Mikroanalytik für die Umweltwissenschaften [58:10]

Proben-Vorbereitung [5:54]

Eine kleine Labor-Tour kann nur mit der Proben-Vorbereitung beginnen, denn die Probe braucht für die verschiedenen Geräte eine jeweils bestimmte Präparation und Vorbereitung. Eigentlich sollte man mit der Präparation selbst beginnen, um zu sehen, wo und wie aus einem Gestein oder einem anderem Material ein polierter Dick- oder Dünnschliff wird. Eine kurze Beschreibung muss für den Moment reichen: Ein Stein wird in ein Klötzchen gesägt, das auf einem Objektträger aufgeklebt wird. Das Klötzchen wird nochmals geschnitten und anschließend auf Poliermaschinen in mehreren Schritten mit immer feinerer Körnung (bis runter zu 1 µm) geschliffen, sodass eine hoch-polierte Proben-Oberfläche entsteht. Mit dieser fertigen Probe können wir aus der Präparation in die Proben-Vorbereitung.

Im ersten Schritt werden die Proben gereinigt und getrocknet. Es stehen außerdem zwei Geräte zur Verfügung (Cross-Section Polnischer & Ion-Slicer), um die Proben-Oberfläche weiter zu glätten, z.B. für EBSD-Messungen am Rasterelektronen-Mikroskop (REM).

In der Mikrosonde werden die Proben mit einem Elektronenstrahl beschossen. Dabei würden sich die Elektronen auf der Proben-Oberfläche in Millisekunden akkumulieren, und sich die Probe aufladen. Weitere Elektronen würden von den angesammelten Elektronen abgelenkt und eine Analyse wäre überhaupt nicht möglich. Daher wird die Proben-Oberfläche mit einer dünnen, elektrisch leitenden Kohlenstoffschicht bedampft.

Derselbe Effekt tritt natürlich im REM auf. Auch diese Proben können mit Kohlenstoff bedampft werden. Mit dem REM können jedoch auch 3-dimensionale Proben untersucht werden. Diese können nicht gut mit Kohlenstoff bedampft werden. Solche Proben werde stattdessen mit entweder Gold oder Platin besputtert.

Nenne mindestens 3 Schritte welche für die Probenvorbereitung notwendig sind, wenn diese an der Mikrosonde, dem Elektronen-Mikroskop oder der µ.RFA gemessen werden sollen.

reinigen, trocknen, bedampfen/besputtern

Nenne ein paar einfache Verhaltensregeln die in jedem Labor eingehalten werden müssen.

in Ruhe arbeiten, bei Unsicherheit nachfragen, sauber hinterlassen, nicht essen

Mit welchem Material können Proben bedampft oder besputtert werden?

✓Kohlenstoff

✗Stickstoff

✓Gold

✓Platin

Welches Gerät verwendet man in der Regel, um Mikrosonden-Proben vorzubereiten?

✗Sputter-Anlage

✓Bedampfungsanlage

Mit welchen Lösungen können Proben oder Material gereinigt werden?

✓Ethanol

✓Petrol-Benzin

✗HCl

✓Alkohol

REM – und dessen Alleinstellungsmerkmale [6:59]

Nachdem wir nun praktisch alles über die Mikrosonde wissen, ist uns auch bekannt, dass diese in erster Näherung ein REM mit WDS ist. So ganz stimmt das aber eben nicht. Das REM ist sehr viel mehr ein Mikroskop als es die Mikrosonde ist, die das aufgrund der geometrischen Anforderungen des Rowlandkreises für das WDS nicht sein kann. Frei von diesen geometrischen Zwängen hat das REM tatsächlich mehr Raum, in dem sich die Probe für beste mikroskopische Bedingungen in alle Richtungen bewegen kann.

Was wird im REM mit ›Arbeitsabstand‹ bezeichnet?

Der Abstand zwischen der Unterkante des Polschuhs und der Probenoberfläche, gemessen entlang der z-Achse.

Folgende Proben können u.a. in das REM eingebaut werden:

✓3D Objekte

✓Dünnschliffe

✓Mounts

✓Schmuckstücke

Wann erreicht man im REM eine hohe Tiefenschärfe?

✓Bei großer WD

✗Bei kleiner WD

Eine Probe kann im REM auch gekippt und rotiert werden.

