Microscopia metodi, limiti, possibilità - isf.univpm.it e... · IL SEM • Il Microscopio...
Transcript of Microscopia metodi, limiti, possibilità - isf.univpm.it e... · IL SEM • Il Microscopio...
Microscopia – metodi, limiti, possibilità
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Incrementando di un fattore 10 la potenza dell’occhio umano tramite il suo telescopio, Galileo Galilei è riuscito a studiare la superficie della Luna e scoprire i satelliti di Jupiter.
15.02.1564 –08.01.1642
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Primi microscopi:
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Microscopio moderno:
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Microscopio a fluorescenza
Questo tipo di microscopio utilizzaradiazioni ultraviolette, per ottenere, neipreparati in cui ciò è possibile, lafluorescenza.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Però c’è un limite!
La visione distinta di oggetti sempre più piccoli non può essere ottenutasolamente aumentando il potere di ingrandimento. La diffrazione pone unlimite inferiore alla distanza di separazione tra due punti in posizioni distinte.
Questa distanza minima è data da:
dmin = 1,2λ / 2n sinα (limite di Abbe)
dove λ è la lunghezza d'onda della luce che illumina l'oggetto, n l'indice dirifrazione del mezzo interposto tra oggetto e obiettivo, α il semi-angolo delcono di raggi utili che ha il vertice nel centro dell'obiettivo.
Luce nello spettro visibile: 380nm ≤ l ≤ 750nm; limite di Abbe ≈ 250nm
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Il Microscopio Elettronico a
Scansione (SEM)
Il potere risolutivo cresce proporzionalmente aldecrescere della lunghezza d’onda della radiazioneimpiegata, infatti la scoperta che gli elettroni hannouna radiazione di bassissima lunghezza d’onda hasuggerito la possibilità di usare fasci di elettroni perottenere poteri risolutivi assai elevati.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Cosa è la Microscopia Elettronica
Tecnica che permettel’osservazione di campioni coningrandimenti e risoluzione fino a1000 volte superiore allamicroscopia ottica ordinaria.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Alcuni cenni storici
• 1897: J. Thomson scopre l’elettrone
• 1924: L. de Broglie propone la teoria ondulatoria della materia
• 1926: H. Busch dimostra che i campi elettrici e magnetici a
simmetria assiale si comportano come lenti per gli elettroni
Nascita dell’ottica elettronica
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
• 1934: E. Ruska primo prototipo di TEM
• 1938: von Ardenne primo prototipo STEM
• 1942 Zworykin realizza il primo prottipo di SEM capace di
analizzare campioni massivi.
• 1960 Everhart e Thornley introducono il loro rivelatore per
elettroni secondari, basato su scintillatore e tubo
fotomoltiplicatore
• 1965: Cambridge Instruments produce e commercializza il
primo SEM
• 1986: Ruska vince il Nobel
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
IL SEM
• In linea di principio un microscopio elettronico opera come
un normale microscopio ottico qualora si usasse luce con
lunghezza d’onda bassissima.
• Poiché però i normali dispositivi ottici non deviano gli
elettroni, si ricorre a lenti elettrostatiche o a lenti
magnetiche che, agendo sulla carica elettrica degli
elettroni, ne provocano la deviazione.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
IL SEM
• Il Microscopio Elettronico a Scansione sfrutta la generazione di
un fascio elettronico ad alta energia nel vuoto.
• Il fascio viene focalizzato da un sistema di lenti e deflesso per
scandire una area del campione.
• L’interazione fascio-campione genera vari segnali che vengono
acquisiti da opportuni detectors e successivamente elaborati
fino a formare una immagine a livelli di grigio.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
SEM moderno:
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
I pregi del SEM
Da indicazioni su:
• morfologia della superficie del campione
• composizione chimico fisica
• difettosità elettriche
• contaminazione delle superfici
• misura dei potenziali superficiali
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
• Alta risoluzione (limite 1nm)
• Alti ingrandimenti (fino a 100.000x)
• Alta profondità di campo
• Abbastanza facile preparazione del campione
La combinazione di alti ingrandimenti, alta risoluzione, largaampiezza del fuoco e facile preparazione e osservazione delcampione rende il SEM uno degli strumenti più affidabili e piùsemplici da utilizzare per lo studio della morfologia di vari campioni.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Confronto tra microscopieMO SEM TEM
Range di ingrandimento 1-1000 10-10000 1000-1000000
Risoluzione
Ordinaria 5mm 50nm 5nm
Per osservazioni accurate 0,2mm 5nm 0.5nm
Limite 0,1mm 1nm 0.1nm
Profondità di campo 0,1mm a 10x 10mm a 10x limitata allo spessore del film
1mm a 100x 1mm a 100x limitata allo spessore del film
Ambiente versatile richiede il vuoto (0,03Pa) richiede il vuoto (0,03Pa)
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Grano di pepe (Piper nigrum)
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
tarantola messicana
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Foglia di menta
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Foglia di canapa indiana
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Pollini di Compositae al microscopio elettronico a scansione
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Creste delle cellule vegetali
Coccolithophore (alga) Emiliania huxleyi
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Peli sul fusto di una pianta di tabacco
Tricomi sulla pianta Juglandales Juglandaceae
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Tricoma sulla foglia di Arabidopsis thaliana
Fusto di bamboo
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Microscopio elettronico a trasmissione
(TEM)
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Caratteristiche del TEM
• Potere risolutivo altissimo (0,2 nm), dell’ordine delle molecole.
• Fino a 1.000.000 X.
• Richiede sezioni sottilissime, colorate solitamente con metalli e mantenute sotto vuoto: artefatti inevitabili.
• Non si possono osservare strutture viventi, né in 3D.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
TEM
vs
SEM
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Microscopio ottico
Microscopio a raggi X
Microscopi elettronici e ionici- Microscopio elettronico a scansione (SEM)- Microscopio elettronico a trasmissione (TEM)- Microscopio elettronico a diffrazione- Microscopio elettronico ad emissione di campo- Microscopio ionico
Microscopi a scansione di sonda (SPM)- Microscopio a scansione per effetto tunnel (STM)- Microscopio ottico a scansione in campo prossimo (SNOM)- Microscopio a forza atomica (AFM)
Altre tipologie di microscopio- Microscopio acustico- Microscopio confocale + forza atomica + riflessione interna totale in fluorescenza
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
SEM – UNIVPM (Dipartimento SIMAU):
SEM PHILIPS
XL20 con EDS
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Microscopio a forza atomica –Dipartimento Di.S.C.O.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Erythrocytes, contact modescan field 40 µm * 40 µm
z-range 0 – 2.1 µm
Superficie della castagna, tapping modescan field 30 µm * 30 µm
z-range 0 – 6 µm
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Microtomografia computerizzata a raggi X o radiazione di
sincrotrone:
Strumento desktop Skyscan: risoluzione tipica nell’ordine dei micron.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
www.esrf.
fr
European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Grenoble, France
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Schematic set up of microCTsystem installed at ID19 in
ESRF
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
ricostruzione 3D del legno
Visualizzare la struttura interna del legno utilizzando
microtomografia computerizzata
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Radiografia neutronica:
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Differenza tra una radiografia
neutronica e una a raggi X: i
liquidi vengono visualizzati
molto bene utilizzando
neutroni.
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica
Tomografia neutronica:
Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria
C.d.L. Scienze Forestali e Ambientali, A.A. 2015/2016, Fisica