Waiting
Login processing...

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

Biology

גישת ראיית מכונה לתהליכי עבודה של מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת, ניתוח תוצאות וניהול נתונים

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

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לשימוש בתוכנת ראיית מכונה לייצוב תהליכים דינמיים במהלך הדמיית TEM, תוך יצירת אינדקס בו זמנית של זרמים מרובים של מטא נתונים לכל תמונה לציר זמן הניתן לניווט. אנו מדגימים כיצד פלטפורמה זו מאפשרת כיול ומיפוי אוטומטיים של מינון האלקטרונים במהלך ניסוי.

Abstract

מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת (TEM) מאפשר למשתמשים לחקור חומרים בקנה מידה אטומי בסיסי שלהם. ניסויים מורכבים מייצרים באופן שגרתי אלפי תמונות עם פרמטרים רבים הדורשים ניתוח גוזל זמן ומסובך. AXON synchronicity הוא פתרון תוכנה לסינכרון ראיית מכונה (MVS) שנועד לטפל בנקודות הכאב הטבועות במחקרי TEM. לאחר התקנתו על המיקרוסקופ, הוא מאפשר סנכרון רציף של תמונות ומטה-נתונים שנוצרו על ידי המיקרוסקופ, הגלאי ומערכות באתרן במהלך ניסוי. קישוריות זו מאפשרת יישום של אלגוריתמים של ראיית מכונה המיישמים שילוב של תיקונים מרחביים, אלומות ודיגיטליים כדי למרכז ולעקוב אחר אזור עניין בשדה הראייה ולספק ייצוב תמונה מיידי. בנוסף לשיפור המשמעותי ברזולוציה שמאפשר ייצוב כזה, סנכרון מטא-נתונים מאפשר יישום של אלגוריתמים חישוביים וניתוח תמונות המחשבים משתנים בין תמונות. מטה-נתונים מחושבים אלה יכולים לשמש לניתוח מגמות או לזיהוי תחומי עניין מרכזיים בתוך מערך נתונים, מה שיוביל לתובנות חדשות ולפיתוח יכולות ראיית מכונה מתוחכמות יותר בעתיד. מודול אחד כזה שמתבסס על מטא נתונים מחושבים אלה הוא כיול וניהול מינון. מודול המינון מספק כיול, מעקב וניהול מתקדמים הן של שטף האלקטרונים (e-/Å 2·s-1) והן של המינון המצטבר (e-/Å2) המועבר לאזורים ספציפיים של הדגימה על בסיס פיקסל אחר פיקסל. זה מאפשר סקירה מקיפה של האינטראקציה בין קרן האלקטרונים לבין הדגימה. ניתוח ניסויים מתבצע בצורה יעילה באמצעות תוכנת ניתוח ייעודית שבה מערכי נתונים המורכבים מתמונות וממטא-נתונים מתאימים ניתנים להמחשה, מיון, סינון וייצוא בקלות. יחד, כלים אלה מאפשרים שיתופי פעולה יעילים וניתוח ניסיוני, מעודדים כריית נתונים ומשפרים את חוויית המיקרוסקופ.

Introduction

מיקרוסקופי אלקטרונים תמסורת (TEMs) ויכולותיהם הפיקו תועלת עצומה מההתקדמות במצלמות, גלאים, מחזיקי דגימות וטכנולוגיות מחשוב. עם זאת, התקדמות זו מעוכבת על ידי זרמי נתונים מנותקים, מגבלות של פעולה אנושית, ניתוח נתונים מסורבל 1,2. יתר על כן, ניסויים באתרם ובאופרנדו מתאימים TEMs למעבדות ננומטריות בזמן אמת, ומאפשרים לחקור דגימות בסביבות גז או נוזל תוך יישום בו זמנית של מגוון גירויים חיצוניים 3,4,5. האימוץ של זרימות עבודה מורכבות כאלה רק הגדיל את המגבלות הללו, וכתוצאה מכך הגידול בגודל ובמורכבות של זרמי נתונים אלה הוא תחום של דאגה גוברת. לפיכך, ישנו דגש הולך וגובר על ניצול יכולת פעולה של מכונה כדי למצוא, לגשת, לשתף פעולה ולעשות שימוש חוזר בנתונים, פרקטיקה הידועה בשם עקרונות FAIR6. פרסום נתוני מחקר בהתאם לתפיסת עקרונות FAIR זכה לתשומת לב חיובית מצד סוכנויות ממשלתיות ברחבי העולם 7,8, ויישום עקרונות FAIR באמצעות תוכנת ראיית מכונה הוא שלב מפתח באימוצם.

פלטפורמת תוכנה לסנכרון ראיית מכונה (MVS) פותחה בתגובה לנקודות הכאב הספציפיות הטבועות בביצוע וניתוח ניסויי TEM מורכבים ועתירי מטא-נתונים (במיוחד בניסויים באתרם ובאופרנדו)9. לאחר ההתקנה על TEM, תוכנת MVS מתחברת, משתלבת ומתקשרת עם עמוד המיקרוסקופ, הגלאים, ומערכות משולבות באתרן . זה מאפשר לו לאסוף תמונות באופן רציף וליישר אותן עם המטא-נתונים הניסיוניים שלהן, וליצור מסד נתונים מקיף שניתן לחפש בו, ציר זמן של הניסוי מתחילתו ועד סופו (איור 1). קישוריות זו מאפשרת לתוכנת MVS ליישם אלגוריתמים העוקבים ומייצבים באופן חכם אזור עניין (ROI), גם כאשר הדגימות עוברות שינויים מורפולוגיים. התוכנה מיישמת התאמות לתיקוני במה, קרן ודיגיטלי לפי הצורך כדי לייצב את החזר ההשקעה באמצעות פונקציות בקרת הסחף וסיוע המיקוד שלה. בנוסף להעשרת התמונות במטא נתונים גולמיים המופקים ממערכות הניסוי השונות, התוכנה יכולה להפיק מטא נתונים חישוביים חדשים באמצעות אלגוריתמים לניתוח תמונות כדי לחשב משתנים בין תמונות, המאפשרים לה לתקן אוטומטית עבור סטיית דגימה או שינויים במיקוד.

תמונות TEM, והמטא-נתונים הקשורים אליהן שנאספו באמצעות תוכנת MVS, מאורגנים כציר זמן ניסיוני שכל אחד יכול לפתוח ולצפות בו באמצעות הגרסה החינמית והלא מקוונת של תוכנת הניתוח, Studio (להלן תוכנת הניתוח)10. במהלך ניסוי, תוכנת MVS מסנכרנת ורושמת שלושה סוגים של תמונות מהמצלמה או הגלאי של המיקרוסקופ, המוצגות בחלק העליון של ציר הזמן מתחת למציג התמונות: רכישה יחידה (תמונות רכישה בודדות בודדות שנרכשו ישירות מתוכנת TEM), גולמיות (תמונות מהזרם החי של הגלאי/מצלמה שלא הוחלו בהן תיקוני סחף דיגיטליים; ייתכן שתמונות אלה תוקנו פיזית באמצעות תנועת במה או הסטת קרן), ותיקון סחף (תמונות מהזרם החי של הגלאי/המצלמה שנסחפו דיגיטלית). נתונים שנאספו במהלך ניסוי או הפעלה יכולים להיות מזוקקים עוד יותר למקטעים קטנים יותר או לקטעי נתונים, המכונים אוספים, ללא אובדן של מטה-נתונים מוטבעים. מתוכנת הניתוח, תמונות, אוספי תמונות ומטא נתונים ניתנים לייצוא ישירות למגוון תמונות בפורמט פתוח וסוגי גליונות אלקטרוניים לניתוח באמצעות כלים ותוכניות אחרים.

