PAG-SCAN NG PROBE MICROSCOPES: MGA URI AT PRINSIPYO NG OPERASYON
Kuvaytsev Alexander Vyacheslavovich
Dimitrovgrad Institute of Engineering and Technology, sangay ng National Research Nuclear University "MEPhI"
mag-aaral
anotasyon
Inilalarawan ng artikulong ito ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang probe microscope. Ito ay isang panimula na bagong teknolohiya na maaaring malutas ang mga problema sa mga magkakaibang lugar tulad ng komunikasyon, biotechnology, microelectronics at enerhiya. Ang nanotechnology sa mikroskopya ay makabuluhang bawasan ang pagkonsumo ng mga mapagkukunan at hindi maglalagay ng presyon sa kapaligiran, sila ay gaganap ng isang nangungunang papel sa buhay ng sangkatauhan, bilang, halimbawa, ang computer ay naging isang mahalagang bahagi ng buhay ng mga tao.
PAG-SCAN NG PROBE MICROSCOPY: MGA URI AT MGA PRINSIPYO SA PAGPAPATAKBO
Kuvaytsev Aleksandr Vyacheslavovich
Dimitrovgrad Engineering at Technological Institute ng National Research Nuclear University MEPHI
mag-aaral
Abstract
Inilalarawan ng artikulong ito ang prinsipyo ng isang probe microscope. Ito ay isang bagong teknolohiya na maaaring malutas ang mga problema sa mga magkakaibang lugar tulad ng komunikasyon, biotechnology, microelectronics at enerhiya. Ang nanotechnology sa microscopy ay makabuluhang bawasan ang pagkonsumo ng mga mapagkukunan at hindi maglalagay ng presyon sa kapaligiran, sila ay maglalaro ng isang nangungunang papel sa buhay ng tao, bilang, halimbawa, ang computer ay naging isang mahalagang bahagi ng buhay ng mga tao.
Sa ika-21 siglo, ang mga nanotechnologies ay mabilis na nakakakuha ng katanyagan, na tumagos sa lahat ng mga spheres ng ating buhay, ngunit walang pag-unlad sa kanila nang walang mga bagong eksperimentong pamamaraan ng pananaliksik, ang isa sa mga pinaka-kaalaman ay ang paraan ng pag-scan ng probe microscopy, na kung saan ay naimbento at ipinamahagi ng mga Nobel laureates noong 1986 - Prof. Heinrich Rohrer at Dr. Gerd Binnig.
Isang tunay na rebolusyon ang naganap sa mundo sa pagdating ng mga pamamaraan para sa paggunita ng mga atomo. Ang mga grupo ng mga mahilig ay nagsimulang lumitaw, na nagdidisenyo ng kanilang sariling mga aparato. Bilang isang resulta, maraming mga matagumpay na solusyon ang nakuha para sa paggunita sa mga resulta ng pakikipag-ugnayan ng probe sa ibabaw. Ang mga teknolohiya para sa paggawa ng mga probes na may kinakailangang mga parameter ay nilikha.
Kaya ano ang isang probe microscope? Una sa lahat, ito ang mismong probe, na sumusuri sa ibabaw ng sample; kinakailangan din ang isang sistema para sa paglipat ng probe sa sample sa two-dimensional o three-dimensional na representasyon (gumagalaw kasama ang XY o XY-Z coordinates). Ang lahat ng ito ay pupunan ng isang sistema ng pag-record na nag-aayos ng halaga ng isang function na nakasalalay sa distansya mula sa probe hanggang sa sample. Ang sistema ng pagrerehistro ay nag-aayos at naaalala ang halaga ng isa sa mga coordinate.
Ang mga pangunahing uri ng scanning probe microscope ay maaaring nahahati sa 3 grupo:
- Scanning tunneling microscope - idinisenyo upang sukatin ang relief ng conductive surface na may mataas na spatial resolution.
Sa STM, ang isang matalim na metal na karayom ay ipinapasa sa ibabaw ng sample sa isang napakaikling distansya. Kapag ang isang maliit na kasalukuyang ay inilapat sa karayom, isang tunneling kasalukuyang arises sa pagitan nito at ang sample, ang halaga ng kung saan ay naitala sa pamamagitan ng recording system. Ang karayom ay ipinapasa sa buong ibabaw ng sample at kinukuha ang pinakamaliit na pagbabago sa kasalukuyang tunnel, dahil sa kung saan lumalabas ang isang relief map ng sample surface. Ang STM ay ang una sa isang klase ng pag-scan ng probe microscope, ang iba ay binuo sa ibang pagkakataon. - Pag-scan ng atomic force microscope - ginagamit upang buuin ang istraktura sa ibabaw ng sample na may resolusyon hanggang sa atomic. Hindi tulad ng STM, ang mikroskopyo na ito ay maaaring gamitin upang suriin ang parehong conductive at non-conductive surface. Dahil sa kakayahang hindi lamang mag-scan kundi magmanipula ng mga atomo, ito ay tinatawag na kapangyarihan.
- Ang near-field optical microscope ay isang "advanced" optical microscope na nagbibigay ng mas mahusay na resolution kaysa sa isang conventional optical microscope. Ang isang pagtaas sa resolution ng BOM ay nakamit sa pamamagitan ng pagkuha ng liwanag mula sa bagay na pinag-aaralan sa mga distansyang mas maliit kaysa sa wavelength. Kung ang probe ng mikroskopyo ay nilagyan ng isang aparato para sa pag-scan sa spatial na patlang, kung gayon ang gayong mikroskopyo ay tinatawag na isang pag-scan ng optical mikroskopyo ng malapit na larangan. Ginagawang posible ng gayong mikroskopyo na makakuha ng mga larawan ng mga ibabaw na may napakataas na resolution.
Ang imahe (Larawan 1) ay nagpapakita ng pinakasimpleng pamamaraan ng probe microscope.
Figure 1. - Scheme ng operasyon ng isang probe microscope
Ang gawain nito ay batay sa pakikipag-ugnayan ng sample na ibabaw na may isang probe, maaari itong maging isang cantilever, isang karayom o isang optical probe. Sa maliit na distansya sa pagitan ng probe at object ng pag-aaral, ang mga aksyon ng mga puwersa ng pakikipag-ugnayan, tulad ng pagtanggi, pagkahumaling, atbp., at ang pagpapakita ng mga epekto, tulad ng electron tunneling, ay maaaring maitala gamit ang mga tool sa pagpaparehistro. Upang matukoy ang mga puwersang ito, ginagamit ang mga napakasensitibong sensor na maaaring makakita ng kaunting pagbabago. Ang mga piezo tube o plane-parallel scanner ay ginagamit bilang isang coordinate scanning system upang makakuha ng raster na imahe.
Ang mga pangunahing teknikal na kahirapan sa paglikha ng mga scanning probe microscope ay kinabibilangan ng:
- Tinitiyak ang integridad ng makina
- Ang mga detector ay dapat magkaroon ng pinakamataas na sensitivity
- Ang dulo ng probe ay dapat may pinakamababang sukat
- Gumawa ng sweep system
- Tinitiyak ang kinis ng probe
Halos palaging, ang imahe na nakuha ng isang scanning probe microscope ay mahirap matukoy dahil sa mga distortion sa pagkuha ng mga resulta. Bilang isang tuntunin, kinakailangan ang karagdagang pagproseso ng matematika. Para dito, ginagamit ang espesyal na software.
Sa kasalukuyan, ginagamit ang scanning probe at electron microscopy bilang pantulong na pamamaraan ng pananaliksik dahil sa ilang pisikal at teknikal na katangian. Sa nakalipas na mga taon, ang paggamit ng probe microscopy ay naging posible upang makakuha ng natatanging siyentipikong pananaliksik sa larangan ng pisika, kimika at biology. Ang mga unang mikroskopyo ay mga aparato lamang - mga tagapagpahiwatig na nakatulong sa pananaliksik, at ang mga modernong sample ay ganap na mga workstation, kabilang ang hanggang 50 iba't ibang paraan ng pananaliksik.
Ang pangunahing gawain ng advanced na pamamaraan na ito ay upang makakuha ng mga siyentipikong resulta, ngunit ang aplikasyon ng mga kakayahan ng mga aparatong ito sa pagsasanay ay nangangailangan ng mataas na kwalipikasyon mula sa isang espesyalista.
7. Paglalapat ng isang scanning probe microscope para sa pag-aaral ng mga biological na bagay
7. Paglalapat ng isang scanning probe microscope para sa pag-aaral ng mga biological na bagay 1
7.1. Mga layunin ng trabaho 2
7.2. Impormasyon para sa guro 3
7.4. Mga Alituntunin 31
7.5. Kaligtasan 32
7.6. Gawain 32
7.7. Mga tanong sa seguridad 32
7.8. Panitikan 32
Ang gawaing laboratoryo ay binuo ng Nizhny Novgorod State University. N.I. Lobachevsky
7.1 Mga layunin ng gawain
Ang pag-aaral ng mga morphological parameter ng biological na istruktura ay isang mahalagang gawain para sa mga biologist, dahil ang laki at hugis ng ilang mga istraktura ay higit na tinutukoy ang kanilang mga physiological na katangian. Ang paghahambing ng morphological data na may functional na mga katangian, ang isa ay makakakuha ng kumpletong impormasyon tungkol sa pakikilahok ng mga buhay na selula sa pagpapanatili ng physiological balanse ng katawan ng tao o hayop.
Noong nakaraan, ang mga biologist at doktor ay nagkaroon ng pagkakataon na pag-aralan ang kanilang mga paghahanda lamang sa optical at electron microscopes. Ang mga pag-aaral na ito ay nagbigay ng ilang larawan ng morpolohiya ng mga cell na naayos, may mantsa at may manipis na metal coatings na nakuha sa pamamagitan ng sputtering. Hindi posible na pag-aralan ang morpolohiya ng mga nabubuhay na bagay, ang mga pagbabago nito sa ilalim ng impluwensya ng iba't ibang mga kadahilanan, ngunit ito ay lubhang nakatutukso.
Ang pag-scan ng probe microscopy (SPM) ay nagbukas ng mga bagong posibilidad sa pag-aaral ng mga cell, bacteria, biological molecule, DNA sa ilalim ng mga kondisyon na mas malapit hangga't maaari sa mga native. Pinapayagan ka ng SPM na pag-aralan ang mga biological na bagay nang walang mga espesyal na fixative at tina, sa hangin, o kahit na sa isang likidong daluyan.
