纤维样品

上期中我们着重介绍了Axia拍摄纤维样品时，在样品喷金的条件下，所获得的高质量图片，以及能谱相关成分信息。通常，对于纤维、纸张这样导电性差的样品，在电镜高能电子束连续扫描过程中，样品表面会逐渐累积负电荷，严重时产生荷电效应，造成图像晃动、亮度突变的问题。解决这一问题通常的方法是在样品表面镀一层金膜或者碳膜以提高样品的导电性。然而，这一过程费时费力，对于样品的微观形貌细节也会造成影响，尤其是对于珍贵样品或者还需要进行能谱分析等原位观察的样品，镀膜会对样品造成不可逆转的破坏。因此，喷金并非不导电样品的首选方法。低真空模式同样适用于不导电样品。低真空模式在处理非导电样品时具有多个优势，它不仅可以实现无电荷成像还可以提高材料对比度，并使用更高的电子束流进行化学分析。低真空扫描电镜技术是通过在样品室内通入少量的气体/水蒸气实现的。少量的空气进入扫描电镜样品室，在电子和气体分子之间通过碰撞产生正离子，当这些正离子电流达到样品完全抵消全部负电荷时，也就是出现了所谓的电荷平衡，从而消除了样品表面的荷电效应。上图1~4是纤维样品在不喷金，低真空模式下拍摄的图片。1、2为背散射图像，3、4为二次电子图像，在两种图像模式下，Axia均表现出优异的成像功能。Axia ChemiSEM提供的低真空模式，可调节压力到最高150Pa，支持各种不同的样品。然而，低真空模式也并非始终是首选，在突出样品表面细节时，需要较低的着陆能量，否则这些细节会随着高加速电压而变平。例如观察纤维制品时, 不经过镀导电膜, 看原始形态, 将电压下调到1kV或以下, 既满足样品少放电, 又有足够的信号强度。图5~8为低电压下的纤维形貌, 可清楚看到纤维形态的差异, 与高电压下的图像相比，纤维表面突显出更细微的结构, 表面的颗粒感变得更为明显。通过对比，我们可以看到，Axia在1KV电压下的成像效果丝毫不落后于场发射低电压下的成像效果。Axia ChemiSEM提供了最有效的减少电荷策略，允许在高真空、电子束减速(BD)模式下为电子束敏感样品成像。电子束减速是一种光学模式，其中用施加在样品架上的负电位使样品产生偏压，使原电子在着陆前减速。因为加速电压高于着陆能量，所以可提高最终分辨率。此外,电子束减速模式能够检测到几乎平行于样品表面的低角度背散射电子(低角度BSE)，从而增强了表面的拓扑结构。工业和先进的材料表征机构通常会处理未知材料和应对各种各样的要求。因此，全面的解决方案、分析功能和处理绝缘或电子束敏感样品的能力显得尤为重要。全新的 Axia ChemiSEM具有极佳的全方位性能，可为不同类型材料的表征提供最多的信息。 参考文献：[1]周广荣.低真空扫描电镜技术在材料研究中的应用[J].分析仪器,2012(06):39-42.[2]吴东晓,张大同,郭莉萍.扫描电镜低电压条件下的应用[J].电子显微报,2003(06):655-656.