מסגרת הבקרה, הייצוב והאינטגרציה של מטה-נתונים במיקרוסקופ המתאפשרת על ידי תוכנת MVS מאפשרת גם יישום של תוכניות או מודולים נוספים של ראיית מכונה, שנועדו להקל על מגבלות בזרימות העבודה הנוכחיות של TEM. אחד המודולים הראשונים שפותחו כדי לנצל את פלטפורמת הסנכרון הזו הוא כיול מינון אלקטרונים ומעקב מרחבי אחר אזורים חשופים לקרן בתוך הדגימה. כל תמונות TEM נוצרות מהאינטראקציה בין הדגימה לבין קרן האלקטרונים. עם זאת, אינטראקציות אלה יכולות גם לגרום להשפעות שליליות ובלתי נמנעות על הדגימה, כגון רדיוליזה ונזקי דפיקה 11,12, ודורשות איזון זהיר בין הפעלת מינון אלקטרונים גבוה מספיק כדי ליצור את התמונה לבין מזעור נזקי הקרן המתקבלים 13,14.

למרות שמשתמשים רבים מסתמכים על מדידות זרם המסך כדי להעריך את מינון האלקטרונים, שיטה זו הוכחה כממעיטה באופן נרחב בהערכת זרם הקרן בפועל15. ניתן לקבל ערכי מינון איכותיים באמצעות זרם המסך על אותו מיקרוסקופ עם אותן הגדרות, אך שחזור תנאי מינון אלה באמצעות מיקרוסקופים או הגדרות שונות הוא סובייקטיבי מאוד. בנוסף, כל התאמות פרמטר הדמיה שבוצעו על ידי המשתמש במהלך הניסוי, כגון גודל ספוט, צמצם, הגדלה או עוצמה, דורשות מדידה נפרדת של זרם המסך כדי לחשב את המינון המתקבל. המשתמשים חייבים להגביל בקפדנות את תנאי ההדמיה המשמשים במהלך ניסוי נתון או למדוד ולהקליט בקפידה כל תנאי עדשה שנעשה בהם שימוש, מה שמסבך באופן משמעותי ומרחיב את הניסוי מעבר למה שניתן לפעולה רגילה של המיקרוסקופ16,17.

Dose, המכונה תוכנת מינון עבור פרוטוקול זה, היא מודול תוכנה לכיול מינון המשתמש במחזיק כיול ייעודי שנועד לאפשר מדידות זרם אוטומטיות. גביע פאראדיי, תקן הזהב לכיול מדויק של זרם קרן15, משולב בקצה מחזיק הכיול. תוכנת MVS מבצעת סדרה של כיולים של זרם קרן ואזור קרן עבור כל תנאי עדשה ומטמיעה ערכים אלה בתמונות ברמת הפיקסל.

במאמר וידאו זה, פרוטוקולי תוכנה MVS שנועדו לשפר את כל תחומי זרימת העבודה של TEM מוצגים באמצעות דגימות ננו-חומרים מייצגות. דגימת ננו-חלקיקי זאוליט14 רגישה לקרן משמשת להדגמת תהליכי העבודה של כיול וניהול מינון. אנו מבצעים ניסוי חימום מייצג באתרו באמצעות דגימת ננו-זרז18,19 Au/FeOx שעוברת שינויים מורפולוגיים משמעותיים בעת חימום. ניסוי זה באתרו מדגיש את אלגוריתמי הייצוב של התוכנה ואת יכולתה לאסוף זרמים מרובים של מטא נתונים, המהווה אתגר מובנה עבור מחקרי באתרם ובאופרנדו. למרות שלא תוארה בפרוטוקול, בגלל הרגישות הייחודית שלה למינון אלקטרונים, אנו דנים בדוגמאות מייצגות של התועלת של התוכנה למחקרי EM נוזלי (פרוטוקולים שדווחו בעבר בספרות20,21,22), וכיצד ניתן ליישם טכניקות אלה כדי לשפר את הבנת השפעת המינון על ניסויי EM נוזלי. לבסוף, אנו מראים כיצד ניתוח נתונים יעיל באמצעות תוכנת הניתוח הלא מקוון כדי להציג באופן חזותי, לסנן ולייצא מגוון קבצי תמונה, וידאו ונתונים לפורמטים נגישים אחרים.

Figure 1
איור 1: דוגמאות לממשק משתמש עבור MVS ותוכנות ניתוח. (A) חלונית הצגת התמונות ולוח הבקרה של תוכנת הסינכרון. חיבור בין TEM לבין תוכנת הסנכרון נוצר על ידי הפעלת כפתור התחבר, אשר מזרים את התמונות והמטא נתונים מהמיקרוסקופ לתוך תוכנת הסנכרון. ממציג התמונות, המפעיל יכול לבצע מגוון פעולות בסיוע ראיית מכונה, כגון Drift Correct ו- Focus Assist. הוא גם מספק את היכולת להחיל Tag Images ו- Review Session מבלי להפריע לאיסוף הנתונים. (B) צילום מסך של תוכנת ניתוח התמונות המדגיש את המיקום של יציאת תצוגת התמונות, ציר הזמן והחלונית Metadata and Analysis. ניתן לגשת לתוכנת הניתוח בכל שלב במהלך הניסוי כדי לסקור את התמונות שנרכשו עד לאותה נקודת זמן באמצעות לחצן סשן סקירה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Protocol

1. שיטה 1: כיול מינון של מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת עבור TEM וסריקת מצבי הדמיה TEM (STEM)

  1. הפעל את מד הפיקואמטר ואפשר לו להתחמם למשך 30 דקות לפחות לפני תחילת כיול המינון. טען את מחזיק כיול המינון לתוך ה- TEM וחבר את מחזיק הכיול לפיקומטר באמצעות כבל החיבור המהיר.
  2. כאשר המיקרוסקופ במצב TEM , פתחו את שסתומי העמודים ואתרו את החור הפידוקיאלי בגודל 35 מיקרומטר על מחזיק המנה (איור 2). הפעל את יישום התוכנה MVS ובחר מינון (אוטומציית כיול) מתוך אפשרויות הניסוי.
    הערה: מיקום החור הפידוקיאלי נשמר על-ידי התוכנה לאחר הכיול הראשוני, מה שמאפשר לתוכנה לאתר באופן אוטומטי את מיקומו לצורך כיולים עתידיים.
  3. לחץ על סמל Connect (איור 1A) ובחר במיקרוסקופ כדי להפעיל את החיבור בין TEM לבין תוכנת MVS. לאחר החיבור, התמונות מהמצלמה/הגלאי יהיו גלויות במציג התמונות של התוכנה.
    הערה: אין צורך לייעל את הגובה האוצנטרי, וקצה החור הפידוקיאלי עשוי להיראות מטושטש בגלל עובי הקצה. זה לא ישפיע על המדידות הנוכחיות.
  4. נווט אל הכרטיסיה מינון ולאחר מכן אל כיול מינון. בחר תהליך כיול אזור מינון , פעל בהתאם להנחיות התוכנה והזן את הערכים המבוקשים הניתנים להגדרה על-ידי המשתמש (כגון הגדרות הצמצם והמונוכרומטור). לאחר השלמת כיול אזור המינון , בחר את תהליך כיול זרם המינון ופעל בהתאם להנחיות התוכנה.
  5. חזור על תהליך הכיול (שלב 1.4) עבור כל גודל ספוט, צמצם או הגדרת מונוכרומטור שניתן להשתמש בהם במהלך הניסוי.
  6. כאשר תהליך הכיול עבור מצב TEM מסתיים, כייל את מינון האלקטרונים עבור מצב STEM על ידי חזרה על שלב 1.4.
    הערה: מצב STEM אינו מחייב ביצוע כיול שטח המינון .
  7. בסיום כל הכיולים הרצויים, לחץ על סגור הפעלה, הסר את מחזיק כיול המינון וחזור למסך ההתחלה של תוכנת MVS.