✓wahr

✗falsch

Rückstreu-Elektronen Bilder (Back-Scatter Electron – BSE images) [5:46]

Die beiden primären, bildgebenden Verfahren sind BSE- und SE-Bilder. Dazu gibt es noch spezielle Kombinationsmodi, bei denen diese Detektoren speziell verwendet werden. Mit die häufigsten Bilder gerade in petrologischen Arbeiten sind BSE-Bilder, da die Phasen eines Gesteins sehr gut und detailliert darauf zu erkennen sind. Ebensogut erkennbar sind z.B. Risse und damit das Gefüge eines Gesteins.

Wie entstehen BSE-Bilder?

Durch Rastern der Probenoberfläche, wobei in jedem Punkt die Anzahl der Rückstreu-Elektronen gezählt wird als counts per second (cps).

Nenne 3 Charakteristika von BSE-Bildern.

Schwere Elemente erscheinen hell, da sie mehr Elektronen rückstreuen. Eine ungefähre Zusammensetzung der Minerale kann abgeschätzt werden. Das Gefüge des Gesteins ist gut sichtbar. Sind eher flach, d.h. kaum 3D.

BSE-Bilder nennt man auch:

✓Rückstreu-Elektronenbilder

✗Sekundär-Elektronenbilder

✗Phasenstruktur-Bilder

✓Phasenkontrast-Bilder

Die Elektronen von BSE-Bildern kommen aus geringeren Tiefen der Probe als Elektronen von SE-Bildern

✗wahr

✓falsch

Der BSE-Detektor macht nicht mehr als Elektronen zu zählen.

✓wahr

✗falsch

Sekundär-Elektronen Bilder (Secondary Electron – SE images) [6:17]

SE-Bilder verwenden die nieder-energetischen sekundär Elektronen von bis zu etwa 50 eV. Die Informationstiefe beträgt nur weniger zehner nm, sodass die Oberfläche der Probe abgebildet wird. Diese kann daher sehr gut und plastisch 3-dimensional betrachtet werden.

Sterne verändern ihre Größe massiv – um mehrere Größenordnungen – während ihres Lebenszyklus. Die Sonne beispielsweise wird ein Roter Riese, und ihr Durchmesser dann größer als der Erd-Orbit.

Zeichne ein Diagramm mit Elektronen-Volt auf der x-Achse und der Intensität auf der y-Achse und trage quantitativ den Energie-Bereich der SE ein.

bis zu ca. 50 eV – s. Video

Wie gelangen SE zum Detektor?

Sie werden durch elektrostatische Felder angesaugt.

Woher stammen Sekundär-Elektronen?

✗Aus tiefen Schalen

✗Durch Sekundär-Anregung

✓Aus den äußeren Schalen

Mit SE-Bilder erhält man einen sehr guten Phasenkontrast.

✗wahr

✓falsch

Der SE-Detektor rastert für das Bild über die Probe.

✗wahr

✓falsch

Elektronenstrahl-Mikrosonde (EPMA) [14:05]

Mit der Mikrosonde schauen wir uns (i) an, wie die Probe aussieht: deren Struktur, Gefüge, Korngröße, usw. – also deren Petrographie. (ii) bestimmen wir mit der Mikrosonde die chemische Zusammensetzung der Probe, bzw. deren Phasen, um daraus die Minerale zu bestimmen, Zonierungen der Minerale, Spurenelement-Gehalte, usw. – also deren Petrologie. Dabei können wir auf der Probe einzelne Punkte von bis zu deutlich weniger als 1 µm Durchmesser analysieren. Es können viele Punkte nebeneinander gemessen werden, um einen Line-Scan zu erhalten. Schließlich sind Element-maps möglich, Falschfarben-Bilder, auf denen die relativen Intensitäten eines Elements dargestellt sind.

Eine Mikrosonde verfügt über verschiedene Detektoren, um die Probenoberfläche abzubilden, dazu gehören: Rückstreuelektronen-Bilder (BSE – Backscatter Electron images), Sekundär-Elektronen Bilder (SE – secondary electron images), und Kathodolumineszenz (CL – cathodoluminescence images). BSE Bilder sind Phasen-Kontrast Bilder, in denen Phasen mit schweren Elementen heller sind. Darauf ist die Mineralogie einer Probe sehr gut zu erkennen. SE Bilder zeigen die 3-Dimensionale Probenoberfläche. Darauf sind z.B. Risse oder Verunreinigungen auf der Probe sehr gut zu erkennen. Auf CL Bildern können sehr gut feine Zonierungen, z.B. in Zirkon abgebildet werden.

