Name: Video: Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles
Uploaded: 2016-07-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min
Description: 11.7K Views. University of Manchester. 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.

Tjas e SJH ringraziano la Engineering UK e Scienze Fisiche Research Council, (numeri di sovvenzione EP / G035954 / 1 e PE / L01548X / 1) per il sostegno finanziario. Gli autori desiderano riconoscere il sostegno da parte del governo HM (UK) per la fornitura di fondi per la Titan G2 80-200 S / TEM associato con capacità di ricerca del Manufacturing Research Centre avanzata nucleare.

1. nanoparticelle di sintesi <ol><li> Sciogliere 10 g di polivinil-pirrolidone (PVP) (MW = 10,000 g / mol) in 75 ml di glicole etilenico a RT. Aggiungere 400 mg di AgNO 3 a questa soluzione. </li><li> Soluzione Mescolare fino AgNO 3 è completamente sciolto e successivamente calore su una piastra riscaldante a 100 ° C ad una velocità costante di 1 ° C min -1. Sia reazione procede a 100 ° C per 1,5 ore. </li><li> Aggiungere 175 ml di acqua distillata e lasciare raffreddare a temperatura ambiente. Centrifugare a 8000 xg, rimuovere surnatante e nanoparticelle redisperse in 50 ml di acqua distillata. Ripetete tre volte. </li><li> Sciogliere 500 mg di PVP (55.000 g / mol) in 500 ml di glicole etilenico a RT. Aggiungere questa soluzione e 27,8 ml della sospensione di nanoparticelle di Ag dal passaggio precedente per un 1.000 ml pallone da fondo. Riscaldare il pallone a 100 ° C per 10 min. </li><li> Aggiungere idrogeno tetracloroaurato triidrato a 1000 ml di acqua per formare una soluzione 0.2 mM di AuCl 4 - (aq) </sub&gt;. Aggiungere 100, 200, 300 o 400 ml aliquote della AuCl 4 0,2 mM - (aq) goccia a goccia alla soluzione ottenuta nello stadio precedente per ottenere AGAU nanoparticelle di Ag93Au7 composizione media (Ag 93 at% Au 7 in%), Ag82Au18 ( Ag 82 al% di Au 18at%), Ag78Au22 (Ag 78 al 22% di Au a%) e Ag66Au34 (Ag 66 al% di Au 18 presso%), rispettivamente. </li><li> Raffreddare a temperatura ambiente e poi lavare con acqua distillata tre volte da successivi cicli di centrifugazione a 8.000 xg, rimozione del surnatante e ridispersione in 50 ml di acqua distillata. Aggiungere 0,05 ml della soluzione di nanoparticelle a 10 ml di acqua deionizzata. </li></ol> 2. Preparazione del campione TEM <ol><li> Pipettare circa 0,05 ml della soluzione di nanoparticelle su una griglia TEM carbonio bucata / continuo. Utilizzare un supporto metallico utilizzato per TEM griglie di berillio per limitare raggi X spuri, anche se una griglia Cu o Au basterà se non sono presenti picchi sovrapposti di interesse con Cu o Au nello spettro EDX del campione. Utilizzare più grande di medimensioni sh (200 mesh) per ridurre al minimo la possibilità di ombreggiamento dalla rete. </li><li> Dopo che la soluzione di nanoparticelle si è asciugato, pulire le griglie TEM lavando le griglie di metanolo puro o etanolo. Pipetta 10-20 gocce su griglia TEM mentre si tiene con una pinzetta di crossover anti-capillari. Rimuovere il liquido in eccesso dopo ogni goccia dalla rete utilizzando carta da filtro toccato delicatamente il bordo della griglia. </li><li> griglia Anneal a circa 80 ° C (preferibilmente sotto vuoto) per ridurre la contaminazione sotto il fascio di elettroni rimuovendo o immobilizzare qualsiasi contaminazione residua. </li></ol> 3. Caratterizzazione di Detector shadowing <ol><li> nanoparticelle di carico sulla griglia di supporto TEM nel supporto tomografia e quindi inserire supporto nel TEM. </li><li> Attendere il vuoto microscopio per raggiungere un valore stabile adatto (inferiore a circa 1,8 x 10 -7 Torr). Le valvole della colonna aperto e garantire il fascio di elettroni possono essere visti sui microscopi a fluorescenza scReen. </li><li> Allineare l&#39;attacco manubrio. Nota: Qui, allineamenti di un Titano G2 sonda lato aberrazione corretti strumento STEM funzionare a 200 kV insieme con un supporto 2020 tomografia sono descritti. procedure di allineamento ottimali per altri microscopi possono variare leggermente da quelle descritte. <ol><li> In modalità di diffrazione STEM, utilizzare un&#39;immagine ombra out-of-focus per portare il campione di altezza eucentrica. A tale scopo, inclinare la fase tra ± 15 ° premendo il tasto Alpha Wobbler nella scheda Ricerca e ridurre al minimo il movimento delle caratteristiche del campione regolando l&#39;altezza Z. </li><li> Spostare il campione in modo che il fascio è su un buco nel campione e assicurarsi che l&#39;apertura del condensatore appropriato è correttamente allineato centrando l&#39;ombra del diaframma in un sotto fuoco Immagine della sonda. Traballare l&#39;intensità e garantire una sonda focalizzata non si muove per verificare la presenza di disallineamento fascio inclinazione. </li><li> Spostare il campione in modo che una superficie di carbonio amorfo è in vista e mettere a fuoco l&#39;esseream in modalità di diffrazione avere la Ronchigram. Attenzione Wobble per osservare aberrazioni all&#39;interno del Ronchigram, e correggere per questi (ad esempio, l&#39;astigmatismo e coma assiale), se necessario. </li></ol></li><li> Tracciare il contorno della piazza della griglia (uno vicino al centro della griglia) selezionando &#39;Mostra tracce&#39; nella scheda &#39;Ricerca&#39; e seguendo il contorno della piazza della griglia, mentre l&#39;imaging. Questo rende semplice per assicurare misurazioni successive vengono eseguite per nanoparticelle che sono nel mezzo del quadrato della griglia in modo da ridurre la probabilità di ombreggiamento dalla rete di supporto. Se l&#39;acquisizione viene eseguita su una particella vicino a una barra