2. שיטה 2: קביעת סף מינון באמצעות תוכנת MVS ומינון

  1. טען רשת TEM סטנדרטית עם דגימה (ננו-חלקיקי זאוליט ZSM-5 הזמינים מסחרית שימשו בדוגמה זו) למחזיק TEM סטנדרטי. הכנס את המחזיק ל- TEM ואתר אזור עניין (ננו-חלקיקי זאוליט גבישיים).
  2. פתח את יישום התוכנה MVS ובחר אחר.
    הערה: ניתן להוסיף מידע נוסף על הדגימה (לדוגמה, מזהה הדגימה ותיאורו, שם האופרטור והערות הניסוי) לשדה הפרמטרים הניסיוניים.
  3. חזור על שלב 1.3 כדי להתחבר לתוכנת MVS ונווט אל כרטיסיית מטה-נתונים של התמונה בממשק התוכנה MVS כדי לבחור את המטא-נתונים הבאים לכיסוי על זרם התמונה המוצג בתצוגה החיה: הגדלה, מינון מרבי וקצב מינון. מטה-נתונים אחרים עשויים להיכלל אם המשתמש מעוניין בכך. צילום מסך של ממשק התוכנה MVS המציג את פקדי ניהול המינון מסופק בקובץ משלים 1.
  4. פתח את הכרטיסייה מינון ובחר ניהול מינון ואפשר ניטור מינון כדי להפעיל מעקב אחר מינון אלקטרונים אוטומטי. בחרו 'הצג שכבת מנה' להצגת כיסוי צבע המינון.
  5. הגדר את הערכים עבור רמת המינון הגבוהה ושיעור המינון הגבוה ולחץ על שמור (בדוגמה זו, נעשה שימוש בערכים של 60,000 e-/Å 2 ו- 500 e-/Å2·s, בהתאמה).
  6. נווטו אל הכרטיסייה 'הגדרות', בחרו 'מנה' וקבעו את הערכים 'אטימות מפת ניווט במינון' ו'אטימות כיסוי תמונת מינון' (בדוגמה זו נעשה שימוש בערכים של 0.50 ו- 0.30, בהתאמה).
  7. בחלון Live Image Viewer , הפעל תיקון סחף על-ידי לחיצה על Drift Correct.
  8. נווט אל הכרטיסיה תצוגת נתונים והתווה את ערכי המטה-נתונים Defocus ו - Focus Quotient בציר Y.
    הערה: ניתן להתוות כל אחד מערכי המטה-נתונים הזמינים בזמן אמת במהלך הניסוי מטבלת תצוגת הנתונים.
  9. הפעל את 'סיוע בהתמקדות' ולאחר מכן בחר ' כיול מיקוד ' כדי להפעיל את הכיול האוטומטי של 'סיוע במיקוד'. לאחר השלמת שגרת כיול המיקוד , סגור את הכרטיסיה תצוגת נתונים .
  10. פתח את הכרטיסיה ניתוח תמונות בתוכנת MVS והפעל את האפשרויות Live FFT ו - Quadrants 1 ו- 2 .
  11. באמצעות פקדי התוכנה של המיקרוסקופ, כוונן את תנאי הקרן כך ששטף האלקטרונים יהיה ~ 500 e-/Å2·s. ועבור לאזור חדש במדגם ומרכז את החזר ההשקעה של הדגימה בתצוגה החיה של תוכנת MVS.
    הערה: בעת ביצוע תנועות במה גדולות, בקרת סחף וסיוע במיקוד יושבתו באופן אוטומטי, ויש להפעיל אותם מחדש לאחר בחירת החזר ההשקעה החדש.
  12. רשום לעצמך את תנאי המינון בתוכנה באמצעות הפונקציה Tag . סמן את סמל התג והזן את הטקסט הרצוי לציון סדרת תמונות מסוימת בציר הזמן. תמונות יתויגו בטקסט זה עד לביטול הבחירה בסמל התג .
  13. שמור על קצב מינון קבוע תוך הדמיה רציפה של אותו החזר השקעה עד שהשיאים המתאימים למבנה האטומי בתרשים FFT ייעלמו.
  14. צמצמו את ההגדלה, פתחו את הכרטיסייה 'ניהול מינון ' והפעילו את האפשרות 'הצג שכבת מנה ' כדי לכסות מפת מינון מקודדת בצבע.
    הערה: תכונה זו מספקת התייחסות חזותית של אזורי הדגימה שנחשפו לקרן האלקטרונים וחשיפת המינון היחסי שלהם. הדגשת אזורים אלה בתמונות בודדות באמצעות הסמן תציין את ערכי המינון המתאימים שלהם.
  15. נתק וסיים את ההפעלה על-ידי ביטול הבחירה באפשרות התחבר ולאחר מכן בחר סגור הפעלה. שמור עותק של נתוני ההפעלה במקור חיצוני כדי למנוע החלפה של הנתונים שנשמרו בתוכנת MVS במהלך הניסויים הבאים (קובץ משלים 2).

3. שיטה 3: מטא נתונים וניתוח מגמות וייצוא נתונים באמצעות תוכנת הניתוח

  1. הפעל את תוכנת הניתוח (התוכנה הלא מקוונת להצגת ערכות הנתונים המסונכרנות במלואן) ופתח את קובץ הפעלת הניסוי על-ידי בחירתו מספריית הקבצים.
    הערה: משתמשים יכולים גם לגשת לתוכנת הניתוח דרך סמל סשן סקירה בתוכנת MVS במהלך ניסוי.
  2. הצג את התמונות שתוקנו באמצעות סחף על-ידי הפעלת הכרטיסייה DC מתחת ליציאת Image View ובחר את שכבות-העל הרצויות על-ידי סימון תיבות נתוני שכבת-העל המתאימות שלהן בכרטיסייה Image Metadata (בדוגמה זו נעשה שימוש במיקרוסקופ, תאריך/שעה, קצב מינון, מינון מרבי והגדלה). מטה-נתונים אחרים עשויים להיות מתווטים לפי רצון המשתמש.
  3. סמן את התיבה ציר זמן עבור מינון מרבי וקצב מינון כדי להוסיף תרשים גרפי של ערכים אלה לציר הזמן. סמן או גלול בין תרשימים גרפיים אלה כדי לעדכן את התמונה המוצגת באשנב. גש למגוון כלים באמצעות הכרטיסיות הערות, ניתוח תמונות, ארגז כלים ותצוגת נתונים .
    1. גש ל- FFT עבור כל תמונה דרך הכרטיסייה ניתוח תמונות ולחץ על Live FFT כדי לעדכן את ה- FFT תוך כדי גלילה בין תמונות.
    2. השתמש בדעיכת פסגות FFT כדי לקבוע את נקודת הזמן שבה מבנה הזאוליט מאבד גבישיות. רשום את ערך המינון המרבי שנרשם עם תמונה זו.
  4. השתמש באפשרות סנן כדי לסנן בקלות ערכות נתונים גדולות לערכות נתונים קטנות יותר הניתנות לשיתוף מבלי לאבד את המטה-נתונים המשויכים אליהן. פתח את חלונית המסנן והתאם את המחוונים כך שייבחרו רק נתונים עם קצב מינון השווה ל~500 e-/Å2·s ומעלה, ושמור את האוסף החדש בשם Dose Threshold Study.
    הערה: ניתן להחיל מסננים עבור כל אחד מסוגי המטה-נתונים המשויכים.
  5. יצא את התמונות והמטא-נתונים מההפעלה לסוגי קבצים אחרים המועשרים בסרגלי קנה מידה ובשכבות-על של מטא-נתונים.
    1. סמן את האוסף בחלונית הספריה ובחר פרסם על-ידי לחיצה באמצעות לחצן העכבר הימני על הבחירה. בחלון Publish , בחר באפשרויות הרצויות לייצוא סוג הקובץ.
    2. בחרו בכרטיסייה 'נתונים מתוקני סחף' והחילו שכבות-על של מטא-נתונים רצויים ושל ה-FFT (מקמו את כיסוי ה-FFT כרצונכם; דוגמאות לתמונות שיוצאו באמצעות FFT מוצגות באיור 3).
  6. יצא את סדרת התמונות כקובץ סרט באמצעות אותה אפשרות פרסום . בחר בתמונות על-ידי הדגשתן בציר הזמן, שימוש באפשרויות הסינון או ייצוא קובץ מסד הנתונים המלא. בחר את פורמט הסרט הרצוי, קצב הפריימים ומיקום הקובץ. סרט של ניסוי פירוק הזאוליטים שהתקבל באמצעות TEM של 200 קילו-וולט מסופק בקובץ משלים 3.
  7. יצא את המטא-נתונים בנפרד מהתמונות שנרכשו כקובץ CSV באמצעות בחירה באפשרות מטא-נתונים (CSV) במהלך הפרסום.
    הערה: תמונות מתוקנות מסוג Raw ו-drift מיוצאות כקובצי CSV נפרדים (קובץ משלים 4 וקובץ משלים 5).

