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臺式場發射掃描-透射(SEM—STEM)電子顯微鏡應用案例分享

發布時間: 2024-05-14  點擊次數: 176次

在材料研發的過程中,檢測材料的形貌細節和品質,需要各個方位地了解樣品。掃描電鏡是科學研究過程中強有力的表征工具,高分辨成像可以揭示材料細節?,F在一些比較好的掃描電鏡可以提供一種先進的成像技術--透射模式(Scanning transmission eletron microscopy,STEM),這種成像模式可以呈現出與 SEM 圖像不同的信息。

STEM 模式和 SEM 成像效果有什么不同?

以導電納米復合材料的研究為例,不同制備方法得到的碳納米管的厚度和長度有所不同。對碳納米管進行準確的表征非常重要(包括長寬比),因為這些參數直接影響了復合材料的機械性能和導電性能。

 

但是在實際的表征過程中,通常很容易忽略一些細節。以下是碳納米管的二次電子模式(SED)和掃描透射模式(STEM)下的成像效果。

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碳納米管的 SED 圖(上)和 STEM 圖(下)

在掃描電鏡的 SED 圖中可以直觀顯示碳納米管的粗細,以及碳納米管之間的交織狀態。但是在 STEM 圖中,可以看到隱藏在 3D 結構中的小顆粒,這些顆粒在 SEM 圖中是無法看到的。

STEM 模式有哪些成像模式?

STEM 成像包括明場像(bright field,簡稱 BF),暗場像(dark field,簡稱 DF)以及高角度環形暗場像(high-angle annular dark field,簡稱 HAADF)。

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明場(BF)、暗場(DF)和高角度環形暗場(HAADF)成像示意圖和成像對比圖

BF 像

主要是樣品正下方同軸的探測器接收透射電子和部分散射電子。影響明場像襯度(Contrast)的主要因素是樣品的厚度和成分。樣品越厚,原子序數(Z)越大,穿透樣品的電子越少,圖像就越暗,因此 BF 像對輕元素(Z 較?。┍容^敏感。

DF 像

主要是樣品下方非同軸位置的探測器接收散射電子信號。

HAADF 像

主要是接收高角度的非相干散射電子信號。原子序數(Z)越大,散射角也越大,原子核對入射電子的散射作用越強,圖像上更亮。因此又被稱為 Z 襯度像。

應用案例

三種成像模式各有特點,具有不同的成像優勢,可以根據樣品情況搭配使用,成像結果進行互相驗證。

案例一:煙草花葉病毒

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煙草花葉病毒的BSE 像、BF 像、 DF 像和 HAADF 像

對比掃描電鏡的背散射電子圖像(BSE),桿狀的煙草花葉病毒在 BF 模式下更加直觀。BF 模式更適合觀察輕元素(Z 較?。?,輕元素散射作用較弱,因此在 HAADF 模式下較難清晰觀測細節。

而桿狀煙草花葉病毒周圍較厚的脂質球,電子較難穿透,BF 像上相對較暗。在 DF 模式下,密度較大的脂質球表現出較強的衍射,因此在 DF 像上相對較亮。

案例二:多壁碳納米管及其催化劑

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多壁碳納米管的 BF 像和 HAADF 像,放大倍數:20,000X

根據成像特點,圖 A 的 BF 像,紅色標記部位可能是原子序數(Z)更大的催化劑的位置(并不絕對)。但是在圖 B 的 HAADF 像上,紅色標記位置,并未顯示為明顯的“亮點",而黃色標記部位才是真正的催化劑存在的位置??梢钥闯?HAADF 成像在類似案例中可以體現出高 Z 襯度關聯性的成像優勢。

案例三:被腎小囊包裹的正常腎小球

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小鼠腎標本樣品(腎小球和臨近的腎血管)的 STEM 圖。紅色箭頭處可以看到含有紅細胞的腎小球毛細血管,毛細血管被腎小球基底膜和足細胞的足突包圍。

上圖為被腎小囊(Bowman's capsule)包裹的正常腎小球的超微結構。 STEM 圖顯示了正常腎小球毛細血管袢和腎小球系膜,與 TEM 下的微觀圖像類似(Moss and Shore,2002)。STEM 圖中的紅色箭頭處清晰顯示了腎小球基底膜、系膜基質、系膜胞質、足細胞足突的細節以及與基底膜毗鄰的裂孔結構。STEM 圖像顯示了高分辨的超微結構,圖像襯度明顯,可以快速捕捉到極小的細胞變化,并快速分析感興趣部位的微觀結構。

案例四:正常的小鼠胰腺腺泡細胞

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正常的小鼠胰腺腺泡細胞結構 STEM 圖。圖中顯示了酶原顆粒(Z)、液泡、線粒體(M)、腺泡腔(L)和粗面內質網(R)。上圖為胰腺星形細胞,下圖為內質網的精細結構。

案例五:人類腦腫瘤組織

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人類腦腫瘤組織 STEM 圖。

圖中清晰顯示了細胞的超微結構特征,髓鞘軸突、線粒體和嵴結構(M)、包含細胞間質纖維和囊泡的星形細胞結構(紅色箭頭處)。圖中可以清晰觀測到細胞結構和細胞器之間的關系。


 

培養的全能干細胞的 STEM 圖

晶狀體上皮細胞內有大量的細胞質器,如線粒體和卵圓形細胞核。均質的細胞外觀與早期細胞分化階段的細胞相似(數據來自 ROR1e LECs)。圖中可以清晰看到晶狀體的微結構,包括靠近組織周圍的晶狀體上皮細胞,以及與之相鄰的具有桿狀細胞核的未成熟的晶狀體纖維細胞,具有圓形細胞核的細胞和晶狀體纖維細胞類似。

以上案例均使用飛納電鏡最新發布的產品--  Phenom Pharos STEM 臺式場發射 SEM-STEM 電子顯微鏡拍攝。




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