Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

نهج رؤية الآلة لسير عمل المجهر الإلكتروني النافذ وتحليل النتائج وإدارة البيانات

Published: June 23, 2023 doi: 10.3791/65446
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Protochips, Inc.

Summary

هنا ، نقدم بروتوكولا لاستخدام برنامج الرؤية الآلية لتثبيت العمليات الديناميكية أثناء تصوير TEM ، مع فهرسة تدفقات متعددة من البيانات الوصفية لكل صورة في جدول زمني قابل للملاحة. نوضح كيف تتيح هذه المنصة المعايرة الآلية ورسم خرائط لجرعة الإلكترون على مدار التجربة.

Abstract

يتيح المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) للمستخدمين دراسة المواد على نطاقها الذري الأساسي. تولد التجارب المعقدة بشكل روتيني آلاف الصور مع العديد من المعلمات التي تتطلب تحليلا معقدا ويستغرق وقتا طويلا. AXON synchronicity هو حل برمجي لمزامنة الرؤية الآلية (MVS) مصمم لمعالجة نقاط الألم المتأصلة في دراسات TEM. بمجرد تثبيته على المجهر ، فإنه يتيح المزامنة المستمرة للصور والبيانات الوصفية التي تم إنشاؤها بواسطة المجهر والكاشف والأنظمة في الموقع أثناء التجربة. يتيح هذا الاتصال تطبيق خوارزميات الرؤية الآلية التي تطبق مجموعة من التصحيحات المكانية والشعاعية والرقمية لتوسيط وتتبع منطقة الاهتمام داخل مجال الرؤية وتوفير تثبيت فوري للصورة. بالإضافة إلى التحسن الكبير في الدقة الذي يوفره هذا التثبيت ، فإن مزامنة البيانات الفوقية تمكن من تطبيق خوارزميات التحليل الحسابي وتحليل الصور التي تحسب المتغيرات بين الصور. يمكن استخدام هذه البيانات الوصفية المحسوبة لتحليل الاتجاهات أو تحديد مجالات الاهتمام الرئيسية داخل مجموعة البيانات ، مما يؤدي إلى رؤى جديدة وتطوير قدرات رؤية آلية أكثر تطورا في المستقبل. إحدى هذه الوحدات التي تعتمد على هذه البيانات الوصفية المحسوبة هي معايرة الجرعة وإدارتها. توفر وحدة الجرعة أحدث المعايرة والتتبع والإدارة لكل من تدفق الإلكترون (e- / Å 2 · s-1) والجرعة التراكمية (e- / Å2) التي يتم تسليمها إلى مناطق محددة من العينة على أساس كل بكسل على حدة. يتيح ذلك نظرة عامة شاملة على التفاعل بين حزمة الإلكترونات والعينة. يتم تبسيط تحليل التجربة من خلال برنامج تحليل مخصص يتم فيه تصور مجموعات البيانات التي تتكون من الصور والبيانات الوصفية المقابلة بسهولة وفرزها وتصفيتها وتصديرها. تعمل هذه الأدوات مجتمعة على تسهيل التعاون الفعال والتحليل التجريبي ، وتشجيع استخراج البيانات وتعزيز تجربة الفحص المجهري.

Introduction

استفادت المجاهر الإلكترونية الناقلة (TEMs) وقدراتها بشكل كبير من التقدم في الكاميرات وأجهزة الكشف وحاملي العينات وتقنيات الحوسبة. ومع ذلك ، فإن هذه التطورات تعوقها تدفقات البيانات غير المتصلة ، وقيود التشغيل البشري ، وتحليل البيانات المرهق 1,2. علاوة على ذلك ، تقوم التجارب في الموقع والتشغيل بتكييف TEMs في مختبرات نانوية في الوقت الفعلي ، مما يتيح دراسة العينات في البيئات الغازية أو السائلة مع تطبيق مجموعة من المحفزاتالخارجية 3،4،5 في نفس الوقت. ولم يؤد اعتماد تدفقات العمل المعقدة هذه إلا إلى تضخيم هذه القيود، والزيادة الناتجة في حجم وتعقيد تدفقات البيانات هذه هي مجال يثير قلقا متزايدا. وبالتالي ، هناك تركيز متزايد على استخدام قابلية الآلة للعمل للعثور على البيانات والوصول إليها وتشغيلها وإعادة استخدامها ، وهي ممارسة تعرف باسم مبادئ FAIR6. حظي نشر بيانات البحث وفقا لمفهوم مبادئ FAIR باهتمام إيجابي من الوكالات الحكومية في جميع أنحاء العالم 7,8 ، ويعد تطبيق مبادئ FAIR باستخدام برامج الرؤية الآلية خطوة أساسية في اعتمادها.

تم تطوير منصة برمجية لمزامنة الرؤية الآلية (MVS) استجابة لنقاط الألم المحددة المتأصلة في إجراء وتحليل تجارب TEM المعقدة والثقيلة البيانات الوصفية (خاصة في الموقع وتجارب التشغيل)9. بمجرد تثبيته على TEM ، يقوم برنامج MVS بالاتصال والتكامل والتواصل مع عمود المجهر وأجهزة الكشف والأنظمة المدمجة في الموقع . وهذا يمكنها من جمع الصور باستمرار ومواءمة تلك الصور مع البيانات الوصفية التجريبية الخاصة بها ، وتشكيل قاعدة بيانات شاملة قابلة للبحث ، وجدول زمني للتجربة من البداية إلى النهاية (الشكل 1). يسمح هذا الاتصال لبرنامج MVS بتطبيق الخوارزميات التي تتعقب بذكاء منطقة الاهتمام (ROI) وتستقرها ، حتى عندما تخضع العينات لتغييرات مورفولوجية. يطبق البرنامج تعديلات على المرحلة والشعاع والتصحيحات الرقمية حسب الضرورة لتحقيق الاستقرار في عائد الاستثمار من خلال وظائف التحكم في الانجراف ومساعدة التركيز . بالإضافة إلى إثراء الصور بالبيانات الوصفية الأولية المنتجة من الأنظمة التجريبية المختلفة ، يمكن للبرنامج إنتاج بيانات وصفية حسابية جديدة باستخدام خوارزميات تحليل الصور لحساب المتغيرات بين الصور ، مما يسمح له بالتصحيح التلقائي لانحراف العينة أو التغييرات في التركيز.

يتم تنظيم صور TEM والبيانات الوصفية المرتبطة بها التي تم جمعها من خلال برنامج MVS كجدول زمني تجريبي يمكن لأي شخص فتحه وعرضه عبر الإصدار المجاني غير المتصل بالإنترنت من برنامج التحليل ، Studio (المشار إليه فيما يلي باسم برنامج التحليل)10. أثناء التجربة ، يقوم برنامج MVS بمزامنة وتسجيل ثلاثة أنواع من الصور من كاميرا المجهر أو كاشفه ، والتي يتم عرضها في الجزء العلوي من المخطط الزمني أسفل عارض الصور: اكتساب واحد (صور اقتناء فردية فردية تم الحصول عليها مباشرة من برنامج TEM) ، خام (صور من البث المباشر للكاشف / الكاميرا التي لم يتم تطبيق أي تصحيحات انجراف رقمية ؛ ربما تم تصحيح هذه الصور فعليا عبر حركة المرحلة أو إزاحة الشعاع) ، وتصحيح الانجراف (الصور من البث المباشر للكاشف / الكاميرا التي تم انحرافها رقميا). يمكن تنقيح البيانات التي يتم جمعها أثناء تجربة أو جلسة إلى أقسام أصغر أو مقتطفات من البيانات ، تعرف باسم المجموعات ، دون فقدان البيانات الوصفية المضمنة. من برنامج التحليل ، يمكن تصدير الصور ومكدسات الصور والبيانات الوصفية مباشرة إلى مجموعة متنوعة من الصور مفتوحة التنسيق وأنواع جداول البيانات للتحليل باستخدام أدوات وبرامج أخرى.

كما يسمح إطار التحكم المجهري والتثبيت وتكامل البيانات الوصفية الذي تم تمكينه بواسطة برنامج MVS بتنفيذ برامج أو وحدات إضافية لرؤية الماكينة ، مصممة لتخفيف القيود في سير عمل TEM الحالي. واحدة من الوحدات الأولى التي تم تطويرها للاستفادة من منصة التزامن هذه هي معايرة جرعة الإلكترون والتتبع المكاني للمناطق المعرضة للحزمة داخل العينة. تتشكل جميع صور TEM من التفاعل بين العينة وحزمة الإلكترون. ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي هذه التفاعلات أيضا إلى تأثيرات سلبية لا مفر منها على العينة ، مثل التحلل الإشعاعي والضرر غير المباشر 11,12 ، وتتطلب توازنا دقيقا بين تطبيق جرعة إلكترون عالية بما يكفي لتوليد الصورة وتقليل تلف الحزمة الناتج 13,14.