4. שיטה 4: מחקר חימום באתרו של זהב על ננו-חלקיקי תחמוצת ברזל

  1. יש להקפיץ ננו-זרז (Au/FeOx) המרחף באתנול על שבב E-chip של תנור חימום באתרו , תמיכה בדגימת מיקו-אלקטרומכניקה (MEM), ולאפשר לו להתייבש באוויר. הרכיבו את הדגימה במחזיק החימום באתרו , הכניסו את המחזיק עם הדגימה ל-TEM וחברו את המחזיק לספק הכוח באמצעות הכבל המצורף. אתר החזר השקעה לדוגמה באמצעות פקדי TEM.
    הערה: ניסוי זה השתמש במחזיק חימום המשולב באופן מלא עם תוכנת MVS, המאפשר להטמיע מטא-נתונים של טמפרטורה בתמונות.
  2. בחר את אפשרות זרימת העבודה המתאימה מתוכנת MVS (בדוגמה זו, נעשה שימוש בזרימת העבודה של פיוז'ן , אך ניתן להשתמש במחזיקי חימום אחרים של היצרן על-ידי בחירה באפשרות אחר).
  3. פעל בהתאם להנחיות זרימת העבודה כדי לאשר את החיבור החשמלי בין המחזיק לבין השבב האלקטרוני לחימום על-ידי טעינת קובץ הכיול וביצוע בדיקת התקן.
  4. חבר את המיקרוסקופ לתוכנת MVS, כפי שמוצג קודם לכן בשלבים 2.3-2.10 (בדוגמה זו, נבחרו ערכי המטה-נתונים עבור קצב מנה, מינון מרבי, מתאם התאמה, קצב סחף וטמפרטורת ערוץ A), ומרכז את החזר ההשקעה של הדגימה בשדה הראייה.
  5. פתח את הכרטיסייה Fusion AX והגדר והחל טמפרטורה.
  6. לחץ על הלחצן Channel A Setup כדי לגשת להגדרות בקרת הטמפרטורה. בחר את פונקציית הטמפרטורה ואת מצב הבקרה הידנית .
  7. לחץ על הלחצן ניסוי כדי לגשת לבקרות הניסוי. הגדר את קצב הרמפה ל- 10 ° C / s ואת היעד ל- 600 ° C. לחץ על החל כדי להתחיל את הניסוי.
    הערה: ניתן להשהות או לעצור את הניסוי בכל עת באמצעות לחצני הגישה המהירה בפינה השמאלית התחתונה של תוכנת MVS, מבלי לפתוח את הכרטיסיה Fusion AX .
  8. לאחר שתגיע לטמפרטורה שנקבעה של 600°C, פתח את הכרטיסיה Fusion AX ובחר ניסוי. שנה את קצב הרמפה ל- 2 ° C ואת היעד ל- 800 ° C. לחץ על החל כדי להתחיל את הניסוי.
    הערה: הליך החלת רמפת חימום תלוי במערכת החימום באתרה שבה נעשה שימוש. השלבים המודגשים לעיל להחלת כבש הטמפרטורה חלים על המערכת המשמשת בדוגמה זו.
  9. סמן אירועים או נקודות עניין במהלך הניסוי באמצעות תכונת התיוג, כפי שמוצג בשלב 2.10. המשך לצלם את הדגימה והתאם את פרופיל הטמפרטורה לפי הצורך. בסיום, לחץ על סיום הפעלה ושמור את קובץ הנתונים באמצעות תוכנת הניתוח (חלק מקובץ מסד הנתונים הנדון בתוצאות המייצגות מסופק כקובץ משלים 6).
  10. פתח את תוכנת הניתוח כדי לסקור את ההפעלה. התווה את הטמפרטורה, גורם שינוי הצורה של התבנית, קצב המינון והמינון המצטבר בציר הזמן. יצא תמונות וסרטים כרצונך באמצעות השלבים המתוארים בשלבים 3.6 ו- 3.7. ניתן לייצא תמונות וסרטים עם או בלי שכבות-העל של מפת המינון (איור 4).

Representative Results

עבודה זו מדגישה את התועלת של רכישת נתונים באמצעות תוכנת MVS עבור הדמיה TEM וניסויים באתר. יישור המיקרוסקופ והגדרת המצב בוצעו ונבחרו באמצעות פקדי ברירת המחדל של יצרן TEM. לאחר ההתקנה הראשונית, הפרוטוקולים המוצגים במאמר וידאו זה נערכו באמצעות תוכנת MVS. TEM של 300 kV שימש עבור כל הניסויים שהוצגו בפרוטוקול הווידאו ובנתונים מייצגים, למעט נתוני הזאוליטים הבהשוואה שנרכשו באמצעות FEG קר של 200 kV (איור 3D-F וטבלה 1). כל המטא נתונים נאספו ויושרו לתמונות בהתאמה באופן אוטומטי על ידי תוכנת MVS.

לאחר הפעלת התוכנה ובחירת זרימת העבודה המתאימה מהתפריט, נוצר חיבור למיקרוסקופ על-ידי הפעלת לחצן 'התחבר ' בסרגל הכלים בקצה השמאלי של מציג התמונות, כפי שמוצג באיור 1A. כאשר לחצן ' התחבר' מסומן, תמונות ומטה-נתונים משויכים מהמיקרוסקופ מוזרמים אוטומטית לתוכנת MVS ומופיעים בחלונית תצוגת התמונות. התמונות האלה והמטא-נתונים הקשורים אליהן נשמרים בסדר כרונולוגי בציר זמן שניתן לפתוח, לסקור ולנתח מבלי להפריע לרישום של נתונים חדשים לתוך ציר הזמן (איור 1B). המשתמש יכול להפסיק את ההזרמה בכל עת על ידי השבתת סמל Connect .

