Laboratorio microscopia elettronica a scansione (SEM) e microanalisi (EDS)

Petro08Il microscopio elettronico a scansione (SEM) usa gli elettroni come fonte di illuminazione al posto della luce (microscopio ottico) consentendo così di ottenere una maggiore risoluzione. E' usato per investigare le microstrutture e associato alla microanalisi (EDS) consente di calcolare le composizioni chimiche di materiali organici ed inorganici.

Come funziona il SEM

Schema SEMI componenti principali del SEM sono:

  • la fonte di elettroni (filamento di tungsteno);
  • la colonna dove viaggiano gli  elettroni emessi, che contiene un numero di lenti per la focalizzazione del fascio;
  • una camera contenente i campioni da analizzare.

Gli elettroni sono prodotti in cima alla colonna, sono accelerati verso il basso e passano attraverso una combinazione di lenti e aperture che producono un raggio sottile (probe) di elettroni che colpisce la superficie del campione. Nei microscopi elettronici ci sono due lenti elettromagnetiche: il condensatore e l'obiettivo. Il condensatore controlla il numero di elettroni nel fascio (la corrente) per una data dimensione dell'apertura, e la lente obiettivo è responsabile della focalizzare degli elettroni sul campione. 

Il campione è montato su uno stage contenuto nella camera e, sia la colonna che la camera sono sotto vuoto. Il fascio elettronico ad alta energia (20 eV) che interagisce con la superficie del campione  genera una serie di segnali che sono rilevati dall’apposito detector.

In particolare, per ogni punto scandito si producono:

  • elettroni secondari (SE), sono gli elettroni in origine legati ai livelli atomici più esterni, che ricevono dal fascio incidente un’energia addizionale sufficiente ad allontanarli. Hanno un energia compresa tra 0 e 50 eV e sono emessi da spessori superficiali del campione (~10nm). Sono frequentemente utilizzati per lo studio della morfologia superficiale.
  • elettroni retrodiffusi (BSE), rappresentano quella porzione di elettroni del fascio che viene riflessa con energia che va da 50 eV fino a quella di incidenza. Sono portatori di segnali principalmente compositivi e morfologici (topografici) e provengono da profondità massime di alcuni µm. La quantità di BSE dipende oltre che dalla morfologia della superficie anche dal numero atomico medio del materiale presente nel piccolo volume irradiato dal fascio. L’immagine BSE rispecchia la variazione del numero atomico medio all’interno del campione e permette quindi di individuare i minerali che costituiscono le diverse parti del campione.
  • Raggi X, caratteristici degli elementi che compongono il campione in esame, possono essere registrati e discriminati sulla base della lunghezza d’onda (WDS) o dell’energia (EDS). L’intensità di queste radiazioni caratteristiche è proporzionale alla concentrazione dell’elemento nel campione. La microanalisi ai raggi X dà informazioni specifiche circa la composizione degli elementi del campione, in termini di quantità e distribuzione.

Preparazione dei campioni

metall9Per le analisi chimiche dei minerali e dei vetri è necessario che la sezione sottile (non necessariamente trasparente) sia piana e lucida.

Le sezioni per le indagini al microscopio elettronico vengono preparate nel laboratorio di sedimentologia. Il materiale viene incollato con resine epossidiche di vario tipo su di un vetrino, spianato con troncatrice di precisione e portato a spessore a mano, utilizzando  carte abrasive da 60, 30, 15, 6, 3 micron. Un ulteriore passaggio, consiste nella lucidatura della superficie del campione utilizzando l'allumina con granulometria da 1 a 0,5 micron. Successivamente la sezione piana per essere resa conduttiva viene metallizzata con un film di grafite di spessore noto (25 mm).

Tipi di analisi

Il SEM associato all'EDS è utilizzato principalmente per lo studio e l'analisi dei minerali e dei vetri componenti i prodotti effusivi ed esplosivi dei vulcani Etna e Stromboli. Inoltre è ampiamente utilizzato per lo studio morfoscopico delle ceneri.