على الرغم من أن العديد من المستخدمين يعتمدون على قياسات تيار الشاشة لتقدير جرعة الإلكترون ، فقد ثبت أن هذه الطريقة تقلل على نطاق واسع من تيار الحزمة الفعلي15. يمكن الحصول على قيم الجرعة النوعية عبر تيار الشاشة على نفس المجهر بنفس الإعدادات ، ولكن إعادة إنتاج ظروف الجرعة هذه باستخدام مجاهر أو إعدادات مختلفة أمر شخصي للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب أي تعديلات لمعلمات التصوير يقوم بها المستخدم أثناء التجربة ، مثل حجم البقعة أو الفتحة أو التكبير أو الشدة ، قياسا منفصلا لتيار الشاشة لحساب الجرعة الناتجة. يجب على المستخدمين إما الحد بدقة من ظروف التصوير المستخدمة أثناء تجربة معينة أو قياس وتسجيل كل حالة عدسة مستخدمة بدقة ، مما يعقد التجربة ويمددها بشكل كبير إلى ما هو أبعد مما هو ممكن للتشغيل العادي للمجهر16,17.

الجرعة ، المشار إليها باسم برنامج الجرعة لهذا البروتوكول ، هي وحدة برمجية لمعايرة الجرعة تستخدم حامل معايرة مخصص مصمم لتمكين قياسات التيار الآلي. تم دمج كوب فاراداي ، المعيار الذهبي لمعايرة تيار الحزمة الدقيقة15 ، في طرف حامل المعايرة. يقوم برنامج MVS بإجراء سلسلة من معايرات تيار الحزمة ومنطقة الحزمة لكل حالة عدسة ويقوم بتضمين هذه القيم على الصور على مستوى البكسل.

في مقالة الفيديو هذه ، يتم تقديم بروتوكولات برامج MVS المصممة لتحسين جميع مجالات سير عمل TEM باستخدام عينات تمثيلية من المواد النانوية. يتم استخدام عينة جسيمات الزيوليت النانوية الحساسةللحزمة 14 لتوضيح سير عمل المعايرة وإدارة الجرعة. نقوم بإجراء تجربة تسخين تمثيلية في الموقع باستخدام عينة Au / FeOx nanocatalyst18,19 التي تخضع لتغيرات مورفولوجية كبيرة عند تسخينها. تسلط هذه التجربة في الموقع الضوء على خوارزميات تثبيت البرنامج وقدرته على جمع تدفقات متعددة من البيانات الوصفية ، وهو تحد متأصل للدراسات في الموقع والتشغيل. على الرغم من عدم وصفها في البروتوكول ، نظرا لحساسية جرعة الإلكترون الفريدة ، فإننا نناقش أمثلة تمثيلية لفائدة البرنامج لدراسات EM السائلة (البروتوكولات التي تم الإبلاغ عنها سابقا في الأدبيات20،21،22) ، وكيف يمكن تطبيق هذه التقنيات لتحسين فهم تأثير الجرعة على تجارب EM السائلة. أخيرا ، نوضح كيف يتم تبسيط تحليل البيانات باستخدام برنامج التحليل دون اتصال بالإنترنت لتصور مجموعة متنوعة من ملفات الصور والفيديو والبيانات وتصفيتها وتصديرها إلى تنسيقات أخرى يمكن الوصول إليها.

Figure 1
الشكل 1: أمثلة على واجهة المستخدم ل MVS وبرامج التحليل. (أ) جزء عرض صورة برنامج المزامنة ولوحة التحكم. يتم إنشاء اتصال بين TEM وبرنامج المزامنة عن طريق تنشيط زر الاتصال ، الذي يتدفق الصور والبيانات الوصفية من المجهر إلى برنامج المزامنة. من عارض الصور، يمكن للمشغل إجراء مجموعة متنوعة من العمليات بمساعدة رؤية الماكينة، مثل تصحيح الانجراف ومساعد التركيز البؤري. كما يوفر القدرة على تطبيق صور العلامات وجلسة المراجعة دون تعطيل جمع البيانات. (B) لقطة شاشة لبرنامج تحليل الصور تبرز موقع منفذ عرض الصورة والمخطط الزمني ولوحة البيانات الوصفية والتحليل. يمكن الوصول إلى برنامج التحليل في أي وقت أثناء التجربة لمراجعة الصور التي تم الحصول عليها حتى تلك النقطة الزمنية باستخدام زر جلسة المراجعة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Protocol

1. الطريقة 1: معايرة جرعة المجهر الإلكتروني النافذ لأوضاع التصوير TEM والمسح الضوئي TEM (STEM)

  1. قم بتشغيل مقياس البيكوامتر واتركه يسخن لمدة لا تقل عن 30 دقيقة قبل بدء معايرة الجرعة. قم بتحميل حامل معايرة الجرعة في TEM وقم بتوصيل حامل المعايرة بمقياس picoammeter باستخدام كابل التوصيل السريع.
  2. باستخدام المجهر في وضع TEM ، افتح صمامات العمود وحدد موقع الفتحة الائتمانية 35 ميكرومتر على حامل الجرعة (الشكل 2). قم بتشغيل تطبيق برنامج MVS وحدد الجرعة (أتمتة المعايرة) من خيارات التجربة.
    ملاحظة: يتم حفظ موقع الثقب الائتماني بواسطة البرنامج بعد المعايرة الأولية ، مما يمكن البرنامج من تحديد موقعه تلقائيا لإجراء المعايرة المستقبلية.
  3. انقر فوق رمز الاتصال (الشكل 1 أ) وحدد المجهر لتنشيط الاتصال بين TEM وبرنامج MVS. بمجرد الاتصال ، ستكون الصور من الكاميرا / الكاشف مرئية في عارض الصور الخاص بالبرنامج.
    ملاحظة: ليس من الضروري تحسين ارتفاع eucentric ، وقد تبدو حافة الثقب الائتماني ضبابية بسبب سمك الطرف. هذا لن يؤثر على القياسات الحالية.
  4. انتقل إلى علامة التبويب الجرعة ثم إلى معايرة الجرعة. حدد عملية معايرة منطقة الجرعة ، واتبع مطالبات البرامج، وأدخل القيم المطلوبة القابلة للتكوين من قبل المستخدم (مثل إعدادات فتحة العدسة وأحادية اللون). بعد اكتمال معايرة منطقة الجرعة ، حدد عملية معايرة تيار الجرعة واتبع مطالبات البرنامج.
  5. كرر عملية المعايرة (الخطوة 1.4) لكل حجم بقعة أو فتحة عدسة أو إعداد أحادي اللون يمكن استخدامه أثناء التجربة.
  6. عند الانتهاء من عملية المعايرة لوضع TEM ، قم بمعايرة جرعة الإلكترون لوضع STEM بتكرار الخطوة 1.4.
    ملاحظة: لا يتطلب وضع STEM إجراء معايرة منطقة الجرعة .
  7. عند الانتهاء من جميع عمليات المعايرة المطلوبة ، انقر فوق إغلاق الجلسة ، وقم بإزالة حامل معايرة الجرعة ، وارجع إلى شاشة البدء لبرنامج MVS.