Sa kasalukuyan, ginagamit ang SPM sa isang malawak na iba't ibang mga disiplina, kapwa sa pangunahing siyentipikong pananaliksik at sa mga inilapat na high-tech na pag-unlad. Maraming mga instituto ng pananaliksik sa bansa ang nilagyan ng kagamitan sa probe microscopy. Sa pagsasaalang-alang na ito, ang pangangailangan para sa mataas na kwalipikadong mga espesyalista ay patuloy na lumalaki. Upang matugunan ang kinakailangang ito, ang NT-MDT (Zelenograd, Russia) ay bumuo ng isang dalubhasang pang-edukasyon at siyentipikong laboratoryo para sa pag-scan ng probe microscopy NanoEducator.
SPM NanoEducator espesyal na idinisenyo para sa mga mag-aaral na magsagawa ng gawaing laboratoryo. Ang aparatong ito ay naglalayong sa isang madla ng mag-aaral: ito ay ganap na kinokontrol ng isang computer, may isang simple at madaling gamitin na interface, suporta sa animation, nagsasangkot ng unti-unting pag-unlad ng mga diskarte, ang kawalan ng mga kumplikadong setting at murang mga consumable.
Sa gawaing laboratoryo na ito, matututunan mo ang tungkol sa pag-scan ng probe microscopy, kilalanin ang mga pangunahing kaalaman nito, pag-aralan ang disenyo at mga prinsipyo ng pang-edukasyon. SPM NanoEducator, alamin kung paano maghanda ng mga biological na paghahanda para sa pananaliksik, kunin ang iyong unang larawan ng SPM ng isang complex ng lactic acid bacteria at alamin ang mga pangunahing kaalaman sa pagproseso at pagpapakita ng mga resulta ng pagsukat.
7.2 Impormasyon para sa guro 1
Ang gawain sa laboratoryo ay isinasagawa sa maraming yugto:
1. Ang paghahanda ng sample ay ginagawa ng bawat mag-aaral nang paisa-isa.
2. Ang pagkuha ng unang larawan ay isinasagawa sa isang aparato sa ilalim ng pangangasiwa ng isang guro, pagkatapos ay sinusuri ng bawat mag-aaral ang kanyang sample nang nakapag-iisa.
3. Ang pagpoproseso ng pang-eksperimentong data ng bawat mag-aaral ay isinasagawa nang paisa-isa.
Sample para sa pananaliksik: lactic acid bacteria sa isang coverslip.
Bago simulan ang trabaho, kinakailangan upang pumili ng isang probe na may pinaka-katangian na katangian ng amplitude-frequency (single symmetrical maximum), upang makakuha ng isang imahe ng ibabaw ng sample sa ilalim ng pag-aaral.
Dapat kasama sa ulat ng lab ang:
1. teoretikal na bahagi (mga sagot sa mga tanong sa pagkontrol).
2. mga resulta ng eksperimentong bahagi (paglalarawan ng pananaliksik, ang mga resultang nakuha at ang mga konklusyong ginawa).
1. Mga pamamaraan para sa pag-aaral ng morpolohiya ng mga biyolohikal na bagay.
2. Pag-scan ng probe microscope:
disenyo ng SPM;
mga uri ng SPM: STM, AFM;
SPM data format, visualization ng SPM data.
3. Paghahanda ng mga sample para sa pag-aaral ng SPM:
morpolohiya at istraktura ng mga selulang bacterial;
paghahanda ng mga paghahanda para sa pag-aaral ng morpolohiya gamit ang SPM.
4. Pagkilala sa disenyo at kontrol na programa ng SPM NanoEducator.
5. Pagkuha ng SPM image.
6. Pagproseso at pagsusuri ng mga natanggap na larawan. Dami na katangian ng mga imahe ng SPM.
Mga pamamaraan para sa pag-aaral ng morpolohiya ng mga biyolohikal na bagay
Ang katangian ng diameter ng mga cell ay 10 20 µm, bacteria - mula 0.5 hanggang 3 5 µm, ang mga halagang ito ay 5 beses na mas maliit kaysa sa pinakamaliit na particle na nakikita ng mata. Samakatuwid, ang unang pag-aaral ng mga cell ay naging posible lamang pagkatapos ng pagdating ng mga optical microscope. Sa pagtatapos ng siglo XVII. Ginawa ni Antonio van Leeuwenhoek ang unang optical microscope, bago iyon ay hindi pinaghihinalaan ng mga tao ang pagkakaroon ng mga pathogenic microbes at bacteria [Ref. 7 -1].
optical mikroskopya
Ang mga paghihirap sa pag-aaral ng mga cell ay dahil sa ang katunayan na ang mga ito ay walang kulay at transparent, kaya ang pagtuklas ng kanilang mga pangunahing istruktura ay naganap lamang pagkatapos ng pagpapakilala ng mga tina sa pagsasanay. Ang mga tina ay nagbigay ng sapat na kaibahan ng imahe. Gamit ang isang optical microscope, maaaring makilala ng isa ang mga bagay na 0.2 µm ang layo sa isa't isa, i.e. Ang pinakamaliit na bagay na maaari pa ring makilala sa isang optical microscope ay bacteria at mitochondria. Ang mga larawan ng mas maliliit na elemento ng cell ay nababaluktot ng mga epekto na dulot ng likas na alon ng liwanag.
Upang maghanda ng pangmatagalang paghahanda, ang mga cell ay ginagamot ng isang ahente ng pag-aayos upang hindi makakilos at mapanatili ang mga ito. Bilang karagdagan, ang pag-aayos ay nagpapataas ng accessibility ng mga cell sa mga tina, dahil. ang mga cell macromolecule ay pinagsasama-sama ng mga cross-link, na nagpapatatag at nag-aayos sa kanila sa isang tiyak na posisyon. Kadalasan, ang mga aldehydes at alkohol ay kumikilos bilang mga fixative (halimbawa, ang glutaraldehyde o formaldehyde ay bumubuo ng mga covalent bond na may mga libreng amino group ng mga protina at crosslink na mga kalapit na molekula). Pagkatapos ng fixation, ang tissue ay karaniwang pinuputol gamit ang microtome sa napakanipis na mga seksyon (1 hanggang 10 µm ang kapal), na pagkatapos ay inilalagay sa isang glass slide. Sa ganitong paraan ng paghahanda, ang istraktura ng mga cell o macromolecules ay maaaring masira, kaya ang flash freezing ay ang ginustong paraan. Ang frozen na tissue ay pinutol gamit ang isang microtome na inilagay sa isang malamig na silid. Pagkatapos ng sectioning, ang mga cell ay mabahiran. Karaniwan, ang mga organikong tina ay ginagamit para sa layuning ito (malachite green, black Sudan, atbp.). Ang bawat isa sa kanila ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na pagkakaugnay para sa mga sangkap ng cellular, halimbawa, ang hematoxylin ay may kaugnayan para sa mga negatibong sisingilin na molekula, samakatuwid, ginagawang posible na makita ang DNA sa mga cell. Kung ang isa o isa pang molekula ay naroroon sa cell sa isang maliit na halaga, kung gayon ito ay pinaka-maginhawang gumamit ng fluorescence microscopy.
Fluorescence mikroskopya
Ang mga fluorescent dyes ay sumisipsip ng liwanag ng isang wavelength at naglalabas ng liwanag ng isa pa, mas mahabang wavelength. Kung ang naturang substance ay na-irradiated ng liwanag na ang wavelength ay tumutugma sa wavelength ng liwanag na hinihigop ng dye, at pagkatapos ay ginagamit ang isang filter para sa pagsusuri na nagpapadala ng liwanag na may wavelength na tumutugma sa liwanag na ibinubuga ng dye, ang fluorescent molecule ay maaaring makita. sa pamamagitan ng pagkinang sa isang madilim na larangan. Ang mataas na intensity ng emitted light ay isang katangian na katangian ng naturang mga molecule. Ang paggamit ng mga fluorescent dyes para sa paglamlam ng mga cell ay nagsasangkot ng paggamit ng isang espesyal na fluorescent microscope. Ang nasabing mikroskopyo ay katulad ng isang conventional optical microscope, ngunit ang liwanag mula sa isang malakas na illuminator ay dumadaan sa dalawang set ng mga filter - isa upang ihinto ang bahagi ng radiation ng illuminator sa harap ng sample at ang isa pa para salain ang liwanag na natanggap mula sa sample. Ang unang filter ay pinili sa paraang ito ay nagpapadala lamang ng liwanag ng wavelength na nagpapasigla sa isang partikular na fluorescent dye; kasabay nito, hinaharangan ng pangalawang filter ang liwanag ng insidenteng ito at pinapayagan ang liwanag ng wavelength na ibinubuga ng dye kapag nag-fluoresce ito.
Ang fluorescence microscopy ay kadalasang ginagamit upang tukuyin ang mga partikular na protina o iba pang mga molekula na nagiging fluorescent pagkatapos ng covalently bound sa fluorescent dyes. Para sa layuning ito, karaniwang ginagamit ang dalawang tina - fluorescein, na nagbibigay ng matinding dilaw-berdeng pag-ilaw pagkatapos ng paggulo na may mapusyaw na asul na liwanag, at rhodamine, nagiging sanhi ng madilim na pulang pag-ilaw pagkatapos ng paggulo na may dilaw-berdeng ilaw. Sa pamamagitan ng paggamit ng parehong fluorescein at rhodamine para sa paglamlam, ang pamamahagi ng iba't ibang mga molekula ay maaaring makuha.
Dark field microscopy
Ang pinakamadaling paraan upang makita ang mga detalye ng cellular structure ay ang pagmasdan ang liwanag na nakakalat ng iba't ibang bahagi ng cell. Sa isang dark-field microscope, ang mga sinag mula sa illuminator ay nakadirekta mula sa gilid, at ang mga nakakalat na sinag lamang ang pumapasok sa layunin ng mikroskopyo. Alinsunod dito, ang cell ay mukhang isang iluminado na bagay sa isang madilim na field. Ang isa sa mga pangunahing bentahe ng dark-field microscopy ay ang kakayahang obserbahan ang paggalaw ng mga cell sa panahon ng paghahati at paglipat. Ang mga paggalaw ng cellular ay malamang na napakabagal at mahirap obserbahan sa real time. Sa kasong ito, ginagamit ang frame-by-frame (time-lapse) microfilming o video recording. Sa kasong ito, ang magkakasunod na mga frame ay pinaghihiwalay sa oras, ngunit kapag ang pag-record ay na-play pabalik sa normal na bilis, ang larawan ng mga totoong kaganapan ay bumibilis.
