ऊर्जा फ़िल्टर्ड ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी टोमोग्राफी द्वारा 3 डी रासायनिक नक्शे प्राप्त करना
Summary
यह कागज एक प्रोटोकॉल का वर्णन करने के लिए 3d रासायनिक ऊर्जा फ़िल्टर इमेजिंग और इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी संयोजन नक्शे को प्राप्त करने । दो उत्प्रेरक के रासायनिक वितरण तत्वों है कि अंय इमेजिंग तकनीक से अलग करने के लिए मुश्किल है द्वारा गठित समर्थन का अध्ययन किया गया । प्रत्येक आवेदन मानचित्रण ओवरलैप रासायनिक तत्वों के होते हैं-क्रमशः स्थान-ionization किनारों ।
Abstract
ऊर्जा फ़िल्टर्ड ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी टोमोग्राफी (EFTEM टोमोग्राफी) एक nanometric पैमाने पर सामग्री के तीन आयामी (3 डी) रासायनिक नक्शे प्रदान कर सकते हैं । EFTEM टोमोग्राफी रासायनिक तत्वों है कि बहुत से अंय इमेजिंग तकनीकों का उपयोग कर अंतर कर रहे है अलग कर सकते हैं । प्रायोगिक प्रोटोकॉल यहां वर्णित कैसे 3 डी रासायनिक नक्शे बनाने के लिए रासायनिक वितरण और एक सामग्री की आकृति विज्ञान समझने के लिए दिखाता है । डेटा विभाजन के लिए नमूना तैयारी चरण प्रस्तुत किए गए हैं । इस प्रोटोकॉल एक nanometric नमूना में रासायनिक तत्वों के 3d वितरण विश्लेषण परमिट । हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि वर्तमान में, 3 डी रासायनिक नक्शे केवल नमूनों के लिए उत्पंन किया जा सकता है कि बीम संवेदनशील नहीं हैं, के बाद से फ़िल्टर छवियों की रिकॉर्डिंग एक गहन इलेक्ट्रॉन बीम के लिए लंबे समय जोखिम समय की आवश्यकता है । प्रोटोकॉल दो अलग विषम उत्प्रेरक का समर्थन करता है के घटकों के रासायनिक वितरण यों तो लागू किया गया था । पहले अध्ययन में एल्यूमिनियम और टाइटेनियम के टाइटेनिया-एल्यूमिना के रासायनिक वितरण का विश्लेषण किया गया । नमूनों को झूले-पीएच पद्धति का प्रयोग कर तैयार किया गया । दूसरे में, एल्यूमीनियम और सिलिकॉन के सिलिका-एल्यूमिना में रासायनिक वितरण का समर्थन करता है कि सोल-पाउडर और यांत्रिक मिश्रण विधियों का उपयोग कर तैयार किया गया था की जांच की गई ।
Introduction
कार्यात्मक सामग्री के गुण उनके 3 डी मापदंडों पर निर्भर हैं । पूरी तरह से उनके गुणों को समझने और उनके कार्यों को बढ़ाने के लिए, यह 3 डी में उनकी आकृति विज्ञान और रासायनिक वितरण का विश्लेषण करने के लिए महत्वपूर्ण है । इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी1 (एट) नैनोमीटर स्केल2,3पर यह जानकारी प्रदान करने के लिए सबसे अच्छा तकनीकों में से एक है । यह एक बड़े कोणीय रेंज पर नमूना घूर्णन और प्रत्येक कोणीय कदम पर एक छवि रिकॉर्डिंग के होते हैं । प्राप्त झुकाव श्रृंखला का उपयोग करके नमूने की मात्रा को पुन पुनर्निर्माण करने के लिए प्रयोग किया जाता है के आधार पर गणितीय एल्गोरिदम का ̈रदों4,5रूपांतरण । मात्रा में ग्रे स्तर का चयन 3 डी में नमूना मॉडल और कण स्थानीयकरण6 और आकार वितरण7, ताकना स्थिति और आकार वितरण8, आदि की तरह 3 डी मापदंडों यों में मदद करता है