2. الطريقة الثانية: تحديد عتبة الجرعة باستخدام MVS وبرنامج الجرعة

  1. قم بتحميل شبكة TEM قياسية بعينة (تم استخدام جسيمات الزيوليت النانوية ZSM-5 المتاحة تجاريا في هذا المثال) في حامل TEM قياسي. أدخل الحامل في TEM وحدد منطقة الاهتمام (جسيمات الزيوليت النانوية البلورية).
  2. افتح تطبيق برنامج MVS وحدد أخرى.
    ملاحظة: يمكن إضافة معلومات إضافية حول العينة (مثل معرف العينة ووصفها واسم المشغل وملاحظات التجربة) إلى حقل المعلمات التجريبية.
  3. كرر الخطوة 1.3 للاتصال ببرنامج MVS وانتقل إلى علامة تبويب بيانات تعريف الصورة في واجهة برنامج MVS لتحديد بيانات التعريف التالية لتراكبها على دفق الصور الموضح في العرض المباشر: التكبير والجرعة القصوى ومعدل الجرعة. قد يتم تضمين بيانات وصفية أخرى إذا رغب المستخدم. يتم توفير لقطة شاشة لواجهة برنامج MVS توضح ضوابط إدارة الجرعة في الملف التكميلي 1.
  4. افتح علامة التبويب الجرعة وحدد إدارة الجرعة وتمكين مراقبة الجرعة لتنشيط التتبع الآلي لجرعة الإلكترون. حدد إظهار طبقة الجرعة لعرض تراكب لون الجرعة.
  5. اضبط قيم مستوى الجرعة العالية ومعدل الجرعة المرتفع واضغط على حفظ (في هذا المثال ، تم استخدام قيم 60000 e- / Å 2 و 500 e- / Å2 · s ، على التوالي).
  6. انتقل إلى علامة التبويب الإعدادات، وحدد الجرعة، واضبط قيم عتامة خريطة تنقل الجرعة وعتامة تراكب صورة الجرعة (في هذا المثال، تم استخدام قيم 0.50 و0.30، على التوالي).
  7. في نافذة Live Image Viewer ، قم بتنشيط تصحيح الانجراف بالنقر فوق تصحيح الانجراف.
  8. انتقل إلى علامة التبويب عرض البيانات وارسم قيم بيانات التعريف إلغاء التركيز وحاصل التركيز على المحور ص.
    ملاحظة: يمكن رسم أي من قيم البيانات الوصفية المتاحة في الوقت الفعلي أثناء التجربة من جدول عرض البيانات.
  9. قم بتنشيط مساعد التركيز، ثم حدد معايرة التركيز البؤري لتشغيل معايرة مساعد التركيز البؤري التلقائي. بمجرد اكتمال روتين معايرة التركيز ، أغلق علامة التبويب طريقة عرض البيانات .
  10. افتح علامة التبويب تحليل الصور في برنامج MVS وقم بتنشيط خيارات Live FFT و Quadrants 1 و 2 .
  11. باستخدام عناصر التحكم في برنامج المجهر ، اضبط ظروف الحزمة بحيث يكون تدفق الإلكترون ~ 500 e- / Å2 · s. والانتقال إلى منطقة جديدة في العينة وتوسيط عينة عائد الاستثمار في العرض المباشر لبرنامج MVS.
    ملاحظة: عند القيام بحركات مرحلة كبيرة، سيتم إلغاء تنشيط التحكم في الانحراف ومساعد التركيز البؤري تلقائيا، ويجب إعادة تعشيقهما بمجرد تحديد عائد الاستثمار الجديد.
  12. قم بتدوين شروط الجرعة في البرنامج باستخدام وظيفة Tag . قم بتمييز رمز العلامة وأدخل النص المطلوب للإشارة إلى سلسلة معينة من الصور داخل المخطط الزمني. سيتم تمييز الصور بهذا النص حتى يتم إلغاء تحديد أيقونة العلامة .
  13. حافظ على معدل جرعة ثابت مع التصوير المستمر لنفس عائد الاستثمار حتى تختفي القمم المقابلة للبنية الذرية في مخطط FFT.
  14. قم بتقليل التكبير، وافتح علامة التبويب إدارة الجرعة ، وقم بتنشيط إظهار طبقة الجرعة لتراكب خريطة جرعة مرمزة بالألوان.
    ملاحظة: توفر هذه الميزة مرجعا مرئيا لمناطق العينة التي تعرضت لحزمة الإلكترونات والتعرض للجرعة النسبية. سيشير تمييز هذه المناطق في الصور الفردية باستخدام المؤشر إلى قيم الجرعة الخاصة بكل منها.
  15. افصل الجلسة وقم بإنهائها عن طريق إلغاء تحديد اتصال، ثم حدد إغلاق الجلسة. احفظ نسخة من بيانات الجلسة إلى مصدر خارجي لمنع الكتابة فوق البيانات المحفوظة في برنامج MVS أثناء التجارب اللاحقة (الملف التكميلي 2).

3. الطريقة الثالثة: البيانات الوصفية وتحليل الاتجاهات وتصدير البيانات باستخدام برنامج التحليل

  1. قم بتشغيل برنامج التحليل (البرنامج غير المتصل بالإنترنت لعرض مجموعات البيانات المتزامنة بالكامل) وافتح ملف جلسة التجربة عن طريق تحديده من مكتبة الملفات.
    ملاحظة: يمكن للمستخدمين أيضا الوصول إلى برنامج التحليل من خلال رمز جلسة المراجعة في برنامج MVS أثناء التجربة.
  2. اعرض الصور المصححة للانحراف عن طريق تنشيط علامة تبويب DC أسفل منفذ عرض الصورة وحدد تراكبات البيانات المطلوبة عن طريق تحديد مربعات بيانات التراكب الخاصة بها في علامة تبويب بيانات تعريف الصورة (في هذا المثال تم استخدام المجهر والتاريخ / الوقت ومعدل الجرعة والجرعة القصوى والتكبير). قد يتم رسم البيانات الوصفية الأخرى حسب رغبة المستخدم.
  3. حدد مربع المخطط الزمني للجرعة القصوى ومعدل الجرعة لإضافة مخطط رسومي لهذه القيم إلى المخطط الزمني. قم بتمييز أو التمرير خلال هذه المخططات الرسومية لتحديث الصورة المعروضة في إطار العرض. يمكنك الوصول إلى مجموعة متنوعة من الأدوات من خلال علامات التبويب الملاحظات وتحليل الصور ومربع الأدوات وعرض البيانات.
    1. قم بالوصول إلى FFT لكل صورة من خلال علامة التبويب تحليل الصور وانقر فوق Live FFT لتحديث FFT أثناء التمرير عبر الصور.
    2. استخدم تلاشي قمم FFT لتحديد النقطة الزمنية التي تفقد فيها بنية الزيوليت التبلور. سجل قيمة الجرعة القصوى المسجلة مع تلك الصورة.
  4. استخدم خيار التصفية لتصفية مجموعات البيانات الكبيرة بسهولة إلى مجموعات بيانات أصغر قابلة للمشاركة دون فقد بيانات التعريف المرتبطة بها. افتح لوحة المرشح واضبط أشرطة التمرير بحيث يتم تحديد البيانات ذات معدل الجرعة الذي يساوي أو يزيد عن ~ 500 e- / Å2 · s فقط ، واحفظ المجموعة الجديدة باستخدام الاسم دراسة عتبة الجرعة.
    ملاحظة: يمكن تطبيق عوامل التصفية على أي من أنواع البيانات الوصفية المرتبطة.
  5. قم بتصدير الصور والبيانات الأولية من الجلسة إلى أنواع ملفات أخرى غنية بأشرطة القياس وتراكبات البيانات الأولية.
    1. قم بتمييز المجموعة في جزء المكتبة وحدد نشر بالنقر بزر الماوس الأيمن فوق التحديد. من نافذة النشر ، حدد الخيارات المطلوبة لتصدير نوع الملف.
    2. حدد علامة تبويب البيانات المصححة للانحراف وقم بتطبيق تراكبات أي بيانات وصفية مطلوبة و FFT (ضع تراكب FFT حسب الرغبة ؛ يتم عرض أمثلة للصور المصدرة باستخدام FFT في الشكل 3).
  6. قم بتصدير سلسلة الصور كملف فيلم باستخدام نفس خيار النشر . حدد الصور عن طريق تمييزها في المخطط الزمني ، باستخدام خيارات التصفية أو تصدير ملف قاعدة البيانات الكامل. حدد تنسيق الفيلم المطلوب ومعدل الإطارات وموقع الملف. ويرد في الملف التكميلي 3 فيلم لتجربة تحلل الزيوليت التي تم الحصول عليها باستخدام TEM بجهد 200 كيلوفولت.
  7. قم بتصدير البيانات الوصفية بشكل منفصل عن الصور التي تم الحصول عليها كملف CSV عن طريق تحديد خيار البيانات الوصفية (CSV) أثناء النشر.
    ملاحظة: يتم تصدير الصور الأولية والصور المصححة للانحراف كملفات CSV منفصلة (الملف التكميلي 4 والملف التكميلي 5).

