SCANNING PROBE MICROSCOPE: JENIS DAN PRINSIP OPERASI
Kuvaytsev Alexander Vyacheslavovich
Institut Teknik dan Teknologi Dimitrovgrad Cabang Universitas Nuklir Riset Nasional "MEPhI"
murid
anotasi
Artikel ini menjelaskan prinsip pengoperasian mikroskop probe. Ini adalah teknologi baru yang secara fundamental dapat memecahkan masalah di berbagai bidang seperti komunikasi, bioteknologi, mikroelektronika, dan energi. Nanoteknologi dalam mikroskop akan secara signifikan mengurangi konsumsi sumber daya dan tidak akan memberikan tekanan pada lingkungan, mereka akan memainkan peran utama dalam kehidupan umat manusia, seperti, misalnya, komputer telah menjadi bagian integral dari kehidupan manusia.
SCANNING PROBE MICROSCOPY: JENIS DAN PRINSIP OPERASI
Kuvaytsev Aleksandr Vyacheslavovich
Institut Teknik dan Teknologi Dimitrovgrad dari Universitas Nuklir Riset Nasional MEPHI
murid
Abstrak
Artikel ini menjelaskan prinsip mikroskop probe. Ini adalah teknologi baru yang dapat memecahkan masalah di berbagai bidang seperti komunikasi, bioteknologi, mikroelektronika, dan energi. Nanoteknologi dalam mikroskop akan secara signifikan mengurangi konsumsi sumber daya dan tidak memberikan tekanan pada lingkungan, mereka akan memainkan peran utama dalam kehidupan manusia, seperti, misalnya, komputer telah menjadi bagian integral dari kehidupan masyarakat.
Pada abad ke-21, nanoteknologi dengan cepat mendapatkan popularitas, yang menembus ke semua bidang kehidupan kita, tetapi tidak akan ada kemajuan di dalamnya tanpa metode penelitian eksperimental baru, salah satu yang paling informatif adalah metode pemindaian mikroskop probe, yang ditemukan dan didistribusikan oleh peraih Nobel pada tahun 1986 - Prof. Heinrich Rohrer dan Dr. Gerd Binnig.
Sebuah revolusi nyata terjadi di dunia dengan munculnya metode untuk memvisualisasikan atom. Kelompok peminat mulai bermunculan, merancang perangkat mereka sendiri. Akibatnya, beberapa solusi yang berhasil diperoleh untuk memvisualisasikan hasil interaksi probe dengan permukaan. Teknologi untuk produksi probe dengan parameter yang diperlukan telah dibuat.
Jadi apa itu mikroskop probe? Pertama-tama, ini adalah probe itu sendiri, yang memeriksa permukaan sampel; sistem untuk memindahkan probe relatif terhadap sampel dalam representasi dua dimensi atau tiga dimensi (bergerak sepanjang koordinat X-Y atau X-Y-Z) juga diperlukan. Semua ini dilengkapi dengan sistem perekaman yang menetapkan nilai fungsi yang bergantung pada jarak dari probe ke sampel. Sistem pendaftaran memperbaiki dan mengingat nilai salah satu koordinat.
Jenis utama mikroskop probe pemindaian dapat dibagi menjadi 3 kelompok:
- Scanning tunneling microscope - dirancang untuk mengukur relief permukaan konduktif dengan resolusi spasial yang tinggi.
Di STM, jarum logam tajam melewati sampel pada jarak yang sangat pendek. Ketika arus kecil diterapkan ke jarum, arus terowongan muncul di antara jarum itu dan sampel, yang nilainya dicatat oleh sistem perekaman. Jarum dilewatkan ke seluruh permukaan sampel dan menangkap perubahan sekecil apa pun dalam arus terowongan, yang dengannya peta relief permukaan sampel muncul. STM adalah yang pertama dari kelas mikroskop probe pemindaian, sisanya dikembangkan kemudian. - Pemindaian mikroskop kekuatan atom - digunakan untuk membangun struktur permukaan sampel dengan resolusi hingga atom. Tidak seperti STM, mikroskop ini dapat digunakan untuk memeriksa permukaan konduktif dan non-konduktif. Karena kemampuan untuk tidak hanya memindai tetapi juga memanipulasi atom, itu disebut daya.
- Mikroskop optik medan dekat adalah mikroskop optik "canggih" yang memberikan resolusi lebih baik daripada mikroskop optik konvensional. Peningkatan resolusi BOM dicapai dengan menangkap cahaya dari objek yang diteliti pada jarak yang lebih kecil dari panjang gelombang. Jika probe mikroskop dilengkapi dengan perangkat untuk memindai bidang spasial, maka mikroskop semacam itu disebut mikroskop optik pemindaian medan dekat. Mikroskop semacam itu memungkinkan untuk memperoleh gambar permukaan dengan resolusi sangat tinggi.
Gambar (Gbr. 1) menunjukkan skema mikroskop probe yang paling sederhana.
Gambar 1. - Skema pengoperasian mikroskop probe
Pengoperasiannya didasarkan pada interaksi permukaan sampel dengan probe, dapat berupa kantilever, jarum, atau probe optik. Dengan jarak yang kecil antara probe dan objek studi, aksi gaya interaksi, seperti tolakan, tarik-menarik, dll., dan manifestasi efek, seperti penerowongan elektron, dapat direkam menggunakan alat registrasi. Untuk mendeteksi kekuatan ini, digunakan sensor yang sangat sensitif yang dapat mendeteksi perubahan sekecil apa pun. Tabung piezo atau pemindai bidang-paralel digunakan sebagai sistem pemindaian koordinat untuk mendapatkan gambar raster.
Kesulitan teknis utama dalam membuat mikroskop probe pemindaian meliputi:
- Memastikan integritas mekanis
- Detektor harus memiliki sensitivitas maksimum
- Ujung probe harus memiliki dimensi minimum
- Buat sistem sapuan
- Memastikan kelancaran probe
Hampir selalu, gambar yang diperoleh dengan mikroskop probe pemindaian sulit diuraikan karena distorsi dalam memperoleh hasil. Sebagai aturan, pemrosesan matematis tambahan diperlukan. Untuk ini, perangkat lunak khusus digunakan.
Saat ini, probe pemindaian dan mikroskop elektron digunakan sebagai metode penelitian pelengkap karena sejumlah fitur fisik dan teknis. Selama beberapa tahun terakhir, penggunaan mikroskop probe telah memungkinkan untuk memperoleh penelitian ilmiah yang unik di bidang fisika, kimia dan biologi. Mikroskop pertama hanyalah perangkat - indikator yang membantu dalam penelitian, dan sampel modern adalah stasiun kerja yang lengkap, termasuk hingga 50 metode penelitian yang berbeda.
Tugas utama dari teknik lanjutan ini adalah untuk mendapatkan hasil ilmiah, tetapi penerapan kemampuan perangkat ini dalam praktiknya membutuhkan kualifikasi tinggi dari seorang spesialis.
7. Penerapan mikroskop probe pemindaian untuk mempelajari objek biologis
7. Penerapan mikroskop probe pemindaian untuk mempelajari objek biologis
7.1. Tujuan kerja 2
7.2. Informasi untuk guru 3
7.4. Pedoman 31
7.5. Keamanan 32
7.6. Tugas 32
7.7. Pertanyaan keamanan 32
7.8. Sastra 32
Pekerjaan laboratorium dikembangkan oleh Universitas Negeri Nizhny Novgorod. N.I. Lobachevsky
7.1. Tujuan pekerjaan
Studi tentang parameter morfologi struktur biologis merupakan tugas penting bagi ahli biologi, karena ukuran dan bentuk beberapa struktur sangat menentukan sifat fisiologisnya. Membandingkan data morfologi dengan ciri-ciri fungsional, dapat diperoleh informasi yang lengkap tentang peran serta sel hidup dalam menjaga keseimbangan fisiologis tubuh manusia atau hewan.
Sebelumnya, ahli biologi dan dokter memiliki kesempatan untuk mempelajari persiapan mereka hanya pada mikroskop optik dan elektron. Studi ini memberikan beberapa gambaran morfologi sel tetap, diwarnai dan dengan lapisan logam tipis yang diperoleh dengan sputtering. Tidak mungkin mempelajari morfologi benda hidup, perubahannya di bawah pengaruh berbagai faktor, tetapi itu sangat menggoda.
Scanning probe microscopy (SPM) telah membuka kemungkinan baru dalam studi sel, bakteri, molekul biologis, DNA dalam kondisi sedekat mungkin dengan yang asli. SPM memungkinkan Anda untuk mempelajari objek biologis tanpa fiksatif dan pewarna khusus, di udara, atau bahkan dalam media cair.
Saat ini, SPM digunakan dalam berbagai disiplin ilmu, baik dalam penelitian ilmiah fundamental maupun dalam pengembangan teknologi tinggi terapan. Banyak lembaga penelitian di negara ini dilengkapi dengan peralatan mikroskop probe. Dalam hal ini, permintaan akan spesialis berkualifikasi tinggi terus meningkat. Untuk memenuhi persyaratan ini, NT-MDT (Zelenograd, Rusia) telah mengembangkan laboratorium pendidikan dan ilmiah khusus untuk memindai mikroskop probe. Pendidik Nano.
SPM NanoEducator dirancang khusus bagi siswa untuk melakukan pekerjaan laboratorium. Perangkat ini ditujukan untuk audiens siswa: sepenuhnya dikendalikan oleh komputer, memiliki antarmuka yang sederhana dan intuitif, dukungan animasi, melibatkan pengembangan teknik secara bertahap, tidak adanya pengaturan yang rumit dan bahan habis pakai yang murah.
Dalam praktikum ini, Anda akan belajar tentang scanning probe microscopy, mengenal dasar-dasarnya, mempelajari desain dan prinsip-prinsip pendidikan. SPM NanoEducator, pelajari cara menyiapkan persiapan biologis untuk penelitian, dapatkan gambar SPM pertama Anda dari kompleks bakteri asam laktat dan pelajari dasar-dasar pemrosesan dan penyajian hasil pengukuran.
