STRUMENTAZIONE

La microsonda elettronica rappresenta il principale strumento per ottenere la composizione chimica in situ di un qualsiasi oggetto solido con un’elevata risoluzione spaziale (nell’ordine dei microns). Lo strumento è particolarmente adatto per l’analisi quantitativa di dettaglio degli elementi (Z>3) componenti minerali, vetri, leghe metalliche ed altre matrici solide previa calibrazione con appositi standards.

  • Microsonda Elettronica JEOL JXA-8230. Lo strumento, installato nel 2020 presso il laboratorio “Filippo Olmi” del Dipartimento di Scienze della Terra di Firenze, è equipaggiato con 5 spettrometri a dispersione di lunghezza d’onda (WDS) ciascuno equipaggiato con diversi cristalli analizzatori, di cui alcuni dedicati all’analisi di elementi leggeri (1: TAPJ, LDE1, PETJ, LDEB; 2: LIFL, PETL; 3: LIFH, PETH; 4: LIF, PETJ; 5: TAPJ, LDE2) e rivelatori costituiti da contatori proporzionali a flusso di gas e sigillati. Uno rivelatore a dispersione di energia (EDS) allo stato solido (SDD) permette di acquisire istantaneamente lo spettro di emissione e di identificare velocemente gli elementi presenti nel campione.La sorgente di elettroni può essere costituita da un filamento di W (ideale per le analisi composizionali) o da un cristallo LaB6, che consente di ottenere una forma del fascio particolarmente sottile, incrementando così la risoluzione spaziale (impiegato soprattutto per le applicazioni di mapping). Nella sua configurazione standard lo strumento lavora con un filamento W. Una pompa ionica aggiuntiva permette di avere condizioni di vuoto che garantiscono una maggiore stabilità del fascio elettronico incidente. Il potenziale analitico di questo nuovo strumento permette quindi di:
    • analizzare elementi leggeri a partire dal Be, grazie alla presenza di cristalli analizzatori specifici e dedicati (LDE1; LDEB; LDE2);
    • avere tempi analitici ridotti, grazie alla presenza di 5 spettrometri WDS;
    • avere una maggiore sensitività che permette di rilevare elementi in tracce nell'ordine delle centinaia di ppm, grazie alla presenza di spettrometri con geometrie specifiche;
    • eseguire mappe composizionali WDS ad alta risoluzione spaziale grazie alla possibilità di inserire una sorgente LaB6;
    • utilizzare un sistema EDS con rivelatore ad alta prestazione che permette di ottenere uno spettro composizionale completo in tempi brevi, potenzialmente risoluto anche alle basse energie (es. elementi come O, F, B), e mappe indicative della distribuzione elementare nei diversi campioni; Il campione può essere visualizzato attraverso uno schermo digitale SEM, sia in elettroni retrodiffusi (BSE), ottenendo un’immagine composizionale con toni di grigio, proporzionali alla densità elettronica del materiale, che in elettroni secondari (SE) ottenendo un’immagine morfologica della superficie del campione. Una telecamera collegata ad un altro monitor permette di osservare il campione in luce riflessa e/o trasmessa, grazie ad una lente aggiuntiva, (OMT) che può essere inserita nella camera al di sotto del portacampioni (solo per campioni montati su sezioni petrografiche). Il software integrato permette di programmare routine analitiche specifiche per le diverse fasi da indagare, personalizzandole alle diverse esigenze (es. ordine degli elementi, tempi di conteggio, intensità di corrente, etc); permette inoltre di programmare delle sequenze seriali eseguibili in automatico, memorizzando molteplici punti analisi. Ciò consente l’ottimizzazione del tempo macchina e incrementa la quantità di analisi effettuabili.
  • Metallizzatore Leica EM ACE 200
  • Metallizzatore a grafite JEOL JEE-4X

Campi di Applicazione:

L’attività analitica del laboratorio è prevalentemente concentra su:

  • applicazioni alle Scienze della Terra, con analisi di matrici minerali (silicati, ossidi, solfuri e carbonati) e vetri presenti in rocce terrestri e extraterrestri, con l’obiettivo di trarne informazioni sui processi geologici che le hanno generate.
  • applicazioni nel campo dei beni culturali e archeometria, con analisi su vetri antichi, leghe metalliche e ceramiche.
  • applicazioni nel campo della cristallochimica, nonché dei nuovi materiali con analisi di matrici specifiche.

Con queste finalità il laboratorio si è dotato di alcuni set di standards specifici per le diverse applicazioni analitiche:

  • Standard Astimex MIN utilizzati per la calibrazione degli elementi in silicati e ossidi e secondariamente in solfuri, fosfati e carbonati;
  • Standard Astimex MET utilizzati per la calibrazione degli elementi in leghe metalliche;
  • Standard P&H per la calibrazone degli elementi in solfuri;
  • Standard P&H per la calibrazione delle terre rare;
  • Standard internazionali (Smithisonian, BioRad) per testare la qualità della calibrazione strumentale e la riproducibilità delle analisi nel tempo.

