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      1. 復納科學(xué)儀器(上海)有限公司
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        臺式場(chǎng)發(fā)射掃描-透射(SEM—STEM)電子顯微鏡應用案例分享

         更新時(shí)間:2024-05-14 點(diǎn)擊量:395

        在材料研發(fā)的過(guò)程中,檢測材料的形貌細節和品質(zhì),需要各個(gè)方位地了解樣品。掃描電鏡是科學(xué)研究過(guò)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(jìn)的成像技術(shù)--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(cháng)度有所不同。對碳納米管進(jìn)行準確的表征非常重要(包括長(cháng)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(shí)際的表征過(guò)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(guān)顯示碳納米管的粗細,以及碳納米管之間的交織狀態(tài)。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(wú)法看到的。

        STEM 模式有哪些成像模式?

        STEM 成像包括明場(chǎng)像(bright field,簡(jiǎn)稱(chēng) BF),暗場(chǎng)像(dark field,簡(jiǎn)稱(chēng) DF)以及高角度環(huán)形暗場(chǎng)像(high-angle annular dark field,簡(jiǎn)稱(chēng) HAADF)。

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        明場(chǎng)(BF)、暗場(chǎng)(DF)和高角度環(huán)形暗場(chǎng)(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(chǎng)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(chēng)為 Z 襯度像。

        應用案例

        三種成像模式各有特點(diǎn),具有不同的成像優(yōu)勢,可以根據樣品情況搭配使用,成像結果進(jìn)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(guān)。BF 模式更適合觀(guān)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(guān)測細節。

        而桿狀煙草花葉病毒周?chē)^厚的脂質(zhì)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(zhì)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(diǎn),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(diǎn)",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(lèi)似案例中可以體現出高 Z 襯度關(guān)聯(lián)性的成像優(yōu)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(guān)圖像類(lèi)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(zhì)、系膜胞質(zhì)、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(guān)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(xiàn)粒體(M)、腺泡腔(L)和粗面內質(zhì)網(wǎng)(R)。上圖為胰腺星形細胞,下圖為內質(zhì)網(wǎng)的精細結構。

        案例五:人類(lèi)腦腫瘤組織

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        人類(lèi)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(xiàn)粒體和嵴結構(M)、包含細胞間質(zhì)纖維和囊泡的星形細胞結構(紅色箭頭處)。圖中可以清晰觀(guān)測到細胞結構和細胞器之間的關(guān)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(zhì)器,如線(xiàn)粒體和卵圓形細胞核。均質(zhì)的細胞外觀(guān)與早期細胞分化階段的細胞相似(數據來(lái)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?chē)木铙w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(lèi)似。

        以上案例均使用飛納電鏡最新發(fā)布的產(chǎn)品--  Phenom Pharos STEM 臺式場(chǎng)發(fā)射 SEM-STEM 電子顯微鏡拍攝。




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