7.2 Informasi untuk guru 1
Pekerjaan laboratorium dilakukan dalam beberapa tahap:
1. Persiapan sampel dilakukan oleh setiap siswa secara individu.
2. Pengambilan gambar pertama dilakukan pada satu perangkat di bawah pengawasan seorang guru, kemudian setiap siswa memeriksa sampelnya secara mandiri.
3. Pengolahan data eksperimen oleh setiap siswa dilakukan secara individu.
Sampel untuk penelitian: bakteri asam laktat pada kaca penutup.
Sebelum mulai bekerja, perlu untuk memilih probe dengan karakteristik frekuensi amplitudo paling khas (maksimum simetris tunggal), untuk mendapatkan gambar permukaan sampel yang diteliti.
Laporan laboratorium harus mencakup:
1. bagian teoritis (jawaban untuk pertanyaan kontrol).
2. hasil bagian eksperimen (deskripsi penelitian, hasil yang diperoleh dan kesimpulan yang ditarik).
1. Metode untuk mempelajari morfologi benda biologis.
2. Pemindaian mikroskop probe:
desain SPM;
varietas SPM: STM, AFM;
Format data SPM, visualisasi data SPM.
3. Persiapan sampel untuk studi SPM:
morfologi dan struktur sel bakteri;
persiapan sediaan untuk mempelajari morfologi menggunakan SPM.
4. Pengenalan program desain dan kontrol SPM NanoEducator.
5. Mendapatkan gambar SPM.
6. Pengolahan dan analisis gambar yang diterima. Karakterisasi kuantitatif gambar SPM.
Metode untuk mempelajari morfologi objek biologis
Diameter karakteristik sel adalah 10 20 m, bakteri - dari 0,5 hingga 3 5 m, nilai-nilai ini 5 kali lebih kecil dari partikel terkecil yang terlihat dengan mata telanjang. Oleh karena itu, studi pertama tentang sel menjadi mungkin hanya setelah munculnya mikroskop optik. Pada akhir abad XVII. Antonio van Leeuwenhoek membuat mikroskop optik pertama, sebelum itu orang tidak menduga adanya mikroba dan bakteri patogen [Ref. 7 -1].
mikroskop optik
Kesulitan dalam mempelajari sel disebabkan oleh fakta bahwa mereka tidak berwarna dan transparan, sehingga penemuan struktur dasarnya hanya terjadi setelah pengenalan pewarna ke dalam praktik. Pewarna memberikan kontras gambar yang cukup. Dengan menggunakan mikroskop optik, seseorang dapat membedakan objek yang berjarak 0,2 m satu sama lain, mis. Benda terkecil yang masih dapat dibedakan dalam mikroskop optik adalah bakteri dan mitokondria. Gambar elemen sel yang lebih kecil terdistorsi oleh efek yang disebabkan oleh sifat gelombang cahaya.
Untuk menyiapkan preparat yang tahan lama, sel diperlakukan dengan zat pengikat untuk melumpuhkan dan mengawetkannya. Selain itu, fiksasi meningkatkan aksesibilitas sel terhadap pewarna, karena. makromolekul sel disatukan oleh ikatan silang, yang menstabilkan dan memperbaikinya pada posisi tertentu. Paling sering, aldehida dan alkohol bertindak sebagai fiksatif (misalnya, glutaraldehida atau formaldehida membentuk ikatan kovalen dengan gugus amino bebas dari protein dan ikatan silang molekul tetangga). Setelah fiksasi, jaringan biasanya dipotong dengan mikrotom menjadi bagian yang sangat tipis (tebal 1 sampai 10 m), yang kemudian ditempatkan pada kaca objek. Dengan metode preparasi ini, struktur sel atau makromolekul dapat rusak, sehingga pembekuan kilat adalah metode yang lebih disukai. Jaringan beku dipotong dengan mikrotom ditempatkan di ruang dingin. Setelah dipotong, sel diwarnai. Pada dasarnya, pewarna organik digunakan untuk tujuan ini (hijau perunggu, Sudan hitam, dll.). Masing-masing dicirikan oleh afinitas tertentu untuk komponen seluler, misalnya, hematoxylin memiliki afinitas untuk molekul bermuatan negatif, oleh karena itu, memungkinkan untuk mendeteksi DNA dalam sel. Jika satu atau lain molekul hadir dalam sel dalam jumlah kecil, maka akan lebih mudah untuk menggunakan mikroskop fluoresensi.
Mikroskop fluoresensi
Pewarna fluoresen menyerap cahaya dari satu panjang gelombang dan memancarkan cahaya dari panjang gelombang lain yang lebih panjang. Jika zat tersebut disinari dengan cahaya yang panjang gelombangnya sesuai dengan panjang gelombang cahaya yang diserap oleh pewarna, dan kemudian filter digunakan untuk analisis yang mentransmisikan cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai dengan cahaya yang dipancarkan oleh pewarna, molekul fluoresen dapat dideteksi. dengan bersinar di lapangan gelap. Intensitas tinggi dari cahaya yang dipancarkan adalah ciri khas molekul tersebut. Penggunaan pewarna fluoresen untuk pewarnaan sel melibatkan penggunaan mikroskop fluoresen khusus Mikroskop semacam itu mirip dengan mikroskop optik konvensional, tetapi cahaya dari iluminator yang kuat melewati dua set filter - satu untuk menghentikan sebagian radiasi iluminator di depan sampel dan yang lainnya untuk menyaring cahaya yang diterima dari sampel. Filter pertama dipilih sedemikian rupa sehingga hanya mentransmisikan cahaya dengan panjang gelombang yang menggairahkan pewarna fluoresen tertentu; pada saat yang sama, filter kedua memblokir cahaya yang datang ini dan memungkinkan cahaya dengan panjang gelombang yang dipancarkan oleh pewarna saat berfluoresensi.
Mikroskop fluoresensi sering digunakan untuk mengidentifikasi protein spesifik atau molekul lain yang menjadi fluoresen setelah terikat secara kovalen dengan pewarna fluoresen. Untuk tujuan ini, dua pewarna biasanya digunakan - fluoresein, yang memberikan fluoresensi kuning-hijau intens setelah eksitasi dengan cahaya biru muda, dan rhodamin, menyebabkan fluoresensi merah tua setelah eksitasi dengan lampu kuning-hijau. Dengan menggunakan fluorescein dan rhodamin untuk pewarnaan, distribusi berbagai molekul dapat diperoleh.
Mikroskop medan gelap
Cara termudah untuk melihat detail struktur sel adalah dengan mengamati cahaya yang dihamburkan oleh berbagai komponen sel. Dalam mikroskop medan gelap, sinar dari iluminator diarahkan dari samping, dan hanya sinar yang dihamburkan yang masuk ke objektif mikroskop. Dengan demikian, sel tampak seperti objek yang diterangi di bidang gelap. Salah satu keuntungan utama mikroskop medan gelap adalah kemampuannya untuk mengamati pergerakan sel selama pembelahan dan migrasi. Pergerakan seluler cenderung sangat lambat dan sulit diamati secara real time. Dalam hal ini, mikrofilm atau perekaman video frame-by-frame (selang waktu) digunakan. Dalam hal ini, bingkai berurutan dipisahkan dalam waktu, tetapi ketika rekaman diputar ulang pada kecepatan normal, gambar dari peristiwa nyata dipercepat.
Dalam beberapa tahun terakhir, kamera video dan teknologi pencitraan terkait telah sangat meningkatkan kemampuan mikroskop optik. Berkat penerapannya, adalah mungkin untuk mengatasi kesulitan yang disebabkan oleh kekhasan fisiologi manusia. Mereka adalah bahwa:
1. Dalam kondisi normal, mata tidak mendeteksi cahaya yang sangat lemah.
2. Mata tidak mampu mendeteksi perbedaan kecil dalam intensitas cahaya dengan latar belakang yang terang.
Yang pertama dari masalah ini diatasi dengan memasang kamera video ultra-sensitivitas tinggi ke mikroskop. Ini memungkinkan untuk mengamati sel untuk waktu yang lama pada pencahayaan rendah, tidak termasuk paparan cahaya terang yang berkepanjangan. Sistem pencitraan sangat penting untuk mempelajari molekul fluoresen dalam sel hidup. Karena gambar dihasilkan oleh kamera video dalam bentuk sinyal elektronik, gambar dapat diubah dengan tepat menjadi sinyal numerik, dikirim ke komputer, dan kemudian diproses lebih lanjut untuk mengekstrak informasi tersembunyi.
Kontras tinggi yang dapat dicapai dengan mikroskop interferensi komputer memungkinkan untuk mengamati bahkan objek yang sangat kecil, seperti mikrotubulus individu, yang diameternya kurang dari sepersepuluh panjang gelombang cahaya (0,025 m). Mikrotubulus individu juga dapat dilihat menggunakan mikroskop fluoresensi. Namun, dalam kedua kasus, efek difraksi tidak dapat dihindari, yang sangat mengubah gambar. Dalam hal ini, diameter mikrotubulus terlalu tinggi (0,2 m), yang membuat tidak mungkin untuk membedakan mikrotubulus individu dari kumpulan beberapa mikrotubulus. Untuk mengatasi masalah ini, diperlukan mikroskop elektron, yang batas resolusinya bergeser jauh melampaui panjang gelombang cahaya tampak.
mikroskop elektron
Hubungan antara panjang gelombang dan batas resolusi juga dipertahankan untuk elektron. Namun, untuk mikroskop elektron, batas resolusi jauh lebih rendah daripada batas difraksi. Panjang gelombang elektron berkurang dengan meningkatnya kecepatan. Pada mikroskop elektron dengan tegangan 100.000 V, panjang gelombang elektron adalah 0,004 nm. Menurut teori, resolusi mikroskop semacam itu dalam batas 0,002 nm. Namun, pada kenyataannya, karena lubang numerik kecil dari lensa elektron, resolusi mikroskop elektron modern paling baik adalah 0,1 nm. Kesulitan dalam persiapan sampel dan kerusakannya oleh radiasi secara signifikan mengurangi resolusi normal, yang untuk objek biologis adalah 2 nm (sekitar 100 kali lebih tinggi daripada mikroskop cahaya).
