SKANNAUSANTURIMIKROSKOOPIT: TYYPIT JA TOIMINTAPERIAATE

Kuvaytsev Aleksanteri Vjatšeslavovitš
Dimitrovgrad Institute of Engineering and Technology Branch National Research Nuclear University "MEPhI"
opiskelija

huomautus
Tässä artikkelissa kuvataan anturimikroskoopin toimintaperiaate. Tämä on pohjimmiltaan uusi teknologia, joka voi ratkaista ongelmia sellaisilla eri aloilla kuin viestintä, biotekniikka, mikroelektroniikka ja energia. Nanoteknologia mikroskopiassa vähentää merkittävästi resurssien kulutusta eikä aiheuta paineita ympäristölle, sillä niillä on johtava rooli ihmiskunnan elämässä, koska esimerkiksi tietokoneesta on tullut olennainen osa ihmisten elämää.

SKANNAUSANTURI MIKROSKOPIA: TYYPIT JA TOIMINTAPERIAATTEET

Kuvaytsev Aleksandr Vjatšeslavovitš
National Research Nuclear University MEPHI:n Dimitrovgradin insinööri- ja teknologiainstituutti
opiskelija

Abstrakti
Tässä artikkelissa kuvataan anturimikroskoopin periaate. Se on uusi teknologia, joka voi ratkaista ongelmia sellaisilla eri aloilla kuin viestintä, biotekniikka, mikroelektroniikka ja energia. Nanoteknologia mikroskopiassa vähentää merkittävästi resurssien kulutusta eikä aiheuta paineita ympäristölle, sillä ne ovat johtavassa asemassa ihmisten elämässä, koska esimerkiksi tietokoneesta on tullut olennainen osa ihmisten elämää.

2000-luvulla nanoteknologiat ovat saamassa nopeasti suosiota, joka tunkeutuu kaikille elämämme alueille, mutta niissä ei olisi edistystä ilman uusia, kokeellisia tutkimusmenetelmiä, yksi informatiivisimmista on pyyhkäisykoettimikroskoopin menetelmä, joka sen keksivät ja jakelivat Nobel-palkitut vuonna 1986 - prof. Heinrich Rohrer ja tohtori Gerd Binnig.

Todellinen vallankumous tapahtui maailmassa, kun atomien visualisointimenetelmiä syntyi. Harrastajaryhmiä alkoi ilmestyä, jotka suunnittelivat omia laitteitaan. Tuloksena saatiin useita onnistuneita ratkaisuja, joilla visualisoitiin anturin ja pinnan vuorovaikutuksen tulokset. Luotiin teknologiat tarvittavilla parametreilla varustettujen koettimien valmistamiseksi.

Joten mikä on anturimikroskooppi? Ensinnäkin tämä on itse koetin, joka tutkii näytteen pintaa, tarvitaan myös järjestelmä, jolla koetinta siirretään suhteessa näytteeseen kaksi- tai kolmiulotteisessa esityksessä (liikkuu X-Y- tai X-Y-Z-koordinaatteja pitkin). Kaikkea tätä täydentää tallennusjärjestelmä, joka kiinnittää funktion arvon, joka riippuu etäisyydestä anturin ja näytteen välillä. Rekisteröintijärjestelmä kiinnittää ja muistaa yhden koordinaatin arvon.

Pyyhkäisyanturimikroskooppien päätyypit voidaan jakaa kolmeen ryhmään:

1. Pyyhkäisytunnelointimikroskooppi - suunniteltu mittaamaan johtavien pintojen kohokuviota korkealla tilaresoluutiolla.
   STM:ssä terävä metallineula viedään näytteen yli hyvin lyhyeltä etäisyydeltä. Kun neulaan johdetaan pieni virta, sen ja näytteen välille syntyy tunnelointivirta, jonka arvon tallennusjärjestelmä tallentaa. Neula johdetaan näytteen koko pinnan yli ja se kaappaa pienimmänkin muutoksen tunnelivirrassa, minkä ansiosta näytteen pinnasta syntyy kohokartta. STM on ensimmäinen pyyhkäisykoettimikroskooppien luokassa, loput kehitettiin myöhemmin.
2. Pyyhkäisevä atomivoimamikroskooppi - käytetään näytteen pintarakenteen rakentamiseen atomien resoluutiolla. Toisin kuin STM, tätä mikroskooppia voidaan käyttää sekä johtavien että johtamattomien pintojen tutkimiseen. Koska kyky ei vain skannata, vaan myös manipuloida atomeja, sitä kutsutaan tehoksi.
3. Lähikentän optinen mikroskooppi on "edistynyt" optinen mikroskooppi, joka tarjoaa paremman resoluution kuin perinteinen optinen mikroskooppi. BOM:n resoluution kasvu saavutettiin sieppaamalla valoa tutkittavasta kohteesta aallonpituutta pienemmiltä etäisyyksiltä. Jos mikroskoopin koetin on varustettu laitteella spatiaalisen kentän skannaamiseen, niin tällaista mikroskooppia kutsutaan lähikentän pyyhkäisyoptiseksi mikroskoopiksi. Tällaisella mikroskoopilla on mahdollista saada kuvia pinnoista erittäin korkealla resoluutiolla.

Kuvassa (kuva 1) on yksinkertaisin kaavio koetinmikroskoopista.

Kuva 1. - Koetinmikroskoopin toimintakaavio

Sen toiminta perustuu näytepinnan vuorovaikutukseen anturin kanssa, se voi olla uloke, neula tai optinen anturi. Pienellä etäisyydellä koettimen ja tutkimuskohteen välillä voidaan rekisteröintityökaluilla tallentaa vuorovaikutusvoimien vaikutukset, kuten hylkiminen, vetovoima jne., sekä vaikutusten ilmentymiä, kuten elektronitunnelointia. Näiden voimien havaitsemiseen käytetään erittäin herkkiä antureita, jotka voivat havaita pienimmätkin muutokset. Pietsoputkia tai tasorinnakkaisskannereita käytetään koordinaattiskannausjärjestelmänä rasterikuvan saamiseksi.

Tärkeimmät tekniset vaikeudet skannauskoetinmikroskooppien luomisessa ovat:

1. Mekaanisen eheyden varmistaminen
2. Ilmaisimien herkkyyden tulee olla suurin
3. Anturin päässä on oltava vähimmäismitta
4. Luo pyyhkäisyjärjestelmä
5. Anturin tasaisuuden varmistaminen

Lähes aina pyyhkäisykoetinmikroskoopilla saatua kuvaa on vaikea tulkita tulosten saamisen vääristymien vuoksi. Yleensä tarvitaan matemaattista lisäkäsittelyä. Tätä varten käytetään erikoisohjelmistoa.

Tällä hetkellä pyyhkäisykoetinta ja elektronimikroskopiaa käytetään toisiaan täydentävinä tutkimusmenetelminä useiden fysikaalisten ja teknisten ominaisuuksien vuoksi. Anturimikroskopian käyttö on viime vuosina mahdollistanut ainutlaatuisen tieteellisen tutkimuksen tekemisen fysiikan, kemian ja biologian aloilla. Ensimmäiset mikroskoopit olivat vain laitteita - indikaattoreita, jotka auttoivat tutkimuksessa, ja nykyaikaiset näytteet ovat täysimittaisia ​​työasemia, joissa oli jopa 50 erilaista tutkimusmenetelmää.

Tämän edistyneen tekniikan päätehtävänä on saada tieteellisiä tuloksia, mutta näiden laitteiden ominaisuuksien soveltaminen käytännössä vaatii korkeaa pätevyyttä asiantuntijalta.

7. Pyyhkäisyanturimikroskoopin käyttö biologisten kohteiden tutkimiseen

7. Pyyhkäisyanturimikroskoopin käyttö biologisten kohteiden tutkimiseen 1

7.1. Työn tavoitteet 2

7.2. Tietoa opettajalle 3

7.4 Ohjeet 31

7.5 Turvallisuus 32

7.6 Tehtävä 32

7.7. Turvakysymykset 32

7.8 Kirjallisuus 32

Laboratoriotöitä kehitti Nizhny Novgorod State University. N.I. Lobatševski

7.1 Työn tavoitteet

Biologisten rakenteiden morfologisten parametrien tutkiminen on tärkeä tehtävä biologeille, koska joidenkin rakenteiden koko ja muoto määräävät suurelta osin niiden fysiologiset ominaisuudet. Vertaamalla morfologisia tietoja toiminnallisiin ominaisuuksiin voidaan saada täydellistä tietoa elävien solujen osallistumisesta ihmisen tai eläimen kehon fysiologisen tasapainon ylläpitämiseen.

Aiemmin biologeilla ja lääkäreillä oli mahdollisuus tutkia valmisteitaan vain optisilla ja elektronimikroskoopeilla. Nämä tutkimukset antoivat jonkinlaisen kuvan solujen morfologiasta kiinnitettyinä, värjättyinä ja sputteroimalla saatujen ohuilla metallipinnoitteilla. Elävien esineiden morfologiaa, sen muutoksia eri tekijöiden vaikutuksesta ei ollut mahdollista tutkia, mutta se oli erittäin houkuttelevaa.

SPM (Scanning Probe Microscopy) on avannut uusia mahdollisuuksia solujen, bakteerien, biologisten molekyylien ja DNA:n tutkimukseen olosuhteissa, jotka ovat mahdollisimman lähellä natiivia. SPM:n avulla voit tutkia biologisia esineitä ilman erityisiä kiinnitysaineita ja väriaineita, ilmassa tai jopa nestemäisessä väliaineessa.

Tällä hetkellä SPM:ää käytetään useilla eri aloilla sekä tieteellisessä perustutkimuksessa että soveltavassa korkean teknologian kehityksessä. Monet maan tutkimuslaitokset on varustettu anturimikroskopialaitteistolla. Tässä suhteessa korkeasti koulutettujen asiantuntijoiden kysyntä kasvaa jatkuvasti. Tämän vaatimuksen täyttämiseksi NT-MDT (Zelenograd, Venäjä) on kehittänyt erikoistuneen koulutus- ja tieteellisen laboratorion pyyhkäisykoettimikroskoopia varten. NanoEducator.

SPM NanoEducator suunniteltu erityisesti opiskelijoille laboratoriotyön tekemiseen. Tämä laite on suunnattu opiskelijayleisölle: sitä ohjaa täysin tietokone, siinä on yksinkertainen ja intuitiivinen käyttöliittymä, animaatiotuki, se sisältää tekniikoiden asteittaisen kehittämisen, monimutkaisten asetusten ja halpojen kulutustarvikkeiden puuttumisen.

