Name: energy dispersive x-ray tomography for 3d elemental mapping of individual nanoparticles
Uploaded: 2016-07-05T13:00:00
Duration: 10 min
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TJAS e SJH agradecer à Engenharia do Reino Unido e Ciências Físicas Research Council, (números Grant EP / G035954 / 1 e EP / L01548X / 1) para apoio financeiro. Os autores gostariam de agradecer o apoio do Governo de Sua Majestade (UK) para o fornecimento de fundos para a Titan G2 80-200 S / TEM associada a capacidade do Centro de Investigação Avançada Nuclear Manufacturing pesquisa.

1. nanopartículas Síntese <ol><li> Dissolve-se 10 g de polivinil-pirrolidona (PVP) (PM = 10000 g / mol) em 75 ml de etilenoglicol à TA. Adicionar 400 mg de AgNO3, a esta solução. </li><li> Solução Agitar até AgNO 3 é completamente dissolvido e, subsequentemente, o calor numa placa de aquecimento a 100 ° C a uma velocidade constante de 1 ° C min-1. Deixe reacção processar-se a 100 ° C durante 1,5 h. </li><li> Adicionar 175 ml de água destilada e arrefecer attemperatura ambiente. Centrifugar a 8.000 xg, remover o sobrenadante e redispersar nanopartículas em 50 ml de água destilada. Repita três vezes. </li><li> Dissolve-se 500 mg de PVP (55,000 g / mol) em 500 ml de etilenoglicol à TA. Adicionar esta solução e 27,8 ml da suspensão de nanopartículas de Ag a partir do passo anterior para um balão de 1.000 mL de fundo redondo. Aquecer o balão a 100 ° C durante 10 min. </li><li> Adicionar tri-hidrato de tetracloroaurato de hidrogénio para 1.000 ml de água para formar uma solução 0,2 mM de AuCl 4 - (aq) </sub&gt;. Adicionam-se 100, 200, 300 ou 400 ml de alíquotas do AuCl 4 0,2 mM - (aq) gota a gota à solução obtida na etapa anterior para se obter nanopartículas Agau de Ag93Au7 média composição (Ag 93 em% Au 7 em%), Ag82Au18 ( Ag 82 em% Au 18at%), Ag78Au22 (Ag 78 em% Au 22 em%) e Ag66Au34 (Ag 66 em% Au 18 em%), respectivamente. </li><li> Arrefecer até à temperatura ambiente e, em seguida, lava-se com água destilada três vezes por ciclos sucessivos de centrifugação a 8000 xg, a remoção do sobrenadante e redispersão em 50 ml de água destilada. Adicionar 0,05 mL da solução de nanopartículas de 10 ml de água Dl. </li></ol> Preparação de Amostras 2. TEM <ol><li> Pipetar cerca de 0,05 mL da solução de nanopartículas para uma grelha TEM carbono perfurado / contínua. Usar um suporte de metal usado para grades de MET de berílio para limitar raios-X espúrios, embora uma grade ou Au Cu será suficiente, se não houver picos sobrepostos de interesse com Cu ou Au no espectro de EDX da amostra. Use maior mesh tamanhos (por exemplo, malha 200) para minimizar a possibilidade de sombreamento da rede. </li><li> Depois de a solução de nanopartículas ter secado, limpar as grelhas de MET por lavagem das grades em metanol ou etanol puro. Pipeta de 10-20 gotas sobre a grade TEM enquanto estiver detido, usando uma pinça de passagem anti-capilares. Remover qualquer excesso de líquido depois de cada gota da rede usando papel de filtro tocado suavemente sobre a borda da grelha. </li><li> Hibridar grelha em cerca de 80 ° C (de preferência em vácuo) para reduzir a contaminação sob o feixe de electrões através da remoção ou imobilização de qualquer contaminação remanescente. </li></ol> 3. Caracterização do Detector sombreamento <ol><li> nanopartículas de carga em rede de apoio TEM no suporte tomografia e, em seguida, insira o suporte para o TEM. </li><li> Aguarde até que o vácuo do microscópio para chegar a um valor estável adequada (abaixo de aproximadamente 1,8 x 10 -7 Torr). válvulas coluna aberta, e garantir o feixe de elétrons pode ser visto nos microscópios fluorescentes screen. </li><li> Alinhe o STEM. Nota: Aqui, alinhamentos para a Titan G2 aberração do lado sonda corrigido instrumento STEM operado a 200 kV em conjunto com um suporte de tomografia 2020 são descritos. procedimentos de alinhamento ideais para outros microscópios podem variar ligeiramente dos descritos. <ol><li> No modo de difração STEM, usar uma imagem sombra fora de foco para levar a amostra à altura eucentric. Para fazer isso, inclinar o estágio entre ± 15 °, premindo o botão de alfa Wobbler na guia Pesquisar e minimizar qualquer movimento de características na amostra através do ajuste da altura z. </li><li> Mova a amostra de modo que a viga se encontre acima de um buraco na amostra e garantir que a abertura do condensador adequado é corretamente alinhados, centrando a sombra da abertura em um sob a imagem da sonda focado. Balançar a intensidade e garantir uma sonda focado não se move para verificar se há desalinhamento inclinação do feixe. </li><li> Mova a amostra de modo a que uma área de carbono amorfo está em vista e focar a serestou no modo de difração de obter o Ronchigram. Foco Wobble observar aberrações dentro do Ronchigram e corrigir para estes (por exemplo, astigmatismo e coma axial), se necessário. </li></ol></li><li> Trace o contorno da grade quadrada (um perto do centro da grade), selecionando &#39;Show Tracks&#39; no separador &#39;Pesquisar&#39; e seguindo o contorno do quadrado da grelha, enquanto imagem. Isto torna mais simples para garantir medições subsequentes são executadas para nanopartículas que estão no meio do quadrado da grelha, a fim de reduzir a probabilidade de sombreamento da grelha de suporte. Se a aquisição é realizada sobre uma partícula perto de uma barra de grelha de um par de detectores serão sombreado ao longo de um intervalo muito maior do espécime de inclinação ângulos. </li><li> Encontrar uma partícula representativa dentro da porção média do quadrado da grelha. Incline a faixa de inclinação máxima do titular (geralmente ± 70 °), enquanto imaging para garantir que a nanopartícula não é obscurecida pela gribares d em grandes inclinações suporte. </li><li> Adquirir imagens de espectro HAADF e EDX usando um tempo de aquisição constante (por exemplo, 5 min) ao longo de toda a gama de ângulos de inclinação (geralmente ± 70 °) com incrementos angulares de entre 5-10 °. Em primeiro lugar, adquirir uma imagem HAADF visão geral clicando Adquirir no painel de imagens. Selecione uma janela de mapeamento em torno da nanopartícula, arrastando a caixa sobre esta imagem e pressione Adquirir. </li><li> Extracção de contagem de raios-X característicos de imagens de espectro EDX para determinar intervalos de tempo para aquisição de dados, abrindo as datacubes espectrais no software de processamento de imagem (como arquivos RAW). Em seguida, a soma da intensidade de fatias do datacube que correspondem aos canais de energia dos picos de interesse, utilizando as funções slice2D e soma, scripts incluídos como código suplementar 1-3. </li></ol> 4. Aquisição Tomografia EDX <ol><li> Repita os passos de 3,1-3,5 para a amostra de nanopartículas de interesse. </li><li> Adquirir HAADF umND imagens espectro EDX com os intervalos de tempo determinados a partir do detector de sombreamento caracterização da secção anterior para uma gama de ângulos de inclinação espécime (geralmente ± 70 °), da mesma maneira que no passo 3.6. </li></ol> 5. Reconstrução e Visualização <ol><li> Compilar série de inclinação de imagens HAADF em formato de arquivo MRC através de um dos seguintes métodos: <ol><li> Use MRC escritor na imagem software de visualização de 12 (File&gt; Save As&gt; MRC escritor) após a importação TIFs HAADF como um &#39;Sequência de Imagens &quot;. </li><li> Alternativamente, use a função tif_to_mrc no pacote de software tomografia 13. </li></ol></li><li> imagens HAADF Cross-correlato no software escolhido para obter um alinhamento aproximado da série de inclinação. Guardar os dados de alinhamento tanto como um ficheiro.sft ou como o xcorr.txt arquivo. No software tomografia configurar um filtro na janela Filtro de instalação que fornece o pico mais acentuado no painel Correlação da Cruz. &lt;ol&gt; <li> Posteriormente, pressione Prosseguir no alinhamento Calcular Desloca a janela para executar correlação cruzada para toda a série de inclinação. Repita o alinhamento até turnos locais estão abaixo de 1 pixel, garantindo para salvar todos os arquivos de mudança em cada etapa como texto. Nota: a instalação cuidadosa do filtro usado ao executar correlação cruzada às vezes é necessário para garantir um bom alinhamento