Sumber elektron dalam mikroskop elektron transmisi (TEM) adalah filamen katoda yang terletak di bagian atas kolom silinder setinggi sekitar dua meter. Untuk menghindari hamburan elektron selama tumbukan dengan molekul udara, ruang hampa dibuat di kolom. Elektron yang dipancarkan dari filamen katoda dipercepat oleh anoda terdekat dan masuk melalui lubang kecil, membentuk berkas elektron yang melewati bagian bawah kolom. Sepanjang kolom pada jarak tertentu terdapat magnet cincin yang memfokuskan berkas elektron, seperti lensa kaca yang memfokuskan berkas cahaya dalam mikroskop optik. Sampel ditempatkan melalui airlock di dalam kolom, di jalur berkas elektron. Sebagian elektron pada saat melewati sampel dihamburkan sesuai dengan kerapatan zat di daerah ini, sisa elektron difokuskan dan membentuk bayangan (mirip dengan pembentukan bayangan pada mikroskop optik) di piring fotografi atau di layar berpendar.
Salah satu kelemahan terbesar mikroskop elektron adalah sampel biologis harus diproses secara khusus. Pertama, mereka difiksasi pertama dengan glutaraldehida dan kemudian dengan asam osmik, yang mengikat dan menstabilkan lapisan ganda lipid dan protein. Kedua, elektron memiliki daya tembus yang rendah, jadi Anda harus membuat bagian yang sangat tipis, dan untuk ini, sampel didehidrasi dan diresapi dengan resin. Ketiga, untuk meningkatkan kontras, sampel diperlakukan dengan garam logam berat seperti osmium, uranium dan timbal.
Untuk mendapatkan gambar tiga dimensi permukaan digunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM), di mana elektron digunakan yang tersebar atau dipancarkan oleh permukaan sampel. Sampel dalam hal ini difiksasi, dikeringkan dan ditutup dengan film tipis logam berat, dan kemudian dipindai dengan berkas elektron sempit. Dalam hal ini, jumlah elektron yang tersebar selama iradiasi permukaan diperkirakan. Nilai yang diperoleh digunakan untuk mengontrol intensitas sinar kedua, bergerak sinkron dengan yang pertama dan membentuk gambar di layar monitor. Resolusi metode ini sekitar 10 nm dan tidak berlaku untuk studi organel intraseluler. Ketebalan sampel yang dipelajari dengan metode ini ditentukan oleh daya tembus elektron atau energinya.
Kerugian utama dan signifikan dari semua metode ini adalah durasi, kompleksitas dan biaya persiapan sampel yang tinggi.
Pemindaian mikroskop probe
Dalam mikroskop probe pemindaian (SPM), alih-alih berkas elektron atau radiasi optik, probe runcing, jarum, digunakan yang memindai permukaan sampel. Secara kiasan, kita dapat mengatakan bahwa jika sampel diperiksa dalam mikroskop optik atau elektron, maka akan terasa di SPM. Akibatnya, dimungkinkan untuk memperoleh gambar objek tiga dimensi di media yang berbeda: vakum, udara, cairan.
Desain khusus SPM yang diadaptasi untuk penelitian biologi memungkinkan secara simultan dengan pengamatan optik untuk memindai kedua sel hidup dalam media cair yang berbeda dan sediaan tetap di udara.
Pemindaian mikroskop probe
Nama mikroskop probe pemindaian mencerminkan prinsip operasinya - memindai permukaan sampel, di mana pembacaan poin demi poin dari tingkat interaksi antara probe dan permukaan dilakukan. Ukuran area pemindaian dan jumlah titik di dalamnya N X N Y dapat diatur. Semakin banyak titik yang Anda tentukan, semakin tinggi resolusi gambar permukaan. Jarak antara titik pembacaan sinyal disebut langkah pemindaian. Langkah pemindaian harus kurang dari detail permukaan yang dipelajari. Pergerakan probe selama pemindaian (lihat Gambar 7-1) dilakukan secara linier dalam arah maju dan mundur (dalam arah pemindaian cepat), transisi ke baris berikutnya dilakukan dalam arah tegak lurus (dalam arah pemindaian cepat). arah pemindaian lambat).
Beras. 7 1. Representasi skematis dari proses pemindaian
(pembacaan sinyal dilakukan pada jalur langsung pemindai)
Tergantung pada sifat sinyal baca, mikroskop pemindaian memiliki nama dan tujuan yang berbeda:
mikroskop kekuatan atom (AFM), kekuatan interaksi interatomik antara atom probe dan atom sampel dibaca;
mikroskop tunneling (STM), membaca arus tunneling yang mengalir antara sampel konduktif dan probe konduktif;
mikroskop gaya magnet (MFM), gaya interaksi antara probe yang dilapisi dengan bahan magnetik dan sampel yang mendeteksi sifat magnetik dibaca;
Mikroskop gaya elektrostatik (ESM) memungkinkan seseorang untuk mendapatkan gambar distribusi potensial listrik pada permukaan sampel. Probe digunakan, yang ujungnya ditutupi dengan film konduktif tipis (emas atau platinum).
desain SPM
SPM terdiri dari komponen utama berikut (Gambar 7-2): probe, aktuator piezoelektrik untuk memindahkan probe di X, Y, Z di atas permukaan sampel uji, sirkuit umpan balik dan komputer untuk mengontrol proses pemindaian dan akuisisi gambar.
Gambar 7 2. Skema mikroskop probe pemindaian
sensor probe - komponen mikroskop probe daya yang memindai sediaan. Sensor probe berisi kantilever (konsol pegas) jenis persegi panjang (berbentuk I) atau segitiga (berbentuk V) (Gbr. 7-3), di ujungnya terdapat probe runcing (Gbr. 7-3) , yang biasanya berbentuk kerucut atau piramidal. Ujung kantilever yang lain bergabung ke substrat (dengan apa yang disebut chip). Sensor probe terbuat dari silikon atau silikon nitrida. Sifat utama dari kantilever adalah konstanta gaya (stiffness constant), yaitu bervariasi dari 0,01 N/m sampai 1020 N/m. Untuk mempelajari objek biologis, probe "lunak" dengan kekerasan 0,01 0,06 N/m digunakan.
Beras. 7 3. Gambar probe AFM piramidal
diperoleh dengan mikroskop elektron:
a - tipe berbentuk I, b - tipe berbentuk V, c - piramida di ujung kantilever
Aktuator piezoelektrik atau pemindai - untuk pergerakan probe yang terkontrol di atas sampel atau sampel itu sendiri relatif terhadap probe pada jarak yang sangat kecil. Aktuator piezoelektrik menggunakan bahan piezoceramic yang mengubah dimensinya ketika tegangan listrik diterapkan padanya. Proses mengubah parameter geometris di bawah aksi medan listrik disebut efek piezoelektrik terbalik. Bahan piezo yang paling umum adalah timbal zirkonat titanat.
Pemindai adalah struktur piezoceramic yang memberikan gerakan sepanjang tiga koordinat: x, y (dalam bidang lateral sampel) dan z (vertikal). Ada beberapa jenis pemindai, yang paling umum adalah tripod dan tabung (Gbr. 7-4).
Beras. 7 4. Desain pemindai: a) – tripod, b) – tabung
Dalam pemindai tripod, gerakan dalam tiga koordinat disediakan oleh tiga batang piezokeramik independen yang membentuk struktur ortogonal.
Dalam pemindai tabung, tabung piezoelektrik berongga membengkok di bidang XZ dan ZY dan mengembang atau berkontraksi sepanjang sumbu Z ketika voltase yang sesuai diterapkan ke elektroda yang mengontrol pergerakan tabung. Elektroda untuk mengontrol gerakan di bidang XY terletak di permukaan luar tabung, untuk mengontrol gerakan di Z, tegangan yang sama diterapkan ke elektroda X dan Y.
Sirkuit umpan balik - satu set elemen SPM, dengan bantuan probe disimpan pada jarak tetap dari permukaan sampel selama pemindaian (Gbr. 7-5). Selama proses pemindaian, probe dapat ditempatkan pada area permukaan sampel dengan relief yang berbeda, sedangkan jarak probe-sampel Z akan berubah, dan nilai interaksi probe-sampel akan berubah.
Beras. 7 5. Skema umpan balik dari mikroskop probe pemindaian
Saat probe mendekati permukaan, gaya interaksi probe-sampel meningkat, dan sinyal perangkat perekam juga meningkat V(t), yang dinyatakan dalam satuan tegangan. Komparator membandingkan sinyal V(t) dengan tegangan referensi V dasar dan menghasilkan sinyal korektif V corr. Sinyal koreksi V corr diumpankan ke pemindai, dan probe ditarik dari sampel. Tegangan referensi - tegangan yang sesuai dengan sinyal perangkat perekam saat probe berada pada jarak tertentu dari sampel. Mempertahankan jarak probe-sampel yang ditentukan ini selama pemindaian, sistem umpan balik mempertahankan gaya interaksi probe-sampel yang ditentukan.
Beras. 7 6. Lintasan pergerakan relatif probe dalam proses mempertahankan gaya konstan interaksi probe-sampel oleh sistem umpan balik
Pada Gambar. 7-6 menunjukkan lintasan probe relatif terhadap sampel sambil mempertahankan gaya interaksi probe-sampel yang konstan. Jika probe berada di atas fovea, tegangan diterapkan ke pemindai, di mana pemindai memanjang, menurunkan probe.