griglia di una coppia di rivelatori verrebbe offuscata su una gamma molto più ampia di campione inclinazione angoli. </li><li> Trova una particella rappresentante all&#39;interno della porzione centrale della piazza della griglia. Inclinare alla gamma di inclinazione massima del titolare (in genere ± 70 °), mentre l&#39;imaging per garantire che le nanoparticelle non è oscurata dal GRId bar a grandi inclinazioni Holder. </li><li> Acquisire HAADF e EDX immagini spettro utilizzando un tempo di acquisizione costante (ad esempio, 5 min) su tutta la gamma di angoli di inclinazione (in genere ± 70 °) con incrementi angolari comprese tra 5-10 °. In primo luogo, acquisire un&#39;immagine HAADF panoramica cliccando Acquisire nel riquadro delle immagini. Selezionare una finestra di mappatura in tutto il nanoparticelle trascinando la casella su questa immagine e premere Acquire. </li><li> Estrarre caratteristici conta a raggi X a partire da immagini di spettro EDX per determinare gli intervalli di tempo per l&#39;acquisizione dei dati aprendo le datacubes spettrali nel software di elaborazione delle immagini (come file RAW). Poi, sommare il intensità fette di DataCube che corrispondono ai canali di energia dei picchi di interesse in base alle funzioni slice2D e somma, script inclusi come codice supplementare 1-3. </li></ol> 4. EDX Tomografia Acquisizione <ol><li> Ripetere i passaggi 3,1-3,5 per il campione di nanoparticelle di interesse. </li><li> Acquisire un HAADFnd immagini spettro EDX con gli intervalli di tempo determinati dalla caratterizzazione rivelatore shadowing della sezione precedente per una serie di campioni di inclinazione angoli (generalmente ± 70 °), nello stesso modo come nel punto 3.6. </li></ol> 5. La ricostruzione e visualizzazione <ol><li> Compilare serie inclinazione di immagini HAADF in formato di file MRC attraverso uno dei seguenti metodi: <ol><li> Utilizzare MRC scrittore in immagine software di visualizzazione 12 (File&gt; Salva con nome&gt; MRC scrittore) dopo l&#39;importazione di Tifs HAADF come un &#39;Image Sequence&#39;. </li><li> In alternativa, utilizzare la funzione tif_to_mrc nel pacchetto software tomografia 13. </li></ol></li><li> Cross-correlare immagini HAADF del software scelto per ottenere un allineamento approssimativo della serie tilt. Salvare i dati di allineamento sia come file sft o come file xcorr.txt. Nel software tomografia impostare un filtro nella finestra del filtro di installazione che fornisce il picco più acuta nel riquadro correlazione incrociata. &lt;ol&gt; <li> Successivamente, premere Procedi nella Calcola l&#39;allineamento della finestra si sposta a eseguire la correlazione incrociata per l&#39;intera serie di inclinazione. Ripetere l&#39;allineamento fino spostamenti locali sono al di sotto di 1 pixel, garantendo a salvare tutti i file di spostamento ad ogni passo come testo. Nota: impostazione accurata del filtro utilizzato durante l&#39;esecuzione di cross-correlazione è talvolta necessario per garantire un buon allineamento dei dati di serie di inclinazione. </li></ol></li><li> Nel software di elaborazione delle immagini, caricare le datacubes spettrali acquisite ed estrarre le mappe che sono le fette riassunto dei canali energetici corrispondenti agli elementi di interesse utilizzando le funzioni slice3d e di scripting somma, gli script inclusi come codice supplementare 4 e 5. </li><li> Applicare gli allineamenti determinati dalle immagini HAADF alle mappe elementari EDX estratti. Eseguire questo nel software di ricostruzione tomografia nella scheda Allineamento Applicare selezionando &quot;Usa Cambia da allineamento dei dati View&quot;. </li><li> Se necessario, eseguire la regolazione dell&#39;inclinazione dell&#39;asse neltomografia software di ricostruzione sulla serie di immagini HAADF e si applicano a entrambe le immagini e mappe HAADF EDX selezionando &quot;Use correzioni da Tilt Axis regolazione Task&quot; nel &#39;Apply Allineamento&#39; scheda. </li><li> Ricostruire set dati tomografici per ciascuno dei segnali elementari EDX estratti utilizzando un algoritmo simultanea tecnica di ricostruzione iterativa (SIRT) implementato all&#39;interno di un pacchetto software tomografia, assicurando che le dimensioni della ricostruzione sono uguali per tutti gli elementi. Nel software di ricostruzione tomografia, impostare i parametri nella finestra del volume Ricostruire (dimensione del volume, il 20 iterazioni, ecc) e premere Procedere. Assicurarsi che i parametri di ricostruzione sono gli stessi per ogni elemento. </li><li> Estrarre orthoslices delle ricostruzioni elementari separati selezionando Immagine&gt; Stack&gt; ortogonali Visualizzazioni nel software di visualizzazione dell&#39;immagine 12. </li><li> Costruire e visualizzare ulteriori orthoslices, il volume e di superficie renderings dalle ricostruzioni utilizzando il software di visualizzazione. Caricare tutte le ricostruzioni elementari e assicurarsi che la scala sia impostata correttamente come questo non viene spesso trasferito da file .rec. <ol><li> Selezionare l&#39;oggetto di ricostruzione in piscina oggetto e destro del mouse e selezionare il modulo orthoslice per estrarre un orthoslice. Fai clic destro sulla ricostruzione e selezionare volume rendering per estrarre un volume rendering. Estrarre un isosuperficie facendo clic destro sulla ricostruzione e selezionando isosuperficie. Nota: segmentazione automatica attraverso thresholding è un metodo più robusto ma dove il rapporto segnale rumore è può essere necessario scarsa segmentazione manuale per rimuovere voxel rumorosi dall&#39;esterno volume nanoparticelle per la visualizzazione isosurface. </li></ol></li></ol>

