Automated single-particle analysis of atmospheric aerosols by scanning electron microscopy combined with energy-dispersive X-ray spectrometry
Analyse quantitative des particules atmosphériques par microscopie électronique à balayage couplée à la spectrométrie d'émission X
Résumé
Atmospheric aerosols consist of a complex heterogeneous mixture of particles. Single-particle analysis techniques are known to provide unique information on the size-resolved chemical composition of aerosols. A scanning electron microscope (SEM) combined with a thin-window energy-dispersive X-ray (EDX) detector enables the morphological and elemental analysis of single particles down to 0.1 µm. Automated particle analysis by SEM-EDX raises two practical challenges: accuracy of the particle recognition and reliability of the quantitative analysis, especially for micrometer-sized particles with low atomic number contents. Since low-Z analysis is hampered by the use of traditional polycarbonate membranes, an alternate choice of substrate is a prerequisite. In this work, boron is being studied as a promising material for particle microanalysis. As EDX is generally said to probe a volume of approximately 1 µm3, geometry effects arise from the size of microparticles. These particle geometry effects must be corrected by means of a robust concentration calculation procedure. Conventional quantitative methods developed for bulk samples generate elemental concentrations considerably in error when applied to microparticles. A new methodology for particle microanalysis, combining the use of boron as the substrate material and a reverse Monte Carlo quantitative program, was tested on standard particles ranging from 0.25 to 10 µm. We demonstrate that the quantitative determination of low-Z elements in microparticles is achievable and that highly accurate results (+/-8.8% relative error on average) can be obtained using the methodology described here compared to conventional methods.
Les aérosols atmosphériques consistent en un mélange hétérogène de particules de différentes natures. La technique MEB-EDS permet de caractériser à la fois morphologiquement et chimiquement la fraction particulaire de l'aérosol à l'échelle de la particule individuelle. Pour rendre l'analyse représentative, un système de pilotage de la platine combiné avec un logiciel d'analyse d'image permet d'examiner en mode automatisé des milliers de particules par échantillon. Le développement de détecteurs X dotés de fenêtres minces, qui limitent l'absorption des éléments de faibles numéros atomiques, permet la détection du carbone, de l'azote et de l'oxygène, éléments très abondants dans les échantillons environnementaux. Pour bénéficier de ce progrès technologique rendant faisable l'analyse qualitative étendue à C, N, O, il convient en premier lieu d'optimiser le choix du substrat de collection des particules, afin que sa contribution spectrale soit différenciable de celle de la particule. A cette fin, une procédure de fabrication de plaquettes de bore a été mise au point. Par ailleurs, la technique MEB-EDS n'est pas standardisée pour l'analyse élémentaire quantitative de particules micrométriques dont le volume est plus petit que le volume d'interaction. Les performances d'un programme de quantification inverse par simulation des trajectoires électroniques au sein des particules par la méthode de Monte Carlo ont été évaluées pour des particules modèles de tailles comprises entre 0,25 et 10 µm. L'ensemble de la procédure analytique a permis d'atteindre des justesses estimées à +/-8,8% d'erreur relative moyenne, C, N et O compris.
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