ზონდის სკანირების მიკროსკოპები: მოქმედების ტიპები და პრინციპი

კუვაიცევი ალექსანდრე ვიაჩესლავოვიჩი
დიმიტროვგრადის ინჟინერიისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტი, ეროვნული კვლევითი ბირთვული უნივერსიტეტის ფილიალი "MEPhI"
სტუდენტი

ანოტაცია
ეს სტატია აღწერს ზონდის მიკროსკოპის მუშაობის პრინციპს. ეს არის ფუნდამენტურად ახალი ტექნოლოგია, რომელსაც შეუძლია პრობლემების გადაჭრა ისეთ მრავალფეროვან სფეროებში, როგორიცაა კომუნიკაციები, ბიოტექნოლოგია, მიკროელექტრონიკა და ენერგია. ნანოტექნოლოგია მიკროსკოპში მნიშვნელოვნად შეამცირებს რესურსების მოხმარებას და არ მოახდენს ზეწოლას გარემოზე, ისინი ითამაშებენ წამყვან როლს კაცობრიობის ცხოვრებაში, როგორც, მაგალითად, კომპიუტერი გახდა ადამიანების ცხოვრების განუყოფელი ნაწილი.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპია: ტიპები და ოპერაციული პრინციპები

კუვაიცევი ალექსანდრე ვიაჩესლავოვიჩი
დიმიტროვგრადის ეროვნული კვლევითი ბირთვული უნივერსიტეტის MEPHI საინჟინრო და ტექნოლოგიური ინსტიტუტი
სტუდენტი

Აბსტრაქტული
ეს სტატია აღწერს ზონდის მიკროსკოპის პრინციპს. ეს არის ახალი ტექნოლოგია, რომელსაც შეუძლია პრობლემების გადაჭრა ისეთ მრავალფეროვან სფეროებში, როგორიცაა კომუნიკაციები, ბიოტექნოლოგია, მიკროელექტრონიკა და ენერგია. ნანოტექნოლოგია მიკროსკოპში საგრძნობლად შეამცირებს რესურსების მოხმარებას და არ მოახდენს ზეწოლას გარემოზე, ისინი ითამაშებენ წამყვან როლს ადამიანის ცხოვრებაში, როგორც, მაგალითად, კომპიუტერი გახდა ადამიანების ცხოვრების განუყოფელი ნაწილი.

21-ე საუკუნეში ნანოტექნოლოგიები სწრაფად იძენს პოპულარობას, რომლებიც შეაღწევენ ჩვენი ცხოვრების ყველა სფეროში, მაგრამ მათში პროგრესი არ იქნებოდა კვლევის ახალი, ექსპერიმენტული მეთოდების გარეშე, ერთ-ერთი ყველაზე ინფორმატიული არის სკანირების ზონდის მიკროსკოპის მეთოდი. გამოიგონეს და გაავრცელეს 1986 წელს ნობელის პრემიის ლაურეატები - პროფესორი ჰაინრიხ რორერი და დოქტორი გერდ ბინიგი.

ნამდვილი რევოლუცია მოხდა მსოფლიოში ატომების ვიზუალიზაციის მეთოდების მოსვლასთან ერთად. დაიწყეს ენთუზიასტების ჯგუფების გამოჩენა, რომლებიც ქმნიდნენ საკუთარ მოწყობილობებს. შედეგად, მიღებულ იქნა რამდენიმე წარმატებული გამოსავალი ზონდის ზედაპირთან ურთიერთქმედების შედეგების ვიზუალიზაციისთვის. შეიქმნა ზონდების წარმოების ტექნოლოგიები საჭირო პარამეტრებით.

რა არის ზონდის მიკროსკოპი? უპირველეს ყოვლისა, ეს არის თავად ზონდი, რომელიც იკვლევს ნიმუშის ზედაპირს; ასევე აუცილებელია ზონდის გადაადგილების სისტემა ნიმუშთან მიმართებაში ორგანზომილებიანი ან სამგანზომილებიანი წარმოდგენით (მოძრაობს X-Y ან X-Y-Z კოორდინატების გასწვრივ). ამ ყველაფერს ემატება ჩამწერი სისტემა, რომელიც აფიქსირებს ფუნქციის მნიშვნელობას, რომელიც დამოკიდებულია ზონდიდან ნიმუშამდე დაშორებაზე. რეგისტრაციის სისტემა აფიქსირებს და ახსოვს ერთ-ერთი კოორდინატის მნიშვნელობა.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპების ძირითადი ტიპები შეიძლება დაიყოს 3 ჯგუფად:

1. სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი - შექმნილია გამტარ ზედაპირების რელიეფის გასაზომად მაღალი სივრცითი გარჩევადობით.
   STM-ში ნიმუშზე ბასრი ლითონის ნემსი გადადის ძალიან მცირე მანძილზე. როდესაც ნემსზე მცირე დენი მიემართება, მასსა და ნიმუშს შორის წარმოიქმნება გვირაბის დენი, რომლის ღირებულება აღირიცხება ჩამწერი სისტემის მიერ. ნემსი გადადის ნიმუშის მთელ ზედაპირზე და აფიქსირებს გვირაბის დენის უმცირეს ცვლილებას, რის გამოც ჩნდება ნიმუშის ზედაპირის რელიეფური რუკა. STM არის პირველი სკანირების ზონდის მიკროსკოპების კლასიდან, დანარჩენი კი მოგვიანებით შეიქმნა.
2. სკანირების ატომური ძალის მიკროსკოპი - გამოიყენება ნიმუშის ზედაპირის სტრუქტურის ასაგებად ატომამდე გარჩევადობით. STM-ისგან განსხვავებით, ეს მიკროსკოპი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც გამტარ, ისე არაგამტარ ზედაპირების შესამოწმებლად. ატომების არა მხოლოდ სკანირების, არამედ მანიპულირების შესაძლებლობის გამო, მას უწოდებენ ძალას.
3. ახლო ველის ოპტიკური მიკროსკოპი არის "მოწინავე" ოპტიკური მიკროსკოპი, რომელიც უზრუნველყოფს უკეთეს გარჩევადობას, ვიდრე ჩვეულებრივი ოპტიკური მიკროსკოპი. BOM-ის გარჩევადობის ზრდა მიღწეული იქნა შესწავლილი ობიექტიდან სინათლის აღებით ტალღის სიგრძეზე მცირე მანძილზე. თუ მიკროსკოპის ზონდი აღჭურვილია სივრცითი ველის სკანირების მოწყობილობით, მაშინ ასეთ მიკროსკოპს ეწოდება ახლო ველის სკანირების ოპტიკური მიკროსკოპი. ასეთი მიკროსკოპი შესაძლებელს ხდის ძალიან მაღალი გარჩევადობის მქონე ზედაპირების გამოსახულების მიღებას.

გამოსახულება (ნახ. 1) გვიჩვენებს ზონდის მიკროსკოპის უმარტივეს სქემას.

სურათი 1. - ზონდის მიკროსკოპის მუშაობის სქემა

მისი მუშაობა ეფუძნება ნიმუშის ზედაპირის ურთიერთქმედებას ზონდთან, ეს შეიძლება იყოს კონსოლი, ნემსი ან ოპტიკური ზონდი. ზონდსა და კვლევის ობიექტს შორის მცირე მანძილით, ურთიერთქმედების ძალების მოქმედებები, როგორიცაა მოგერიება, მიზიდულობა და ა.შ. და ეფექტების გამოვლინება, როგორიცაა ელექტრონული გვირაბი, შეიძლება ჩაიწეროს რეგისტრაციის ხელსაწყოების გამოყენებით. ამ ძალების გამოსავლენად გამოიყენება ძალიან მგრძნობიარე სენსორები, რომლებსაც შეუძლიათ ოდნავი ცვლილებების აღმოჩენა. პიეზო მილები ან სიბრტყე პარალელური სკანერები გამოიყენება როგორც კოორდინატთა სკანირების სისტემა რასტრული გამოსახულების მისაღებად.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპების შექმნის ძირითადი ტექნიკური სირთულეები მოიცავს:

1. მექანიკური მთლიანობის უზრუნველყოფა
2. დეტექტორებს უნდა ჰქონდეთ მაქსიმალური მგრძნობელობა
3. ზონდის ბოლოს უნდა ჰქონდეს მინიმალური განზომილება
4. შექმენით გაწმენდის სისტემა
5. ზონდის სიგლუვის უზრუნველყოფა

თითქმის ყოველთვის, სკანირების ზონდის მიკროსკოპით მიღებული გამოსახულება ძნელია გაშიფრვა შედეგების მიღებისას დამახინჯების გამო. როგორც წესი, საჭიროა დამატებითი მათემატიკური დამუშავება. ამისათვის გამოიყენება სპეციალიზებული პროგრამული უზრუნველყოფა.

ამჟამად, სკანირებადი ზონდი და ელექტრონული მიკროსკოპია გამოიყენება როგორც კვლევის დამატებითი მეთოდები რიგი ფიზიკური და ტექნიკური მახასიათებლების გამო. ბოლო წლების განმავლობაში, ზონდის მიკროსკოპის გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა უნიკალური სამეცნიერო კვლევების მოპოვება ფიზიკის, ქიმიისა და ბიოლოგიის სფეროებში. პირველი მიკროსკოპები იყო მხოლოდ მოწყობილობები - ინდიკატორები, რომლებიც დაეხმარნენ კვლევას, ხოლო თანამედროვე ნიმუშები არის სრულფასოვანი სამუშაო სადგურები, მათ შორის 50-მდე სხვადასხვა კვლევის მეთოდი.

ამ მოწინავე ტექნიკის მთავარი ამოცანაა სამეცნიერო შედეგების მიღება, მაგრამ ამ მოწყობილობების შესაძლებლობების პრაქტიკაში გამოყენება მოითხოვს სპეციალისტის მაღალ კვალიფიკაციას.

7. სკანირების ზონდის მიკროსკოპის გამოყენება ბიოლოგიური ობიექტების შესასწავლად

7. სკანირების ზონდის მიკროსკოპის გამოყენება ბიოლოგიური ობიექტების შესასწავლად 1

7.1. სამუშაოს მიზნები 2

7.2. ინფორმაცია მასწავლებლისთვის 3

7.4. სახელმძღვანელო მითითებები 31

7.5. უსაფრთხოება 32

7.6. ამოცანა 32

7.7. უსაფრთხოების კითხვები 32

7.8. ლიტერატურა 32

ლაბორატორიული სამუშაო შეიმუშავა ნიჟნი ნოვგოროდის სახელმწიფო უნივერსიტეტმა. ნ.ი. ლობაჩევსკი

7.1.სამუშაოს მიზნები

ბიოლოგიური სტრუქტურების მორფოლოგიური პარამეტრების შესწავლა მნიშვნელოვანი ამოცანაა ბიოლოგებისთვის, რადგან ზოგიერთი სტრუქტურის ზომა და ფორმა დიდწილად განსაზღვრავს მათ ფიზიოლოგიურ თვისებებს. მორფოლოგიური მონაცემების ფუნქციურ მახასიათებლებთან შედარებისას, შეგიძლიათ მიიღოთ სრული ინფორმაცია ცოცხალი უჯრედების მონაწილეობის შესახებ ადამიანის ან ცხოველის სხეულის ფიზიოლოგიური ბალანსის შენარჩუნებაში.

ადრე ბიოლოგებსა და ექიმებს საშუალება ჰქონდათ შეესწავლათ მათი პრეპარატები მხოლოდ ოპტიკურ და ელექტრონულ მიკროსკოპებზე. ამ კვლევებმა აჩვენა გარკვეული სურათი უჯრედების მორფოლოგიის შესახებ, რომლებიც დაფიქსირდა, შეღებილი და თხელი ლითონის საფარებით, მიღებული sputtering. ცოცხალი საგნების მორფოლოგიის, მისი ცვლილებების შესწავლა სხვადასხვა ფაქტორების გავლენით შეუძლებელი იყო, მაგრამ ძალიან მაცდური იყო.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპია (SPM) გახსნა ახალი შესაძლებლობები უჯრედების, ბაქტერიების, ბიოლოგიური მოლეკულების და დნმ-ის შესწავლაში, რაც შეიძლება ახლოს არსებულ პირობებში. SPM საშუალებას გაძლევთ შეისწავლოთ ბიოლოგიური ობიექტები სპეციალური ფიქსატორებისა და საღებავების გარეშე, ჰაერში ან თუნდაც თხევად გარემოში.

ამჟამად SPM გამოიყენება მრავალფეროვან დისციპლინაში, როგორც ფუნდამენტურ სამეცნიერო კვლევებში, ასევე მაღალტექნოლოგიურ განვითარებაში. ქვეყნის მრავალი კვლევითი ინსტიტუტი აღჭურვილია ზონდის მიკროსკოპის აპარატურით. ამ მხრივ მუდმივად იზრდება მოთხოვნა მაღალკვალიფიციურ სპეციალისტებზე. ამ მოთხოვნის დასაკმაყოფილებლად, NT-MDT (ზელენოგრადი, რუსეთი) შეიმუშავა სპეციალიზებული საგანმანათლებლო და სამეცნიერო ლაბორატორია სკანირების ზონდის მიკროსკოპისთვის. ნანოპედაგოგი.

SPM NanoEducatorსპეციალურად შექმნილია სტუდენტებისთვის ლაბორატორიული სამუშაოების ჩასატარებლად. ეს მოწყობილობა განკუთვნილია სტუდენტური აუდიტორიისთვის: მას სრულად აკონტროლებს კომპიუტერი, აქვს მარტივი და ინტუიციური ინტერფეისი, ანიმაციის მხარდაჭერა, მოიცავს ტექნიკის თანდათანობით განვითარებას, რთული პარამეტრების და იაფი სახარჯო მასალის არარსებობას.

ამ ლაბორატორიულ ნაშრომში თქვენ გაეცნობით სკანირების ზონდის მიკროსკოპის შესახებ, გაეცნობით მის საფუძვლებს, შეისწავლით საგანმანათლებლო დიზაინის დიზაინს და პრინციპებს. SPM NanoEducatorისწავლეთ როგორ მოამზადოთ ბიოლოგიური პრეპარატები კვლევისთვის, მიიღეთ თქვენი პირველი SPM გამოსახულება რძემჟავა ბაქტერიების კომპლექსისა და ისწავლეთ დამუშავების და გაზომვის შედეგების წარმოდგენის საფუძვლები.

