Khám Phá Mẫu Được Hydrat Hoàn Toàn Với Công Nghệ ESEM

Giới thiệu chung

Công nghệ Kính Hiển Vi Điện Tử Quét Môi Trường (ESEM) mở rộng giới hạn của kính hiển vi điện tử quét truyền thống, mang đến cái nhìn sâu sắc hơn về tất cả các loại mẫu. ESEM cho phép chụp ảnh các mẫu với sự chuẩn bị đơn giản và bổ sung các biến số như độ ẩm, chu kỳ nhiệt và sự kết hợp của khí để phân tích những thay đổi động học tại chỗ. Nhờ vào hơi nước và bệ điều khiển nhiệt độ, những mẫu khó hình ảnh hóa như các mẫu bẩn (có mức thoát khí cao) và các mẫu tự nhiên đã được hydrat hóa, có tính chất thay đổi theo thời gian khô, giờ đây được phân tích dễ dàng. Với khả năng kiểm soát hoàn toàn độ ẩm của mẫu, các nhà khoa học vật liệu và sinh học có thể quan sát các tương tác vật liệu trong dung dịch theo thời gian thực, cách độ ẩm thay đổi mẫu, và sự tương tác của nước tại bề mặt mẫu. Điều này mở ra những khả năng nghiên cứu từ những điểm tĩnh thuần túy đến các thí nghiệm động học.

Mẫu tự nhiên được Hydrat hóa

Với nhu cầu ngày càng cao về độ phân giải, các nhà nghiên cứu đang chuyển từ các kỹ thuật quang học sang kính hiển vi điện tử. Đối với một số mẫu, quá trình chuyển đổi này sẽ yêu cầu loại bỏ nước và có thể thay đổi cấu trúc của mẫu. Các mẫu tự nhiên được hydrat hóa (với hàm lượng nước “tự do” >25%) có thể không phải lúc nào cũng được bao phủ bởi nước, nhưng lượng nước bên trong thường là yếu tố giữ gìn hình dạng của mẫu. Việc loại bỏ nước bên trong có thể làm sụp đổ và thay đổi mạnh mẽ bề mặt của mẫu. Đối với một số mẫu, sự thay đổi này có thể có thể đảo ngược, nhưng đối với những mẫu khác, việc thay đổi cấu trúc có thể dẫn đến các khuyết tật và biến dạng.

Việc kết hợp công nghệ ESEM với cooling stage cho phép duy trì bất kỳ trạng thái hydrat hóa nào bằng cách thay đổi nhiệt độ và áp suất. Biểu đồ pha dưới đây minh họa mối quan hệ giữa mức độ ẩm và các điều kiện môi trường.

Lý tưởng nhất là giữ mẫu trên điểm đóng băng để tránh hình thành tinh thể băng có thể làm rách các cấu trúc nhạy cảm. Để duy trì trạng thái hydrat hóa của nước, khí hình ảnh cần phải là hơi nước tinh khiết (không phải không khí ẩm hoặc nito trơ) để áp suất riêng phần của nước phù hợp với dữ liệu áp suất riêng phần nước tinh khiết đã biết, từ đó kiểm soát được độ ẩm. Trong ESEM, điều này được tự động hóa với màn hình hiển thị trực tiếp điểm cài đặt độ ẩm. Việc hình ảnh hóa các mẫu tự nhiên được hydrat hóa chưa bao giờ dễ dàng đến thế.

Các mẫu như vật liệu sinh học thường được hydrat hóa và truyền thống, tất cả nước đều được loại bỏ bằng phương pháp làm khô thay thế. Với ESEM, các mẫu được hình ảnh hóa trực tiếp mà không cần thay thế và làm khô. Trong Hình 3, các ví dụ về cánh hoa so sánh mức độ hydrat hóa đầy đủ với các điều kiện không phù hợp với nhu cầu của mẫu — điều kiện sau dẫn đến sự sụp đổ cấu trúc.

Tất nhiên, cũng có thể đông lạnh các mẫu đã được hydrat hóa và nghiên cứu trong điều kiện cryogenic (nhiệt độ cực thấp) trong SEM. Tuy nhiên, với ESEM, hướng dẫn chung là tránh đông lạnh. Khi nước đông lạnh, các phân tử tạo thành cấu trúc lục giác, có cấu trúc mở hơn so với nước lỏng và sự chuyển đổi không gian này thường gây hại và làm biến dạng các cấu trúc mẫu ướt (tức là các mẫu có nước tự do đáng kể; thường >25%). Để đông lạnh mà không tạo thành băng lục giác, các kỹ thuật nhúng trong nitơ lỏng nên được sử dụng với các đế cryogenic để đạt được băng vô định hình. ESEM cho phép quan sát các mẫu đã được hydrat hóa trực tiếp mà không cần đông lạnh, như thể hiện trong Hình 4 và 5.

