareket ettirildiğinde dizi filtre uygulanmış görüntü uygun yazılımı kullanarak kaydedin.
Not: Özel EFTEM tomografi eklentileri birkaç tilt serisi aynı anda kaydedebilirsiniz. Bu her tilt açıyla birbirini izleyen birkaç görüntü kaydedilebilir, anlamına gelir. İlk görüntü sıfır-kaybı üzerinde ortalanmış bir filtre uygulanan görüntü olabilir ve bu resim tipik bir alan parlak görüntü. Ön kenar görüntüler ve sonra ilk kimyasal element sonrası kenar görüntüsünü ön kenar görüntüleri ve ikinci kimyasal element sonrası kenar görüntüsünü tarafından takip edilmektedir. Kimyasal elementlerin arkaya onların seçilen iyonlaşma kenar tarafından verilir.- Kayıt EFTEM serisi yazılım yatırmayı, her enerji pencere ve onun çekim hızı genişliğini seçin ve sonra maksimum ve minimum açı ve eğim açısal adım eğimli. Görüntü tilt seri sayısını ve elektron ışını örneğe toplam çekim hızı arasında uzlaşma kullanmak bir tilt adım 4 °, yani, 51 kare / tilt serisi ± arasında 71 °; Ancak, örnek altında kiriş aşağılamak değil Eğer daha küçük bir tilt adım seçilebilir.
- Kimyasal her öğe için üç tilt dizi üç windows yöntemini kullanarak kimyasal projeksiyon hesaplamak için filtre uygulanmış görüntü kaydedin. Son kaydedilen görüntü-ecek var olmak bir unfil örnek her tilt açıyla doğal drift (örnek daha--dan 1 dk. için belirli tilt açılarda kalabileceği) filtre uygulanmış görüntü kaydederken ölçmek için ilk resmi bir filtre uygulanmış görüntü sıfır kaybı sinyal üzerinde olabilir Idari görüntü tüm enerjileri, tüm elektronlar tarafından kurulan. Bu iki resim örnek kalınlık Haritası hesaplamak için kullanılabilir. Bu nedenle, iki öğe her tilt açıyla kimyasal dağıtım gözlemlemek için 7 filtre uygulanmış resim kayıt (1 sıfır kaybı, ilk kimyasal element, ikinci kimyasal element için 3 için 3) ve 1 filtre uygulanmamış resim (toplamda, kaydedilen 8 tilt serisi).
3. hizalama ve Tilt serisi yeniden inşası
- Her tilt açısı için kimyasal her öğesine karşılık gelen üç filtre uygulanmış görüntüleri hizalamak ve kimyasal harita ImageJ bir özel EFTEMTJ15,18 eklentisi kullanarak hesaplayın. ImageJ yazılım, dosya yolu kullanın | Açık ve tilt serisi filtre resimlere karşılık gelen dosyaları seçin. Tüm üç filtre uygulanmış tilt Seriyi aç: iki ön kenar ve bir sonrası kenar.
- Özel EFTEMTJ eklenti açın. Tıklatın üzerinde + | Görüntü veya yığın ve zaten açıktır tilt seriyi seçin.
- Görünür tabloda her tilt serisi için yani, hangi her enerji enerji shift tilt serisi dolgu kaydedildi. Ayrıca, genişliği yarık, yani, enerji windows doldurun. Her filtre uygulanmış görüntünün "Pozlama süresi" doldurun. Tüm üç tilt serisi için eşlemedenetleyin. Sonrakiüzerinde'yi tıklatın.
- İlk resmi başvuru yansıması ve ardından Uygulaolarak seçti. Tıklatın sonraki: önerilen hizalama önizleme görüntüleri görünür. Görsel olarak tilt açıyla kaydedilen 3 resim (hiçbir değişme görüntüler arasında dikkat edilmelidir) de Süperpoze olduğundan emin olun.