सामांय में, एट अधिकतम संभव कोण करने के लिए नमूना झुकाव द्वारा एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के साथ किया जाता है, अधिमानतः या तो दिशा में ७० ° से अधिक । प्रत्येक झुकाव कोण पर, नमूने के एक प्रक्षेपण एक छवियां झुकाव श्रृंखला के गठन दर्ज की गई है । कि झुकाव श्रृंखला गठबंधन है और नमूना है जो विभाजित किया जाएगा और quantified की मात्रा को फिर से संगठित करने के लिए इस्तेमाल किया । नमूना-९० ° से + ९० ° करने के लिए घुमाया नहीं जा सकता, क्योंकि खंगाला गया वॉल्यूम ओर्थोगोनल अक्ष9 ब्लाइंड रिकॉर्डिंग कोण के कारण के साथ एक अनिसोट्रोपिक रिज़ॉल्यूशन है ।
एट अलग इमेजिंग मोड में किया जा सकता है । उज्ज्वल क्षेत्र उनि मोड (BF-उनि) जटिल आकार के साथ अमली पदार्थ, जैविक नमूनों, पॉलिमर, या उत्प्रेरक का समर्थन करता है का अध्ययन करने के लिए प्रयोग किया जाता है । छवि विश्लेषण10 घटकों के घनत्व निस्र्पक भूरे रंग के स्तर के भेदभाव पर आधारित है (एक घने घटक एक लाइटर, यानी, कम घने घटक से अधिक अंधेरा हो जाएगा) । उच्च कोण कुंडलाकार डार्क फील्ड स्कैनिंग में उनि मोड (HAADF-स्टेम) क्रिस्टलीय नमूनों का विश्लेषण करने के लिए प्रयोग किया जाता है. संकेत परमाणु संख्या के एक समारोह के रूप में रासायनिक जानकारी प्रदान करता है; नमूने के एक भारी घटक उज्ज्वल है कि एक हल्का एक9दिखाई देगा । अंय मोड, जैसे ऊर्जा disperser x-ray स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDX), जो सामग्री11द्वारा उत्सर्जित एक्स-रे एकत्र करता है, और ऊर्जा फ़िल्टर इमेजिंग मोड (EFTEM)12,13, भी 3 डी रासायनिक वितरण का आकलन करने में सक्षम हैं भीतर नमूना है ।
EFTEM इमेजिंग में, 2 डी रासायनिक नक्शे एक इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्पेक्ट्रोमीटर के साथ एक उनि का उपयोग कर दर्ज किया जा सकता है । स्पेक्ट्रोमीटर अपनी ऊर्जा के एक समारोह के रूप में इलेक्ट्रॉनों को फैलाने के द्वारा एक चुंबकीय चश्मे के रूप में कार्य करता है । एक छवि एक विशिष्ट परमाणु के साथ बातचीत से खो ऊर्जा के आधार पर इलेक्ट्रॉनों के द्वारा बनाई गई है । यदि एक ही 2d रासायनिक नक्शा अलग झुकाव कोण पर गणना की है, रासायनिक अनुमानों का एक झुकाव श्रृंखला है, जो 3 डी रासायनिक मात्रा को फिर से संगठित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है प्राप्त की है ।
नहीं सभी सामग्री EFTEM टोमोग्राफी द्वारा विश्लेषण किया जा सकता है । तकनीक कमजोर या परिक्रमा सामग्री के साथ नमूनों के लिए आरक्षित है । फिर भी, यह प्रकाश तत्वों है कि बहुत अंतर करने के लिए जब अंय इमेजिंग तकनीक का उपयोग कर मुश्किल हो विश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । इसके अलावा, विश्वसनीय 2d रासायनिक नक्शे प्राप्त करने के लिए, सामग्री की मोटाई14सामग्री के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के मतलब मुक्त पथ से कम होने की आवश्यकता है । इस हालत के तहत, एक एकल इलेक्ट्रॉन एक एकल परमाणु के साथ बातचीत होने की संभावना सबसे बड़ी है । दो तरीकों के लिए एक 2d रासायनिक नक्शे की गणना किया जाता है । पहले एक, और सबसे अधिक इस्तेमाल किया है “तीन-windows विधि”, जहां दो फ़िल्टर ऊर्जा खिड़कियां विश्लेषण के तहत तत्व के ionization एज से पहले दर्ज कर रहे हैं, और ionization एज13के बाद एक तिहाई । पहली दो छवियों