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il protocollo qui presentato fornisce un metodo per determinare la distribuzione degli elementi di ogni multi-elemento nanoparticelle in tre dimensioni. Nel caso delle nanoparticelle Agau qui presentati, segregazione superficie di entrambi gli elementi è chiaramente identificato ed è mostrato essere correlata alla resa catalitica in tre reazione di copulazione componente. Questo dimostra chiaramente l&#39;utilità di questa tecnica per aiutare a spiegare le proprietà fisiche e chimiche dei sistemi di nanoparticelle. Come sempre accade nel TEM, occorre prestare attenzione in fase di preparazione del campione per garantire i migliori risultati possibili. lavaggio accurato e ricottura delle griglie dopo depositando la soluzione di nanoparticelle è particolarmente importante per evitare l&#39;accumulo di contaminazione di carbonio attraverso la grande dose di elettroni necessario per EDX tomografia. La grande dose impiegata può anche provocare gravi danni a Holey film di carbonio, in particolare se su sezioni sottili spesso si trovano tra le buches, ma i film di supporto nitruro di silicio possono favorire l&#39;ossidazione delle nanoparticelle 16. Correzione degli effetti rivelatore shadowing è importante per produrre una ricostruzione accurata, soprattutto se la tecnica deve essere applicato per la mappatura quantitativa delle distribuzioni elementari in futuro. Ciò può essere ottenuto attraverso la caratterizzazione accurata del shadowing rivelatore e successivamente variando la dose elettrone al nanoparticella. In alternativa, shadowing può essere compensata moltiplicando immagini spettro con un fattore di correzione dopo l&#39;acquisizione. Tuttavia, l&#39;applicazione di questa tecnica per fornire informazioni quantitative in tre dimensioni non è ancora fattibile a causa di danni fascio di elettroni di nanoparticelle che limita la conta dei raggi X realizzabili ogni immagine spettro. La calibrazione è necessaria per compensare EDX rivelatore shadowing in funzione dell&#39;angolo di inclinazione per una particolare combinazione microscopio rilevatore titolare. il shadowing deve inizialmente essere determinato utilizzando un campione che dà nessuna variazione nella conta a raggi X per diversi angoli di campioni di inclinazione e singole nanoparticelle sferiche dovrebbero soddisfare questi criteri, quando la loro composizione è stabile sotto il fascio di elettroni sul tempo necessario per acquisire l&#39;inclinazione serie. Inoltre, per le nanoparticelle cristalline, un&#39;inclinazione angoli in cui il fascio di elettroni è orientato lungo una zona di grande asse della nanoparticella deve essere rimosso e la nanoparticella dovrebbe essere abbastanza piccolo per evitare un significativo assorbimento di raggi X. Pertanto, quando EDX immagini spettro di una singola nanoparticella vengono acquisiti su tutta la gamma di possibili angoli di inclinazione campione utilizzando un tempo di acquisizione costante, eventuali variazioni di intensità dei raggi X caratteristica misurata sarà dovuto al rivelatore shadowing solo. I tempi di acquisizione, e quindi la dose, è quindi variata in acquisizioni successive per compensare la shadowing significa che i conteggi totali segnale sono circa concostante per tutte le immagini dello spettro acquisite nella serie tilt. In confronto a HAADF o Eels modalità di imaging, EDX l&#39;acquisizione dei dati tomografici è ancora nelle sue primissime fasi. Nonostante l&#39;introduzione di rivelatori di raggi X con angoli solidi superiori il limite maggiore di EDX tomografia, come è spesso il caso per l&#39;imaging bidimensionale EDX, è il segnale basso. Nonostante questo, un vantaggio che la spettroscopia EDX può contenere oltre EELS per alcuni sistemi nanoparticelle è nella determinazione di piccole quantità di elementi pesanti in abbastanza grandi nanoparticelle. Grandi nanoparticelle multicomponente (&gt; 100 nm) sono spesso ben si adattano agli studi EDX in quanto forniscono più conta e ci sono meno problemi con deconvolving sovrapposizioni spettrali, ma occorre prestare attenzione ad utilizzare i picchi di raggi X ad alta energia che subiscono poco assorbimento. Nel complesso, EDX tomografia è un ottimo metodo per determinare distribuzioni elementari all&#39;interno di nanoparticelle in tre dimensioni, sebbene sapessimough limitato a nanoparticelle in grado di sopportare una dose relativamente elevato di elettroni, senza danni significativi. Ulteriori aumenti negli angoli solidi di rivelatori di raggi X all&#39;interno del fusto e ulteriore ottimizzazione del portacampioni tomografiche permetteranno questa tecnica per avanzare ulteriormente e diventa un metodo importante nella caratterizzazione delle singole nanoparticelle.