Sa mga nagdaang taon, ang mga video camera at mga kaugnay na teknolohiya ng imaging ay lubos na nadagdagan ang mga kakayahan ng optical microscopy. Salamat sa kanilang aplikasyon, posible na malampasan ang mga paghihirap na dulot ng mga kakaibang katangian ng pisyolohiya ng tao. Sila ay iyon:
1. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang mata ay hindi nagrerehistro ng napakahinang liwanag.
2. Hindi makita ng mata ang maliliit na pagkakaiba sa intensity ng liwanag laban sa maliwanag na background.
Ang una sa mga problemang ito ay napagtagumpayan sa pamamagitan ng paglakip ng mga ultra-high-sensitivity na video camera sa mikroskopyo. Ginawa nitong posible na obserbahan ang mga cell nang mahabang panahon sa mababang pag-iilaw, hindi kasama ang matagal na pagkakalantad sa maliwanag na liwanag. Ang mga sistema ng imaging ay lalong mahalaga para sa pag-aaral ng mga fluorescent molecule sa mga buhay na selula. Dahil ang imahe ay ginawa ng isang video camera sa anyo ng mga elektronikong signal, maaari itong naaangkop na ma-convert sa mga numerical signal, ipinadala sa isang computer, at pagkatapos ay sumailalim sa karagdagang pagproseso upang kunin ang nakatagong impormasyon.
Ang mataas na contrast na matamo gamit ang computer interference microscopy ay ginagawang posible na obserbahan kahit na napakaliit na mga bagay, tulad ng mga indibidwal na microtubule, na ang diameter ay mas mababa sa isang ikasampu ng wavelength ng liwanag (0.025 µm). Ang mga indibidwal na microtubule ay makikita rin gamit ang fluorescence microscopy. Gayunpaman, sa parehong mga kaso, ang mga epekto ng diffraction ay hindi maiiwasan, na lubos na nagbabago sa imahe. Sa kasong ito, ang diameter ng microtubule ay labis na tinantya (0.2 μm), na ginagawang imposibleng makilala ang mga indibidwal na microtubule mula sa isang bundle ng ilang microtubule. Upang malutas ang problemang ito, kinakailangan ang isang mikroskopyo ng elektron, ang limitasyon ng resolusyon na kung saan ay inilipat nang lampas sa haba ng daluyong ng nakikitang liwanag.
mikroskopya ng elektron
Ang ugnayan sa pagitan ng haba ng daluyong at limitasyon ng resolusyon ay pinapanatili din para sa mga electron. Gayunpaman, para sa isang electron microscope, ang limitasyon ng resolusyon ay mas mababa kaysa sa limitasyon ng diffraction. Bumababa ang wavelength ng isang electron habang tumataas ang bilis nito. Sa isang electron microscope na may boltahe na 100,000 V, ang wavelength ng isang electron ay 0.004 nm. Ayon sa teorya, ang resolution ng naturang mikroskopyo ay 0.002 nm sa limitasyon. Gayunpaman, sa katotohanan, dahil sa maliliit na numerical apertures ng mga electron lens, ang resolution ng modernong electron microscopes ay nasa pinakamahusay na 0.1 nm. Ang mga kahirapan sa paghahanda ng sample at ang pinsala nito sa pamamagitan ng radiation ay makabuluhang binabawasan ang normal na resolusyon, na para sa mga biological na bagay ay 2 nm (mga 100 beses na mas mataas kaysa sa isang light microscope).
Ang pinagmulan ng mga electron sa transmission electron microscope (TEM) ay isang cathode filament na matatagpuan sa tuktok ng isang cylindrical column na halos dalawang metro ang taas. Upang maiwasan ang pagkalat ng mga electron sa panahon ng banggaan sa mga molekula ng hangin, ang isang vacuum ay nilikha sa haligi. Ang mga electron na ibinubuga mula sa filament ng cathode ay pinabilis ng isang kalapit na anode at pumapasok sa isang maliit na butas, na bumubuo ng isang electron beam na dumadaan sa ilalim ng haligi. Sa kahabaan ng column sa ilang distansya ay may mga ring magnet na nakatutok sa electron beam, tulad ng mga glass lens na tumutuon sa sinag ng liwanag sa isang optical microscope. Ang sample ay inilalagay sa pamamagitan ng airlock sa loob ng column, sa landas ng electron beam. Ang bahagi ng mga electron sa sandaling dumaan sa sample ay nakakalat alinsunod sa density ng sangkap sa lugar na ito, ang natitirang mga electron ay nakatuon at bumubuo ng isang imahe (katulad ng pagbuo ng isang imahe sa isang optical microscope) sa isang photographic plate o sa isang phosphorescent screen.
Ang isa sa mga pinakamalaking disadvantage ng electron microscopy ay ang mga biological sample ay dapat isailalim sa espesyal na pagproseso. Una, ang mga ito ay naayos muna sa glutaraldehyde at pagkatapos ay may osmic acid, na nagbubuklod at nagpapatatag sa dobleng layer ng mga lipid at protina. Pangalawa, ang mga electron ay may mababang lakas ng pagtagos, kaya kailangan mong gumawa ng mga ultra-manipis na seksyon, at para dito, ang mga sample ay inalis ang tubig at pinapagbinhi ng mga resin. Pangatlo, upang mapahusay ang kaibahan, ang mga sample ay ginagamot ng mga asin ng mabibigat na metal tulad ng osmium, uranium at lead.
Upang makakuha ng isang three-dimensional na imahe ng ibabaw ay ginagamit pag-scan ng electron microscope (SEM), kung saan ginagamit ang mga electron na nakakalat o ibinubuga ng ibabaw ng sample. Ang sample sa kasong ito ay naayos, pinatuyo at natatakpan ng isang manipis na pelikula ng mabibigat na metal, at pagkatapos ay na-scan gamit ang isang makitid na electron beam. Sa kasong ito, tinatantya ang bilang ng mga electron na nakakalat sa panahon ng pag-iilaw sa ibabaw. Ang nakuhang halaga ay ginagamit upang kontrolin ang intensity ng pangalawang beam, gumagalaw nang sabay-sabay sa una at bumubuo ng isang imahe sa screen ng monitor. Ang resolution ng pamamaraan ay tungkol sa 10 nm at hindi ito naaangkop sa pag-aaral ng intracellular organelles. Ang kapal ng mga sample na pinag-aralan ng pamamaraang ito ay natutukoy sa pamamagitan ng pagtagos ng kapangyarihan ng mga electron o ng kanilang enerhiya.
Ang pangunahing at makabuluhang kawalan ng lahat ng mga pamamaraang ito ay ang tagal, pagiging kumplikado at mataas na gastos ng paghahanda ng sample.
Pag-scan ng probe microscopy
Sa isang scanning probe microscope (SPM), sa halip na isang electron beam o optical radiation, isang matulis na probe, isang karayom, ang ginagamit na nag-scan sa sample surface. Sa matalinghagang pagsasalita, maaari nating sabihin na kung ang isang sample ay susuriin sa isang optical o electron microscope, kung gayon ito ay nararamdaman sa SPM. Bilang resulta, posibleng makakuha ng tatlong-dimensional na larawan ng mga bagay sa iba't ibang media: vacuum, hangin, likido.
Ang mga espesyal na disenyo ng SPM na inangkop para sa biological na pananaliksik ay ginagawang posible nang sabay-sabay sa optical observation upang i-scan ang parehong mga buhay na selula sa iba't ibang likidong media at mga nakapirming paghahanda sa hangin.
Pag-scan ng probe microscope
Ang pangalan ng scanning probe microscope ay sumasalamin sa prinsipyo ng operasyon nito - pag-scan sa ibabaw ng sample, kung saan ang point-by-point na pagbabasa ng antas ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng probe at ibabaw ay isinasagawa. Maaaring itakda ang laki ng lugar ng pag-scan at ang bilang ng mga puntos sa loob nito N X N Y. Ang mas maraming point na iyong tinukoy, mas mataas ang resolution ng surface image. Ang distansya sa pagitan ng mga punto ng pagbabasa ng signal ay tinatawag na hakbang sa pag-scan. Ang hakbang sa pag-scan ay dapat na mas mababa kaysa sa pinag-aralan na mga detalye sa ibabaw. Ang paggalaw ng probe sa panahon ng pag-scan (tingnan ang Fig. 7-1) ay isinasagawa nang linear sa pasulong at pabalik na direksyon (sa direksyon ng mabilis na pag-scan), ang paglipat sa susunod na linya ay isinasagawa sa patayo na direksyon (sa direksyon ng mabagal na pag-scan).
kanin. 7 1. Eskematiko na representasyon ng proseso ng pag-scan
(Ang pagbabasa ng signal ay isinasagawa sa direktang kurso ng scanner)
Depende sa likas na katangian ng read signal, ang mga scanning microscope ay may iba't ibang pangalan at layunin:
atomic force microscope (AFM), ang mga puwersa ng interatomic na interaksyon sa pagitan ng probe atoms at sample atoms ay binabasa;
tunneling microscope (STM), pagbabasa ng tunneling current na dumadaloy sa pagitan ng conductive sample at ng conductive probe;
Ang magnetic force microscope (MFM), ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng probe na pinahiran ng magnetic na materyal at ang sample na pag-detect ng mga magnetic na katangian ay binabasa;
Ang electrostatic force microscope (ESM) ay nagbibigay-daan sa isa na makakuha ng larawan ng electric potential distribution sa sample surface. Ginagamit ang mga probe, ang dulo nito ay natatakpan ng isang manipis na conductive film (ginto o platinum).
Disenyo ng SPM
Ang SPM ay binubuo ng mga sumusunod na pangunahing bahagi (Figure 7-2): isang probe, piezoelectric actuator upang ilipat ang probe sa X, Y, Z sa ibabaw ng sample ng pagsubok, isang feedback circuit at isang computer upang kontrolin ang proseso ng pag-scan at pagkuha ng imahe.
