Name: obtaining 3d chemical maps by energy filtered transmission electron microscopy tomography
Uploaded: 2018-06-09T12:30:00
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Nous sommes reconnaissants au Ministère Français de l’enseignement supérieur et de la recherche, Conventions Industrielles de Formation par la Recherche (CIFRE) et IFP Energies Nouvelles pour leur soutien financier.

1. préparation de l’échantillon
<ol><li>Broyer l’échantillon dans un mortier et disperser dans l’alcool ou distillée ; Placez une goutte de l’échantillon sur une grille de microscopie et laissez-le sécher. NOTE : Échantillons tels qu’alumine silice ou alumine titania peuvent être une poudre ou un matériau extrudé et peut être écrasés et dispersés dans une solution en utilisant des ultrasons. En général, pour l’analyse ET, il est important que la concentration de l’échantillon sur la ...

<ol>
	<li>Frank, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electron Tomography - Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell. , (2006).</li><li>Midgley, P. A., Dunin-Borkowski, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+tomography+and+holography+in+materials+science.">Electron tomography and holography in materials science.</a> Nat. Mater. 8, 271-280 (2009).</li><li>Carenco, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+core+contribution+of+transmission+electron+microscopy+to+functional+nanomaterials+engineering.">The core contribution of transmission electron microscopy to functional nanomaterials engineering.</a> Nanoscale. 8 (3), 1260-1279 (2016).</li><li>Radon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Uber+die+Bestimmung+von+Funktionen+durch+ihre+Integralwerte+langs+gewisser+Mannigfaltigkeiten.">Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte langs gewisser Mannigfaltigkeiten.</a> Akad. 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Microanal. 18 (05), 1118-1128 (2012).</li><li>Roiban, L., Sorbier, L., Hirlimann, C., Ersen, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3+D+Chemical+Distribution+of+Titania-Alumina+Catalyst+Supports+Prepared+by+the+Swing-pH+Method.">3 D Chemical Distribution of Titania-Alumina Catalyst Supports Prepared by the Swing-pH Method.</a> ChemCatChem. 8 (9), 1651-1657 (2016).</li><li>Egerton, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope. , (2011).</li><li>Messaoudi, C., Aschman, N., Cunha, M., Oikawa, T., Sorzano, C. O. S., Marco, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-Dimensional+Chemical+Mapping+by+EFTEM-TomoJ+Including+Improvement+of+SNR+by+PCA+and+ART+Reconstruction+of+Volume+by+Noise+Suppression.">Three-Dimensional Chemical Mapping by EFTEM-TomoJ Including Improvement of SNR by PCA and ART Reconstruction of Volume by Noise Suppression.</a> Microscopy and Microanalysis. 19 (6), 1669-1677 (2013).</li><li>Pettersen, E. F., Goddard, T. D., Huang, C. C., Couch, G. S., Greenblatt, D. M., Meng, E. C., Ferrin, T. 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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 (1), 71-76 (1996).</li><li>Align RGB planes. ImageJ Available from: <a target="_blank" href="https://ImageJ.net/Align_RGB_planes">https://ImageJ.net/Align_RGB_planes</a> (2018)</li><li>MessaoudiI, C., Boudier, T., Sorzano, C., Marco, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TomoJ:+tomography+software+for+three-dimensional+reconstruction+in+transmission+electron+microscopy.">TomoJ: tomography software for three-dimensional reconstruction in transmission electron microscopy.</a> BMC Bioinf. 8 (1), 288 (2007).</li><li>Saxton, W. O., Baumeister, W., Hahn, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+reconstruction+of+imperfect+two-dimensional+crystals.">Three-dimensional reconstruction of imperfect two-dimensional crystals.</a> Ultramicroscopy. 13 (1-2), 57-70 (1984).</li></ol>

Le but de cet article est de décrire comment se procurer des cartes 3D chimiques en utilisant la tomographie EFTEM. Ce protocole est tout à fait original et a été développé par les auteurs.
Tomographie EFTEM tel que décrit ici a plusieurs inconvénients : échantillons de (i) seulement électron faisceau résistante peuvent être analysées, en raison du long temps de pose nécessaire à l’obtention des images filtrées. (ii) EFTEM la tomographie est sensible aux contrastes diffracti...

Les propriétés de matériaux fonctionnels dépendent de leurs paramètres 3D. Pour bien comprendre leurs propriétés et améliorer leurs fonctions, il est important d’analyser leur morphologie et la distribution de produits chimiques en 3D. Electron tomography1 (HE) est l’une des meilleures techniques de fournir cette information à l’échelle nanométrique2,3. Il se compose de rotation de l’échantillon sur une grande plage angulaire et enregistrement d’une image à chaque étape angulaire. La série tilt obtenu est utilisée pour reconstruire le volume de l’échantillon en utilisant des algorithmes mathématiques basées sur la transformation de Radon4,5. Sélection de niveaux de gris dans le volume permet de modéliser l’échantillon en 3D et quantifier les paramètres 3D comme particule localisation6 et taille distribution7, pore position et taille distribution8, etc.
En général, ET est réalisée avec un microscope électronique en inclinant l’échantillon à l’angle maximal possible, de préférence plus de 70° dans les deux sens. Chaque angle d’inclinaison, une projection de l’échantillon est enregistrée en formant une série d’inclinaison des images. Cette série d’inclinaison est alignée et utilisée pour reconstruire le volume de l’échantillon qui sera segmenté et quantifiée. Parce que l’échantillon ne peut être tourné de 90 ° à + 90 °, le volume reconstruit a une résolution anisotrope le long de l' axe orthogonal9 en raison de l’angle de prise aveugle.
ET peut être effectuée dans les différents modes d’imagerie. Le mode TEM de champ lumineux (BF-TEM) est utilisé pour étudier les matériaux amorphes, les échantillons biologiques, les polymères ou catalyseur prend en charge avec des formes complexes. L’analyse d’image est basée sur la différenciation des niveaux de gris qui caractérisent la densité des composants10 (un composant dense sera plus sombre qu’un briquet, c'est-à-dire, moins dense composant). High angle rasant annulaire en mode TEM (HAADF-STEM) balayage sert à analyser des échantillons cristallins. Le signal fournit information chimique en fonction du nombre atomique ; une composante forte de l’échantillon paraîtra plus lumineuse qu’un briquet un9. Autres modes, tels que la spectroscopie x Dispersive en énergie (EDX), qui recueille les rayons x émis par la matière11et l’énergie filtré d’imagerie mode (EFTEM)12,13, sont également capables d’évaluer la distribution de produits chimiques 3D au sein de l’échantillon.
En imagerie EFTEM, les cartes 2D chimiques peuvent être enregistrées à l’aide d’un TEM avec un spectromètre à électrons énergétiques. Le spectromètre agit comme un prisme magnétique en dispersant les électrons en fonction de leur énergie. Une image est créée par les électrons selon l’énergie perdue d’interagir avec un atome spécifique. Si la même carte chimique 2D est calculée à des angles d’inclinaison différente, une inclinaison de la série de projections chimiques est obtenue, qui peut servir à reconstruire le volume 3D chimique.
Pas tous les matériaux peuvent être analysés par tomographie EFTEM. La technique est réservée aux échantillons avec des matériaux de faibles ou de troubles. Néanmoins, il peut être utilisé pour analyser des éléments légers qui sont très difficiles à différencier en utilisant d’autres techniques d’imagerie. En outre, pour obtenir des cartes chimiques 2D fiables, l’épaisseur du matériau doit être moins que le libre parcours moyen des électrons à travers la matière14. Dans ces conditions, la probabilité d’avoir un seul électron interagit avec un seul atome est le plus élevée. Deux méthodes sont utilisées pour calculer une carte chimique 2D. Le premier et le plus utilisé est la « méthode des trois-windows », où deux fenêtres énergie filtrées sont enregistrées avant le bord de l’ionisation de l’élément sous analyse et un troisième après l’ionisation bord13. Les deux premières images sont utilisées pour estimer l’arrière-plan, ce qui est extrapolé en utilisant une loi de puissance à la position de la troisième fenêtre et soustraite d’elle. L’image obtenue est la projection de la distribution 3D d’un élément chimique dans le volume de l’échantillon analysé. La deuxième méthode est appelée le « saut-ratio » ; Il utilise seulement deux images énergie filtré, un avant et un après le bord de l’ionisation. Cette méthode est qualitative, que l’image finale est calculée uniquement en effectuant le rapport entre ces deux images et ne tient pas compte de la variation d’énergie de fond.
En combinant EFTEM avec ET, la tomographie analytique de l’énergie filtré peut être obtenue. Tomographie par EFTEM et atom sonde tomographie (APT) sont des techniques complémentaires. Par rapport à APT, la tomographie EFTEM est une analyse de caractérisation non destructive ne nécessitant pas de préparation des échantillons complexes. Il peut être utilisé pour effectuer diverses caractérisations sur une NANOPARTICULE unique. Tomographie EFTEM permet d’analyser les matériaux isolants, tandis que l’APT a besoin à l’aide de laser tout le moins, de les mesurer. APT fonctionne à l’échelle atomique, tandis que la tomographie EFTEM effectue correctement avec une résolution inférieure. EFTEM la tomographie est pertinente uniquement pour les échantillons qui résistent à la dégradation de la poutre pendant l’expérience. Pour enregistrer toutes les images filtrées selon tous les angles inclinées, l’échantillon peut être exposé pour le faisceau d’électrons pour aussi longtemps que 2 h. En outre, pour enregistrer un signal chimique maximal dans les cartes 2D, les durées d’exposition plus longues à faisceau de haute intensité peuvent être nécessaires. Dans de telles conditions, les échantillons sensibles de faisceau subissent des changements morphologiques et chimiques. Par conséquent, un mesurage précis de la sensibilité de l’échantillon pour le faisceau d’électrons doit être établi avant l’expérience. En outre, la tomographie EFTEM est le résultat de l’enregistrement des tomographies autant que nécessaire pour déterminer l’emplacement dans l’espace et la nature des éléments chimiques présents dans l’échantillon. Néanmoins, la tomographie EFTEM peut fournir des informations importantes concernant la distribution de produits chimiques 3D pour les échantillons, tels que les supports de catalyseurs, de donner de nouvelles perspectives pour la modélisation de leurs applications catalytiques.
Aujourd'hui, il est possible d’utiliser un logiciel dédié qui peut choisir l’intervalle de l’énergie, enregistrement filtré images fenêtre énergie et calculer le produit chimique correspond à des angles d’inclinaison différentes. Ils permettent l’inclinaison de l’échantillon, suivi, en se concentrant et en enregistrant l’image filtrée en mode EFTEM. Les cartes chimiques 2D peuvent être calculées et puis la série d’inclinaison peut être alignée, le volume de produits chimique calculé à l’aide des algorithmes itératifs, et enfin la série peut être segmentée et quantifiés15,16.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>JEOL 2100f</td>
			<td>JEOL</td>
			<td></td>
			<td>Electron microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tridiem Gatan Imaging Filter (GIF)</td>
			<td>Gatan</td>
			<td></td>
			<td>Post colum energy filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital micrograph</td>
			<td>Gatan</td>
			<td></td>
			<td>Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gatan EFTEM tomography plugin</td>
			<td>Gatan</td>
			<td></td>
			<td>Dedicated software to record filtered tilt series for EFTEM tomograohy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tomoj</td>
			<td>Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td>
			<td></td>
			<td>Free software developed by Currie Institute in Paris, France for electron tomography</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EFTEM-Tomoj</td>
			<td>Imagej plugin http://www.cmib.fr/en/download/softwares/</td>
			<td></td>
			<td>Free software developed by Currie Institute in Paris, France , for EFTEM imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imod</td>
			<td>http://bio3d.colorado.edu/imod/</td>
			<td></td>
			<td>Free software developed by University of Colorado, USA for electron tomography</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imagej</td>
			<td>https://imagej.nih.gov/ij/</td>
			<td></td>
			<td>Free software developed by National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA for images treatment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Merge channels</td>
			<td>https://imagej.net/Color_Image_Processing</td>
			<td></td>
			<td>Fonction in Imagej allowing to give different colors to volumes while they are overlapped</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D Slicer</td>
			<td>https://www.slicer.org/</td>
			<td></td>
			<td>Free software developed by a large consortium lead by Ron Kikinis , Harvard Medical School, Boston, MA, SUA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chimera</td>
			<td>https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td>
			<td></td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>silica alumina support of catalyst</td>
			<td>IFPEN</td>
			<td></td>
			<td>sample prepared for eleboration of this protocol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>titania alumina support of catalyst</td>
			<td>IFPEN</td>
			<td></td>
			<td>sample prepared for eleboration of this protocol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>alcohol</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>water</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Au nanoparticles of 5 nm</td>
			<td>BBI Solutions</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Holey carbn film 200 mesh microscopy grid</td>
			<td>Agar</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EDX sepctrometer</td>
			<td>Oxford Instruments</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

obtaining 3d chemical maps by energy filtered transmission electron microscopy tomography

Énergie filtrée transmission electron microscopy tomographie (tomographie EFTEM) peut fournir des cartes en trois dimensions (3D) chimique de matériaux à l’échelle nanométrique. Tomographie par EFTEM permet de séparer des éléments chimiques qui sont très difficiles à distinguer à l’aide d’autres techniques d’imagerie. Le protocole expérimental décrit ici montre comment créer des cartes 3D et chimiques pour comprendre la distribution de produits chimiques et de la morphologie d’un matériau. Étapes de préparation d’échantillon pour la segmentation des données sont présentées. Ce protocole permet l’analyse de la distribution 3D des éléments chimiques dans un échantillon nanométrique. Toutefois, il convient de noter qu’actuellement, les cartes 3D chimiques peuvent seulement être générés pour les échantillons qui ne sont pas sensibles, faisceau, étant donné que l’enregistrement des images filtrées exige de longs temps d’exposition à un faisceau d’électrons intense. Le protocole a été appliqué afin de quantifier la distribution de produits chimiques des composants de deux supports de différents catalyseurs hétérogènes. Dans la première étude, on a analysé la distribution de produits chimiques de l’aluminium et le titane dans les soutiens de titania-alumine. Les échantillons ont été préparés selon la méthode de swing-pH. Dans le second, la distribution de produits chimiques de l’aluminium et de silicium dans la prise en charge de silice-alumine qui ont été préparés à l’aide de la sol-poudre et les méthodes mécaniques de mélange a été examinée.

Un exemple de l’application du présent protocole est indiqué dans la référence13. Tomographie par EFTEM a été utilisé pour l’analyse de supports de catalyseurs alumine titania. Afin d’améliorer l’activité catalytique de la phase active de nanoparticules de2 MoS, dans des applications telles l’hydrodésulfuration (HDS), il est important que titania est prépondérant à la surface d’appui et par contact avec la phase active. On sait q...

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Obtaining 3D Chemical Maps by Energy Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography

Obtention des cartes 3D et chimiques par énergie filtré tomographie de microscopie électronique à Transmission

Cet article décrit un protocole pour réaliser des cartes 3D chimiques combinant énergie filtré d’imagerie et de la tomographie électronique. La distribution de produits chimiques de deux supports de catalyseurs, formé par les éléments qui sont difficiles à distinguer par d’autres techniques d’imagerie a été étudiée. Chaque application se compose de cartographie des éléments chimiques superposés - bords respectivement espacés-ionisation.

Energy filtered transmission electron microscopy tomography (EFTEM tomography) can provide three-dimensional (3D) chemical maps of materials at a ...

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