Not: Bu protokol sürümü 0.9 EFTEMTJ eklenti üzerinde gerçekleştirildi. Şu anda filtre uygulanan görüntü aynı tilt açı hizalanır at kaydetti. - EFTEMTJ penceresi arka plan ve kimyasal kenarkarşılık gelen görüntüleri seçin. Güçsinyal çıkarma modelini seçin ve ardından Oluştur haritaüzerinde'ı tıklatın. ImageJ üzerinde dosya seçin | Kaydet ve bu son dosyayı kaydetmek için yol bulmak.
Not: Kimyasal harita tilt dizi elde edilir. Eklenti kullanımı hakkında daha fazla bilgi çevrimiçi kullanılabilir. - 3.1 kimyasal tilt serisi için yineleyin.
- Sıfır-kaybı tilt Serisi tilt serisi hizalamak için 2009 yılında yayımlanan but yazılım19 bir sürümünü kullanarak hizalayın. Yazılım bir tilt serisi başka bir tilt Series hesaplanan hizalamaları uygulanması sağlar.
Not: Hizalama yazılım her görüntüye uygulanan tüm talebiyle içeren disk dosyaları yazar. But20 kullanarak hizalama yordamı başka bir yerde ve özenli bir süzgeçten geçmiş ve bu makalenin kapsamında değildir. - Sıfır-kaybı tilt serisi için hesaplanan hizalama kullanabilir ve daha önce hesaplanan kimyasal tilt serisi için uygulayabilirsiniz.
Not: Bu yazılım sürümünde, dosyanın adını koruyarak ve önceki hesaplanan talebiyle uygulayarak sıfır-kaybı tilt serisi dosya bir kimyasal tilt serisi dosyayla değiştirmek mümkün. Aksi takdirde, yazılım için dosya aynı ada, aynı sayı-in imge aynı büyüklükte olacak ama sıfır kaybı resimler ama kimyasal görüntüleri içermez. - İlk kaydedilen görüntü, yani, merkezi sıfır kaybı ve sonuncusu birleştiriliyor çapraz drift tarafından ölçmek (filtre uygulanmamış resim). Tüm filtre uygulanmış görüntüleri kaydedilir iken örnek birkaç saniye her tilt açıyla geçirebilirsiniz. Bu süre boyunca, örnek doğal olarak küçük bir miktar sürükleniyor.
- ImageJ yazılım, dosyasını tıklatın | Açık ve sıfır kaybı hizalanmış seçin eğimli serisi, o zaman açık kimyasal haritalar hizalanmış tilt serisi.
- Tıkırtı üstünde Düzenle | Renk | Kanalları Birleştir. Sıfır kaybı kırmızı renk, yeşil için ilk kimyasal element ve mavi, bu sırayla için ikinci kimyasal element için karşılık gelen dosyayı seçin. Oluşturmak kompozit işaretini kaldırın ve Tutmak kaynak resmebakın. Bir yığın her tilt açıları tüm kaydedilen görüntüler için oluşturulur.
- ' I tıklatın eklentileri | RGB planları hizalamak21. Referans görüntü kırmızıdır. Yeşil seçin ve okları kullanarak, üzerinde kırmızı bir örtüşme. İleri'yi tıklatın ve tüm açıları için yineleyin.
- Tıkırtı üstünde Düzenle | Renk | Split kanalları ve RGB yığın üç yığınlarda bölünmüş olacaktır: kırmızı sıfır kaybı için karşılık gelen ve yeşil ve mavi için kimyasal haritalar düzeltilmiş drift ile karşılık gelen. Dosyasında Doula tıklayınız | Kaydet tilt serisi kaydetmek için.
- ' I tıklatın eklentileri | Tomojyük açısı form dosyası seçmek için22,23 . Çünkü tüm tilt serisi zaten hizalanır, doğrudan yeniden yapılanmaiçin gidin. Sıfır-kaybı hacimleri yanı sıra sanat gibi SIRT, imar algoritmaları kullanarak kimyasal birimleri hesaplamak OS-sanat, vb.