4. الطريقة 4: دراسة التسخين في الموقع للذهب على جسيمات أكسيد الحديد النانوية

  1. قم بإرسال محفز نانوي (Au / FeOx) معلق في الإيثانول على شريحة E-chip لسخان في الموقع ، ودعم عينة ميكو كهروميكانيكية (MEM) ، واتركه يجف في الهواء. قم بتركيب العينة في حامل التسخين في الموقع ، وأدخل الحامل مع العينة في TEM ، وقم بتوصيل الحامل بمصدر الطاقة باستخدام الكبل المرفق. حدد موقع نموذج عائد الاستثمار باستخدام عناصر تحكم TEM.
    ملاحظة: استخدمت هذه التجربة حامل تسخين مدمج تماما مع برنامج MVS ، مما يتيح تضمين البيانات الوصفية لدرجة الحرارة مع الصور.
  2. حدد خيار سير العمل المناسب من برنامج MVS (في هذا المثال ، تم استخدام Fusion Workflow ، ولكن يمكن استخدام حوامل التدفئة الخاصة بالشركة المصنعة الأخرى عن طريق تحديد أخرى).
  3. اتبع مطالبات سير العمل لتأكيد التوصيل الكهربائي بين الحامل وشريحة التسخين الإلكترونية عن طريق تحميل ملف المعايرة وإجراء فحص الجهاز.
  4. قم بتوصيل المجهر ببرنامج MVS ، كما هو موضح سابقا في الخطوات 2.3-2.10 (في هذا المثال ، تم تحديد قيم البيانات الوصفية لمعدل الجرعة ، والجرعة القصوى ، وارتباط المطابقة ، ومعدل الانجراف ، ودرجة حرارة القناة A) ، وقم بتوسيط نموذج عائد الاستثمار في مجال الرؤية.
  5. افتح علامة التبويب Fusion AX وقم بإعداد درجة حرارة وتطبيقها.
  6. انقر فوق الزر Channel A Setup للوصول إلى إعدادات التحكم في درجة الحرارة. حدد وظيفة درجة الحرارة ووضع التحكم اليدوي .
  7. انقر فوق الزر تجربة للوصول إلى عناصر التحكم التجريبية. اضبط معدل المنحدر على 10 °C / s والهدف على 600 °C. انقر فوق تطبيق لبدء التجربة.
    ملاحظة: يمكن إيقاف التجربة مؤقتا أو إيقافها في أي وقت باستخدام أزرار الوصول السريع في الركن الأيمن السفلي من برنامج MVS ، دون فتح علامة التبويب Fusion AX .
  8. بعد الوصول إلى درجة الحرارة المحددة البالغة 600 درجة مئوية ، افتح علامة التبويب Fusion AX وحدد تجربة. قم بتغيير معدل المنحدر إلى 2 درجة مئوية والهدف إلى 800 درجة مئوية. انقر فوق تطبيق لبدء التجربة.
    ملاحظة: يعتمد إجراء تطبيق منحدر التدفئة على نظام التدفئة في الموقع المستخدم. تنطبق الخطوات الموضحة أعلاه لتطبيق منحدر درجة الحرارة على النظام المستخدم في هذا المثال.
  9. سلط الضوء على أي أحداث أو نقاط اهتمام أثناء التجربة باستخدام ميزة وضع العلامات، كما هو موضح في الخطوة 2.10. استمر في تصوير العينة واضبط ملف تعريف درجة الحرارة حسب الرغبة. عند الانتهاء ، انقر فوق إنهاء الجلسة واحفظ ملف البيانات باستخدام برنامج التحليل (يتم توفير جزء من ملف قاعدة البيانات الذي تمت مناقشته في النتائج التمثيلية كملف تكميلي 6).
  10. افتح برنامج التحليل لمراجعة الجلسة. ارسم درجة الحرارة وعامل تحويل القالب ومعدل الجرعة والجرعة التراكمية في المخطط الزمني. قم بتصدير الصور والأفلام حسب الرغبة باستخدام الخطوات الموضحة في الخطوتين 3.6 و 3.7. يمكن تصدير الصور والأفلام مع أو بدون تراكبات خريطة الجرعة (الشكل 4).

Representative Results

يسلط هذا العمل الضوء على فائدة الحصول على البيانات باستخدام برنامج MVS للتصوير TEM والتجارب في الموقع. تم إجراء محاذاة المجهر وإعداد الحالة واختيارها من خلال عناصر التحكم الافتراضية للشركة المصنعة TEM. بعد الإعداد الأولي ، تم إجراء البروتوكولات المقدمة في مقالة الفيديو هذه من خلال برنامج MVS. تم استخدام TEM 300 kV لجميع التجارب المقدمة في بروتوكول الفيديو والبيانات التمثيلية ، باستثناء بيانات الزيوليت المقارنة التي تم الحصول عليها باستخدام FEG بارد 200 كيلو فولت (الشكل 3D-F والجدول 1). تم جمع جميع البيانات الوصفية ومواءمتها مع الصور الخاصة بها تلقائيا بواسطة برنامج MVS.

بعد تشغيل البرنامج واختيار سير العمل المناسب من القائمة ، يتم إنشاء اتصال بالمجهر عن طريق تنشيط زر الاتصال في شريط الأدوات في أقصى يسار عارض الصور ، كما هو موضح في الشكل 1A. عند تمييز زر الاتصال ، يتم دفق الصور والبيانات الوصفية المرتبطة بها من المجهر تلقائيا إلى برنامج MVS وتظهر في جزء عرض الصورة. يتم حفظ هذه الصور والبيانات الوصفية المرتبطة بها ترتيبا زمنيا في جدول زمني يمكن فتحه ومراجعته وتحليله دون مقاطعة تسجيل البيانات الجديدة في المخطط الزمني (الشكل 1 ب). يمكن للمستخدم مقاطعة البث في أي وقت عن طريق إلغاء تنشيط رمز الاتصال .

بمجرد تنشيط الاتصال ، يمكن الوصول إلى مهام سير العمل الأخرى التي تعتمد على إطار عمل برنامج MVS. في الأمثلة الموضحة في بروتوكول الفيديو هذا ، يجب إجراء معايرة الجرعة قبل استخدام الوظائف الأخرى لبرنامج MVS. معايرة الجرعة هي عملية آلية يتم التحكم فيها بواسطة برنامج MVS. يستخدم حامل معايرة جرعة كأس فاراداي المخصص لقياس تيار الحزمة ومساحتها لمجموعة من المعلمات. يتصل حامل معايرة كوب فاراداي ، الموضح في الشكل 2 ، بمقياس بيكوامتر خارجي ، والذي يقيس بدقة تيار الحزمة. بمجرد إدخاله في المجهر ، يتم توسيط فتحة المحاذاة الإيمانية ويتم إدخال ظروف الحزمة المطلوبة المراد معايرتها (أحجام البقع والفتحات والتكبيرات) في البرنامج. يقوم البرنامج بتنفيذ سلسلة من خطوات المعايرة لكل مجموعة من الشروط المحددة. أثناء معايرة الجرعة ، يتحرك الحامل تلقائيا بين كوب تجميع التيار فاراداي المدمج والفتحة من خلال. يتم قياس القياس الحالي لكل مجموعة من ظروف العدسة على كوب فاراداي بواسطة مقياس البيكوميتر. بعد ذلك ، يقوم البرنامج بترجمة المرحلة لتوسيط الحزمة في الفتحة ويتم تحديد منطقة الشعاع من خلال خوارزميات رؤية الآلة. تبني هذه السلسلة من القياسات ملفا شخصيا للعلاقة بين الشدة / السطوع ومنطقة الحزمة. يتيح ذلك للبرنامج استقراء منطقة الحزمة حيث يتم ضبط إعداد الشدة / السطوع أثناء التجربة بغض النظر عن مجال الرؤية. يتم حساب قيم الجرعة التراكمية ومعدل الجرعة باستخدام قياسات تيار الحزمة ومنطقة الحزمة ويتم إنشاء ملف معايرة الجرعة. تحدد هذه العملية بشكل أساسي جرعة "بصمة" ل TEM وظروف العدسة الفردية. بمجرد معايرة الجرعة ل TEM ، يكون المستخدم قادرا على العمل بشكل طبيعي وبحرية ضبط التكبير والشدة دون فقدان معلومات الجرعة أو تدوينالملاحظات اليدوية 17. بعد اكتمال المعايرة، تتم إزالة حامل معايرة الجرعة، مما يسمح بإدخال العينة كالمعتاد. تستغرق عملية المعايرة لكل من وضعي TEM و STEM عادة أقل من 10 دقائق.

بعد معايرة ظروف الجرعة ، تم تصوير عينة جسيمات الزيوليت النانوية المشتراة تجاريا (ZSM-5) في ظل ظروف معدل جرعة عالية لتحديد الجرعة العتبة (التراكمية ) التي تكون فيها العينة تالفة للغاية بحيث لا توفر معلومات هيكلية. تم تعليق الجسيمات النانوية ZSM-5 في الإيثانول وقطرة على شبكة TEM النحاسية التقليدية. تم تصويرها بشكل مستمر عند 300 كيلو فولت في وضع TEM باستخدام حجم بقعة 3 وفتحة مكثف 100 ميكرومتر. كان معدل الجرعة الذي قرأه برنامج MVS في ظل ظروف معدل الجرعة العالية 519 e- / Å2 · ثانية. تم تصوير الجسيمات النانوية في مجال الرؤية بشكل مستمر حتى اختفت القمم في FFT ، مما يشير إلى تدهور البنية البلورية ، كما هو موضح في الشكل 3A-C والملف التكميلي 3. تم تطبيق التراكبات (التي يمكن إضافتها أثناء تجربة حية أو بعد ذلك في برنامج التحليل) على صور TEM لإظهار التاريخ والوقت ومعدل الجرعة والجرعة القصوى (التراكمية والتراخيص) والتكبير. تم الحفاظ على معدل الجرعة ثابتا أثناء التجارب ، مع زيادة الجرعة التراكمية (الجرعة القصوى) كدالة للوقت. بدأت قمم FFT في الاختفاء بعد 42 ثانية من التصوير المستمر (الشكل 3 ب). في 1 دقيقة و 20 ثانية وجرعة تراكمية ~ 60000 e- / Å2 ، اختفت قمم FFT تماما (الشكل 3C).

