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MÉTODOS EXP. FÍSICA EM BIOCIÊNCIAS
LUDMILA ALEM
Microscopia de Varredura por Sonda
(Scanning Probe Microscopy – SPM)
SPM - INTRODUÇÃO
Qualquer microscopia onde uma sonda varre a superfície de uma amostra e na qual a interação ponta-amostra é monitorada.
Utilizada em uma ampla variedade de disciplinas.Obtenção de imagens com alta resolução que chegam ao
nível atômico.Análise das amostras:o Características: morfológicas e moleculares em escala
nanométrica.o Propriedades: elásticas, magnéticas, elétricas, físico-
químicas, condutividade, dureza, rugosidade dentre outras.
SPM - INTRODUÇÃO
Técnica bastante versátil:o Amostras não requerem preparo especial.o Vasto tipo de amostras : materiais condutores,
semicondutores, eletricamente isolantes (vidros, cerâmicas, polímeros) e materiais de origem biológica.
o Possibilidade de operação em diversos meios: líquido, gasoso, ambiente, ultra-vácuo.
o Estudo do material biológico “in vivo” Ex: Alterações na topografia de membranas (bicamada lipídica)
na presença de anestésicos.o Análises “in situ”Ex: Fenômeno de corrosão de materiais em meio aquoso.
SPM - INTRODUÇÃO
FAMÍLIA DE TÉCNICAS PERTENCENTES AO GÊNERO “VARREDURA POR SONDA” - SPM
Microscopia de Varredura por Tunelamento (STM) - 1ª Técnica SPM a ser criada.
Microscopia de Força Atômica (AFM) Microscopia de Força Lateral (LFM) Microscopia de Contraste de Fase (PCM) Microscopia de Modulação de Força (FMM)
Microscopia de Força Magnética (MFM)Microscopia de Força Elétrica (EFM)
SPM - INTRODUÇÃO
FAMÍLIA DE TÉCNICAS PERTENCENTES AO GÊNERO “VARREDURA POR SONDA” – SPM
Microscopia de Varredura Térmica (SThM) – Técnica SPM mais recente.
Microscopia de Varredura de Campo Próximo (SNOM)
HISTÓRICO
1624/1590: Microscopia ótica Irmãos holandeses Franz, Johan e Zacarias Jensen
criaram um artefato que utilizava um sistema de lentes para aumento de objetos e estruturas.
Limite de resolução: 0,2µm (200nm)1931: Microscopia Eletrônica de Transmissão
Ernst Ruska e seus colaboradores 1939: Primeiro MET comercial pela empresa Siemens Limite de resolução: 0,002µm (0,2nm)
HISTÓRICO
1935: Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Concepção do termo por M. Koll 1965: Primeiro MEV comercial (Cambridge Scientific
Instrument) Limite de resolução: 0,3nm
1982: Microscópio de Varredura por Tunelamento (STM) – Primeiro com a técnica da Microscopia de Varredura por Sonda. Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, em Rüschlikon, na
Suíça.1986: Microscópio de Força Atômica (AFM)
Gerd Binnig, Calvin Quate e Christoph Gerber
SPM – Componentes comuns
A: Sonda Mecânica
B: “Scanner"- constituído de material cerâmico – PZT
C: Mecanismo de monitoração sonda-amostra
D: Sistema de posicionamento preliminar da sonda sobre a amostra
E: Computador que controla todo o sistema
F: Amostra
SPM – Imagens a nível atômico
•Superfície do mineral “mica” em uma área de 12,5 x 12,5 nm²
•Observar periodicidade da rede cristalina.
•Os parâmetros A, B e C são as distâncias entre dois átomos mais próximos nas direções das 3 retas indicadas.
•Cálculos das distâncias atômicas em diferentes direções (parâmetros A, B e C) determinam a precisão da técnica e calibram o equipamento. (AFM)
Microscópio de Força Atômica
Microscopia de Força Atômica
Fig 4. Ilustração do princípio de funcionamento do Microscópio de Varredura por Força .
Desenvolvimento da técnica
Amostra depositada sobre o scanner será ‘’lida’’ pela sonda.
Essa leitura é monitorada através da emissão de um feixe de laser que incide sobre o cantilever. O feixe é refletido e atinge um fotodetector sensível a posição. (PSPD)
O PSPD mede a deflexão do cantilever enquanto a amostra é varrida.
