Приложение А (справочное). Отбор и подготовка образцов для анализа методами электронной микроскопии

Приложение А
(справочное)

Отбор и подготовка образцов для анализа методами электронной микроскопии

А.1 Общие положения

При анализе частиц аэрозоля методами электронной микроскопии необходимо соблюдать жесткие требования к образцам, сводящиеся к использованию специальных методов их отбора и подготовки. Поскольку методы анализа на SEM и ТЕМ различны, методики отбора и подготовки образцов будут значительно отличаться. Однако в обоих случаях для анализа необходимы фильтры с равномерно осажденными частицами, с минимальным перекрыванием частиц.

А.2 Сканирующая электронная микроскопия

Образцы для SEM обычно помещают на токопроводящий столбик или диск из алюминия или графита. Главное требование для обычного SEM - наличие токопроводящего соединения между точкой, в которой электронный пучок падает на образец, и подложкой. Если токопроводящие частицы отбирают не напрямую на токопроводящую подложку, то на образец наносят тонкое металлическое или графитовое покрытие, обеспечивающее беспрепятственное прохождение электронов. Неудовлетворительная электрическая проводимость образца приводит к локализации заряда в SEM и плохой или искаженной передаче изображения. Покрытие на образец обычно наносят с помощью серийно выпускаемого распыляющего устройства для нанесения покрытия, с помощью которого под вакуумом можно нанести слой атомов толщиной несколько нанометров. Также могут быть использованы другие способы осаждения из паровой фазы.

Поскольку на пробы частиц аэрозолей обязательно должно быть нанесено покрытие перед получением изображения на SEM, частицы можно собирать и на непроводящие подложки. В связи с этим SEM особенно удобен для исследования проб частиц, отобранных на фильтры или подложки импакторов. В этих случаях подготовка пробы перед нанесением покрытия заключается в прикреплении небольшой части подложки с пробой к держателю образца с помощью токопроводящего клея. Наиболее распространен метод крепления с использованием двухсторонних клейких токопроводящих прокладок, на которые дополнительно точечно нанесен коллоидный раствор серебра или графита для обеспечения хорошего токопроводящего соединения между верхней поверхностью пробы и держателем образца. Поскольку образец помещают в SEM под вакуумом, а в месте его контакта с электронным пучком, вероятно, будет происходить локальный нагрев, подложки для отбора проб не должны включать масляные, смазочные или другие летучие вещества.

Если имеется возможность использовать разнообразные подложки для анализа с помощью SEM, то наиболее эффективны те подложки, которые обеспечивают совершенно ровную опору для частиц. Отбор проб на фильтры - один из наиболее простых способов отбора проб аэрозолей для анализа с помощью SEM. Трековые поликарбонатные фильтры имеют гладкую поверхность с порами одинакового диаметра, наилучшим образом подходящую для последующего анализа с помощью SEM. Хотя на эти фильтры могут быть отобраны частицы, размер которых меньше размера пор фильтра, предпочтительно свести к минимуму внутреннее осаждение частиц за счет использования фильтров с размером пор, сравнимым с размером самых мелких частиц, которые являются целью исследования.

Для отбора проб импакторами используют подложки с гладкой поверхностью. Дополнительное преимущество отбора проб каскадным импактором - получение проб, содержащих частицы в пределах узкого диапазона размеров. В импакторах часто происходит перегрузка пластин, приводящая к перекрыванию частиц на подложке, поэтому необходимо предпринимать меры для предотвращения перегрузки.

Отбор проб частиц диаметром меньше нескольких сотен нанометров для анализа на SEM усложняется при отборе проб с использованием фильтров и импакторов. Обычно частицы диаметром вплоть до 20 нм могут быть отобраны непосредственно на подложки для SEM путем электростатического осаждения. Придание заряда аэрозолю перед отбором проб значительно увеличивает эффективность улавливания. В электростатических установках для осаждения частиц за счет разряда между острием и плоскостью совмещены наведение заряда и осаждение под действием поля с использованием острой коронирующей иглы в качестве одного электрода и плоской поверхности для улавливания пробы в качестве второго электрода. Для частиц размером больше 20 нм эффективность улавливания приближается к 100%. При уменьшении размера частиц снижается эффективность наведения заряда, что приводит к более низким значениям эффективности улавливания частиц. Для проб, полученных в электростатических установках для осаждения частиц, характерно равномерное распределение частиц по поверхности подложки, что позволяет проводить анализ отдельных частиц на SEM.

С помощью ESEM пробу анализируют при низком вакууме; таким образом, снимаются некоторые требования к образцам, установленные для анализа на обычном SEM. Камеру ESEM для образца заполняет газ или пар под низким давлением, создающий в камере условия для электронного разряда. Таким образом, пробы не обязательно должны быть токопроводящими. Однако поскольку в режимах передачи изображения и анализа на ESEM получают информацию по образцам, отличную от получаемой с помощью обычного SEM, необходимо точно определить, какой метод SEM или ESEM (если есть возможность применять их оба) наилучшим образом подходит для анализа конкретного образца.