के लिए पृष्ठभूमि का अनुमान है, जो तीसरी खिड़की की स्थिति पर एक शक्ति कानून का उपयोग कर extrapolated है और इसे से घटाया उपयोग किया जाता है । प्राप्त छवि नमूना मात्रा में विश्लेषण रासायनिक तत्व के 3 डी वितरण के प्रक्षेपण है । दूसरी विधि “कूद अनुपात” कहा जाता है; यह केवल दो ऊर्जा फ़िल्टर छवियों, एक से पहले और ionization एज के बाद एक का उपयोग करता है । इस विधि गुणात्मक है, के रूप में अंतिम छवि केवल उन दो छवियों के बीच अनुपात प्रदर्शन से गणना की है, और पृष्ठभूमि ऊर्जा भिन्नता के लिए खाता नहीं है ।
एट के साथ EFTEM के संयोजन से, फ़िल्टर्ड ऊर्जा का विश्लेषणात्मक टोमोग्राफी प्राप्त किया जा सकता है । EFTEM टोमोग्राफी और एटम जांच टोमोग्राफी (एपीटी) पूरक तकनीक हैं । के रूप में उपयुक्त की तुलना में, EFTEM टोमोग्राफी एक गैर विनाशकारी लक्षण विश्लेषण है कि जटिल नमूना तैयारी की जरूरत नहीं है । यह एक अद्वितीय nanoparticle पर विभिन्न characterizations प्रदर्शन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । EFTEM टोमोग्राफी सामग्री को अछूता विश्लेषण कर सकते हैं, जबकि एपीटी बहुत कम लेजर सहायता से उंहें मापने के लिए की जरूरत है । एपीटी परमाणु स् केल पर चलता है, जबकि EFTEM टोमोग्राफी कम रिज़ॉल्यूशन के साथ पर्याप् त रूप से कार्य करता है । EFTEM टोमोग्राफी केवल नमूने है कि प्रयोग के दौरान बीम गिरावट का विरोध के लिए प्रासंगिक है । सभी झुका हुआ कोण पर सभी फ़िल्टर छवियों को रिकॉर्ड करने के लिए, नमूना के रूप में लंबे समय के रूप में 2 एच के लिए इलेक्ट्रॉन बीम को उजागर किया जा सकता है । इसके अलावा, 2d नक्शे में एक अधिकतम रासायनिक संकेत रिकॉर्ड करने के लिए, उच्च बीम तीव्रता पर अब प्रदर्शनी अवधि आवश्यक हो सकता है । ऐसी स्थितियों में बीम संवेदनशील नमूनों में कठोर रूपात्मक और रासायनिक परिवर्तन पीड़ित होते हैं । इसलिए, इलेक्ट्रॉन बीम के लिए नमूना संवेदनशीलता का एक सटीक माप प्रयोग से पहले स्थापित किया जाना चाहिए । इसके अलावा, EFTEM टोमोग्राफी नमूना में मौजूद हैं कि रासायनिक तत्वों के स्थानिक स्थान और प्रकृति का निर्धारण करने के लिए आवश्यक के रूप में कई tomograms के रूप में रिकॉर्डिंग का परिणाम है। फिर भी, EFTEM टोमोग्राफी अपने उत्प्रेरक अनुप्रयोगों मॉडलिंग के लिए नए अंतर्दृष्टि देने के लिए, इस तरह के उत्प्रेरक का समर्थन करता है के रूप में नमूनों के लिए 3 डी रासायनिक वितरण के विषय में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान कर सकते हैं ।
आज यह समर्पित सॉफ्टवेयर है कि ऊर्जा अंतराल, रिकॉर्ड फ़िल्टर ऊर्जा खिड़की छवियों का चयन कर सकते है का उपयोग संभव है, और अलग झुकाव कोण पर रासायनिक नक्शे की गणना । वे नमूना झुकाव की अनुमति, ट्रैकिंग, ध्यान केंद्रित है, और EFTEM मोड में फ़िल्टर छवि रिकॉर्डिंग । 2 डी रासायनिक नक्शे की गणना की जा सकती है, और फिर झुकाव श्रृंखला गठबंधन किया जा सकता है, रासायनिक मात्रा चलने एल्गोरिदम का उपयोग कर गणना, और अंत में श्रृंखला विभाजित किया जा सकता है और15quantified,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
