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06 Luglio 2023
L’analisi dei campioni biologici e la ricerca sui materiali è oggi ancora più semplice ed efficacie con il portacampioni STEM dedicato al SEM da banco Phenom Pharos™ della Thermo Scientific™. Trattasi del primo modello di detector STEM al mondo accoppiato a SEM da banco con sorgente FEG (Field Emission Gun) ad alta risoluzione.
Fornisce un contrasto elevato in condizioni di bassa tensione, aumentando la visibilità di strutture e morfologia. Può lavorare indifferentemente a bassi o elevati ingrandimenti, analizzare una vasta gamma di materiali e coprire aree di grandi dimensioni del campione per aiutare le analisi e ottenere i risultati più velocemente.
Il portacampioni STEM per il SEM da banco Phenom Pharos è la soluzione ideale per una varietà di applicazioni e utenti:
Quando si sviluppano nuovi materiali, si verifica la qualità dei materiali esistenti o si caratterizzano campioni biologici nel dettaglio, è necessario innanzitutto avere una comprensione dei campioni per impattare in modo significativo la vostra ricerca.
La microscopia elettronica a scansione (SEM) è un potente strumento di imaging per questo tipo di indagine. Offre immagini ad alta risoluzione che possono rivelare i più piccoli dettagli, e sta diventando una tecnica sempre più popolare. Alcuni SEM moderni offrono una tecnica di imaging più avanzata chiamata microscopia elettronica a scansione in trasmissione (STEM), nella quale il fascio di elettroni attraversa il campione ed il segnale emesso viene raccolto a valle dello stesso. Ciò si traduce in contrasto diverso rispetto alla classica immagine SEM, che fornisce ulteriori informazioni.
Queste due tecniche di imaging (SEM e STEM) si completano l'un l'altra per la caratterizzazione e lo sviluppo di materiali (nano)compositi conduttivi, che tipicamente usano nanotubi di carbonio variabili in spessore e lunghezza a seconda del metodo di produzione. È importante caratterizzare accuratamente l'aspetto fisico di questi nanotubi, comprese le proporzioni, perché influisce direttamente sulle proprietà meccaniche e conduttive del composito.
Tuttavia, è facile perdere questi dettagli perché sono piccoli e nascosti all’interno struttura 3D del materiale. Come mostrato nella figura sottostante, l'immagine ottenuta col SED evidenzia bene lo spessore dei nanotubi e come sono intrecciati. L'immagine STEM, invece, mostra la presenza di nanoparticelle, non visibile col SED, che possono indicare disomogeneità e alterare le proprietà complessive del materiale. Con l'imaging STEM, questi dettagli non sono più nascosti.
Figura 1: nanotubi di carbonio ripresi con le modalità di imaging SED (in alto) e STEM (in basso). Mentre l'immagine SED può essere più attraente, l’immagine STEM è più funzionale perché rivela la presenza di nanoparticelle.
Quando si esegue l'imaging STEM, i segnali trasmessi possono essere raccolti in asse (con diffrazione molto limitata dal campione) o fuori asse (con diffrazione significativa dal campione), come mostrato in Figura 2. La parte interna del raggio trasmesso è definita segnale in asse. Poiché il campione blocca parzialmente gli elettroni, esso appare più scuro dello sfondo circostante. Quindi, questa tecnica di imaging è indicata come campo chiaro (o Bright Field - BF). I fattori dominanti nel contrasto dell'imaging BF sono la composizione e lo spessore del campione. Un campione denso contenente elementi dall’altro peso atomico Z consente a meno elettroni di attraversare il campione, risultando in aree più scure che sono difficili da interpretare.
L'imaging in campo oscuro (o Dark Field - DF), d'altra parte, fa uso degli elettroni che sono dispersi significativamente dal campione, gli elettroni trasmessi fuori asse. Elementi dall’alto peso atomico Z disperdono più elettroni rispetto agli elementi più leggeri e appaiono quindi più luminosi nell'immagine rispetto agli elementi Z inferiori, il risultato è un’immagine in cui si osserva il campione luminoso su uno sfondo scuro. I segnali esterni che hanno un angolo più alto rispetto all’asse ottico sono indicati come high-angle annular dark-field imaging, o semplicemente HAADF.
In poche parole, queste tre tecniche (BF, DF e HAADF) forniscono vari gradi di contrasto che si adattano a diverse applicazioni.
Figura 2. A sinistra: diagramma dei segnali BF, DF e HAADF dopo il passaggio attraverso un campione. A destra: confronto tra immagini BF (in alto), DF (al centro) e HAADF (in basso).
Immagine HAADF di un'ala di farfalla creata con un microscopio elettronico.
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Immagine in campo scuro (DF) di un'ala di farfalla.
Le diverse modalità operative STEM sono ideali per studi correlativi. Mentre gli elementi più leggeri sono chiaramente visibili nell'imaging BF, disperdono male gli elettroni e sono quindi difficili da vedere in HAADF. Questo può essere dimostrato con un campione organico come virus del mosaico del tabacco mostrato in Figura 3.