dos dados de séries de inclinação. </li></ol></li><li> No software de processamento de imagem, carregar os datacubes espectrais adquiridos e extrair mapas que são somadas as fatias de canais de energia correspondentes aos elementos de interesse utilizando as funções de script slice3d e soma, scripts incluídos como código suplementar 4 &amp; 5. </li><li> Aplicar os alinhamentos determinados a partir das imagens HAADF aos mapas elementares EDX extraídos. Executar esta em software de reconstrução de tomografia na guia Aplicar Alinhamento selecionando &quot;Use Muda do Alinhamento Data View&quot;. </li><li> Se necessário, execute o ajuste do eixo de inclinação nosoftware de reconstrução de tomografia na série imagem HAADF e aplicam-se a ambas as imagens HAADF e mapas EDX marcando &quot;Use correções de inclinação do eixo de tarefas de ajuste&quot; no &quot;Aplicar Alinhamento &#39;guia. </li><li> Reconstruir conjunto de dados tomográfica por cada um dos sinais elementares EDX extraídos usando um algoritmo iterativo simultânea técnica de reconstrução (SIRT) implementada dentro de um pacote de software de tomografia, assegurando que as dimensões da reconstrução são o mesmo para todos os elementos. No software de reconstrução de tomografia, configurar os parâmetros na janela do volume do Reconstruct (tamanho do volume, 20 iterações, etc.) e pressione Continuar. Certifique-se de que os paretros de reconstruo são os mesmos para cada elemento. </li><li> Extraia orthoslices das reconstruções elementares separados, selecionando Imagem&gt; Pilhas&gt; vistas ortogonais no software de visualização de imagem 12. </li><li> Construir e visualizar mais orthoslices, volume e re superfícienderings das reconstruções utilizando o software de visualização. Coloque todas as reconstruções elementares e garantir que a escala é definida corretamente, pois isso muitas vezes não é transferido de arquivos .rec. <ol><li> Selecione o objeto de reconstrução na piscina objeto e clique com o botão direito e selecione o módulo orthoslice para extrair um orthoslice. Clique com o botão direito do mouse no volume rendering reconstrução e selecione extrair um volume rendering. Extrair um isosurface clicando com o botão direito do mouse sobre a reconstrução e selecionando isosurface. Nota: segmentação automática através de limiar é um método mais robusto, mas onde a relação sinal-ruído é pobre segmentação manual pode ser necessária para remover voxels ruidosos de fora o volume de nanopartículas para visualização isosurface. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Midgley, P. A., Weyland, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+electron+microscopy+in+the+physical+sciences:+the+development+of+Z-contrast+and+EFTEM+tomography.">3D electron microscopy in the physical sciences: the development of Z-contrast and EFTEM tomography.</a> Ultramicroscopy. 96, 413-431 (2003).</li><li>Mobus, G., Doole, R. C., Inkson, B. 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R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+visualization+of+three-dimensional+image+data+using+IMOD.">Computer visualization of three-dimensional image data using IMOD.</a> J. Struct. Biol. 116, 71-76 (1996).</li><li>von Harrach, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+integrated+Silicon+Drift+Detector+System+for+FEI+Schottky+Field+Emission+Transmission+Electron+Microscopes.">An integrated Silicon Drift Detector System for FEI Schottky Field Emission Transmission Electron Microscopes.</a> Microsc. Microanal. 15, 208-209 (2009).</li><li>Slater, T. J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlating+Catalytic+Activity+of+Ag-Au+Nanoparticles+with+3D+Compositional+Variations.">Correlating Catalytic Activity of Ag-Au Nanoparticles with 3D Compositional Variations.</a> Nano Lett. 14, 1921-1926 (2014).</li><li>Lewis, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+imaging+and+elemental+mapping+of+AgAu+nanoparticle+transformations.">Real-time imaging and elemental mapping of AgAu nanoparticle transformations.</a> Nanoscale. 6, 13598-13605 (2014).</li></ol>

Os autores não têm nada para revelar.

