Получение трехмерных карт химической энергией фильтруют передачи электронной микроскопии томография
Summary
Этот документ описывает протокол для достижения 3D химической карты, сочетая энергии фильтруется изображений и электронная томография. Изучена химическая распределение двух опор катализатора, образованный элементов, которые сложно отличить от других методы визуализации. Каждое приложение состоит из сопоставления перекрывающихся химических элементов – соответственно расположенных ионизации края.
Abstract
Энергия, отфильтрованных передачи электронной микроскопии томография (EFTEM томография) может обеспечить карты трехмерные (3D) химических материалов в нанометровом масштабе. EFTEM томография может отдельных химических элементов, которые очень трудно отличить, используя другие методы обработки изображений. Экспериментальный протокол, описанные здесь показано, как создать 3D химической карты для понимания распределения химических и морфология материала. Шаги подготовки образца для данных сегментации представлены. Этот протокол позволяет анализ 3D распределения химических элементов в нанометровом образца. Следует, однако, отметить, что в настоящее время, 3D химической карты могут создаваться только для образцов, которые не луч чувствительным, поскольку запись отфильтрованного изображения требует долго воздействия раз к интенсивным электронный луч. Протокол был применен для количественного определения химического распределение компонентов поддерживает два различных гетерогенных катализаторов. В первом исследовании был проанализирован химических распределение алюминия и титана в titania глинозема поддерживает. Образцы были подготовлены с использованием метода свинг рН. Во-вторых было рассмотрено химических распределение алюминия и кремния в алюмосиликатные поддерживает, которые были подготовлены с использованием соль порошок и методы механической смеси.
Introduction
Свойства функциональных материалов зависит от их 3D параметров. Чтобы полностью понять их свойства и укрепления их функций, важно проанализировать их морфологии и химические распределения в 3D. Электронная томография1 (ET) является одним из лучших методов для предоставления этой информации в нанометровом масштабе2,3. Он состоит из вращающихся образца в большом диапазоне угловых и запись одно изображение на каждой угловой шаг. Полученные наклона серии используется для восстановления объема образца с помощью математических алгоритмов, основанных на4,преобразование радона5. Выбрав уровни серого в объеме помогает модель образца в 3D и количественно 3D параметры как частица локализации6 и размер распределения7, поры позицию и размер распределение8и т.д.
В общем ET выполняется с помощью электронного микроскопа, наклоняя образца до максимально возможных угол, желательно более чем 70° в любом направлении. На каждом углу наклона проекция образца записывается, образуя серии наклона изображения. Что серия tilt выровнены и используется для восстановления объема образца, который будет дробиться и количественно. Потому, что образец не может быть повернут от-90 ° до + 90 °, реконструированный том имеет анизотропной резолюции вдоль ортогональных осей9 из-за угла слепой записи.
И могут быть выполнены в различных режимах съемки. Яркие области ТЕА режим (BF-ТЕА) используется для изучения биологических образцов, аморфные материалы, полимеры, или катализатора поддерживает с сложных фигур. Анализ изображений на основе дифференциация уровней серого, характеризующие плотность компонентов10 (плотной компонент будет более темные, чем светлее, т.е., менее плотной компонент). Крутонаклонные кольцевой темное поле в режиме ТЕА (HAADF-СТЕБЕЛЬ) сканирования используется для анализа образцов кристаллических. Сигнал обеспечивает информацией о химических веществах, как функция Атомный номер; большой компонент образца будет выглядеть ярче, светлее один9. Другие режимы, как энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии (EDX), который собирает рентгеновского, производимого материала11и энергии фильтруется изображений режим (EFTEM)12,13, также способны оценки 3D распределения химических в образце.
В EFTEM изображений, 2D химической карты могут быть записаны с помощью ТЕА с спектрометр энергии электрона. Спектрометр действует как магнитная Призма, диспергирование электроны в зависимости от их энергии. Изображение создается электронов в зависимости от энергии, потерял от взаимодействия с конкретным атома. Если же 2D химических карта вычисляется в различных наклона углов, наклона, полученные серия химических прогнозов, который может использоваться для воссоздания 3D-объем химических.
Не все материалы могут быть проанализированы по EFTEM томографии. Методика предназначена для образцов с слабым или неупорядоченных материалов. Тем не менее она может использоваться для анализа легких элементов, которые очень трудно дифференцировать при использовании других методов обработки изображений. Кроме того чтобы получить надежные 2D химической карты, толщина материала должен быть меньше, чем средний свободный путь электронов через материала14. При этом условии велика вероятность наличия одного электрона, взаимодействующих с один атом. Два метода используются для вычисления 2D химической карты. Первый и наиболее часто используемых является «три windows метод», где два отфильтрованных энергии windows записываются перед краем ионизации элемента под анализ и третий после ионизации края13. Первые два изображения используются для оценки фон, который является экстраполированы с помощью власть закона на положение окна третьего и вычитается из него. Полученное изображение является проекцией 3D распределения анализируемого химического элемента в объеме образца. Второй способ называется «прыжок соотношение»; Он использует только два изображения фильтруются энергии, до и после ионизации края. Этот метод является качественной, как окончательное изображение вычисляется только выполнив соотношение между этими двумя изображениями и не учитывает изменения энергии фона.
Объединив EFTEM с ET, можно получить аналитический томография отфильтрованных энергии. EFTEM томография и атом зонд томография (APT) являются взаимодополняющими методами. По сравнению с APT EFTEM томография является неразрушающим характеристика анализ, который не нуждается в Комплекс пробоподготовки. Он может использоваться для выполнения различных характеристик на уникальный наночастиц. EFTEM томография может анализировать изоляционных материалов, в то время как APT в меньшей помощи лазера необходимо измерить их. APT работает на атомной шкале, в то время как EFTEM томография выполняет адекватно с более низким разрешением. EFTEM томография уместно только для образцов, которые не поддаются разложению луча во время эксперимента. Чтобы записать все отфильтрованного изображения на всех углах наклонена, образец могут подвергаться электронного луча в течение 2 ч. Кроме того чтобы записать максимальный химического сигнала в 2D картах, дольше длительности экспозиции на света высокой интенсивности может быть необходимо. В таких условиях луч чувствительных образцы страдают резкое морфологических и химические изменения. Таким образом точное измерение образца чувствительность к электронно-лучевые должна быть создана до эксперимента. Кроме того EFTEM томография является результатом записи столько томограмм необходимости определить пространственное расположение и характер химических элементов, которые присутствуют в образце. Тем не менее EFTEM томография могут обеспечить важную информацию о 3D химических распределения для образцов, таких как катализатора опоры, чтобы дать новые идеи для моделирования их каталитической приложений.
Сегодня это возможно использовать специализированное программное обеспечение, которое можно выбрать интервал энергии, записи фильтруются энергии окна изображения и рассчитать химической карты на разных наклона углов. Они позволяют, наклоняя образца, отслеживание, фокусировки и запись отфильтрованного изображения в EFTEM режиме. 2D химической карты могут быть рассчитаны и затем наклон серии можно выравнивать, химическая объем вычисляется с помощью итерационных алгоритмов, и наконец серии может быть сегментированным и количественных15,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Цель данного документа является описание как получить 3D химической карты, с помощью EFTEM томография. Этот протокол является полностью оригинальной и разработанного авторами.
EFTEM томография как описано здесь имеет несколько недостатков: (i) только образцы, которые устойчив…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы выражаем признательность французскому министерству высшего образования и научных исследований, конвенций Industrielles де формирования par la Recherche (CIFRE) и новыми энергиями ПСИ за их финансовую поддержку.
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).