Figure 7 2. Scheme ng isang scanning probe microscope
probe sensor - isang bahagi ng isang power probe microscope na sinusuri ang paghahanda. Ang probe sensor ay naglalaman ng isang cantilever (spring console) ng mga hugis-parihaba (I-shaped) o triangular (V-shaped) na mga uri (Larawan 7-3), sa dulo kung saan mayroong isang matulis na probe (Larawan 7-3) , na karaniwang may korteng kono o pyramidal na hugis. Ang kabilang dulo ng cantilever ay pinagsama sa substrate (na may tinatawag na chip). Ang mga probe sensor ay gawa sa silikon o silikon nitride. Ang pangunahing katangian ng cantilever ay ang force constant (stiffness constant), ito ay nag-iiba mula 0.01 N/m hanggang 1020 N/m. Upang pag-aralan ang mga biyolohikal na bagay, ginagamit ang mga "malambot" na probe na may katigasan na 0.01 0.06 N/m.
kanin. 7 3. Mga larawan ng pyramidal AFM probes
nakuha gamit ang isang electron microscope:
a - I-shaped type, b - V-shaped type, c - pyramid sa dulo ng cantilever
Piezoelectric actuator o mga scanner - para sa kinokontrol na paggalaw ng probe sa ibabaw ng sample o ang sample mismo na may kaugnayan sa probe sa napakaliit na distansya. Gumagamit ang mga piezoelectric actuator ng piezoceramic na materyales na nagbabago ng kanilang mga sukat kapag may inilapat na boltahe ng kuryente sa kanila. Ang proseso ng pagbabago ng mga geometric na parameter sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field ay tinatawag na inverse piezoelectric effect. Ang pinakakaraniwang piezomaterial ay lead zirconate titanate.
Ang scanner ay isang piezoceramic na istraktura na nagbibigay ng paggalaw kasama ang tatlong mga coordinate: x, y (sa lateral plane ng sample) at z (patayo). Mayroong ilang mga uri ng mga scanner, ang pinakakaraniwan ay ang tripod at tube (Larawan 7-4).
kanin. 7 4. Mga disenyo ng scanner: a) – tripod, b) – pantubo
Sa isang tripod scanner, ang mga paggalaw sa tatlong coordinate ay ibinibigay ng tatlong independiyenteng piezoceramic rod na bumubuo ng isang orthogonal na istraktura.
Sa isang tube scanner, ang isang guwang na piezoelectric tube ay yumuyuko sa XZ at ZY na eroplano at lumalawak o kumukontra sa Z axis kapag ang mga naaangkop na boltahe ay inilapat sa mga electrodes na kumokontrol sa mga paggalaw ng tubo. Ang mga electrodes upang makontrol ang paggalaw sa XY plane ay matatagpuan sa panlabas na ibabaw ng tubo, upang makontrol ang paggalaw sa Z, ang mga pantay na boltahe ay inilalapat sa X at Y electrodes.
Sirkit ng feedback - isang hanay ng mga elemento ng SPM, sa tulong kung saan ang probe ay pinananatili sa isang nakapirming distansya mula sa sample na ibabaw sa panahon ng pag-scan (Larawan 7-5). Sa panahon ng proseso ng pag-scan, ang probe ay maaaring matatagpuan sa mga lugar ng sample surface na may iba't ibang relief, habang ang probe-sample na distansya Z ay magbabago, at ang halaga ng probe-sample na interaksyon ay magbabago nang naaayon.
kanin. 7 5. Feedback scheme ng isang scanning probe microscope
Habang papalapit ang probe sa ibabaw, tumataas ang pwersa ng interaksyon ng sample-probe, at tumataas din ang signal ng recording device. V(t), alin ipinahayag sa mga yunit ng boltahe. Ikinukumpara ng comparator ang signal V(t) na may reference na boltahe V basic at bumubuo ng corrective signal V corr. Signal ng pagwawasto V corr ay pinapakain sa scanner, at ang probe ay binawi mula sa sample. Reference voltage - ang boltahe na tumutugma sa signal ng recording device kapag ang probe ay nasa isang ibinigay na distansya mula sa sample. Pinapanatili itong paunang natukoy na probe-sample na distansya sa panahon ng pag-scan, pinapanatili ng feedback system ang paunang natukoy na probe-sample na puwersa ng interaksyon.
kanin. 7 6. Ang tilapon ng kamag-anak na paggalaw ng probe sa proseso ng pagpapanatili ng patuloy na puwersa ng interaksyon ng probe-sample ng feedback system
Sa Fig. Ipinapakita ng 7-6 ang trajectory ng probe na nauugnay sa sample habang pinapanatili ang isang pare-parehong puwersa ng interaksyon ng probe-sample. Kung ang probe ay nasa itaas ng fovea, ang isang boltahe ay inilalapat sa scanner, kung saan ang scanner ay humahaba, na binababa ang probe.
Ang bilis ng pagtugon ng feedback loop sa isang pagbabago sa probe-sample na distansya (probe-sample na interaksyon) ay tinutukoy ng feedback loop constant K. Mga halaga K depende sa mga tampok ng disenyo ng isang partikular na SPM (disenyo at mga katangian ng scanner, electronics), mode ng pagpapatakbo ng SPM (laki ng lugar ng pag-scan, bilis ng pag-scan, atbp.), pati na rin ang mga tampok ng ibabaw na pinag-aaralan (scale of relief features , materyal na katigasan, atbp.).
Mga uri ng SPM
Pag-scan ng tunneling microscope
Sa STM, sinusukat ng recording device (Fig. 7-7) ang tunneling current na dumadaloy sa pagitan ng metal probe, na nag-iiba depende sa potensyal sa sample surface at sa topography ng surface nito. Ang probe ay isang matulis na karayom, ang dulong radius nito ay maaaring umabot ng ilang nanometer. Bilang isang materyal para sa probe, ang mga metal na may mataas na tigas at paglaban sa kemikal ay karaniwang ginagamit: tungsten o platinum.
kanin. 7 7. Scheme ng tunnel probe sensor
Ang isang boltahe ay inilalapat sa pagitan ng conductive probe at ng conductive sample. Kapag ang dulo ng probe ay nasa layo na humigit-kumulang 10A mula sa sample, ang mga electron mula sa sample ay magsisimulang mag-tunnel sa puwang sa probe o vice versa, depende sa tanda ng boltahe (Fig. 7-8).
kanin. 7 8. Schematic na representasyon ng pakikipag-ugnayan ng probe tip sa sample
Ang resultang tunnel current ay sinusukat ng isang recording device. Ang halaga nito ako T proporsyonal sa boltahe na inilapat sa kontak ng tunnel V at exponentially depende sa distansya mula sa karayom sa sample d.
Kaya, ang mga maliliit na pagbabago sa distansya mula sa dulo ng probe hanggang sa sample d tumutugma sa exponentially malalaking pagbabago sa tunneling kasalukuyang ako T(ipagpalagay na boltahe V pinananatiling pare-pareho). Dahil dito, ang sensitivity ng tunnel probe sensor ay sapat upang irehistro ang mga pagbabago sa taas na mas mababa sa 0.1 nm, at, dahil dito, upang makakuha ng isang imahe ng mga atomo sa ibabaw ng isang solid.
Atomic force microscope
Ang pinakakaraniwang probe sensor ng atomic force interaction ay isang spring cantilever (mula sa English cantilever - console) na may probe na matatagpuan sa dulo nito. Ang dami ng cantilever bending dahil sa force interaction sa pagitan ng sample at probe (Fig. 7-9) ay sinusukat gamit ang optical registration scheme.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng sensor ng puwersa ay batay sa paggamit ng mga puwersang atomiko na kumikilos sa pagitan ng mga atomo ng probe at ng mga atomo ng sample. Kapag ang puwersa ng probe-sample ay nagbabago, ang halaga ng cantilever bending ay nagbabago, at ang gayong pagbabago ay sinusukat ng optical registration system. Kaya, ang atomic force sensor ay isang high-sensitivity pointed probe, na ginagawang posible na irehistro ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga indibidwal na atom.
Para sa maliliit na bends, ang ratio sa pagitan ng probe-sample force F at pagpapalihis ng dulo ng cantilever x tinutukoy ng batas ni Hooke:
saan k ay ang force constant (stiffness constant) ng cantilever.
Halimbawa, kung ang isang cantilever na may pare-pareho ay ginagamit k tungkol sa 1 N/m, pagkatapos ay sa ilalim ng pagkilos ng isang probe-sample na puwersa ng pakikipag-ugnayan na halos 0.1 nanoNewton, ang pagpapalihis ng cantilever ay magiging mga 0.1 nm.
Upang sukatin ang gayong maliliit na displacement, kadalasang ginagamit ang optical displacement sensor (Larawan 7-9), na binubuo ng isang semiconductor laser at isang four-section na photodiode. Kapag ang cantilever ay baluktot, ang laser beam na sinasalamin mula dito ay nagbabago sa gitna ng photodetector. Kaya, ang baluktot ng cantilever ay maaaring matukoy mula sa kamag-anak na pagbabago sa pag-iilaw ng upper (T) at lower (B) halves ng photodetector.
Fig 7 9. Scheme ng force sensor
Pag-asa ng mga puwersa ng pakikipag-ugnayan tip-sample sa distansya tip-sample
Kapag ang probe ay lumalapit sa sample, ito ay unang naaakit sa ibabaw dahil sa pagkakaroon ng mga kaakit-akit na pwersa (mga puwersa ng van der Waals). Habang lumalapit ang probe sa sample, ang mga electron shell ng mga atomo sa dulo ng probe at mga atomo sa ibabaw ng sample ay nagsisimulang mag-overlap, na humahantong sa paglitaw ng isang salungat na puwersa. Habang papababa pa ang distansya, nagiging nangingibabaw ang puwersang salungat.
Sa pangkalahatan, ang pagtitiwala sa lakas ng interatomic na pakikipag-ugnayan F mula sa distansya sa pagitan ng mga atomo R mukhang:
.