7.2 ინფორმაცია მასწავლებლისთვის 1

ლაბორატორიული სამუშაოები ტარდება რამდენიმე ეტაპად:

1. ნიმუშის მომზადება ხდება თითოეული სტუდენტის მიერ ინდივიდუალურად.

2. პირველი სურათის მიღება ხდება ერთ მოწყობილობაზე მასწავლებლის მეთვალყურეობით, შემდეგ თითოეული მოსწავლე დამოუკიდებლად ამოწმებს თავის ნიმუშს.

3. თითოეული მოსწავლის მიერ ექსპერიმენტული მონაცემების დამუშავება ხდება ინდივიდუალურად.

ნიმუში კვლევისთვის: რძემჟავა ბაქტერიები საფარზე.

სამუშაოს დაწყებამდე აუცილებელია ზონდის შერჩევა ყველაზე დამახასიათებელი ამპლიტუდა-სიხშირის მახასიათებლით (ერთი სიმეტრიული მაქსიმუმი), რათა მივიღოთ შესასწავლი ნიმუშის ზედაპირის გამოსახულება.

ლაბორატორიული ანგარიში უნდა შეიცავდეს:

1. თეორიული ნაწილი (პასუხები საკონტროლო კითხვებზე).

2. ექსპერიმენტული ნაწილის შედეგები (კვლევის აღწერა, მიღებული შედეგები და გამოტანილი დასკვნები).

1. ბიოლოგიური ობიექტების მორფოლოგიის შესწავლის მეთოდები.

2. სკანირების ზონდის მიკროსკოპი:

SPM დიზაინი;

SPM-ის სახეობები: STM, AFM;

SPM მონაცემთა ფორმატი, SPM მონაცემების ვიზუალიზაცია.

3. ნიმუშების მომზადება SPM კვლევებისთვის:

ბაქტერიული უჯრედების მორფოლოგია და სტრუქტურა;

მორფოლოგიის შესასწავლი პრეპარატების მომზადება SPM-ის გამოყენებით.

4. SPM NanoEducator-ის დიზაინისა და კონტროლის პროგრამის გაცნობა.

5. SPM გამოსახულების მიღება.

6. მიღებული სურათების დამუშავება და ანალიზი. SPM გამოსახულებების რაოდენობრივი დახასიათება.

ბიოლოგიური ობიექტების მორფოლოგიის შესწავლის მეთოდები

უჯრედების დამახასიათებელი დიამეტრია 10  20 μm, ბაქტერიები - 0,5-დან 3  5 μm-მდე, ეს მნიშვნელობები 5-ჯერ ნაკლებია შეუიარაღებელი თვალით ხილულ უმცირეს ნაწილაკზე. ამიტომ უჯრედების პირველი შესწავლა მხოლოდ ოპტიკური მიკროსკოპების გამოჩენის შემდეგ გახდა შესაძლებელი. XVII საუკუნის ბოლოს. ანტონიო ვან ლეუვენჰუკმა გააკეთა პირველი ოპტიკური მიკროსკოპი, მანამდე ადამიანები არ ეჭვობდნენ პათოგენური მიკრობებისა და ბაქტერიების არსებობაზე [Ref. 7 -1].

ოპტიკური მიკროსკოპია

უჯრედების შესწავლის სირთულეები განპირობებულია იმით, რომ ისინი უფერო და გამჭვირვალეა, ამიტომ მათი ძირითადი სტრუქტურების აღმოჩენა მოხდა მხოლოდ საღებავების პრაქტიკაში დანერგვის შემდეგ. საღებავები უზრუნველყოფდნენ გამოსახულების საკმარის კონტრასტს. ოპტიკური მიკროსკოპის გამოყენებით შეიძლება განვასხვავოთ ობიექტები, რომლებიც ერთმანეთისგან 0,2 μm დაშორებით, ე.ი. ყველაზე პატარა ობიექტები, რომლებიც ჯერ კიდევ შეიძლება გამოირჩეოდეს ოპტიკურ მიკროსკოპში, არის ბაქტერიები და მიტოქონდრია. პატარა უჯრედის ელემენტების გამოსახულებები დამახინჯებულია სინათლის ტალღური ბუნებით გამოწვეული ეფექტებით.

გრძელვადიანი პრეპარატების მოსამზადებლად უჯრედებს ამუშავებენ ფიქსაციის აგენტით, რათა მოხდეს მათი იმობილიზაცია და შენარჩუნება. გარდა ამისა, ფიქსაცია ზრდის უჯრედების ხელმისაწვდომობას საღებავებზე, რადგან. უჯრედის მაკრომოლეკულები ერთმანეთთან იმართება ჯვარედინი კავშირებით, რაც სტაბილიზებს და აფიქსირებს მათ გარკვეულ მდგომარეობაში. ყველაზე ხშირად, ალდეჰიდები და სპირტები მოქმედებენ როგორც ფიქსატორები (მაგალითად, გლუტარალდეჰიდი ან ფორმალდეჰიდი ქმნიან კოვალენტურ კავშირებს ცილების თავისუფალ ამინოჯგუფებთან და მეზობელ მოლეკულებთან ჯვარედინი კავშირებით). ფიქსაციის შემდეგ ქსოვილი ჩვეულებრივ იჭრება მიკროტომით ძალიან თხელ ნაწილებად (1-დან 10 მკმ სისქემდე), რომლებიც შემდეგ მოთავსებულია მინის სლაიდზე. მომზადების ამ მეთოდით შეიძლება დაზიანდეს უჯრედების ან მაკრომოლეკულების სტრუქტურა, ამიტომ ფლეში გაყინვა სასურველი მეთოდია. გაყინული ქსოვილი იჭრება ცივ კამერაში მოთავსებული მიკროტომით. განყოფილების შემდეგ, უჯრედები შეღებილია. ძირითადად ამ მიზნით გამოიყენება ორგანული საღებავები (მალაქიტის მწვანე, შავი სუდანი და ა.შ.). თითოეულ მათგანს ახასიათებს გარკვეული მიდრეკილება უჯრედულ კომპონენტებთან, მაგალითად, ჰემატოქსილინს აქვს მიდრეკილება უარყოფითად დამუხტული მოლეკულების მიმართ, შესაბამისად, ის შესაძლებელს ხდის უჯრედებში დნმ-ის აღმოჩენას. თუ ესა თუ ის მოლეკულა არის უჯრედში მცირე რაოდენობით, მაშინ ყველაზე მოსახერხებელია ფლუორესცენტული მიკროსკოპის გამოყენება.

ფლუორესცენტური მიკროსკოპია

ფლუორესცენტური საღებავები შთანთქავს ერთი ტალღის სიგრძის სინათლეს და ასხივებს მეორე, უფრო გრძელი ტალღის სინათლეს. თუ ასეთი ნივთიერება დასხივებულია სინათლით, რომლის ტალღის სიგრძე ემთხვევა საღებავის მიერ შთანთქმული სინათლის ტალღის სიგრძეს, და შემდეგ გამოიყენება ანალიზისთვის ფილტრი, რომელიც გადასცემს შუქს საღებავის მიერ გამოსხივებული სინათლის შესაბამისი ტალღის სიგრძით, ფლუორესცენტური მოლეკულა შეიძლება გამოვლინდეს. ბნელ ველში ანათებით. გამოსხივებული სინათლის მაღალი ინტენსივობა ასეთი მოლეკულების დამახასიათებელი თვისებაა. უჯრედის შეღებვისთვის ფლუორესცენტური საღებავების გამოყენება გულისხმობს სპეციალური ფლუორესცენტური მიკროსკოპის გამოყენებას.ასეთი მიკროსკოპი ჩვეულებრივი ოპტიკური მიკროსკოპის მსგავსია, მაგრამ მძლავრი ილუმინატორის შუქი გადის ფილტრების ორ კომპლექტში - ერთი ილუმინატორის გამოსხივების ნაწილის შესანარჩუნებლად. ნიმუშის წინ და მეორე ნიმუშიდან მიღებული სინათლის გასაფილტრად. პირველი ფილტრი ისეა არჩეული, რომ იგი გადასცემს მხოლოდ ტალღის სიგრძის სინათლეს, რომელიც აღაგზნებს კონკრეტულ ფლუორესცენტულ საღებავს; ამავდროულად, მეორე ფილტრი ბლოკავს ამ ინციდენტურ შუქს და იძლევა ტალღის სიგრძის შუქს, რომელიც გამოსხივდება საღებავის მიერ, როდესაც ის ფლუორესცირდება.

ფლუორესცენტური მიკროსკოპია ხშირად გამოიყენება კონკრეტული ცილების ან სხვა მოლეკულების იდენტიფიცირებისთვის, რომლებიც ფლუორესცენტული ხდება ფლუორესცენტურ საღებავებთან კოვალენტურად შეკავშირების შემდეგ. ამ მიზნით, ჩვეულებრივ გამოიყენება ორი საღებავი - ფლუორესცეინი,რომელიც იძლევა ინტენსიურ ყვითელ-მწვანე ფლუორესცენციას ღია ცისფერი შუქით აგზნების შემდეგ და როდამინი,იწვევს მუქ წითელ ფლუორესცენციას ყვითელ-მწვანე შუქით აგზნების შემდეგ. შეღებვისთვის როგორც ფლუორესცეინის, ასევე როდამინის გამოყენებით, შესაძლებელია სხვადასხვა მოლეკულების განაწილების მიღება.

ბნელი ველის მიკროსკოპია

უჯრედული სტრუქტურის დეტალების დასანახად უმარტივესი გზაა უჯრედის სხვადასხვა კომპონენტის მიერ მიმოფანტული სინათლის დაკვირვება. ბნელი ველის მიკროსკოპში, ილუმინატორის სხივები მიმართულია გვერდიდან და მხოლოდ გაფანტული სხივები შედის მიკროსკოპის ობიექტში. შესაბამისად, უჯრედი ბნელ ველში განათებულ ობიექტს ჰგავს. ბნელი ველის მიკროსკოპის ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობა არის უჯრედების მოძრაობაზე დაკვირვების შესაძლებლობა გაყოფისა და მიგრაციის დროს. უჯრედული მოძრაობები ძალიან ნელია და ძნელი დასაკვირვებელია რეალურ დროში. ამ შემთხვევაში გამოიყენება კადრ-კადრის (time-lapse) მიკროგადაღება ან ვიდეო გადაღება. ამ შემთხვევაში, თანმიმდევრული კადრები დროში იყოფა, მაგრამ როდესაც ჩანაწერი ნორმალური სიჩქარით იკვრება, რეალური მოვლენების სურათი აჩქარდება.

ბოლო წლებში ვიდეოკამერებმა და მათთან დაკავშირებულმა ვიზუალიზაციის ტექნოლოგიებმა მნიშვნელოვნად გაზარდა ოპტიკური მიკროსკოპის შესაძლებლობები. მათი გამოყენების წყალობით შესაძლებელი გახდა ადამიანის ფიზიოლოგიის თავისებურებებით გამოწვეული სირთულეების დაძლევა. ესენი არიან:

1. ნორმალურ პირობებში თვალი არ აღრიცხავს ძალიან სუსტ შუქს.

2. თვალი ვერ ამჩნევს სინათლის ინტენსივობის მცირე განსხვავებებს ნათელ ფონზე.

ამ პრობლემებიდან პირველი გადაილახა მიკროსკოპზე ულტრა მაღალი მგრძნობელობის ვიდეოკამერების მიმაგრებით. ამან შესაძლებელი გახადა უჯრედების დიდი ხნის განმავლობაში დაკვირვება დაბალი განათებით, გამორიცხული იყო ნათელი შუქის ხანგრძლივი ზემოქმედება. გამოსახულების სისტემები განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ცოცხალ უჯრედებში ფლუორესცენტური მოლეკულების შესასწავლად. იმის გამო, რომ სურათი იწარმოება ვიდეოკამერის მიერ ელექტრონული სიგნალების სახით, ის შეიძლება სათანადოდ გარდაიქმნას ციფრულ სიგნალებად, გაიგზავნოს კომპიუტერში და შემდეგ დაექვემდებაროს დამატებით დამუშავებას ფარული ინფორმაციის მოსაპოვებლად.

მაღალი კონტრასტი, რომელიც მიიღწევა კომპიუტერული ჩარევის მიკროსკოპით, შესაძლებელს ხდის დაკვირვებას თუნდაც ძალიან პატარა ობიექტებზე, როგორიცაა ცალკეული მიკროტუბულები, რომელთა დიამეტრი სინათლის ტალღის სიგრძის მეათედზე ნაკლებია (0,025 μm). ცალკეული მიკროტუბულების ნახვა ასევე შესაძლებელია ფლუორესცენტული მიკროსკოპის გამოყენებით. თუმცა, ორივე შემთხვევაში, დიფრაქციული ეფექტები გარდაუვალია, რაც ძლიერ ცვლის გამოსახულებას. ამ შემთხვევაში, მიკროტუბულების დიამეტრი გადაჭარბებულია (0,2 μm), რაც შეუძლებელს ხდის ცალკეული მიკროტუბულების გარჩევას რამდენიმე მიკრომილაკის შეკვრისგან. ამ პრობლემის გადასაჭრელად საჭიროა ელექტრონული მიკროსკოპი, რომლის გარჩევადობის ზღვარი გადაინაცვლებს ხილული სინათლის ტალღის სიგრძის მიღმა.