Kecepatan respons loop umpan balik terhadap perubahan jarak probe-sampel (interaksi probe-sampel) ditentukan oleh konstanta loop umpan balik K. Nilai K tergantung pada fitur desain SPM tertentu (desain dan karakteristik pemindai, elektronik), mode operasi SPM (ukuran area pemindaian, kecepatan pemindaian, dll.), serta fitur permukaan yang diteliti (skala fitur relief , kekerasan bahan, dll.).
Varietas SPM
Pemindaian mikroskop tunneling
Dalam STM, alat perekam (Gbr. 7-7) mengukur arus terowongan yang mengalir di antara probe logam, yang bervariasi tergantung pada potensi permukaan sampel dan topografi permukaannya. Probe adalah jarum yang diasah tajam, jari-jari ujungnya bisa mencapai beberapa nanometer. Sebagai bahan untuk probe, logam dengan kekerasan tinggi dan ketahanan kimia biasanya digunakan: tungsten atau platinum.
Beras. 7 7. Skema sensor probe terowongan
Sebuah tegangan diterapkan antara probe konduktif dan sampel konduktif. Ketika ujung probe berada pada jarak sekitar 10A dari sampel, elektron dari sampel mulai masuk melalui celah ke probe atau sebaliknya, tergantung pada tanda tegangan (Gbr. 7-8).
Beras. 7 8. Representasi skematis dari interaksi ujung probe dengan sampel
Arus terowongan yang dihasilkan diukur dengan alat perekam. besarnya Saya T sebanding dengan tegangan yang diterapkan pada kontak terowongan V dan secara eksponensial tergantung pada jarak dari jarum ke sampel d.
Dengan demikian, perubahan kecil dalam jarak dari ujung probe ke sampel d sesuai dengan perubahan besar secara eksponensial dalam arus tunneling Saya T(dengan asumsi tegangan V dijaga konstan). Karena itu, sensitivitas sensor probe terowongan cukup untuk mencatat perubahan ketinggian kurang dari 0,1 nm, dan, akibatnya, untuk mendapatkan gambar atom pada permukaan benda padat.
Mikroskop kekuatan atom
Sensor probe yang paling umum dari interaksi gaya atom adalah kantilever pegas (dari kantilever bahasa Inggris - konsol) dengan probe yang terletak di ujungnya. Jumlah pembengkokan kantilever karena interaksi gaya antara sampel dan probe (Gbr. 7-9) diukur menggunakan skema registrasi optik.
Prinsip pengoperasian sensor gaya didasarkan pada penggunaan gaya atom yang bekerja antara atom probe dan atom sampel. Ketika gaya probe-sampel berubah, jumlah pembengkokan kantilever berubah, dan perubahan tersebut diukur dengan sistem registrasi optik. Dengan demikian, sensor gaya atom adalah probe runcing sensitivitas tinggi, yang memungkinkan untuk mendaftarkan gaya interaksi antara atom individu.
Untuk tikungan kecil, rasio antara gaya probe-sampel F dan defleksi ujung kantilever x ditentukan oleh hukum Hooke:
di mana k adalah konstanta gaya (konstanta kekakuan) kantilever.
Misalnya, jika kantilever dengan konstanta digunakan k sekitar 1 N/m, kemudian di bawah aksi gaya interaksi probe-sampel sekitar 0,1 nanoNewton, defleksi kantilever akan menjadi sekitar 0,1 nm.
Untuk mengukur perpindahan kecil seperti itu, biasanya digunakan sensor perpindahan optik (Gbr. 7-9), yang terdiri dari laser semikonduktor dan fotodioda empat bagian. Ketika kantilever ditekuk, sinar laser yang dipantulkan bergeser relatif terhadap pusat fotodetektor. Dengan demikian, pembengkokan kantilever dapat ditentukan dari perubahan relatif dalam iluminasi bagian atas (T) dan bagian bawah (B) fotodetektor.
Gambar 7 9. Skema sensor gaya
Ketergantungan gaya interaksi tip-sampel pada jarak tip-sampel
Ketika probe mendekati sampel, pertama kali tertarik ke permukaan karena adanya gaya tarik-menarik (gaya van der Waals). Saat probe mendekati sampel lebih jauh, kulit elektron atom di ujung probe dan atom pada permukaan sampel mulai tumpang tindih, yang mengarah pada munculnya gaya tolak. Saat jarak semakin berkurang, gaya tolak menjadi dominan.
Secara umum, ketergantungan kekuatan interaksi interatomik F dari jarak antar atom R seperti:
.
Konstanta sebuah dan b dan eksponen m dan n tergantung pada jenis atom dan jenis ikatan kimia. Untuk gaya van der Waals m=7 dan n=3. Secara kualitatif, ketergantungan F(R) ditunjukkan pada Gambar. 7-10.
Beras. 7 10. Ketergantungan gaya interaksi antar atom pada jarak
Format data SPM, visualisasi data SPM
Data morfologi permukaan, yang diperoleh selama penelitian pada mikroskop optik, disajikan sebagai gambar yang diperbesar dari area permukaan. Informasi yang diperoleh dengan SPM ditulis sebagai larik dua dimensi dari bilangan bulat A ij . Untuk setiap nilai ij sesuai dengan titik tertentu pada permukaan dalam bidang pemindaian. Representasi grafis dari susunan angka ini disebut gambar pindaian SPM.
Gambar yang dipindai dapat berupa dua dimensi (2D) atau tiga dimensi (3D). Dengan visualisasi 2D, setiap titik permukaan Z= f(x,y) diberi nada warna tertentu sesuai dengan ketinggian titik permukaan (Gbr. 7-11 a). Dalam visualisasi 3D, gambar permukaan Z= f(x,y) dibangun dalam perspektif aksonometrik dengan bantuan piksel atau garis relief yang dihitung dengan cara tertentu. Cara paling efektif untuk mewarnai gambar 3D adalah dengan mensimulasikan kondisi iluminasi permukaan dengan sumber titik yang terletak pada titik tertentu dalam ruang di atas permukaan (Gbr. 7-11 b). Dalam hal ini, dimungkinkan untuk menekankan fitur-fitur kecil individu dari relief tersebut.
|
|
Beras. 7 11. Limfosit darah manusia:
a) gambar 2D, b) gambar 3D dengan pencahayaan samping
Persiapan sampel untuk penelitian SPM
Morfologi dan struktur sel bakteri
Bakteri merupakan mikroorganisme bersel tunggal yang memiliki beragam bentuk dan struktur kompleks, yang menentukan keragaman aktivitas fungsionalnya. Bakteri dicirikan oleh empat bentuk utama: bulat (spherical), silinder (berbentuk batang), berbelit-belit dan berserabut [Ref. 7-2].
kokus (bakteri bulat) - tergantung pada bidang pembelahan dan lokasi individu individu, mereka dibagi menjadi mikrokokus (kokus berbaring terpisah), diplokokus (kokus berpasangan), streptokokus (rantai kokus), stafilokokus (memiliki penampilan kelompok anggur ), tetracocci (formasi empat cocci ) dan sarcins (paket 8 atau 16 cocci).
berbentuk batang - bakteri terletak dalam bentuk sel tunggal, diplo- atau streptobacteria.
Koleksi - vibrio, spirilla dan spirochetes. Vibrio memiliki penampilan batang yang sedikit melengkung, spirilla - bentuk berbelit-belit dengan beberapa ikal spiral.
Ukuran bakteri berkisar dari 0,1 hingga 10 m. Komposisi sel bakteri meliputi kapsul, dinding sel, membran sitoplasma dan sitoplasma. Sitoplasma mengandung nukleotida, ribosom dan inklusi. Beberapa bakteri dilengkapi dengan flagela dan vili. Sejumlah bakteri membentuk spora. Melebihi ukuran transversal awal sel, spora memberikan bentuk gelendong.
Untuk mempelajari morfologi bakteri pada mikroskop optik, preparat asli (vital) atau apusan tetap yang diwarnai dengan pewarna anilin dibuat darinya. Ada metode pewarnaan khusus untuk mendeteksi flagela, dinding sel, nukleotida dan berbagai inklusi sitoplasma.
Untuk studi SPM morfologi sel bakteri, pewarnaan preparat tidak diperlukan. SPM memungkinkan untuk menentukan bentuk dan ukuran bakteri dengan tingkat resolusi yang tinggi. Dengan persiapan persiapan yang cermat dan penggunaan probe dengan radius kelengkungan kecil, flagela dapat dideteksi. Pada saat yang sama, karena kekakuan yang besar dari dinding sel bakteri, tidak mungkin untuk "menyelidiki" struktur intraseluler, seperti yang dapat dilakukan pada beberapa sel hewan.
Persiapan persiapan studi morfologi SPM
Untuk pengalaman pertama dengan SPM, disarankan untuk memilih persiapan biologis yang tidak memerlukan persiapan kompleks. Bakteri asam laktat yang mudah diakses dan non-patogen dari air garam asinan kubis atau produk susu fermentasi cukup cocok.
Untuk studi SPM di udara, objek yang diteliti harus dipasang dengan kuat pada permukaan substrat, misalnya, pada kaca penutup. Selain itu, kepadatan bakteri dalam suspensi harus sedemikian rupa sehingga sel-sel tidak saling menempel selama pengendapan pada substrat, dan jarak di antara mereka tidak boleh terlalu besar sehingga beberapa objek dapat diambil selama pemindaian dalam satu bingkai. Kondisi ini terpenuhi jika mode preparasi sampel dipilih dengan benar. Jika setetes larutan yang mengandung bakteri diterapkan ke substrat, pengendapan dan adhesi bertahap mereka akan terjadi. Dalam hal ini, konsentrasi sel dalam larutan dan waktu sedimentasi harus dipertimbangkan sebagai parameter utama. Konsentrasi bakteri dalam suspensi ditentukan oleh standar kekeruhan optik.
