Name: energy dispersive x-ray tomography for 3d elemental mapping of individual nanoparticles
Uploaded: 2016-07-05T13:00:00.000+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>

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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><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.

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://jove.unicartagenaproxy.elogim.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://jove.unicartagenaproxy.elogim.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://jove.unicartagenaproxy.elogim.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 ...

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

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

11.7K visualizações.  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.

Induzida por laser Breakdown Spectroscopy: Uma Nova Abordagem para Mapeamento e Quantificação de nanopartículas em Organ Tissue

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

Engenharia

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.

Detecção e recuperação de paládio, do ouro e cobalto Metais da Mina Urbana Usando novos sensores / adsorventes Designados com poros em nanoescala em forma de roda de carroça

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.

Não-invasivo 3D Visualization com Sub-micron Resolução Usando Síncrotron-X-ray-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 Deteção e única célula quantificação de nanopartículas de óxido de Metal usando análise de microsonda Nuclear

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

Química

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.

Quantificação dos dados de fluorescência de raios-x usando mapas

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.

Obtenção de mapas 3D de químicos por energia filtrada tomografia computadorizada de microscopia eletrônica de transmissão

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.

Análise de tomografia de sonda solucionado de fases minerais exresolvidas

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.

Síncrotron Microdiffraction de raio-x e imagem latente de fluorescência das amostras de rocha e minerais

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.

Medição de cálcio total em neurônios por Electron Probe X-ray Microanálise

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

Neurociência

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.