Tässä laboratoriotyössä opit pyyhkäisyanturimikroskopiasta, tutustut sen perusteisiin, opit koulutuksen suunnittelua ja periaatteita. SPM NanoEducator, oppii valmistamaan biologisia valmisteita tutkimusta varten, hanki ensimmäinen SPM-kuvasi maitohappobakteerikompleksista ja opi mittaustulosten käsittelyn ja esittämisen perusteet.

7.2 Tietoja opettajalle 1

Laboratoriotöitä tehdään useissa vaiheissa:

1. Näytteen valmistelun tekee jokainen opiskelija erikseen.

2. Ensimmäisen kuvan saaminen tapahtuu yhdellä laitteella opettajan valvonnassa, jonka jälkeen jokainen opiskelija tutkii näytteensä itsenäisesti.

3. Jokaisen opiskelijan suorittama kokeellisen tiedon käsittely tapahtuu yksilöllisesti.

Näyte tutkimukseen: maitohappobakteerit kansilasilla.

Ennen työn aloittamista on tarpeen valita anturi, jolla on tyypillisin amplitudi-taajuusominaisuus (yksi symmetrinen maksimi), jotta saadaan kuva tutkittavan näytteen pinnasta.

Laboratorioraportin tulee sisältää:

1. teoreettinen osa (vastaukset kontrollikysymyksiin).

2. kokeellisen osan tulokset (tutkimuksen kuvaus, saadut tulokset ja tehdyt johtopäätökset).

1. Menetelmät biologisten esineiden morfologian tutkimiseksi.

2. Pyyhkäisykoetinmikroskooppi:

SPM-suunnittelu;

SPM-lajikkeet: STM, AFM;

SPM-tietomuoto, SPM-tietojen visualisointi.

3. Näytteiden valmistelu SPM-tutkimuksia varten:

bakteerisolujen morfologia ja rakenne;

valmisteiden valmistelu morfologian tutkimiseen SPM:n avulla.

4. Tutustuminen SPM NanoEducatorin suunnittelu- ja ohjausohjelmaan.

5. SPM-kuvan saaminen.

6. Vastaanotettujen kuvien käsittely ja analysointi. SPM-kuvien kvantitatiivinen karakterisointi.

Menetelmät biologisten esineiden morfologian tutkimiseen

Solujen tyypillinen halkaisija on 10  20 µm, bakteerien - 0,5-3  5 µm, nämä arvot ovat 5 kertaa pienempiä kuin pienin paljaalla silmällä näkyvä hiukkanen. Siksi ensimmäinen solututkimus tuli mahdolliseksi vasta optisten mikroskooppien syntymisen jälkeen. XVII vuosisadan lopussa. Antonio van Leeuwenhoek teki ensimmäisen optisen mikroskoopin, ennen kuin ihmiset eivät epäillyt patogeenisten mikrobien ja bakteerien olemassaoloa [Ref. 7-1].

optinen mikroskopia

Vaikeudet solujen tutkimisessa johtuvat siitä, että ne ovat värittömiä ja läpinäkyviä, joten niiden perusrakenteiden löytäminen tapahtui vasta väriaineiden käyttöönoton jälkeen. Värit antoivat riittävän kuvan kontrastin. Optisella mikroskoopilla voidaan erottaa esineet, jotka ovat 0,2 µm:n etäisyydellä toisistaan, ts. Pienimmät esineet, jotka voidaan vielä erottaa optisella mikroskoopilla, ovat bakteerit ja mitokondriot. Valon aaltoluonteen aiheuttamat efektit vääristävät kuvia pienemmistä soluelementeistä.

Pitkäkestoisten valmisteiden valmistamiseksi soluja käsitellään kiinnitysaineella niiden immobilisoimiseksi ja säilyttämiseksi. Lisäksi kiinnitys lisää solujen pääsyä väriaineisiin, koska. solun makromolekyylejä pitävät yhdessä ristisidoksilla, mikä stabiloi ja kiinnittää ne tiettyyn paikkaan. Useimmiten aldehydit ja alkoholit toimivat kiinnitysaineina (esimerkiksi glutaraldehydi tai formaldehydi muodostavat kovalenttisia sidoksia proteiinien vapaiden aminoryhmien kanssa ja sillottavat vierekkäisiä molekyylejä). Kiinnityksen jälkeen kudos leikataan yleensä mikrotomilla hyvin ohuiksi osiksi (1-10 µm), jotka asetetaan sitten lasilevylle. Tällä valmistusmenetelmällä solujen tai makromolekyylien rakenne voi vaurioitua, joten pikapakastus on suositeltava menetelmä. Jäädytetty kudos leikataan kylmäkammioon sijoitetulla mikrotomilla. Leikkauksen jälkeen solut värjätään. Periaatteessa tähän tarkoitukseen käytetään orgaanisia väriaineita (malakiitinvihreä, musta Sudan jne.). Jokaiselle niistä on ominaista tietty affiniteetti solukomponentteihin, esimerkiksi hematoksyliinillä on affiniteetti negatiivisesti varautuneisiin molekyyleihin, joten se mahdollistaa DNA:n havaitsemisen soluissa. Jos yksi tai toinen molekyyli on läsnä solussa pieni määrä, on kätevintä käyttää fluoresenssimikroskopiaa.

Fluoresenssimikroskopia

Fluoresoivat värit absorboivat yhden aallonpituuden valoa ja lähettävät toisen, pidemmän aallonpituuden valoa. Jos tällaista ainetta säteilytetään valolla, jonka aallonpituus on sama kuin väriaineen absorboiman valon aallonpituus, ja sitten käytetään analyysiin suodatinta, joka lähettää valoa aallonpituudella, joka vastaa väriaineen emittoimaa valoa, fluoresoiva molekyyli voidaan havaitaan hehkumalla pimeässä kentässä. Säteilevän valon suuri intensiteetti on tällaisten molekyylien ominaisuus. Fluoresoivien väriaineiden käyttö solujen värjäykseen edellyttää erityisen fluoresoivan mikroskoopin käyttöä, joka on samanlainen kuin perinteinen optinen mikroskooppi, mutta tehokkaan valaisimen valo kulkee kahden suodatinsarjan läpi - toinen pysäyttää osan valaisimen säteilystä. näytteen eteen ja toinen suodattamaan näytteestä vastaanotettua valoa. Ensimmäinen suodatin valitaan siten, että se läpäisee vain sen aallonpituuden valoa, joka virittää tietyn fluoresoivan väriaineen; samaan aikaan toinen suodatin estää tämän tulevan valon ja sallii valon aallonpituudella, jonka väriaine emittoi sen fluoresoiessaan.

Fluoresenssimikroskopiaa käytetään usein tunnistamaan tiettyjä proteiineja tai muita molekyylejä, jotka muuttuvat fluoresoiviksi sitoutuessaan kovalenttisesti fluoresoiviin väriaineisiin. Tähän tarkoitukseen käytetään yleensä kahta väriainetta - fluoreseiini, joka antaa voimakkaan kelta-vihreän fluoresenssin vaaleansinisellä valolla virityksen jälkeen, ja rodamiini, aiheuttaen tummanpunaista fluoresenssia kelta-vihreällä valolla virityksen jälkeen. Käyttämällä sekä fluoreseiinia että rodamiinia värjäykseen voidaan saada aikaan erilaisten molekyylien jakautuminen.

Tumman kentän mikroskopia

Helpoin tapa nähdä solurakenteen yksityiskohdat on tarkkailla solun eri komponenttien hajottamaa valoa. Pimeäkentän mikroskoopissa valaisimen säteet suunnataan sivulta, ja vain hajallaan olevat säteet tulevat mikroskoopin objektiiviin. Vastaavasti solu näyttää valaistulta esineeltä pimeässä kentässä. Yksi pimeän kentän mikroskopian tärkeimmistä eduista on kyky tarkkailla solujen liikettä jakautumisen ja vaeltamisen aikana. Solujen liikkeet ovat yleensä hyvin hitaita ja vaikeasti havaittavia reaaliajassa. Tässä tapauksessa käytetään kehys kuvalta (time-lapse) mikrofilmausta tai videotallennusta. Tällöin peräkkäiset ruudut erotetaan ajallisesti, mutta kun tallennus toistetaan normaalinopeudella, kuva todellisista tapahtumista kiihtyy.

Viime vuosina videokamerat ja niihin liittyvät kuvantamistekniikat ovat lisänneet huomattavasti optisen mikroskopian mahdollisuuksia. Niiden soveltamisen ansiosta oli mahdollista voittaa ihmisen fysiologian erityispiirteiden aiheuttamat vaikeudet. Ne ovat:

1. Normaaleissa olosuhteissa silmä ei rekisteröi kovin heikkoa valoa.

2. Silmä ei pysty havaitsemaan pieniä eroja valon voimakkuudessa kirkkaalla taustalla.

Ensimmäinen näistä ongelmista voitettiin kiinnittämällä mikroskooppiin erittäin herkkiä videokameroita. Tämä mahdollisti solujen tarkkailun pitkään alhaisessa valaistuksessa, pois lukien pitkäaikainen altistuminen kirkkaalle valolle. Kuvausjärjestelmät ovat erityisen tärkeitä tutkittaessa fluoresoivia molekyylejä elävissä soluissa. Koska kuva on tuotettu videokameralla elektronisten signaalien muodossa, se voidaan asianmukaisesti muuntaa numeerisiksi signaaleiksi, lähettää tietokoneelle ja sitten kohdistaa lisäkäsittelyyn piilotettujen tietojen poimimiseksi.

Tietsaavutettava suuri kontrasti mahdollistaa jopa erittäin pienten esineiden, kuten yksittäisten mikrotubulusten havainnoinnin, joiden halkaisija on alle kymmenesosa valon aallonpituudesta (0,025 µm). Yksittäisiä mikrotubuluksia voidaan nähdä myös fluoresenssimikroskopialla. Molemmissa tapauksissa diffraktioefektit ovat kuitenkin väistämättömiä, jotka muuttavat kuvaa voimakkaasti. Tässä tapauksessa mikrotubulusten halkaisija on yliarvioitu (0,2 μm), mikä tekee mahdottomaksi erottaa yksittäisiä mikrotubuluksia useiden mikrotubulusten nipusta. Tämän ongelman ratkaisemiseksi tarvitaan elektronimikroskooppi, jonka resoluutioraja on siirretty kauas näkyvän valon aallonpituuden yli.

elektronimikroskopia

Aallonpituuden ja resoluutiorajan välinen suhde säilyy myös elektroneille. Elektronimikroskoopin resoluutioraja on kuitenkin paljon pienempi kuin diffraktioraja. Elektronin aallonpituus pienenee, kun sen nopeus kasvaa. Elektronimikroskoopissa, jonka jännite on 100 000 V, elektronin aallonpituus on 0,004 nm. Teorian mukaan tällaisen mikroskoopin resoluutio on 0,002 nm rajassa. Todellisuudessa elektronilinssien pienistä numeerisista aukoista johtuen nykyaikaisten elektronimikroskooppien resoluutio on kuitenkin parhaimmillaan 0,1 nm. Näytteenvalmistuksen vaikeudet ja sen säteilyvauriot vähentävät merkittävästi normaaliresoluutiota, joka biologisten kohteiden kohdalla on 2 nm (noin 100 kertaa suurempi kuin valomikroskoopin).