Not: Bu kimyasal birimleri yeniden inşası için yinelemeli bir algoritma kullanmak için tavsiye edilir. Yanında istimal bu bilgisayar yazılımı, belgili tanımlık GPU kullanarak birimleri yeniden oluşturmak mümkündür. - Bir kez tüm birimleri hesaplanır, farklı renkler elde edilen birimlere uygulanır ve onları tek bir hacim içinde 3D kimyasal harita elde etmek için üst üste için Kanalları Birleştir seçeneği kullanın.
4. 3D modelleme ve miktar
- Beyaz elde edilen hacim olacaktır karşılık gelen gri düzeyi seçerek yeniden oluşturulan ZL birim binarize (8 bit yoğunluğu 255'tir) ve siyah (8 bit yoğunluğu 0'dır). ImageJ içinde "select eşik" seçeneğini kullanın. Örneğe karşılık gelen tüm pikselleri seçmek (bir BF görüntü daha koyu pikseller için örnek karşılık gelen kitle) ve örnek'in beyaz ve vakum siyah olduğu yerde bir birimi.
Not: Sıfır-kaybı cilt analiz örnek, yani, şekil ve örnek boyutu morfolojik bilgilerini sağlar. - Sıfır kaybı ikili hacmi 255 tarafından bölmek ve nerede yoğunluklarda örnek içinde 1 ve 0 başka bir yerde vardır bir cilt elde etmek. Bu normalleştirilmiş hacmidir.
- Normalleştirilmiş birimin her nerede yoğunluklarda örnek içinde kimyasal bilgilerine karşılık gelen ve 0 başka bir yerde bu yoğunluklarda vardır bir cilt elde etmek için hesaplanan kimyasal birimleri (adım 4.1) tarafından çarpın.
Not: Alınan örneğin kimyasal bilgi elde edilir ve bu yüzden, tüm eserler dışlanır. - ImageJ, kimyasal cilt histogramını hesaplamak ve tabulate yazılım histogramda değerlerini almak.
- Tabulate yazılımında bir yoğunluk heist sayısı (vakum için bu satırı karşılık gelir) 0 içeren satırı silin.
- Yeni bir sütunda birimdeki her yoğunluk oranı hesaplar. Her yoğunluğu sayısı tüm sayıları toplamına böler ve 100 ile çarpmak.
- Yeni bir sütunda birimin toplam yoğunluğunu kademeli olarak daha önce önceki oran ile hesaplanan sayar, geçerli oran ekleyerek karşılık gelen oranda hesaplar.
Not: kimyasal cilt olarak yüksek yoğunluklarda kimyasal bilgilerine karşılık gelen. Ancak, düşük ve yüksek ses gürültü yoğunluklarda vardır. Eşik en yüksek yoğunluklarda seçerek oluşturulur. - Yılan balıkları spektrum hesaplanan örnek kimyasal element göreli yoğunlaşmasını bilerek, soygun yoğunluklarda seçin. 255 (varsa) başlatın ve kimyasal element konsantrasyon için karşılık gelen yoğunluğu azaltmak.
- Kimyasal konsantrasyonu karşılık gelen en düşük yoğunluk bulmak nerede karşılık gelen yoğunluk oranı hesaplanan toplam hacminde % 100 normalde 255 yoğunluğu için karşılık gelen sütun için gidin. % 100, kimyasal element (EELS spektrum) üzerinden hesaplanan göreli oranı ayıklamak: sonuç eşik içinde en düşük yoğunluk karşılık gelir. Bu şekilde, kimyasal binarized birimleri, nerede voxels kimyasal element 255 yoğunluğu ile karşılık gelen ve diğerleri 0 elde edilir. İkinci öğe için yordamı yineleyin ve iki kimyasal binarized cilt elde edilir.
- Kanalları Birleştir seçeneğini kullanarak binarized kimyasal birimleri örtüşme ve farklı bir renk RGB birimi açmak için her öğe birime atamak.