O cantilever sofre deflexão devido a mudança na força de interação entre a ponta e a amostra que é provocada pelas diferenças de altura encontradas na superfície varrida.
Deflexão=Variação na amplitude de vibração
Desenvolvimento da técnica
Fig 5. Monitoramento da varredura da amostra através da reflexão de feixe de laserincidido no cantilever.
Desenvolvimento da técnica
O computador que controla a operação é configurado previamente com um set point para as medidas de força/amplitude de vibração, como referências para o sistema.
A leitura da amostra retorna um sinal de erro que re-alimenta o movimento do scanner piezoelétrico na direção z (modo constante de força). Sistema de feed back
O número de ‘’ciclos’’ desse processo é gravado em uma matriz e convertido através de fatores de conversão provenientes de calibração, na imagem topográfica da amostra.
Desenvolvimento da técnica
Produz um sinal (uma forma de onda periódica) que faz o cantilever vibrar na sua frequência de ressonância.
Ressonância: objeto vibra na sua frequên-cia natural com amplitude máxima.
Forças atuantes entre ponta-amostra: Van der Waals
Desenvolvimento da técnica
3 modos de operação: Modo Contato
Eficiente para amostras mais rígidas Modo Não contato
Ideal quando a amostra é frágil ou elástica Modo Contato Intermitente – Tapping Mode
Cantilever oscila na sua frequência de ressonância e toca a amostra a cada ciclo de oscilação.
Ideal pois não danifica a amostra, elimina outras forças que podem atuar (friccção) e é mais indicado para varredura de amostras que possam ter grandes variações topográficas.
Desenvolvimento da técnica
Fig. 6 Gráfico força vs modo de operação AFM
Desenvolvimento da técnica
ELASTICIDADE
ADESÃO
Obtenção da Curva de Força
Elementos - AFM
Sonda (cantilever + agulha): Si3N4, Si, SiO2
Si3N4 : Forma PiramidalVarredura AFM – Modo Contato
Si e SiO2: Forma CônicaVarredura AFM – Tapping Mode
Si3N4: nitreto de silício – Si: silício - SiO2: dióxido de silício
Potenciais aplicações da SPM na Ciência Forense
“Potential applications of Scanning Probe Microscope in Forensic Science”G S Watson and J A Watson – Journal of Physics, Griffith University - Australia
Referências
http://www.meib.uff.br/?q=content/qual-diferen%C3%A7a-entre-microsc%C3%B3pio-%C3%B3tico-e-eletr%C3%B4nico
http://www.neurofisiologia.unifesp.br/microscopiodeluz.htm
http://www.converter-unidades.info/conversor-de-unidades.php?tipo=comprimento
http://cienciaecultura.bvs.br/scielo.php?pid=S0009-67252013000300013&script=sci_arttext
Caracterização de Materiais, Prof. Dr. Herman S. Mansur, 2011, UFMG Técnicas de Caracterização: AFM e SPM, Mariana Pojar, 2011, USP Microscopia de Varredura por Sonda aplicada a materiais biológicos, 2007, Gabriela Simone Lorite,
Unicamp. Microscopia eletrônica de varredura : aplicações e preparação de amostras : materiais poliméricos,
metálicos e semicondutores [recurso eletrônico] / Berenice Anina Dedavid, Carmem Isse Gomes, Giovanna Machado. – Porto Alegre : EDIPUCRS, 2007.
Microscopia de varredura por sonda mecânica: uma introdução -(Scanning probe microscopy: an
introduction) B. R. A. Neves, J. M. C. Vilela e M. S. Andrade - Laboratório de NanoscopiaFundação Centro Tecnológico de Minas Gerais – CETEC Av. José Cândido da Silveira, 2000 – Horto Belo Horizonte, MG 31170-000 [Disponível online: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0366-69131998000600002]
Potential applications of Scanning Probe Microscope in Forensic Science” G S Watson and J A Watson – Journal of Physics, Griffith University - Australia
Algumas T´ecnicas de Microscopia de Varredura por Sonda Utilizadas para a Caracterização Elétrica de Dispositivos semicondutores - Adriana Borges Teixeira, Janeiro de 2009