Elektronien lähde sisään (TEM) on katodifilamentti, joka sijaitsee noin kaksi metriä korkean lieriömäisen pylvään päällä. Elektronien sironnan välttämiseksi törmäyksissä ilmamolekyylien kanssa, kolonniin luodaan tyhjiö. Katodifilamentista säteilevät elektronit kiihdytetään läheisellä anodilla ja ne menevät sisään pienen reiän kautta muodostaen elektronisuihkun, joka kulkee kolonnin pohjalle. Pylvään varrella jollain etäisyydellä on rengasmagneetteja, jotka tarkentavat elektronisäteen, kuten lasilinssit, jotka tarkentavat valonsäteen optisessa mikroskoopissa. Näyte asetetaan ilmalukon läpi kolonnin sisään elektronisuihkun reitille. Osa elektroneista näytteen läpi kulkemishetkellä siroaa aineen tiheyden mukaan tällä alueella, loput elektroneista fokusoituvat ja muodostavat kuvan (samanlailla kuin kuvan muodostus optisessa mikroskoopissa) valokuvalevylle tai fosforoivalle näytölle.

Yksi elektronimikroskopian suurimmista haitoista on, että biologisille näytteille on tehtävä erityiskäsittely. Ensin ne kiinnitetään ensin glutaraldehydillä ja sitten osmihapolla, joka sitoo ja stabiloi lipidien ja proteiinien kaksoiskerroksen. Toiseksi elektroneilla on alhainen tunkeutumiskyky, joten sinun on tehtävä erittäin ohuita osia, ja tätä varten näytteet kuivataan ja kyllästetään hartseilla. Kolmanneksi kontrastin parantamiseksi näytteet käsitellään raskasmetallien, kuten osmiumin, uraanin ja lyijyn, suoloilla.

Kolmiulotteisen kuvan saamiseksi pinnasta käytetään pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM), jossa käytetään elektroneja, joita näytteen pinta hajottaa tai emittoi. Näyte tässä tapauksessa kiinnitetään, kuivataan ja peitetään ohuella raskasmetallikalvolla ja skannataan sitten kapealla elektronisäteellä. Tässä tapauksessa pintasäteilytyksen aikana sironneiden elektronien lukumäärä arvioidaan. Saatua arvoa käytetään ohjaamaan toisen säteen voimakkuutta, liikkuen synkronisesti ensimmäisen kanssa ja muodostaen kuvan näyttöruudulle. Menetelmän resoluutio on noin 10 nm, eikä se sovellu solunsisäisten organellien tutkimukseen. Tällä menetelmällä tutkittujen näytteiden paksuus määräytyy elektronien tunkeutumiskyvyn tai niiden energian mukaan.

Kaikkien näiden menetelmien tärkeimmät ja merkittävät haitat ovat näytteen valmistelun kesto, monimutkaisuus ja korkeat kustannukset.

Pyyhkäisykoettimen mikroskopia

Pyyhkäisykoetinmikroskoopissa (SPM) käytetään elektronisuihkun tai optisen säteilyn sijaan teräväkärkistä koetinta, neulaa, joka skannaa näytteen pintaa. Kuvannollisesti voidaan sanoa, että jos näytettä tutkitaan optisella tai elektronimikroskoopilla, se tuntuu SPM:ssä. Tuloksena on mahdollista saada kolmiulotteisia kuvia kohteista eri medioissa: tyhjiössä, ilmassa, nesteessä.

Biologiseen tutkimukseen soveltuvien SPM:ien erikoismallit mahdollistavat samanaikaisesti optisen havainnon kanssa sekä elävien solujen skannaamisen erilaisissa nestemäisissä väliaineissa että ilmassa olevien kiinteiden valmisteiden skannaamisen.

Pyyhkäisykoetinmikroskooppi

Pyyhkäisykoetinmikroskoopin nimi heijastaa sen toimintaperiaatetta - näytteen pinnan skannausta, jossa suoritetaan piste-pisteeltä anturin ja pinnan välisen vuorovaikutusasteen lukeminen. Skannausalueen koko ja siinä olevien pisteiden lukumäärä N X N Y voidaan asettaa. Mitä enemmän pisteitä määrität, sitä suurempi on pintakuvan resoluutio. Signaalin lukupisteiden välistä etäisyyttä kutsutaan skannausvaiheeksi. Skannausvaiheen tulee olla pienempi kuin tutkitut pinnan yksityiskohdat. Anturin liike skannauksen aikana (katso kuva 7-1) suoritetaan lineaarisesti eteen- ja taaksepäin (nopea skannauksen suuntaan), siirtyminen seuraavalle riville suoritetaan kohtisuorassa suunnassa (kuva 7-1). hitaan skannauksen suunta).

Riisi. 7 1. Kaavioesitys skannausprosessista
(signaalin lukeminen suoritetaan skannerin suorassa suunnassa)

Lukusignaalin luonteesta riippuen pyyhkäisymikroskoopeilla on erilaisia ​​nimiä ja käyttötarkoituksia:

atomivoimamikroskoopilla (AFM), luetaan koetinatomien ja näyteatomien välisen atomien välisen vuorovaikutuksen voimat;

tunnelointimikroskooppi (STM), joka lukee johtavan näytteen ja johtavan anturin välillä kulkevan tunnelointivirran;

magneettinen voimamikroskooppi (MFM), magneettimateriaalilla päällystetyn anturin ja magneettisia ominaisuuksia ilmaisevan näytteen väliset vuorovaikutusvoimat luetaan;

Sähköstaattisen voimamikroskoopin (ESM) avulla voidaan saada kuva sähköpotentiaalin jakautumisesta näytteen pinnalla. Käytetään antureita, joiden kärki on peitetty ohuella johtavalla kalvolla (kulta tai platina).

SPM suunnittelu

SPM koostuu seuraavista pääkomponenteista (Kuva 7-2): anturi, pietsosähköiset toimilaitteet koettimen siirtämiseksi kohdissa X, Y, Z testinäytteen pinnan yli, takaisinkytkentäpiiri ja tietokone skannausprosessin ohjaamiseksi ja kuvan hankinta.

Kuva 7 2. Pyyhkäisykoetinmikroskoopin kaavio

anturin anturi - tehokoetinmikroskoopin komponentti, joka skannaa valmistetta. Anturin anturi sisältää suorakaiteen (I-muotoinen) tai kolmion muotoisen (V-muotoinen) ulokkeen (jousikonsolin) (kuva 7-3), jonka päässä on terävä mittapää (kuva 7-3). , joka on yleensä kartiomaisen tai pyramidin muotoinen. Ulokkeen toinen pää liitetään alustaan ​​(ns. sirulla). Anturin anturit on valmistettu piistä tai piinitridistä. Ulokkeen pääominaisuus on voimavakio (jäykkyysvakio), joka vaihtelee välillä 0,01 N/m - 1020 N/m. Biologisten kohteiden tutkimiseen käytetään "pehmeitä" koettimia, joiden kovuus on 0,01  0,06 N/m.

Riisi. 7 3. Kuvia pyramidimuotoisista AFM-koettimista
saatu elektronimikroskoopilla:
a - I-muotoinen tyyppi, b - V-muotoinen tyyppi, c - pyramidi ulokkeen kärjessä

Pietsosähköiset toimilaitteet tai skannerit - anturin ohjattua liikettä näytteen tai itse näytteen yli suhteessa koettimeen erittäin pienillä etäisyyksillä. Pietsosähköisissä toimilaitteissa käytetään pietsokeraamisia materiaaleja, jotka muuttavat mittojaan, kun niihin kytketään sähköjännite. Geometristen parametrien muuttamisprosessia sähkökentän vaikutuksesta kutsutaan käänteiseksi pietsosähköiseksi efektiksi. Yleisin pietsomateriaali on lyijysirkonaattititanaatti.

Skanneri on pietsokeraaminen rakenne, joka mahdollistaa liikkeen kolmea koordinaattia pitkin: x, y (näytteen lateraalisessa tasossa) ja z (pystysuorassa). Skannereita on useita, joista yleisimmät ovat kolmijalka ja putki (kuva 7-4).

Riisi. 7 4. Skannerimallit: a) – kolmijalka, b) – putkimainen

Kolmijalkaisessa skannerissa liikkeet kolmessa koordinaatissa saadaan aikaan kolmella itsenäisellä pietsokeraamisella sauvalla, jotka muodostavat ortogonaalisen rakenteen.

Putken skannerissa ontto pietsosähköinen putki taipuu XZ- ja ZY-tasoissa ja laajenee tai supistuu Z-akselia pitkin, kun putken liikkeitä ohjaaviin elektrodeihin kohdistetaan sopivat jännitteet. Elektrodit, jotka ohjaavat liikettä XY-tasossa, sijaitsevat putken ulkopinnalla, Z-liikkeen ohjaamiseksi X- ja Y-elektrodeihin syötetään yhtä suuret jännitteet.

Palautepiiri - sarja SPM-elementtejä, joiden avulla anturi pidetään kiinteällä etäisyydellä näytteen pinnasta skannauksen aikana (kuva 7-5). Skannausprosessin aikana koetin voi sijaita näytteen pinnan eri kohokuvioiduilla alueilla, kun taas koettimen ja näytteen etäisyys Z muuttuu ja koetin-näytteen vuorovaikutuksen arvo muuttuu vastaavasti.

Riisi. 7 5. Pyyhkäisyanturimikroskoopin palautekaavio

Kun koetin lähestyy pintaa, anturin ja näytteen vuorovaikutusvoimat kasvavat, ja myös tallennuslaitteen signaali kasvaa V(t), joka ilmaistaan ​​jänniteyksiköissä. Vertailija vertaa signaalia V(t) referenssijännitteellä V perus ja tuottaa korjaavan signaalin V korr. Korjaussignaali V korr syötetään skanneriin ja anturi vedetään näytteestä. Referenssijännite - jännite, joka vastaa tallennuslaitteen signaalia, kun anturi on tietyllä etäisyydellä näytteestä. Säilyttäen tämän määritellyn anturin ja näytteen etäisyyden skannauksen aikana takaisinkytkentäjärjestelmä ylläpitää määritellyn anturin ja näytteen vuorovaikutusvoiman.