ელექტრონული მიკროსკოპია

კავშირი ტალღის სიგრძესა და გარჩევადობის ზღვარს შორის შენარჩუნებულია ელექტრონებისთვისაც. თუმცა, ელექტრონული მიკროსკოპისთვის, გარჩევადობის ზღვარი გაცილებით დაბალია, ვიდრე დიფრაქციის ზღვარი. ელექტრონის ტალღის სიგრძე მცირდება მისი სიჩქარის მატებასთან ერთად. ელექტრონულ მიკროსკოპში, რომლის ძაბვაა 100000 ვ, ელექტრონის ტალღის სიგრძეა 0,004 ნმ. თეორიის მიხედვით, ასეთი მიკროსკოპის გარჩევადობა არის 0,002 ნმ ლიმიტი. თუმცა, სინამდვილეში, ელექტრონული ლინზების მცირე რიცხვითი დიაფრაგმის გამო, თანამედროვე ელექტრონული მიკროსკოპების გარჩევადობა საუკეთესოდ არის 0,1 ნმ. ნიმუშების მომზადების სირთულეები და მისი დაზიანება გამოსხივებით მნიშვნელოვნად ამცირებს ნორმალურ გარჩევადობას, რომელიც ბიოლოგიური ობიექტებისთვის არის 2 ნმ (დაახლოებით 100-ჯერ მეტი ვიდრე მსუბუქი მიკროსკოპის).

ელექტრონების წყარო გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპი (TEM)არის კათოდური ძაფი, რომელიც მდებარეობს ცილინდრული სვეტის თავზე დაახლოებით ორი მეტრის სიმაღლეზე. ჰაერის მოლეკულებთან შეჯახების დროს ელექტრონების გაფანტვის თავიდან ასაცილებლად, სვეტში იქმნება ვაკუუმი. კათოდური ძაფიდან გამოსხივებული ელექტრონები აჩქარებულია ახლომდებარე ანოდით და შედიან პატარა ხვრელში, ქმნიან ელექტრონულ სხივს, რომელიც გადადის სვეტის ძირში. სვეტის გასწვრივ გარკვეულ მანძილზე არის რგოლის მაგნიტები, რომლებიც ფოკუსირებენ ელექტრონის სხივს, როგორც შუშის ლინზები, რომლებიც ფოკუსირებენ სინათლის სხივს ოპტიკურ მიკროსკოპში. ნიმუში მოთავსებულია საჰაერო საკეტის მეშვეობით სვეტის შიგნით, ელექტრონული სხივის გზაზე. ელექტრონების ნაწილი ნიმუშში გავლის მომენტში მიმოფანტულია ამ არეში ნივთიერების სიმკვრივის შესაბამისად, დანარჩენი ელექტრონები ფოკუსირებულია და ქმნის გამოსახულებას (მსგავსი სურათის ფორმირება ოპტიკურ მიკროსკოპში). ფოტოგრაფიულ ფირფიტაზე ან ფოსფორისცენტურ ეკრანზე.

ელექტრონული მიკროსკოპის ერთ-ერთი ყველაზე დიდი მინუსი არის ის, რომ ბიოლოგიური ნიმუშები უნდა დაექვემდებაროს სპეციალურ დამუშავებას. ჯერ ისინი ფიქსირდება ჯერ გლუტარალდეჰიდით, შემდეგ კი ოსმის მჟავით, რომელიც აკავშირებს და ასტაბილურებს ლიპიდების და ცილების ორმაგ ფენას. მეორეც, ელექტრონებს აქვთ დაბალი შეღწევადობა, ამიტომ უნდა გააკეთოთ ულტრა თხელი სექციები და ამისთვის ნიმუშები დეჰიდრატირებული და გაჟღენთილია ფისებით. მესამე, კონტრასტის გასაძლიერებლად, ნიმუშები მუშავდება მძიმე მეტალების მარილებით, როგორიცაა ოსმიუმი, ურანი და ტყვია.

ზედაპირის სამგანზომილებიანი გამოსახულების მისაღებად გამოიყენება სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპი (SEM), სადაც გამოყენებულია ელექტრონები, რომლებიც მიმოფანტულია ან გამოიყოფა ნიმუშის ზედაპირზე. ნიმუში ამ შემთხვევაში ფიქსირდება, გაშრება და დაფარულია მძიმე ლითონის თხელი ფილმით, შემდეგ კი სკანირებულია ვიწრო ელექტრონული სხივით. ამ შემთხვევაში ფასდება ზედაპირული დასხივების დროს გაფანტული ელექტრონების რაოდენობა. მიღებული მნიშვნელობა გამოიყენება მეორე სხივის ინტენსივობის გასაკონტროლებლად, პირველთან სინქრონულად გადაადგილებისა და მონიტორის ეკრანზე გამოსახულების შესაქმნელად. მეთოდის გარჩევადობა არის დაახლოებით 10 ნმ და ის არ გამოიყენება უჯრედშიდა ორგანელების შესწავლისთვის. ამ მეთოდით შესწავლილი ნიმუშების სისქე განისაზღვრება ელექტრონების შეღწევადობით ან მათი ენერგიით.

ყველა ამ მეთოდის მთავარი და მნიშვნელოვანი მინუსი არის ნიმუშის მომზადების ხანგრძლივობა, სირთულე და მაღალი ღირებულება.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპია

სკანირების ზონდის მიკროსკოპში (SPM), ელექტრონული სხივის ან ოპტიკური გამოსხივების ნაცვლად, გამოიყენება წვეტიანი ზონდი, ნემსი, რომელიც სკანირებს ნიმუშის ზედაპირს. ფიგურალურად რომ ვთქვათ, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ თუ ნიმუში განიხილება ოპტიკურ ან ელექტრონულ მიკროსკოპში, მაშინ ის იგრძნობა SPM-ში. შედეგად, შესაძლებელია ობიექტების სამგანზომილებიანი გამოსახულების მიღება სხვადასხვა მედიაში: ვაკუუმი, ჰაერი, სითხე.

ბიოლოგიური კვლევისთვის ადაპტირებული SPM-ის სპეციალური დიზაინი შესაძლებელს ხდის ოპტიკურ დაკვირვებასთან ერთდროულად სკანირებას როგორც ცოცხალი უჯრედების სხვადასხვა თხევად მედიაში, ასევე ფიქსირებული პრეპარატების ჰაერში.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპი

სკანირების ზონდის მიკროსკოპის სახელწოდება ასახავს მისი მოქმედების პრინციპს - ნიმუშის ზედაპირის სკანირებას, რომლის დროსაც ხდება ზონდისა და ზედაპირის ურთიერთქმედების ხარისხის პუნქტუალური კითხვა. სკანირების არეალის ზომა და მასში არსებული წერტილების რაოდენობა N X N Y შეიძლება დაყენდეს. რაც უფრო მეტ ქულას მიუთითებთ, მით უფრო მაღალია ზედაპირის გამოსახულების გარჩევადობა. სიგნალის წაკითხვის წერტილებს შორის მანძილს სკანირების ნაბიჯი ეწოდება. სკანირების ნაბიჯი უნდა იყოს ნაკლები, ვიდრე შესწავლილი ზედაპირის დეტალები. ზონდის მოძრაობა სკანირების დროს (იხ. ნახ. 7-1) ხორციელდება წრფივად წინ და უკან (სწრაფი სკანირების მიმართულებით), შემდეგ ხაზზე გადასვლა ხდება პერპენდიკულარული მიმართულებით ( ნელი სკანირების მიმართულება).

ბრინჯი. 7 1. სკანირების პროცესის სქემატური წარმოდგენა
(სიგნალის კითხვა ხორციელდება სკანერის პირდაპირ კურსზე)

წაკითხული სიგნალის ბუნებიდან გამომდინარე, სკანირების მიკროსკოპებს აქვთ სხვადასხვა სახელები და დანიშნულება:

ატომური ძალის მიკროსკოპი (AFM), იკითხება ზონდის ატომებსა და ნიმუშის ატომებს შორის ატომთაშორისი ურთიერთქმედების ძალები;

გვირაბის მიკროსკოპი (STM), იკითხება გვირაბის დენი, რომელიც მიედინება გამტარ ნიმუშსა და გამტარ ზონდს შორის;

მაგნიტური ძალის მიკროსკოპი (MFM), იკითხება ურთიერთქმედების ძალები მაგნიტური მასალით დაფარულ ზონდსა და მაგნიტური თვისებების აღმომჩენ ნიმუშს შორის;

ელექტროსტატიკური ძალის მიკროსკოპი (ESM) საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ ელექტრული პოტენციალის განაწილების სურათი ნიმუშის ზედაპირზე. გამოიყენება ზონდები, რომელთა წვერი დაფარულია თხელი გამტარი ფილმით (ოქრო ან პლატინა).

SPM დიზაინი

SPM შედგება შემდეგი ძირითადი კომპონენტებისგან (სურათი 7-2): ზონდი, პიეზოელექტრული აქტივატორები X, Y, Z-ში ზონდის გადასატანად ტესტის ნიმუშის ზედაპირზე, უკუკავშირის წრე და კომპიუტერი სკანირების პროცესის გასაკონტროლებლად და სურათის მიღება.

სურათი 7 2. სკანირების ზონდის მიკროსკოპის სქემა

ზონდის სენსორი - დენის ზონდის მიკროსკოპის კომპონენტი, რომელიც ასკანირებს პრეპარატს. ზონდის სენსორი შეიცავს მართკუთხა (I- ფორმის) ან სამკუთხა (V-ფორმის) ტიპის კონსოლს (ზამბარის კონსოლს) (ნახ. 7-3), რომლის ბოლოს არის წვეტიანი ზონდი (ნახ. 7-3). , რომელსაც ჩვეულებრივ აქვს კონუსური ან პირამიდული ფორმა . კონსოლის მეორე ბოლო უერთდება სუბსტრატს (ე.წ. ჩიპით). ზონდის სენსორები დამზადებულია სილიციუმის ან სილიციუმის ნიტრიდისგან. კონსოლის მთავარი მახასიათებელია ძალის მუდმივი (სიხისტის მუდმივი), ის მერყეობს 0,01 ნ/მ-დან 1020 ნ/მ-მდე. ბიოლოგიური ობიექტების შესასწავლად გამოიყენება 0,01  0,06 ნ/მ სიხისტის „რბილი“ ზონდები.

ბრინჯი. 7 3. პირამიდული AFM ​​ზონდების სურათები
მიღებული ელექტრონული მიკროსკოპით:
a - I- ფორმის ტიპი, b - V- ფორმის ტიპი, c - პირამიდა კონსოლის წვერზე

პიეზოელექტრული აქტივატორები ან სკანერები - ზონდის კონტროლირებადი გადაადგილებისთვის ნიმუშზე ან თავად ნიმუში ზონდთან შედარებით ულტრა მცირე დისტანციებზე. პიეზოელექტრული აქტივატორები იყენებენ პიეზოკერამიკულ მასალებს, რომლებიც ცვლიან მათ ზომებს, როდესაც მათზე ელექტრული ძაბვა ვრცელდება. ელექტრული ველის მოქმედებით გეომეტრიული პარამეტრების შეცვლის პროცესს ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი ეწოდება. ყველაზე გავრცელებული პიეზომია ტყვიის ცირკონატის ტიტანატი.

სკანერი არის პიეზოკერამიკული სტრუქტურა, რომელიც უზრუნველყოფს მოძრაობას სამი კოორდინატის გასწვრივ: x, y (ნიმუშის გვერდითი სიბრტყეში) და z (ვერტიკალურად). არსებობს რამდენიმე სახის სკანერი, რომელთაგან ყველაზე გავრცელებულია სამფეხა და მილი (ნახ. 7-4).

ბრინჯი. 7 4. სკანერის კონსტრუქციები: ა) – სამფეხა, ბ) – მილისებური

სამფეხის სკანერში მოძრაობა სამ კოორდინატში უზრუნველყოფილია სამი დამოუკიდებელი პიეზოკერამიკული ღეროებით, რომლებიც ქმნიან ორთოგონალურ სტრუქტურას.

მილის სკანერში, ღრუ პიეზოელექტრული მილი იხრება XZ და ZY სიბრტყეში და ფართოვდება ან იკუმშება Z ღერძის გასწვრივ, როდესაც შესაბამისი ძაბვა გამოიყენება ელექტროდებზე, რომლებიც აკონტროლებენ მილის მოძრაობას. XY სიბრტყეში მოძრაობის კონტროლის ელექტროდები განლაგებულია მილის გარე ზედაპირზე, Z-ში მოძრაობის გასაკონტროლებლად, თანაბარი ძაბვები გამოიყენება X და Y ელექტროდებზე.

უკუკავშირის წრე - SPM ელემენტების ნაკრები, რომლის დახმარებით ზონდი ინახება ნიმუშის ზედაპირიდან ფიქსირებულ მანძილზე სკანირების დროს (სურ. 7-5). სკანირების პროცესში ზონდი შეიძლება განთავსდეს ნიმუშის ზედაპირის სხვადასხვა რელიეფის უბნებზე, ხოლო ზონდი-ნიმუშის მანძილი Z შეიცვლება და შესაბამისად შეიცვლება ზონდი-ნიმუშის ურთიერთქმედების მნიშვნელობა.

ბრინჯი. 7 5. სკანირების ზონდის მიკროსკოპის უკუკავშირის სქემა

როგორც ზონდი უახლოვდება ზედაპირს, იზრდება ზონდის ნიმუშის ურთიერთქმედების ძალები და ასევე იზრდება ჩამწერი მოწყობილობის სიგნალი. ვ(ტ), რომელი გამოხატულია ძაბვის ერთეულებში. შედარება ადარებს სიგნალს ვ(ტ) საცნობარო ძაბვით ვ ძირითადიდა წარმოქმნის მაკორექტირებელ სიგნალს ვ კორ. კორექტირების სიგნალი ვ კორმიეწოდება სკანერს და ზონდი ამოღებულია ნიმუშიდან. საცნობარო ძაბვა - ძაბვა, რომელიც შეესაბამება ჩამწერი მოწყობილობის სიგნალს, როდესაც ზონდი იმყოფება ნიმუშიდან მოცემულ მანძილზე. სკანირების დროს ზონდი-ნიმუშის ამ განსაზღვრული მანძილის შენარჩუნებით, უკუკავშირის სისტემა ინარჩუნებს მითითებულ ზონდ-ნიმუშის ურთიერთქმედების ძალას.

ბრინჯი. 7 6. ზონდის ფარდობითი მოძრაობის ტრაექტორია უკუკავშირის სისტემის მიერ ზონდი-ნიმუშის ურთიერთქმედების მუდმივი ძალის შენარჩუნების პროცესში.