  • Analisi qualitative: Attraverso la visualizzazione dello spettro di emissione è possibile individuare i diversi elementi (e le relative proporzioni) che compongono un minerale e un vetro.

Qualitativa 01 

  • Analisi semi-quantitative - Mappe degli elementi: L'intensità dei raggi X caratteristici di ogni elemento è proporzionale alla concentrazione dell'elemento stesso nel campione. L'immagine digitale delle intensità (espressa come luminosità) dei raggi X caratteristici fornisce pertanto una mappa semiquantitativa della distribuzione dell'elemento sulla superficie del campione. Più mappe relative a diversi elementi possono essere opportunamente combinate per discriminare le diverse fasi.
    Le mappe possono essere fatte o su tutta l'intera immagine (a) o su un'area ridotta della stessa oppure lungo una linea (LINESCANS) (b).

 Semiquantitativa

  • Analisi quantitative: L'analisi quantitativa permette di valutare le concentrazioni degli elementi che compongono il campione in esame (minerale/vetro). A tale scopo, le intensità dei raggi X emessi dal campione in esame vengono confrontate con quelle emesse dagli standards di riferimento per i quali sono note le concentrazioni degli elementi che si vogliono misurare. La concentrazione apparente (Cappx sam) di ogni elemento "x" misurato è data da:

Cappx sam = Cx std (Ix sam/Ix std) dove:

        • Cx std =  concentrazione dell’elemento "x" nello standard,
        • Ix sam = intensità dell'elemento "x" nel campione
        • Ix std = intensità dell'elemento "x" nello standard.

Si assume che le misure dello standard e del campione siano state fatte nelle stesse condizioni strumentali.

Il valore calcolato Cappx sam verrà corretto per l’effetto della composizione della matrice all’interno della quale l’elemento “x” si trova. Questa correzione da apportare dipende dal fatto che:

      • la massa penetrata dai diversi elementi non è costante (correzione stopping power);
      • parte degli elettroni incidenti sfuggono dalla superficie del campione dopo essere stati deflessi, e quindi non vengono rilevati (correzione di backscattering);
      • i raggi X vengono attenuati dopo avere attraversato per una certa profondità il campione (correzione per assorbimento);
      • l’intensità dei raggi X viene aumentata per effetto della fluorescenza di altri raggi X generati nel campione (correzione di fluorescenza).

INCA energy utilizza come correzione dell’effetto di matrice, la procedura XPP che permette di lavorare con ottimi risultati in diverse condizioni rispetto ad altri metodi quali ZAF e Phi-Rho-Z. Le analisi, automaticamente corrette e ricalcolate dal software INCA, possono essere facilmente visualizzate e  esportate.

Quantitativa

  • Analisi morfoscopiche: Lo studio morfoscopico è condotto essenzialmente sulle ceneri. Questa analisi fornisce i dati preliminari sul processo che ha causato la frammentazione del magma:
      • essoluzione dei volatili
      • interazione con acqua
      • abrasione meccanica

Inoltre questa indagine permette di differenziare i clasti litici di origine vulcanica e non. I forti ingrandimenti raggiunti consentono inoltre di individuare sulle superfici la presenza di minerali secondari (gesso, clorite, calcite).

Vescicolati 01

Clasti vescicolati freschi con superfici lisce e contorno irregolare e spinoso senza tracce di alterazione superficiale.

Vescicolati 02

Clasti vescicolati di forma variabile da subangolare ad arrotondata.

Adhering dust 01

Frammenti rivestiti da "adhering dust".

Striature 01

Cristalli con striature dovute all'abrasione meccanica.

Litici 01

Frazione litica fortemente alterata.

Clorite

Clorite

Calcite

Calcite

Gesso

Gesso

 Lucia Miraglia (2012) - Caratteristiche del sistema analitico SEM-EDS: valutazione dell’accuratezza e della precisione delle analisi eseguite su standards internazionali di minerali e vetri.  Rapp. Tec. INGV, 233, pp. 5-17.