O protocolo aqui apresentado fornece um método para determinar a distribuição elementar de qualquer multi-elemento de nanopartículas em três dimensões. No caso das nanopartículas Agau aqui apresentados, a segregação de superfície de ambos os elementos é claramente identificada e é mostrado para ser correlacionado com o rendimento catalítico em uma reacção de acoplamento de três componentes. Isto demonstra claramente a utilidade desta técnica para ajudar a explicar as propriedades físicas e químicas dos sistemas de nanopartículas. Como é sempre o caso na TEM, cuidado deve ser tomado na preparação de amostras para garantir os melhores resultados possíveis. lavagem completa e recozimento das grades depois de depositar a solução de nanopartículas é particularmente importante para evitar acúmulo de contaminação de carbono através da grande dose de elétrons necessários para tomografia EDX. A grande dose utilizada também pode resultar em graves danos ao HOLEY filmes de carbono, particularmente se em secções finas frequentemente encontrada entre buracos, mas películas de suporte de nitreto de silício pode favorecer a oxidação das nanopartículas 16. Correcção de efeitos de sombreamento detector é importante para produzir uma reconstrução precisa, particularmente se a técnica é para ser aplicado para o mapeamento quantitativa da distribuição elementar no futuro. Isto pode ser conseguido através da caracterização precisa do detector de sombreamento e, subsequentemente, variando a dose de electrões para a nanopartícula. Alternativamente, o sombreamento pode ser compensado pela multiplicação imagens de espectro por um fator de correção após a aquisição. No entanto, a aplicação desta técnica para proporcionar informação quantitativa em três dimensões não é ainda possível, devido a danos de feixe de electrões de nanopartículas que limita a contagem dos raios-X possíveis em cada imagem espectro. A calibração é necessária, a fim de compensar o EDX detector de sombreamento como uma função do ângulo de inclinação para um detector de combinação microscópio-titular específico. o shadowing deve inicialmente ser determinada utilizando uma amostra que não dá nenhuma variação nas contagens de raios-X para diferentes ângulos espécime inclinação e nanopartículas esféricas individuais são esperados para satisfazer estes critérios, quando a sua composição é estável sob o feixe de electrões ao longo do tempo necessário para adquirir a inclinação série. Além disso, para as nanopartículas cristalinas, qualquer ângulos de inclinação em que o feixe de electrões é orientado ao longo de uma zona do eixo principal da nanopartícula deve ser removida e a nanopartícula deve ser pequena o suficiente para evitar a absorção significativa de raios-X. Portanto, quando EDX imagens espectro de uma única nanopartícula são adquiridos ao longo de toda a gama de possíveis ângulos de inclinação espécime usando um tempo de aquisição constante, quaisquer variações na intensidade dos raios-X característica medida será devido ao detector sombreamento sozinho. Os tempos de aquisição, e, por conseguinte, a dose, é então variada de aquisições subsequentes para compensar o sombreamento que significa que as contagens totais de sinal são aproximadamente conconstante para todas as imagens adquiridas em espectro da série de inclinação. Em comparação com HAADF ou EELS modos de imagem, EDX aquisição de dados tomográficos ainda está em seus estágios iniciais. Apesar da introdução de detectores de raios-X com ângulos sólidos superiores a principal limitação da tomografia EDX, como é frequentemente o caso para imagiologia bidimensional EDX, é o sinal de baixa. Apesar disso, uma vantagem que a espectroscopia EDX pode deter mais de EELS para alguns sistemas de nanopartículas é na determinação de pequenas quantidades de elementos pesados ​​em bastante grandes nanopartículas. Maiores nanopartículas multicomponentes (&gt; 100 nm) são muitas vezes adequados para estudos EDX uma vez que proporcionam mais contagens e existem menos problemas com deconvolving sobreposições espectrais, mas deve ser tomado cuidado para utilizar os picos de raios X de alta energia que sofrem pouca absorção. Em geral, a tomografia EDX é um excelente método de determinar distribuições elementares dentro de nanopartículas em três dimensões, although limitado a nanopartículas que podem suportar uma dose relativamente alta de elétrons sem danos significativos. Novos aumentos nos ângulos sólidos de detectores de raios-X no interior da haste e uma maior optimização dos suportes de amostra tomográficos permitirá que esta técnica para avançar ainda mais e tornar-se um método importante na caracterização de nanopartículas individuais.