А.3 Просвечивающая электронная микроскопия

Пробы для анализа с помощью ТЕМ следует отбирать на тонкую прозрачную подложку для электронов, что позволяет пропущенные электроны использовать для формирования изображения и его анализа. Таким образом, требования к отбору и подготовке образцов для ТЕМ более жесткие по сравнению с SEM. В ТЕМ обычно применяют держатели образцов, предназначенные для крепления сетчатых дисков диаметром 3 мм. Эти сетки могут быть изготовлены из разных металлов (наиболее широко для этого используют медь и никель) и применяются в ряде конструкций в качестве подложки для различных проб. При анализе частиц аэрозолей наиболее часто используют сетки, покрытые тонким слоем графита или пленкой оксида кремния. Также широко используют сетки для образцов, покрытые полиформальдегидной пленкой, сами по себе или в качестве основы под тонкое графитовое покрытие. Сетки такого типа подходят для анализа частиц большего размера, но при их использовании могут возникнуть проблемы с формированием изображения и наличием примесей - особенно при анализе наночастиц с помощью ТЕМ высокого разрешения.

Сетки, покрытые графитом, выпускают в виде сплошных пленок, пленок с редкими отверстиями (дырчатая графитовая пленка) или кружевовидных графитовых пленок. Формообразующая основа обеспечивает сбор и формирование изображений частиц на зонах непрерывной пленки большой площади, при этом могут быть определены размер и форма большого числа частиц. Однако часто необходимо иметь доступ к поверхности образца, не затрагиваемой электронным пучком, для регулировки положения пучка или анализа частиц, находящихся на краю подложки, без мешающего воздействия подложки. В этих случаях для улавливания частиц лучше подходит дырчатая или кружевовидная пленка.

Предпочтительно отбирать частицы непосредственно на сетчатую подложку, входящую в комплект ТЕМ, при этом исключается этап вторичной подготовки образца. Электронной проводимости наночастиц обычно достаточно и можно не наносить на образцы покрытие, как в случае с образцами для SEM. Существует ряд способов улавливания частиц на сетчатые подложки ТЕМ, в том числе размещение подложек на лицевой поверхности фильтра или пропускание воздуха через кружевовидную графитовую пленку. Однако на практике в большинстве случаев используют электростатическое или термическое осаждение.

Термическое осаждение частиц аэрозоля за счет перемещения частиц из области с повышенной температурой в область с более низкой температурой особенно эффективно для частиц диаметром от 1 до 100 нм. В самом простом варианте термического осаждения охлажденную сетчатую подложку ТЕМ на короткое время помещают в среду горячего аэрозоля, например в факел сварки. В пробах, отобранных таким способом, обычно наблюдается однородное распределение частиц на сетке. Термическое осаждение можно использовать для улавливания частиц аэрозолей при комнатной температуре путем создания градиента температуры над поверхностью для улавливания и пропускания аэрозоля поперек этой поверхности. Этот способ был реализован в ряде экспериментальных устройств. Электростатическое осаждение - эффективный альтернативный метод улавливания частиц размером более 20 нм для анализа с помощью ТЕМ. Частицы размером менее 20 нм также могут быть собраны этим методом, хотя эффективность улавливания падает из-за уменьшения диаметра. Электростатические установки для осаждения частиц обычно применяют при подготовке образцов для ТЕМ и SEM, более подробно они описаны в А.2.

А.4 Электронная микроскопия. Продолжительность отбора проб

При подготовке образцов для электронной микроскопии важно получить пробу с соответствующей загрузкой подложки для обеспечения эффективности анализа, но так, чтобы при этом не происходила перегрузка частицами. В тех случаях, когда эффективность отбора пробы известна или может быть оценена, можно оценить минимальную продолжительность отбора пробы для получения достаточной загрузки. К критическим параметрам относят эффективность отбора проб как функцию диаметра частиц (), расход воздуха в пробоотборнике (q), счетную концентрацию частиц как функцию их диаметра (), минимально допустимое число частиц с диаметром d, приходящееся на поле зрения микроскопа (), и минимально допустимую площадь проекции каждой частицы диаметром d, выраженную через долю площади поля зрения микроскопа ().

Значение определяет наименьший размер частицы, которая может быть успешно проанализирована при заданном увеличении. При допущении о сферической форме частиц наибольшую площадь поля зрения микроскопа , , для наблюдения частиц диаметром d, вычисляют по формуле

,

(A.1)

где d - диаметр частицы, м;

- минимально допустимая площадь проекции частицы на поле зрения, выраженная в долях

Таким образом, минимально допустимую плотность частиц на подложке , выраженную через число частиц на квадратный метр, , вычисляют по формуле

,

(А.2)

где - минимально допустимое число частиц диаметром d в поле зрения микроскопа.

Для заданного расхода воздуха при отборе проб q, эффективности отбора проб и эффективной площади подложки с использованием формул (А.1) и (А.2) может быть вычислена продолжительность отбора проб t, с, необходимая для достижения минимальной загрузки фильтра частицами, по формуле

,

(А.3)

где - эффективная площадь подложки, ;

q - расход воздуха, ;

- счетная концентрация частиц как функция их диаметра, ;

- эффективность отбора частиц как функция их диаметра.

Максимальная эффективная площадь сетчатой подложки ТЕМ диаметром 3 мм, на которую могут осесть частицы, составляет . При использовании цифрового метода формирования изображений исследуемые частицы минимального размера в идеальном случае должны покрывать, как минимум, 10 пикселей. Таким образом, изображение размером 1024 х 1024 будет иметь площадь . Приемлемое число частиц в поле зрения составит 10. Таким образом, если частицы диаметром 50 нм будут собраны с эффективностью 80% при расходе воздуха в среде со счетной концентрацией частиц , то вычисленная по формуле (А.3) минимальная продолжительность отбора проб составит около 0,25 ч. Однако если частицы диаметром 10 нм будут собраны в таких же условиях, то минимальная продолжительность отбора проб была бы приблизительно 6 ч.