1. MÉTODOS EXP. FÍSICA EM BIOCIÊNCIAS
LUDMILA ALEM
Microscopia de Varredura por Sonda
(Scanning Probe Microscopy – SPM)
2. 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.
3. 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.
4. 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)
5. 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)
6. 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)
7. 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
8. 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
9. 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)
11. Microscopia de Força Atômica
Fig 4. Ilustração do princípio de funcionamento do Microscópio de Varredura por Força .
12. 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
13. Desenvolvimento da técnica
Fig 5. Monitoramento da varredura da amostra através da reflexão de feixe de laser
incidido no cantilever.
14. 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.
15. 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
16. 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.
19. Elementos - AFM
Sonda (cantilever + agulha): Si3N4, Si, SiO2
Si3N4 : Forma Piramidal
Varredura AFM – Modo Contato
Si e SiO2: Forma Cônica
Varredura AFM – Tapping Mode
Si3N4: nitreto de silício – Si: silício - SiO2: dióxido de silício
20. 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
21. 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 Nanoscopia
Fundação 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