لإثبات أن طريقة المعايرة هذه تولد قياسات كمية للجرعة يمكن تطبيقها على المجاهر الأخرى التي تعمل في ظل إعدادات مختلفة ، تم إجراء نفس عملية المعايرة وتجربة تحلل الزيوليت باستخدام مسدس انبعاث المجال البارد 200 كيلو فولت (FEG) TEM وحجم بقعة 1. تمت معايرة هذا المجهر باستخدام نفس الإجراء الموضح في الطريقة 1 ، وتم إجراء نفس التجربة الموضحة في الطريقة 2 باستخدام إعدادات حجم البقعة وفتحة العدسة الجديدة. تم تعديل إعدادات الحزمة بحيث كان الفرق في معدل الجرعة المطبقة بين التجربتين ضئيلا (499 e- / Å 2 · s مقابل 519 e- / Å2 · s). كما هو موضح في الشكل 3D-F والملخص في الجدول 1 ، تختفي بقع FFT تماما بعد 1 دقيقة و 50 ثانية من التصوير المستمر وجرعة تراكمية تبلغ 58,230 e- / Å2 ، والتي تتوافق مع القيم التي تم الحصول عليها في التجربة الأولى.

تم عرض مثال على كيفية استفادة برنامج MVS من التجارب في الموقع من خلال إجراء تجربة تسخين. تم اختيار عينة محفز نانوي تمثيلي ، Au / FeOx (تم تصنيعها وفقا لإجراء منشور19) ، كنظام مثال لأنه يخضع لتغيرات مورفولوجية وهيكلية ديناميكية في درجات حرارة عالية. هذا التنقل الناجم عن درجة الحرارة يجعل من الصعب الحفاظ على عائد الاستثمار متمركزا في مجال الرؤية بسبب حركة العينة والتمدد الحراري للعينة نفسها أثناء تغيرات درجة الحرارة18. مع تمكين ميزات Drift Correct و Focus Assist ، تم تصوير العينة على مدار فترة ~ 30 ثانية عند 800 درجة مئوية. عند درجات حرارة مرتفعة ، هاجرت جسيمات الذهب النانوية داخل Au / FeOx على طول سطح دعامة أكسيد الحديد وتلبدت لتشكيل جزيئات أكبر ، كما هو موضح في الشكل 4 وكفيلم في الملف التكميلي 7. يوضح الشكل 5 سلسلة من لقطات TEM (الشكل 5A-F) لمنطقة مسامية داخلمحفز نانوي Au / FeO x ، تم تسجيلها في نقاط زمنية مختلفة (الشكل 5G) أثناء تجربة تسخين في الموقع. تم حساب قيمة الانجراف المنسق لعائد الاستثمار تلقائيا بواسطة البرنامج. يتم عرض قيم الانجراف ودرجة الحرارة المنسقة للصور على مدار السلسلة بيانيا في الشكل 5G. كما هو متوقع ، يزداد الانجراف المنسق للعينة مع زيادة ملف تعريف درجة الحرارة ، من معدل ~ 9 نانومتر / دقيقة إلى ~ 62 نانومتر / دقيقة ، ويبدأ في الانخفاض نحو التسوية حيث تظل درجة الحرارة ثابتة. على الرغم من هذا المعدل المرتفع من الانجراف ، والتغيرات في مورفولوجيا العينة ، يمكن الحصول بسهولة على صور عالية الدقة أثناء ارتفاع درجة الحرارة ، مما يكشف عن الحركة داخل المنطقة المسامية ، كما هو موضح في الملف التكميلي 8. راجع الملف التكميلي 9 للحصول على تعليمات التنزيل ومواصفات الكمبيوتر.

Figure 2
الشكل 2: معايرة جرعة الإلكترون وتتبعها . (أ) معايرة الجرعة باستخدام حامل عينة مخصص يحتوي على مجمع تيار موضوع عند مستوى العينة لقياسات تيار الحزمة. (ب) رسم توضيحي لميزات تصميم الطرف: اليسار: كأس فاراداي. الوسط: ثقب ائتماني. اليمين: من خلال الفتحة (C). يمكن تصور جرعة الإلكترون المطبقة في البرنامج باستخدام خرائط مرمزة بالألوان للإشارة إلى التعرض للجرعات المختلفة داخل الصورة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: التحلل الناجم عن جرعة الإلكترون لجسيمات الزيوليت النانوية (ZSM-5). (A-C) لقطات مأخوذة على مدى 1 دقيقة و 20 ثانية تظهر بيانات التحلل التي تم الحصول عليها باستخدام 300 كيلو فولت FEG ومعدل جرعة مقاس 519 e-/Å2 ·s; يتحلل الزيوليت في غضون 1 دقيقة و 20 ثانية. (D-E) لقطات مأخوذة خلال فترة زمنية 1 دقيقة و 50 ثانية تظهر بيانات التحلل التي تم الحصول عليها باستخدام FEG TEM بارد 200 كيلو فولت ومعدل جرعة إلكترون 499 e- / Å2 ·s; تظهر الأجزاء الداخلية بقعة FFT تتلاشى بمرور الوقت. شريط المقياس 60 نانومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: يطبق تزامن AXON خوارزميات رؤية الآلة لتتبع العينات المتطورة ديناميكيا واستقرارها. يمكن رسم البيانات الوصفية التي تم إنشاؤها أثناء التجربة على طول المخطط الزمني، مما يسمح للمستخدم بإقران صورة بسرعة بالبيانات الوصفية المرتبطة بها أثناء التمرير عبر سلسلة الصور التي تم إنشاؤها أثناء التجربة. (أ-ح) تم تسجيل صور لعينة محفز نانوي (Au / FeOx) عند 800 درجة مئوية خلال فترة 28 ثانية مع تراكب خريطة الجرعة (A-D) وبدون (E-H). تشير المناطق الحمراء في التراكب إلى مناطق التعرض للجرعة التراكمية العالية ، وتشير المناطق الصفراء إلى مناطق التعرض الأقل. يشير تمييز بكسل فردي إلى الجرعة التراكمية لهذا البكسل. تشير الأسهم البيضاء في اللوحات E-H إلى جسيمين يندمجان أثناء التجربة ، ويشير السهم البرتقالي إلى مسار جسيم الذهب المتحرك. (I) الجدول الزمني للتجربة الذي تم إنشاؤه بواسطة برنامج التحليل لسلسلة الصور الموضحة في A-H. تشير النقاط البرتقالية في الجزء العلوي من المخطط الزمني إلى الصور الأولية (غير المصححة رقميا) وتشير النقاط الزرقاء إلى الصور المصححة للانحراف. تشير الأشرطة الرأسية البرتقالية إلى النقاط الموجودة على المخطط الزمني المقابلة للصور المعروضة على اللوحات A-H. شريط المقياس 40 نانومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: لقطات TEM لمنطقة مسامية داخل محفز نانوي Au / FeOx في نقاط زمنية مختلفة. يعمل برنامج MVS على استقرار العينة وتوسيطها حتى أثناء معدلات الانجراف العالية ، مثل تلك التي تحدث أثناء منحدر درجة الحرارة من خلال تطبيق المرحلة ، وتحول الحزمة ، والتصحيحات الرقمية ، كما هو موضح بواسطة خوارزميات رؤية الآلة. (أ-و) لقطات TEM لمنطقة مسامية داخل محفز نانوي Au / FeOx ، تم تسجيلها في نقاط زمنية مختلفة (G) أثناء تجربة تسخين في الموقع. يتم حساب معدل الانجراف لعائد الاستثمار وتسجيله تلقائيا أثناء التجربة بواسطة برنامج MVS. كما هو موضح في (G) ، مع تغيير ملف تعريف درجة الحرارة (الخط الأزرق) ، يزداد معدل الانجراف (الخط البرتقالي) مع زيادة درجة الحرارة وانخفاضها مع بقاء درجة الحرارة ثابتة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

نوع المجهر 300 كيلو فولت FEG TEM 200 كيلو فولت بارد FEG TEM
حجم البقعة/المكثف 2 فتحة العدسة 3/100 ميكرومتر 1/100 ميكرومتر
معدل الجرعة 519 ه-/أ2•ق1 499 ه-/أ2•ق1
فقدان الهيكل المقاس بواسطة FFT
(الجرعة المتراكمة)		 60,270 ه-/أ2 58,230 ه-/أ2

الجدول 1: مقارنة موجزة لنتائج تحلل الزيوليت التي تم الحصول عليها من المجاهر المختلفة.