ნახ. 7-6 გვიჩვენებს ზონდის ტრაექტორიას ნიმუშთან შედარებით მუდმივი ზონდის ნიმუშის ურთიერთქმედების ძალის შენარჩუნებით. თუ ზონდი ფოვეას მაღლა დგას, სკანერზე გამოიყენება ძაბვა, რომლის დროსაც სკანერი აგრძელებს და ამცირებს ზონდს.

უკუკავშირის მარყუჟის რეაგირების სიჩქარე ზონდის ნიმუშის მანძილის ცვლილებაზე (ზონდის ნიმუშის ურთიერთქმედება) განისაზღვრება უკუკავშირის მარყუჟის მუდმივით. კ. ღირებულებები კდამოკიდებულია კონკრეტული SPM-ის დიზაინის მახასიათებლებზე (სკანერის დიზაინი და მახასიათებლები, ელექტრონიკა), SPM მუშაობის რეჟიმზე (სკანირების არეალის ზომა, სკანირების სიჩქარე და ა.შ.), აგრეთვე შესასწავლი ზედაპირის მახასიათებლებზე (რელიეფის მახასიათებლების მასშტაბი , მასალის სიმტკიცე და ა.შ.).

SPM-ის ჯიშები

სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი

STM-ში ჩამწერი მოწყობილობა (ნახ. 7-7) ზომავს გვირაბის დენს, რომელიც მიედინება ლითონის ზონდს შორის, რომელიც იცვლება ნიმუშის ზედაპირზე არსებული პოტენციალისა და მისი ზედაპირის ტოპოგრაფიის მიხედვით. ზონდი არის მკვეთრად მახვილი ნემსი, რომლის წვერის რადიუსი შეიძლება მიაღწიოს რამდენიმე ნანომეტრს. როგორც ზონდის მასალა, ჩვეულებრივ გამოიყენება ლითონები მაღალი სიმტკიცე და ქიმიური წინააღმდეგობა: ვოლფრამი ან პლატინა.

ბრინჯი. 7 7. გვირაბის ზონდის სენსორის სქემა

ძაბვა გამოიყენება გამტარ ზონდსა და გამტარ ნიმუშს შორის. როდესაც ზონდის წვერი ნიმუშიდან დაახლოებით 10A მანძილითაა დაშორებული, ნიმუშიდან ელექტრონები იწყებენ გვირაბს უფსკრულიდან ზონდში ან პირიქით, ძაბვის ნიშნიდან გამომდინარე (ნახ. 7-8).

ბრინჯი. 7 8. ზონდის წვერის ნიმუშთან ურთიერთქმედების სქემატური წარმოდგენა

შედეგად მიღებული გვირაბის დენი იზომება ჩამწერი მოწყობილობით. მისი ღირებულება მე თგვირაბის კონტაქტზე გამოყენებული ძაბვის პროპორციული ვდა ექსპონენტურად დამოკიდებულია მანძილი ნემსიდან ნიმუშამდე დ.

ამდენად, მცირე ცვლილებები მანძილს ზონდის წვერიდან ნიმუშამდე დშეესაბამება გვირაბის დენის ექსპონენტურად დიდ ცვლილებებს მე თ(ძაბვის ვარაუდით ვმუდმივად ინახება). ამის გამო, გვირაბის ზონდის სენსორის მგრძნობელობა საკმარისია 0,1 ნმ-ზე ნაკლები სიმაღლის ცვლილებების დასარეგისტრირებლად და, შესაბამისად, მყარი ნივთიერების ზედაპირზე ატომების გამოსახულების მისაღებად.

ატომური ძალის მიკროსკოპი

ატომური ძალის ურთიერთქმედების ყველაზე გავრცელებული ზონდის სენსორი არის ზამბარის კონსოლი (ინგლისური კონსოლიდან) მის ბოლოში განთავსებული ზონდით. ნიმუშსა და ზონდს შორის ძალის ურთიერთქმედების გამო კონსოლის დახრის რაოდენობა (ნახ. 7-9) იზომება ოპტიკური სარეგისტრაციო სქემის გამოყენებით.

ძალის სენსორის მუშაობის პრინციპი ემყარება ატომური ძალების გამოყენებას, რომლებიც მოქმედებენ ზონდის ატომებსა და ნიმუშის ატომებს შორის. როდესაც ზონდი-ნიმუშის ძალა იცვლება, იცვლება კონსოლის მოხრის რაოდენობა და ასეთი ცვლილება იზომება ოპტიკური რეგისტრაციის სისტემით. ამრიგად, ატომური ძალის სენსორი არის მაღალი მგრძნობელობის წვეტიანი ზონდი, რომელიც შესაძლებელს ხდის ცალკეულ ატომებს შორის ურთიერთქმედების ძალების აღრიცხვას.

მცირე მოსახვევებისთვის, თანაფარდობა ზონდი-ნიმუშის ძალას შორის ფდა კონსოლის წვერის გადახრა xგანსაზღვრულია ჰუკის კანონით:

სადაც კ არის კონსოლის ძალის მუდმივი (სიხისტის მუდმივი).

მაგალითად, თუ გამოიყენება კონსოლი მუდმივით კდაახლოებით 1 ნ/მ, შემდეგ ზონდი-ნიმუშის ურთიერთქმედების ძალის 0,1 ნანონიუტონის მოქმედებით, კონსოლის გადახრა იქნება დაახლოებით 0,1 ნმ.

ასეთი მცირე გადაადგილების გასაზომად ჩვეულებრივ გამოიყენება ოპტიკური გადაადგილების სენსორი (ნახ. 7-9), რომელიც შედგება ნახევარგამტარული ლაზერისა და ოთხსექციიანი ფოტოდიოდისგან. როდესაც კონსოლი მოხრილია, მისგან არეკლილი ლაზერის სხივი გადადის ფოტოდეტექტორის ცენტრთან შედარებით. ამრიგად, კონსოლის მოხრილი შეიძლება განისაზღვროს ფოტოდეტექტორის ზედა (T) და ქვედა (B) ნახევრების განათების შედარებითი ცვლილების მიხედვით.

ნახ 7 9. ძალის სენსორის სქემა

ურთიერთქმედების ძალების წვერი-ნიმუშის დამოკიდებულება მანძილის წვერი-ნიმუშზე

როდესაც ზონდი უახლოვდება ნიმუშს, იგი პირველად იზიდავს ზედაპირს მიმზიდველი ძალების არსებობის გამო (ვან დერ ვაალის ძალები). როდესაც ზონდი უფრო უახლოვდება ნიმუშს, ზონდის ბოლოს ატომების ელექტრონული გარსები და ნიმუშის ზედაპირზე ატომები იწყებენ გადახურვას, რაც იწვევს საგრებელი ძალის გამოჩენას. რაც უფრო მცირდება მანძილი, ამაღელვებელი ძალა ხდება დომინანტი.

ზოგადად, ატომთაშორისი ურთიერთქმედების სიძლიერის დამოკიდებულება ფატომებს შორის მანძილიდან რროგორც ჩანს:

.

მუდმივები ადა ბდა ექსპონენტები მდა ნდამოკიდებულია ატომების ტიპზე და ქიმიური ბმების ტიპზე. ვან დერ ვაალის ძალებისთვის მ=7 და n=3. ხარისხობრივად, დამოკიდებულება F(R) ნაჩვენებია ნახ. 7-10.

ბრინჯი. 7 10. ატომებს შორის ურთიერთქმედების ძალის დამოკიდებულება მანძილზე

SPM- მონაცემთა ფორმატი, SPM-მონაცემების ვიზუალიზაცია

ოპტიკურ მიკროსკოპზე კვლევისას მიღებული ზედაპირის მორფოლოგიის მონაცემები წარმოდგენილია ზედაპირის ფართობის გადიდებული გამოსახულების სახით. SPM-ით მიღებული ინფორმაცია იწერება A ij მთელი რიცხვების ორგანზომილებიანი მასივის სახით. თითოეული ღირებულებისთვის ij შეესაბამება კონკრეტულ წერტილს ზედაპირზე სკანირების ველში. რიცხვების ამ მასივის გრაფიკულ გამოსახულებას ეწოდება SPM სკანირებული სურათი.

სკანირებული სურათები შეიძლება იყოს ორგანზომილებიანი (2D) ან სამგანზომილებიანი (3D). 2D ვიზუალიზაციით, ზედაპირის თითოეული წერტილი Z= ვ(x, y) ენიჭება გარკვეული ფერის ტონს ზედაპირის წერტილის სიმაღლის შესაბამისად (სურ. 7-11 ა). 3D ვიზუალიზაციაში ზედაპირის გამოსახულება Z= ვ(x, y) აგებულია აქსონომეტრიულ პერსპექტივაში პიქსელების ან გარკვეული გზით გამოთვლილი რელიეფური ხაზების დახმარებით. 3D გამოსახულების შეღებვის ყველაზე ეფექტური გზაა ზედაპირის განათების პირობების სიმულაცია ზედაპირის ზემოთ სივრცის რაღაც წერტილში მდებარე წერტილის წყაროს მიერ (ნახ. 7-11 ბ). ამ შემთხვევაში შესაძლებელია რელიეფის ცალკეული მცირე მახასიათებლების ხაზგასმა.

ბრინჯი. 7 11. ადამიანის სისხლის ლიმფოციტები:
ა) 2D გამოსახულება, ბ) 3D გამოსახულება გვერდითი განათებით

ნიმუშების მომზადება SPM კვლევისთვის

ბაქტერიული უჯრედების მორფოლოგია და სტრუქტურა

ბაქტერიები არის ერთუჯრედიანი მიკროორგანიზმები, რომლებსაც აქვთ მრავალფეროვანი ფორმა და რთული სტრუქტურა, რაც განსაზღვრავს მათი ფუნქციური აქტივობის მრავალფეროვნებას. ბაქტერიებს ახასიათებთ ოთხი ძირითადი ფორმა: სფერული (სფერული), ცილინდრული (ღეროსებრი), ჩახლართული და ძაფისებრი [რეფ. 7-2].

კოკები (სფერული ბაქტერიები) - დაყოფის სიბრტყიდან და ცალკეული ინდივიდების მდებარეობიდან გამომდინარე, ისინი იყოფა მიკროკოკებად (ცალკე იწვა კოკები), დიპლოკოკებად (დაწყვილებული კოკები), სტრეპტოკოკები (კოკების ჯაჭვები), სტაფილოკოკები (ყურძნის მტევნების გარეგნობით. ), ტეტრაკოკები (ოთხი კოკის წარმონაქმნები) და სარცინები (8 ან 16 კოკის შეფუთვა).

ღეროს ფორმის - ბაქტერიები განლაგებულია ერთუჯრედიანი, დიპლო- ან სტრეპტობაქტერიების სახით.

კოლექცია - ვიბრიოები, სპირილა და სპიროქეტები. ვიბრიოებს აქვთ ოდნავ მოხრილი ღეროების გარეგნობა, სპირილა - ჩახლართული ფორმა რამდენიმე სპირალური ხვეულით.

ბაქტერიების ზომები მერყეობს 0,1-დან 10 მკმ-მდე. ბაქტერიული უჯრედის შემადგენლობა მოიცავს კაფსულას, უჯრედის კედელს, ციტოპლაზმურ მემბრანას და ციტოპლაზმას. ციტოპლაზმა შეიცავს ნუკლეოტიდს, რიბოზომებს და ჩანართებს. ზოგიერთი ბაქტერია აღჭურვილია ფლაგელებითა და ვილებით. მთელი რიგი ბაქტერიები ქმნიან სპორებს. უჯრედის თავდაპირველ განივი ზომას აღემატება, სპორები აძლევენ მას spindle ფორმას.

ოპტიკურ მიკროსკოპზე ბაქტერიების მორფოლოგიის შესასწავლად მათგან ამზადებენ ბუნებრივ (სასიცოცხლო) პრეპარატებს ან ანილინის საღებავით შეღებილ ფიქსირებულ ნაცხებს. არსებობს სპეციალური შეღებვის მეთოდები დროშების, უჯრედის კედლის, ნუკლეოტიდის და ციტოპლაზმური ჩანართების გამოსავლენად.

ბაქტერიული უჯრედების მორფოლოგიის SPM შესასწავლად პრეპარატის შეღებვა საჭირო არ არის. SPM შესაძლებელს ხდის ბაქტერიების ფორმისა და ზომის განსაზღვრას გარჩევადობის მაღალი ხარისხით. პრეპარატის ფრთხილად მომზადებით და მცირე გამრუდების რადიუსის მქონე ზონდის გამოყენებით, შესაძლებელია ფლაგელას გამოვლენა. ამავდროულად, ბაქტერიული უჯრედის კედლის დიდი სიხისტის გამო, შეუძლებელია უჯრედშიდა სტრუქტურების „გამოკვლევა“, როგორც ეს შეიძლება გაკეთდეს ზოგიერთ ცხოველურ უჯრედში.

მორფოლოგიის SPM კვლევისთვის პრეპარატების მომზადება

SPM-ის პირველი გამოცდილებისთვის რეკომენდებულია ბიოლოგიური პრეპარატის არჩევა, რომელიც არ საჭიროებს კომპლექსურ მომზადებას. საკმაოდ შესაფერისია ადვილად ხელმისაწვდომი და არაპათოგენური რძემჟავა ბაქტერიები მჟავე კომბოსტოს მარილწყალიდან ან ფერმენტირებული რძის პროდუქტებიდან.

ჰაერში SPM-ის კვლევისთვის საჭიროა შესასწავლი ობიექტის მყარად დამაგრება სუბსტრატის ზედაპირზე, მაგალითად, საფარზე. გარდა ამისა, სუსპენზიაში ბაქტერიების სიმკვრივე უნდა იყოს ისეთი, რომ უჯრედები ერთმანეთს არ ეწებება სუბსტრატზე დეპონირების დროს და მათ შორის მანძილი არ უნდა იყოს ძალიან დიდი, რათა შესაძლებელი იყოს რამდენიმე ობიექტის ერთ ჩარჩოში სკანირებისას. ეს პირობები დაკმაყოფილებულია, თუ ნიმუშის მომზადების რეჟიმი სწორად არის არჩეული. თუ ბაქტერიების შემცველი ხსნარის წვეთი წაისვით სუბსტრატზე, მოხდება მათი თანდათანობითი დალექვა და გადაბმა. ამ შემთხვევაში ძირითად პარამეტრებად უნდა ჩაითვალოს უჯრედების კონცენტრაცია ხსნარში და დალექვის დრო. ბაქტერიების კონცენტრაცია სუსპენზიაში განისაზღვრება ოპტიკური სიმღვრივის სტანდარტით.