Lo scopo di questo metodo è quello di fornire determinazione accurata dei tre distribuzione dimensionale degli elementi all&#39;interno singoli nanoparticelle. Ciò avviene attraverso l&#39;uso di spettroscopia a dispersione di energia dei raggi X (EDX) in combinazione con una ricostruzione tomografica eseguita al microscopio elettronico a scansione in trasmissione (STEM). Energia spettroscopia a dispersione di raggi X è stato a lungo utilizzato come tecnica per quantificare e spazialmente mappare elementi presenti in campioni di microscopia elettronica a trasmissione. Con l&#39;avvento di alto angolo anulare campo scuro (HAADF) STEM tomografia per l&#39;imaging tridimensionale di materiali cristallini 1, dispersione di energia tomografia a raggi X è stato anche proposto un metodo per consentire la determinazione delle distribuzioni elementari in tre dimensioni 2. Tuttavia, i primi studi sono stati limitati a causa della progettazione di rivelatori di raggi X nel microscopio elettronico a trasmissione. In particolare questi tradizionale deTector disegni avevano efficienze relativamente basse di raccolta e misurati nessun segnale in una vasta gamma di inclinazione angoli dovuto shadowing dal 2,3 supporto del campione. L&#39;introduzione di nuovi disegni geometrici di rivelatori di raggi X nel (scansione) microscopio elettronico a trasmissione ha dispersione di energia dei raggi X tomografia una tecnica praticabile ed ha portato ad una serie di studi recenti 4-6. HAADF immagini STEM è una modalità di imaging tomografia elettronica ampiamente usato ed è in grado di fornire informazioni sulla composizione in situazioni specifiche in base al numero di atomica sensibilità dell&#39;intensità del segnale HAADF. Ad esempio, HAADF tomografia è adatto allo studio di nanoparticelle con regioni elementari discreti, ad esempio, ben definita morfologie core-shell 7, ma non può essere utilizzato quando gli elementi hanno una distribuzione più complicato. Electron perdita di energia spettroscopia (EELS) fornisce un approccio complementare per la determinazione di tre eleme dimensionaledistribuzioni ntale all&#39;interno stelo 8. In questa tecnica le perdite di energia del fascio incidente elettroni vengono utilizzati per determinare la composizione del campione e ciò ha il vantaggio di più alto rapporto segnale-rumore che è spesso ottenuto mediante spettroscopia EDX 9. Lo svantaggio di EELS è che più considerazioni di scattering impongono limiti rigorosi dallo spessore del campione, e in molti casi l&#39;analisi è complicata dalla presenza di spigoli insorgenza ritardata o caratteristiche spettrali sovrapposte. Così, spettroscopia EDX è spesso più adatto a studiare elementi pesanti, come quelli spesso associata a sistemi di nanoparticelle catalitiche o plasmoniche 9. Inoltre, come immagine spettro completo è raccolto in EDX spettroscopia è immediato individuare retrospettivamente elementi inattesi, che è più difficile in microscopia elettronica a trasmissione dell&#39;energia filtrato (EFTEM) e EELS causa della frequenza delle informazioni elementari sovrapposte o essere fuorila gamma spettrale del set di dati. La geometria del campione ideale per EDX tomografia consiste di un campione a forma di ago sospesa nel vuoto e orientato lungo l&#39;asse di inclinazione tomografica 4. Questa situazione assicura che non vi sia shadowing dei rivelatori EDX con qualsiasi inclinazione sia dal campione o del portacampioni. Tuttavia, il montaggio dei campioni aghiformi necessarie per i sistemi di nanoparticelle è impegnativo 10 e preparazione del campione di solito consiste semplicemente il trasferimento di nanoparticelle su una sottile griglia di supporto TEM pellicola di carbonio. Queste griglie vengono utilizzati con un portacampione tomografia appositamente progettato in modo che possa essere inclinato per grandi angoli (≈ ± 75 °), ma shadowing dei rivelatori EDX all&#39;interno di questa gamma di campioni inclinazione angoli è inevitabile e potrebbe degradare la qualità del tomografica risultante ricostruzione. Questo shadowing è caratteristica di una particolare configurazione microscopio-detector-titolare e può quindi essere dissuadereminato attraverso la misurazione di un campione di calibrazione adeguata prima acquisizione 11. nanoparticelle sferiche singole sono un ideale esemplare di taratura e l&#39;intensità dei conteggi a raggi X da questi campioni dovrebbe rimanere costante per tutti gli angoli di inclinazione. La shadowing rivelatore può essere compensata da una variando il tempo di acquisizione ad ogni angolo o mediante moltiplicazione per il fattore di correzione dopo l&#39;acquisizione dei dati. Il primo approccio viene utilizzato come questo riduce al minimo la dose di elettroni massimizzando rapporto segnale rumore.