Riisi. 7 6. Anturin suhteellisen liikkeen liikerata prosessissa, jossa palautejärjestelmän avulla ylläpidetään vakiovoimaa anturin ja näytteen vuorovaikutuksessa

Kuvassa Kuvat 7-6 esittävät anturin liikeradan suhteessa näytteeseen säilyttäen samalla vakiona koettimen ja näytteen vuorovaikutusvoiman. Jos anturi on fovean yläpuolella, skanneriin syötetään jännite, jolla skanneri pitenee ja laskee anturia.

Takaisinkytkentäsilmukan vastenopeus anturin ja näytteen etäisyyden muutokseen (anturin ja näytteen vuorovaikutus) määräytyy takaisinkytkentäsilmukan vakion perusteella K. Arvot K riippuvat tietyn SPM:n suunnitteluominaisuuksista (skannerin suunnittelu ja ominaisuudet, elektroniikka), SPM:n toimintatilasta (skannausalueen koko, skannausnopeus jne.) sekä tutkittavan pinnan ominaisuuksista (kohokuvapiirteiden mittakaava). , materiaalin kovuus jne.).

SPM-lajikkeet

Pyyhkäisevä tunnelointimikroskooppi

STM:ssä tallennuslaite (kuvat 7-7) mittaa metallisondin välillä kulkevaa tunnelointivirtaa, joka vaihtelee riippuen näytteen pinnan potentiaalista ja sen pinnan topografiasta. Anturi on terävästi teroitettu neula, jonka kärjen säde voi olla useita nanometrejä. Anturin materiaalina käytetään yleensä metalleja, joilla on korkea kovuus ja kemiallinen kestävyys: volframi tai platina.

Riisi. 7 7. Tunnelianturin kaavio

Johtavan anturin ja johtavan näytteen väliin syötetään jännite. Kun anturin kärki on noin 10A:n etäisyydellä näytteestä, näytteestä tulevat elektronit alkavat tunneloida raon kautta koettimeen tai päinvastoin jännitteen merkistä riippuen (kuva 7-8).

Riisi. 7 8. Kaavamainen esitys anturin kärjen vuorovaikutuksesta näytteen kanssa

Tuloksena oleva tunnelivirta mitataan tallennuslaitteella. Sen arvo minä T verrannollinen tunnelin koskettimeen syötettyyn jännitteeseen V ja riippuu eksponentiaalisesti etäisyydestä neulan ja näytteen välillä d.

Näin ollen pieniä muutoksia etäisyydellä anturin kärjestä näytteeseen d vastaavat eksponentiaalisesti suuria muutoksia tunnelointivirrassa minä T(olettaen jännite V pysynyt vakiona). Tästä johtuen tunnelin anturin herkkyys on riittävä rekisteröimään alle 0,1 nm:n korkeusmuutoksia ja siten muodostamaan kuvan atomeista kiinteän aineen pinnalla.

Atomivoimamikroskooppi

Yleisin atomivoiman vuorovaikutuksen anturi on jousiuloke (englannin kielestä konsoli), jonka päässä on anturi. Näytteen ja anturin välisestä voimavuorovaikutuksesta johtuvan ulokkeen taipumisen määrä (kuvat 7-9) mitataan optisella rekisteröintimenetelmällä.

Voimaanturin toimintaperiaate perustuu atomivoimien käyttöön, jotka vaikuttavat anturin atomien ja näytteen atomien välillä. Kun koetin-näytteen voima muuttuu, ulokkeen taivutuksen määrä muuttuu, ja tällainen muutos mitataan optisella rekisteröintijärjestelmällä. Atomivoimaanturi on siis erittäin herkkä teräväkärkinen anturi, joka mahdollistaa yksittäisten atomien välisten vuorovaikutusvoimien rekisteröinnin.

Pienissä mutkissa mittapään ja näytevoiman välinen suhde F ja ulokkeen kärjen taipuma x määräytyy Hooken lain mukaan:

Missä k on ulokkeen voimavakio (jäykkyysvakio).

Esimerkiksi jos käytetään uloketta, jossa on vakio k noin 1 N/m, silloin noin 0,1 nanonewtonin koetin-näytteen vuorovaikutusvoiman vaikutuksesta ulokkeen taipuma on noin 0,1 nm.

Tällaisten pienten siirtymien mittaamiseen käytetään yleensä optista siirtymäanturia (kuvat 7-9), joka koostuu puolijohdelaserista ja neliosaisesta valodiodista. Kun uloke on taivutettu, siitä heijastuva lasersäde siirtyy suhteessa valodetektorin keskustaan. Siten ulokkeen taivutus voidaan määrittää valodetektorin ylemmän (T) ja alemman (B) puolikkaan valaistuksen suhteellisesta muutoksesta.

Kuva 7 9. Voimaanturin kaavio

Vuorovaikutusvoimien riippuvuus kärki-näytteestä etäisyyden kärki-näytteestä

Kun koetin lähestyy näytettä, se vetää ensin pintaa houkuttelevien voimien (van der Waalsin voimat) vuoksi. Kun koetin lähestyy näytettä edelleen, koettimen päässä olevien atomien ja näytteen pinnan atomien elektronikuoret alkavat mennä päällekkäin, mikä johtaa hylkivän voiman ilmaantuvuuteen. Kun etäisyys pienenee edelleen, hylkivästä voimasta tulee hallitseva.

Yleensä riippuvuus atomien välisen vuorovaikutuksen voimakkuudesta F atomien väliseltä etäisyydeltä R näyttää:

.

Vakiot a Ja b ja eksponentit m Ja n riippuvat atomien tyypistä ja kemiallisten sidosten tyypistä. Van der Waalsin joukoille m=7 ja n = 3. Kvalitatiivisesti riippuvuus F(R) on esitetty kuvassa. 7-10.

Riisi. 7 10. Atomien välisen vuorovaikutusvoiman riippuvuus etäisyydestä

SPM-datan muoto, SPM-tietojen visualisointi

Optisella mikroskoopilla tehdyn tutkimuksen aikana saadut pintamorfologiatiedot esitetään pinta-alan suurennettuna kuvana. SPM:llä saadut tiedot kirjoitetaan kaksiulotteisena kokonaislukutaulukona A ij . Jokaiselle arvolle ij vastaa tiettyä pistettä pinnalla skannauskentän sisällä. Tämän numerojoukon graafista esitystapaa kutsutaan SPM-skannatuksi kuvaksi.

Skannatut kuvat voivat olla joko kaksiulotteisia (2D) tai kolmiulotteisia (3D). 2D-visualisoinnilla pinnan jokainen piste Z= f(x,y) on määritetty tietty värisävy pintapisteen korkeuden mukaan (kuvat 7-11 a). 3D-visualisoinnissa pintakuva Z= f(x,y) on rakennettu aksonometriseen perspektiiviin tietyllä tavalla laskettujen pikselien tai kohokuvioviivojen avulla. Tehokkain tapa värittää 3D-kuvia on simuloida pinnan valaistuksen olosuhteita pistelähteellä, joka sijaitsee tietyssä pisteessä avaruudessa pinnan yläpuolella (kuvat 7-11 b). Tässä tapauksessa on mahdollista korostaa yksittäisiä pieniä reliefin piirteitä.

Riisi. 7 11. Ihmisen veren lymfosyytit:
a) 2D-kuva, b) 3D-kuva sivuvalaistuksella

Näytteiden valmistelu SPM-tutkimusta varten

Bakteerisolujen morfologia ja rakenne

Bakteerit ovat yksisoluisia mikro-organismeja, joilla on monimuotoinen muoto ja monimutkainen rakenne, mikä määrää niiden toiminnallisen toiminnan monimuotoisuuden. Bakteereille on tunnusomaista neljä päämuotoa: pallomainen (pallomainen), sylinterimäinen (sauvan muotoinen), kiertynyt ja rihmamainen [Ref. 7-2].

cocci (pallomaiset bakteerit) - jakautumistasosta ja yksittäisten yksilöiden sijainnista riippuen ne jaetaan mikrokokkeihin (erikseen makaavat kokit), diplokokkeihin (parilliset kokit), streptokokkeihin (kokkiketjut), stafylokokkeihin (jotka näyttävät rypäleklusterilta) ), tetrakokit (neljän kokin muodostelmat) ja sarkiinit (8 tai 16 kokin pakkaukset).

Sauvan muotoinen - bakteerit sijaitsevat yksittäissoluina, diplo- tai streptobakteerina.

Kokoelma - vibriot, spirillat ja spirokeetat. Vibriot näyttävät hieman kaarevilta tankoilta, spirilla - mutkainen muoto, jossa on useita spiraalikiharoita.

Bakteerien koot vaihtelevat välillä 0,1-10 µm. Bakteerisolun koostumus sisältää kapselin, soluseinämän, sytoplasman kalvon ja sytoplasman. Sytoplasma sisältää nukleotidin, ribosomit ja sulkeumat. Jotkut bakteerit ovat varustettu flagellalla ja villillä. Useat bakteerit muodostavat itiöitä. Ylittävät solun alkuperäisen poikittaiskoon itiöt antavat sille karan muodon.

Bakteerien morfologian tutkimiseksi optisella mikroskoopilla niistä valmistetaan aniliiniväriaineella värjättyjä natiivivalmisteita tai kiinteää sivelyä. On olemassa erityisiä värjäysmenetelmiä lippujen, soluseinän, nukleotidien ja erilaisten sytoplasmisten sulkeumien havaitsemiseksi.

Bakteerisolujen morfologian SPM-tutkimuksessa valmisteen värjäystä ei vaadita. SPM mahdollistaa bakteerien muodon ja koon määrittämisen korkealla resoluutiolla. Valmisteen huolellisella valmistelulla ja pienellä kaarevuussäteellä varustettua koetinta käyttämällä voidaan havaita flagella. Samanaikaisesti bakteerisolun seinämän suuren jäykkyyden vuoksi on mahdotonta "tutkia" solunsisäisiä rakenteita, kuten voidaan tehdä joissakin eläinsoluissa.

Valmisteiden valmistelu SPM-morfologian tutkimukseen

Ensimmäistä kokemusta varten SPM:stä on suositeltavaa valita biologinen valmiste, joka ei vaadi monimutkaista valmistelua. Helposti saatavilla olevat ja ei-patogeeniset maitohappobakteerit hapankaalin suolavedestä tai fermentoiduista maitotuotteista ovat varsin sopivia.

SPM-tutkimuksissa ilmassa on tutkittava kohde kiinnitettävä tiukasti alustan pintaan, esimerkiksi kansilasiin. Lisäksi bakteerien tiheyden suspensiossa tulee olla sellainen, etteivät solut tartu yhteen alustalle kerrostuttaessa, eikä niiden välinen etäisyys saa olla liian suuri, jotta skannauksen aikana voidaan ottaa useita esineitä yhteen kehykseen. Nämä ehdot täyttyvät, jos näytteen valmistustapa valitaan oikein. Jos substraatille levitetään tippa bakteereja sisältävää liuosta, tapahtuu niiden asteittaista saostumista ja kiinnittymistä. Tässä tapauksessa solujen pitoisuutta liuoksessa ja sedimentaatioaikaa tulisi pitää pääparametreina. Suspensiossa olevien bakteerien pitoisuus määritetään optisella sameusstandardilla.