Not: Bu iki binarized kimyasal birim, üst üste, voxels örtüşen tarafından her iki kimyasal elementler (komün voxels) ait ve kimyasal elementler (ücretsiz voxels) birine ait olmayan voxels vurgulanır. Örneğin, kırmızı ve yeşil binarized kimyasal hacimleri sarı komün voxels oluşturun. - RGB Cilt 8 bit birimindeki dönüştürme; renkleri farklı gri yoğunluklarda vardır. Eşik seçeneğini kullanarak, her iki kimyasal türler (RGB hacmindeki sarı) ait voxels seçin. Sonra aynı Eşik seçeneğini kullanarak, herhangi bir kimyasal element (bunlar daha önce seçtiğiniz voxels daha düşük yoğunluklarda var) ait olmayan voxels seçin. Vakum yoğunluğu 0 ile seçin.
- Komün voxels hacimleri ve ücretsiz voxels hacmi normalleştirmek. Ücretsiz voxels birimler kimyasal birimler tarafından çarpın, sonra diğer kimyasal ses çıkarma.
Not: Bu yüksek şiddeti vardır her Voksel içinde kimyasal element hesaplar. - Ait voxels ve bu voxels içinde en yüksek yoğunluk olan kimyasal element birimlerine ait değil voxels miktarda ekleyin.
Not: Bu şekilde, her Komün Voksel veya ücretsiz Voksel Ayrıştırılan ve en yüksek yoğunluk o Voksel içinde olan kimyasal element hacmi tahsis. Bu "Görüntü hesap makinesi" seçeneği tarafından yapılabilir:
- Örnek formu voxels sayısını ölçmek için 3D Dilimleme gibi özel yüzey işleme yazılımı kesimli birimleri alın. Sonra bir Voksel 3D örnek hacmi elde etmek için nm3 hacmi çarpın.
- Kenarları bul seçeneğini kullanarak, örnek yüzeyini oluşturan voxels ölçmek ve Voksel alan örnek yüzey elde etmek için nm2 ile çarpın.
- Belirli yüzey alanı örnek kitle tarafından örnek yüzeyinin bölerek hesaplayın.
Not: Örnek kütlesinin örnek teorik yoğunluğu kullanarak tahmin edilecek. Genel olarak, ET tarafından hesaplanan belirli yüzey alanı N2 adsorpsiyon desorpsiyon gibi özel yöntemler tarafından hesaplanan belirli yüzey az 10 var. - Gözenek boyutu dağıtım hesaplamak için sıfır kaybı (BF cilt) binarized hacmi kullanın. BF imar ikili hacmi 3D kullanarak büyümüş Toolkit/Morphological dilate 3D eklenti kadar tüm gözenekleri kaplıdır ve sonra erozyona uğramış 3D araç/Morphological kullanarak aşındırmak 3D defalarca olarak büyümüş gibi. Sonra elde edilen birim özel yüzey işleme yazılımı kullanarak görüntülenir gözenekleri dağıtım hacmindeki neden doğru binarized BF güç, ters hacmi çarpılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu iletişim kuralı uygulamalara örnek olarak başvuru13' te gösterilmiştir. EFTEM tomografi titania alümina katalizör destekler analiz etmek için kullanıldı. Ecek2 ile nano tanecikleri gibi hydrodesulfurization (HDS), uygulamalarda aktif faz katalitik aktivitesini arttırmak için titania kullanmaktaki destek yüzeyde ve aktif faz ile temas halinde olması önemlidir. Bilindiği titania alümina daha daha küçük bir belirli yüzey vardır. Alümina tarafından desteklenen titania oluşturmak (ve böylece, gelişmiş bir belirli yüzey oluşturmak için), çalışmanın amacı olduğunu ve daha sonra bir katalizör destek test için. Burada, EFTEM tomografi titania-alümina heterojen katalizör destek esnek pH yöntemi tarafından hazırlanan analiz etmek için kullanılır. Bu çalışmada, üç farklı titania konsantrasyonları örnekleri analiz edilir. Örnek %1 50 alümina oluşur ve % 50 titania, örnek 2 oluşan % 30 ve % 70 alümina titania ve örnek 3 oluşur % 10 ve % 90 alümina titania. Şekil 1a'-1 c, kesit XY düzlemi paralel kimyasal haritaların gösterilir. Yeşil titania kimyasal kayma dağılımını, kırmızı alümina dağıtımını temsil eder ve mavi vakum temsil eder. Kimyasal birimleri tilt serisinden üç-windows yöntemi ile hesaplanır. Filtre uygulanmış enerji windows aşağıdaki gibidir: 10 eV geniş, merkezli 59, 70 ve 81 eV, 3 bir fuar vakit geçiriyor s Al L23 edge için yer alan 73 eV ve 30 eV geniş, 415, 445 ve kayıt süresi 15 sahip 482 eV merkezli Ti için s L23 kenar 455 eV bulunmaktadır. Konumu ve genişliği gibi filtre uygulanmış görüntülerin çekim hızı algılanabilir bir kimyasal sinyal ile kimyasal bir harita elde etmek için seçilmiştir. Tilt serisi-71 ° ve +71 ° 4 ° Saxton'ın modu24 119 dk içinde bir artışı ile arasında kaydedildi.
