نهج رؤية الآلة لسير عمل المجهر الإلكتروني النافذ وتحليل النتائج وإدارة البيانات
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.
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
Representative Results
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.
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
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
References
- 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).
- Spurgeon, S. R., et al. Towards data-driven next-generation transmission electron microscopy. Nature Materials. 20 (3), 274-279 (2021).
- 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).
- 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).
- Topsøe, H. Developments in operando studies and in situ characterization of heterogeneous catalysts. Journal of Catalysis. 216 (1), 155-164 (2003).
- Wilkinson, M. D., et al. The FAIR Guiding Principles for scientific data management and stewardship. Scientific Data. 3 (1), 160018 (2016).
- FAIR Principles. Go Fair Available from: https://www.go-fair.org/fair-principles/ (2023)
- Draxl, C., Scheffler, M. NOMAD: The FAIR concept for big data-driven materials science. MRS Bulletin. 43 (9), 676-682 (2018).
- Kelly, D. F., et al. Liquid-EM goes viral-visualizing structure and dynamics. Current Opinion in Structural Biology. 75, 102426 (2022).
- AXON Studio Software Download. Protochips, Inc Available from: https://success.protochips.com/s/?language=en_US (2023)
- Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).
- Grubb, D. T. Radiation damage and electron microscopy of organic polymers. Journal of Materials Science. 9 (10), 1715-1736 (1974).
- 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).
- Chen, Q., et al. Imaging beam-sensitive materials by electron microscopy. Advanced Materials. 32 (16), 1907619 (2020).
- Krause, F. F., et al. Precise measurement of the electron beam current in a TEM. Ultramicroscopy. 223, 113221 (2021).
- Żak, A. Guide to controlling the electron dose to improve low-dose imaging of sensitive samples. Micron. 145, 103058 (2021).
- Damiano, J., et al. AXON dose: A solution for measuring and managing electron dose in the TEM. Microscopy Today. 30 (4), 22-25 (2022).
- 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).
- Sze, C., Gulari, E., Demczyk, B. G. Structure of coprecipitated gold-iron oxide catalyst materials. Materials Letters. 36 (1-4), 11-16 (1998).
- DiCecco, L. A., et al. Advancing high-resolution imaging of virus assemblies in liquid and ice. Journal of Visualized Experiments. (185), e63856 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yoshida, K., Sasaki, Y. Optimal accelerating voltage for HRTEM imaging of zeolite. Microscopy. 62 (3), 369-375 (2013).
- Yoshida, K., Sasaki, Y., Kurata, H. High-resolution imaging of zeolite with aberration-corrected transmission electron microscopy. AIP Advances. 3 (4), 042113 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