इस पत्र का उद्देश्य EFTEM टोमोग्राफी का उपयोग कर 3 डी रासायनिक नक्शे प्राप्त करने के लिए कैसे वर्णन है । यह प्रोटोकॉल पूरी तरह से मौलिक है और लेखकों द्वारा विकसित किया गया था ।
EFTEM टोमोग्राफी के रू?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम उच्च शिक्षा और अनुसंधान, संमेलनों Industrielles de गठन सममूल्य ला सभ्य (CIFRE) और IFP ऊर्जा Nouvelles उनके वित्तीय सहायता के लिए के फ्रांसीसी मंत्रालय के आभारी हैं ।
Materials
| JEOL 2100f | JEOL | Electron microscope | |
| Tridiem Gatan Imaging Filter (GIF) | Gatan | Post colum energy filter | |
| Digital micrograph | Gatan | Software | |
| Gatan EFTEM tomography plugin | Gatan | Dedicated software to record filtered tilt series for EFTEM tomograohy | |
| Tomoj | Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/ | Free software developed by Currie Institute in Paris, France for electron tomography | |
| EFTEM-Tomoj | Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/ | Free software developed by Currie Institute in Paris, France , for EFTEM imaging | |
| Imod | http://bio3d.colorado.edu/imod/ | Free software developed by University of Colorado, USA for electron tomography | |
| Imagej | https://imagej.nih.gov/ij/ | Free software developed by National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA for images treatment | |
| Merge channels | https://imagej.net/Color_Image_Processing | Fonction in Imagej allowing to give different colors to volumes while they are overlapped | |
| 3D Slicer | https://www.slicer.org/ | Free software developed by a large consortium lead by Ron Kikinis , Harvard Medical School, Boston, MA, SUA | |
| Chimera | https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ | Free software developed by the Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics at the University of California, San Francisco,for data segmentation, cuatification and visualisation of 3D models | |
| silica alumina support of catalyst | IFPEN | sample prepared for eleboration of this protocol | |
| titania alumina support of catalyst | IFPEN | sample prepared for eleboration of this protocol | |
| alcohol | |||
| water | |||
| Au nanoparticles of 5 nm | BBI Solutions | ||
| Holey carbn film 200 mesh microscopy grid | Agar | ||
| EDX sepctrometer | Oxford Instruments |
Referenzen
- Frank, J. . Electron Tomography – Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell. , (2006).
- Midgley, P. A., Dunin-Borkowski, R. E. Electron tomography and holography in materials science. Nat. Mater. 8, 271-280 (2009).
- Carenco, S. The core contribution of transmission electron microscopy to functional nanomaterials engineering. Nanoscale. 8 (3), 1260-1279 (2016).
- Radon, J. Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte langs gewisser Mannigfaltigkeiten. Akad. Wiss. 69, 262-277 (1917).