随着经济的发展和人们生活水平的提高，纤维制品已经成为我们生产和生活的必需品，为了满足人们对纤维制品的高要求，各种纤维制品推陈出新，质地复杂多变，与此同时也给纤维的检验工作带来新的挑战。纤维制品的检测方法有多种，扫描电镜凭借其出色的特点在纤维微观形态分析方面发挥重要的作用，特别是扫描电镜-能谱仪的应用，更加适用于纤维的检验，被普遍应用于各个行业。 Axia ChemiSEM是新一代的扫描电镜，旨在提供最高效的SEM-EDS用户体验。Axia ChemiSEM将无需对中的操作与独有的即时定量元素分布图结合在一起，让之前从未接触过扫描电镜的用户也能轻松操作。Axia ChemiSEM的全新平台支持业内最大的扫描电镜样品重量，在牢固性和灵活性方面达到了全新的高度。 利用扫描电子显微镜扫描纤维织物表面的微观区域，观察织物纤维与纤维交联处的微观特征，确定相关成分含量，并通过观察其表面光滑程度以及粗细，对研究改性的生产工艺，开发新用途都具有重要的意义。上图1~4是利用Axia的ETD探头，在样品喷金的条件下，所获得的扫描电镜图像。图中从500倍~10000倍，我们均获得了高质量的清晰图片。即使在高倍条件下，纤维表面的附着物依然清晰可见。上图5是采用Axia的CBS探测器所获得的衬度像。Axia的背散射电子探测器是一个2分割的可伸缩探测器，可以呈现优异的衬度像。并且，内环可采集高角度背散射电子(BSE)以提供纯粹的成分衬度，而外环则可接收低角度BSE以提供拓扑结构信息。图6、7是ColorSEM实时能谱。图中信息显示了纤维的主要成分，并实时显现在分析图像上。Axia ChemiSEM提出了全新的EDS分析理念，优化了收集、处理和呈现样品成分信息的流程。使用 Axia ChemiSEM，电子束打开后用户即可通过图像中的颜色来观察定量元素信息。这样，相关的成分信息便即时可用，同时减少了传统EDS工作流程的大多数步骤。这极大地提高了分析的速度、易用性和完整性。 参考文献：[1]黄滟波,刘站.扫描电镜低真空模式在纤维表面形貌分析中的应用[J].造纸科学与技术,2014,33(01):69-72.[2]马非非,徐亚民.扫描电镜的原理及其在纤维物证鉴定方面的应用[J].中国纤检,2008(05):30-31.

Siti Nur Afifa Azman , Eleonora Pavoni , Marco Farina扫描微波显微镜（SMM）在提供亚表面结构的成像和允许样品的局部定量表征方面是突出的。一种被称为反向扫描微波显微镜（iSMM）的新技术是最近开发的，旨在扩大该应用，超出当前对表面物理和半导体技术的关注。通过一个简单的金属探针，iSMM可以从现有的原子力显微镜（AFM）或扫描隧道显微镜（STM）转换而成，从而在带宽、灵敏度和动态范围方面形成传统的SMM。iSMM主要用于分析生物样品，因为它可以在液体中工作。扫描微波显微镜（SMM）[1]是扫描探针显微镜（SPM）[2]家族中的一种仪器，该家族包括众所周知的原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）。在SMM中，用作天线的探头在表面附近进行光栅扫描，在扫描过程中，记录微波信号的局部反射系数，提供关于表面和亚表面阻抗的信息。SMM的一个基本优点是它能够通过利用纳米探针和样品本身之间的近场电磁相互作用来定量表征样品的电磁特性。在一些实施方式中，矢量网络分析仪（VNA）被用作微波信号的源和检测器，通过导电探针辐射和感测微波信号。通常，SMM与一些其他SPM技术（例如AFM或STM）协同工作，提供了一种控制和保持探针和样品之间距离恒定的机制。基于SPM的SMM显微镜的使用最近在生物和生物医学领域获得了更多的关注，这是由于该技术能够测量与生理病理条件密切相关的电磁参数。然而，在极端环境（如用于保持细胞健康的生理缓冲液）中喂养SPM探针已被证明极具挑战性。作者于2019年引入的一种称为倒置SMM（iSMM）的新设置[3]克服了原始SMM与生理环境相关的大多数限制：倒置SMM的结构成本低、易于获得，并且与生理环境兼容，这也使得SMM能够应用于生物生活系统。