Dalam kasus kami, hanya satu parameter yang akan berperan - waktu inkubasi. Semakin lama tetesan disimpan di kaca, semakin besar kepadatan sel bakteri. Pada saat yang sama, jika setetes cairan mulai mengering, sediaan akan sangat terkontaminasi oleh komponen larutan yang diendapkan. Setetes larutan yang mengandung sel bakteri (air garam) dioleskan ke kaca penutup, diinkubasi selama 5-60 menit (tergantung komposisi larutan). Kemudian, tanpa menunggu tetes mengering, mereka dicuci bersih dengan air suling (mencelupkan sediaan dengan pinset ke dalam gelas beberapa kali). Setelah kering, preparat siap untuk diukur pada SPM.
Misalnya, preparat bakteri asam laktat dibuat dari air garam asinan kubis. Waktu pemaparan tetesan air garam pada kaca penutup dipilih menjadi 5 menit, 20 menit, dan 1 jam (tetesan sudah mulai mengering). SPM - bingkai ditunjukkan pada Gambar. 7 -12, Gambar. 7-13,
Beras. 7-14.
Dapat dilihat dari gambar bahwa untuk larutan ini waktu inkubasi yang optimal adalah 510 menit. Peningkatan waktu menjaga setetes pada permukaan substrat menyebabkan adhesi sel bakteri. Jika setetes larutan mulai mengering, komponen larutan disimpan pada kaca, yang tidak dapat dicuci.
Beras. 7 12. Gambar bakteri asam laktat pada kaca penutup,
diperoleh dengan menggunakan SPM.
Beras. 7 13. Gambar bakteri asam laktat pada kaca penutup,
diperoleh dengan menggunakan SPM. Waktu inkubasi larutan 20 menit
Beras. 7 14. Gambar bakteri asam laktat pada kaca penutup,
diperoleh dengan menggunakan SPM. Waktu inkubasi larutan 1 jam
Pada salah satu preparat yang dipilih (Gbr. 7-12), kami mencoba mempertimbangkan apa itu bakteri asam laktat, bentuk apa yang menjadi ciri khas mereka dalam kasus ini. (Gbr. 7-15)
Beras. 7 15. AFM - gambar bakteri asam laktat pada kaca penutup.
Waktu inkubasi larutan 5 menit
Beras. 7 16. AFM - gambar rantai bakteri asam laktat pada slip sampul.
Waktu inkubasi larutan 5 menit
Air garam dicirikan oleh bentuk bakteri berbentuk batang dan susunannya berupa rantai.
Beras. 7 17. Jendela kendali program pendidikan SPM NanoEducator.
Bilah Alat
Menggunakan alat program pendidikan SPM NanoEducator, kami menentukan ukuran sel bakteri. Mereka berkisar dari sekitar 0,5 × 1,6 m
hingga 0,8 × 3,5 m.
Hasil yang diperoleh dibandingkan dengan data yang diberikan pada determinan bakteri Bergey [Lit. 7-3].
Bakteri asam laktat termasuk ke dalam lactobacilli (Lactobacillus). Sel berbentuk batang, biasanya berbentuk teratur. Tongkatnya panjang, kadang-kadang hampir coccoid, biasanya dalam rantai pendek. Dimensi 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikron. Perselisihan tidak terbentuk; dalam kasus yang jarang terjadi, mereka bergerak karena flagela peritrichous. Tersebar luas di lingkungan, terutama terdapat pada makanan yang berasal dari hewan dan nabati. Bakteri asam laktat adalah bagian dari mikroflora normal saluran pencernaan. Semua orang tahu bahwa asinan kubis, selain kandungan vitamin di dalamnya, bermanfaat untuk meningkatkan mikroflora usus.
Desain mikroskop probe pemindaian Pendidik Nano
Pada Gambar. 7-18 menunjukkan penampilan kepala pengukur SPM NanoEducator dan elemen utama perangkat yang digunakan dalam pekerjaan ditunjukkan.
Beras. 7 18. Penampilan kepala pengukur SPM NanoEducator
1-dasar, pemegang 2-sampel, sensor 3-interaksi, sekrup pemasangan 4-sensor,
5-sekrup untuk pendekatan manual, 6-sekrup untuk memindahkan pemindai dengan sampel dalam bidang horizontal, 7-penutup pelindung dengan kamera video
Pada Gambar. 7-19 menunjukkan desain kepala pengukur. Pada basis 1 terdapat pemindai 8 dengan tempat sampel 7 dan mekanisme untuk membawa sampel ke probe 2 berdasarkan motor stepper. Dalam pendidikan SPM NanoEducator sampel dipasang pada pemindai, dan sampel dipindai relatif terhadap probe tetap. Probe 6, dipasang pada sensor interaksi gaya 4, juga dapat didekati ke sampel menggunakan sekrup pendekatan manual 3. Pemilihan awal lokasi penelitian pada sampel dilakukan menggunakan sekrup 9.
Beras. 7 19. Pembangunan SPM NanoEducator: 1 – basis, 2 – mekanisme pendekatan,
3 – sekrup pendekatan manual, 4 – sensor interaksi, 5 – sekrup fiksasi sensor, 6 – probe,
7 - tempat sampel, 8 - pemindai, 9, 10 - sekrup untuk memindahkan pemindai dengan sampel
Pelatihan SPM NanoEducator terdiri dari kepala pengukur yang dihubungkan dengan kabel, pengontrol SPM dan komputer kontrol. Mikroskop dilengkapi dengan kamera video. Sinyal dari sensor interaksi setelah konversi di preamplifier memasuki pengontrol SPM. manajemen kerja SPM NanoEducator dilakukan dari komputer melalui pengontrol SPM.
Sensor dan probe interaksi paksa
Di perangkat Pendidik Nano Sensor dibuat dalam bentuk tabung piezoceramic dengan panjang aku= 7 mm, diameter d= 1,2 mm dan ketebalan dinding h\u003d 0,25 mm, dipasang dengan kaku di salah satu ujungnya. Sebuah elektroda konduktif disimpan pada permukaan bagian dalam tabung. Dua elektroda semi-silinder yang diisolasi secara elektrik ditempatkan pada permukaan luar tabung. Terlampir pada ujung bebas tabung adalah kawat tungsten dengan diameter
100 m (Gbr. 7-20).
Beras. 7 20. Desain sensor universal NanoEducator
Ujung bebas kawat yang digunakan sebagai probe ditanahkan secara elektrokimia, jari-jari kelengkungannya adalah 0,2 0,05 m. Probe memiliki kontak listrik dengan elektroda internal tabung yang terhubung ke badan instrumen yang diarde.
Kehadiran dua elektroda eksternal pada tabung piezoelektrik memungkinkan satu bagian dari tabung piezoelektrik (atas, sesuai dengan Gambar 7-21) digunakan sebagai sensor interaksi gaya (sensor getaran mekanis), dan bagian lainnya untuk menjadi digunakan sebagai piezovibrator. Tegangan listrik bolak-balik disuplai ke piezovibrator dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi sensor daya. Amplitudo osilasi pada jarak tip-sampel yang besar adalah maksimum. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar. 7-22, selama proses osilasi, probe menyimpang dari posisi kesetimbangan dengan jumlah A o sama dengan amplitudo osilasi mekanis paksa (itu adalah pecahan mikrometer), sementara tegangan listrik bolak-balik muncul di bagian kedua dari piezotube (sensor osilasi), sebanding dengan perpindahan probe, yang dan diukur oleh instrumen.
Ketika probe mendekati permukaan sampel, probe mulai menyentuh sampel selama osilasi. Hal ini menyebabkan pergeseran karakteristik frekuensi amplitudo (AFC) dari osilasi sensor ke kiri dibandingkan dengan AFC yang diukur jauh dari permukaan (Gbr. 7-22). Karena frekuensi osilasi penggerak piezotube dipertahankan konstan dan sama dengan frekuensi osilasi о dalam keadaan bebas, ketika probe mendekati permukaan, amplitudo osilasinya berkurang dan menjadi sama dengan A. Amplitudo osilasi ini dicatat dari bagian kedua dari piezotube.
Beras. 7 21. Prinsip pengoperasian tabung piezoelektrik
sebagai sensor interaksi gaya
Beras. 7 22. Mengubah frekuensi osilasi sensor gaya
ketika mendekati permukaan sampel
Pemindai
Metode mengatur gerakan mikro yang digunakan dalam perangkat Pendidik Nano, didasarkan pada penggunaan membran logam yang dijepit di sekelilingnya, ke permukaan tempat pelat piezoelektrik direkatkan (Gbr. 7-23 a). Perubahan dimensi pelat piezoelektrik di bawah aksi tegangan kontrol akan menyebabkan pembengkokan membran. Dengan menempatkan membran seperti itu pada tiga sisi tegak lurus kubus dan menghubungkan pusatnya dengan penekan logam, Anda bisa mendapatkan pemindai 3-koordinat (Gbr. 7-23 b).
Beras. 7 23. Prinsip operasi (a) dan desain (b) pemindai NanoEducator
Setiap elemen piezoelektrik 1, dipasang pada permukaan kubus 2, ketika tegangan listrik diterapkan padanya, dapat menggerakkan pendorong 3 yang melekat padanya di salah satu dari tiga arah yang saling tegak lurus - X, Y atau Z. Seperti dapat dilihat dari gambar, ketiga pendorong terhubung pada satu titik 4 Dengan beberapa pendekatan, kita dapat mengasumsikan bahwa titik ini bergerak sepanjang tiga koordinat X, Y, Z. Rak 5 dengan pemegang sampel 6 terpasang pada titik yang sama, sehingga sampel bergerak sepanjang tiga koordinat di bawah aksi tiga sumber tegangan independen. Dalam peralatan Pendidik Nano perpindahan maksimum sampel adalah sekitar 5070 m, yang menentukan area pemindaian maksimum.