לאחר הפעלת החיבור, ניתן לגשת לזרימות עבודה אחרות התלויות במסגרת התוכנה MVS. בדוגמאות המוצגות בפרוטוקול וידאו זה, יש לבצע כיול מינון לפני השימוש בפונקציות האחרות של תוכנת MVS. כיול מינון הוא תהליך אוטומטי הנשלט על ידי תוכנת MVS; הוא משתמש במחזיק כיול ייעודי לכוס פאראדיי כדי למדוד את הזרם והשטח של הקרן עבור שילוב הפרמטרים. מחזיק הכיול של פאראדיי, שמוצג באיור 2, מתחבר לפיקומטר חיצוני, שמודד במדויק את זרם הקרן. לאחר הכנסתו למיקרוסקופ, חור היישור הפידוקיאלי ממורכז ותנאי הקרן הרצויים לכיול (גדלי ספוט, צמצמים והגדלות) מוזנים בתוכנה. התוכנה מבצעת סדרה של שלבי כיול עבור כל שילוב של התנאים שנבחרו. במהלך כיול המינון, המחזיק עובר באופן אוטומטי בין אספן זרם פאראדיי המשולבת לבין חור המעבר. המדידה הנוכחית עבור כל שילוב של תנאי עדשה נמדדת על פאראדיי על ידי הפיקואמטר. לאחר מכן, התוכנה מתרגמת את הבמה למרכז הקרן בחור המעבר ואזור הקרן נקבע באמצעות אלגוריתמים של ראיית מכונה. סדרת מדידות זו בונה פרופיל של הקשר בין העוצמה/בהירות לבין אזור הקרן. זה מאפשר לתוכנה לבצע אקסטרפולציה של אזור הקרן כאשר הגדרת העוצמה/בהירות מותאמת במהלך ניסוי ללא קשר לשדה הראייה. הערכים עבור מינון וקצב מינון מצטברים מחושבים באמצעות מדידות אלה של זרם הקרן ואזור הקרן ונוצר קובץ כיול מנה. תהליך זה מגדיר למעשה "טביעת אצבע" במינון עבור ה-TEM ותנאי העדשה האינדיבידואליים שלו. לאחר כיול המינון עבור ה- TEM, המשתמש מסוגל לפעול כרגיל ולהתאים באופן חופשי את ההגדלה והעוצמה ללא אובדן מידע על המינון או רישום ידני17. לאחר השלמת הכיול, מוסר מחזיק כיול המינון, המאפשר להכניס את הדגימה כרגיל. תהליך הכיול הן במצב TEM והן במצב STEM אורך בדרך כלל פחות מ-10 דקות.

לאחר כיול תנאי המינון, דגימת ננו-חלקיק זאוליט שנרכשה באופן מסחרי (ZSM-5) צולמה בתנאי קצב מינון גבוה כדי לקבוע את מינון הסף (המצטבר) שבו הדגימה פגומה מכדי לספק מידע מבני. ננו-חלקיקי ZSM-5 היו מרחפים באתנול ודרופקאסט על רשת TEM נחושת קונבנציונלית. הם צולמו ברציפות במהירות של 300 קילו-וולט במצב TEM באמצעות גודל ספוט של 3 וצמצם מעבה של 100 מיקרומטר. שיעור המינון שנקרא על ידי תוכנת MVS בתנאי מינון גבוה היה 519 e-/Å2·s. ננו-חלקיקים בשדה הראייה צולמו ברציפות עד שהפסגות ב-FFT נעלמו, דבר המצביע על התפרקות המבנה הגבישי, כפי שניתן לראות באיור 3A-C ובקובץ משלים 3. שכבות-על (שניתן להוסיף במהלך ניסוי חי או לאחר מכן בתוכנת הניתוח) הוחלו על תמונות TEM כדי להציג את התאריך והשעה, קצב המינון, המינון המרבי (המצטבר) וההגדלה. קצב המינון נשמר קבוע במהלך הניסויים, כאשר המינון המצטבר (מינון מקסימלי) גדל כפונקציה של זמן. פסגות ה-FFT החלו להיעלם לאחר 42 שניות של הדמיה רציפה (איור 3B). לאחר דקה ו-20 שניות ומנה מצטברת של ~60,000 e-/Å2, פסגות ה-FFT נעלמו לחלוטין (איור 3C).

כדי להראות ששיטת כיול זו מייצרת מדידות מינון כמותיות שניתן ליישם על מיקרוסקופים אחרים הפועלים תחת הגדרות שונות, אותו תהליך כיול וניסוי פירוק זאוליטים נערך באמצעות אקדח פליטת שדה קר (FEG) TEM של 200 קילו-וולט וגודל ספוט של 1. מיקרוסקופ זה כויל באמצעות אותו הליך המתואר בשיטה 1, ואותו ניסוי המתואר בשיטה 2 בוצע באמצעות גודל הספוט החדש והגדרות הצמצם. הגדרות הקרן הותאמו כך שההבדל בקצב המינון המיושם בין שני הניסויים היה זניח (499 e-/Å 2·s לעומת 519 e-/Å2·s). כפי שמוצג באיור 3D-F ומסוכם בטבלה 1, כתמי ה-FFT נעלמים לחלוטין לאחר דקה ו-50 שניות של הדמיה רציפה ומינון מצטבר של 58,230 e-/Å2, אשר מיישר קו עם הערכים שהתקבלו בניסוי הראשון.

דוגמה לאופן שבו תוכנת MVS יכולה להפיק תועלת מניסויים באתרם הוצגה על ידי ביצוע ניסוי חימום. דגימת ננו-זרז מייצגת, Au/FeOx (מסונתזת בעקבות הליך19 שפורסם), נבחרה כמערכת לדוגמה מכיוון שהיא עוברת שינויים מורפולוגיים ומבניים דינמיים בטמפרטורות גבוהות. ניידות זו הנגרמת על ידי טמפרטורה מקשה על שמירת החזר ההשקעה במרכז שדה הראייה בשל תנועת הדגימה עצמה והתפשטות תרמית של המדגם עצמו במהלך שינויי טמפרטורה18. כאשר התכונות Drift Correct ו-Focus Assist מופעלות, הדגימה צולמה על פני תקופה של ~30 שניות ב-800°C. בטמפרטורות גבוהות, חלקיקי הזהב בתוך Au/FeOx נדדו לאורך פני השטח של תמיכת תחמוצת הברזל וסינטרו ליצירת חלקיקים גדולים יותר, כפי שמוצג באיור 4 וכסרט בקובץ משלים 7. איור 5 מראה סדרה של תצלומי TEM (איור 5A-F) של אזור נקבובי בתוך ננו-זרז Au/FeOx, שתועדו בנקודות זמן שונות (איור 5G) במהלך ניסוי חימום באתר. ערך הסחף המתואם של החזר ההשקעה חושב אוטומטית על ידי התוכנה. ערכי הסחיפה והטמפרטורה המתואמים של התמונות במהלך הסדרה מוצגים באופן גרפי באיור 5G. כצפוי, הסחף המתואם של הדגימה גדל ככל שפרופיל הטמפרטורה עולה, מקצב של ~9 ננומטר/דקה ל~62 ננומטר/דקה, ומתחיל לרדת לכיוון פילוס כאשר הטמפרטורה מוחזקת קבועה. למרות קצב סחף גבוה זה, ושינויים במורפולוגיה של הדגימה, תמונות ברזולוציה גבוהה מתקבלות בקלות במהלך השתוללות טמפרטורה, וחושפות תנועה בתוך האזור הנקבובי, כפי שמוצג בקובץ משלים 8. עיין בקובץ משלים 9 לקבלת הוראות הורדה ומפרטי מחשב.