Mga Constant a at b at mga exponent m at n depende sa uri ng mga atomo at sa uri ng mga bono ng kemikal. Para sa mga puwersa ng van der Waals m=7 at n=3. Sa husay, ang pag-asa F(R) ay ipinapakita sa Fig. 7-10.
kanin. 7 10. Pag-asa ng puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga atomo sa layo
SPM-data na format, visualization ng SPM-data
Ang data sa morpolohiya sa ibabaw na nakuha sa panahon ng pag-aaral sa isang optical mikroskopyo ay ipinakita sa anyo ng isang pinalaki na imahe ng isang lugar sa ibabaw. Ang impormasyong nakuha gamit ang SPM ay isinulat bilang isang dalawang-dimensional na hanay ng mga integer A ij . Para sa bawat halaga ij tumutugma sa isang partikular na punto sa ibabaw sa loob ng field ng pag-scan. Ang graphical na representasyon ng hanay ng mga numerong ito ay tinatawag na SPM scanned image.
Ang mga na-scan na larawan ay maaaring dalawang-dimensional (2D) o tatlong-dimensional (3D). Sa 2D visualization, ang bawat punto ng surface Z= f(x,y) ay itinalaga ng isang tiyak na tono ng kulay alinsunod sa taas ng ibabaw na punto (Larawan 7-11 a). Sa 3D visualization, ang surface image Z= f(x,y) ay binuo sa isang axonometric perspective sa tulong ng mga pixel o relief lines na kinakalkula sa isang tiyak na paraan. Ang pinaka-epektibong paraan para makulayan ang mga 3D na imahe ay ang gayahin ang mga kondisyon ng pag-iilaw sa ibabaw ng isang point source na matatagpuan sa isang tiyak na punto sa espasyo sa itaas ng surface (Larawan 7-11 b). Sa kasong ito, posible na bigyang-diin ang mga indibidwal na maliliit na tampok ng kaluwagan.
|
|
kanin. 7 11. Mga lymphocyte ng dugo ng tao:
a) 2D na imahe, b) 3D na imahe na may side illumination
Paghahanda ng mga sample para sa SPM research
Morpolohiya at istraktura ng mga selula ng bakterya
Ang bakterya ay mga single-celled microorganism na may magkakaibang hugis at kumplikadong istraktura, na tumutukoy sa pagkakaiba-iba ng kanilang functional na aktibidad. Ang bakterya ay nailalarawan sa pamamagitan ng apat na pangunahing hugis: spherical (spherical), cylindrical (rod-shaped), convoluted at filamentous [Ref. 7-2].
cocci (spherical bacteria) - depende sa eroplano ng paghahati at lokasyon ng mga indibidwal na indibidwal, nahahati sila sa micrococci (hiwalay na nakahiga na cocci), diplococci (pinares na cocci), streptococci (chain ng cocci), staphylococci (na may hitsura ng mga kumpol ng ubas ), tetracocci (mga pormasyon ng apat na cocci ) at sarcins (mga pakete ng 8 o 16 cocci).
Hugis ng baras - ang bakterya ay matatagpuan sa anyo ng mga solong selula, diplo- o streptobacteria.
Koleksyon - vibrios, spirilla at spirochetes. Ang mga Vibrios ay may hitsura ng bahagyang hubog na mga rod, spirilla - isang convoluted na hugis na may ilang mga spiral curl.
Ang laki ng bacteria ay mula 0.1 hanggang 10 µm. Ang komposisyon ng isang bacterial cell ay kinabibilangan ng isang kapsula, cell wall, cytoplasmic membrane at cytoplasm. Ang cytoplasm ay naglalaman ng nucleotide, ribosomes at inclusions. Ang ilang bakterya ay nilagyan ng flagella at villi. Ang isang bilang ng mga bakterya ay bumubuo ng mga spores. Lumalampas sa paunang nakahalang laki ng cell, binibigyan ito ng mga spores ng hugis ng spindle.
Upang pag-aralan ang morpolohiya ng bakterya sa isang optical mikroskopyo, inihanda mula sa kanila ang mga katutubong (mahahalagang) paghahanda o nakapirming smear na may bahid ng aniline dye. May mga espesyal na paraan ng paglamlam upang makita ang flagella, cell wall, nucleotide at iba't ibang cytoplasmic inclusions.
Para sa pag-aaral ng SPM ng morpolohiya ng mga selulang bacterial, hindi kinakailangan ang paglamlam ng paghahanda. Ginagawang posible ng SPM na matukoy ang hugis at sukat ng bakterya na may mataas na antas ng resolusyon. Sa maingat na paghahanda ng paghahanda at paggamit ng isang probe na may maliit na radius ng curvature, maaaring matukoy ang flagella. Kasabay nito, dahil sa malaking tigas ng bacterial cell wall, imposibleng "masuri" ang mga intracellular na istruktura, tulad ng maaaring gawin sa ilang mga selula ng hayop.
Paghahanda ng mga paghahanda para sa pag-aaral ng SPM ng morpolohiya
Para sa unang karanasan sa SPM, inirerekumenda na pumili ng isang biological na paghahanda na hindi nangangailangan ng kumplikadong paghahanda. Ang madaling ma-access at non-pathogenic lactic acid bacteria mula sa sauerkraut brine o fermented milk products ay angkop.
Para sa mga pag-aaral ng SPM sa hangin, kinakailangan na maayos na ayusin ang bagay na pinag-aaralan sa ibabaw ng substrate, halimbawa, sa isang cover slip. Bilang karagdagan, ang density ng bakterya sa suspensyon ay dapat na tulad na ang mga cell ay hindi magkakadikit sa panahon ng pag-deposition sa substrate, at ang distansya sa pagitan ng mga ito ay hindi dapat masyadong malaki upang ang ilang mga bagay ay maaaring makuha sa panahon ng pag-scan sa isang frame. Ang mga kundisyong ito ay natutugunan kung ang sample preparation mode ay napili nang tama. Kung ang isang patak ng isang solusyon na naglalaman ng bakterya ay inilapat sa substrate, ang kanilang unti-unting pag-ulan at pagdirikit ay magaganap. Sa kasong ito, ang konsentrasyon ng mga cell sa solusyon at ang oras ng sedimentation ay dapat isaalang-alang bilang pangunahing mga parameter. Ang konsentrasyon ng bakterya sa suspensyon ay tinutukoy ng isang optical turbidity standard.
Sa aming kaso, isang parameter lamang ang gaganap - ang oras ng pagpapapisa ng itlog. Kung mas mahaba ang patak ay pinananatili sa salamin, mas malaki ang density ng mga bacterial cell. Kasabay nito, kung ang isang patak ng likido ay magsisimulang matuyo, ang paghahanda ay magiging labis na kontaminado ng mga precipitated na bahagi ng solusyon. Ang isang patak ng isang solusyon na naglalaman ng mga bacterial cell (brine) ay inilapat sa isang coverslip, incubated para sa 5-60 minuto (depende sa komposisyon ng solusyon). Pagkatapos, nang hindi naghihintay na matuyo ang mga patak, lubusan silang hinugasan ng distilled water (ilubog ang paghahanda gamit ang mga sipit sa isang baso nang maraming beses). Pagkatapos ng pagpapatayo, handa na ang paghahanda para sa pagsukat sa SPM.
Halimbawa, ang mga paghahanda ng lactic acid bacteria ay inihanda mula sa sauerkraut brine. Ang oras ng pagkakalantad ng brine drop sa coverslip ay pinili na 5 min, 20 min, at 1 oras (nagsimula nang matuyo ang drop). SPM - ang mga frame ay ipinapakita sa Fig. 7 -12, Fig. 7-13,
kanin. 7-14.
Makikita mula sa mga figure na para sa solusyon na ito ang pinakamainam na oras ng pagpapapisa ng itlog ay 510 min. Ang pagtaas sa oras ng pagpapanatili ng isang drop sa ibabaw ng substrate ay humahantong sa pagdirikit ng mga bacterial cell. Sa kaso kapag ang isang patak ng solusyon ay nagsimulang matuyo, ang mga bahagi ng solusyon ay idineposito sa salamin, na hindi maaaring hugasan.
kanin. 7 12. Mga larawan ng lactic acid bacteria sa isang coverslip,
nakuha gamit ang SPM.
kanin. 7 13. Mga larawan ng lactic acid bacteria sa isang coverslip,
nakuha gamit ang SPM. Oras ng pagpapapisa ng solusyon 20 min
kanin. 7 14. Mga larawan ng lactic acid bacteria sa isang coverslip,
nakuha gamit ang SPM. Oras ng pagpapapisa ng solusyon 1 oras
Sa isa sa mga napiling paghahanda (Larawan 7-12), sinubukan naming isaalang-alang kung ano ang lactic acid bacteria, kung anong anyo ang katangian ng mga ito sa kasong ito. (Larawan 7-15)
kanin. 7 15. AFM - larawan ng lactic acid bacteria sa isang coverslip.
Oras ng pagpapapisa ng solusyon 5 min
kanin. 7 16. AFM - larawan ng isang chain ng lactic acid bacteria sa isang cover slip.
Oras ng pagpapapisa ng solusyon 5 min
Ang brine ay nailalarawan sa pamamagitan ng hugis ng baras na bakterya at ang pag-aayos sa anyo ng isang kadena.
kanin. 7 17. Window ng control program ng educational SPM NanoEducator.
Toolbar
Gamit ang mga tool ng programang pang-edukasyon na SPM NanoEducator, natukoy namin ang laki ng mga bacterial cell. Ang mga ito ay mula sa humigit-kumulang 0.5 × 1.6 µm
hanggang 0.8 × 3.5 µm.
Ang mga resultang nakuha ay inihambing sa data na ibinigay sa determinant ng bacteria Bergey [Lit. 7-3].
Ang lactic acid bacteria ay nabibilang sa lactobacilli (Lactobacillus). Ang mga selula ay hugis baras, karaniwang regular ang hugis. Ang mga patpat ay mahaba, kung minsan ay halos coccoid, kadalasan sa mga maikling tanikala. Mga sukat 0.5 - 1.2 X 1.0 - 10 microns. Hindi nabubuo ang pagtatalo; sa mga bihirang kaso, sila ay mobile dahil sa peritrichous flagella. Malawak na ipinamamahagi sa kapaligiran, lalo na matatagpuan sa mga pagkaing pinagmulan ng hayop at gulay. Ang lactic acid bacteria ay bahagi ng normal na microflora ng digestive tract. Alam ng lahat na ang sauerkraut, bilang karagdagan sa nilalaman ng mga bitamina sa loob nito, ay kapaki-pakinabang para sa pagpapabuti ng bituka microflora.