<table><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>1,000 ml</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.

La caratterizzazione del rivelatore di shadowing per un titolare di tomografia 2020 un Titano G2 ChemiSTEM viene visualizzato in figura 1A. I rivelatori impiegati qui sono che del rivelatore Super-X, in cui quattro rivelatori sono impiegati al pari angoli azimutali di 90 ° intorno all&#39;asse ottico, risultando in un angolo solido rivelatore maggiore di 0,6 sR 14. Caratterizzazione dei rivelatori permesso determinazione dei tempi di acquisizione tomografiche compensati mostrata in Figura 1B. Dopo l&#39;applicazione di questi tempi di acquisizione dei conteggi per ogni angolo di inclinazione dovrebbe rimanere sostanzialmente costante per singole nanoparticelle, come mostrato nella Figura 1C. nanoparticelle bimetallico Agau, sintetizzati dalla reazione di sostituzione galvanica, sono stati studiati utilizzando la tomografia EDX nel fusto. In questa reazione, la soluzione di AuCl 4 - èaggiunto al Ag semi di nanoparticelle. Au è ridotto sulla superficie delle nanoparticelle come Ag viene ossidato, risultando in una composizione bimetallica e svuotamento del seme iniziale. In precedenza, si era pensato che Ag e Au formavano una lega omogeneo in tutto questo processo e che le variazioni di proprietà catalitiche e ottiche erano semplicemente a causa di svuotamento e variazioni composizionali rinfusa. Tuttavia, tridimensionale mappatura elementare eseguita utilizzando EDX tomografia rivelato segregazione superficie all&#39;interno delle nanoparticelle AGAU sintetizzati per reazione galvanica (Figura 2). Alle composizioni di bassa Au, le nanoparticelle visualizzazione chiara superficie segregazione Au. Tuttavia, con l&#39;aumentare del contenuto Au questa segregazione superficie commuta in modo che per i più alti contenuti Au è chiaro superficie segregazione Ag (Figura 3). Questa commutazione di segregazione superficiale correla con cambiamenti nella resa di propargylamines in una reazione a tre accoppiamento componente sintetizzati differirecomposizioni ent di queste nanoparticelle Agau. Fette attraverso la ricostruzione che sono normali alla direzione del fascio di elettroni forniscono un confronto a standard di due mappe elementari dimensionali. Le mappe iniziali contengono informazioni sulla composizione riassunto lungo la direzione del fascio e questo può essere spesso difficile da interpretare per sovrapposizione delle regioni di composizioni diverse o, nel caso del AGAU nanoparticelle indagato qui, dovuta all&#39;inclusione della parte superiore e inferiore superfici in proiezione (Figura 3A-C). Prendendo fette attraverso la ricostruzione permette la rimozione della intensità associato con le superfici superiore e inferiore delle particelle e determina quindi una visualizzazione più chiara della segregazione superficiale in questo caso (Figura 3D-F). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52815/52815fig1.jpg" /> <strong&gt; Figura 1. Caratterizzazione del rivelatore shadowing utilizzando una singola nanoparticella AGAU. (A) I conti di Ag e Au picchi di raggi X in funzione dell&#39;angolo di inclinazione da una singola nanoparticella AGAU quando impiegano un tempo di acquisizione impostato (5 min). Volte (B) L&#39;acquisizione determinati da (A) e successivamente utilizzati per acquisire la serie tilt. (C) I conti di Ag e Au picchi di raggi X in funzione di angoli di inclinazione da una singola nanoparticella AGAU quando impiegano i tempi di acquisizione di (B). I conteggi rimangono più o meno costanti nel tutti gli angoli di inclinazione. Da Slater et al. 15. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52815/52815fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/52815/52815fig2.jpg" /> Figura 2. </strong&gt; Ricostruzione di un basso contenuto di Au Agau nanoparticelle. (A) Orthoslice attraverso la ricostruzione Au. (B) Orthoslice attraverso la ricostruzione Ag. Profili (C) linea adottata attraverso orthoslices (A) e (B) che visualizza la chiara separazione di superficie Au in questo nanoparticelle. Visualizzazione (D) della superficie delle ricostruzioni Ag e Au. Da Slater et al. 15. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52815/52815fig2large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52815/52815fig3.jpg" /> Figura 3. Ricostruzione di un elevato contenuto di Au AGAU nanoparticella. (A) 2D EDX mappa di Au e (B) 2D EDX mappa di Ag. Profil (C) Lineae presa attraverso le mappe 2D EDX (A) e (B) mostra la difficoltà di determinare la segregazione superficiale in questo nanoparticelle da 2D Mappe solo. (D) Orthoslice attraverso la ricostruzione Au. (E) Orthoslice attraverso la ricostruzione Ag. Profili di linea (F) scattate attraverso orthoslices (D) e (E) che mostrano la chiara separazione superficie di Ag in questo nanoparticelle. (G) la visualizzazione della superficie delle ricostruzioni Ag e Au. Da Slater et al. 15. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52815/52815fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa 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 a dispersione di energia dei raggi X per il 3D Elemental mappatura delle nanoparticelle individuali

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

energy-dispersive-x-ray-tomography-for-3d-elemental-mapping

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

11.7K Views.  University of Manchester. 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.