Figure 2
איור 2: כיול ומעקב אחר מינון אלקטרונים . (A) המינון מכויל באמצעות מחזיק דגימה ייעודי המכיל קולט זרם הממוקם במישור הדגימה למדידות זרם קרן. (B) איור של תכונות עיצוב הקצה: משמאל: פאראדיי; באמצע: חור פידוקיאלי; מימין: דרך חור (C). ניתן להמחיש את מינון האלקטרונים המוחל בתוכנה באמצעות מפות מקודדות בצבע כדי לציין חשיפות מינון שונות בתוך תמונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: פירוק המושרה של ננו-חלקיקי זאוליט (ZSM-5) כתוצאה ממינון אלקטרונים. (A-C) תמונות שצולמו במשך דקה ו-20 שניות המציגות נתוני השפלה שהתקבלו עם FEG של 300 kV וקצב מינון נמדד של 519 e-/Å2·s; הזאוליט מתפרק תוך דקה ו-20 שניות. (D-E) תצלומי בזק שצולמו על פני פרק זמן של דקה ו-50 שניות המראים נתוני השפלה שהתקבלו עם FEG TEM קר של 200 קילו-וולט וקצב מינון אלקטרונים של 499 e-/Å2·s; הכניסות מראות שנקודת ה-FFT דועכת עם הזמן. סרגל קנה המידה הוא 60 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: סינכרוניות של AXON מיישמת אלגוריתמים של ראיית מכונה כדי לעקוב אחר דגימות המתפתחות באופן דינמי ולייצב אותן. מטא-נתונים שנוצרו במהלך הניסוי ניתנים להתוויית מטא-נתונים לאורך ציר הזמן, מה שמאפשר למשתמש להתאים במהירות תמונה למטא-נתונים המשויכים אליה תוך כדי גלילה בסדרת התמונות שנוצרה במהלך הניסוי. (א-ח) תמונות של דגימת ננו-זרז (Au/FeOx) בטמפרטורה של 800°C שהוקלטו במשך תקופה של 28 שניות הן עם (A-D) והן ללא (E-H) שכבת העל של מפת המינון. אזורים אדומים בשכבת העל מציינים אזורים של חשיפה למינון מצטבר גבוה, ואזורים צהובים מציינים אזורים של חשיפה נמוכה יותר. סימון פיקסל בודד מציין את המינון המצטבר של פיקסל זה. חיצים לבנים בלוחות E-H מציינים שני חלקיקים שמתמזגים במהלך הניסוי, והחץ הכתום מציין את מסלולו של חלקיק זהב נע. (I) ציר הזמן של הניסוי שנוצר על ידי תוכנת הניתוח עבור סדרת התמונות המוצגת ב-A-H. הנקודות הכתומות בחלק העליון של ציר הזמן מציינות תמונות גולמיות (שאינן מתוקנות דיגיטלית) והנקודות הכחולות מציינות תמונות מתוקנות של סחף. הפסים האנכיים הכתומים מציינים את הנקודות על ציר הזמן המתאימות לתמונות המוצגות בחלוניות A-H. סרגל קנה המידה הוא 40 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: תצלומי TEM של אזור נקבובי בתוך ננו-זרז Au/FeOx בנקודות זמן שונות. תוכנת MVS מייצבת ומרכזת את הדגימה גם במהלך קצבי סחף גבוהים, כגון אלה המתרחשים במהלך רמפת טמפרטורה באמצעות יישום שלב, הסטת קרן ותיקונים דיגיטליים, כפי שמצוין על ידי אלגוריתמים של ראיית מכונה. (א-ו) תצלומי TEM של אזור נקבובי בתוך ננו-זרז Au/FeOx, שתועדו בנקודות זמן שונות (G) במהלך ניסוי חימום באתר. קצב הסחף של החזר ההשקעה מחושב ונרשם באופן אוטומטי במהלך ניסוי על ידי תוכנת MVS. כפי שמתואר ב-(G), כאשר פרופיל הטמפרטורה משתנה (הקו הכחול), קצב הסחף (הקו הכתום) עולה ככל שהטמפרטורה עולה ויורדת ככל שהטמפרטורה מוחזקת קבועה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

סוג מיקרוסקופ 300 קילו וולט פג טם 200 kV FEG TEM קר
גודל ספוט/מעבה 2 צמצם 3/100 מיקרומטר 1/100 מיקרומטר
קצב מינון 519 ה-/א2•ס1 499 ה-/א2•ס1
אובדן מבנה שנמדד על ידי FFT
(מנה מצטברת)		 60,270 ה-/א2 58,230 ה-/א2

טבלה 1: השוואה מסכמת של תוצאות פירוק זאוליטים שהתקבלו ממיקרוסקופים שונים.

קובץ משלים 1: צילום מסך של ממשק תוכנת MVS עם כרטיסיית ניהול המינון פתוחה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 2: קובץ מסד נתונים של תוכנת MVS של ניסוי פירוק זאוליטים המושרה על ידי אלומה. תוכנת צפייה/ניתוח זו זמינה להורדה בחינם. עיין בקובץ משלים 9 לקבלת הוראות הורדה ומפרטי מחשב. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 3: סרט של הקרן גרם להתפרקות זאוליטים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 4: קובץ CSV 1 (פירוק זאוליטים: נתונים גולמיים [תיקון מכני בלבד]) אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.

קובץ משלים 5: קובץ CSV (השפלת זאוליטים: תיקון סחף [תיקון מכני + דיגיטלי]) אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.

קובץ משלים 6: קובץ מסד נתונים של תוכנת MVS nanocatalyst in situ heating experiment. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 7: סרט של ננו-זרז ב-800°C עם שכבות-על של מינון. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 8: סרט של ננו-זרז במהלך כבש טמפרטורה עם ערכי סחף מתואמים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 9: הוראות להורדת תוכנת הניתוח החינמית. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

הפרשנות של תוצאות ניסויי TEM תלויה לעתים קרובות בפרמטרים ניסיוניים רבים הקשורים זה בזה, כגון הגדרות מיקרוסקופ, תנאי הדמיה, ובמקרה של ניסויי אופרנדו או באתרם, שינויים בסביבה או גירויים 1,23. ניתוח מדויק של מערכי נתונים גדולים של TEM, שעליהם ניתן לשנות פרמטרים אלה ללא הרף, דורש תשומת לב משמעותית מהמפעיל כדי לתעד במדויק כל תנאי והגדרה עבור כל תמונה ביומן מעבדה או במקור תיעוד חיצוני אחר. ככל שערכות הנתונים של TEM גדלות בגודלן ובמורכבותן, ניהול רשומות ידני הופך לבלתי ניתן לניהול, ומידע מרכזי עלול להחמיץ או להקליט באופן לא מדויק. תוכנת MVS המתוארת כאן מאחדת את המטא-נתונים שנוצרו במהלך ניסוי מהמיקרוסקופ, הגלאי/מצלמה ומערכות אחרות (כגון מחזיקי דגימות באתרם) ומיישרת אותם עם התמונות שלהם.