Mekanisme pendekatan otomatis probe ke sampel (penangkapan umpan balik)
Rentang pergerakan pemindai di sepanjang sumbu Z adalah sekitar 10 m; oleh karena itu, sebelum memindai, probe perlu dibawa lebih dekat ke sampel pada jarak ini. Untuk tujuan ini, mekanisme pendekatan dirancang, skema yang ditunjukkan pada Gambar. 7-19. Motor stepper 1, ketika impuls listrik diterapkan padanya, memutar sekrup umpan 2 dan menggerakkan batang 3 dengan probe 4, membawanya lebih dekat atau lebih jauh dari sampel 5 yang dipasang pada pemindai 6. Nilai satu langkah adalah sekitar 2 m.
Beras. 7 24. Skema mekanisme untuk mendekati probe ke permukaan sampel
Karena langkah mekanisme pendekatan secara signifikan melebihi nilai jarak probe-sampel yang diperlukan selama pemindaian, untuk menghindari deformasi probe, pendekatannya dilakukan dengan operasi simultan motor stepper dan pergerakan pemindai di sepanjang Z sumbu sesuai dengan algoritma berikut:
1. Sistem umpan balik dimatikan dan pemindai “ditarik”, yaitu menurunkan sampel ke posisi ekstrem bawah.
2. Mekanisme pendekatan probe mengambil satu langkah dan berhenti.
3. Sistem umpan balik dihidupkan, dan pemindai dengan mulus mengangkat sampel, sementara interaksi probe-sampel dianalisis.
4. Jika tidak ada interaksi, proses diulangi dari titik 1.
Jika sinyal bukan nol muncul saat pemindai sedang ditarik ke atas, sistem umpan balik akan menghentikan gerakan ke atas pemindai dan memperbaiki jumlah interaksi pada tingkat tertentu. Besarnya interaksi gaya di mana pendekatan probe akan berhenti dan proses pemindaian akan terjadi di perangkat Pendidik Nano dicirikan oleh parameter Penekanan amplitudo (AmplitudoPenekanan) :
A = Ao. (Penekanan Amplitudo)
Mendapatkan gambar SPM
Setelah memanggil program Pendidik Nano jendela program utama muncul di layar komputer (Gbr. 7-20). Pekerjaan harus dimulai dari item menu Mengajukan dan di dalamnya pilih Membuka atau Baru atau tombol yang sesuai pada toolbar (, ).
Pemilihan tim Mengajukan Baru berarti transisi ke pengukuran SPM, dan pilihan perintah Mengajukan Membuka berarti transisi untuk melihat dan memproses data yang diterima sebelumnya. Program ini memungkinkan Anda untuk melihat dan memproses data secara paralel dengan pengukuran.
Beras. 7 25. Jendela utama NanoEducator
Setelah menjalankan perintah Mengajukan Baru kotak dialog muncul di layar, yang memungkinkan Anda untuk memilih atau membuat folder kerja di mana hasil pengukuran saat ini akan disimpan secara default. Selama pengukuran, semua data yang diperoleh secara berurutan dicatat dalam file dengan nama ScanData+i.spm, dimana indeks saya direset ke nol ketika program dimulai dan bertambah dengan setiap pengukuran baru. File ScanData+i.spm ditempatkan di folder kerja, yang diatur sebelum dimulainya pengukuran. Dimungkinkan untuk memilih folder kerja yang berbeda selama pengukuran. Untuk melakukan ini, tekan tombol , terletak di bilah alat jendela program utama dan pilih item menu Ubah folder kerja.
Untuk menyimpan hasil pengukuran saat ini, tekan tombol Simpan sebagai di jendela Pindai di kotak dialog yang muncul, pilih folder dan tentukan nama file, sedangkan file ScanData+i.spm, yang berfungsi sebagai file penyimpanan data sementara selama pengukuran, akan diganti namanya menjadi nama file yang Anda tentukan. Secara default, file akan disimpan di folder kerja yang ditetapkan sebelum pengukuran dimulai. Jika Anda tidak melakukan operasi menyimpan hasil pengukuran, maka pada saat Anda memulai program, hasilnya dicatat dalam file sementara ScanData+i.spm, akan ditimpa secara berurutan (kecuali direktori kerja diubah). Tentang keberadaan file sementara hasil pengukuran di folder kerja, peringatan dikeluarkan sebelum menutup dan setelah memulai program. Mengubah folder kerja sebelum memulai pengukuran memungkinkan Anda untuk melindungi hasil percobaan sebelumnya dari penghapusan. Nama bawaan ScanData dapat diubah dengan menentukannya di jendela pemilihan folder kerja. Jendela untuk memilih folder kerja dipanggil saat tombol ditekan. , terletak di bilah alat jendela program utama. Anda juga dapat menyimpan hasil pengukuran di jendela Pindai Peramban, memilih file yang diperlukan satu per satu dan menyimpannya di folder yang dipilih.
Dimungkinkan untuk mengekspor hasil yang diperoleh dengan NanoEducator ke format ASCII dan Nova (NTMDT), yang dapat diimpor oleh NTMDT Nova, Analisis Gambar, dan program lainnya. Gambar pindaian, data penampangnya, hasil pengukuran spektroskopi diekspor ke format ASCII. Untuk mengekspor data, klik tombol Ekspor terletak di bilah alat jendela aplikasi utama, atau pilih Ekspor dalam item menu Mengajukan jendela ini dan pilih format ekspor yang sesuai. Data untuk diproses dan dianalisis dapat segera dikirim ke program Analisis Gambar yang telah diluncurkan sebelumnya.
Setelah menutup jendela dialog, panel kontrol instrumen ditampilkan di layar.
(Gbr. 7-26).
Beras. 7 26. Panel kontrol instrumen
Di sisi kiri panel kontrol instrumen terdapat tombol untuk memilih konfigurasi SPM:
SSM– Scanning force mikroskop (SFM)
STM– Scanning Tunneling Microscope (STM).
Melakukan pengukuran pada pelatihan SPM NanoEducator terdiri dari melakukan operasi berikut:
1. Memasang sampel
PERHATIAN! Sebelum memasukkan sampel, perlu melepas sensor dengan probe agar tidak merusak probe.
Ada dua cara untuk memperbaiki sampel:
di atas meja magnetik (dalam hal ini, sampel harus dilampirkan ke substrat magnetik);
pada pita perekat dua sisi.
PERHATIAN! Untuk memasang sampel pada pita perekat dua sisi, Anda perlu melepaskan dudukan dari rak (agar tidak merusak pemindai), lalu kencangkan kembali hingga berhenti sedikit.
Dalam kasus pemasangan magnet, sampel dapat diubah tanpa membuka tutup pemegang sampel.
2. Pemasangan probe
PERHATIAN! Selalu pasang sensor dengan probe setelah menempatkan sampel.
Setelah memilih sensor probe yang diinginkan (pegang probe pada tepi logam alasnya) (lihat Gbr. 7-27), kendurkan sekrup fiksasi probe probe 2 pada penutup kepala pengukur, masukkan probe ke dalam soket dudukan sampai berhenti , kencangkan sekrup fiksasi searah jarum jam sampai berhenti ringan.
Beras. 7 27. Pemasangan probe
3. Memilih Lokasi Pemindaian
Saat memilih lokasi untuk penelitian sampel, gunakan sekrup untuk memindahkan tabel dua koordinat yang terletak di bagian bawah perangkat.
4. Pendekatan awal probe ke sampel
Operasi pendekatan pendahuluan tidak wajib untuk setiap pengukuran, kebutuhan pelaksanaannya tergantung pada jarak antara sampel dan ujung probe. Diinginkan untuk melakukan operasi pendekatan pendahuluan jika jarak antara ujung probe dan permukaan sampel melebihi 0,5-1 mm. Saat menggunakan pendekatan otomatis dari probe ke sampel dari jarak yang jauh di antara mereka, proses pendekatan akan memakan waktu yang sangat lama.
Gunakan sekrup tangan untuk menurunkan probe sambil mengontrol jarak antara probe dan permukaan sampel secara visual.
5. Membangun kurva resonansi dan mengatur frekuensi operasi
Operasi ini harus dilakukan pada awal setiap pengukuran, dan sampai dilakukan, transisi ke langkah pengukuran lebih lanjut diblokir. Selain itu, selama proses pengukuran, terkadang muncul situasi yang mengharuskan dilakukannya kembali operasi ini (misalnya, saat kontak terputus).
Jendela pencarian resonansi dipanggil dengan menekan tombol pada panel kontrol instrumen. Melakukan operasi ini melibatkan pengukuran amplitudo osilasi probe ketika frekuensi osilasi paksa, yang diatur oleh generator, berubah. Untuk melakukan ini, tekan tombol LARI(Gbr. 7-28).
|
|
Beras. 7 28. Jendela operasi pencarian resonansi dan pengaturan frekuensi operasi:
a) - mode otomatis, b) - mode manual
dalam mode Mobil frekuensi osilator secara otomatis diatur sama dengan frekuensi di mana amplitudo maksimum osilasi probe diamati. Grafik yang menunjukkan perubahan amplitudo osilasi probe dalam rentang frekuensi tertentu (Gbr. 7-28a) memungkinkan Anda untuk mengamati bentuk puncak resonansi. Jika puncak resonansi tidak cukup diucapkan, atau amplitudo pada frekuensi resonansi kecil ( kurang dari 1V), maka perlu dilakukan perubahan parameter pengukuran dan penentuan kembali frekuensi resonansi.
Mode ini ditujukan untuk manual. Ketika mode ini dipilih di jendela Menentukan frekuensi resonansi panel tambahan muncul
(Gbr. 7-28b), yang memungkinkan Anda menyesuaikan parameter berikut:
Probe tegangan ayun diberikan oleh pembangkit. Disarankan untuk mengatur nilai ini ke minimum (turun ke nol) dan tidak lebih dari 50 mV.