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Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle's Mapping and Quantification in Organ Tissue

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) performed on thin sections of rodent tissues: kidneys and tumor, allows the detection of inorganic elements such as (i) Na, Ca, Cu, Mg, P, and Fe, naturally present in the body and (ii) Si and Gd, detected after the injection of gadolinium-based nanoparticles. The animals were euthanized 1&#160;to 24 hr&#160;after intravenous injection of particles. A two-dimensional scan of the sample, performed using a motorized micrometric 3D-stage, allowed the infrared laser beam exploring the surface with a lateral resolution less than 100 &#956;m. Quantitative chemical images of Gd element inside the organ were obtained with sub-mM sensitivity. LIBS offers a simple and robust method to study the distribution of inorganic materials without any specific labeling. Moreover, the compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of the same biological tissue with different types of response:&#160;elemental, molecular, or cellular.

Laser-induced breakdown spectroscopy performed on thin organ and tumor tissue successfully detected natural elements and artificially injected gadolinium (Gd), issued from Gd-based nanoparticles. Images of chemical elements reached a resolution of 100 &#956;m and quantitative sub-mM sensitivity. The compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of a same biological tissue.

Spettroscopia Laser-Induced Breakdown: un nuovo approccio per la mappatura di nanoparticelle e la quantificazione in Tissue Organ

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) ...

Ricerca

Ingegneria

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in industrialized countries. Here, the development of optical mesosensors/adsorbents (MSAs) for efficient recognition and selective recovery of Pd(II), Au(III), and Co(II) from urban mine was achieved. A simple, general method for preparing MSAs based on using high-order mesoporous monolithic scaffolds was described. Hierarchical cubic Ia3d wagon-wheel-shaped MSAs were fabricated by anchoring chelating agents (colorants) into three-dimensional pores and micrometric particle surfaces of the mesoporous monolithic scaffolds. Findings show, for the first time, evidence of controlled optical recognition of Pd(II), Au(III), and Co(II) ions and a highly selective system for recovery of Pd(II) ions (up to ~95%) in ores and industrial wastes. Furthermore, the controlled assessment processes described herein involve evaluation of intrinsic properties (e.g., visual signal change, long-term stability, adsorption efficiency, extraordinary sensitivity, selectivity, and reusability); thus, expensive, sophisticated instruments are not required. Results show evidence that MSAs will attract worldwide attention as a promising technological means of recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals.

Because of the importance and extensive use of palladium, gold and cobalt metals in high-technology equipment, their recovery and recycling constitute an important industrial challenge. The metal recovery system described herein is a simple, low-cost means for the effective detection, removal, and recovery of these metals from the urban mine.

Rilevamento e recupero di palladio, oro e metalli di cobalto dalla miniera urbana Utilizzando novelli Sensori / Adsorbenti designate con nanoscala Wagon a forma di ruote pori

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Non-invasive 3D-Visualization with Sub-micron Resolution Using Synchrotron-X-ray-tomography

Little is known about the internal organization of many micro-arthropods with body sizes below 1 mm. The reasons for that are the small size and the hard cuticle which makes it difficult to use protocols of classical histology. In addition, histological sectioning destroys the sample and can therefore not be used for unique material. Hence, a non-destructive method is desirable which allows to view inside small samples without the need of sectioning.
We used synchrotron X-ray tomography at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble (France) to non-invasively produce 3D tomographic datasets with a pixel-resolution of 0.7&micro;m. Using volume rendering software, this allows us to reconstruct the internal organization in its natural state without the artefacts produced by histological sectioning. These date can be used for quantitative morphology, landmarks, or for the visualization of animated movies to understand the structure of hidden body parts and to follow complete organ systems or tissues through the samples.

We used synchrotron X-ray tomography at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) to non-invasively produce 3D tomographic datasets with a pixel-resolution of 0.7&micro;m. Using volume rendering software, this allows the reconstruction of internal structures in their natural state without the artefacts produced by histological sectioning.

Non invasive di visualizzazione 3D con sub-micron Risoluzione Utilizzando sincrotrone a raggi-X, la tomografia

Little is known about the internal organization of many micro-arthropods with body sizes below 1 mm. The reasons for that are the small size and the hard ...

Biologia

In Situ Detection and Single Cell Quantification of Metal Oxide Nanoparticles Using Nuclear Microprobe Analysis

Micro-analytical techniques based on chemical element imaging enable the localization and quantification of chemical composition at the cellular level. They offer new possibilities for the characterization of living systems and are particularly appropriate for detecting, localizing and quantifying the presence of metal oxide nanoparticles both in biological specimens and the environment. Indeed, these techniques all meet relevant requirements in terms of (i) sensitivity (from 1 up to 10 &#181;g.g-1 of dry mass), (ii) micrometer range spatial resolution, and (iii) multi-element detection. Given these characteristics, microbeam chemical element imaging can powerfully complement routine imaging techniques such as optical and fluorescence microscopy. This protocol describes how to perform a nuclear microprobe analysis on cultured cells (U2OS) exposed to titanium dioxide nanoparticles. Cells must grow on and be exposed directly in a specially designed sample holder used on the optical microscope and in the nuclear microprobe analysis stages. Plunge-freeze cryogenic fixation of the samples preserves both the cellular organization and the chemical element distribution. Simultaneous nuclear microprobe analysis (scanning transmission ion microscopy, Rutherford backscattering spectrometry and particle induced X-ray emission) performed on the sample provides information about the cellular density, the local distribution of the chemical elements, as well as the cellular content of nanoparticles. There is a growing need for such analytical tools within biology, especially in the emerging context of Nanotoxicology and Nanomedicine for which our comprehension of the interactions between nanoparticles and biological samples must be deepened. In particular, as nuclear microprobe analysis does not require nanoparticles to be labelled, nanoparticle abundances are quantifiable down to the individual cell level in a cell population, independently of their surface state.