Titania, yüksek aluminalı içinde gömülü kümeleri oluşuyor bulundu. Belgili tanımlık misal Şekil 1 d (örnek 1), 1e (örnek 2) ve 1f (örnek 3) görüntülenir. Belgili tanımlık misal, titania mavi renkle görüntülenir ve alümina şeffaf kırmızı olarak görüntülenir. Bu modelleri örnekleri yüzeyinde titania ve alümina kimyasal dağıtımını kullanarak sayısal. Titania ve alümina örnek oranının bağımsız, yüzeyi örnek titania ile % 30 bir kısmı kaplı olduğunu bulundu. Örnek belirli yüzey titania oran alümina belirli yüzey ulaşmak için azalan sırada ancak, artmaktadır. Örnek 3 sadece % 10 içeren titania, yaklaşık 10 tabakası kalın nm örnek yüzeyinde oluşan. Ayrıca, kimyasal harita 3 cilt örtüşen tarafından oluşturulur: kırmızı silis, titania yeşil ve mavi sıfır kaybı. Kırmızı ve yeşil arasında karışımı olan sarı voxels. Sarı voxels modelinde en yüksek yoğunluk o Voksel içinde sahip öğe atfedilir. Bu doğrudan ET anizotropik çözünürlüğünde ve çözünürlük EFTEM tarafından sağlanan 2D kimyasal haritaların ilgili uzamsal çözünürlük 3D kimyasal haritaların bir kısıtlamadır. Analiz x-ışını floresans, x-ışını photoelectron spektroskopisi ve N2 porosimetry gibi analitik diğer teknikleri ile ilişkilidir. Belirli yüzeyler arasındaki farkı katalitik uygulamalarında bir rol oynayabilir sonucuna varıldı.
İkinci bir örnek olarak,17 ' ayrıntılı çalışma gösterilmiştir. Bu çalışmada, silis alümina katalizör destekler bir dizi analiz ettik. Bu katalizör destekler Alümina ve silis, bir aluminosilicate oluşturan arasındaki karışımı tarafından sağlanan bir asit var. Iki bileşenler arasındaki karışımı ölçmek için çalışma amacı oldu. Deneysel meydan yalan söyledi Aslında Al ve sı L23 kenarlarını sırasıyla 73 eV ve 99 eV çok yakın ve Al iyonlaşma kenarına Si iyonlaşma kenar ile çakışıyor. Bu koşullar altında üç-pencere yöntemi daha az kimyasal sinyal ayıklamak için doğrudur. Al ve Si iki sinyal ayırt etmek için "R-oranı" yöntemi, başvuru12' ayrıntılı geliştirilmiştir. Filtre uygulanan görüntü tilt serisi yaklaşık 83-104 dk Saxton'ın modunda 4 ° örnek formu-71 ° +71 ° ile bir artış adım eğerek kaydedildi. Üç filtre uygulanmış resim L23 iyonlaşma kenar sı sinyal yalıtmak için kaydedildi. Görüntüleri 59 eV, 70 eV ve 81 eV, 5 için 10 eV geniş ve maruz edildi merkezli s. Al L23 kenarına karşılık gelen sinyal için yalnızca iki filtre uygulanmış görüntü kaydedilmiş, düşünen, 99 eV ve 110 eV, 10 eV geniş ve 12 maruz edildi s.