الملف التكميلي 1: لقطة شاشة لواجهة برنامج MVS مع فتح علامة تبويب إدارة الجرعة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: ملف قاعدة بيانات برمجيات MVS لتجربة تحلل الزيوليت الناجم عن الحزمة. برنامج العرض / التحليل هذا متاح للتنزيل مجانا. يرجى الاطلاع على الملف التكميلي 9 للحصول على تعليمات التنزيل ومواصفات الكمبيوتر. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف تكميلي 3: فيلم تحلل الزيوليت الناجم عن الحزمة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 4: ملف CSV 1 (تدهور الزيوليت: البيانات الأولية [تصحيح ميكانيكي فقط]) الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 5: ملف CSV (تدهور الزيوليت: تصحيح الانجراف [تصحيح ميكانيكي + رقمي]) الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 6: ملف قاعدة بيانات برنامج MVS محفز نانوي في تجربة التسخين في الموقع . الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 7: فيلم المحفز النانوي عند 800 درجة مئوية مع تراكبات الجرعة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 8: فيلم للمحفز النانوي أثناء منحدر درجة الحرارة بقيم انجراف منسقة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 9: تعليمات لتنزيل برنامج التحليل المجاني. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

غالبا ما يعتمد تفسير النتائج التجريبية ل TEM على العديد من المعلمات التجريبية المترابطة ، مثل إعدادات المجهر ، وظروف التصوير ، وفي حالة التجارب التشغيلية أو في الموقع ، التغييرات في البيئة أو المحفزات1،23. يتطلب التحليل الدقيق لمجموعات بيانات TEM الكبيرة ، والتي يمكن تعديل هذه المعلمات عليها باستمرار ، اهتماما كبيرا من المشغل لتسجيل كل حالة وإعداد لكل صورة بدقة في مجلة المختبر أو مصدر توثيق خارجي آخر. مع نمو مجموعات بيانات TEM من حيث الحجم والتعقيد ، يصبح حفظ السجلات اليدوي غير قابل للإدارة ، وقد يتم تفويت المعلومات الأساسية أو تسجيلها بشكل غير دقيق. يقوم برنامج MVS الموصوف هنا بدمج البيانات الوصفية التي تم إنشاؤها أثناء التجربة من المجهر والكاشف / الكاميرا والأنظمة الأخرى (مثل حاملات العينات في الموقع ) ومواءمتها مع الصور الخاصة بها.

بالإضافة إلى دمج البيانات الوصفية ، يطبق البرنامج خوارزميات رؤية الآلة لتتبع مجال الرؤية واستقراره من خلال مجموعة من التصحيحات المكانية والشعاعية والرقمية باستخدام وظائف Drift Correct و Focus Assist . عند تشغيل وظيفة Drift Correct ، يتم إنشاء صورة "قالب" للارتباط المتبادل باستخدام الصورة الأولى التي يتم سحبها إلى برنامج MVS. ثم تتم مقارنة القالب بالصور الواردة لحساب اتجاه وحجم انحراف العينة أو حركتها. باستخدام هذه المعلومات ، يقوم برنامج MVS تلقائيا بتطبيق التصحيحات اللازمة للحفاظ على ميزات الصورة في نفس المكان عن طريق ضبط معلمة واحدة على الأقل من ثلاث معلمات: موقع المرحلة ، وإزاحة الحزمة أو الصورة ، وتصحيح الصورة الرقمية. تستخدم وظيفة Focus Assist مجموعة من الخوارزميات لتعيين قيمة تركيز بؤري ، تسمى درجة التركيز لكل صورة ، وتتم مقارنة هذه الدرجات لتحديد حجم واتجاه ضبط إلغاء التركيز البؤري لتطبيقه للحفاظ على العينة في التركيز البؤري. في وضع التصوير STEM ، يحاول برنامج MVS زيادة التباين إلى أقصى حد من خلال إصدار خاص من التباين الطبيعي لتعيين درجة التركيز. في وضع TEM ، يتم حساب مجموع شعاعي للكثافة في FFT ويستخدم لحساب درجة التركيز. تحدث القيود المفروضة على قدرة برنامج MVS على تحسين التركيز عندما لا يمكنه حساب درجة التركيز الصحيحة للصورة بدقة. يحدث هذا عادة عندما يكون المجهر غير محاذ أو تكون العينة خارج التركيز بشكل كبير أثناء المعايرة ، مما يمنع البرنامج من حساب قيمة درجة تركيز البداية الصحيحة بشكل صحيح. يمكن أن يواجه برنامج MVS صعوبة في حساب درجة التركيز للعينات ذات الحواف الشبكية المحددة جيدا ، حيث يمكن للأطراف الشبكية في FFT أن "تطغى" على خوارزمية تسجيل التركيز ؛ وبالتالي ، إذا خرجت عينة عن التركيز ، فقد لا تعكس درجة التركيز بدقة التغيير في التركيز. على العكس من ذلك ، فإن العمل عند التكبير المنخفض أو مع عينة بها إشارة FFT منخفضة يمكن أن يجعل من الصعب أيضا حساب درجة تركيز جيدة. للتخفيف من هذه الصعوبات ، يحتوي برنامج MVS على عدد من الخوارزميات الإضافية التي يمكن للمستخدم اختيارها لحساب درجة التركيز إذا كانت الإعدادات الافتراضية غير مناسبة للعينة. يجب اختبارها وتطبيقها على أساس كل حالة على حدة لتحديد أفضل الخوارزميات لتجربة معينة.

يتم حساب التغيرات المورفولوجية في بنية العينة بمرور الوقت باستخدام عامل تحويل القالب. يتم ضبط هذا المرشح بواسطة المشغل ، بحيث تحسب خوارزميات التسجيل التغييرات المورفولوجية بمرور الوقت. بالإضافة إلى ذلك ، يراقب البرنامج الصورة المستمرة وإعدادات المجهر وإعدادات الكاميرا أو الكاشف لتحديث القالب تلقائيا عند تشغيله بواسطة التغييرات في بنية العينة وبعد أي تغييرات يسببها المشغل على معلمات المجهر أو الكاميرا أو الكاشف. كما هو موضح في الشكل 4 والشكل 5 والملف التكميلي 7 والملف التكميلي 8 ، يوفر برنامج MVS استقرارا فعالا وفوريا ، مما يسمح بتصوير عالي الدقة للعينات المتحركة أو المتغيرة ديناميكيا. على الرغم من أن البرنامج قادر على التحكم في معدلات عالية جدا من الانجراف أو حركة العينة ، مثل تلك التي تحدث عند تطبيق منحدر تسخين أثناء تجربة في الموقع ، إلا أن هناك قيودا على الحد الأقصى لتصحيحات المرحلة أو تحولات الحزمة التي يمكن للبرنامج التحكم فيها إذا كانت العينة تتحرك أو تنجرف بسرعة كبيرة. هذا الحد هو دالة لمعدل تحديث الصورة وحجم مجال الرؤية ومعدل الانحراف. بالنسبة لمجال رؤية معين ومعدل تحديث الصورة ، هناك حد أقصى لمعدل الانجراف يمكن تصحيحه ، وإذا لم تتمكن الحركات الجسدية من مواكبة ذلك ، فقد تنتهي العملية أو تصبح غير مستقرة. من قوالب التسجيل التي تم إنشاؤها عند تطبيق ميزات مثل Drift Correct ، يمكن إنشاء بيانات تعريف محسوبة إضافية. على سبيل المثال ، ارتباط المطابقة هو سجل رقمي لمدى التغيير بين القوالب في سلسلة ويستخدم لتحديد النقاط في مخطط زمني تجريبي تغيرت فيه العينة. تتوافق قيمة الارتباط عالية المطابقة مع عينة خضعت لتغييرات في مورفولوجيتها ، وتتوافق قيمة ارتباط المطابقة المنخفضة مع عينة يظل هيكلها ثابتا نسبيا. يعد ارتباط المطابقة ذا قيمة خاصة للدراسات في الموقع حيث يمكن رسمه بيانيا ، مما يمكن المستخدم من تحديد الصور بسرعة في السلسلة المقابلة لتغير كبير في العينة. ومع ذلك ، من المهم أن نفهم أن قيم الارتباطات عالية المطابقة يمكن أن تتوافق أيضا مع التغيرات في ظروف التصوير ، مثل تحريك المرحلة أو تغيير التكبير ، إذا تم تنفيذ هذه الإجراءات بينما تظل وظيفة تصحيح الانجراف نشطة.

يستخدم سير عمل المعايرة المعروض هنا حامل معايرة فريدا وروتين معايرة شبه آلي لمعايرة الحزمة بدقة في ظل مجموعة متنوعة من ظروف العدسة بأقل تدخل من المشغل. يتم الوصول إلى روتين معايرة الجرعة من خلال برنامج MVS المثبت على TEM. يقرأ برنامج MVS تلقائيا إعدادات المجهر ذات الصلة لحفظ جميع القياسات للرجوع إليها للتجارب اللاحقة. في بعض TEMs ، لا يمكن قراءة إعدادات الفتحة أو أحادية اللون ، ويجب إدخالها في إعدادات برنامج MVS بواسطة المشغل أثناء المعايرة وأثناء الاستخدام. هناك تذكيرات مضمنة في البرنامج للمساعدة في الحفاظ على تحديث إعدادات إدخال المشغل هذه باتباع مطالبات البرنامج. يعد تطوير حامل مزود بمجمع تيار مدمج ، بدلا من الاعتماد على حامل مدمج في مكان آخر في عمود المجهر ، اختيارا متعمدا للتصميم. يتيح ذلك وضع مجمع التيار في نفس مستوى العينة ، مما يلغي الأخطاء في القياس الحالي الناتجة عن انحراف الحزمة أو الاختلافات في امتصاص الإلكترونات بواسطة الفتحات في مواضع الحزمة المختلفة. يتبع برنامج MVS روتينا آليا لقياس تيار الحزمة والمنطقة لأي مجموعة من ظروف العدسة. يمكن للبرنامج بعد ذلك ربط هذه المعايرات المقاسة بالكاميرا أو تيار الشاشة واستقراء أي تغييرات في التكبير وما إلى ذلك إلى منطقة الحزمة أثناء التجربة. بمجرد إنشائها ، يمكن استخدام ملفات المعايرة هذه على الفور ويتم حفظها تلقائيا لاستخدامها لاحقا إذا اكتشف البرنامج نفس الإعدادات المستخدمة أثناء جلسة مستقبلية. على الرغم من أن طول عمر ملف المعايرة يختلف من مجهر إلى آخر ، فقد وجد المؤلفون أنهم قادرون على استخدام نفس ملفات المعايرة لعدة أشهر دون ملاحظة تغييرات جوهرية في القيم الحالية. هناك إجراءات مدمجة تراقب ملف تعريف انبعاث البنادق للمساعدة في الحفاظ على هذه المعايرات ذات صلة ، خاصة على مسدسات انبعاث FEG الباردة.