Meidän tapauksessamme vain yksi parametri vaikuttaa - inkubaatioaika. Mitä kauemmin pisara pidetään lasilla, sitä suurempi on bakteerisolujen tiheys. Samanaikaisesti, jos pisara nestettä alkaa kuivua, liuoksen saostuneet komponentit kontaminoituvat liian voimakkaasti. Tippa bakteerisoluja sisältävää liuosta (suolaliuosta) levitetään peitinlasille, inkuboidaan 5-60 minuuttia (riippuen liuoksen koostumuksesta). Sitten odottamatta tippojen kuivumista, ne pestään perusteellisesti tislatulla vedellä (kastamalla valmiste pinseteillä lasiin useita kertoja). Kuivumisen jälkeen valmiste on valmis mittaukseen SPM:llä.

Esimerkiksi maitohappobakteerivalmisteita valmistettiin hapankaalin suolavedestä. Peitelasilla olevan suolavesipisaran altistusajaksi valittiin 5 min, 20 min ja 1 tunti (pisara oli jo alkanut kuivua). SPM - kehykset näkyvät kuvassa. 7-12, kuva. 7-13,
Riisi. 7-14.

Kuvista voidaan nähdä, että tälle ratkaisulle optimaalinen inkubaatioaika on 510 min. Pisaran pitämisajan pidentyminen substraatin pinnalla johtaa bakteerisolujen tarttumiseen. Siinä tapauksessa, että tippa liuosta alkaa kuivua, liuoksen komponentit kerrostuvat lasille, jota ei voida pestä pois.

Riisi. 7 12. Kuvia maitohappobakteereista kansilasilla,
saatu SPM:llä.

Riisi. 7 13. Kuvia maitohappobakteereista kansilasilla,
saatu SPM:llä. Liuoksen inkubointiaika 20 min

Riisi. 7 14. Kuvia maitohappobakteereista kansilasilla,
saatu SPM:llä. Liuoksen inkubointiaika 1 tunti

Yhdellä valituista valmisteista (kuvat 7-12) yritimme pohtia, mitä maitohappobakteerit ovat, mikä muoto niille on tässä tapauksessa ominaista. (Kuvat 7-15)

Riisi. 7 15. AFM - kuva maitohappobakteereista kansilasilla.
Liuoksen inkubointiaika 5 min

Riisi. 7 16. AFM - kuva maitohappobakteeriketjusta kansilasilla.
Liuoksen inkubointiaika 5 min

Suolavedelle on tunnusomaista sauvamaisten bakteerien muoto ja ketjun muotoinen järjestely.

Riisi. 7 17. Koulutus-SPM NanoEducatorin ohjausohjelman ikkuna.
Työkalupalkki

Määritimme bakteerisolujen koon opetus-SPM NanoEducator -ohjelman työkaluilla. Ne vaihtelivat välillä noin 0,5 × 1,6 um
jopa 0,8 × 3,5 µm.

Saatuja tuloksia verrataan bakteerien determinantissa Bergey [Lit. 7-3].

Maitohappobakteerit kuuluvat laktobasilleihin (Lactobacillus). Solut ovat sauvan muotoisia, yleensä muodoltaan säännöllisiä. Tikut ovat pitkiä, joskus lähes kokkimaisia, yleensä lyhyitä ketjuja. Mitat 0,5 - 1,2 x 1,0 - 10 mikronia. Kiista ei muodostu; harvoissa tapauksissa ne ovat liikkuvia peritrichous flagellan vuoksi. Levitetty laajasti ympäristössä, erityisesti eläin- ja kasviperäisissä elintarvikkeissa. Maitohappobakteerit ovat osa ruoansulatuskanavan normaalia mikroflooraa. Kaikki tietävät, että hapankaali on sen vitamiinipitoisuuden lisäksi hyödyllinen suoliston mikroflooran parantamiseen.

Pyyhkäisykoetinmikroskoopin suunnittelu NanoEducator

Kuvassa 7-18 näyttää mittauspään ulkonäön SPM NanoEducator ja työssä käytetyn laitteen pääelementit on merkitty.

Riisi. 7 18. Mittapään SPM NanoEducator ulkonäkö
1-jalusta, 2-näytteen pidike, 3-vuorovaikutusanturi, 4-anturin kiinnitysruuvi,
5 ruuvia manuaaliseen lähestymiseen, 6 ruuvia skannerin siirtämiseen näytteen kanssa vaakatasossa, 7 ruuvia videokameralla

Kuvassa Kuvat 7-19 esittävät mittauspään rakenteen. Pohjassa 1 on skanneri 8, jossa on näytteen pidike 7 ja askelmoottoriin perustuva mekanismi näytteen tuomiseksi koettimeen 2. Koulutuksessa SPM NanoEducator näyte kiinnitetään skanneriin ja näyte skannataan suhteessa kiinteään anturiin. Voiman vuorovaikutusanturiin 4 kiinnitetty koetin 6 voidaan lähestyä näytettä myös manuaalisella lähestymisruuvilla 3. Tutkimuspaikan alustava valinta näytteessä tehdään ruuvilla 9.

Riisi. 7 19. SPM NanoEducatorin rakenne: 1 – pohja, 2 – lähestymismekanismi,
3 – manuaalinen lähestymisruuvi, 4 – vuorovaikutusanturi, 5 – anturin kiinnitysruuvi, 6 – anturi,
7 - näytepidike, 8 - skanneri, 9, 10 - ruuvit skannerin siirtämiseen näytteen kanssa

Koulutus SPM NanoEducator koostuu kaapeleilla yhdistetystä mittapäästä, SPM-ohjaimesta ja ohjaustietokoneesta. Mikroskooppi on varustettu videokameralla. Vuorovaikutusanturista tuleva signaali esivahvistimen muuntamisen jälkeen tulee SPM-ohjaimeen. Työnhallinta SPM NanoEducator suoritetaan tietokoneelta SPM-ohjaimen kautta.

Pakota vuorovaikutusanturi ja anturi

Laitteessa NanoEducator Anturi on valmistettu pituudeltaan pietsokeraamisen putken muodossa l=7 mm, halkaisija d=1,2 mm ja seinämän paksuus h\u003d 0,25 mm, kiinteästi kiinnitetty toisesta päästä. Johtava elektrodi kerrostetaan putken sisäpinnalle. Putken ulkopinnalle on asetettu kaksi sähköeristettyä puolisylinterimäistä elektrodia. Putken vapaaseen päähän on kiinnitetty halkaisijaltaan volframilanka
100 µm (kuvat 7-20).

Riisi. 7 20. NanoEducatorin yleisanturin suunnittelu

Anturina käytettävän langan vapaa pää on maadoitettu sähkökemiallisesti, kaarevuussäde on 0,2  0,05 µm. Anturin sähköinen kosketus putken sisäiseen elektrodiin, joka on liitetty instrumentin maadoitettuun runkoon.

Kahden ulkoisen elektrodin läsnäolo pietsosähköisessä putkessa mahdollistaa pietsosähköisen putken yhden osan (ylemmän, kuvan 7-21 mukaisesti) käytön voimavuorovaikutusanturina (mekaanisen värähtelyn tunnistimena) ja toisen osan käytön. pietsovibraattorina. Pietsovibraattoriin syötetään vaihtojännite taajuudella, joka on yhtä suuri kuin tehoanturin resonanssitaajuus. Värähtelyamplitudi suurella kärki-näyteetäisyydellä on suurin. Kuten kuvasta voidaan nähdä. 7-22, anturi poikkeaa värähtelyprosessin aikana tasapainoasennosta määrällä A o, joka on yhtä suuri kuin sen pakotettujen mekaanisten värähtelyjen amplitudi (se on mikrometrin murto-osia), kun taas toisessa osassa ilmaantuu vaihtojännite. Pietsoputki (värähtelyanturi), joka on verrannollinen mittapään siirtymään, joka ja mittaa instrumentin.

Kun anturi lähestyy näytteen pintaa, koetin alkaa koskettaa näytettä värähtelyn aikana. Tämä johtaa anturin värähtelyjen amplitudi-taajuusominaisuuden (AFC) siirtymiseen vasemmalle verrattuna kaukana pinnasta mitattuun AFC:hen (Kuva 7-22). Koska pietsoputken käyttövärähtelyjen taajuus pidetään vakiona ja yhtä suurena kuin värähtelytaajuus о vapaassa tilassa, niin anturin lähestyessä pintaa sen värähtelyjen amplitudi pienenee ja tulee yhtä suureksi kuin A. Tämä värähtelyamplitudi on tallennettu pietsoputken toisesta osasta.

Riisi. 7 21. Pietsosähköisen putken toimintaperiaate
voimavuorovaikutusanturina

Riisi. 7 22. Voimaanturin värähtelytaajuuden muuttaminen
lähestyessä näytteen pintaa

Skanneri

Laitteessa käytetty menetelmä mikroliikkeiden organisoimiseksi NanoEducator, perustuu kehälle puristetun metallikalvon käyttöön, jonka pintaan on liimattu pietsosähköinen levy (kuvat 7-23 a). Pietsosähköisen levyn mittojen muutos ohjausjännitteen vaikutuksesta johtaa kalvon taipumiseen. Asettamalla tällaiset kalvot kuution kolmelle kohtisuoralle sivulle ja yhdistämällä niiden keskipisteet metallityöntimillä saadaan 3-koordinaattinen skanneri (kuva 7-23 b).

Riisi. 7 23. NanoEducator-skannerin toimintaperiaate (a) ja rakenne (b).

Kukin pietsosähköinen elementti 1, joka on kiinnitetty kuution 2 pinnoille, voi kun siihen kytketään sähköjännite, voi liikuttaa siihen kiinnitettyä työntöä 3 johonkin kolmesta keskenään kohtisuorasta suunnasta - X, Y tai Z. Kuten voidaan nähdä kuvassa kaikki kolme työntöä on kytketty yhteen pisteeseen 4 Jollain likiarvolla voimme olettaa, että tämä piste liikkuu kolmea koordinaattia X, Y, Z pitkin. Samaan kohtaan on kiinnitetty teline 5 näytetelineellä 6. Näin näyte liikkuu kolmea koordinaattia pitkin kolmen riippumattoman jännitelähteen vaikutuksesta. Laitteissa NanoEducator näytteen suurin siirtymä on noin 5070 µm, mikä määrittää suurimman skannausalueen.