Bu çalışmada, Al ve farklı yöntemlerle hazırlanan sı dört örnekleri bir dizi analiz ettik. Şekil 2a XY düzlemi için kimyasal harita paralel bir kesit ve sol-toz yöntemi tarafından hazırlanan örnek modelinin adıdır. Bu örnek termal tedavi edildi buhar altında ikinci örnek, verimli olan kimyasal harita ve modeli are göstermek Şekil 2b. Şekil 2 c mekanik karışımı tarafından hazırlanan örnek kimyasal haritaları gösterir. Bu örnek, sıcak buhar altında termal bir tedaviden sonra biz Şekil 2Bolarak gösterilen dördüncü örnek elde. Kimyasal haritalar ve modelleri alümina için kırmızı ve silis için yeşil, gelişmiş mavi sınır silika ve alümina arasında yüzeyde temsil ederken. Asit katalitik aktivitesi örnek yüzeyinde Alümina ve silis arasındaki karışımı tarafından verilir. Bu bağımsız olarak hazırlama yöntemi, silis örnek yüzey sadece % 30'u kapsar bulunur. Termal tedavi sonrası kimyasal dağıtım daha homojen ve yüzey % 50 silika ve % 50 alümina ile kaplı olmasıdır. Sol-toz yöntemi ile karşılaştırıldığında mekanik karışımı ile bileşenler arasındaki yüksek homojenliği örnekleri sağlar. Örnek silis alümina içinde gömülü küçük etki alanları bulunmaktadır. Mekanik karışımı tarafından hazırlanan örnek silis örnek özünü oluşturur ve alümina bir kabuk olarak mevcuttur. Termal tedavi her iki örnekleri genel karakteristik, olarak silis merkezidir ve alümina yüzeydir.
Rasgele birimleri (a.u.)/m2 CO adsorpsiyon ile. silis ve Alümina, yüzeyi Brønsted asit site oluşturma arasında samimi karışımı oluşturduğu aluminosilicate faz tarafından sağlanan asit site yoğunluğu ölçülür Silika ve alümina arasındaki sınır niceleme m/g veya m/m2, hangi fiziksel birim bilinen gerçekleştirildi. Tabii ki, silis ve alümina arasında arayüz daha kalın olabilir ama ulaştı Uzaysal Çözünürlük karşılık gelen genişliği tam bir değerinin hesaplanması izin vermedi. Ancak, bu çalışmada silika ve alümina arasında arayüz daha derin bir anlayış doğru yol açar.
Şekil 1: kesitleri ve yeniden oluşturulan modelleri örnekleri titania ve alümina. Kesit kimyasal harita üzerinden paralel nerede kimyasal dağılımları (yeşil içinde) titania, alumina (kırmızılı) ve vakum (mavili) gösterilir XY düzlemi için: (bir) örnek 1, % 50 Alümina ve % 50 titania, (b) örnek 2, % 70 Alümina ve % 30 titania ve (c) örnek 3, % 90 Alümina ve % 10 titania. (d) (e) ve (fmodelleri örnek 1, örnek 2 ve örnek 3, sırasıyla, titania mavi ve alümina şeffaf kırmızı görüntüler). Örnek 1 ve örnek 2'de, Alümina titania katıştırır. Örnek 3, ince bir tabaka halinde 10 nm titania örnek yüzeyinde oluşan. Bu rakam Roiban ve ark. değiştirildi 13 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: kesitleri ve yeniden oluşturulan modelleri örnekleri silika ve alümina. Sol tarafta kesitleri kimyasal birimlerden XY düzlemi paralel, sağ tarafta yeniden oluşturulan modelleri vardır. Alümina kırmızıyla gösterilir, silis yeşil ve silis yüzeylerinin ve alümina arasındaki sınır mavi renkle gösterilir. Bu modellerinde, sınır yapay olarak onu görünür yapmak için 4-Voksel küre tarafından açıldı. (bir) örnek hazırlanan sol-toz yöntemi tarafından (b) örnek sol-toz yöntemi tarafından hazırlanan ve termal tedavi, (c) örnek hazır mekanik karışımı yöntemi ve (d) tarafından tarafından hazırlanan örnek Mekanik karışımı yöntemi ve termal tedavi. Bu rakam Roiban ve ark. değiştirildi 17 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu kağıt amacı 3D kimyasal haritalar EFTEM tomografi kullanarak edinme tarif etmektir. Bu iletişim kuralı tamamen orijinaldir ve yazarlar tarafından geliştirilmiştir.
