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台式场发射扫描-透射(SEM—STEM)电子显微镜应用案例分享

 更新时间:2024-05-14 点击量:117

在材料研发的过程中,检测材料的形貌细节和品质,需要各个方位地了解样品。扫描电镜是科学研究过程中强有力的表征工具,高分辨成像可以揭示材料细节。现在一些比较好的扫描电镜可以提供一种先进的成像技术--透射模式(Scanning transmission eletron microscopy,STEM),这种成像模式可以呈现出与 SEM 图像不同的信息。

STEM 模式和 SEM 成像效果有什么不同?

以导电纳米复合材料的研究为例,不同制备方法得到的碳纳米管的厚度和长度有所不同。对碳纳米管进行准确的表征非常重要(包括长宽比),因为这些参数直接影响了复合材料的机械性能和导电性能。

 

但是在实际的表征过程中,通常很容易忽略一些细节。以下是碳纳米管的二次电子模式(SED)和扫描透射模式(STEM)下的成像效果。

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碳纳米管的 SED 图(上)和 STEM 图(下)

在扫描电镜的 SED 图中可以直观显示碳纳米管的粗细,以及碳纳米管之间的交织状态。但是在 STEM 图中,可以看到隐藏在 3D 结构中的小颗粒,这些颗粒在 SEM 图中是无法看到的。

STEM 模式有哪些成像模式?

STEM 成像包括明场像(bright field,简称 BF),暗场像(dark field,简称 DF)以及高角度环形暗场像(high-angle annular dark field,简称 HAADF)。

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明场(BF)、暗场(DF)和高角度环形暗场(HAADF)成像示意图和成像对比图

BF 像

主要是样品正下方同轴的探测器接收透射电子和部分散射电子。影响明场像衬度(Contrast)的主要因素是样品的厚度和成分。样品越厚,原子序数(Z)越大,穿透样品的电子越少,图像就越暗,因此 BF 像对轻元素(Z 较小)比较敏感。

DF 像

主要是样品下方非同轴位置的探测器接收散射电子信号。

HAADF 像

主要是接收高角度的非相干散射电子信号。原子序数(Z)越大,散射角也越大,原子核对入射电子的散射作用越强,图像上更亮。因此又被称为 Z 衬度像。

应用案例

三种成像模式各有特点,具有不同的成像优势,可以根据样品情况搭配使用,成像结果进行互相验证。

案例一:烟草花叶病毒

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烟草花叶病毒的BSE 像、BF 像、 DF 像和 HAADF 像

对比扫描电镜的背散射电子图像(BSE),杆状的烟草花叶病毒在 BF 模式下更加直观。BF 模式更适合观察轻元素(Z 较小),轻元素散射作用较弱,因此在 HAADF 模式下较难清晰观测细节。

而杆状烟草花叶病毒周围较厚的脂质球,电子较难穿透,BF 像上相对较暗。在 DF 模式下,密度较大的脂质球表现出较强的衍射,因此在 DF 像上相对较亮。

案例二:多壁碳纳米管及其催化剂

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多壁碳纳米管的 BF 像和 HAADF 像,放大倍数:20,000X

根据成像特点,图 A 的 BF 像,红色标记部位可能是原子序数(Z)更大的催化剂的位置(并不绝对)。但是在图 B 的 HAADF 像上,红色标记位置,并未显示为明显的“亮点",而黄色标记部位才是真正的催化剂存在的位置。可以看出 HAADF 成像在类似案例中可以体现出高 Z 衬度关联性的成像优势。

案例三:被肾小囊包裹的正常肾小球

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小鼠肾标本样品(肾小球和临近的肾血管)的 STEM 图。红色箭头处可以看到含有红细胞的肾小球毛细血管,毛细血管被肾小球基底膜和足细胞的足突包围。

上图为被肾小囊(Bowman's capsule)包裹的正常肾小球的超微结构。 STEM 图显示了正常肾小球毛细血管袢和肾小球系膜,与 TEM 下的微观图像类似(Moss and Shore,2002)。STEM 图中的红色箭头处清晰显示了肾小球基底膜、系膜基质、系膜胞质、足细胞足突的细节以及与基底膜毗邻的裂孔结构。STEM 图像显示了高分辨的超微结构,图像衬度明显,可以快速捕捉到极小的细胞变化,并快速分析感兴趣部位的微观结构。

案例四:正常的小鼠胰腺腺泡细胞

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正常的小鼠胰腺腺泡细胞结构 STEM 图。图中显示了酶原颗粒(Z)、液泡、线粒体(M)、腺泡腔(L)和粗面内质网(R)。上图为胰腺星形细胞,下图为内质网的精细结构。

案例五:人类脑肿瘤组织

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人类脑肿瘤组织 STEM 图。

图中清晰显示了细胞的超微结构特征,髓鞘轴突、线粒体和嵴结构(M)、包含细胞间质纤维和囊泡的星形细胞结构(红色箭头处)。图中可以清晰观测到细胞结构和细胞器之间的关系。

 培养的全能干细胞的 STEM 图

晶状体上皮细胞内有大量的细胞质器,如线粒体和卵圆形细胞核。均质的细胞外观与早期细胞分化阶段的细胞相似(数据来自 ROR1e LECs)。图中可以清晰看到晶状体的微结构,包括靠近组织周围的晶状体上皮细胞,以及与之相邻的具有杆状细胞核的未成熟的晶状体纤维细胞,具有圆形细胞核的细胞和晶状体纤维细胞类似。

以上案例均使用飞纳电镜最新发布的产品--  Phenom Pharos STEM 台式场发射 SEM-STEM 电子显微镜拍摄。




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