ჩვენს შემთხვევაში მხოლოდ ერთი პარამეტრი ითამაშებს როლს - ინკუბაციის დრო. რაც უფრო დიდხანს ინახება წვეთი მინაზე, მით მეტი იქნება ბაქტერიული უჯრედების სიმკვრივე. ამავდროულად, თუ სითხის წვეთი დაიწყებს გაშრობას, პრეპარატი ძალიან ძლიერად დაბინძურდება ხსნარის ნალექიანი კომპონენტებით. ბაქტერიული უჯრედების შემცველი ხსნარის წვეთი (მარილწყალში) გამოიყენება გადასაფარებელზე, ინკუბირებულია 5-60 წუთის განმავლობაში (დამოკიდებულია ხსნარის შემადგენლობაზე). შემდეგ, წვეთების გაშრობის მოლოდინის გარეშე, მათ კარგად რეცხავენ გამოხდილი წყლით (პრეპარატის ჩაყრა პინცეტით ჭიქაში რამდენჯერმე). გაშრობის შემდეგ პრეპარატი მზად არის SPM-ზე გაზომვისთვის.

მაგალითად, რძემჟავა ბაქტერიების პრეპარატები მზადდებოდა მჟავე კომბოსტოს მარილწყალისგან. საფარზე მარილწყლის წვეთების ექსპოზიციის დრო არჩეული იყო 5 წთ, 20 წუთი და 1 საათი (წვეთი უკვე დაწყებული იყო გაშრობა). SPM - ჩარჩოები ნაჩვენებია ნახ. 7 -12, ნახ. 7-13,
ბრინჯი. 7-14.

ფიგურებიდან ჩანს, რომ ამ ხსნარისთვის ინკუბაციის ოპტიმალური დროა 510 წთ. სუბსტრატის ზედაპირზე წვეთების შენარჩუნების დროის გაზრდა იწვევს ბაქტერიული უჯრედების ადჰეზიას. იმ შემთხვევაში, როდესაც ხსნარის წვეთი იწყებს გაშრობას, ხსნარის კომპონენტები ილექება მინაზე, რომლის ჩამორეცხვა შეუძლებელია.

ბრინჯი. 7 12. რძემჟავა ბაქტერიების გამოსახულებები საფარზე,
მიღებული SPM-ის გამოყენებით.

ბრინჯი. 7 13. რძემჟავა ბაქტერიების გამოსახულება საფარზე,
მიღებული SPM-ის გამოყენებით. ხსნარის ინკუბაციის დრო 20 წთ

ბრინჯი. 7 14. რძემჟავა ბაქტერიების გამოსახულებები საფარზე,
მიღებული SPM-ის გამოყენებით. ხსნარის ინკუბაციის დრო 1 საათი

ერთ-ერთ შერჩეულ პრეპარატზე (სურ. 7-12) შევეცადეთ გავითვალისწინოთ რა არის რძემჟავა ბაქტერიები, რა ფორმაა მათთვის დამახასიათებელი ამ შემთხვევაში. (სურ. 7-15)

ბრინჯი. 7 15. AFM - რძემჟავა ბაქტერიების გამოსახულება საფარზე.
ხსნარის ინკუბაციის დრო 5 წთ

ბრინჯი. 7 16. AFM - რძემჟავა ბაქტერიების ჯაჭვის გამოსახულება საფარზე.
ხსნარის ინკუბაციის დრო 5 წთ

მარილწყალს ახასიათებს ღეროს ფორმის ბაქტერიების ფორმა და ჯაჭვის სახით განლაგება.

ბრინჯი. 7 17. საგანმანათლებლო SPM NanoEducator-ის საკონტროლო პროგრამის ფანჯარა.
ხელსაწყოების პანელი

საგანმანათლებლო SPM NanoEducator პროგრამის ინსტრუმენტების გამოყენებით დავადგინეთ ბაქტერიული უჯრედების ზომა. ისინი მერყეობდნენ დაახლოებით 0,5 × 1,6 მკმ-დან
0,8 × 3,5 მკმ-მდე.

მიღებული შედეგები შედარებულია ბაქტერიების ბერგეის დეტერმინანტში მოცემულ მონაცემებთან [ლიტ. 7-3].

რძემჟავა ბაქტერიები მიეკუთვნება ლაქტობაცილებს (Lactobacillus). უჯრედები ღეროს ფორმისაა, ჩვეულებრივ, რეგულარული ფორმის. ჩხირები გრძელია, ზოგჯერ თითქმის კოკოიდური, ჩვეულებრივ მოკლე ჯაჭვებში. ზომები 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 მიკრონი. დავა არ ყალიბდება; იშვიათ შემთხვევებში ისინი მოძრავნი არიან პერიტრიხული დროშების გამო. ფართოდ გავრცელებულია გარემოში, განსაკუთრებით გვხვდება ცხოველური და მცენარეული წარმოშობის საკვებში. რძემჟავა ბაქტერიები საჭმლის მომნელებელი ტრაქტის ნორმალური მიკროფლორის ნაწილია. ყველამ იცის, რომ მჟავე კომბოსტო, გარდა ვიტამინების შემცველობისა, სასარგებლოა ნაწლავის მიკროფლორას გასაუმჯობესებლად.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპის დიზაინი ნანოპედაგოგი

ნახ. 7-18 გვიჩვენებს საზომი თავის გარეგნობას SPM NanoEducatorდა მითითებულია სამუშაოში გამოყენებული მოწყობილობის ძირითადი ელემენტები.

ბრინჯი. 7 18. საზომი ხელმძღვანელის გარეგნობა SPM NanoEducator
1 ბაზა, 2 ნიმუშის დამჭერი, 3 ურთიერთქმედების სენსორი, 4 სენსორის დამაგრების ხრახნი,
5 ხრახნი ხელით მიდგომისთვის, 6 ხრახნი სკანერის ნიმუშით ჰორიზონტალურ სიბრტყეში გადასაადგილებლად, 7 დამცავი საფარი ვიდეოკამერით

ნახ. 7-19 გვიჩვენებს საზომი თავის დიზაინს. 1 ბაზაზე არის სკანერი 8 ნიმუშის დამჭერით 7 და ნიმუშის ზონდ 2-მდე მიყვანის მექანიზმი სტეპერ ძრავის საფუძველზე. საგანმანათლებლოში SPM NanoEducatorნიმუში ფიქსირდება სკანერზე და ნიმუში სკანირებულია ფიქსირებულ ზონდთან შედარებით. ზონდი 6, დამაგრებული ძალის ურთიერთქმედების სენსორზე 4, ასევე შეიძლება მიუახლოვდეს ნიმუშს ხელით მიახლოების ხრახნიანი 3-ის გამოყენებით. ნიმუშზე კვლევის ადგილის წინასწარი შერჩევა ხორციელდება ხრახნიანი 9-ის გამოყენებით.

ბრინჯი. 7 19. SPM NanoEducator-ის მშენებლობა: 1 – ბაზა, 2 – მიახლოების მექანიზმი,
3 – ხელით მიახლოების ხრახნი, 4 – ურთიერთქმედების სენსორი, 5 – სენსორის ფიქსაციის ხრახნი, 6 – ზონდი,
7 - ნიმუშის დამჭერი, 8 - სკანერი, 9, 10 - ხრახნები სკანერის ნიმუშით გადასაადგილებლად

ტრენინგი SPM NanoEducatorშედგება საზომი თავისგან, რომელიც დაკავშირებულია კაბელებით, SPM კონტროლერი და საკონტროლო კომპიუტერი. მიკროსკოპი აღჭურვილია ვიდეოკამერით. ურთიერთქმედების სენსორიდან სიგნალი წინასწარ გამაძლიერებელში კონვერტაციის შემდეგ შედის SPM კონტროლერში. სამუშაო მენეჯმენტი SPM NanoEducatorხორციელდება კომპიუტერიდან SPM კონტროლერის მეშვეობით.

ძალის ურთიერთქმედების სენსორი და ზონდი

მოწყობილობაში ნანოპედაგოგისენსორი დამზადებულია პიეზოკერამიკული მილის სახით სიგრძით ლ=7 მმ, დიამეტრი დ=1.2მმ და კედლის სისქე თ\u003d 0,25 მმ, მყარად ფიქსირდება ერთ ბოლოზე. გამტარი ელექტროდი დეპონირებულია მილის შიდა ზედაპირზე. ორი ელექტრული იზოლირებული ნახევრად ცილინდრული ელექტროდი დეპონირებულია მილის გარე ზედაპირზე. მილის თავისუფალ ბოლოზე მიმაგრებულია ვოლფრამის მავთული დიამეტრით
100 მკმ (ნახ. 7-20).

ბრინჯი. 7 20. NanoEducator-ის უნივერსალური სენსორის დიზაინი

მავთულის თავისუფალი ბოლო, რომელიც გამოიყენება ზონდში, დაფქვა ელექტროქიმიურად, გამრუდების რადიუსი არის 0,2  0,05 μm. ზონდს აქვს ელექტრული კონტაქტი მილის შიდა ელექტროდთან, რომელიც დაკავშირებულია ინსტრუმენტის დამიწებულ სხეულთან.

პიეზოელექტრო მილზე ორი გარე ელექტროდის არსებობა საშუალებას იძლევა, რომ პიეზოელექტრული მილის ერთი ნაწილი (ზედა, ნახ. 7-21 შესაბამისად) გამოიყენოს ძალთა ურთიერთქმედების სენსორად (მექანიკური ვიბრაციების სენსორი), ხოლო მეორე ნაწილი იყოს გამოიყენება როგორც პიეზოვიბრატორი. ალტერნატიული ელექტრული ძაბვა მიეწოდება პიეზოვიბრატორს სიმძლავრის სენსორის რეზონანსული სიხშირის ტოლი სიხშირით. რხევის ამპლიტუდა წვერი-ნიმუშის დიდ მანძილზე მაქსიმალურია. როგორც ჩანს ნახ. 7-22, რხევის პროცესის დროს ზონდი გადახრის წონასწორობის პოზიციიდან A o ოდენობით, რომელიც უდრის მისი იძულებითი მექანიკური რხევების ამპლიტუდას (ეს არის მიკრომეტრის ფრაქციები), ხოლო მეორე ნაწილზე ჩნდება ალტერნატიული ელექტრული ძაბვა. პიეზოტუბი (რხევის სენსორი), პროპორციულია ზონდის გადაადგილებისა, რომელიც და იზომება ხელსაწყოს მიერ.

როდესაც ზონდი უახლოვდება ნიმუშის ზედაპირს, ზონდი იწყებს ნიმუშს რხევის დროს. ეს იწვევს სენსორის რხევების ამპლიტუდა-სიხშირის მახასიათებლის (AFC) ცვლილებას მარცხნივ, ზედაპირისგან შორს გაზომილ AFC-სთან შედარებით (ნახ. 7-22). ვინაიდან პიეზომილის მამოძრავებელი რხევების სიხშირე შენარჩუნებულია მუდმივი და ტოლია რხევის სიხშირის о თავისუფალ მდგომარეობაში, როდესაც ზონდი უახლოვდება ზედაპირს, მისი რხევების ამპლიტუდა მცირდება და ხდება A-ს ტოლი. ეს რხევის ამპლიტუდა აღირიცხება. პიეზოტუბის მეორე ნაწილიდან.

ბრინჯი. 7 21. პიეზოელექტრული მილის მუშაობის პრინციპი
როგორც ძალთა ურთიერთქმედების სენსორი

ბრინჯი. 7 22. ძალის სენსორის რხევის სიხშირის შეცვლა
ნიმუშის ზედაპირთან მიახლოებისას

სკანერი

მოწყობილობაში გამოყენებული მიკრომოძრაობების ორგანიზების მეთოდი ნანოპედაგოგი, ეფუძნება პერიმეტრის გარშემო დამაგრებული ლითონის მემბრანის გამოყენებას, რომლის ზედაპირზე პიეზოელექტრული ფირფიტაა დაწებებული (სურ. 7-23 ა). პიეზოელექტრული ფირფიტის ზომების ცვლილება საკონტროლო ძაბვის გავლენის ქვეშ გამოიწვევს მემბრანის მოხრას. ასეთი მემბრანების კუბის სამ პერპენდიკულარულ მხარეს დაყენებით და მათი ცენტრების ლითონის ამწეებით შეერთებით, შეგიძლიათ მიიღოთ 3 კოორდინატიანი სკანერი (ნახ. 7-23 ბ).

ბრინჯი. 7 23. NanoEducator სკანერის მუშაობის პრინციპი (a) და დიზაინი (b)

თითოეულ პიეზოელექტრულ ელემენტს 1, რომელიც ფიქსირდება კუბის 2-ის ნაწილებზე, როდესაც მასზე ელექტრული ძაბვა ვრცელდება, შეუძლია მასზე მიმაგრებული მწკრივი 3 გადაიტანოს სამი ერთმანეთის პერპენდიკულარული მიმართულებით - X, Y ან Z. როგორც ჩანს ფიგურაში, სამივე ამომგზნები დაკავშირებულია ერთ წერტილში 4, გარკვეული მიახლოებით, შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ ეს წერტილი მოძრაობს სამი კოორდინატებით X, Y, Z. იმავე წერტილზე მიმაგრებულია თარო 5 ნიმუშის დამჭერით 6. ამდენად, ნიმუში მოძრაობს სამი კოორდინატზე სამი დამოუკიდებელი ძაბვის წყაროს მოქმედებით. ტექნიკაში ნანოპედაგოგინიმუშის მაქსიმალური გადაადგილება არის დაახლოებით 5070 μm, რაც განსაზღვრავს სკანირების მაქსიმალურ არეალს.