O objectivo deste método é o de proporcionar a determinação precisa da distribuição tridimensional de elementos dentro de nanopartículas individuais. Isto é realizado através da utilização de espectroscopia por energia dispersiva de raios-X (EDX), em conjugação com uma reconstrução tomográfica realizada no microscópio electrónico de transmissão de varredura (STEM). Espectroscopia de energia dispersiva de raios X tem sido usada como uma técnica para quantificar e espacialmente mapear elementos presentes em amostras de microscopia electrónica de transmissão. Com o advento de ângulo elevado anular tomografia STEM campo escuro (HAADF) para os três imagiologia tridimensional de materiais cristalinos 1, tomografia de raios X de energia dispersiva também foi proposta como um método para permitir a determinação das distribuições elementares em três dimensões 2. No entanto, estudos iniciais foram limitados devido ao desenho de detectores de raios-X no microscópio electrónico de transmissão. Especificamente estes tradicional detector desenhos tinham eficiência relativamente baixos de coleta e medidos sem sinal em uma grande variedade de ângulos de inclinação devido sombreamento do 2,3 suporte de amostras. A introdução de novos desenhos geométricos de detectores de raios-X no interior da (varrimento) microscópio electrónico de transmissão de energia dispersiva fêz tomografia de raios X uma técnica viável e levou a uma série de estudos recentes 4-6. HAADF imagem STEM é um modo de tomografia de elétrons amplamente utilizado e é capaz de fornecer informações sobre a composição em situações específicas com base na sensibilidade número atómico da intensidade do sinal HAADF. Por exemplo, a tomografia HAADF é bem adequado para o estudo de nanopartículas com regiões discretas elementares, por exemplo, bem definido morfologias de núcleo-revestimento 7, mas não pode ser usada quando os elementos têm uma distribuição mais complicado. Electron perda de energia espectroscopia (EELS) fornece uma abordagem complementar para a determinação de três eleme dimensionaldistribuições ntal dentro do STEM 8. Nesta técnica, as perdas de energia do feixe de electrões incidente são utilizados para determinar a composição da amostra e isto tem a vantagem de uma maior relação sinal-para-ruído que é muitas vezes obtida por EDX espectroscopia 9. A desvantagem das enguias é que várias considerações de espalhamento de impor limites estritos sobre a espessura da amostra, e em várias situações análise é complicado pela presença de bordas de início retardado ou características espectrais que se sobrepõem. Assim, espectroscopia EDX é muitas vezes mais adequado para estudar os elementos pesados, como aqueles que são frequentemente associados com sistemas de nanopartículas catalíticos ou plasmonic 9. Além disso, como uma imagem espectro completo é coletado em EDX espectroscopia é fácil identificar retrospectivamente elementos inesperados, o que é mais difícil em microscopia de energia filtrada eletrônica de transmissão (EFTEM) e enguias, devido à frequência das informações elemental sobrepostas ou estar foraa gama espectral do conjunto de dados. A geometria da amostra ideal para tomografia EDX consiste de uma amostra em forma de agulha suspensa no vácuo e orientada ao longo do eixo de inclinação tomográfica 4. Esta situação assegura que não há sombreamento dos detectores de EDX em qualquer ângulo de inclinação, quer a amostra ou suporte da amostra. No entanto, o conjunto das amostras em forma de agulha necessários para os sistemas de nanopartículas é um desafio de preparação 10 e amostra geralmente consiste de simplesmente transferir nanopartículas dentro de uma grade fina suporte TEM filme de carbono. Estas grades são utilizados com um suporte de amostra tomografia especialmente concebidos de modo que pode ser inclinado para grandes ângulos (≈ ± 75 °), mas sombreamento dos detectores de EDX dentro desta gama de espécime ângulos de inclinação é inevitável e pode degradar a qualidade da tomográfica resultante reconstrução. Este sombreamento é característica de uma configuração particular microscópio de detector de suporte e, por conseguinte, pode ser determinado pela medição de uma amostra de calibração adequada antes da aquisição 11. nanoparticulas esféricas individuais são um espécime de calibração ideais como a intensidade da contagem dos raios-X a partir destas amostras deveria permanecer constante ao longo de todos os ângulos de inclinação. O sombreamento detector pode, em seguida, ser compensados ​​por qualquer variação do tempo de aquisição para cada ângulo ou por multiplicação com factor de correcção após a aquisição de dados. A primeira abordagem é utilizada como isto minimiza a dose de electrões, enquanto maximiza a relação sinal-ruído.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Titan G2 80-200 STEM</td>