בנוסף לאיחוד מטה-נתונים, התוכנה מיישמת אלגוריתמים של ראיית מכונה כדי לעקוב ולייצב את שדה הראייה באמצעות שילוב של תיקונים מרחביים, אלומות ודיגיטליים באמצעות פונקציות Drift Correct ו-Focus Assist . כאשר הפונקציה Drift Correct מופעלת, נוצרת תמונת 'תבנית' עם מתאם צולב באמצעות התמונה הראשונה שנמשכה לתוך תוכנת MVS. לאחר מכן משווים את התבנית לתמונות נכנסות כדי לחשב את הכיוון והגודל של הסחיפה או התנועה של הדגימה. בעזרת מידע זה, תוכנת MVS מחילה באופן אוטומטי את התיקונים הדרושים כדי לשמור על תכונות התמונה באותו מקום על ידי התאמת לפחות אחד משלושה פרמטרים: מיקום במה, הסטת קרן או תמונה ותיקון תמונה דיגיטלי. הפונקציה Focus Assist משתמשת בשילוב של אלגוריתמים כדי להקצות ערך מיקוד, הנקרא ציון מיקוד לכל תמונה, וציונים אלה מושווים כדי לקבוע את הגודל והכיוון של התאמת ביטול המיקוד שיש להחיל כדי לשמור על הדגימה במיקוד. במצב דימות STEM, תוכנת MVS מנסה למקסם את הניגודיות באמצעות גרסה קניינית של שונות מנורמלת כדי להקצות את ציון המיקוד. במצב TEM, סכום רדיאלי של עוצמה מחושב ב- FFT ומשמש לחישוב ציון המיקוד. מגבלות על יכולתה של תוכנת MVS למטב את המיקוד מתרחשות כאשר היא אינה יכולה לחשב במדויק את ציון המיקוד הנכון עבור תמונה. מצב זה מתרחש בדרך כלל כאשר המיקרוסקופ אינו מיושר או כאשר הדגימה אינה ממוקדת באופן משמעותי במהלך הכיול, מה שמונע מהתוכנה לחשב נכונה את ערך ציון המיקוד ההתחלתי הנכון. תוכנת MVS יכולה להתקשות לחשב את ציון המיקוד עבור דגימות עם שולי סריג מוגדרים היטב, מכיוון ששולי הסריג ב- FFT יכולים "להציף" את אלגוריתם ניקוד המיקוד; לכן, אם מדגם יוצא מהמיקוד, ציון המיקוד עשוי שלא לשקף במדויק את השינוי במיקוד. לעומת זאת, עבודה בהגדלות נמוכות או עם מדגם בעל אות FFT נמוך יכולה גם להקשות על חישוב ציון מיקוד טוב. כדי להקל על קשיים אלה, תוכנת MVS מכילה מספר אלגוריתמים נוספים שהמשתמש יכול לבחור לחישוב ציון המיקוד אם הגדרות ברירת המחדל אינן מתאימות לדגימה. אלה חייבים להיבדק ולהיות מיושמים על בסיס כל מקרה לגופו כדי לקבוע את האלגוריתמים הטובים ביותר עבור ניסוי נתון.

שינויים מורפולוגיים במבנה המדגם לאורך זמן נלקחים בחשבון באמצעות גורם שינוי צורה של תבנית. מסנן זה מופעל על ידי המפעיל, כך שאלגוריתמי הרישום מתחשבים בשינויים מורפולוגיים לאורך זמן. בנוסף, התוכנה מנטרת את התמונה הרציפה, הגדרות המיקרוסקופ והגדרות המצלמה או הגלאי כדי לעדכן את התבנית באופן אוטומטי כאשר היא מופעלת על ידי שינויים במבנה הדגימה ולאחר כל שינוי הנגרם על ידי המפעיל בפרמטרים של המיקרוסקופ, המצלמה או הגלאי. כפי שניתן לראות באיור 4, איור 5, קובץ משלים 7 וקובץ משלים 8, תוכנת MVS מספקת ייצוב יעיל ומיידי, המאפשר הדמיה ברזולוציה גבוהה של דגימות הנעות או משתנות באופן דינמי. למרות שהתוכנה מסוגלת לשלוט בשיעורים גבוהים מאוד של סחף או תנועת דגימה, כגון אלה המתרחשים בעת הפעלת כבש חימום במהלך ניסוי באתרו, ישנן מגבלות על תיקוני השלב המרביים או שינויי הקרן שהתוכנה יכולה לשלוט בהם אם הדגימה נעה או נסחפת במהירות רבה. מגבלה זו היא פונקציה של קצב עדכון התמונה, גודל שדה הראייה וקצב הסחיפה. עבור שדה ראייה נתון וקצב עדכון תמונה, יש קצב סחף מקסימלי שניתן לתקן, ואם התנועות הפיזיות אינן יכולות לעמוד בקצב, התהליך עלול להסתיים או להפוך לבלתי יציב. מתבניות הרישום שנוצרו בעת החלת תכונות כגון Drift Correct, ניתן ליצור מטה-נתונים מחושבים נוספים. לדוגמה, מתאם התאמה הוא תיעוד מספרי של מידת השינוי בין תבניות בסדרה ומשמש לזיהוי נקודות בציר זמן ניסיוני שבו המדגם השתנה. ערך מתאם התאמה גבוה מתאים למדגם שעבר שינויים במורפולוגיה שלו, וערך מתאם התאמה נמוך מתאים למדגם שמבנהו נשאר סטטי יחסית. מתאם התאמה הוא בעל ערך רב במיוחד עבור מחקרים באתרם מכיוון שניתן לשרטט אותו באופן גרפי, מה שמאפשר למשתמש לאתר במהירות תמונות בסדרה המתאימות לשינוי מדגם משמעותי. עם זאת, חשוב להבין שערכי התאמה גבוהים יכולים להתאים גם לשינויים בתנאי ההדמיה, כגון הזזת השלב או שינוי ההגדלה, אם פעולות אלה מבוצעות בזמן שפונקציית תיקון הסחף נשארת פעילה.

תהליך הכיול המוצג כאן משתמש במחזיק כיול ייחודי ובשגרת כיול חצי אוטומטית כדי לכייל במדויק את הקרן במגוון תנאי עדשה עם התערבות מינימלית של המפעיל. ניתן לגשת לשגרת כיול המינון באמצעות תוכנת MVS המותקנת ב-TEM. תוכנת MVS קוראת באופן אוטומטי את הגדרות המיקרוסקופ הרלוונטיות כדי לשמור את כל המדידות לסימוכין לניסויים מאוחרים יותר. במכשירי TEM מסוימים, לא ניתן לקרוא את הגדרות הצמצם או המונוכרומטור, ואלה חייבות להיות מוזנות להגדרות תוכנת MVS על ידי המפעיל במהלך כיולים ובמהלך השימוש. קיימות תזכורות מובנות בתוכנה המסייעות לשמור על הגדרות קלט מפעיל אלה מעודכנות על-ידי ביצוע הנחיות התוכנית. פיתוח מחזיק עם קולט זרם מובנה, במקום להסתמך על אחד המשולב במקום אחר בטור המיקרוסקופ, הוא בחירה עיצובית מכוונת. זה מאפשר לקולט הנוכחי להיות ממוקם באותו מישור כמו דגימה, ביטול טעויות במדידה הנוכחית הנגרמות על ידי סטיית הקרן או הבדלים בבליעה של אלקטרונים על ידי צמצמים במיקומים שונים של הקרן. תוכנת MVS פועלת על פי שגרה אוטומטית למדידת זרם הקרן ושטחה עבור כל שילוב של תנאי עדשה. לאחר מכן התוכנה יכולה להתאים כיולים מדודים אלה עם זרם המצלמה או המסך ולהסיק כל שינוי בהגדלה וכו 'לאזור הקרן במהלך הניסוי. לאחר יצירתם, ניתן להשתמש בקבצי כיול אלה באופן מיידי והם נשמרים באופן אוטומטי לשימוש מאוחר יותר אם התוכנה מזהה את אותן הגדרות שנמצאות בשימוש במהלך הפעלה עתידית. למרות שתוחלת החיים של קובץ הכיול משתנה ממיקרוסקופ למיקרוסקופ, המחברים מצאו כי הם מסוגלים להשתמש באותם קבצי כיול במשך מספר חודשים מבלי להבחין בשינויים מהותיים בערכים הנוכחיים. ישנן שגרות מובנות המנטרות את פרופיל הפליטה של אקדחים כדי לסייע בשמירה על כיולים אלה רלוונטיים, במיוחד באקדחי פליטת FEG קרים.