Die chemische Analyse erfolgt mit einem energiedispersiven (EDS) oder einem winkeldispersiven Spektrometer (WDS). Eine EDS-Analyse geht sehr schnell, ist aber oft nicht ausreichend präzise. Eine WDS-Analyse ist aufwändiger und dauert länger, ist aber sehr viel präziser, bis deutlich hinunter in den <100 Gew.-ppm Bereich.

Nenne mindestens 3 wichtige technische Komponenten aus denen ein WDS-Spektrometer besteht.

Analysator-Kristall, Stellmotor, Detektor, Detektor-Gas

Beschreibe das Prinzip, nach dem die WDS-Analyse an der Mikrosonde funktioniert

19. Video

Nenne 3 grundlegende Unterschiede zwischen RFA und EPMA.

Größe der Probenkammer, EPMA hat zusätzlich winkeldispersive Spetrometer, REM optimiert für Bilder, EPMA optimiert für die Bestimmung quantitativer Elementzusammensetzungen

Welches Gas wird für verschiedenste Zwecke an der Mikrosonde verwendet?

✓N2

✗Ar

✗CH4

✗O2

Was bedeutet die Abkürzung WDS?

✗Winkel-Dispersive Spektroskopie

✗Winkel-Diskontinuierliches Spektrometer

✓Winkel-Dispersives Spektrometer

✗Winkel-Diskontinuierliche Spektroskopie

Mit was wird die Probe in einer Mikrosonde beschossen?

✓Elektronen

✗Fokussierten Röntgen-Strahlen

✗Charakteristischer Strahlung

✗Atom-Kernen

Prinzipieller Aufbau der Mikrosonde [11:42]

Zunächst wollen wir verstehen wie eine Mikrosonde im Prinzip aufgebaut ist, um uns anschließend im Detail anzusehen, wie diese funktioniert, und wie man damit Bilder erzeugt, sowie qualitative und quantitative Analysen macht.3. Bildgebende Verfahren

Erkläre das grundlegende Prinzip mit dem die chemischen Elemente mit der Mikrosonde identifiziert und analysiert werden.

19. Video

Weshalb muss eine Wellenlänge selektiert werden, um eine Elementkonzentration zu quantifizieren?

19. Video

Wie viele EDS und WDS Spektrometer hat die Mikrosonde?

✗1 x WDS, 5 x EDS

✓5 x WDS, 1 x EDS

✗5 x WDS, 2 x EDS

✗2 x WDS, 5 x EDS

Wozu dient die Elektronen-Opitk?

✓Zur Strahl-Fokussierung

✗Zur Beschleunigung der Elektronen

✗Zur Erstellung des BSE Bildes

Welche typischen Beschleunigungsspannungen werden in der Elektronenkanone verwendet?

✓15-20 kV

✗15-20 keV

✗5-20 kV

✗5-20 keV

Element-Maps [3:08]

Element-Maps sind bei EDS wie auch bei WDS in der Regel qualitativ. Nur sehr selten werden quantitative Grids erstellt. Bei EDS wird für eine Map der Strahl, bei WDS für eine höher Genauigkeit die Probebühne bewegt. Element-Maps können sehr aussagekräftige Übersichten der Elementverteilung in einer Probe geben. Element-Maps brauchen jedoch schnell viele Stunden und sind daher teuer. Werden sei benötigt, lässt man sie gerne z.B. vorprogrammiert über ein Wochenende laufen.

Das Ergebnis von Element maps lässt sich auch als mehrere Text-Dateien exportieren. Würde man diese mit Excel öffnen, erhielte man mehrere große Tabellen, und in jeder Zelle stünde eine Zahl: was bedeuten diese Zahlen?

Jeder Wert repräsentiert die Häufigkeit eines Elements an einer gemessenen x-/y-Koordiante.

Quantitative Element-Maps sind leider grundsätzlich nicht möglich.

✗wahr

✓falsch

Element maps eignen sich als bildgebendes Verfahren um …

✓Mineralphasen darzustellen

✓Zonierungen zu erkennen

✗eine schnelle Phasenanalyse zu machen

✓kleine Phasen zu entdecken

Element Maps werden erstellt indem …

✓… der Elektronen-Strahl über die Probe rastert

✗… die Probe sich unter einem ortsfesten Elektronen-Strahl bewegt