ნიმუშთან ზონდის ავტომატური მიახლოების მექანიზმი (უკუკავშირის აღება)

სკანერის მოძრაობის დიაპაზონი Z ღერძის გასწვრივ არის დაახლოებით 10 μm; ამიტომ, სკანირებამდე აუცილებელია ამ მანძილზე ზონდი ნიმუშთან მიახლოებით. ამ მიზნით შემუშავებულია მიახლოების მექანიზმი, რომლის სქემა ნაჩვენებია ნახ. 7-19. სტეპერ ძრავა 1, როდესაც მასზე ელექტრული იმპულსები ვრცელდება, ატრიალებს შესანახი ხრახნი 2 და ამოძრავებს ზოლს 3 ზონდით 4, მიახლოვდება ან აშორებს მას სკანერ 6-ზე დაყენებულ ნიმუშს 5. ერთი ნაბიჯის მნიშვნელობა არის დაახლოებით 2 მმ.

ბრინჯი. 7 24. ზონდის სინჯის ზედაპირზე მიახლოების მექანიზმის სქემა

ვინაიდან მიახლოების მექანიზმის ნაბიჯი მნიშვნელოვნად აღემატება სკანირების დროს საჭირო ზონდი-ნიმუშის მანძილის მნიშვნელობას, ზონდის დეფორმაციის თავიდან ასაცილებლად, მისი მიახლოება ხორციელდება სტეპერ ძრავის ერთდროული მუშაობით და სკანერის მოძრაობებით Z-ის გასწვრივ. ღერძი შემდეგი ალგორითმის მიხედვით:

1. უკუკავშირის სისტემა გამორთულია და სკანერი „იხევს უკან“, ანუ დაბლა წევს ნიმუშს ქვედა უკიდურეს მდგომარეობაში.

2. ზონდის მიახლოების მექანიზმი დგამს ერთ ნაბიჯს და ჩერდება.

3. უკუკავშირის სისტემა ჩართულია და სკანერი შეუფერხებლად აწევს ნიმუშს, ხოლო ზონდი-ნიმუშის ურთიერთქმედება გაანალიზებულია.

4. თუ არ არის ურთიერთქმედება, პროცესი მეორდება 1 პუნქტიდან.

თუ სკანერის აწევისას გამოჩნდება ნულოვანი სიგნალი, უკუკავშირის სისტემა შეაჩერებს სკანერის ზევით მოძრაობას და დააფიქსირებს ურთიერთქმედების რაოდენობას მოცემულ დონეზე. ძალის ურთიერთქმედების სიდიდე, რომლის დროსაც ზონდის მიახლოება შეჩერდება და სკანირების პროცესი მოხდება მოწყობილობაში ნანოპედაგოგიხასიათდება პარამეტრით ამპლიტუდის ჩახშობა (Დიაპაზონიჩახშობა) :

ა=აო. (1-ამპლიტუდის ჩახშობა)

SPM გამოსახულების მიღება

პროგრამის დარეკვის შემდეგ ნანოპედაგოგიკომპიუტერის ეკრანზე ჩნდება პროგრამის მთავარი ფანჯარა (სურ. 7-20). მუშაობა უნდა დაიწყოს მენიუს პუნქტიდან ფაილიდა მასში აირჩიე გახსენითან ახალიან შესაბამისი ღილაკები ინსტრუმენტთა პანელზე (, ).

გუნდის შერჩევა ფაილი ახალინიშნავს SPM გაზომვებზე გადასვლას და ბრძანების არჩევას ფაილი გახსენითნიშნავს გადასვლას ადრე მიღებული მონაცემების ნახვასა და დამუშავებაზე. პროგრამა საშუალებას გაძლევთ ნახოთ და დაამუშავოთ მონაცემები გაზომვების პარალელურად.

ბრინჯი. 7 25. NanoEducator მთავარი ფანჯარა

ბრძანების შესრულების შემდეგ ფაილი ახალიეკრანზე ჩნდება დიალოგური ფანჯარა, რომელიც საშუალებას გაძლევთ აირჩიოთ ან შექმნათ სამუშაო საქაღალდე, რომელშიც ნაგულისხმევად შეინახება მიმდინარე გაზომვის შედეგები. გაზომვების დროს ყველა მიღებული მონაცემი თანმიმდევრულად იწერება სახელების ფაილებში ScanData+i.spm, სადაც ინდექსი მეპროგრამის დაწყებისას აღდგება ნულამდე და ყოველი ახალი გაზომვით იზრდება. ფაილები ScanData+i.spmმოთავსებულია სამუშაო საქაღალდეში, რომელიც დაყენებულია გაზომვების დაწყებამდე. გაზომვების დროს შესაძლებელია სხვა სამუშაო საქაღალდის არჩევა. ამისათვის დააჭირეთ ღილაკს , მდებარეობს პროგრამის მთავარი ფანჯრის ინსტრუმენტთა პანელზე და აირჩიეთ მენიუს ელემენტი სამუშაო საქაღალდის შეცვლა.

მიმდინარე გაზომვის შედეგების შესანახად დააჭირეთ ღილაკს Შეინახე როგორცსკანირების ფანჯარაში, რომელიც გამოჩნდება დიალოგურ ფანჯარაში, აირჩიეთ საქაღალდე და მიუთითეთ ფაილის სახელი, ხოლო ფაილი ScanData+i.spm, რომელიც ემსახურება როგორც მონაცემთა დროებითი შენახვის ფაილს გაზომვების დროს, დაერქმევა თქვენს მიერ მითითებულ ფაილის სახელს. ნაგულისხმევად, ფაილი შეინახება გაზომვების დაწყებამდე მინიჭებულ სამუშაო საქაღალდეში. თუ არ შეასრულებთ გაზომვის შედეგების შენახვის ოპერაციას, შემდეგ ჯერზე, როდესაც დაიწყებთ პროგრამას, შედეგები ჩაიწერება დროებით ფაილებში. ScanData+i.spm, თანმიმდევრულად გადაიწერება (თუ სამუშაო დირექტორია არ შეიცვლება). სამუშაო საქაღალდეში გაზომვის შედეგების დროებითი ფაილების არსებობის შესახებ გაფრთხილება გაიცემა პროგრამის დახურვამდე და გაშვების შემდეგ. სამუშაო საქაღალდის შეცვლა გაზომვების დაწყებამდე საშუალებას გაძლევთ დაიცვათ წინა ექსპერიმენტის შედეგები წაშლისგან. ნაგულისხმევი სახელი ScanDataშეიძლება შეიცვალოს სამუშაო საქაღალდის შერჩევის ფანჯარაში მითითებით. ღილაკზე დაჭერისას გამოიძახება სამუშაო საქაღალდის არჩევის ფანჯარა. , მდებარეობს პროგრამის მთავარი ფანჯრის ინსტრუმენტთა პანელზე. თქვენ ასევე შეგიძლიათ შეინახოთ გაზომვის შედეგები ფანჯარაში ბრაუზერის სკანირება, სათითაოდ შეარჩიეთ საჭირო ფაილები და შეინახეთ არჩეულ საქაღალდეში.

შესაძლებელია NanoEducator-ით მიღებული შედეგების ექსპორტი ASCII და Nova (NTMDT) ფორმატებში, რომელთა იმპორტი შესაძლებელია NTMDT Nova, Image Analysis და სხვა პროგრამებით. სურათების სკანირება, მათი კვეთის მონაცემები, სპექტროსკოპიის გაზომვების შედეგები ექსპორტირებულია ASCII ფორმატში. მონაცემების ექსპორტისთვის დააჭირეთ ღილაკს ექსპორტიმდებარეობს პროგრამის მთავარი ფანჯრის ხელსაწყოთა ზოლში, ან აირჩიეთ ექსპორტიმენიუს პუნქტში ფაილიამ ფანჯარაში და აირჩიეთ შესაბამისი ექსპორტის ფორმატი. დამუშავებისა და ანალიზისთვის მონაცემები შეიძლება დაუყოვნებლივ გაიგზავნოს წინასწარ გაშვებულ გამოსახულების ანალიზის პროგრამაში.

დიალოგური ფანჯრის დახურვის შემდეგ ეკრანზე გამოჩნდება ინსტრუმენტის მართვის პანელი.
(სურ. 7-26).

ბრინჯი. 7 26. ინსტრუმენტის მართვის პანელი

ინსტრუმენტის მართვის პანელის მარცხენა მხარეს არის ღილაკები SPM კონფიგურაციის ასარჩევად:

SSM- სკანირების ძალის მიკროსკოპი (SFM)

STM- სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი (STM).

SPM NanoEducator-ის ტრენინგზე გაზომვების ჩატარება შემდეგი ოპერაციების შესრულებას მოიცავს:

1. ნიმუშის დაყენება

ყურადღება! ნიმუშის ჩასმამდე აუცილებელია სენსორის ამოღება ზონდით, რათა არ დაზიანდეს ზონდი.

ნიმუშის დაფიქსირების ორი გზა არსებობს:

მაგნიტურ მაგიდაზე (ამ შემთხვევაში ნიმუში უნდა დაერთოს მაგნიტურ სუბსტრატს);

ორმხრივ წებოვან ლენტაზე.

ყურადღება! ნიმუშის ორმხრივ წებოვან ლენტაზე დასაყენებლად აუცილებელია დამჭერი ჩამოხსნათ თაროდან (ისე, რომ არ დაზიანდეს სკანერი), შემდეგ კი ისევ დააბრუნოთ, სანამ ოდნავ არ გაჩერდება.

მაგნიტური სამაგრის შემთხვევაში, ნიმუში შეიძლება შეიცვალოს ნიმუშის დამჭერის ამოხსნის გარეშე.

2. ზონდის მონტაჟი

ყურადღება! სენსორი ზონდით ყოველთვის უნდა იყოს დამონტაჟებული ნიმუშის დაყენების შემდეგ.

სასურველი ზონდის სენსორის არჩევის შემდეგ (დააჭირეთ ზონდი ფუძის ლითონის კიდეებთან) (იხ. სურ. 7-27), გახსენით ზონდის ფიქსაციის ხრახნი 2 საზომი თავსახურზე, ჩადეთ ზონდი დამჭერის ბუდეში, სანამ არ გაჩერდება. დამაგრეთ ხრახნი საათის ისრის მიმართულებით, სანამ მსუბუქად არ გაჩერდება.

ბრინჯი. 7 27. ზონდის მონტაჟი

3. სკანირების ადგილმდებარეობის არჩევა

ნიმუშზე კვლევისთვის ადგილის არჩევისას გამოიყენეთ ხრახნები მოწყობილობის ბოლოში მდებარე ორკოორდინატიანი ცხრილის გადასაადგილებლად.

4. ზონდის წინასწარი მიდგომა ნიმუშთან

წინასწარი მიახლოების ოპერაცია არ არის სავალდებულო თითოეული გაზომვისთვის, მისი განხორციელების საჭიროება დამოკიდებულია ნიმუშსა და ზონდის წვერს შორის მანძილზე. წინასწარი მიახლოების ოპერაციის ჩატარება სასურველია, თუ მანძილი ზონდის წვერსა და ნიმუშის ზედაპირს შორის აღემატება 0,51 მმ-ს. ზონდის ავტომატური მიდგომის გამოყენებისას ნიმუშზე მათ შორის დიდი მანძილიდან, მიახლოების პროცესს ძალიან დიდი დრო დასჭირდება.

გამოიყენეთ ხელის ხრახნი ზონდის დასაწევად, ხოლო ვიზუალურად აკონტროლებთ მასსა და ნიმუშის ზედაპირს შორის მანძილს.

5. რეზონანსული მრუდის აგება და მუშაობის სიხშირის დაყენება

ეს ოპერაცია აუცილებლად შესრულებულია ყოველი გაზომვის დასაწყისში და სანამ არ შესრულდება, შემდგომი გაზომვის საფეხურებზე გადასვლა იბლოკება. გარდა ამისა, გაზომვის პროცესში ზოგჯერ წარმოიქმნება სიტუაციები, რომლებიც საჭიროებენ ამ ოპერაციის ხელახლა შესრულებას (მაგალითად, როდესაც კონტაქტი იკარგება).

რეზონანსული ძიების ფანჯარა გამოიძახება ინსტრუმენტის მართვის პანელზე ღილაკის დაჭერით. ამ ოპერაციის შესრულება გულისხმობს ზონდის რხევების ამპლიტუდის გაზომვას, როდესაც იცვლება გენერატორის მიერ დაყენებული იძულებითი რხევების სიხშირე. ამისათვის დააჭირეთ ღილაკს გაშვება(სურ. 7-28).

ბრინჯი. 7 28. რეზონანსული ძიების ოპერაციის ფანჯარა და მუშაობის სიხშირის დაყენება:
ა) - ავტომატური რეჟიმი, ბ) - მექანიკური რეჟიმი

რეჟიმში ავტოოსცილატორის სიხშირე ავტომატურად დგინდება იმ სიხშირის ტოლი, რომელზედაც დაფიქსირდა ზონდის რხევების მაქსიმალური ამპლიტუდა. დიაგრამა, რომელიც გვიჩვენებს ზონდის რხევების ამპლიტუდის ცვლილებას მოცემულ სიხშირის დიაპაზონში (ნახ. 7-28a) საშუალებას გაძლევთ დააკვირდეთ რეზონანსული პიკის ფორმას. თუ რეზონანსული პიკი საკმარისად არ არის გამოხატული, ან რეზონანსის სიხშირეზე ამპლიტუდა მცირეა ( 1 ვ-ზე ნაკლები), მაშინ საჭიროა გაზომვის პარამეტრების შეცვლა და რეზონანსული სიხშირის ხელახლა განსაზღვრა.

ეს რეჟიმი განკუთვნილია სახელმძღვანელო. როდესაც ეს რეჟიმი არჩეულია ფანჯარაში რეზონანსული სიხშირის განსაზღვრაგამოჩნდება დამატებითი პანელი
(ნახ. 7-28ბ), რომელიც საშუალებას გაძლევთ დაარეგულიროთ შემდეგი პარამეტრები:

ზონდის სვინგის ძაბვაგენერატორის მიერ მოცემული. რეკომენდებულია ამ მნიშვნელობის დაყენება მინიმუმამდე (ნულამდე) და არაუმეტეს 50 მვ.