In Situ Detection and Single Cell Quantification of Metal Oxide Nanoparticles Using Nuclear Microprobe Analysis

We describe a procedure for the detection of chemical elements present in situ in human cells as well as their in vitro quantification. The method is well-suited to any cell type and is particularly useful for quantitative chemical analyses in single cells following in vitro metal oxide nanoparticles exposure.

In Situ Rilevazione e quantificazione di singola cellula delle nanoparticelle di ossido di metallo mediante analisi della microsonda del nucleare

Micro-analytical techniques based on chemical element imaging enable the localization and quantification of chemical composition at the cellular level. ...

Chimica

Quantifying X-Ray Fluorescence Data Using MAPS

The quantification of X-ray fluorescence (XRF) microscopy maps by fitting the raw spectra to a known standard is crucial for evaluating chemical composition and elemental distribution within a material. Synchrotron-based XRF has become an integral characterization technique for a variety of research topics, particularly due to its non-destructive nature and its high sensitivity. Today, synchrotrons can acquire fluorescence data at spatial resolutions well below a micron, allowing for the evaluation of compositional variations at the nanoscale. Through proper quantification, it is then possible to obtain an in-depth, high-resolution understanding of elemental segregation, stoichiometric relationships, and clustering behavior.
This article explains how to use the MAPS fitting software developed by Argonne National Laboratory for the quantification of full 2-D XRF maps. We use as an example results from a Cu(In,Ga)Se2 solar cell, taken at the Advanced Photon Source beamline 2-ID-D at Argonne National Laboratory. We show the standard procedure for fitting raw data, demonstrate how to evaluate the quality of a fit and present the typical outputs generated by the program. In addition, we discuss in this manuscript certain software limitations and offer suggestions for how to further correct the data to be numerically accurate and representative of spatially resolved, elemental concentrations.

Here, we demonstrate the use of the X-ray fluorescence fitting software, MAPS, created by Argonne National Laboratory for the quantification of fluorescence microscopy data. The quantified data that results is useful for understanding the elemental distribution and stoichiometric ratios within a sample of interest.

Quantificare i dati di fluorescenza di raggi x utilizzando le mappe

The quantification of X-ray fluorescence (XRF) microscopy maps by fitting the raw spectra to a known standard is crucial for evaluating chemical ...

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

Energy filtered transmission electron microscopy tomography (EFTEM tomography) can provide three-dimensional (3D) chemical maps of materials at a nanometric scale. EFTEM tomography can separate chemical elements that are very difficult to distinguish using other imaging techniques. The experimental protocol described here shows how to create 3D chemical maps to understand the chemical distribution and morphology of a material. Sample preparation steps for data segmentation are presented. This protocol permits the 3D distribution analysis of chemical elements in a nanometric sample. However, it should be noted that currently, the 3D chemical maps can only be generated for samples that are not beam sensitive, since the recording of filtered images requires long exposure times to an intense electron beam. The protocol was applied to quantify the chemical distribution of the components of two different heterogeneous catalyst supports. In the first study, the chemical distribution of aluminum and titanium in titania-alumina supports was analyzed. The samples were prepared using the swing-pH method. In the second, the chemical distribution of aluminum and silicon in silica-alumina supports that were prepared using the sol-powder and mechanical mixture methods was examined.

This paper describes a protocol to achieve 3D chemical maps combining energy filtered imaging and electron tomography. The chemical distribution of two catalyst supports formed by elements that are difficult to distinguish by other imaging techniques was studied. Each application consists of mapping overlapped chemical elements - respectively spaced-ionization edges.

Come ottenere mappe 3D chimiche di energia filtrata tomografia di microscopia elettronica di trasmissione

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

Atom Probe Tomography Analysis of Exsolved Mineral Phases

Element diffusion rates and temperature/pressure control a range of fundamental volcanic and metamorphic processes. Such processes are often recorded in lamellae exsolved from host mineral phases. Thus, the analysis of the orientation, size, morphology, composition and spacing of exsolution lamellae is an area of active research in the geosciences. The conventional study of these lamellae has been conducted by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), and more recently with focused ion beam (FIB)-based nanotomography, yet with limited chemical information. Here, we explore the use of atom probe tomography (APT) for the nanoscale analysis of ilmenite exsolution lamellae in igneous titanomagnetite from ash deposits erupted from the active Soufri&#232;re Hills Volcano (Montserrat, British West Indies). APT allows the precise calculation of interlamellar spacings (14&#8211;29 &#177; 2 nm) and reveals smooth diffusion profiles with no sharp phase boundaries during the exchange of Fe and Ti/O between the exsolved lamellae and the host crystal. Our results suggest that this novel approach permits nanoscale measurements of lamellae composition and interlamellar spacing that may provide a means to estimate the lava dome temperatures necessary to model extrusion rates and lava dome failure, both of which play a key role in volcanic hazard mitigation efforts.

Analysis of the morphology, composition, and spacing of exsolution lamellae can provide essential information to understand geological processes related to volcanism and metamorphism. We present a novel application of APT for the characterization of such lamellae and compare this approach to the conventional use of electron microscopy and FIB-based nanotomography.