Penguatan amplitudo ( penguatan amplitudo). Jika amplitudo osilasi probe tidak mencukupi (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент penguatan amplitudo.
Untuk memulai operasi pencarian resonansi, tekan tombol Awal.
Mode manual memungkinkan Anda untuk secara manual mengubah frekuensi yang dipilih dengan menggerakkan kursor hijau pada grafik dengan mouse, serta mengklarifikasi sifat perubahan amplitudo osilasi dalam rentang nilai yang sempit di sekitar frekuensi yang dipilih (untuk melakukan ini, Anda perlu mengatur sakelar Mode manual ke posisi Tepat dan tekan tombol Awal).
6. Penangkapan interaksi
Untuk menangkap interaksi, prosedur pendekatan terkontrol probe dan sampel dilakukan dengan menggunakan mekanisme pendekatan otomatis. Jendela kontrol untuk prosedur ini dipanggil dengan menekan tombol pada panel kontrol instrumen. Saat bekerja dengan CCM, tombol ini tersedia setelah melakukan operasi pencarian dan mengatur frekuensi resonansi. Jendela CCM, Pimpin(Gbr. 7-29) berisi kontrol pendekatan probe, serta indikasi parameter yang memungkinkan Anda menganalisis kemajuan prosedur.
Beras. 7 29. Jendela pendekatan probe
Di jendela Pasokan Pengguna memiliki kemampuan untuk memantau nilai-nilai berikut:
ekstensi pemindai ( PemindaiZ) sepanjang sumbu Z relatif terhadap kemungkinan maksimum, diambil sebagai satu unit. Nilai perpanjangan relatif pemindai ditandai dengan tingkat pengisian indikator kiri dengan warna yang sesuai dengan area di mana pemindai saat ini berada: hijau - area kerja, biru - di luar area kerja, merah - pemindai telah datang terlalu dekat dengan permukaan sampel, yang dapat menyebabkan deformasi probe. Dalam kasus terakhir, program mengeluarkan peringatan yang dapat didengar;
amplitudo osilasi probe relatif terhadap amplitudo osilasinya tanpa adanya interaksi gaya, diambil sebagai satu kesatuan. Nilai amplitudo relatif dari osilasi probe ditunjukkan pada indikator kanan dengan tingkat pengisiannya dalam burgundy. Tanda horizontal pada indikator Probe osilasi amplitudo menunjukkan level, ketika melewati analisis keadaan pemindai dan output otomatisnya ke posisi kerja;
jumlah langkah ( Wagi) diteruskan ke arah tertentu: Pendekatan - pendekatan, Retraksi - penghapusan.
Sebelum memulai proses menurunkan probe, Anda harus:
Periksa apakah parameter pendekatan diatur dengan benar:
Keuntungan Umpan Balik Keuntungan OS diatur ke nilai 3 ,
Pastikan parameternya penekananAmplitudo (Kekuatan) memiliki nilai sekitar 0,2 (lihat Gambar 7-29). Jika tidak, tekan tombol Memaksa dan di jendela Mengatur Parameter Interaksi (Gambar 7-30) tetapkan nilai penekananamplitudo setara 0.2. Untuk pendekatan yang lebih rumit, nilai parameter penekananamplitudo mungkin kurang .
Periksa apakah pengaturan sudah benar di jendela parameter Pilihan, halaman Parameter pendekatan.
Ada atau tidaknya interaksi dapat ditentukan dengan indikator kiri PemindaiZ. Ekstensi penuh pemindai (seluruh indikator PemindaiZ berwarna biru), serta indikator merah anggur yang benar-benar teduh Probe osilasi amplitudo(Gbr. 7-29) menunjukkan tidak ada interaksi. Setelah melakukan pencarian resonansi dan mengatur frekuensi operasi, amplitudo getaran bebas probe diambil sebagai satu kesatuan.
Jika pemindai tidak sepenuhnya diperpanjang sebelum atau selama pendekatan, atau program menampilkan pesan: 'Error! Probe terlalu dekat dengan sampel. Periksa parameter pendekatan atau node fisik. Anda ingin pindah ke tempat yang aman", disarankan untuk menangguhkan prosedur pendekatan dan:
sebuah. ubah salah satu opsi:
meningkatkan jumlah interaksi, parameter penekananamplitudo, atau
meningkatkan nilai Keuntungan OS, atau
meningkatkan waktu tunda antara langkah-langkah pendekatan (parameter Waktu integrasi Di halaman Parameter pendekatan jendela Pilihan).
b. tingkatkan jarak antara ujung probe dan sampel (untuk melakukan ini, ikuti langkah-langkah yang dijelaskan dalam paragraf dan lakukan operasi Resonansi, lalu kembali ke prosedur Pasokan.
Beras. 7 30. Jendela untuk mengatur nilai interaksi antara probe dan sampel
Setelah menangkap interaksi, pesan “ Prospek selesai”.
Jika perlu untuk bergerak lebih dekat satu langkah, tekan tombol. Dalam hal ini, langkah dijalankan terlebih dahulu, dan kemudian kriteria untuk menangkap interaksi diperiksa. Untuk menghentikan gerakan, tekan tombol. Untuk melakukan operasi retraksi, Anda harus menekan tombol untuk retraksi cepat
atau tekan tombol untuk retraksi lambat. Jika perlu, tarik kembali satu langkah, tekan tombol. Dalam hal ini, langkah dijalankan terlebih dahulu, dan kemudian kriteria untuk menangkap interaksi diperiksa.
7. Pindai
Setelah menyelesaikan prosedur pendekatan ( Pasokan) dan pengambilan interaksi, pemindaian menjadi tersedia (tombol di jendela panel kontrol instrumen).
Dengan menekan tombol ini (tampilan jendela pemindaian ditunjukkan pada Gambar 7-31), pengguna melanjutkan langsung ke pengukuran dan memperoleh hasil pengukuran.
Sebelum melakukan proses pemindaian, Anda perlu mengatur parameter pemindaian. Opsi ini dikelompokkan di sisi kanan bilah atas jendela. Memindai.
Pertama kali setelah memulai program, mereka diinstal secara default:
Area pemindaian - Wilayah (Xnm*kamunm): 5000*5000nm;
Jumlah poinpengukuran sepanjang sumbu- X, Y: NX=100, New York=100;
Pindai Jalur - Arah menentukan arah pemindaian. Program ini memungkinkan Anda untuk memilih arah sumbu pemindaian cepat (X atau Y). Ketika program dimulai, itu menginstal Arah
Setelah mengatur parameter pemindaian, Anda harus mengklik tombol Menerapkan untuk mengkonfirmasi input parameter dan tombol Awal untuk mulai memindai.
Beras. 7 31. Jendela untuk mengatur proses dan menampilkan hasil pemindaian CCM
7.4 Pedoman
Baca panduan pengguna [Ref. 7-4].
7.5.Keselamatan
Perangkat ini ditenagai oleh tegangan 220 V. Mikroskop pemindai pemindai NanoEducator harus dioperasikan sesuai dengan PTE dan PTB instalasi listrik konsumen dengan tegangan hingga 1000 V.
7.6 Tugas
1. Siapkan sampel biologis Anda sendiri untuk studi SPM.
2. Praktikkan desain umum NanoEducator.
3. Kenali program kontrol NanoEducator.
4. Dapatkan gambar SPM pertama di bawah pengawasan guru.
5. Mengolah dan menganalisa gambar yang dihasilkan. Apa bentuk bakteri yang khas untuk larutan Anda? Apa yang menentukan bentuk dan ukuran sel bakteri?
6. Ambil Kunci Bakteri Burgey dan bandingkan hasilnya dengan yang dijelaskan di sana.
7.7.Kontrol pertanyaan
1. Apa saja metode untuk mempelajari benda-benda biologis?
2. Apa yang dimaksud dengan pemindaian mikroskop probe? Prinsip apa yang mendasarinya?
3. Sebutkan komponen utama SPM dan tujuannya.
4. Apa efek piezoelektrik dan bagaimana penerapannya dalam SPM. Jelaskan berbagai desain pemindai.
5. Jelaskan desain umum NanoEducator.
6. Jelaskan sensor interaksi gaya dan prinsip operasinya.
7. Jelaskan mekanisme pendekatan probe ke sampel di NanoEducator. Jelaskan parameter yang menentukan kekuatan interaksi antara probe dan sampel.
8. Jelaskan prinsip pemindaian dan pengoperasian sistem umpan balik. Beri tahu kami tentang kriteria untuk memilih opsi pemindaian.
7.8 Sastra
menyala. 7 1. Paul de Kruy. Pemburu mikroba. M.Tera. 2001.
menyala. 7 2. Panduan Latihan Praktikum Mikrobiologi. Di bawah kepemimpinan editor Egorov N.S. Moskow: Nauka, 1995.
menyala. 7 3. Holt J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Determinan bakteri Burgey. M.: Mir, 1997. Jilid No. 2. C. 574.
menyala. 7 4. Panduan pengguna instrumen Pendidik Nano.. Nizhny Novgorod. Pusat ilmu pengetahuan dan pendidikan...
Catatan kuliah tentang kursus "Memindai mikroskop probe dalam biologi" Rencana kuliah
Abstrak... pemindaianmengujimikroskopi dalam biologi" Rencana Perkuliahan: Pengantar, Sejarah SPM. Batasan aplikasi... dan struktur nano, risetbiologisbenda-benda: Peraih Nobel... untukriset sampel spesifik: B pemindaianmengujimikroskopiuntuk ...
Program pendahuluan konferensi Rusia xxiii tentang mikroskop elektron 1 Juni Selasa pagi 10.00 – 14.00 pembukaan pidato pengantar konferensi
ProgramB.P. Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, V.I. popenko Aplikasimenguji dan confocal pemindaianmikroskopiuntukriset proses perbaikan menggunakan cangkok nanodispersi...