ამპლიტუდის მომატება ( ამპლიტუდის მომატება). თუ ზონდის რხევის ამპლიტუდა არასაკმარისია (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент ამპლიტუდის მომატება.

რეზონანსული ძიების ოპერაციის დასაწყებად დააჭირეთ ღილაკს დაწყება.

რეჟიმი სახელმძღვანელოსაშუალებას გაძლევთ ხელით შეცვალოთ არჩეული სიხშირე გრაფიკზე მწვანე კურსორის გადაადგილებით მაუსის საშუალებით, ასევე გაარკვიოთ რხევის ამპლიტუდის ცვლილების ბუნება მნიშვნელობების ვიწრო დიაპაზონში არჩეული სიხშირის გარშემო (ამისთვის, თქვენ უნდა დააყენოთ გადამრთველი მექანიკური რეჟიმიპოზიციაში ზუსტადდა დააჭირეთ ღილაკს დაწყება).

6. ურთიერთქმედების დაჭერა

ურთიერთქმედების დასაფიქსირებლად, ზონდისა და ნიმუშის კონტროლირებადი მიდგომის პროცედურა ხორციელდება ავტომატური მიდგომის მექანიზმის გამოყენებით. ამ პროცედურის საკონტროლო ფანჯარა გამოიძახება ინსტრუმენტის მართვის პანელზე ღილაკის დაჭერით. CCM-თან მუშაობისას ეს ღილაკი ხელმისაწვდომი ხდება ძიების ოპერაციის შესრულებისა და რეზონანსული სიხშირის დაყენების შემდეგ. ფანჯარა CCM, წამყვანი(ნახ. 7-29) შეიცავს ზონდის მიდგომის კონტროლს, ასევე პარამეტრულ მითითებებს, რომლებიც საშუალებას გაძლევთ გააანალიზოთ პროცედურის მიმდინარეობა.

ბრინჯი. 7 29. ზონდის მიახლოების ფანჯარა

ფანჯარაში მიწოდებამომხმარებელს აქვს შემდეგი მნიშვნელობების მონიტორინგის შესაძლებლობა:

სკანერის გაფართოება ( სკანერიზ) Z ღერძის გასწვრივ მაქსიმალურ მაქსიმალურთან შედარებით, აღებული როგორც ერთეული. სკანერის ფარდობითი დრეკადობის მნიშვნელობა ხასიათდება მარცხენა ინდიკატორის შევსების დონით იმ უბნის შესაბამისი ფერით, რომელშიც ამჟამად მდებარეობს სკანერი: მწვანე - სამუშაო ადგილი, ლურჯი - სამუშაო ადგილის გარეთ, წითელი - სკანერი. ძალიან მიუახლოვდა ნიმუშის ზედაპირს, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ზონდის დეფორმაცია. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში პროგრამა გასცემს ხმოვან გაფრთხილებას;

ზონდის რხევის ამპლიტუდამისი რხევების ამპლიტუდასთან შედარებით ძალთა ურთიერთქმედების არარსებობის შემთხვევაში, აღებული როგორც ერთიანობა. ზონდის რხევების ფარდობითი ამპლიტუდის მნიშვნელობა ნაჩვენებია მარჯვენა ინდიკატორზე მისი შინდისფერი შევსების დონით. ჰორიზონტალური ნიშანი ინდიკატორზე ზონდის რხევის ამპლიტუდამიუთითებს დონეს გავლისას, რომლითაც ხდება სკანერის მდგომარეობის ანალიზი და მისი ავტომატური გამოსვლა სამუშაო პოზიციაზე;

ნაბიჯების რაოდენობა ( ვაგი) მოცემული მიმართულებით გავლილი: მიდგომა - მიახლოება, უკანდახევა - მოცილება.

ზონდის დაწევის პროცესის დაწყებამდე თქვენ უნდა:

შეამოწმეთ, არის თუ არა მიდგომის პარამეტრები სწორად დაყენებული:

უკუკავშირის მოგება OS მოგებადააყენეთ მნიშვნელობა 3 ,

დარწმუნდით პარამეტრზე ჩახშობაამპლიტუდა (ძალა)აქვს დაახლოებით 0.2 მნიშვნელობა (იხ. სურ. 7-29). წინააღმდეგ შემთხვევაში, დააჭირეთ ღილაკს სიძლიერედა ფანჯარაში ურთიერთქმედების პარამეტრების დაყენება (სურათი 7-30)დააყენეთ მნიშვნელობა ჩახშობადიაპაზონითანაბარი 0.2. უფრო დელიკატური მიდგომისთვის, პარამეტრის მნიშვნელობა ჩახშობადიაპაზონიშესაძლოა ნაკლები .

შეამოწმეთ, არის თუ არა პარამეტრები სწორი პარამეტრების ფანჯარაში Პარამეტრები, გვერდი მიდგომის პარამეტრები.

არის თუ არა ურთიერთქმედება, შეიძლება განისაზღვროს მარცხენა ინდიკატორით სკანერიზ. სკანერის სრული გაფართოება (მთელი ინდიკატორი სკანერიზშეღებილი ლურჯი), ასევე მთლიანად დაჩრდილული შინდისფერი მაჩვენებელი ზონდის რხევის ამპლიტუდა(ნახ. 7-29) მიუთითებს ურთიერთქმედების არარსებობაზე. რეზონანსის ძიების და ოპერაციული სიხშირის დაყენების შემდეგ, ზონდის თავისუფალი ვიბრაციების ამპლიტუდა მიიღება ერთიანობად.

თუ სკანერი ბოლომდე არ არის გაშლილი მიახლოებამდე ან მის დროს, ან პროგრამა აჩვენებს შეტყობინებას: „შეცდომა! ზონდი ნიმუშთან ძალიან ახლოს არის. შეამოწმეთ მიდგომის პარამეტრები ან ფიზიკური კვანძი. გსურთ უსაფრთხო ადგილას გადაადგილება“, რეკომენდებულია მიახლოების პროცედურის შეჩერება და:

ა. შეცვალეთ ერთ-ერთი ვარიანტი:

გაზარდეთ ურთიერთქმედების რაოდენობა, პარამეტრი ჩახშობადიაპაზონი, ან

ღირებულების გაზრდა OS მოგება, ან

გაზარდეთ დაყოვნების დრო მიახლოების საფეხურებს შორის (პარამეტრი ინტეგრაციის დროგვერდზე მიდგომის პარამეტრებიფანჯარა Პარამეტრები).

ბ. გაზარდეთ მანძილი ზონდის წვერსა და ნიმუშს შორის (ამისთვის მიჰყევით პუნქტში აღწერილი ნაბიჯებს და შეასრულეთ ოპერაცია რეზონანსი, შემდეგ დაუბრუნდით პროცედურას მიწოდება.

ბრინჯი. 7 30. ფანჯარა ზონდსა და ნიმუშს შორის ურთიერთქმედების მნიშვნელობის დასაყენებლად

ურთიერთქმედების გადაღების შემდეგ, შეტყობინება " ლიდერობა დასრულებულია”.

თუ საჭიროა ერთი ნაბიჯით მიახლოება, დააჭირეთ ღილაკს. ამ შემთხვევაში ჯერ სრულდება ნაბიჯი და შემდეგ მოწმდება ურთიერთქმედების აღების კრიტერიუმები. მოძრაობის შესაჩერებლად დააჭირეთ ღილაკს. ამოღების ოპერაციის შესასრულებლად, თქვენ უნდა დააჭიროთ ღილაკს სწრაფი ამოღებისთვის

ან დააჭირეთ ღილაკს ნელი ამოღებისთვის. საჭიროების შემთხვევაში, ერთი ნაბიჯით ამოიღეთ, დააჭირეთ ღილაკს. ამ შემთხვევაში ჯერ სრულდება ნაბიჯი და შემდეგ მოწმდება ურთიერთქმედების აღების კრიტერიუმები.

7. სკანირება

მიდგომის პროცედურის დასრულების შემდეგ ( მიწოდება) და ურთიერთქმედების გადაღება, სკანირება ხელმისაწვდომი ხდება (ღილაკი ხელსაწყოს მართვის პანელის ფანჯარაში).

ამ ღილაკზე დაჭერით (სკანირების ფანჯრის ხედი ნაჩვენებია ნახ. 7-31) მომხმარებელი პირდაპირ მიდის გაზომვაზე და გაზომვის შედეგების მიღებაზე.

სკანირების პროცესის დაწყებამდე, თქვენ უნდა დააყენოთ სკანირების პარამეტრები. ეს პარამეტრები დაჯგუფებულია ფანჯრის ზედა ზოლის მარჯვენა მხარეს. სკანირება.

პროგრამის დაწყების შემდეგ პირველად, ისინი დაინსტალირებულია ნაგულისხმევად:

სკანირების ტერიტორია - რეგიონი (Xნმ*ინმ): 5000*5000 ნმ;

ქულების რაოდენობაგაზომვები ღერძების გასწვრივ- X, Y: NX=100, Ნიუ იორკი=100;

ბილიკის სკანირება - მიმართულებაგანსაზღვრავს სკანირების მიმართულებას. პროგრამა საშუალებას გაძლევთ აირჩიოთ სწრაფი სკანირების ღერძის მიმართულება (X ან Y). როდესაც პროგრამა იწყება, ის დაინსტალირდება მიმართულება

სკანირების პარამეტრების დაყენების შემდეგ, თქვენ უნდა დააჭიროთ ღილაკს მიმართეთპარამეტრების და ღილაკის შეყვანის დასადასტურებლად დაწყებასკანირების დასაწყებად.

ბრინჯი. 7 31. პროცესის მართვისა და CCM სკანირების შედეგების ჩვენების ფანჯარა

7.4 გაიდლაინები

წაიკითხეთ მომხმარებლის სახელმძღვანელო [Ref. 7-4].

7.5.უსაფრთხოება

მოწყობილობა იკვებება ძაბვით 220 ვ. NanoEducator სკანირების ზონდის მიკროსკოპი უნდა მუშაობდეს სამომხმარებლო ელექტრული დანადგარების PTE და PTB-ის შესაბამისად 1000 ვ-მდე ძაბვით.

7.6 ამოცანა

1. მოამზადეთ თქვენი საკუთარი ბიოლოგიური ნიმუშები SPM კვლევებისთვის.

2. ივარჯიშეთ NanoEducator-ის ზოგადი დიზაინი.

3. გაეცანით NanoEducator საკონტროლო პროგრამას.

4. მიიღეთ პირველი SPM სურათი მასწავლებლის მეთვალყურეობის ქვეშ.

5. მიღებული სურათის დამუშავება და ანალიზი. ბაქტერიების რა ფორმებია დამახასიათებელი თქვენი ხსნარისთვის? რა განსაზღვრავს ბაქტერიული უჯრედების ფორმასა და ზომას?

6. აიღეთ Burgey's Bacteria Key და შეადარე შედეგები იქ აღწერილს.

7.7.საკონტროლო კითხვები

1. როგორია ბიოლოგიური ობიექტების შესწავლის მეთოდები?

2. რა არის სკანირების ზონდის მიკროსკოპია? რა პრინციპი ემყარება მას?

3. დაასახელეთ SPM-ის ძირითადი კომპონენტები და მათი დანიშნულება.

4. რა არის პიეზოელექტრული ეფექტი და როგორ გამოიყენება SPM-ში. აღწერეთ სკანერების სხვადასხვა დიზაინი.

5. აღწერეთ NanoEducator-ის ზოგადი დიზაინი.

6. აღწერეთ ძალთა ურთიერთქმედების სენსორი და მისი მოქმედების პრინციპი.

7. აღწერეთ ზონდის ნიმუშთან მიახლოების მექანიზმი NanoEducator-ში. ახსენით პარამეტრები, რომლებიც განსაზღვრავენ ზონდსა და ნიმუშს შორის ურთიერთქმედების სიძლიერეს.

8. განმარტეთ სკანირების პრინციპი და უკუკავშირის სისტემის ფუნქციონირება. გვითხარით სკანირების ვარიანტების შერჩევის კრიტერიუმების შესახებ.

7.8 ლიტერატურა

განათებული 7 1. პოლ დე კრუი. მიკრობული მონადირეები. მ.ტერა. 2001 წ.

განათებული 7 2. პრაქტიკული სავარჯიშოების გზამკვლევი მიკრობიოლოგიაში. ეგოროვის რედაქტორობით ნ.ს. მოსკოვი: ნაუკა, 1995 წ.

განათებული 7 3. Holt J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // ბაქტერიების განმსაზღვრელი Burgey. M.: Mir, 1997. ტ. No2. C. 574.

განათებული 7 4. ინსტრუმენტის გამოყენების სახელმძღვანელო ნანოპედაგოგი.. ნიჟნი ნოვგოროდი. სამეცნიერო და სასწავლო ცენტრი...

სალექციო ჩანაწერები კურსზე „სკანირების ზონდის მიკროსკოპია ბიოლოგიაში“ ლექციის გეგმა

Აბსტრაქტული

... სკანირებაზონდიმიკროსკოპიაბიოლოგიაში“ ლექციების გეგმა: შესავალი, SPM-ის ისტორია. საზღვრები აპლიკაციები... და ნანოსტრუქტურები, კვლევაბიოლოგიურიობიექტები: ნობელის პრემიის ლაურეატები... ამისთვისკვლევაკონკრეტული ნიმუში: B სკანირებაზონდიმიკროსკოპიაამისთვის ...

Xxiii რუსული კონფერენციის წინასწარი პროგრამა ელექტრონული მიკროსკოპის შესახებ 1 ივნისი სამშაბათი დილით 10 00 – 14 00 კონფერენციის გახსნა შესავალი სიტყვა

პროგრამა

ბ.პ. კარაჯიანი, იუ.ლ. ივანოვა, იუ.ფ. ივლევი, ვ.ი. პოპენკო განაცხადიზონდიდა კონფოკალური სკანირებამიკროსკოპიაამისთვისკვლევასარემონტო პროცესები ნანოდისპერსირებული გრაფტების გამოყენებით...