Disenyo ng isang scanning probe microscope NanoEducator
Sa Fig. 7-18 ay nagpapakita ng hitsura ng pagsukat ng ulo SPM NanoEducator at ang mga pangunahing elemento ng device na ginamit sa trabaho ay ipinahiwatig.
kanin. 7 18. Hitsura ng panukat na ulo SPM NanoEducator
1-base, 2-sample holder, 3-interaction sensor, 4-sensor fixing screw,
5-screw para sa manu-manong diskarte, 6-screw para sa paglipat ng scanner na may sample sa isang pahalang na eroplano, 7-proteksiyon na takip na may video camera
Sa Fig. Ipinapakita ng 7-19 ang disenyo ng ulo ng pagsukat. Sa base 1 mayroong isang scanner 8 na may isang sample holder 7 at isang mekanismo para sa pagdadala ng sample sa probe 2 batay sa isang stepper motor. Sa pang-edukasyon SPM NanoEducator ang sample ay naayos sa scanner, at ang sample ay na-scan na may kaugnayan sa nakapirming probe. Ang Probe 6, na naayos sa force interaction sensor 4, ay maaari ding lapitan sa sample gamit ang manual approach screw 3. Ang paunang pagpili ng lugar ng pag-aaral sa sample ay isinasagawa gamit ang screw 9.
kanin. 7 19. Konstruksyon ng SPM NanoEducator: 1 – base, 2 – approach na mekanismo,
3 - turnilyo ng manu-manong diskarte, 4 - sensor ng pakikipag-ugnayan, 5 - turnilyo sa pag-aayos ng sensor, 6 - probe,
7 - sample holder, 8 - scanner, 9, 10 - screws para sa paglipat ng scanner kasama ang sample
Pagsasanay SPM NanoEducator binubuo ng isang panukat na ulo na konektado ng mga cable, isang SPM controller at isang control computer. Ang mikroskopyo ay nilagyan ng isang video camera. Ang signal mula sa interaction sensor pagkatapos ng conversion sa preamplifier ay pumapasok sa SPM controller. Pamamahala ng trabaho SPM NanoEducator ay isinasagawa mula sa computer sa pamamagitan ng SPM controller.
Force interaction sensor at probe
Sa device NanoEducator Ang sensor ay ginawa sa anyo ng isang piezoceramic tube na may haba l=7 mm, diameter d=1.2 mm at kapal ng pader h\u003d 0.25 mm, mahigpit na naayos sa isang dulo. Ang isang conductive electrode ay idineposito sa panloob na ibabaw ng tubo. Dalawang electrically insulated semi-cylindrical electrodes ang idineposito sa panlabas na ibabaw ng tubo. Naka-attach sa libreng dulo ng tubo ay isang tungsten wire na may diameter
100 µm (Larawan 7-20).
kanin. 7 20. Ang disenyo ng unibersal na sensor ng NanoEducator
Ang libreng dulo ng wire na ginamit bilang probe ay dinudurog sa electrochemically, ang radius ng curvature ay 0.2 0.05 µm. Ang probe ay may electrical contact sa panloob na elektrod ng tubo na konektado sa grounded body ng instrumento.
Ang pagkakaroon ng dalawang panlabas na electrodes sa piezoelectric tube ay ginagawang posible na gamitin ang isang bahagi ng piezoelectric tube (itaas, alinsunod sa Fig. 7-21) bilang isang force interaction sensor (sensor ng mechanical vibrations), at gamitin ang iba pang bahagi bilang isang piezovibrator. Ang isang alternating electrical boltahe ay ibinibigay sa piezovibrator na may dalas na katumbas ng resonant frequency ng power sensor. Ang oscillation amplitude sa isang malaking tip-sample na distansya ay maximum. Tulad ng makikita mula sa Fig. 7-22, sa panahon ng proseso ng oscillation, ang probe ay lumihis mula sa equilibrium na posisyon sa pamamagitan ng isang halagang A o katumbas ng amplitude ng sapilitang mekanikal na mga oscillations nito (ito ay mga fraction ng isang micrometer), habang ang isang alternating electrical boltahe ay lilitaw sa ikalawang bahagi ng ang piezotube (oscillation sensor), proporsyonal sa displacement ng probe, na at sinusukat ng instrumento.
Kapag ang probe ay lumalapit sa ibabaw ng sample, ang probe ay nagsisimulang hawakan ang sample sa panahon ng oscillation. Ito ay humahantong sa isang pagbabago sa amplitude-frequency na katangian (AFC) ng sensor oscillations sa kaliwa kumpara sa AFC na sinusukat malayo sa ibabaw (Larawan 7-22). Dahil ang dalas ng pagmamaneho ng mga oscillations ng piezotube ay pinananatiling pare-pareho at katumbas ng oscillation frequency о sa libreng estado, kapag ang probe ay lumalapit sa ibabaw, ang amplitude ng mga oscillations nito ay bumababa at nagiging katumbas ng A. Ang oscillation amplitude na ito ay naitala mula sa ikalawang bahagi ng piezotube.
kanin. 7 21. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng piezoelectric tube
bilang isang sensor ng pakikipag-ugnayan ng puwersa
kanin. 7 22. Pagbabago sa dalas ng oscillation ng force sensor
kapag lumalapit sa sample surface
Scanner
Ang paraan ng pag-aayos ng mga micro-movement na ginagamit sa device NanoEducator, ay batay sa paggamit ng isang metal lamad na naka-clamp sa paligid ng perimeter, sa ibabaw kung saan ang isang piezoelectric plate ay nakadikit (Larawan 7-23 a). Ang pagbabago sa mga sukat ng piezoelectric plate sa ilalim ng pagkilos ng isang control boltahe ay hahantong sa isang baluktot ng lamad. Sa pamamagitan ng paglalagay ng gayong mga lamad sa tatlong patayong gilid ng kubo at pagkonekta sa kanilang mga sentro gamit ang mga metal pusher, maaari kang makakuha ng 3-coordinate scanner (Larawan 7-23 b).
kanin. 7 23. Prinsipyo ng pagpapatakbo (a) at disenyo (b) ng scanner ng NanoEducator
Ang bawat piezoelectric elemento 1, na nakapirming sa mga mukha ng kubo 2, kapag ang isang de-koryenteng boltahe ay inilapat dito, ay maaaring ilipat ang pusher 3 na nakakabit dito sa isa sa tatlong magkaparehong patayo na direksyon - X, Y o Z. Tulad ng makikita mula sa ang figure, lahat ng tatlong pusher ay konektado sa isang punto 4 Sa ilang pagtatantya, maaari nating ipagpalagay na ang puntong ito ay gumagalaw sa tatlong coordinate X, Y, Z. Ang rack 5 na may sample holder 6 ay nakakabit sa parehong punto. Kaya, ang sample ay gumagalaw kasama ang tatlong mga coordinate sa ilalim ng pagkilos ng tatlong independiyenteng pinagmumulan ng boltahe. Sa mga appliances NanoEducator ang maximum na displacement ng sample ay humigit-kumulang 5070 µm, na tumutukoy sa maximum na lugar ng pag-scan.
Mekanismo para sa awtomatikong paglapit ng probe sa sample (feedback capture)
Ang hanay ng paggalaw ng scanner sa kahabaan ng Z axis ay humigit-kumulang 10 µm; samakatuwid, bago mag-scan, kinakailangan na ilapit ang probe sa sample sa ganitong distansya. Para sa layuning ito, ang mekanismo ng diskarte ay idinisenyo, ang pamamaraan kung saan ay ipinapakita sa Fig. 7-19. Ang stepper motor 1, kapag ang mga electrical impulses ay inilapat dito, iniikot ang feed screw 2 at ginagalaw ang bar 3 gamit ang probe 4, na inilalapit o mas malayo sa sample 5 na naka-install sa scanner 6. Ang halaga ng isang hakbang ay mga 2 μm.
kanin. 7 24. Scheme ng mekanismo para sa paglapit sa probe sa sample surface
Dahil ang hakbang ng mekanismo ng diskarte ay makabuluhang lumampas sa halaga ng kinakailangang probe-sample na distansya sa panahon ng pag-scan, upang maiwasan ang pagpapapangit ng probe, ang diskarte nito ay isinasagawa sa sabay-sabay na operasyon ng stepper motor at paggalaw ng scanner kasama ang Z. axis ayon sa sumusunod na algorithm:
1. Ang feedback system ay naka-off at ang scanner ay "retracts", ibig sabihin, ibinababa ang sample sa mas mababang extreme na posisyon.
2. Ang mekanismo ng probe approach ay tumatagal ng isang hakbang at humihinto.
3. Naka-on ang feedback system, at maayos na itinataas ng scanner ang sample, habang sinusuri ang interaksyon ng probe-sample.
4. Kung walang interaksyon, inuulit ang proseso mula sa punto 1.
Kung may lumabas na signal na hindi zero habang hinihila pataas ang scanner, pipigilan ng feedback system ang pataas na paggalaw ng scanner at aayusin ang dami ng pakikipag-ugnayan sa isang partikular na antas. Ang laki ng force interaction kung saan titigil ang probe approach at ang proseso ng pag-scan ay magaganap sa device NanoEducator nailalarawan sa pamamagitan ng parameter Pagpigil ng amplitude (MalawakPagpigil) :
A=Ao. (1-Amplitude Suppression)
Pagkuha ng SPM image
Matapos tawagan ang programa NanoEducator ang pangunahing window ng programa ay lilitaw sa screen ng computer (Larawan 7-20). Dapat magsimula ang trabaho mula sa item sa menu file at sa loob nito ay pumili Bukas o Bago o ang kaukulang mga button sa toolbar (, ).
Pagpili ng pangkat file Bago nangangahulugang ang paglipat sa mga sukat ng SPM, at ang pagpili ng utos file Bukas nangangahulugang isang paglipat sa pagtingin at pagproseso ng dating natanggap na data. Binibigyang-daan ka ng program na tingnan at iproseso ang data nang kahanay sa mga sukat.
kanin. 7 25. NanoEducator pangunahing window
Matapos isagawa ang utos file Bago lalabas ang isang dialog box sa screen, na nagbibigay-daan sa iyong pumili o lumikha ng gumaganang folder kung saan ang mga resulta ng kasalukuyang pagsukat ay ise-save bilang default. Sa kurso ng mga sukat, ang lahat ng nakuhang data ay sunud-sunod na naitala sa mga file na may mga pangalan ScanData+i.spm, kung saan ang index i ay ni-reset sa zero kapag sinimulan ang programa at nadaragdagan sa bawat bagong sukat. Mga file ScanData+i.spm ay inilalagay sa gumaganang folder, na nakatakda bago ang simula ng mga sukat. Posibleng pumili ng ibang gumaganang folder sa panahon ng mga pagsukat. Upang gawin ito, pindutin ang pindutan , na matatagpuan sa toolbar ng pangunahing window ng programa at piliin ang item sa menu Baguhin ang gumaganang folder.