Analisi tomografia atomo sonda delle fasi minerali essolte

Element diffusion rates and temperature/pressure control a range of fundamental volcanic and metamorphic processes. Such processes are often recorded in ...

Ambiente

Synchrotron X-ray Microdiffraction and Fluorescence Imaging of Mineral and Rock Samples

In this report, we describe a detailed procedure for acquiring and processing&#160;x-ray microfluorescence (&#956;XRF), and Laue and powder microdiffraction two-dimensional (2D) maps at beamline 12.3.2 of the Advanced Light Source (ALS), Lawrence Berkeley National Laboratory. Measurements can be performed on any sample that is less than 10 cm x 10 cm x 5 cm, with a flat exposed surface. The experimental geometry is calibrated using standard materials (elemental standards for XRF, and crystalline samples such as Si, quartz, or Al2O3 for diffraction). Samples are aligned to the focal point of the x-ray microbeam, and raster scans are performed, where each pixel of a map corresponds to one measurement, e.g., one XRF spectrum or one diffraction pattern. The data are then processed using the in-house developed software XMAS, which outputs text files, where each row corresponds to a pixel position. Representative data from moissanite and an olive snail shell are presented to demonstrate data quality, collection, and analysis strategies.

We describe a beamline setup meant to carry out rapid two-dimensional x-ray fluorescence and x-ray microdiffraction mapping of single crystal or powder samples using either Laue (polychromatic radiation) or powder (monochromatic radiation) diffraction. The resulting maps give information about strain, orientation, phase distribution, and plastic deformation.

Microdiffrazione dei raggi x di sincrotrone e formazione immagine di fluorescenza del minerale e campioni di roccia

In this report, we describe a detailed procedure for acquiring and processing&#160;x-ray microfluorescence (&#956;XRF), and Laue and powder ...

Measurement of Total Calcium in Neurons by Electron Probe X-ray Microanalysis

In this article the tools, techniques, and instruments appropriate for quantitative measurements of intracellular elemental content using the technique known as electron probe microanalysis (EPMA) are described. Intramitochondrial calcium is a particular focus because of the critical role that mitochondrial calcium overload plays in neurodegenerative diseases. The method is based on the analysis of X-rays generated in an electron microscope (EM) by interaction of an electron beam with the specimen. In order to maintain the native distribution of diffusible elements in electron microscopy specimens, EPMA requires &#34;cryofixation&#34; of tissue followed by the preparation of ultrathin cryosections. Rapid freezing of cultured cells or organotypic slice cultures is carried out by plunge freezing in liquid ethane or by slam freezing against a cold metal block, respectively. Cryosections nominally 80 nm thick are cut dry with a diamond knife at ca. -160 &#176;C, mounted on carbon/pioloform-coated copper grids, and cryotransferred into a cryo-EM using a specialized cryospecimen holder. After visual survey and location mapping at &#8804;-160 &#176;C and low electron dose, frozen-hydrated cryosections are freeze-dried at -100 &#176;C for ~30 min. Organelle-level images of dried cryosections are recorded, also at low dose, by means of a slow-scan CCD camera and subcellular regions of interest selected for analysis. X-rays emitted from ROIs by a stationary, focused, high-intensity electron probe are collected by an energy-dispersive X-ray (EDX) spectrometer, processed by associated electronics, and presented as an X-ray spectrum, that is, a plot of X-ray intensity vs. energy. Additional software facilitates: 1) identification of elemental components by their &#34;characteristic&#34; peak energies and fingerprint; and 2) quantitative analysis by extraction of peak areas/background. This paper concludes with two examples that illustrate typical EPMA applications, one in which mitochondrial calcium analysis provided critical insight into mechanisms of excitotoxic injury and another that revealed the basis of ischemia resistance.

This paper describes the application of cryoanalytical electron microscopy to the quantitative measurement of total calcium content and distribution at subcellular resolution in physiologically defined biological specimens.

Misurazione del calcio totale in neuroni da Electron Probe microanalisi a raggi X

In this article the tools, techniques, and instruments appropriate for quantitative measurements of intracellular elemental content using the technique ...

Neuroscienze

Three-Dimensional Particle Shape Analysis Using X-ray Computed Tomography: Experimental Procedure and Analysis Algorithms for Metal Powders

Measuring the size distribution of the particles in a powder is a common activity in science and industry. Measuring the shape distribution of the particles is much less common. However, the shape and size of powder particles are not independent quantities. All known size/shape measurement techniques either assume a spherical shape or measure the shape in two dimensions only. The X-ray computed tomography (XCT) based method presented here measures both size and shape in 3D without making any assumptions. Starting from a 3D image of particles, the method can mathematically classify particles according to shape, for example particles composed of several smaller particles welded together as opposed to single particles that are not necessarily spherical. Of course, defining a single number as the &#34;size&#34; or &#34;shape&#34; of a random non-spherical particle is not possible in principle, leading to many ways to estimate particle size and shape via various interlinked parameters, which can all be generated from this complete 3D characterization in the form of averages and distributions. The necessary experimental procedures, mathematical analysis, and computer analysis are described and an example is given for a metal powder. The technique is limited to particles that can be imaged by XCT with a minimum of about 1000 voxels per particle volume.

The size and shape of powder particles are not independent quantities. Usual measurement techniques do not measure these intertwined parameters in three dimensions (3D). A 3D measurement/analysis technique is described, based on X-ray computed tomography, which can measure size and shape and classify powder particles according to both parameters.