Metode Konferensi Ilmiah Seluruh Rusia Pertama untuk Mempelajari Komposisi dan Struktur Bahan Fungsional
DokumenMULTI-ELEMEN OBJEK NON-REFERENSI... Lyakhov N.Z. RISET KOMPOSIT NANO SECARA BIOLOGIS AKTIF... Aliev V.Sh. APLIKASI METODE MENGUJIMIKROSKOPIUNTUKRISET MEMENGARUHI... PEMINDAI KALORIMETRI DAN ARUS TERMOSTIMULASI UNTUKRISET ...
(Bahasa inggris) Pemindaian Mikroskop Elektron, SEM) adalah perangkat yang memungkinkan Anda mendapatkan gambar permukaan sampel dengan resolusi tinggi (kurang dari satu mikrometer). Gambar yang diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian adalah tiga dimensi dan nyaman untuk mempelajari struktur permukaan yang dipindai. Sejumlah metode tambahan (metode EDX, WDX) memungkinkan untuk memperoleh informasi tentang komposisi kimia lapisan dekat permukaan.
Prinsip operasi
Sampel yang diteliti dipindai di bawah kondisi vakum industri oleh berkas elektron energi menengah terfokus. Tergantung pada mekanisme perekaman sinyal, beberapa mode operasi mikroskop elektron pemindaian dibedakan: mode elektron yang dipantulkan, mode elektron sekunder, mode cathodoluminescence, dll. Teknik yang dikembangkan memungkinkan tidak hanya untuk mempelajari sifat-sifat permukaan sampel, tetapi juga untuk memvisualisasikan dan memperoleh informasi tentang sifat-sifat struktur bawah permukaan, yang terletak pada kedalaman beberapa mikron dari permukaan yang dipindai.
Mode operasi
Deteksi elektron sekunder
Radiasi yang membentuk gambar permukaan sampel di sebagian besar model instrumen justru adalah elektron sekunder yang masuk ke detektor tipe Everhart-Thornley, tempat gambar utama terbentuk, yang, setelah pemrosesan perangkat lunak-prosesor, masuk ke layar monitor. Seperti halnya mikroskop elektron transmisi, film sebelumnya digunakan untuk fotografi. Kamera menangkap gambar pada layar hitam-putih definisi tinggi dari tabung sinar katoda. Sekarang, gambar yang dihasilkan hanya ditampilkan di jendela antarmuka program komputer yang mengontrol mikroskop, dan setelah difokus oleh operator, dapat disimpan ke hard disk komputer. Gambar yang dibentuk oleh mikroskop pemindaian ditandai dengan kontras tinggi dan kedalaman fokus. Dalam beberapa model perangkat modern, berkat penggunaan teknologi multibeam dan penggunaan perangkat lunak khusus, dimungkinkan untuk memperoleh gambar 3D dari permukaan objek yang diteliti. Misalnya, mikroskop semacam itu diproduksi oleh perusahaan Jepang JEOL.
izin
Resolusi spasial mikroskop elektron pemindaian tergantung pada ukuran transversal berkas elektron, yang pada gilirannya tergantung pada karakteristik sistem elektron-optik yang memfokuskan berkas. Resolusi juga dibatasi oleh ukuran area interaksi antara probe elektron dan sampel, yaitu dari bahan target. Ukuran probe elektron dan ukuran daerah interaksi antara probe dan sampel adalah jarak yang jauh lebih besar antara atom target, sehingga resolusi mikroskop elektron pemindaian tidak cukup besar untuk menampilkan skala atom, seperti yang mungkin, misalnya, dalam mikroskop elektron transmisi. Namun, mikroskop elektron pemindaian memiliki kelebihan, termasuk kemampuan untuk memvisualisasikan area sampel yang relatif besar, kemampuan untuk memeriksa target yang masif (bukan hanya film tipis), dan berbagai metode analisis yang memungkinkan seseorang untuk mempelajari mikroskop elektron. karakteristik dasar dari bahan target. Bergantung pada perangkat tertentu dan parameter percobaan, dimungkinkan untuk mencapai nilai resolusi dari puluhan hingga satuan nanometer.
Aplikasi
Mikroskop pemindaian terutama digunakan sebagai alat penelitian dalam fisika, ilmu material, elektronik, dan biologi. Terutama untuk mendapatkan gambar sampel uji, yang dapat sangat bervariasi tergantung pada jenis detektor yang digunakan. Perbedaan gambar yang diperoleh ini memungkinkan untuk menarik kesimpulan tentang sifat fisik permukaan, untuk melakukan studi topografi permukaan. Mikroskop elektron praktis satu-satunya instrumen yang dapat memberikan gambar permukaan sirkuit mikro modern atau tahap peralihan dari proses fotolitografi.
Untuk studi rinci tentang permukaan padatan, ada banyak metode yang berbeda. Mikroskop, sebagai sarana untuk memperoleh gambar yang diperbesar, berasal dari abad ke-15. ketika kaca pembesar sederhana pertama kali dibuat untuk mempelajari serangga. Pada akhir abad XVII. Antonio van Leeuwenhoek membuat mikroskop optik, yang memungkinkan untuk menetapkan keberadaan sel individu, mikroba patogen, dan bakteri. Sudah di abad ke-20, metode mikroskop menggunakan berkas elektron dan ion dikembangkan.
Dalam semua metode yang dijelaskan, prinsip berikut diterapkan: penerangan objek yang diteliti dengan aliran partikel dan transformasi selanjutnya. Pemindaian mikroskop probe menggunakan prinsip yang berbeda - alih-alih menyelidik partikel, ia menggunakan probe mekanis, sebuah jarum. Secara kiasan, kita dapat mengatakan bahwa jika sampel diperiksa dalam mikroskop optik atau elektron, maka dalam SPM terasa.
Prinsip penting lainnya yang tercermin dalam nama metode SPM adalah prinsip pemindaian, yaitu. memperoleh informasi tidak rata-rata tentang objek studi, tetapi diskrit (dari titik ke titik, dari garis ke garis) gerakan probe dan membaca informasi di setiap titik.
Desain umum mikroskop probe pemindaian ditunjukkan pada Gambar. 1.
Jenis-jenis sensor.
Pemindaian mikroskop probe didasarkan pada deteksi interaksi lokal yang terjadi antara probe dan permukaan sampel uji ketika mereka saling mendekati hingga jarak ~l, di mana l adalah panjang peluruhan karakteristik "sampel probe" interaksi. Tergantung pada sifat interaksi "probe-sampel", ada: pemindaian mikroskop terowongan (STM, arus terowongan terdeteksi), mikroskop gaya pemindaian (SFM, interaksi gaya terdeteksi), mikroskop optik pemindaian jarak dekat (SNOM, elektromagnetik radiasi terdeteksi), dll. Scanning force microscopy, pada gilirannya, dibagi menjadi atom force microscopy (AFM), magnetic force microscopy (MSM), electric force microscopy (ESM) dan lain-lain, tergantung pada jenis interaksi gaya.
Beras. 2.
Saat mengukur arus terowongan di sensor terowongan (Gbr. 2), konverter arus-tegangan (CVT) digunakan, yang termasuk dalam rangkaian aliran arus antara probe dan sampel. Dua opsi switching dimungkinkan: dengan probe yang diarde, ketika tegangan bias diterapkan ke sampel relatif terhadap probe yang diarde, atau dengan sampel yang diarde, ketika tegangan bias diterapkan ke probe relatif terhadap sampel.
Beras. 2.
Sensor interaksi gaya tradisional adalah microbeam silikon, kantilever atau kantilever (dari bahasa Inggris cantilever - cantilever) dengan skema optik untuk mendeteksi besarnya tikungan kantilever yang terjadi karena interaksi gaya antara sampel dan probe yang terletak di ujung kantilever (Gbr. 3).
Ada metode kontak, non-kontak dan kontak intermiten ("semi-kontak") untuk melakukan mikroskop kekuatan. Menggunakan metode kontak mengasumsikan bahwa probe bertumpu pada sampel. Ketika kantilever ditekuk di bawah aksi gaya kontak, sinar laser yang dipantulkan darinya dipindahkan relatif ke pusat fotodetektor kuadran. Dengan demikian, defleksi kantilever dapat ditentukan dari perubahan relatif dalam penerangan bagian atas dan bawah fotodetektor.
Saat menggunakan metode non-kontak, probe dikeluarkan dari permukaan dan berada di area aksi gaya tarik jarak jauh. Gaya tarik menarik dan gradiennya lebih lemah daripada gaya kontak tolak-menolak. Oleh karena itu, teknik modulasi biasanya digunakan untuk mendeteksinya. Untuk melakukan ini, menggunakan piezovibrator, kantilever berayun secara vertikal pada frekuensi resonansi. Jauh dari permukaan, amplitudo osilasi kantilever memiliki nilai maksimum. Saat mendekati permukaan, karena aksi gradien gaya tarik-menarik, frekuensi resonansi dari osilasi kantilever berubah, sedangkan amplitudo osilasinya berkurang. Amplitudo ini direkam menggunakan sistem optik dengan perubahan relatif dalam iluminasi variabel dari bagian atas dan bawah fotodetektor.
Dengan metode pengukuran "semi-kontak", teknik modulasi untuk mengukur interaksi gaya juga digunakan. Dalam mode "semi-kontak", probe sebagian menyentuh permukaan, secara bergantian baik di area tarik-menarik maupun di area tolakan.
Ada metode lain yang lebih sederhana untuk mendeteksi interaksi gaya, di mana interaksi gaya secara langsung diubah menjadi sinyal listrik. Salah satu metode ini didasarkan pada penggunaan efek piezoelektrik langsung, ketika pembengkokan bahan piezoelektrik di bawah aksi interaksi gaya menyebabkan munculnya sinyal listrik.