Upang i-save ang mga resulta ng kasalukuyang pagsukat, pindutin ang pindutan I-save bilang sa Scan window sa dialog box na lalabas, pumili ng folder at tukuyin ang pangalan ng file, habang ang file ScanData+i.spm, na nagsisilbing pansamantalang data save file sa panahon ng mga pagsukat, ay papalitan ng pangalan sa pangalan ng file na iyong tinukoy. Bilang default, ise-save ang file sa gumaganang folder na itinalaga bago magsimula ang mga sukat. Kung hindi mo ginagawa ang operasyon ng pag-save ng mga resulta ng pagsukat, pagkatapos ay sa susunod na simulan mo ang programa, ang mga resulta ay naitala sa mga pansamantalang file ScanData+i.spm, ay sunud-sunod na mapapatungan (maliban kung binago ang gumaganang direktoryo). Tungkol sa pagkakaroon ng mga pansamantalang file ng mga resulta ng pagsukat sa gumaganang folder, isang babala ang ibinibigay bago isara at pagkatapos simulan ang programa. Ang pagpapalit ng gumaganang folder bago simulan ang mga sukat ay nagbibigay-daan sa iyong protektahan ang mga resulta ng nakaraang eksperimento mula sa pagtanggal. Default na pangalan ScanData maaaring baguhin sa pamamagitan ng pagtukoy nito sa window ng pagpili ng gumaganang folder. Ang window para sa pagpili ng isang gumaganang folder ay tinatawag kapag pinindot ang pindutan. , na matatagpuan sa toolbar ng pangunahing window ng programa. Maaari mo ring i-save ang mga resulta ng pagsukat sa window I-scan ang Browser, pagpili ng mga kinakailangang file nang paisa-isa at i-save ang mga ito sa napiling folder.
Posibleng i-export ang mga resultang nakuha gamit ang NanoEducator sa ASCII at Nova (NTMDT) na mga format, na maaaring i-import ng NTMDT Nova, Image Analysis at iba pang mga programa. I-scan ang mga larawan, data ng kanilang mga cross section, mga resulta ng spectroscopy measurements ay ini-export sa ASCII format. Upang mag-export ng data, i-click ang button I-export matatagpuan sa toolbar ng pangunahing window ng application, o piliin I-export sa menu item file window na ito at piliin ang naaangkop na format ng pag-export. Ang data para sa pagproseso at pagsusuri ay maaaring agad na ipadala sa paunang inilunsad na programa ng Pagsusuri ng Larawan.
Pagkatapos isara ang dialog window, ang instrument control panel ay ipinapakita sa screen.
(Larawan 7-26).
kanin. 7 26. Control panel ng instrumento
Sa kaliwang bahagi ng control panel ng instrumento mayroong mga pindutan para sa pagpili ng configuration ng SPM:
SSM– scanning force microscope (SFM)
STM– pag-scan ng tunneling microscope (STM).
Ang pagsasagawa ng mga sukat sa pagsasanay ng SPM NanoEducator ay binubuo sa pagsasagawa ng mga sumusunod na operasyon:
1. Pag-install ng sample
PANSIN! Bago ipasok ang sample, kinakailangang tanggalin ang sensor na may probe upang hindi makapinsala sa probe.
Mayroong dalawang paraan upang ayusin ang sample:
sa isang magnetic table (sa kasong ito, ang sample ay dapat na naka-attach sa isang magnetic substrate);
sa double-sided adhesive tape.
PANSIN! Upang i-install ang sample sa double-sided adhesive tape, kinakailangang tanggalin ang holder mula sa rack (upang hindi masira ang scanner), at pagkatapos ay i-screw ito pabalik hanggang sa huminto ito nang bahagya.
Sa kaso ng magnetic mount, maaaring baguhin ang sample nang hindi inaalis ang takip sa sample holder.
2. Pag-install ng probe
PANSIN! Palaging i-install ang sensor gamit ang probe pagkatapos ilagay ang sample.
Pagkatapos piliin ang nais na probe sensor (hawakan ang probe sa pamamagitan ng mga metal na gilid ng base) (tingnan ang Fig. 7-27), paluwagin ang probe probe fixation screw 2 sa panukat na takip ng ulo, ipasok ang probe sa holder socket hanggang sa tumigil ito. , i-screw ang fixation screw clockwise hanggang sa bahagyang huminto ito.
kanin. 7 27. Pag-install ng probe
3. Pagpili ng Scan Location
Kapag pumipili ng isang site para sa pagsasaliksik sa isang sample, gamitin ang mga turnilyo para sa paglipat ng two-coordinate table na matatagpuan sa ibaba ng device.
4. Preliminary approach ng probe sa sample
Ang paunang operasyon ng diskarte ay hindi obligado para sa bawat pagsukat, ang pangangailangan para sa pagpapatupad nito ay depende sa distansya sa pagitan ng sample at ang dulo ng probe. Ito ay kanais-nais na isagawa ang paunang operasyon ng diskarte kung ang distansya sa pagitan ng dulo ng probe at ang ibabaw ng sample ay lumampas sa 0.51 mm. Kapag gumagamit ng isang awtomatikong diskarte ng probe sa sample mula sa isang malaking distansya sa pagitan ng mga ito, ang proseso ng diskarte ay aabutin ng napakatagal na panahon.
Gamitin ang hand screw upang ibaba ang probe habang biswal na kinokontrol ang distansya sa pagitan nito at ng sample na ibabaw.
5. Pagbuo ng resonance curve at pagtatakda ng operating frequency
Ang operasyong ito ay kinakailangang isagawa sa simula ng bawat pagsukat, at hanggang sa ito ay maisagawa, ang paglipat sa karagdagang mga hakbang sa pagsukat ay hinarangan. Bilang karagdagan, sa panahon ng proseso ng pagsukat, kung minsan ay lumitaw ang mga sitwasyon na nangangailangan ng muling pagsasagawa ng operasyong ito (halimbawa, kapag nawala ang contact).
Tinatawag ang resonance search window sa pamamagitan ng pagpindot sa button sa instrument control panel. Ang pagsasagawa ng operasyong ito ay nagsasangkot ng pagsukat ng amplitude ng probe oscillations kapag ang dalas ng sapilitang mga oscillations, na itinakda ng generator, ay nagbabago. Upang gawin ito, pindutin ang pindutan TAKBO(Larawan 7-28).
|
|
kanin. 7 28. Resonance search operation window at setting ng operating frequency:
a) - awtomatikong mode, b) - manu-manong mode
Nasa mode Auto ang dalas ng oscillator ay awtomatikong itinakda na katumbas ng dalas kung saan naobserbahan ang pinakamataas na amplitude ng mga probe oscillations. Ang isang graph na nagpapakita ng pagbabago sa amplitude ng probe oscillations sa isang ibinigay na hanay ng dalas (Fig. 7-28a) ay nagbibigay-daan sa iyo upang obserbahan ang hugis ng resonant peak. Kung ang resonance peak ay hindi sapat na binibigkas, o ang amplitude sa resonance frequency ay maliit ( mas mababa sa 1V), pagkatapos ito ay kinakailangan upang baguhin ang mga parameter ng pagsukat at muling tukuyin ang resonant frequency.
Ang mode na ito ay inilaan para sa Manwal. Kapag napili ang mode na ito sa window Pagtukoy sa dalas ng resonant lalabas ang karagdagang panel
(Larawan 7-28b), na nagpapahintulot sa iyo na ayusin ang mga sumusunod na parameter:
Probe swing boltahe ibinigay ng generator. Inirerekomenda na itakda ang halagang ito sa pinakamababa (pababa sa zero) at hindi hihigit sa 50 mV.
Amplitude gain ( Amplitude gain). Kung ang probe oscillation amplitude ay hindi sapat (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Amplitude gain.
Upang simulan ang operasyon ng paghahanap ng resonance, pindutin ang pindutan Magsimula.
Mode Manwal pinapayagan kang manu-manong baguhin ang napiling dalas sa pamamagitan ng paggalaw ng berdeng cursor sa graph gamit ang mouse, pati na rin linawin ang likas na katangian ng pagbabago sa amplitude ng oscillation sa isang makitid na hanay ng mga halaga sa paligid ng napiling dalas (upang gawin ito, kailangan mong itakda ang switch Manual mode sa posisyon Eksakto at pindutin ang pindutan Magsimula).
6. Pagkuha ng pakikipag-ugnayan
Upang makuha ang pakikipag-ugnayan, ang pamamaraan ng kinokontrol na diskarte ng probe at ang sample ay isinasagawa gamit ang automated approach na mekanismo. Ang control window para sa pamamaraang ito ay tinatawag sa pamamagitan ng pagpindot sa pindutan sa control panel ng instrumento. Kapag nagtatrabaho sa CCM, magiging available ang button na ito pagkatapos isagawa ang operasyon sa paghahanap at itakda ang resonant frequency. Bintana CCM, Nangunguna(Larawan 7-29) ay naglalaman ng mga kontrol ng probe approach, pati na rin ang mga indikasyon ng parameter na nagbibigay-daan sa iyong pag-aralan ang progreso ng pamamaraan.
kanin. 7 29. Probe approach window
Sa bintana panustos Ang gumagamit ay may kakayahang subaybayan ang mga sumusunod na halaga:
extension ng scanner ( ScannerZ) kasama ang Z axis na may kaugnayan sa maximum na posible, na kinuha bilang isang yunit. Ang halaga ng kamag-anak na pagpahaba ng scanner ay nailalarawan sa pamamagitan ng antas ng pagpuno ng kaliwang tagapagpahiwatig na may kulay na naaayon sa lugar kung saan kasalukuyang matatagpuan ang scanner: berde - lugar ng pagtatrabaho, asul - sa labas ng lugar ng pagtatrabaho, pula - ang scanner ay masyadong malapit sa sample na ibabaw, na maaaring humantong sa pagpapapangit ng probe. Sa huling kaso, ang programa ay naglalabas ng isang naririnig na babala;
probe oscillation amplitude may kaugnayan sa amplitude ng mga oscillations nito sa kawalan ng pakikipag-ugnayan ng puwersa, kinuha bilang pagkakaisa. Ang halaga ng kamag-anak na amplitude ng mga oscillations ng probe ay ipinapakita sa tamang tagapagpahiwatig ng antas ng pagpuno nito sa burgundy. Pahalang na marka sa tagapagpahiwatig Probe oscillation amplitude ay nagpapahiwatig ng antas, kapag dumadaan kung saan isinasagawa ang pagsusuri ng estado ng scanner at ang awtomatikong output nito sa posisyon ng pagtatrabaho;
bilang ng mga hakbang ( Wagi) pumasa sa isang partikular na direksyon: Diskarte - diskarte, Pagbawi - pag-alis.
