Pyyhkäisyelektronimikroskooppi eli SEM

SEM skannaa nimensä mukaisesti näytteen pintaa fokusoidulla elektronisuihkulla ja kuva muodostetaan pinnasta takaisin heijastuneiden elektronien perusteella. SEM-laitteella voidaan tarkastella käytännössä kaikkia kiinteitä pintoja ja materiaaleja. Tarkasteltava näytteet voivat olla metallia, jauheita, polymeerejä, puuta, tekstiilikuituja tms. Vaatimuksena on lähinnä se, että kappale pitää saada mahtumaan laitteen kammion sisälle ja että näytteestä ei haihdu kaasuja.

Centrian SEM-kammioon mahtuu maksimissaan noin 200 mm leveä ja 100 mm korkea kappale, mutta tavallisesti vain muutama milligramma näytettä on riittävä tai sopiva määrä tarkasteluun. Pintaa voidaan tarkastella suurellakin suurennoksella, esim. 100 000 -kertainen suurennos näyttää näytepinnalla 100 nm (0,0001 mm) suuruisen kohteen 10 mm pituisena näyttöruudulla.

SEM-kuvat ovat aina alun perin mustavalkoisia, koska pintaa tarkastellaan elektronisuihkulla, eikä valofotoneilla. Mehän näemme eri väreinä valon eri aallonpituudet. SEM-kuvat voidaan tosin värittää jälkikäteen, kuten tehdään vanhoille mustavalkoelokuville tai -valokuville. Tästä linkistä avautuvassa kuvassa näkyy todellinen, väritetty SEM-kuva SARS-CoV-2 viruspartikkeleista keuhkoputken solujen pinnalla (Tress 2020). Virukset on väritetty punaisella, keuhkoputken epiteelisolut sinisellä ja keuhkoputken lima keltaisella. Tämän linkin kuvassa näkyy alkuperäinen, värittämätön mustavalkoinen kuva viruksista (Ehre 2020).

Edellisten linkkien kuvat osoittavat minkälaisia suurennoksia ja minkälaisella resoluutiolla voidaan kuvantaa viruksia. Varsinkin nyt korona-aikana on mediassa ollut usein erittäin tarkkoja kuvia yksittäisestä koronaviruksesta. Nämä mediassa yleensä näkyvät kuvat eivät ole oikeita mikroskooppikuvia, vaan ne on simuloitu tai koottu tuhansista SEM-kuvista (ks. Todd Lopez 2020). SEM:llä, tai millään muullakaan menetelmällä, ei saada näin tarkkaa kuvaa viruksen ulkopinnasta.

Elektronisuihkun käyttämisessä pinnan tarkasteluun sisältyy toinenkin olennainen etu, koska elektronisuihku saa näytepinnan alkuaineet säteilemään röntgensäteilyä tietyllä, kullekin alkuaineelle ominaisella energialla. Tämän röntgensäteilyn spektri voidaan määrittää SEM-laitteeseen liitetyllä EDS-analysaattorilla (Energy Dispersive x-ray Spectroscopy), jolloin saadaan selville myös pinnan alkuainekoostumus. Alkuainekoostumuksesta saa jonkinlaisen arvion yleensä jo SEM:llä, kun kuva muodostetaan käyttäen ns. BSE-detektoria. Tällöin raskaampia alkuaineita sisältävät alueet näkyvät kuvassa vaaleampina, ja tummia alkuaineita sisältävät alueet tummempina.

Olennainen piirre EDS-analysoinnissa on se, että analyysi voidaan kohdistaa näytepinnassa olevaan pieneenkin, minimissään noin 1 mm suuruiseen kohteeseen, esim. yksittäiseen jauhepartikkeliin, ohutkalvopinnoitteeseen, tai metalliseoksen faasiin. Menetelmällä on myös joitakin rajoitteita, kuten se, että kevyimpiä alkuaineita (vety, helium, litium, beryllium, boori) ei pystytä havaitsemaan lainkaan, tai aineita (hiili, typpi, happi) pitää olla melko runsaasti, useampi prosentti, jotta ne voidaan havaita. Menetelmän tarkkuus ei ole myöskään yhtä hyvä kuin joillakin muilla analyysimenetelmillä, kuten röntgenfluoresenssilla (XRF).

SEM-EDS menetelmä soveltuu siis lähes kaikkien kiinteiden pintojen tarkasteluun ja analysointiin. Käytännön arkielämän sovellus voisi olla esimerkiksi korujen kultapitoisuuden mittaaminen. Muita kohteita, joihin menetelmää sovelletaan, ovat esimerkiksi:

• Tuntemattomien, varsinkin jauhemaisten näytteiden koostumuksen määrittäminen varsinkin silloin kun näyte on epähomogeeninen.
• Metallien mikrorakenteen ja koostumuksen tarkastelu ja analysointi.
• Metallin murtopinnan tarkastelu vaurioanalyysitapauksessa.
• Pienen raekoon jauheiden raekoon arviointi/mittaaminen ja rakeiden muodon tarkastelu.

Seuraavissa kuvissa (kuvat 2-9) on joitakin esimerkkejä niistä sadoista tarkasteluista ja analysoinneista, joita Centrian SEM-EDS-laitteella on tehty.