Il virus a forma di bastoncino contiene materiale organico che è chiaramente visibile nell'imaging BF. Tuttavia, i globuli lipidici che circondano il virus sono più spessi e meno permeabile agli elettroni. Nell'imaging DF i lipidi, che determinano una diffrazione più ampia del fascio, risultano più contrastate nell’immagine. Si noti anche lo sfondo più scuro nella modalità HAADF.
Come detto questi diversi metodi di imaging consentono di enfatizzare dettagli differenti del campione.
Figura 3: Le quattro diverse modalità di imaging rispetto a un'immagine BSE del virus del mosaico del tabacco. In modalità BF, il virus è chiaramente distinguibile. Nelle modalità DF i lipidi diventano più evidenti.
La microscopia elettronica è stata utilizzata per quasi un secolo per studiare tutti i tipi di materiali e si è evoluta nel tempo per adattarsi a diverse applicazioni sia in ambito accademico che industriale. Man mano che sono nati nuovi utilizzi ed applicazioni, le tecnologie e le prestazioni dei microscopi elettronici a scansione (SEM) si sono dovuti adattare.
Nell'ultimo decennio l’avanguardia è stata rappresentata dalla tecnologia dei SEM da banco che hanno soppiantato in molti campi applicativi l’uso dei classici modelli da pavimento.
Il successo degli strumenti da banco deriva dalla loro maggiore facilità d'uso, sia per l’imaging che per l’analisi EDS, e le loro prestazioni eccezionali garantite anche nelle condizioni operative più impegnative. Alcuni ricercatori hanno persino portato i loro SEM da banco in trasferta, fornendo in loco analisi al microscopio elettronico nei laboratori mobili.
I sistemi da banco offrono grandi vantaggi anche per l’imaging STEM.
Questo tipo di analisi viene spesso eseguita attraverso l’uso di un microscopio elettronico a trasmissione (TEM), che risulta però particolarmente impegnativo in fase di installazione e nella gestione quotidiana, oltre ad avere tempi di caricamento particolarmente lunghi e risultare spesso aggressivo per il campione, causandone il danneggiamento a causa dell’alta tensione utilizzata.
Il SEM da banco invece presenta un minor ingombro, genera il vuoto più rapidamente e funziona a tensioni inferiori risultando più adatto per l’analisi di materiali sensibili al fascio di elettroni.
In poche parole, rappresenta senza dubbio la soluzione più semplice, e permette un flusso di lavoro più veloce per applicazioni di screening che non richiedano risoluzioni estremamente elevate.
Il portacampioni STEM per il Phenom Pharos consente di osservare griglie TEM standard da 3 mm in modalità trasmissione, ampliando il campo applicativo di questo strumento ai nanomateriali e ai materiali biologici. All’interno dell’interfaccia utente sono integrate le varie modalità di imaging BF, DF e HAADF, rendendo semplice l’aggiustamento del contrasto e l’ottenimento di tutte le informazioni di interesse.
Il portacampioni del Phenom Pharos è dotato di un rilevatore STEM integrato, che ottimizza l'elettronica per rilevare i segnali BF, DF e HAADF derivanti dal campione. L'integrazione dell’elettronica all’interno del portacampioni rende il dispositivo particolarmente comodo all’utilizzo. Non ci sono cavi esterni che si rendono necessari per il collegamento, il riconoscimento da parte del microscopio avviene in automatico e le modalità di imaging STEM rese disponibili di conseguenza sull’interfaccia.
Il portacampioni STEM è progettato per sopportare infiniti cicli di carico e scarico ed utilizza uno stub ottimizzato in cui la griglia TEM viene montata sotto un morsetto per garantire la planarità del campione e la protezione della griglia stessa.
Dopo aver montato il campione sullo stub e possibile iniziare l'imaging STEM in meno di un minuto. L'interfaccia utente riconosce automaticamente il rilevatore STEM e abilita istantaneamente il riquadro di imaging STEM. Dopo aver selezionato le condizioni di imaging preferite (BF, DF o HAADF), il rilevatore viene letto di conseguenza e l'area di interesse viene acquisita con il rapporto segnale-rumore ottimale.
Come le normali modalità di imaging SEM, le tensioni di accelerazione possono essere adattate al campione secondo necessità. La modalità STEM è compatibile con l’analisi EDS, rendendo possibile l'identificazione elementale senza aggiustamenti della distanza di lavoro.
Per ottimizzare ulteriormente l'esperienza d’uso alcune funzioni come messa a fuoco e contrasto/luminosità sono automatiche. Con l'integrazione dell'interfaccia utente, il passaggio tra tutti e quattro i rilevatori (SED, BSD, EDS e STEM) avviene senza soluzione di continuità, rendendo possibile ottenere tutti i dati con solo pochi clic.
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