其想法是将进料从探头移动到样品架；在iSMM中，样品保持器是一条传输线，通过该传输线测量反射和透射，而SPM探头（交流接地）仅干扰通过样品的传输线。因此，任何现有的SPM都可以创建iSMM，只需提供适当的样本保持器，当然，还可以使用软件同步传输线上的测量和SPM扫描。需要强调的是，所提出的系统是宽带的，能够实现频谱分析、时域分析和微波层析成像。到目前为止，SMM已被用于表征活的生物细胞，尽管在生理缓冲液中操作存在挑战[4，5]。除此之外，它还被用于负责细胞呼吸和能量生产的亚细胞细胞器，如线粒体[6]。iSMM已证明能够克服液体操作的局限性，这是首次在生理缓冲液中成功地对活细胞进行微波成像[3]。仪器开发几年来，研究活动一直基于一种自制的STM辅助SMM，该SMM是通过将Imtiaz[7]的系统的一些特性与Keysight[8]开发的系统混合而构建的。在这里，特别是结合了标准隧道显微镜，其反馈电路用于将探针与样品保持在给定距离，并在反射计设置中使用微波信号。然而，与Keysight仪器和其他可用设备不同，该仪器没有谐振器；因此，显微镜可以在VNA允许的整个频率范围内记录数据。具体而言，该系统利用并控制一台商用STM显微镜、NT-MDT的Solver P47和一台Agilent矢量网络分析仪PNA E8361，其带宽为67 GHz，动态范围为120 dB。例如，该技术被应用于线粒体成像[9]，以评估干燥的癌细胞，并被特意处理以确定掺入的富勒烯的存在[10]。通过利用在多个相近频率下获得的图像的相关性，并使用一种权宜之计，即时域反射法[11-13]，提高了系统灵敏度，这可以通过使用尖端/样本相互作用对微波信号进行“扩频”调制来理解；在频谱上传播的信息通过傅里叶逆变换在单个时间瞬间折叠来恢复。STM辅助的SMM提供了非常高质量的图像，减少了由于地形“串扰”而产生的伪影，即由于扫描期间探针电容的变化而产生的地形副本。然而，STM在处理导电性较差的样品（如生物样品）时极具挑战性，在液体中使用时更为困难。图1A）中所示的传统SMM通常是从AFM（或STM）获得的，其中微波信号被注入并由反射测量系统感测：反射信号和注入信号之间的比率，即所谓的反射系数（S11），可用于确定样品的扩展阻抗或介电常数，经过适当的校准和分析。这种单端口反射测量通常具有40-60dB的动态范围，这受到定向耦合器的限制。在图1（B）所示的iSMM配置中，导电扫描探针（AFM或STM）始终接地，微波信号通过传输线（例如共面波导、槽线）注入，以这种方式，传输线成为样品保持器。传输线的输入和输出连接到VNA，从而可以测量反射和传输信号（分别为S11和S21）[3,14,15]。这种双端口测量通常具有120−140 dB，这使得当接地探头扫描样品时更容易感测到接地探头引起的微小扰动。图1：（A）基于AFM的传统SMM和（B）倒置SMM的示意图。图2：干燥Jurkat细胞的同时（A）AFM和（B）iSMM|S11|图像。Jurkat细胞和L6细胞的iSMM表征最初，在干燥的Jurkat细胞以及干燥的和活的L6细胞上证明了iSMM[3]。图2显示了干燥Jurkat细胞的AFM和iSMM S 11图像的比较。同时，图3比较了盐水溶液中活L6细胞的AFM和iSMM S 21图像。iSMM S 11和S 21信号分别在4 GHz和3.4 GHz下滤波。干燥Jurkat细胞的iSMM S 11图像显示出与AFM相同的质量，而活L6细胞的iSMMS 21显示出由双端口SMM在液体条件下测量的透射系数形成的最佳质量。在这项工作中，透射模式测量的校准程序[16]应用于干燥L6电池的iSMM S21。图4说明了校准的效果，显示了AFM形貌图像、被样品形貌破坏的iSMM S21电容图像以及在6.2 GHz下去除了干燥L6电池的形貌效应的iSMM S 21介电常数图像。正如预期的那样，在干燥电池的外围附近出现了脊，但整个电池的介电常数为2.8±0.7。本质上，该值与电解质溶液中脂质双层的值相当[17]，但低于干燥大肠杆菌的值[18]。随后，对干燥的Jurkat细胞进行了iSMM反射模式测量的定量表征[19]。