PERSONALE

Responsabile Scientifico

Prof. Simone Tommasini

Referenti per IGG CNR

Dott.ssa Eleonora Braschi

Dott. Andrea Orlando

Dott. Giovanni Ruggieri

CONTATTI

Telefono:

055 2757793

E-mail:

simone.tommasini(at)unifi.it
eleonora.braschi(at)igg.cnr.it
andrea.orlando(at)igg.cnr.it
giovanni.ruggieri(at)igg.cnr.it

METODI

L’analisi per microsonda elettronica è una tecnica che permette di analizzare chimicamente piccole, selezionate aree di solidi cristallini e non (per elementi con numero atomico maggiore di 8) attraverso la produzione di raggi-X caratteristici in conseguenza dell’effetto di eccitazione generato da un fascio elettronico, focalizzato che incide sul campione. Lo spettro X che viene emesso dal campione è costituito da linee energetiche caratteristiche degli elementi presenti nel campione, per cui un’analisi quantitativa può essere ottenuta identificando tali linee in funzione della loro lunghezza d’onda una volta che l’emissione è raccolta da specifici spettrometri WDS e analizzata attraverso appositi cristalli analizzatori secondo la legge di Bragg.

I cristalli analizzatori si posizionano di volta involta a distanza prefissate e note rispetto al punto di origine della radiazione in funzione dell’elemento da analizzare, in modo da raccogliere le specifiche lunghezze d’onda. Comparando le intensità (colpi al secondo sul picco di ogni elemento) con quelle emesse da un materiale standard (elemento puro o composti a composizione nota) è possibile determinare quantitativamente la concentrazione di ogni elemento. Nei silicati gli elementi maggiori vengono contati per 15 secondi sul picco (ad eccezione di Na, 10 secondi, per minimizzarne la volatilizzazione) mentre i minori vengono contati 40 secondi. I tempi di conteggio, gli standard di calibrazione e la scelta delle linee energetiche caratteristiche possono variare ed essere scelte appropriatamente in funzione del tipo di campione e del contenuto dell’elemento.

Per ottimizzare l’emissione dei raggi-X e il corretto riconoscimento delle lunghezze d’onda caratteristiche ai fini delle analisi quantitative il campione deve essere accuratamente preparato. Le superfici devono essere piatte, ben lucidate e accuratamente metallizzate. Ogni campione viene fissato ad uno stage porta-campioni e vengono applicati dei contatti in grafite in modo da incrementare la conduttività della superficie e impedire l’accumulo di cariche elettriche sulla superficie che interferirebbero con l’analisi.

APPLICAZIONI

L’analisi per microsonda elettronica è un metodo analitico non distruttivo che può essere applicato in tutti i campi di interesse che prevedono l’indagine composizionale di un qualsiasi materiale solido cristallino e non (dalle rocce ai metalli, dai manufatti ceramici ai vetri commerciali etc.). La microsonda elettronica può essere perciò utilmente impiegata in tutti i campi delle scienze della terra e naturali, per applicazioni in archeologia e beni culturali, così come per sudi ambientali e indagini forensiche.

A partire dagli anni ’80, quando la microsonda elettronica JEOL JXA-8600 è stata installata presso la sede di Firenze dell’Istituto di Geoscienze e Georisorse, il laboratorio è stato regolarmente coinvolto e finanziato dai principali progetti nazionali (in particolare le convenzioni GNV-INGV e PRIN). Attualmente l’attività del laboratorio non è inserita in nessun progetto specifico, ma lo strumento viene ampiamente utilizzato da molti ricercatori per gli studi di base all’interno di svariati progetti nazionali e internazionali.

Inoltre, negli ultimi tre anni parte dell’attività è stata supportata dal progetto eurpeo IMAGE.

Per la sua vocazione interdisciplinare e ampia utilità il laboratorio di microsonda elettronica può essere utilmente impiegato in una ampia gamma di attività di ricerca. La principale attività del laboratorio si concentra essenzialmente sull’analisi di silicati a fini magmatologici/petrografici, ossidi, leghe metalliche e solfuri per studi di archeometria e minerogenesi. In ogni caso l’interesse è rivolto anche a campi di applicazioni che spaziano dalla paleontologia all’archeologia, dalle ricerche ambientali alle indagini forensiche così come allo studio di nuovi materiali.

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  • Gliozzo E., Lepri B., Saguì L., Turbanti Memmi I. (2015) - Colourless glass from the Palatine and Esquiline hills in Rome (Italy). New data on antimony- and manganese decoloured glass in the Roman period. Archaeol Anthropol Sci.
    DOI: 10.1007/s12520-015-0264-1.
  • Meletlidis S., Di Roberto A., Domínguez Cerdeña, Pompilio M., García-Cañada L., Bertagnini A., Benito-Saz M.A., Del Carlo P., Sainz-Maza Aparicio S. (2015) - New insight into the 2011-2012 unrest and eruption 1 of El Hierro Island (Canary Islands) based on integrated geophysical, geodetical and petrological data. Annals of geophysics, 58, 5, 2015, S0546. DOI: 10.4401/ag-6754.
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