נורמליזציה של מדידות מינון בין מיקרוסקופים ומעקב אוטומטי אחר חשיפת קרן הדגימה הן פונקציות קריטיות של תוכנת MVS, שכן הן מאפשרות השוואה כמותית של תנאי מינון בין ניסויים במערכות מיקרוסקופ שונות. פירוק מינון המושרה של דגימת זאוליט (ZSM-5), המתקבל במהלך ניסויים זהים באמצעות מיקרוסקופים שונים, גורם להיעלמות מוחלטת של כתמי FFT לאחר מינון אלקטרון מצטבר או סף מרבי (~ 60.000 e-/Å 2 בעת החלת קצב מינון של ~500 e-/Å2·s) עבור שתי ההגדרות. תוצאות השוואתיות אלה מראות כי תוכנת המינון מאפשרת מדידות מינון כמותיות הניתנות לשחזור. ההבדל הקטן במינון המצטבר שבו נצפית היעלמות מלאה של נקודות FFT עבור כל ניסוי נובע ככל הנראה ממתחי התאוצה השונים המופעלים על ידי שני המיקרוסקופים, כאשר מתחי תאוצה נמוכים יותר גורמים למסלולי נזקי קרינה רבים יותר, ומתחי תאוצה גבוהים יותר גורמים בדרך כלל לנזק רב יותר24. תוצאות הספרות עבור המינון הקריטי של ננו-חלקיקי ZSM-5 נעות בין 9,000-14,000 e-/Å2 באמצעות היעלמות נקודות FFT ראשונות, במקום היעלמות מוחלטת של כל כתמי FFT25,26. בתוצאות שלנו, היעלמות נקודת FFT הראשונה מתאימה למינון מצטבר של כ-25,000 e-/Å2. מחקרים קודמים הסתמכו על מדידות נוכחיות שהתקבלו באמצעות מסך זרחן, אשר מתועד היטב כדי להעריך בחסר את מדידות זרם הקרן בהשוואה לכוס פאראדיי15. המינון הקריטי שנקבע יכול להשתנות בפקטור של שניים או יותר, תלוי באיזה שיא FFT משתמשים כדי לעקוב אחר המינון. זה מצביע על כך שהתדרים המרחביים הגבוהים יותר יורדים ראשונים, ויכולים לגרום לערכים שונים בהתאם לגישה לאזור המשמש במהלך המדידות (התוצאות שלנו התמקדו בכתמי FFT מכל גביש הזאוליטים, ולא בתכונות מבניות ספציפיות)25,26. הבדלים אלה בטכניקות ובכיול הנוכחי מסבירים את ההבדל בערכים בין שני הניסויים שדווחו בתוצאות שלנו ובמחקרי ספרות קודמים.

למרות שאינטראקציות מינון האלקטרונים הן גורם משמעותי בניסויי TEM רבים, באתרם ובמיוחד מחקרי EM נוזלי רגישים במיוחד להשפעותיו. רדיוליזה של נוזלים על ידי קרן האלקטרונים גורמת למפל של מינים מגיבים כימית שיכולים לתקשר עם הדגימה, מה שמסבך את הניתוח. הן קצב המינון או הפלואנס המשמש במהלך ניסוי EM נוזלי והן המינון המצטבר יכולים להשפיע על ריכוז המינים הרדיקליים שנוצרו עקב רדיוליזה נוזלית27,28. לפיכך, איסוף ורישום הן של המינון המצטבר והן של קצב המינון לאורך הניסוי מאפשר קשר ישיר בין התמונות לבין היסטוריית המינון של הדגימה, ומהווה דרך מדויקת יותר להבהיר ולשלוט בהשפעת קרן האלקטרונים בניסויים אלה. אף על פי שפרוטוקול זה אינו מכוסה, דוגמה לתועלת של תכונות ניהול המינון עבור נוזל-EM מוצגת באיור 6.

Figure 6
איור 6: צמיחה הנגרמת על-ידי קרן של ננו-חלקיקי זהב במהלך ניסוי באתרו של נוזל-EM. (A) סקירת STEM בהגדלה נמוכה של צמיחת החלקיקים המתקבלת עם שכבת צבע של מפת המינון המצטברת ברחבי האזור. אזורים אדומים בשכבה מציינים אזורים של חשיפה למינון מצטבר גבוה ואזורים צהובים מציינים אזורים של חשיפה נמוכה יותר. סימון פיקסל בודד באמצעות הסמן או ציור תיבה מעל אזור באמצעות כלי הציור הכלולים מציינים את המינון המצטבר עבור פיקסל או אזור זה. סרגל קנה המידה הוא 2 מיקרומטר. (B,C) הגדלה גבוהה יותר תמונות STEM של האזורים המצוינים על ידי התיבות הכתומות (b,c) ב- A. שטח b, שנחשף למינון מצטבר גבוה יותר (10.811 e-/Å 2) מכיל חלקיקים גדולים יותר מאלה שנמצאו בשטח c, שנחשף למינון מצטבר נמוך יותר (0.032 e-/Å2). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

קצב המינון המועשר והמטא-נתונים של המינון המצטבר מפשטים את הניתוח של מסלולי גידול ופירוק ננו-חומרים תלויי מינון. איור 6 מראה הפחתה הנגרמת על-ידי קרן של תמיסה של יוני כלוריד אוריק זהב (HAuCl3) במים במהלך ניסויי EM נוזלי. מתוך שכבת העל של מפת מינון הצבע באיור 6A, קל לדמיין שמנת האלקטרונים המצטברת משפיעה על הגודל והצורה המתקבלים של ננו-חלקיקים 29,30,31,32. סקירת STEM בהגדלה נמוכה מציגה אזורים שנחשפו למינון מצטבר גבוה (אדום) ונמוך (צהוב). החלקיקים באזור שנחשפו למינונים גבוהים יותר גדולים מאלה באזורים שנחשפו למינונים מצטברים נמוכים יותר. מכיוון שהמטא-נתונים של המינון מוטמעים ישירות בכל תמונה ברמת הפיקסל, ההשפעות המורכבות של מנת אלקטרונים בניסויי EM נוזלי ניתנות כעת לניתוח שיטתי באופן שמעולם לא היה ניתן להשיג.

בפרוטוקול זה, הוכחנו כי תוכנת MVS מספקת פתרון מקיף לכיול, ניטור ומעקב הן אחר מנת האלקטרונים והן אחר המינון הכולל המועבר לדגימה על בסיס פיקסל אחר פיקסל. יכולת זו פותחת פרדיגמה חדשה להדמיית דגימות רגישות למינון ולהבנת אינטראקציות קרן האלקטרונים. זה מרגש במיוחד עבור ניסויים EM נוזלי, כפי שהוא יאפשר חקירה יעילה יותר לתוך התפקיד כי מינון אלקטרונים משחק ולשפר את יכולת השחזור הניסוי. תקוותנו היא שמסגרת חדשה זו תאפשר איסוף מדויק של קצב המינון והמידע על המינון המצטבר, תקל על שיתוף נתונים אלה עם הקהילה לצורך פרשנות מדויקת יותר של תוצאות TEM, ותקדם שיתוף פעולה מדעי ושיתוף נתונים על ידי הפעלת דיווח וניתוח עיקריים של FAIR.

Disclosures

כל הכותבים הם עובדי Protochips, Inc. .

Acknowledgments

עבודה זו בוצעה בחלקה במתקן המכשור האנליטי (AIF) באוניברסיטת צפון קרוליינה, הנתמך על ידי מדינת צפון קרוליינה והקרן הלאומית למדע (פרס מספר ECCS-2025064). ה-AIF הוא חבר ברשת הננוטכנולוגיה משולש המחקר של צפון קרוליינה (RTNN), אתר בתשתית הלאומית לננוטכנולוגיה מתואמת (NNCI). המחברים רוצים להודות לדמיאן אלויו, מנהל המחקר של CNRS באוניברסיטת פריז סיטה, על שסיפק את תוצאות מחקר סף מינון הזאוליט CFEG של 200 קילו-וולט.

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

ביולוגיה גיליון 196
גישת ראיית מכונה לתהליכי עבודה של מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת, ניתוח תוצאות וניהול נתונים
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