Mekanismi koettimen automaattiseen lähestymiseen näytteeseen (palautteen talteenotto)

Skannerin liikealue Z-akselia pitkin on noin 10 µm, joten ennen skannausta on tarpeen tuoda anturi lähemmäs näytettä tällä etäisyydellä. Tätä tarkoitusta varten suunnitellaan lähestymismekanismi, jonka kaavio on esitetty kuvassa. 7-19. Askelmoottori 1, kun siihen kohdistetaan sähköisiä impulsseja, pyörittää syöttöruuvia 2 ja liikuttaa tankoa 3 anturin 4 kanssa tuoden sen lähemmäksi tai kauemmaksi skanneriin 6 asennetusta näytteestä 5. Yhden askeleen arvo on noin 2 μm.

Riisi. 7 24. Kaavio mekanismista, jolla koetin lähestyy näytteen pintaa

Koska lähestymismekanismin askel ylittää merkittävästi vaaditun anturin ja näytteen etäisyyden arvon skannauksen aikana, koettimen muodonmuutosten välttämiseksi sen lähestyminen suoritetaan samanaikaisesti askelmoottorin ja skannerin liikkeillä Z-suuntaa pitkin. akseli seuraavan algoritmin mukaan:

1. Palautejärjestelmä kytketään pois päältä ja skanneri "vetyy sisään" eli laskee näytteen alempaan ääriasentoon.

2. Anturin lähestymismekanismi ottaa yhden askeleen ja pysähtyy.

3. Palautejärjestelmä kytketään päälle ja skanneri nostaa näytettä tasaisesti samalla, kun anturin ja näytteen vuorovaikutusta analysoidaan.

4. Jos vuorovaikutusta ei ole, prosessi toistetaan kohdasta 1.

Jos nollasta poikkeava signaali ilmestyy skanneria nostettaessa, palautejärjestelmä pysäyttää skannerin ylöspäin suuntautuvan liikkeen ja määrittää vuorovaikutuksen määrän tietylle tasolle. Voiman vuorovaikutuksen suuruus, jossa koettimen lähestyminen pysähtyy ja skannausprosessi tapahtuu laitteessa NanoEducator ominaista parametrilla Amplitudin vaimennus (AmplitudiTukahduttaminen) :

A = Ao. (1-amplitudin vaimennus)

SPM-kuvan saaminen

Ohjelman soittamisen jälkeen NanoEducator ohjelman pääikkuna tulee näkyviin tietokoneen näyttöön (kuva 7-20). Työ tulee aloittaa valikkokohdasta Tiedosto ja valitse siinä Avata tai Uusi tai vastaavilla työkalupalkin painikkeilla (, ).

Joukkueen valinta Tiedosto Uusi tarkoittaa siirtymistä SPM-mittauksiin ja komennon valintaa Tiedosto Avata tarkoittaa siirtymistä aiemmin vastaanotettujen tietojen katseluun ja käsittelyyn. Ohjelman avulla voit tarkastella ja käsitellä tietoja samanaikaisesti mittausten kanssa.

Riisi. 7 25. NanoEducator-pääikkuna

Komennon suorittamisen jälkeen Tiedosto Uusi näytölle tulee valintaikkuna, jonka avulla voit valita tai luoda työkansion, johon nykyisen mittauksen tulokset tallennetaan oletusarvoisesti. Mittausten aikana kaikki saadut tiedot tallennetaan peräkkäin tiedostoihin, joissa on nimi ScanData+i.spm, jossa indeksi i nollautuu, kun ohjelma käynnistetään, ja sitä kasvatetaan jokaisen uuden mittauksen yhteydessä. Tiedostot ScanData+i.spm sijoitetaan työkansioon, joka asetetaan ennen mittausten aloittamista. Mittauksen aikana on mahdollista valita eri työkansio. Voit tehdä tämän painamalla -painiketta , ohjelman pääikkunan työkalurivillä ja valitse valikkokohta Vaihda työkansiota.

Tallenna nykyisen mittauksen tulokset painamalla -painiketta Tallenna nimellä Valitse näkyviin tulevan valintaikkunan Scan-ikkunassa kansio ja määritä tiedostonimi samalla kun tiedosto ScanData+i.spm, joka toimii väliaikaisena tallennustiedostona mittausten aikana, nimetään uudelleen määrittämäsi tiedostonimeksi. Oletusarvoisesti tiedosto tallennetaan työkansioon, joka on määritetty ennen mittausten aloittamista. Jos et suorita mittaustulosten tallennustoimintoa, seuraavan kerran käynnistäessäsi ohjelman tulokset tallennetaan väliaikaisiin tiedostoihin ScanData+i.spm, korvataan peräkkäin (ellei työhakemistoa muuteta). Väliaikaisten mittaustulostiedostojen läsnäolosta työkansiossa annetaan varoitus ennen ohjelman sulkemista ja käynnistämisen jälkeen. Työkansion muuttaminen ennen mittausten aloittamista mahdollistaa edellisen kokeen tulosten suojaamisen poistamiselta. Oletusnimi ScanData voidaan muuttaa määrittämällä se työkansion valintaikkunassa. Työkansion valintaikkuna avautuu, kun painiketta painetaan. , sijaitsee ohjelman pääikkunan työkalupalkissa. Voit myös tallentaa mittaustulokset ikkunaan Skannaa selain, valitsemalla tarvittavat tiedostot yksitellen ja tallentamalla ne valittuun kansioon.

NanoEducatorilla saadut tulokset on mahdollista viedä ASCII- ja Nova (NTMDT) -muotoihin, jotka voidaan tuoda NTMDT Nova -ohjelmalla, Image Analysis -ohjelmalla ja muilla ohjelmilla. Skannauskuvat, tiedot niiden poikkileikkauksista, spektroskopiamittausten tulokset viedään ASCII-muotoon. Vie tiedot napsauttamalla painiketta Viedä sovelluksen pääikkunan työkalupalkissa tai valitse Viedä valikkokohdassa Tiedosto tähän ikkunaan ja valitse sopiva vientimuoto. Käsittely- ja analysointitiedot voidaan lähettää välittömästi esikäynnistettyyn Image Analysis -ohjelmaan.

Valintaikkunan sulkemisen jälkeen näytölle tulee kojetaulu.
(Kuvat 7-26).

Riisi. 7 26. Mittarin ohjauspaneeli

Kojeen ohjauspaneelin vasemmalla puolella on painikkeita SPM-konfiguraation valitsemiseksi:

SSM- Pyyhkäisyvoimamikroskooppi (SFM)

STM– Pyyhkäisytunnelointimikroskooppi (STM).

Mittausten suorittaminen harjoittelussa SPM NanoEducator koostuu seuraavista toimenpiteistä:

1. Näytteen asentaminen

HUOMIO! Ennen näytteen asettamista anturi on irrotettava anturin kanssa, jotta anturi ei vaurioidu.

On kaksi tapaa korjata näyte:

magneettipöydällä (tässä tapauksessa näyte on kiinnitettävä magneettisubstraattiin);

kaksipuolisella teipillä.

HUOMIO! Jos haluat asentaa näytteen kaksipuoliselle teipille, sinun on ruuvattava pidike irti telineestä (jotta et vaurioita skanneria) ja ruuvaa se sitten takaisin paikalleen, kunnes se pysähtyy hieman.

Jos kyseessä on magneettikiinnitys, näytettä voidaan vaihtaa irrottamatta näytepidikettä.

2. Anturin asennus

HUOMIO! Asenna anturi aina anturin kanssa näytteen asettamisen jälkeen.

Kun olet valinnut halutun anturin anturin (pidä anturia alustan metallireunoista) (katso kuva 7-27), löysää mittapään kannessa olevaa anturin kiinnitysruuvia 2, työnnä anturi pidikkeen kantaan, kunnes se pysähtyy. , kierrä kiinnitysruuvia myötäpäivään , kunnes se pysähtyy kevyesti .

Riisi. 7 27. Anturin asennus

3. Skannaussijainnin valitseminen

Kun valitset paikan näytteen tutkimiselle, käytä ruuveja laitteen pohjassa olevan kahden koordinaatin taulukon siirtämiseen.

4. Anturin alustava lähestyminen näytteeseen

Esilähestymistoiminto ei ole pakollinen jokaisessa mittauksessa, sen toteuttamisen tarve riippuu näytteen ja anturin kärjen välisestä etäisyydestä. Esilähestymisoperaatio on toivottavaa suorittaa, jos anturin kärjen ja näytteen pinnan välinen etäisyys on yli 0,51 mm. Käytettäessä anturin automaattista lähestymistapaa näytteeseen suurelta etäisyydeltä niiden välillä lähestymisprosessi kestää hyvin kauan.

Käytä käsiruuvia laskeaksesi anturia samalla kun säädät sen ja näytepinnan välistä etäisyyttä visuaalisesti.

5. Resonanssikäyrän rakentaminen ja toimintataajuuden asettaminen

Tämä toimenpide suoritetaan välttämättä jokaisen mittauksen alussa, ja kunnes se suoritetaan, siirtyminen muihin mittausvaiheisiin on estetty. Lisäksi mittausprosessin aikana tulee joskus tilanteita, jotka vaativat tämän toimenpiteen uudelleen suorittamista (esimerkiksi kun yhteys katkeaa).

Resonanssihakuikkuna avataan painamalla kojetaulun painiketta. Tämän toimenpiteen suorittamiseen kuuluu anturin värähtelyjen amplitudin mittaaminen, kun generaattorin asettama pakkovärähtelytaajuus muuttuu. Voit tehdä tämän painamalla -painiketta JUOSTA(Kuvat 7-28).

Riisi. 7 28. Resonanssihaun toimintaikkuna ja toimintataajuuden asetus:
a) - automaattinen tila, b) - manuaalinen tila

tilassa Auto oskillaattorin taajuus asetetaan automaattisesti samaksi taajuudella, jolla koettimen värähtelyjen maksimiamplitudi havaittiin. Kuvaaja, joka näyttää anturin värähtelyjen amplitudin muutoksen tietyllä taajuusalueella (kuvat 7-28a), mahdollistaa resonanssihuipun muodon havainnoinnin. Jos resonanssihuippu ei ole tarpeeksi selvä tai amplitudi resonanssitaajuudella on pieni ( alle 1V), sitten on tarpeen muuttaa mittausparametreja ja määrittää resonanssitaajuus uudelleen.

Tämä tila on tarkoitettu Manuaalinen. Kun tämä tila on valittuna ikkunassa Resonanssitaajuuden määrittäminen lisäpaneeli tulee näkyviin
(Kuva 7-28b), jonka avulla voit säätää seuraavia parametreja:

Anturin kääntöjännite generaattorin antama. On suositeltavaa asettaa tämä arvo minimiin (nollaan) ja enintään 50 mV.

