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显微图像快速分析(MIRA)软件介绍
  • 发布时间 : 2020-10-12 14:08:14
  • 浏览量:4130
1.简介
MIRA软件是Oldenburg大学Gunther Wittstock[1-5]教授研究的一款分析软件。该软件提供各种图形表现形式,尤其用于面扫描数据。最有意思的特征是拟合扫描电化学显微镜(SECM)逼近曲线,得到实验相关的不同的物理化学参数。本文介绍了MIRA软件的一些特性,特别关注SECM逼近曲线拟合工具。
2.绘制M370或M470获得的数据

M370或M470扫描工作站获得的数据与MIRA兼容。

2.1 3D文件

图1 M470软件打开的M370或M470数据文件以txt形式输出数据
首先,M370或M470扫描工作站软件获得的数据必须是以txt格式输出。在M370或者M470软件中通过右键实现,如图1所示。
所有技术的面扫描数据都与MIRA兼容,包括ic-SECM和ac-SECM获得的不同数据、dc-SECM和ac-SECM获得的逼近曲线、以及循环伏安曲线。
打开MIRA软件,弹出如图2的窗口,.ini文件可用。.ini文件定义了默认打开文件夹、默认输出文件夹以及默认表现形式。默认路径可以更改,如图3所示。这些更改可以保存在新的.ini文件中,如图3b所示。
.ini文件位置:MIRA\startup。

图2 显示可用.ini文件的配置窗口

图3 a)更改默认路径;b)保存新的.ini文件
MIRA软件包含Wittstock教授发明的工具,默认工具由IDL提供(Interactive Data Language v.8.1 by Research Systems Inc., Boulder Colorado)。这些图像工具通常以i开头的名字命名。
打开一个文件会出现如图4所示的窗口。在一个小窗口中显示了打开数据的默认形式以及所有可用表现形式。点击“Redraw”按钮会打开一个新的窗口显示数据。

图4 主窗口
绘制的数据也可以用图3a中的“Print”命令保存为图像文件。输出的参数也可以用图3a中的“Selection of graphic format”命令来更改。文件将输出到默认文件夹。可以保存为不同的基本形式(.jpeg, .tiff, .bmp)和矢量形式(.ps, .eps)。图5为数据绘制图的例子。用于绘制数据的调色板可以用Tools→XLoadct命令更改。

图5 不同的3D数据形式:a)用户定义的3D阴影+线条;b)等值线图;
c)2D插值+轮廓;d)3D线条
2.2 2D文件
MIRA软件也可以显示2D文件,比如线扫描、循环伏安曲线以及逼近曲线(图6)。


图6 不同的2D数据形式:a)SECM向前、向后线扫描;b)循环伏安曲线;
c)导电区域的逼近曲线;d)绝缘区域的逼近曲线
1.使用拟合工具
MIRA最有意思的工具是可以拟合dc-SECM逼近曲线,获得实验参数和反应动力学。
可以用数据显示窗口左边的Analysis按钮进入曲线拟合工具(图7)。


图7 SECM逼近曲线拟合窗口
下一个窗口中,用来拟合数据的解析式、拟合参数和描述页都有很多选择(图8)。


图8 拟合逼近曲线的可选方程式
根据用户的特殊条件(逼近材料、电流抵消、研究员的认识等)选择方程式后,最好点击拟合命令窗口中的“Guess start parameters”然后点击“Start iteration”开始实验(图9)。“Guess start parameters”用一个算法分析曲线,试图找到接近最终值的开始值。

图9 拟合命令窗口
本文中尝试拟合演示文件夹中的逼近曲线:
MIRA\demo\DEVICES\ Biologic_Uniscan\approach_curve_SECM.txt
逼近曲线是用25 ?m的Pt探针在10 mM Fe(CN)6K3和100 mM KCl溶液中测量Au电极的结果(SECM标准样品)。探针极化电位-0.25 V vs. Ag/AgCl。探针位置从0开始逼近样品,所以z为负值。用名为“SECM conductor w/o i_offset (Lefrou)”的表达式[6]。
点击“Guess Start Parameters”然后点击“Start iteration”,30次迭代后得到图10的结果。


图10 “SECM conductor w/o i_offset (Lefrou)”获得的结果。红色曲线是用Start参数获得的,绿色曲线是拟合后获得的。
获得以下四个参数:
i-T,infinity表示探针无限远离样品时的电流;
z-offset是逼近开始时探针到样品距离的负数值;
tip radius探针直径;
RG是金属电极周围的玻璃外壳和金属直径的比值。初始值和拟合值都显示他们的误差、残差、这些残差总和的平方,也叫做χ2(方差为1,只有一个实验)。函数χ2用于最小化过程,基于Gauss-Newton算法[7]。这个值越低,拟合结果越好(对同样的点数)。在图10的例子中,χ2≈0.839。残差在扫描的第一个点达到最大值(接近z=0的点)。软件通过左上角窗口,允许坏点移除,如图11所示。

图11 数据移除窗口
在“Low”格中输入2,将移除变量z的较低值中最开始的两个点。然后点击图9中的“Replot data”按钮。新数据的拟合结果如图12所示。

图12 “SECM conductor w/o i_offset (Lefrou)”获得的新数据的拟合结果
现在,χ2≈0.384,达到预期。虽然点数减少了,但是拟合结果更好了。tip radius的值降低,更接近实验值,12.5 ?m。Rg值从1.13升高到3.11,这是一个更合理的值。
温馨提示:
1)在上面的逼近曲线中,步长是15 ?m,扫描速率是5 ?m/s。建议逼近曲线的步长小于1 ?m,扫描速率小于1 ?m/s。在这些条件下,实验值不会与理论值偏离太多,拟合结果的准确性提高(χ2下降)。
2)单独设定的所用参数对拟合是有利的。比如探针直径的值可以用VCAM3精确的确定,输入图10的“Start parameter”中。然后,如果“meaning”未检测,参数将不会计入拟合过程中。
1.结论
本文的目的是介绍MIRA软件处理3D图和2D曲线的一些不同的表现方式。重点是逼近曲线的拟合工具。想获得更多细节信息,请参考MIRA手册或者联系我们。

参考文献
[1] G. Wittstock et al., Fresenius J. Anal. Chem. 2000, 367, pp. 346–351.
[2] U. M. Tefashe et al., J. Phys. Chem. C., 2012, 116, pp. 4316-4323.
[3] C. Nunes-Kirchner et al., Anal. Chem., 2010, 82, pp. 2626-2635. 
[4] W. Nogala et al., Bioelectrochem., 2008, 72, pp. 174-182.
[5] G. Wittstock et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, pp. 1584 –1617.
[6] C. Lefrou, J. Electroanal. Chem., 2006, 592, pp. 103–112.
[7] Ebert,Ederer, Computeranwendungen inder Chemie. 2. Ed., VCH, Weinheim 1985, S.323.

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