- Radermacher, M. Radon transform techniques for alignment and three-dimensional reconstruction from random projections. Scanning Microscopy. 11, 171-177 (1997).
- Roiban, L., Sorbier, L., Pichon, C., Pham-Huu, C., Drillon, M., Ersen, O. 3D-TEM investigation of the nanostructure of a δ-Al2O3 catalyst support decorated with Pd nanoparticles. Nanoscale. 4 (3), 946-954 (2012).
- Georgescu, D., Roiban, L., Ersen, O., Ihiawakrim, D., Baia, L., Simon, S. Insights on Ag doped porous TiO2 nanostructures: a comprehensive study of their structural and morphological characteristics. RSC Adv. 2 (12), 5358 (2012).
- Shakeri, M., Roiban, L., Yazerski, V., Prieto, G., Gebbink, M. J. M. G., de Jongh, P. E., de Jong, K. P. Engineering and Sizing Nanoreactors To Confine Metal Complexes for Enhanced Catalytic Performance. ACS Catal. 4 (10), 3791-3796 (2014).
- Midgley, P. A., Weyland, M. 3D electron microscopy in the physical sciences: the development of Z-contrast and EFTEM tomography. Ultramicroscopy. 96 (3-4), 413-431 (2003).
- Ersen, O., Florea, I., Hirlimann, C., Pham-Huu, C. Exploring nanomaterials with 3D electron microscopy. Mater. Today. 18 (7), 395-408 (2015).
- Lepinay, K., Lorut, F., Pantel, R., Epicier, T. Chemical 3D tomography of 28nm high K metal gate transistor: STEM XEDS experimental method and results. Micron. 47, 43-49 (2013).
- Roiban, L., Sorbier, L., Pichon, C., Bayle-Guillemaud, P., Werckmann, J., Drillon, M., Ersen, O. Three-Dimensional Chemistry of Multiphase Nanomaterials by Energy-Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography. Microsc. Microanal. 18 (05), 1118-1128 (2012).
- Roiban, L., Sorbier, L., Hirlimann, C., Ersen, O. 3 D Chemical Distribution of Titania-Alumina Catalyst Supports Prepared by the Swing-pH Method. ChemCatChem. 8 (9), 1651-1657 (2016).
- Egerton, R. F. . Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope. , (2011).
- Messaoudi, C., Aschman, N., Cunha, M., Oikawa, T., Sorzano, C. O. S., Marco, S. Three-Dimensional Chemical Mapping by EFTEM-TomoJ Including Improvement of SNR by PCA and ART Reconstruction of Volume by Noise Suppression. Microscopy and Microanalysis. 19 (6), 1669-1677 (2013).
- Pettersen, E. F., Goddard, T. D., Huang, C. C., Couch, G. S., Greenblatt, D. M., Meng, E. C., Ferrin, T. E. UCSF Chimera-A visualization system for exploratory research and analysis. Journal of Computational Chemistry. 25 (13), (2004).
- Roiban, L., Ersen, O., Hirlimann, C., Drillon, M., Chaumonnot, A., Lemaitre, L., Gay, A. S., Sorbier, S. Three-Dimensional Analytical Surface Quantification of Heterogeneous Silica-Alumina Catalyst Supports. ChemCatChem. 9 (18), 3503-3512 (2017).
- Kremer, J. R., Mastronarde, D. N., McIntosh, J. R. Computer visualization of three-dimensional image data using IMOD. J Struct Biol. 116 (1), 71-76 (1996).
- Align RGB planes. ImageJ Available from: https://ImageJ.net/Align_RGB_planes (2018)
- MessaoudiI, C., Boudier, T., Sorzano, C., Marco, S. TomoJ: tomography software for three-dimensional reconstruction in transmission electron microscopy. BMC Bioinf. 8 (1), 288 (2007).
- Saxton, W. O., Baumeister, W., Hahn, M. Three-dimensional reconstruction of imperfect two-dimensional crystals. Ultramicroscopy. 13 (1-2), 57-70 (1984).