Amplitudin vahvistus ( Amplitudin vahvistus). Jos anturin värähtelyamplitudi on riittämätön (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Amplitudin vahvistus.

Aloita resonanssihaku painamalla -painiketta alkaa.

tila Manuaalinen voit muuttaa valittua taajuutta manuaalisesti siirtämällä vihreää osoitinta kaaviossa hiirellä sekä selventää värähtelyamplitudin muutoksen luonnetta kapealla arvoalueella valitun taajuuden ympärillä (tämän tekemiseksi, sinun on asetettava kytkin Manuaalitila paikalleen Tarkalleen ja paina painiketta alkaa).

6. Vuorovaikutuksen sieppaus

Vuorovaikutuksen sieppaamiseksi suoritetaan koettimen ja näytteen ohjattu lähestyminen käyttämällä automaattista lähestymismekanismia. Tämän toimenpiteen ohjausikkuna avataan painamalla kojetaulun painiketta. Kun työskentelet CCM:n kanssa, tämä painike tulee saataville hakutoiminnon suorittamisen ja resonanssitaajuuden asettamisen jälkeen. Ikkuna CCM, lyijy(Kuva 7-29) sisältää anturin lähestymisohjaukset sekä parametrien osoittimet, joiden avulla voit analysoida toimenpiteen edistymistä.

Riisi. 7 29. Anturin lähestymisikkuna

Ikkunassa toimittaa Käyttäjällä on mahdollisuus seurata seuraavia arvoja:

skannerin laajennus ( SkanneriZ) Z-akselia pitkin suhteessa mahdolliseen maksimiin yksikkönä otettuna. Skannerin suhteellisen venymän arvoa luonnehtii vasemman ilmaisimen täyttöaste värillä, joka vastaa vyöhykettä, jossa skanneri tällä hetkellä sijaitsee: vihreä väri - työalue, sininen - työalueen ulkopuolella, punainen - skanneri on tullut liian lähelle näytteen pintaa, mikä voi johtaa anturin muodonmuutokseen. Jälkimmäisessä tapauksessa ohjelma antaa äänivaroituksen;

anturin värähtelyamplitudi suhteessa sen värähtelyjen amplitudiin voimavuorovaikutuksen puuttuessa, yksikkönä. Anturin värähtelyjen suhteellisen amplitudin arvo näkyy oikeanpuoleisessa osoittimessa sen täyttöasteella viininpunaisena. Vaakasuuntainen merkki osoittimessa Anturin värähtelyamplitudi osoittaa kulkiessaan tason, jonka läpi suoritetaan skannerin tilan analyysi ja sen automaattinen ulostulo työasentoon;

askelmäärä ( Wagi) kuljettu tiettyyn suuntaan: Lähestyminen - lähestyminen, Takaisinveto - poisto.

Ennen kuin aloitat anturin laskemisen, sinun on:

Tarkista, onko lähestymisparametrit asetettu oikein:

Palautteen saanti Käyttöjärjestelmän vahvistus asetettu arvoon 3 ,

Varmista parametri tukahduttaminenAmplitudi (voima) sen arvo on noin 0,2 (katso kuva 7-29). Muussa tapauksessa paina painiketta Pakottaa ja ikkunassa Vuorovaikutusparametrien asettaminen (Kuva 7-30) aseta arvo tukahduttaminenamplitudi yhtä suuri 0.2. Tarkempaa lähestymistapaa varten parametrin arvo tukahduttaminenamplitudi ehkä vähemmän .

Tarkista, ovatko asetukset oikein parametriikkunassa Vaihtoehdot, sivu Lähestymisparametrit.

Se, onko vuorovaikutusta vai ei, voidaan määrittää vasemmanpuoleisen ilmaisimen avulla SkanneriZ. Skannerin koko laajennus (koko ilmaisin SkanneriZ värillinen sinisellä), sekä täysin varjostettu viininpunainen ilmaisin Anturin värähtelyamplitudi(Kuvat 7-29) osoittavat, ettei vuorovaikutusta ole. Resonanssihaun ja toimintataajuuden asettamisen jälkeen anturin vapaiden värähtelyjen amplitudi otetaan yksikkönä.

Jos skanneria ei ole täysin vedetty ulos ennen lähestymistä tai lähestymisen aikana tai jos ohjelma näyttää viestin: 'Virhe! Anturi on liian lähellä näytettä. Tarkista lähestymisparametrit tai fyysinen solmu. Haluat muuttaa turvalliseen paikkaan" , on suositeltavaa keskeyttää lähestymismenettely ja:

a. muuta yhtä vaihtoehdoista:

lisää vuorovaikutuksen määrää, parametria tukahduttaminenamplitudi, tai

lisätä arvoa Käyttöjärjestelmän vahvistus, tai

lisää lähestymisvaiheiden välistä viivettä (parametri Integraatioaika Sivulla Lähestymisparametrit ikkuna Vaihtoehdot).

b. lisää anturin kärjen ja näytteen välistä etäisyyttä (tämä tehdään noudattamalla kappaleessa kuvattuja vaiheita ja suorittamalla toimenpide Resonanssi, palaa sitten menettelyyn toimittaa.

Riisi. 7 30. Ikkuna anturin ja näytteen välisen vuorovaikutuksen arvon asettamiseen

Vuorovaikutuksen taltioinnin jälkeen viesti " Johto suoritettu”.

Jos on tarpeen siirtyä askeleen lähemmäksi, paina painiketta. Tässä tapauksessa vaihe suoritetaan ensin ja sitten tarkistetaan vuorovaikutuksen sieppauskriteerit. Pysäytä liike painamalla painiketta. Suorittaaksesi sisäänvetotoiminnon, sinun on painettava nopean sisäänvetämisen painiketta

tai paina painiketta hitaan vetäytymisen saamiseksi. Vedä tarvittaessa sisään yksi askel, paina painiketta. Tässä tapauksessa vaihe suoritetaan ensin ja sitten tarkistetaan vuorovaikutuksen sieppauskriteerit.

7. Skannaa

Lähestymistoimenpiteen suorittamisen jälkeen ( toimittaa) ja vuorovaikutuksen sieppaus, skannaus tulee saataville (painike kojetaulun ikkunassa).

Painamalla tätä painiketta (kuvassa 7-31 skannausikkunan näkymä) käyttäjä siirtyy suoraan mittaukseen ja mittaustulosten saamiseen.

Ennen kuin suoritat skannausprosessin, sinun on asetettava skannausparametrit. Nämä vaihtoehdot on ryhmitelty ikkunan yläpalkin oikealle puolelle. Skannaus.

Ensimmäisellä kerralla ohjelman käynnistämisen jälkeen ne asennetaan oletusarvoisesti:

Skannausalue - Alue (Xnm*Ynm): 5000*5000nm;

Pisteiden määrämittaukset akseleita pitkin- X, Y: NX=100, New York=100;

Skannauspolku - Suunta määrittää skannaussuunnan. Ohjelman avulla voit valita pikapyyhkäisyakselin suunnan (X tai Y). Kun ohjelma käynnistyy, se asentuu Suunta

Kun olet asettanut skannausparametrit, sinun on napsautettava -painiketta Käytä vahvistaaksesi parametrien syöttämisen ja painikkeen alkaa aloittaaksesi skannauksen.

Riisi. 7 31. Ikkuna prosessin hallintaan ja CCM-skannauksen tulosten näyttämiseen

7.4 Ohjeet

Lue käyttöopas [Ref. 7-4].

7.5.Turvallisuus

Laite saa virtansa 220 V:n jännitteestä. NanoEducator-pyyhkäisyanturimikroskooppia tulee käyttää kuluttajien sähköasennusten PTE:n ja PTB:n mukaisesti, joiden jännite on enintään 1000 V.

7.6 Tehtävä

1. Valmista omat biologiset näytteesi SPM-tutkimuksia varten.

2. Harjoittele NanoEducatorin yleissuunnittelua.

3. Tutustu NanoEducator-hallintaohjelmaan.

4. Hanki ensimmäinen SPM-kuva opettajan valvonnassa.

5. Käsittele ja analysoi tuloksena oleva kuva. Mitkä bakteerimuodot ovat tyypillisiä ratkaisullesi? Mikä määrittää bakteerisolujen muodon ja koon?

6. Ota Burgey's Bacteria Key ja vertaa tuloksia siellä kuvattuihin.

7.7.Valvontakysymykset

1. Mitkä ovat menetelmät biologisten esineiden tutkimiseen?

2. Mikä on pyyhkäisyanturimikroskopia? Mikä periaate sen taustalla on?

3. Nimeä SPM:n pääkomponentit ja niiden tarkoitus.

4. Mikä on pietsosähköinen vaikutus ja miten sitä sovelletaan SPM:ssä. Kuvaile skannerien eri malleja.

5. Kuvaile NanoEducatorin yleistä rakennetta.

6. Kuvaile voimavuorovaikutusanturi ja sen toimintaperiaate.

7. Kuvaa mekanismi, jolla koetin lähestyy näytettä NanoEducatorissa. Selitä parametrit, jotka määrittävät anturin ja näytteen välisen vuorovaikutuksen voimakkuuden.

8. Selitä skannauksen periaate ja palautejärjestelmän toiminta. Kerro meille skannausvaihtoehtojen valintaperusteista.

7.8 Kirjallisuus

Lit. 7 1. Paul de Kruy. Mikrobien metsästäjät. M. Terra. 2001.

Lit. 7 2. Opas käytännön harjoituksiin mikrobiologiassa. Toimituksen alaisena Egorov N.S. Moskova: Nauka, 1995.

Lit. 7 3. Holt J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Bakteerien määrääjä Burgey. M.: Mir, 1997, osa nro 2, C. 574.

Lit. 7 4. Laitteen käyttöohje NanoEducator.. Nižni Novgorod. Tiede- ja koulutuskeskus...

Luentomuistiinpanot kurssista "Scanning probe microscopy in Biology" Luentosuunnitelma

Abstrakti

... skannauskoetinmikroskopia biologiassa" Luentosuunnitelma: Johdanto, SPM:n historia. rajat sovellukset...ja nanorakenteet, tutkimustabiologinenesineitä: Nobel-palkitut... vartentutkimusta erityinen näyte: B skannauskoetinmikroskopiavarten ...

Xxiii Venäjän alustava ohjelma 1. kesäkuuta tiistaiaamuna klo 10 00 – 14 00 konferenssin avauspuheenvuoro

Ohjelmoida

B.P. Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, V.I. Popenko Sovelluskoetin ja konfokaalinen skannausmikroskopiavartentutkimusta korjausprosessit nanodispersiografteilla...