			<td>FEI</td>
			<td></td>
			<td>With Super-X detector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2020 tomography holder</td>
			<td>Fischione</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon film on 200 mesh copper grid</td>
			<td>Agar Scientific</td>
			<td>AGS160</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EDX Acquisition software</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Esprit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tomographic alignment and reconstruction software</td>
			<td>FEI</td>
			<td></td>
			<td>Inspect3D, alternatives available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tomographic alignment and reconstruction software package</td>
			<td>University of Colorado</td>
			<td></td>
			<td>IMOD, alternatives available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Visualisation software</td>
			<td>FEI</td>
			<td></td>
			<td>Avizo, alternatives available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image processing software</td>
			<td>Gatan</td>
			<td></td>
			<td>Digital Micrograph, alternatives available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image visualisation software</td>
			<td>Open Source</td>
			<td></td>
			<td>Fiji, alternatives available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyvinyl-pyrrolidone</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>856568</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethylene glycol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>V900208</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver nitrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>209139</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benchtop Centrifuge</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>75007200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Round bottom flask</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Z41,452-2</td>
			<td>1000mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen tetrachloroaurate trihydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>520918</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

energy dispersive x-ray tomography for 3d elemental mapping of individual nanoparticles

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial resolution, and is even capable of providing atomically resolved elemental maps. In this technique, a highly focused electron beam is incident upon a thin sample and the energy of emitted X-rays is measured in order to determine the atomic species of material within the beam path. This elementally sensitive spectroscopy technique can be extended to three dimensional tomographic imaging by acquiring multiple spectrum images with the sample tilted along an axis perpendicular to the electron beam direction.
Elemental distributions within single nanoparticles are often important for determining their optical, catalytic and magnetic properties. Techniques such as X-ray tomography and slice and view energy dispersive X-ray mapping in the scanning electron microscope provide elementally sensitive three dimensional imaging but are typically limited to spatial resolutions of &gt; 20 nm. Atom probe tomography provides near atomic resolution but preparing nanoparticle samples for atom probe analysis is often challenging. Thus, elementally sensitive techniques applied within the scanning transmission electron microscope are uniquely placed to study elemental distributions within nanoparticles of dimensions 10-100 nm.
Here, energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy within the STEM is applied to investigate the distribution of elements in single AgAu nanoparticles. The surface segregation of both Ag and Au, at different nanoparticle compositions, has been observed.

A caracterização de um detector de sombreamento por um suporte 2020 tomografia num Titan ChemiSTEM G2 é apresentado na Figura 1A. Os detectores são utilizados aqui que a do detector super-X, em que quatro detectores são empregues em ângulos azimutais iguais de 90 ° em torno do eixo óptico, o que resulta num ângulo sólido detector de maior do que 0,6 SR14. Caracterização dos detectores permitiu a determinação de tempos de aquisição tomográficos compensados ​​apresentados na Figura 1B. Após a aplicação destes tempos de aquisição as contagens em cada ângulo de inclinação deve permanecer praticamente constante para as nanopartículas individuais, como mostrado na Figura 1C. nanopartículas bimetálicas Agau, sintetizados pela reação de substituição galvânica, foram investigados por meio de tomografia EDX no STEM. Nesta reacção, uma solução de AuCl 4 - éadicionada a sementes de nanopartículas AG. Au é reduzida na superfície das nanopartículas como Ag é oxidada, resultando numa composição de bimetálico e esvaziamento da semente inicial. Anteriormente, pensava-se que a Ag e Au formada uma liga homogénea ao longo deste processo e que as variações nas propriedades catalíticas e ópticas foram simplesmente devido ao esvaziamento e variações de composição a granel. No entanto, três mapeamento elementar dimensional realizada utilizando tomografia EDX revelaram segregação de superfície dentro das nanopartículas Agau sintetizados pela reacção galvânica (Figura 2). Em composições de baixa Au, as nanopartículas exibir clara segregação superfície Au. No entanto, como os de conteúdo Au aumenta essa segregação superfície muda de modo que para os maiores teores de Au há clara segregação superfície Ag (Figura 3). Esta comutação de segregação de superfície correlaciona-se com as mudanças no rendimento de propargylamines em uma reacção de três componentes de acoplamento sintetizados por diferentescomposições ent destas nanopartículas Agau. Fatias através da reconstrução que são normais à direcção do feixe de electrões para proporcionar uma comparação de dois mapas elementares dimensionais padrão. Os mapas iniciais contêm informações sobre a composição somadas ao longo da direcção do feixe e que pode muitas vezes ser difícil de interpretar devido à sobreposição de regiões de composições diferentes ou, no caso de o Agau nanopartículas investigados aqui, devido à inclusão da parte superior e inferior em superfícies de projecção (Figura 3A-C). Tomando fatias através da reconstrução permite a remoção da intensidade associado com as superfícies de topo e de fundo das partículas e, portanto, resulta em um visor muito mais clara de segregação de superfície neste caso (Figura 3D-F). <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/52815/52815fig1.jpg" /> <strong&gt; Figura 1. Caracterização de sombreamento detector utilizando uma única nanopartícula Agau. (A) A contagem de Ag e Au picos de raios-X em função do ângulo de inclinação de uma única nanopartícula Agau quando empregando um tempo de aquisição set (5 min). Vezes (B) A aquisição determinada a partir de (A) e, posteriormente, utilizado para adquirir a série de inclinação. (C) A contagem de Ag e Au picos de raios X, como uma função dos ângulos de inclinação a partir de uma única nanopartícula Agau quando se emprega a tempos de aquisição a partir de (B). As contagens permanecem mais ou menos constante sobre todos os ângulos de inclinação. De Slater et al. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52815/52815fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52815/52815fig2.jpg" /> Figura 2. </strong&gt; Reconstrução de um baixo teor de Au Agau nanopartícula. (A) Orthoslice através do Au reconstrução. (B) Orthoslice através da reconstrução Ag. Perfis de linha (C) tomadas através orthoslices (A) e (B) mostrando a clara segregação superfície Au neste nanopartículas. Visualização (D) Superfície das reconstruções Ag e Au. De Slater et al. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52815/52815fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52815/52815fig3.jpg" /> Figura 3. A reconstrução de um elevado teor de Au Agau nanopartículas. (A) 2D EDX mapa de Au e (B) 2D EDX mapa de Ag. Profil (C) Linhae feita através dos mapas 2D EDX (A) e (B) que mostra a dificuldade na determinação da segregação de superfície nesta nanopartículas de 2D mapeia sozinho. (D) Orthoslice através do Au reconstrução. (E) Orthoslice através da reconstrução Ag. (F) perfis de linha tomadas através orthoslices (D) e (E) que indicam o clara segregação superfície Ag neste nanopartículas. (G) a visualização da superfície das reconstruções Ag e Au. De Slater et al. 15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52815/52815fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

The use of energy dispersive X-ray tomography in the scanning transmission electron microscope to characterize elemental distributions within single nanoparticles in three dimensions is described.

Tomografia de raios-X de energia dispersiva para 3D Elemental Mapeamento de nanopartículas individuais

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

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