Burada açıklandığı gibi EFTEM tomografi birçok dezavantajı var: Elektron ışını dayanıklı olan (i) sadece örnekleri-var analiz, filtre uygulanmış görüntü elde etmek için gerekli uzun pozlama süresi nedeniyle. (II) EFTEM tomografi kırınım kontrast duyarlıdır. (iii) birçok hizalamaları el ile gerçekleştirilmiştir. 3D kimyasal harita elde etmek için sıfır-kaybı birimini ve kimyasal birimleri koordinatları bir tek sistem içinde olmak gerekir. Bu tüm tilt serisi mükemmel aynı koordinat sisteminde uyumlu hale getirilmesi olduğunu gerektirir. Bu bir uzun çalışma dönemi örnek başına en az iki hafta temsil eder. Zaman alıcı olmasına rağmen bu iletişim kuralını nanometric çözünürlükte 3D kimyasal haritalar hesaplama sağlar. Kombine diğer spektroskopik ve analitik teknikler gibi x-ışını floresans, x-ışını photoelectron spektroskopisi ile FTIR spektroskopisi, ya da magic-açı-iplik (MAS) NMR spektroskopisi, işlevsel bir malzeme tam açıklaması buna ek olarak, olabilir oluşturdu.
Elektron ışını yoğunluğu genellikle elektron ışını yoğuşmalı tarafından kontrol edilir. Hangi aracılığıyla filtre uygulanmış görüntüleri kaydedilir enerji penceresinin genişliğini ve onların çekim hızı hareket ettirildiğinde projeksiyonlar kimyasal birimin yeniden oluşturmak için kullanılan her kimyasal projeksiyon içinde kaydedilen kimyasal sinyal şiddeti etkileyecektir. Filtre uygulanmış görüntülerin çekim hızı örnek bir yoğun elektron ışını altında toplam çekim hızı tilt serisi kayıt sırasında etkileyecektir. Bir örnek için çok fazla zaman ışını altında kalırsa, köklü değişiklikler muzdarip olabilir. Enerji pencere genişliğini kimyasal sinyal üç-windows yöntemini kullanarak sonrası kenar filtre uygulanmış görüntü ayıklamak için bir güç yasa kullanarak arka plan yaklaşım etkiler.
Zorlu bir tekniktir ve zaman alıcı, EFTEM tomografi geniş ölçekli uygulama için pratik değildir beri. Ancak, geliştirme gibi yeni teknik gelişmeler daha duyarlı Spektrometreler25 ve yüksek kayıt kameralar26,27 (kameralar referanslar listesi gösterilmiştir) Toplam rekor sürede Tilt azaltacaktır serisi ve kimyasal haritaların enerjik çözünürlük artıracaktır. Daha önce belirtildiği gibi çoğu hizalamaları Kılavuzu, sinyal ayıklama ve aynı başvuru üzerinde tüm tahminler hizalamasını kimyasal projeksiyonlar hesaplama vardır. Otomatik yordamlar gelişimi EFTEM tomografi daha genel bir kullanımı rutin analizde oluşturur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Yüksek öğretim ve araştırma, Fransız Bakanı için minnettarız kuralları Industrielles de oluşumu par la Recherche (CIFRE) ve IFP enerjileri Nouvelles mali destek için.
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).