Các mẫu bẩn

Bề mặt mẫu thường không đủ sạch cho các hệ thống chân không cao và điều này gây ra vấn đề cho kính hiển vi điện tử truyền thống. Việc làm sạch mẫu có thể làm hỏng thông tin bề mặt về cơ chế hỏng hóc, trong khi không làm sạch mẫu có thể gây nguy cơ ô nhiễm hệ thống chân không. Đối với các mẫu khác, cấu trúc mềm hoặc xốp thường không bao giờ hoàn toàn cứng lại, và việc thoát khí trong chân không là liên tục. ESEM cung cấp giải pháp để quan sát gần như mọi loại mẫu và thu thập tất cả dữ liệu cần thiết.

Phương pháp xử lý mẫu phụ thuộc vào loại SEM và các tùy chọn làm sạch được cài đặt. Lựa chọn linh hoạt nhất là ESEM được trang bị hệ thống bơm phân đoạn đa tầng, bảo vệ cột khỏi ô nhiễm trong khi dòng khí hình ảnh liên tục đẩy các hợp chất dễ bay hơi ra ngoài, và phát hiện tối ưu giúp thu thập thông tin chính xác. Các mẫu bẩn luôn có thể được quan sát trong ESEM hoặc trong điều kiện chân không thấp. Các mẫu có thành phần dễ bay hơi cũng có thể được làm lạnh bằng khí môi trường có áp suất hơi thấp (như nitơ, NO2 hoặc CO2) để giảm phát thải các hợp chất dễ bay hơi ở chân không thấp.

The Các hình ảnh dưới đây giúp minh họa khả năng quan sát những loại mẫu không truyền thống này. Keo trên một tờ giấy Post-It® từ 3M dính vào nhiều mục đích sử dụng, và các mẫu như thế này có thể gặp vấn đề trong chân không cao. Trong chân không thấp, các hợp chất dễ bay hơi phát ra từ mẫu được xử lý dễ dàng bởi khí hình ảnh hơi nước, khí này được xả qua hệ thống chân không (Hình 6).Trong Hình 7, dầu lọc có vụn kim loại được kiểm tra trong chân không thấp mà không gặp bất kỳ vấn đề nào về hình ảnh. Hệ thống chân không ESEM hiệu quả trong việc giữ cho buồng sạch sẽ, và việc chuẩn bị mẫu tối thiểu là cần thiết.

Thí nghiệm Động học

Khả năng thay đổi độ ẩm mang đến các phương pháp thử nghiệm độc đáo cho vật liệu, bao gồm đo độ ẩm bằng góc tiếp xúc, đo kích thước và hình dạng trong quá trình hấp thụ/giải phóng nước (Hình 8), hành vi tinh thể hóa khi khô và hiện tượng chảy nước trong quá trình hydrat hóa. Việc ghi lại các tập tin video và chuỗi hình ảnh TIFF được hỗ trợ trong phần mềm hệ thống, cho phép đo lường hình ảnh sau khi thu thập dữ liệu trong ESEM. Điều này hữu ích trong nhiều ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu, nơi sự hiểu biết cơ bản phụ thuộc vào các ví dụ hình ảnh ở độ phân giải cao (Hình 9).

Nhiều chất là hygroscopic, có nghĩa là chúng hút nước, thường theo tỷ lệ với độ ẩm tương đối hoặc trên một độ ẩm tương đối quan trọng. Các chất này bao gồm bông, giấy, cellulose, các sản phẩm từ gỗ khác, đường, bột, oxit canxi (vôi đã nung) và nhiều hóa chất, dược phẩm và phân bón. Các ngành công nghiệp sử dụng các vật liệu này hoặc khai thác các quá trình này quan tâm đến cả sự biến đổi và kiểm soát độ ẩm trong sản xuất cũng như hiểu biết về những thay đổi có thể xảy ra trong quá trình lưu trữ dài hạn các vật liệu này. ESEM cung cấp một cách để quan sát và ghi lại những sự kiện này với độ phân giải cao..

WetSTEM

Hệ Thống WetSTEM của Thermo Scientific cho phép quan sát qua các màng nước mỏng và đã được sử dụng để hình ảnh hóa nhũ tương, quá trình khô của cao su latex, và tự lắp ráp các hạt nano. Công nghệ này sử dụng một cảm biến trạng thái rắn dưới mẫu gắn trên lưới TEM với điều khiển nhiệt. Các điều chỉnh tinh vi về nhiệt độ và áp suất cho phép kiểm soát động học tương tự như với các mẫu khối lượng trong ESEM truyền thống. Một số ví dụ dưới đây cho thấy nước giữa các hạt latex (Hình 10) và sự tự lắp ráp của các thanh nano vàng trong dung dịch (Hình 11). Nghiên cứu cơ bản về tổ chức tinh thể đang trở nên khả thi với kỹ thuật mới này, có thể dẫn đến những phát hiện mới.

Tổng kết công nghệ ESEM

Công nghệ ESEM mang đến cho các nhà nghiên cứu cơ hội để điều chỉnh môi trường bên trong SEM theo nhu cầu của mẫu, thay vì phải điều chỉnh mẫu để đáp ứng yêu cầu của kính hiển vi. Cách tiếp cận độc đáo này có nhiều lợi ích cho cả khoa học đời sống và khoa học vật liệu.

Để biết thêm chi tiết về công nghệ ESEM và Application Note hoàn chỉnh, xin vui lòng liên hệ ADGroup