1. koko venäläinen tieteellinen konferenssi Menetelmät toiminnallisten materiaalien koostumuksen ja rakenteen tutkimiseksi

Asiakirja

MONIELEMENTTI OBJEKTEJA EI VIITE... Lyakhov N.Z. TUTKIMUS NANOKOMPOSIITTIT BIOLOGISESTI AKTIIVINEN... Aliev V.Sh. SOVELLUS MENETELMÄ KOETINMIKROSKOPIOTFORTUTKIMUS VAIKUTUS... SKANNAUS KALORIMETRIA JA TERMOSTIMULOIDUT VIRTAAT FORTUTKIMUS ...

(Englanti) Pyyhkäisyelektronimikroskooppi, SEM) on laite, jonka avulla voit saada kuvia näytteen pinnasta korkealla resoluutiolla (alle mikrometrillä). Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla saadut kuvat ovat kolmiulotteisia ja käteviä skannattavan pinnan rakenteen tutkimiseen. Useat lisämenetelmät (EDX, WDX-menetelmät) mahdollistavat tiedon saamisen pintaa lähellä olevien kerrosten kemiallisesta koostumuksesta.

Toimintaperiaate

Tutkittava näyte skannataan teollisissa tyhjiöolosuhteissa fokusoidulla keskienergiaisella elektronisäteellä. Signaalin tallennusmekanismista riippuen pyyhkäisyelektronimikroskoopilla on useita toimintatapoja: heijastuneen elektronin moodi, sekundaarielektronimoodi, katodoluminesenssimoodi jne. Kehitettyjen tekniikoiden avulla on mahdollista tutkia näytteen pinnan ominaisuuksien lisäksi. myös visualisoida ja saada tietoa pinnanalaisten rakenteiden ominaisuuksista, jotka sijaitsevat useiden mikrometrien syvyydellä skannatusta pinnasta.

Toimintatilat

Toissijaisten elektronien havaitseminen

Säteily, joka muodostaa kuvan näytepinnasta useimmissa laitemalleissa, on nimenomaan sekundäärielektroneja, jotka tulevat Everhart-Thornley-tyyppiseen ilmaisimeen, jossa muodostuu ensisijainen kuva, joka ohjelmisto-prosessorikäsittelyn jälkeen tulee näyttöruudulle. Kutenssa, filmiä käytettiin aiemmin valokuvaamiseen. Kamera otti kuvia katodisädeputken teräväpiirto-mustavalkonäytöllä. Nyt luotu kuva näytetään yksinkertaisesti mikroskooppia ohjaavan tietokoneohjelman käyttöliittymäikkunassa, ja käyttäjän tarkennuksen jälkeen se voidaan tallentaa tietokoneen kiintolevylle. Pyyhkäisymikroskoopeilla muodostetulle kuvalle on ominaista korkea kontrasti ja tarkennussyvyys. Joissakin nykyaikaisten laitteiden malleissa on mahdollista saada 3D-kuva tutkittavan kohteen pinnasta monisädetekniikan ja erikoisohjelmistojen käytön ansiosta. Esimerkiksi japanilainen JEOL valmistaa tällaisia ​​mikroskooppeja.

lupa

Pyyhkäisyelektronimikroskoopin spatiaalinen resoluutio riippuu elektronisäteen poikittaiskoon, joka puolestaan ​​riippuu säteen fokusoivan elektroni-optisen järjestelmän ominaisuuksista. Resoluutiota rajoittaa myös elektronianturin ja näytteen eli kohdemateriaalin välisen vuorovaikutusalueen koko. Elektronikoettimen koko ja koettimen ja näytteen välisen vuorovaikutusalueen koko ovat paljon suurempia etäisyyksiä kohdeatomien välillä, joten pyyhkäisyelektronimikroskoopin resoluutio ei ole tarpeeksi suuri atomiasteikkojen näyttämiseen, kuten on mahdollista, esimerkiksisa. Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla on kuitenkin etunsa, mukaan lukien kyky visualisoida suhteellisen suuri alue näytteestä, kyky tutkia massiivisia kohteita (ei vain ohuita kalvoja) ja erilaisia ​​analyyttisiä menetelmiä, joiden avulla voidaan tutkia kohdemateriaalin perusominaisuudet. Tietystä laitteesta ja kokeen parametreista riippuen on mahdollista saavuttaa resoluutioarvoja kymmenistä nanometrien yksikköihin.

Sovellus

Pyyhkäiseviä mikroskooppeja käytetään ensisijaisesti tutkimusvälineenä fysiikan, materiaalitieteen, elektroniikan ja biologian aloilla. Pääasiassa kuvan saamiseksi testinäytteestä, joka voi vaihdella suuresti käytetyn ilmaisimen tyypin mukaan. Nämä erot saaduissa kuvissa mahdollistavat johtopäätösten tekemisen pinnan fysikaalisista ominaisuuksista, pinnan topografian tutkimuksista. Elektronimikroskooppi on käytännössä ainoa instrumentti, jolla voidaan saada kuva nykyaikaisen mikrosirun pinnasta tai fotolitografiaprosessin välivaiheesta.

Kiinteiden aineiden pinnan yksityiskohtaiseen tutkimukseen on olemassa monia erilaisia ​​menetelmiä. Mikroskopia suurennetun kuvan saamiseksi syntyi 1400-luvulla. kun yksinkertaiset suurennuslasit valmistettiin ensimmäisen kerran hyönteisten tutkimiseen. XVII vuosisadan lopussa. Antonio van Leeuwenhoek teki optisen mikroskoopin, joka mahdollisti yksittäisten solujen, patogeenisten mikrobien ja bakteerien olemassaolon. Jo 1900-luvulla kehitettiin mikroskopiamenetelmiä elektroni- ja ionisuihkulla.

Kaikissa kuvatuissa menetelmissä sovelletaan seuraavaa periaatetta: tutkittavan kohteen valaiseminen hiukkasvirralla ja sen myöhempi muuntaminen. Pyyhkäisevä anturimikroskopia käyttää eri periaatetta - hiukkasten tutkimisen sijaan se käyttää mekaanista anturia, neulaa. Kuvannollisesti voidaan sanoa, että jos näytettä tutkitaan optisella tai elektronimikroskoopilla, niin SPM:ssä se tuntuu.

Toinen tärkeä SPM-menetelmän nimessä heijastuva periaate on skannauksen periaate, ts. ei keskimääräisen tiedon saaminen tutkimuskohteesta, vaan anturin diskreetti (pisteestä pisteeseen, linjasta linjaan) liike ja tietojen lukeminen kussakin pisteessä.

Pyyhkäisyanturimikroskoopin yleinen rakenne on esitetty kuvassa 1.

Anturityypit.

Pyyhkäisykoettimen mikroskopia perustuu paikallisen vuorovaikutuksen havaitsemiseen, joka tapahtuu anturin ja testinäytteen pinnan välillä, kun ne lähestyvät toisiaan ~l:n etäisyydelle asti, missä l on "koetin-näytteen" ominaisvaikutuspituus. vuorovaikutusta. "Anturi-näyte" -vuorovaikutuksen luonteesta riippuen on olemassa: pyyhkäisytunnelointimikroskooppi (STM, tunnelivirta havaitaan), pyyhkäisyvoimamikroskooppi (SFM, voimavuorovaikutus havaitaan), lähikenttäpyyhkäisy optinen mikroskooppi (SNOM, sähkömagneettinen säteilyä havaitaan) jne. Pyyhkäisyvoimamikroskopia puolestaan ​​jaetaan atomivoimamikroskopiaan (AFM), magneettivoimamikroskopiaan (MFM), sähkövoimamikroskopiaan (ESM) ja muihin voimavuorovaikutuksen tyypistä riippuen.

Riisi. 2.

Mitattaessa tunnelivirtaa tunnelianturissa (kuva 2) käytetään virta-jännitemuunninta (CVT), joka sisältyy anturien ja näytteen väliseen virtapiiriin. Kaksi kytkentävaihtoehtoa ovat mahdollisia: maadoitetulla anturilla, kun näytteeseen kohdistetaan bias-jännite suhteessa maadoitettuun anturiin, tai maadoitetulla näytteellä, kun esijännite kohdistetaan anturiin suhteessa näytteeseen.

Riisi. 2.

Perinteinen voimavuorovaikutusanturi on piimikropalkki, uloke tai uloke (englanniksi cantilever - cantilever), jonka optinen menetelmä havaitsee ulokkeen taivutuksen suuruuden, joka johtuu voiman vuorovaikutuksesta näytteen ja näytteen päässä sijaitsevan anturin välillä. uloke (kuva 3).

Voimamikroskoopin suorittamiseen on olemassa kontakti-, ei-kosketus- ja jaksottaisen kosketuksen ("puolikontakti") menetelmiä. Kosketusmenetelmän käyttö olettaa, että koetin lepää näytteen päällä. Kun uloke taivutetaan kosketusvoimien vaikutuksesta, siitä heijastuva lasersäde siirtyy kvadranttivalodetektorin keskustaan ​​nähden. Siten ulokkeen taipuma voidaan määrittää valoilmaisimen ylä- ja alapuolen valaistuksen suhteellisesta muutoksesta.

Kosketukseton menetelmää käytettäessä anturi poistetaan pinnasta ja on pitkän kantaman vetovoimien vaikutusalueella. Vetovoimat ja niiden gradientit ovat heikompia kuin hylkivät kosketusvoimat. Siksi niiden havaitsemiseen käytetään yleensä modulaatiotekniikkaa. Tätä varten uloke heiluu pystysuunnassa resonanssitaajuudella käyttämällä pietsovibraattoria. Kaukana pinnasta ulokkeen värähtelyjen amplitudilla on maksimiarvo. Kun se lähestyy pintaa, vetovoimien gradientin vaikutuksesta ulokkeen värähtelyjen resonanssitaajuus muuttuu, kun taas sen värähtelyjen amplitudi pienenee. Tämä amplitudi tallennetaan käyttämällä optista järjestelmää valodetektorin ylemmän ja alemman puoliskon säädettävän valaistuksen suhteellisella muutoksella.

"Semi-contact" -mittausmenetelmässä käytetään myös modulaatiotekniikkaa voiman vuorovaikutuksen mittaamiseen. "Puolikosketustilassa" anturi koskettaa osittain pintaa, ja se on vuorotellen sekä veto- että hylkimisalueella.

Voiman vuorovaikutuksen havaitsemiseen on muitakin yksinkertaisempia menetelmiä, joissa voimavuorovaikutus muunnetaan suoraan sähköiseksi signaaliksi. Yksi näistä menetelmistä perustuu suoran pietsosähköisen vaikutuksen käyttöön, kun pietsosähköisen materiaalin taivutus voimavuorovaikutuksen vaikutuksesta johtaa sähköisen signaalin ilmaantuvuuteen.