يعد تطبيع قياسات الجرعة بين المجاهر والتتبع الآلي لتعرض شعاع العينة من الوظائف الحاسمة لبرنامج MVS ، حيث إنها تسمح بإجراء مقارنات كمية لظروف الجرعة بين التجارب على أنظمة مجهرية مختلفة. يؤدي التحلل الناجم عن الجرعة لعينة الزيوليت (ZSM-5) ، التي تم الحصول عليها خلال تجارب متطابقة باستخدام مجاهر مختلفة ، إلى اختفاء تام لبقع FFT بعد جرعة إلكترونية تراكمية أو عتبة قصوى (~ 60.000 e- / Å 2 عند تطبيق معدل جرعة ~ 500 e- / Å2 · s) لكلا الإعدادين. توضح هذه النتائج المقارنة أن برنامج الجرعة يسهل قياسات الجرعة الكمية القابلة للتكرار. من المحتمل أن يكون الاختلاف البسيط في الجرعة التراكمية التي لوحظ عندها اختفاء بقعة FFT بالكامل لكل تجربة نتيجة لجهود التسارع المختلفة التي يستخدمها المجهران ، مع انخفاض الفولتية المتسارعة مما يؤدي إلى المزيد من مسارات الضرر الإشعاعي ، وتؤدي الفولتية التسارع الأعلى عادة إلى المزيد من الضرر غير المباشر24. تتراوح نتائج الأدبيات للجرعة الحرجة من الجسيمات النانوية ZSM-5 من 9000-14000 e- / Å2 باستخدام أول اختفاء موضعي FFT ، بدلا من الاختفاء الكامل لجميع بقع FFT25،26. في نتائجنا ، يتوافق أول اختفاء موضعي ل FFT مع جرعة تراكمية تبلغ حوالي 25000 e- / Å2. اعتمدت الدراسات السابقة على القياسات الحالية التي تم الحصول عليها باستخدام شاشة الفوسفور ، والتي تم توثيقها جيدا لتقليل قياسات تيار الحزمة عند مقارنتها بكوب فاراداي15. يمكن أن تختلف الجرعة الحرجة المحددة بعامل اثنين أو أكثر ، اعتمادا على ذروة FFT المستخدمة لتتبع الجرعة. يشير هذا إلى أن الترددات المكانية الأعلى تتحلل أولا ، ويمكن أن تؤدي إلى قيم مختلفة اعتمادا على الوصول إلى المنطقة المستخدمة أثناء القياسات (ركزت نتائجنا على بقع FFT من بلورة الزيوليت بأكملها ، بدلا من ميزات هيكلية محددة)25,26. هذه الاختلافات في التقنيات والمعايرة الحالية تفسر الاختلاف في القيم بين التجربتين المبلغ عنهما في نتائجنا ودراسات الأدبيات السابقة.

على الرغم من أن تفاعلات جرعة الإلكترون هي عامل مهم في العديد من تجارب TEM ، إلا أن الدراسات في الموقع وعلى وجه التحديد دراسات EM السائلة حساسة بشكل خاص لآثارها. ينتج عن التحلل الإشعاعي للسوائل بواسطة حزمة الإلكترون سلسلة من الأنواع التفاعلية كيميائيا والتي يمكن أن تتفاعل مع العينة ، مما يعقد التحليل. يمكن أن يكون لكل من معدل الجرعة أو الطلاقة المستخدمة أثناء تجربة EM السائلة والجرعة التراكمية تأثير على تركيز الأنواع الجذرية الناتجة عن التحلل الإشعاعي السائل27,28. وبالتالي ، فإن جمع وتسجيل كل من الجرعة التراكمية والبيانات الوصفية لمعدل الجرعة خلال التجربة يسمح بالارتباط المباشر بين الصور وتاريخ جرعة العينة ، وهو طريقة أكثر دقة لتوضيح تأثير حزمة الإلكترون والتحكم فيه في هذه التجارب. على الرغم من عدم تغطيتها في هذا البروتوكول ، يظهر مثال على فائدة ميزات إدارة الجرعة ل Liquid-EM في الشكل 6.

Figure 6
الشكل 6: النمو الناجم عن الحزمة لجسيمات الذهب النانوية أثناء تجربة EM السائل في الموقع. (أ) نظرة عامة على العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات منخفضة التكبير لنمو الجسيمات الناتجة مع تراكب ملون لخريطة الجرعة التراكمية عبر المنطقة. تشير المناطق الحمراء في التراكب إلى مناطق التعرض للجرعة التراكمية العالية وتشير المناطق الصفراء إلى مناطق التعرض الأقل. يشير تمييز بكسل فردي بالمؤشر أو رسم مربع فوق منطقة باستخدام أدوات الرسم المضمنة إلى الجرعة التراكمية لهذا البيكسل أو المساحة. شريط المقياس هو 2 ميكرومتر. (B,C) صور STEM عالية التكبير للمناطق المشار إليها بواسطة المربعات البرتقالية (ب ، ج) في A. تحتوي المنطقة ب ، المعرضة لجرعة تراكمية أعلى (10.811 e- / Å 2) على جزيئات أكبر من تلك الموجودة في المنطقة c ، والتي تعرضت لجرعة تراكمية أقل (0.032 e- / Å2). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يبسط معدل الجرعة المخصبة والبيانات الوصفية للجرعة التراكمية تحليل نمو المواد النانوية المعتمدة على الجرعة ومسارات التدهور. يوضح الشكل 6 الاختزال الناجم عن الحزمة لمحلول أيونات كلوريد الذهب (HAuCl3) في الماء أثناء تجارب EM السائلة. من تراكب خريطة الجرعة الملونة في الشكل 6A ، من السهل تصور أن جرعة الإلكترون التراكمية تؤثر على الحجم والشكل الناتج للجسيمات النانوية29،30،31،32. تظهر نظرة عامة على STEM ذات التكبير المنخفض المناطق المعرضة لجرعة تراكمية عالية (حمراء) ومنخفضة (صفراء). الجسيمات في المنطقة المعرضة لجرعات أعلى أكبر من تلك الموجودة في المناطق المعرضة لجرعات تراكمية أقل. نظرا لأن البيانات الوصفية للجرعة مضمنة مباشرة في كل صورة على مستوى البكسل ، يمكن الآن تحليل التأثيرات المعقدة لجرعة الإلكترون في تجارب EM السائلة بشكل منهجي بطريقة لم يكن من الممكن تحقيقها من قبل.

في هذا البروتوكول ، أثبتنا أن برنامج MVS يوفر حلا شاملا لمعايرة ومراقبة وتتبع كل من جرعة الإلكترون والجرعة الإجمالية التي يتم تسليمها إلى عينة على أساس بكسل تلو الآخر. تفتح هذه القدرة نموذجا جديدا لتصوير العينات الحساسة للجرعة وفهم تفاعلات حزمة الإلكترون. إنه مثير بشكل خاص لتجارب EM السائلة ، لأنه سيسمح باستجواب أكثر فعالية للدور الذي تلعبه جرعة الإلكترون وتحسين قابلية التكاثر التجريبي. نأمل أن يسمح هذا الإطار الجديد بجمع دقيق لمعدل الجرعة ومعلومات الجرعة المتراكمة ، وتسهيل مشاركة هذه البيانات مع المجتمع من أجل تفسير أكثر دقة لنتائج TEM ، وتعزيز التعاون العلمي ومشاركة البيانات من خلال تمكين الإبلاغ والتحليل الرئيسي ل FAIR.

Disclosures

جميع المؤلفين هم موظفون في شركة Protochips، Inc.