ფუნქციური მასალების შემადგენლობისა და სტრუქტურის შესწავლის მეთოდები 1-ლი რუსულ სამეცნიერო კონფერენციაზე

დოკუმენტი

მულტი-ელემენტი ობიექტებიარარეფერენცია... ლიახოვი ნ.ზ. ᲙᲕᲚᲔᲕᲐნანოკომპოზიტები ბიოლოგიურადაქტიური... ალიევ ვ.შ. აპლიკაციამეთოდი გამოძიებამიკროსკოპიებიFORᲙᲕᲚᲔᲕᲐეფექტი... სკანირებაკალორიმეტრია და თერმოსტიმულირებული დენები FORᲙᲕᲚᲔᲕᲐ ...

(ინგლისური) სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპი, SEM)არის მოწყობილობა, რომელიც საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ ნიმუშის ზედაპირის სურათები მაღალი გარჩევადობით (მკრომეტრზე ნაკლები). სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის გამოყენებით მიღებული სურათები სამგანზომილებიანი და მოსახერხებელია დასკანირებული ზედაპირის სტრუქტურის შესასწავლად. რიგი დამატებითი მეთოდები (EDX, WDX- მეთოდები) შესაძლებელს ხდის ინფორმაციის მოპოვებას ზედაპირული ფენების ქიმიური შემადგენლობის შესახებ.

მოქმედების პრინციპი

სამრეწველო ვაკუუმში შესწავლილი ნიმუში დასკანირებულია ფოკუსირებული საშუალო ენერგიის ელექტრონული სხივით. სიგნალის ჩაწერის მექანიზმიდან გამომდინარე, არსებობს სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის მუშაობის რამდენიმე რეჟიმი: ასახული ელექტრონული რეჟიმი, მეორადი ელექტრონული რეჟიმი, კათოდოლუმინესცენციის რეჟიმი და ა.შ. შემუშავებული ტექნიკა შესაძლებელს ხდის შესწავლილი იყოს არა მხოლოდ ნიმუშის თვისებები. ზედაპირზე, არამედ ვიზუალიზაცია და ინფორმაციის მიღება მიწისქვეშა სტრუქტურების თვისებების შესახებ, რომლებიც მდებარეობს დასკანირებული ზედაპირიდან რამდენიმე მიკრონის სიღრმეზე.

ოპერაციული რეჟიმები

მეორადი ელექტრონის გამოვლენა

გამოსხივება, რომელიც აყალიბებს ნიმუშის ზედაპირის გამოსახულებას ინსტრუმენტების უმეტეს მოდელებში, არის ზუსტად მეორადი ელექტრონები, რომლებიც შედიან Everhart-Thornley ტიპის დეტექტორში, სადაც იქმნება პირველადი გამოსახულება, რომელიც პროგრამულ-პროცესორული დამუშავების შემდეგ შედის მონიტორის ეკრანზე. როგორც გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპების შემთხვევაში, ფილმი ადრე გამოიყენებოდა ფოტოგრაფიისთვის. კამერამ სურათები გადაიღო კათოდური სხივის მილის მაღალი გარჩევადობის შავ-თეთრ ეკრანზე. ახლა, გენერირებული სურათი უბრალოდ ნაჩვენებია კომპიუტერული პროგრამის ინტერფეისის ფანჯარაში, რომელიც აკონტროლებს მიკროსკოპს და ოპერატორის მიერ ფოკუსირების შემდეგ, მისი შენახვა შესაძლებელია კომპიუტერის მყარ დისკზე. სკანირების მიკროსკოპით წარმოქმნილი სურათი ხასიათდება მაღალი კონტრასტით და ფოკუსის სიღრმით. თანამედროვე მოწყობილობების ზოგიერთ მოდელში, მრავალსხივური ტექნოლოგიის გამოყენებისა და სპეციალური პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენების წყალობით, შესაძლებელია შესწავლილი ობიექტის ზედაპირის 3D გამოსახულების მიღება. მაგალითად, ასეთ მიკროსკოპებს აწარმოებს იაპონური კომპანია JEOL.

ნებართვა

სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის სივრცითი გარჩევადობა დამოკიდებულია ელექტრონული სხივის განივი ზომაზე, რაც თავის მხრივ დამოკიდებულია ელექტრონულ-ოპტიკური სისტემის მახასიათებლებზე, რომელიც ფოკუსირებს სხივს. გარჩევადობა ასევე შეზღუდულია ელექტრონულ ზონდსა და ნიმუშს შორის ურთიერთქმედების არეალის ზომით, ანუ სამიზნე მასალისგან. ელექტრონული ზონდის ზომა და ზონდის ნიმუშთან ურთიერთქმედების რეგიონის ზომა გაცილებით დიდი მანძილია სამიზნე ატომებს შორის, ამიტომ სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის გარჩევადობა არ არის საკმარისად დიდი ატომური მასშტაბების გამოსაჩენად, როგორც ეს შესაძლებელია. მაგალითად, ელექტრონულ მიკროსკოპში, რომელიც მუშაობს გადაცემის პრინციპით. თუმცა, სკანირების ელექტრონულ მიკროსკოპს აქვს თავისი უპირატესობები, მათ შორის ნიმუშის შედარებით დიდი ფართობის ვიზუალიზაციის შესაძლებლობა, მასიური სამიზნეების (არა მხოლოდ თხელი ფენების) გამოკვლევის შესაძლებლობა და სხვადასხვა ანალიტიკური მეთოდები, რომლებიც საშუალებას აძლევს ადამიანს შეისწავლოს სამიზნე მასალის ფუნდამენტური მახასიათებლები. კონკრეტული მოწყობილობიდან და ექსპერიმენტის პარამეტრებიდან გამომდინარე, შესაძლებელია გარჩევადობის მნიშვნელობების მიღწევა ათეულებიდან ნანომეტრამდე ერთეულამდე.

განაცხადი

სკანირების მიკროსკოპები ძირითადად გამოიყენება როგორც კვლევის ინსტრუმენტი ფიზიკაში, მასალების მეცნიერებაში, ელექტრონიკაში და ბიოლოგიაში. ძირითადად, ტესტის ნიმუშის გამოსახულების მისაღებად, რომელიც შეიძლება მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდეს გამოყენებული დეტექტორის ტიპის მიხედვით. მიღებულ სურათებში ეს განსხვავებები შესაძლებელს ხდის ზედაპირის ფიზიკური თვისებების შესახებ დასკვნების გამოტანას, ზედაპირის ტოპოგრაფიის კვლევების ჩატარებას. ელექტრონული მიკროსკოპი პრაქტიკულად ერთადერთი ინსტრუმენტია, რომელსაც შეუძლია უზრუნველყოს თანამედროვე მიკროჩიპის ზედაპირის გამოსახულება ან ფოტოლითოგრაფიის პროცესის შუალედური ეტაპი.

მყარი ნივთიერებების ზედაპირის დეტალური შესწავლისთვის, არსებობს მრავალი განსხვავებული მეთოდი. მიკროსკოპია, როგორც გადიდებული გამოსახულების მიღების საშუალება, წარმოიშვა მე-15 საუკუნეში. როდესაც მარტივი გამადიდებელი სათვალე პირველად გაკეთდა მწერების შესასწავლად. XVII საუკუნის ბოლოს. ანტონიო ვან ლეუვენჰუკმა შექმნა ოპტიკური მიკროსკოპი, რამაც შესაძლებელი გახადა ცალკეული უჯრედების, პათოგენური მიკრობებისა და ბაქტერიების არსებობის დადგენა. უკვე მე-20 საუკუნეში შემუშავდა მიკროსკოპის მეთოდები ელექტრონის და იონური სხივების გამოყენებით.

ყველა აღწერილ მეთოდში გამოიყენება შემდეგი პრინციპი: შესასწავლი ობიექტის განათება ნაწილაკების ნაკადით და მისი შემდგომი ტრანსფორმაცია. სკანირების ზონდის მიკროსკოპია სხვა პრინციპს იყენებს - ნაწილაკების გამოკვლევის ნაცვლად, იყენებს მექანიკურ ზონდს, ნემსს. ფიგურალურად რომ ვთქვათ, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ თუ ნიმუში განიხილება ოპტიკურ ან ელექტრონულ მიკროსკოპში, მაშინ ის იგრძნობა SPM-ში.

SPM მეთოდის სახელში ასახული კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი პრინციპი არის სკანირების პრინციპი, ე.ი. კვლევის ობიექტის შესახებ არა საშუალო ინფორმაციის მიღება, არამედ ზონდის დისკრეტული (პუნქტიდან წერტილამდე, ხაზიდან ხაზამდე) მოძრაობა და ინფორმაციის წაკითხვა თითოეულ წერტილში.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპის ზოგადი დიზაინი ნაჩვენებია ნახ. 1-ში.

სენსორების ტიპები.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპია დაფუძნებულია ლოკალური ურთიერთქმედების გამოვლენაზე, რომელიც ხდება ზონდსა და ტესტის ნიმუშის ზედაპირს შორის, როდესაც ისინი უახლოვდებიან ერთმანეთს ~l მანძილზე, სადაც l არის „ზონდის ნიმუშის“ დამახასიათებელი დაშლის სიგრძე. ურთიერთქმედება. „ზონდის ნიმუშის“ ურთიერთქმედების ბუნებიდან გამომდინარე, არსებობს: სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი (STM, გვირაბის დენი გამოვლენილია), სკანირების ძალის მიკროსკოპი (SFM, ძალის ურთიერთქმედება გამოვლენილია), ახლო ველის სკანირების ოპტიკური მიკროსკოპი (SNOM, ელექტრომაგნიტური). გამოვლენილია რადიაცია) და ა.შ. სკანირების ძალის მიკროსკოპია, თავის მხრივ, იყოფა ატომური ძალის მიკროსკოპად (AFM), მაგნიტური ძალის მიკროსკოპად (MSM), ელექტრული ძალის მიკროსკოპით (ESM) და სხვა, რაც დამოკიდებულია ძალის ურთიერთქმედების ტიპზე.

ბრინჯი. 2.

გვირაბის დენის გაზომვისას გვირაბის სენსორში (ნახ. 2) გამოიყენება დენის ძაბვის გადამყვანი (CVT), რომელიც შედის ზონდებსა და ნიმუშს შორის დენის დინების წრედში. გადართვის ორი ვარიანტია შესაძლებელი: დამიწებული ზონდით, როდესაც ნიმუშზე გამოიყენება მიკერძოებული ძაბვა დამიწებულ ზონდთან მიმართებაში, ან დამიწებული ნიმუშით, როდესაც სინჯთან მიმართებით ზონდზე გამოიყენება მიკერძოებული ძაბვა.

ბრინჯი. 2.

ძალის ურთიერთქმედების ტრადიციული სენსორი არის სილიკონის მიკროსხივი, კონსოლი ან კონსოლი (ინგლისური კონსოლიდან - კონსოლი) ოპტიკური სქემით კონსოლის მოსახვევის სიდიდის გამოსავლენად, რაც ხდება ნიმუშსა და ზონდს შორის ძალის ურთიერთქმედების გამო. კონსოლის ბოლო (სურ. 3).

არსებობს ძალოვანი მიკროსკოპის ჩატარების კონტაქტური, უკონტაქტო და წყვეტილი კონტაქტის („ნახევრადკონტაქტური“) მეთოდები. საკონტაქტო მეთოდის გამოყენება ვარაუდობს, რომ ზონდი ეყრდნობა ნიმუშს. როდესაც კონსოლი მოხრილია საკონტაქტო ძალების მოქმედებით, მისგან არეკლილი ლაზერის სხივი გადაადგილდება კვადრატული ფოტოდეტექტორის ცენტრთან შედარებით. ამრიგად, კონსოლის გადახრა შეიძლება განისაზღვროს ფოტოდეტექტორის ზედა და ქვედა ნახევრის განათების შედარებითი ცვლილების მიხედვით.

უკონტაქტო მეთოდის გამოყენებისას ზონდი ამოღებულია ზედაპირიდან და იმყოფება შორ მანძილზე მიმზიდავი ძალების მოქმედების არეალში. მიზიდულობის ძალები და მათი გრადიენტები უფრო სუსტია, ვიდრე მოგერიების კონტაქტური ძალები. ამიტომ, მათ გამოსავლენად ჩვეულებრივ გამოიყენება მოდულაციის ტექნიკა. ამისათვის, პიეზოვიბრატორის გამოყენებით, კონსოლი ვერტიკალურად მოძრაობს რეზონანსული სიხშირით. ზედაპირიდან შორს კონსოლის რხევების ამპლიტუდას აქვს მაქსიმალური მნიშვნელობა. ზედაპირთან მიახლოებისას მიზიდულობის ძალების გრადიენტის მოქმედების გამო იცვლება კონსოლური რხევების რეზონანსული სიხშირე, ხოლო მისი რხევების ამპლიტუდა მცირდება. ეს ამპლიტუდა აღირიცხება ოპტიკური სისტემის გამოყენებით ფოტოდეტექტორის ზედა და ქვედა ნახევრის ცვლადი განათების შედარებითი ცვლილებით.

"ნახევრად კონტაქტური" გაზომვის მეთოდით, ასევე გამოიყენება ძალის ურთიერთქმედების გაზომვის მოდულაციის ტექნიკა. "ნახევრად კონტაქტის" რეჟიმში ზონდი ნაწილობრივ ეხება ზედაპირს, მონაცვლეობით არის როგორც მიზიდულობის, ასევე მოგერიების ზონაში.

არსებობს სხვა, უფრო მარტივი მეთოდები ძალის ურთიერთქმედების გამოსავლენად, რომლებშიც ძალის ურთიერთქმედება პირდაპირ გარდაიქმნება ელექტრულ სიგნალად. ერთ-ერთი ასეთი მეთოდი ემყარება პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის გამოყენებას, როდესაც ძალის ურთიერთქმედების ზემოქმედების ქვეშ პიეზოელექტრული მასალის დახრა იწვევს ელექტრული სიგნალის გამოჩენას.