O documento aborda a microscopia de varredura por sonda (SPM), apresentando suas aplicações na biociência e a variedade de técnicas envolvidas, como a microscopia de força atômica (AFM). Destaca os componentes, modos de operação e a capacidade de obter imagens em nível atômico, além de fornecer um histórico das microscópicas até a SPM. Por fim, menciona suas potenciais aplicações na ciência forense.

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)

10. Microscópio de Força Atômica

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.

17. Desenvolvimento da técnica
Fig. 6 Gráfico força vs modo de operação AFM

18. Desenvolvimento da técnica
ELASTICIDADE
ADESÃO
Obtenção da Curva de Força

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