Acknowledgments

تم تنفيذ هذا العمل جزئيا في مرفق الأجهزة التحليلية (AIF) في جامعة ولاية كارولينا الشمالية ، والذي تدعمه ولاية كارولينا الشمالية والمؤسسة الوطنية للعلوم (رقم الجائزة ECCS-2025064). AIF هو عضو في شبكة تكنولوجيا النانو مثلث أبحاث ولاية كارولينا الشمالية (RTNN) ، وهو موقع في البنية التحتية الوطنية المنسقة لتكنولوجيا النانو (NNCI). يود المؤلفون أن يشكروا داميان ألويو ، مدير أبحاث CNRS في جامعة باريس سيتي ، على تقديم نتائج دراسة عتبة جرعة الزيوليت 200 كيلو فولت CFEG.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ARM200F CFEG JEOL Transmission Electron Microscope (200 kV)
AXON DOSE Calibration Holder Protochips, Inc. AXA-FC-TFS Dose calibration and management hardware package for ThermoFisher ScientificTEM
AXON DOSE Software:  Version 10.6.5.3 Protochips, Inc. AX-MOD-DOSE-01-1YR Dose calibration and management software
AXON Studio Software: Version 10.6.5.3 Protochips, Inc. No Part Number.
Available to download at  success.protochips.com		 Offline analysis software for AXON datasets.  A free copy of the AXON Studio software is available for down load at:  success.protochips.com
AXON Synchronicity Core Protochips, Inc. AXON-CORE Hardware component of the synchronization software.
AXON Synchronicity Software:  Version 10.6.5.3 Protochips, Inc. AX-MOD-SYNCPRO-01-1YR Synchronization software
Fusion In-Situ Heating E-chip Protochips, Inc. E-FHDC-VO-10 Sample Support E-chip with carbon film.  Used with in situ heating system
Fusion Select In Situ Heating System Protochips, Inc. FFAD-6200-EXP In-situ MEMs heating system for ThermoFisher Scientific TEM.
Gold(III) chloride (50% gold basis) hydrate 50790 Sigma Aldrich 27988-77-8 Used to prepare Au/FeOx nanocatalyst.  Coprecipitation synthesis procedure followed in C. Sze et al. Materials Letters. 36 (1–4), 11–16 (1998)
Iron (III) Oxide 310050 (Fe2O3) Sigma Aldrich 1309-37-1 Used to prepare Au/FeOx nanocatalyst.  Coprecipitation synthesis procedure followed in C. Sze et al. Materials Letters. 36 (1–4), 11–16 (1998)
Titan ChemiSTEM ThermoFisher Scientific Transmission Electron Microscope (300 kV)
Zeolite ZSM-5 Zeolyst CBV 8014  Nanocatalyst sample:  80 SiO2/Al2O3 Mole Ratio

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Thomas, J. M., Leary, R. K., Eggeman, A. S., Midgley, P. A. The rapidly changing face of electron microscopy. Chemical Physics Letters. 631, 103-113 (2015).
  2. Spurgeon, S. R., et al. Towards data-driven next-generation transmission electron microscopy. Nature Materials. 20 (3), 274-279 (2021).
  3. Gai, P. L., Boyes, E. D. In situ visualisation and analysis of dynamic single atom processes in heterogeneous catalysts. Journal of Materials Chemistry A. 10 (11), 5850-5862 (2022).
  4. Zheng, H., Lu, X., He, K. In situ transmission electron microscopy and artificial intelligence enabled data analytics for energy materials. Journal of Energy Chemistry. 68, 454-493 (2022).
  5. Topsøe, H. Developments in operando studies and in situ characterization of heterogeneous catalysts. Journal of Catalysis. 216 (1), 155-164 (2003).
  6. Wilkinson, M. D., et al. The FAIR Guiding Principles for scientific data management and stewardship. Scientific Data. 3 (1), 160018 (2016).
  7. FAIR Principles. Go Fair. , Available from: https://www.go-fair.org/fair-principles/ (2023).
  8. Draxl, C., Scheffler, M. NOMAD: The FAIR concept for big data-driven materials science. MRS Bulletin. 43 (9), 676-682 (2018).
  9. Kelly, D. F., et al. Liquid-EM goes viral-visualizing structure and dynamics. Current Opinion in Structural Biology. 75, 102426 (2022).
  10. AXON Studio Software Download. Protochips, Inc. , Available from: https://success.protochips.com/s/?language=en_US (2023).
  11. Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).
  12. Grubb, D. T. Radiation damage and electron microscopy of organic polymers. Journal of Materials Science. 9 (10), 1715-1736 (1974).
  13. Buban, J. P., Ramasse, Q., Gipson, B., Browning, N. D., Stahlberg, H. High-resolution low-dose scanning transmission electron microscopy. Journal of Electron Microscopy. 59 (2), 103-112 (2010).
  14. Chen, Q., et al. Imaging beam-sensitive materials by electron microscopy. Advanced Materials. 32 (16), 1907619 (2020).
  15. Krause, F. F., et al. Precise measurement of the electron beam current in a TEM. Ultramicroscopy. 223, 113221 (2021).
  16. Żak, A. Guide to controlling the electron dose to improve low-dose imaging of sensitive samples. Micron. 145, 103058 (2021).
  17. Damiano, J., et al. AXON dose: A solution for measuring and managing electron dose in the TEM. Microscopy Today. 30 (4), 22-25 (2022).
  18. Allard, L. F., Flytzani-Stephanopoulos, M., Overbury, S. H. Behavior of Au species in Au/Fe2O3 catalysts characterized by novel in situ heating techniques and aberration-corrected STEM imaging. Microscopy and Microanalysis. 16 (4), 375-385 (2010).
  19. Sze, C., Gulari, E., Demczyk, B. G. Structure of coprecipitated gold-iron oxide catalyst materials. Materials Letters. 36 (1-4), 11-16 (1998).
  20. DiCecco, L. A., et al. Advancing high-resolution imaging of virus assemblies in liquid and ice. Journal of Visualized Experiments. (185), e63856 (2022).
  21. Dukes, M. J., Gilmore, B. L., Tanner, J. R., McDonald, S. M., Kelly, D. F. In situ TEM of biological assemblies in liquid. Journal of Visualized Experiments. (82), e50936 (2013).
  22. Scheutz, G. M., et al. Probing thermoresponsive polymerization-induced self-assembly with variable-temperature liquid-cell transmission electron microscopy. Matter. 4 (2), 722-736 (2020).
  23. Howe, J. Y., Allard, L. F., Bigelow, W. C., Demers, H., Overbury, S. H. Understanding catalyst behavior during in situ heating through simultaneous secondary and transmitted electron imaging. Nanoscale Research Letters. 9 (1), 614 (2014).
  24. Egerton, R. F. Mechanisms of radiation damage in beam-sensitive specimens, for TEM accelerating voltages between 10 and 300 kV. Microscopy Research and Technique. 75 (11), 1550-1556 (2012).
  25. Yoshida, K., Sasaki, Y. Optimal accelerating voltage for HRTEM imaging of zeolite. Microscopy. 62 (3), 369-375 (2013).
  26. Yoshida, K., Sasaki, Y., Kurata, H. High-resolution imaging of zeolite with aberration-corrected transmission electron microscopy. AIP Advances. 3 (4), 042113 (2013).
  27. Lee, J., Nicholls, D., Browning, N. D., Mehdi, B. L. Controlling radiolysis chemistry on the nanoscale in liquid cell scanning transmission electron microscopy. Physical Chemistry Chemical Physics. 23 (33), 17766-17773 (2021).
  28. Schneider, N. M., et al. Electron-water interactions and implications for liquid cell electron microscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (38), 22373-22382 (2014).
  29. Fritsch, B., et al. Radiolysis-driven evolution of gold nanostructures - model verification by scale bridging in situ liquid-phase transmission electron microscopy and x-ray diffraction. Advanced Science. 9 (25), e2202803 (2022).
  30. Alloyeau, D., et al. Unravelling kinetic and thermodynamic effects on the growth of gold nanoplates by liquid transmission electron microscopy. Nano Letters. 15 (4), 2574-2581 (2015).
  31. Ahmad, N., Le Bouar, Y., Ricolleau, C., Alloyeau, D. Growth of dendritic nanostructures by liquid-cell transmission electron microscopy: a reflection of the electron-irradiation history. Advanced Structural and Chemical Imaging. 2 (1), 9 (2016).
  32. Zhang, Y., Keller, D., Rossell, M. D., Erni, R. Formation of Au nanoparticles in liquid cell transmission electron microscopy: From a systematic study to engineered nanostructures. Chemistry of Materials. 29 (24), 10518-10525 (2017).

Tags

علم الأحياء، العدد 196،
نهج رؤية الآلة لسير عمل المجهر الإلكتروني النافذ وتحليل النتائج وإدارة البيانات
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Dukes, M. D., Krans, N. A., Marusak, … More

Dukes, M. D., Krans, N. A., Marusak, K., Walden, S., Eldred, T., Franks, A., Larson, B., Guo, Y., Nackashi, D., Damiano, J. A Machine-Vision Approach to Transmission Electron Microscopy Workflows, Results Analysis and Data Management. J. Vis. Exp. (196), e65446, doi:10.3791/65446 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter