Name: obtaining 3d chemical maps by energy filtered transmission electron microscopy tomography
Uploaded: 2018-06-09T12:30:00
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Estamos agradecidos con el Ministerio francés de educación superior e investigación, convenios Industrielles de formación par la investigación (CIFRE) y IFP Nouvelles de energías por su apoyo financiero.

1. preparación de la muestra
<ol><li>Triturar la muestra en un mortero y dispersarse en alcohol o agua destilada agua; colocar una gota de la muestra en una cuadrícula de microscopía y deje que se seque. Nota: Muestras tales como alúmina sílice o alúmina de titania pueden ser un polvo o un material extruido y puede ser machacadas y dispersadas en una solución de uso de la ecografía. En general, para el análisis de la ET, es importante que la concentración de la muestra en la red es baja, para evitar la sup...

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	<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. 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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>

El objetivo de este trabajo es describir cómo obtener mapas químicos en 3D usando la tomografía de EFTEM. Este protocolo es completamente original y fue desarrollado por los autores.
Tomografía EFTEM según lo descrito aquí tiene varios inconvenientes: ejemplos (i) sólo electrón viga resistente pueden ser analizados, debido al tiempo de exposición prolongado necesario para la obtención de imágenes filtradas. (ii) EFTEM tomografía es sensible al contraste de difracción. (iii) muchas...

Las propiedades de los materiales funcionales dependen de sus parámetros 3D. Totalmente comprender sus propiedades y mejorar sus funciones, es importante analizar su morfología y distribución de productos químicos en 3D. Tomografía de electrones1 (ET) es una de las mejores técnicas para proporcionar esta información a la escala nanométrica2,3. Consiste en rotar la muestra sobre un amplio rango angular y grabar una imagen a cada paso angular. La serie de inclinación obtenida se utiliza para reconstruir el volumen de la muestra mediante el uso de algoritmos matemáticos basados en el radón transforma4,5. Selección de niveles de grises en el volumen de ayuda a la muestra en 3D del modelo y cuantificar parámetros 3D como partícula localización6 y tamaño distribución7, poro de posición y de distribución de tamaño8, etc.
En general, ET se realiza con un microscopio electrónico por la inclinación de la muestra que el máximo ángulo posible, preferiblemente más de 70° en cualquier dirección. En cada ángulo de inclinación, una proyección de la muestra se registra formando una serie de imágenes tilt. Que serie de inclinación es alineada y utilizada para reconstruir el volumen de la muestra que será segmentado y cuantificado. Porque la muestra no puede girarse de-90 ° a + 90 °, el volumen reconstruido tiene una resolución anisotrópica a lo largo de los ejes ortogonales9 debido al ángulo de grabación oculto.
ET se puede realizar en diferentes modos de imagen. El modo TEM de campo claro (BF-TEM) se utiliza para el estudio de materiales amorfos, muestras biológicas, polímeros o catalizador compatible con formas complejas. El análisis de imagen se basa en la diferenciación de los niveles de gris que la densidad de los componentes10 (un denso componente será más oscuro que un encendedor, es decir, componente menos denso). High-angle anular campo oscuro en modo TEM (vástago de HAADF) de exploración se utiliza para analizar las muestras cristalinas. La señal ofrece información química en función del número atómico; un fuerte componente de la muestra aparecerán más brillante que un encendedor uno9. Otros modos, como espectroscopia de energía dispersiva de rayos x (EDX), que recoge los rayos x emitido por el material11y energía filtrada imagen modo (EFTEM)12,13, también son capaces de evaluar la distribución de productos químicos 3D dentro de la muestra.
En proyección de imagen de EFTEM, los mapas 2D química pueden grabarse utilizando un TEM con un espectrómetro de energía del electrón. El espectrómetro actúa como un prisma magnético de dispersión de los electrones en función de su energía. Una imagen es creada por los electrones según la energía perdida de interactuar con un átomo específico. Si el mismo mapa 2D química se calcula en ángulos de inclinación diferentes, una serie de proyecciones químicas se obtiene, la inclinación que puede utilizarse para reconstruir el volumen 3D de química.
No todos los materiales pueden ser analizados por la tomografía EFTEM. La técnica está reservada para muestras con materiales débiles o desordenados. Sin embargo, puede ser utilizado para el análisis de elementos ligeros que son muy difíciles de diferenciar cuando se utiliza otras técnicas de imagen. Además, para obtener mapas química 2D confiables, el espesor del material debe ser menor que la trayectoria libre media de los electrones a través de los materiales14. Bajo esta condición, es mayor la probabilidad de tener un solo electrón interactuando con un solo átomo. Se utilizan dos métodos para calcular un mapa 2D química. El primero y el más utilizado es el "tres ventanas", donde se registran dos ventanas de energía filtrada antes del borde de ionización del elemento bajo análisis y una tercera después de la ionización borde13. Las dos primeras imágenes se utilizan para estimar el fondo, que es extrapolar usando una ley de potencia en la posición de la tercera ventana y restar de él. La imagen obtenida es la proyección de la distribución 3D de elemento químico analizada en el volumen de muestra. El segundo método se llama la "relación de salto;" utiliza sólo dos imágenes filtradas por energía, uno antes y otro después del borde de la ionización. Este método es cualitativo, ya que la imagen final se calcula solamente realizando el cociente entre las dos imágenes, no da cuenta de la variación de energía de fondo.
Mediante la combinación de EFTEM con ET, puede obtenerse la tomografía analítica de la energía filtrada. EFTEM tomografía y tomografía de atómica sonda (APT) son técnicas complementarias. En comparación con el APT, EFTEM la tomografía es un análisis de caracterización no destructiva que no necesita preparación de la muestra compleja. Puede ser utilizado para realizar caracterizaciones diferentes en una nanopartícula única. Tomografía EFTEM puede analizar materiales de aislamiento, mientras que APT necesita la ayuda de laser por lo menos para medirlas. APT se ejecuta en la escala atómica, mientras que la tomografía EFTEM realiza adecuadamente con una resolución menor. Tomografía EFTEM es pertinente sólo para las muestras que resisten la degradación de la viga durante el experimento. Para grabar todas las imágenes filtradas en todos los ángulos inclinados, la muestra puede estar expuesta al haz de electrones durante el tiempo de 2 h. Por otra parte, para grabar una señal química máxima en los mapas 2D, más duración de la exposición en viga de alta intensidad puede ser necesario. En tales condiciones, las muestras sensibles de la viga sufren drásticos cambios morfológicos y químicos. Por lo tanto, una medición precisa de la sensibilidad de la muestra para el haz de electrones debe ser establecida antes del experimento. Además, la tomografía EFTEM es el resultado de la grabación los tomogramas tantas como sea necesario para determinar la ubicación espacial y la naturaleza de los elementos químicos que están presentes en la muestra. Sin embargo, la tomografía EFTEM puede proporcionar información importante sobre la distribución de productos químicos 3D para muestras, tales como apoyos de catalizador, para dar nuevas ideas para modelar sus aplicaciones catalíticas.
Hoy en día es posible utilizar un software dedicado que puede seleccionar el intervalo de energía, registro filtrado imágenes de la ventana de energía y calcular el producto químico mapas en ángulos de inclinación diferentes. Permiten inclinar la muestra, seguimiento, enfoque y grabación de la imagen filtrada en modo EFTEM. Los mapas 2D química se pueden calcular y entonces la serie de inclinación puede estar alineada, el volumen química computado usando algoritmos iterativos, y finalmente la serie puede ser segmentado y cuantificados15,16.

<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

Energía de microscopia electrónica de transmisión filtrada tomografía (tomografía EFTEM) puede proporcionar mapas tridimensional (3D) químico de materiales a escala nanométrica. Tomografía EFTEM puede separar elementos químicos que son muy difíciles de distinguir con otras técnicas de imagen. El protocolo experimental descrito aquí muestra cómo crear mapas 3D de química para entender la distribución de productos químicos y la morfología de un material. Se presentan los pasos de preparación de muestra para la segmentación de datos. Este protocolo permite el análisis de la distribución 3D de elementos químicos en una muestra nanométrica. Sin embargo, cabe señalar que actualmente, los mapas 3D de química pueden sólo ser generados para las muestras que no son sensibles, la viga desde la grabación de imágenes filtradas requiere largos tiempos de exposición a un haz de electrones intenso. El protocolo fue aplicado para cuantificar la distribución de productos químicos de los componentes del catalizador heterogéneo de diferentes soportes. En el primer estudio, se analizó la distribución de productos químicos de aluminio y titanio en soportes de titania-alumina. Las muestras se prepararon utilizando el método de swing-pH. En el segundo, se examinó la distribución de productos químicos de aluminio y silicio en soportes de sílice-alúmina que se prepararon con el polvo de sol y los métodos de mezcla mecánica.

Se muestra un ejemplo de la aplicación de este protocolo en referencia13. Tomografía EFTEM fue utilizada para el análisis de soportes de catalizador de alúmina de titania. Para mejorar la actividad catalítica de la fase activa de MoS2 nanopartículas, en aplicaciones como la hidrodesulfuración (HDS), es importante que titania es preponderante en la superficie de apoyo y en contacto con la fase activa. Se conoce que titania tiene una superficie espe...

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

Obtención de mapas 3D química energía filtrada tomografía de microscopia electrónica de transmisión

Este papel describe un protocolo para lograr 3D mapas químicos combina la proyección de imagen de energía filtrada y la tomografía de electrones. Se estudió la distribución de productos químicos de dos soportes de catalizador formado por elementos que son difíciles de distinguir de otras técnicas de imagen. Cada aplicación consiste en el mapeo de elementos químicos comprometidos - bordes espaciados-ionización respectivamente.

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

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