图3：盐水溶液中活L6细胞的同时（A）AFM和（B）iSMM|S21|图像。图4：干燥的L6电池的（A）AFM形貌、（B）iSMM|S21|电容和（V）iSMM| S21|介电常数图像。图5：（A）AFM形貌，（B）iSMM|S11|，（C）iSMMφ11，和（D）干燥Jurkat电池的介电常数图像。图6：（A）AFM形貌，（B）iSMM|S11|，（C）iSMM| S21|，（D）时间门控iSMM|S 11|，和（E） 葡萄糖等渗溶液中相同线粒体的时间门控iSMM|S21|图像。图5显示了AFM形貌、原始iSMM S11的大小以及在4GHz下同时获得的相位。该图显示了带样品和不带样品的区域之间的良好对比，揭示了与表面和亚表面区域中不同的电特性相关的其他特性。按照已经描述的算法校准原始iSMM S11图像[20]。图5（D）显示了干燥的Jurkat电池的提取介电常数图像，其约为2.6±0.3，并且在电池上均匀。该值与传统SMM在干燥的L6细胞上获得的先前数据一致[21]。生活环境中线粒体的iSMM表征iSMM的最新工作是在完全浸入液体中的线粒体上进行的，以非接触模式操作，最大限度地减少了对样品的损伤[22]。图6（A）、图6（B）和图6（C）显示了AFM形貌图像，其中iSMM图像S11和S21在直径约为1µm的同一线粒体上同时采集。在1.6-1.8GHz的频带上对iSMM信号进行滤波和平均。显然，|S11|和|S21|图像质量相当，并且都揭示了AFM图像中不存在的细节。由于线粒体是不导电的，所以从周围的CPW电极可以很容易地看到对比。与大多数SMM不同，iSMM能够进行宽带测量。因此，它使iSMM从1.6GHz到1.8GHz测量的S11和S21信号能够通过傅里叶逆变换变换到时域。随后，可以门控掉不需要的信号，以进一步提高SNR[13，20]。最后，图6（D）和图6（E）显示了时间门控iSMM S11和S21图像，显示了更精细的细节。iSMM探针和线粒体之间的相互作用阻抗可以从S11和S21测量中获得。反过来，可以提取线粒体介电性质的局部变化，正如SMM对活细胞所做的那样[3]。总结iSMM能够对生物样本的细胞内结构进行无创和无标记成像。iSMM可以通过任何现有的扫描探针技术轻松获得，只需使用合适的样品夹，为大多数实验室提供了利用该技术的机会。Jurkat细胞、L6细胞和线粒体的iSMM图像显示出良好的灵敏度和质量，显示了AFM形貌中无法看到的细节。通过实施为传统SMM开发的校准算法，分别对干燥的Jurkat细胞和L6细胞进行透射和反射模式测量的定量表征。Jurkat细胞的介电常数被确定为约2.6±0.3，而L6细胞显示为约2.8±0.7。时域分析定性地改进了iSMM，并提供了对样品（如线粒体）的更多了解。致谢我们要感谢我们的研究小组和所有为本报告的科学结果做出贡献的人。这项工作的一部分获得了欧洲项目“纳米材料实现下一代物联网智能能源收集”（NANO-EH）（第951761号赠款协议）（FETPROACT-EIC-05-2019）的资助。我们还要感谢来自意大利SOMACIS的Francesco Bigelli博士和Paolo Scalmati博士在实现样品架原型方面的帮助。附属机构：1 Department of Information Engineering, Marche Polytechnic University, Ancona, Italy联系；Prof. Dr. Marco Farina Department of Information Engineering Marche Polytechnic University Ancona, Italy m.farina@staff.univpm.it 参考文献：https://bit.ly/IM-Farina 原载：Imaging & Microscopy 4/2022. Inverted Scanning Microwave Microscopy—— Application and Perspective on Biological Samples供稿：符 斌，北京中实国金国际实验室能力验证研究有限公司