Bago simulan ang proseso ng pagbaba ng probe, dapat mong:
Suriin kung ang mga parameter ng diskarte ay naitakda nang tama:
Feedback Gain pakinabang ng OS nakatakda sa halaga 3 ,
Siguraduhin ang parameter pagpigilAmplitude (Force) ay may halaga na humigit-kumulang 0.2 (tingnan ang Fig. 7-29). Kung hindi, pindutin ang pindutan Puwersa at sa bintana Pagtatakda ng Mga Parameter ng Pakikipag-ugnayan (Larawan 7-30) itakda ang halaga pagpigilmalawak pantay 0.2. Para sa isang mas pinong diskarte, ang halaga ng parameter pagpigilmalawak baka onti .
Suriin kung tama ang mga setting sa window ng mga parameter Mga pagpipilian, pahina Mga parameter ng diskarte.
Kung mayroong pakikipag-ugnayan o wala ay maaaring matukoy ng kaliwang indicator ScannerZ. Buong extension ng scanner (ang buong indicator ScannerZ kulay sa asul), pati na rin ang isang ganap na shaded burgundy indicator Probe oscillation amplitude(Larawan 7-29) ay nagpapahiwatig ng walang pakikipag-ugnayan. Pagkatapos isagawa ang paghahanap para sa resonance at pagtatakda ng operating frequency, ang amplitude ng libreng vibrations ng probe ay kinuha bilang pagkakaisa.
Kung ang scanner ay hindi ganap na pinahaba bago o habang lumalapit, o ang programa ay nagpapakita ng isang mensahe: 'Error! Masyadong malapit ang probe sa sample. Suriin ang mga parameter ng diskarte o ang pisikal na node. Gusto mong lumipat sa isang ligtas na lugar" , inirerekumenda na suspindihin ang pamamaraan ng diskarte at:
a. baguhin ang isa sa mga opsyon:
dagdagan ang dami ng pakikipag-ugnayan, parameter pagpigilmalawak, o
dagdagan ang halaga pakinabang ng OS, o
dagdagan ang oras ng pagkaantala sa pagitan ng mga hakbang ng diskarte (parameter Oras ng pagsasama Sa pahina Mga parameter ng diskarte bintana Mga pagpipilian).
b. dagdagan ang distansya sa pagitan ng dulo ng probe at ng sample (upang gawin ito, sundin ang mga hakbang na inilarawan sa talata at isagawa ang operasyon Resonance, pagkatapos ay bumalik sa pamamaraan panustos.
kanin. 7 30. Window para sa pagtatakda ng halaga ng interaksyon sa pagitan ng probe at ng sample
Pagkatapos makuha ang pakikipag-ugnayan, ang mensaheng " Nakumpleto ang lead”.
Kung kinakailangan na lumapit sa isang hakbang, pindutin ang pindutan. Sa kasong ito, ang hakbang ay isasagawa muna, at pagkatapos ay ang pamantayan para sa pagkuha ng pakikipag-ugnayan ay susuriin. Upang ihinto ang paggalaw, pindutin ang pindutan. Upang maisagawa ang operasyon ng pagbawi, dapat mong pindutin ang pindutan para sa mabilis na pagbawi
o pindutin ang button para sa mabagal na pagbawi. Kung kinakailangan, bawiin ng isang hakbang, pindutin ang pindutan. Sa kasong ito, ang hakbang ay isasagawa muna, at pagkatapos ay ang pamantayan para sa pagkuha ng pakikipag-ugnayan ay susuriin.
7. I-scan
Matapos makumpleto ang pamamaraan ng diskarte ( panustos) at pagkuha ng pakikipag-ugnayan, magiging available ang pag-scan (button sa window ng control panel ng instrumento).
Sa pamamagitan ng pagpindot sa button na ito (ang view ng scanning window ay ipinapakita sa Fig. 7-31), direktang nagpapatuloy ang user sa pagsukat at pagkuha ng mga resulta ng pagsukat.
Bago isagawa ang proseso ng pag-scan, kailangan mong itakda ang mga parameter ng pag-scan. Nakapangkat ang mga opsyong ito sa kanang bahagi ng tuktok na bar ng window. Pag-scan.
Sa unang pagkakataon pagkatapos simulan ang programa, naka-install ang mga ito bilang default:
I-scan ang lugar - Rehiyon (Xnm*Ynm): 5000*5000nm;
Dami ng puntosmga sukat sa kahabaan ng mga palakol- X, Y: NX=100, New York=100;
I-scan ang Landas - Direksyon tumutukoy sa direksyon ng pag-scan. Pinapayagan ka ng programa na piliin ang direksyon ng fast scan axis (X o Y). Kapag nagsimula ang program, nag-i-install ito Direksyon
Pagkatapos itakda ang mga parameter ng pag-scan, dapat mong i-click ang pindutan Mag-apply upang kumpirmahin ang input ng mga parameter at ang pindutan Magsimula upang simulan ang pag-scan.
kanin. 7 31. Window para sa pamamahala ng proseso at pagpapakita ng mga resulta ng CCM scanning
7.4 Mga Alituntunin
Basahin ang manwal ng gumagamit [Ref. 7-4].
7.5.Kaligtasan
Ang device ay pinapagana ng boltahe na 220 V. Ang NanoEducator scanning probe microscope ay dapat na paandarin alinsunod sa PTE at PTB ng mga consumer electrical installation na may boltahe hanggang 1000 V.
7.6 Gawain
1. Maghanda ng iyong sariling biological sample para sa pag-aaral ng SPM.
2. Isagawa ang pangkalahatang disenyo ng NanoEducator.
3. Maging pamilyar sa NanoEducator control program.
4. Kunin ang unang larawan ng SPM sa ilalim ng pangangasiwa ng isang guro.
5. Iproseso at suriin ang resultang larawan. Anong mga uri ng bakterya ang karaniwang para sa iyong solusyon? Ano ang tumutukoy sa hugis at sukat ng mga bacterial cell?
6. Kunin ang Burgey's Bacteria Key at ihambing ang mga resulta sa mga inilarawan doon.
7.7. Kontrolin ang mga tanong
1. Ano ang mga pamamaraan sa pag-aaral ng mga biyolohikal na bagay?
2. Ano ang scanning probe microscopy? Anong prinsipyo ang pinagbabatayan nito?
3. Pangalanan ang mga pangunahing bahagi ng SPM at ang layunin nito.
4. Ano ang piezoelectric effect at paano ito inilalapat sa SPM. Ilarawan ang iba't ibang disenyo ng mga scanner.
5. Ilarawan ang pangkalahatang disenyo ng NanoEducator.
6. Ilarawan ang force interaction sensor at ang prinsipyo ng operasyon nito.
7. Ilarawan ang mekanismo para sa paglapit sa probe sa sample sa NanoEducator. Ipaliwanag ang mga parameter na tumutukoy sa lakas ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng probe at ng sample.
8. Ipaliwanag ang prinsipyo ng pag-scan at ang pagpapatakbo ng feedback system. Sabihin sa amin ang tungkol sa pamantayan para sa pagpili ng mga opsyon sa pag-scan.
7.8 Panitikan
Lit. 7 1. Paul de Kruy. Mga mangangaso ng mikrobyo. M. Terra. 2001.
Lit. 7 2. Gabay sa mga praktikal na pagsasanay sa microbiology. Sa ilalim ng pag-edit ni Egorov N.S. Moscow: Nauka, 1995.
Lit. 7 3. Holt J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Determinant ng bacteria Burgey. M.: Mir, 1997. Vol. Blg. 2. C. 574.
Lit. 7 4. Manwal sa paggamit ng instrumento NanoEducator.. Nizhny Novgorod. Scientific at educational center...
Mga tala sa panayam sa kursong "Pag-scan ng probe microscopy sa biology" Plano ng lektura
Abstract... pag-scanprobemikroskopya sa biology" Plano ng mga lektura: Panimula, kasaysayan ng mga hangganan ng SPM mga aplikasyon... at mga nanostructure, pananaliksikbiyolohikalmga bagay: Mga nagwagi ng Nobel... para sapananaliksik tiyak na sample: B pag-scanprobemikroskopyapara sa ...
Paunang programa ng xxiii Russian conference sa electron microscopy Hunyo 1 Martes ng umaga 10 00 – 14 00 pagbubukas ng kumperensya ng panimulang pananalita
ProgramaB.P. Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, V.I. Popenko Aplikasyonprobe at confocal pag-scanmikroskopyapara sapananaliksik mga proseso ng pag-aayos gamit ang nanodispersed grafts...
Mga Paraan ng 1st All-Russian Scientific Conference para sa Pag-aaral ng Komposisyon at Istraktura ng Mga Materyal na Gumagamit
DokumentoMULTI-ELEMENT MGA BAGAY HINDI-REFERENCE... Lyakhov N.Z. PANANALIKSIK NANOCOMPOSITES BIOLOHIKAL ACTIVE... Aliev V.Sh. APLIKASYON PARAAN PROBEMICROSCOPIESPARA SAPANANALIKSIK EPEKTO... PAG-SCAN CALORIMETRY AT THERMMOSTIMULATED CURRENS PARA SAPANANALIKSIK ...
(Ingles) Pag-scan ng Electron Microscope, SEM) ay isang aparato na nagbibigay-daan sa iyo upang makakuha ng mga larawan ng ibabaw ng sample na may mataas na resolution (mas mababa sa isang micrometer). Ang mga larawang nakuha gamit ang isang scanning electron microscope ay tatlong-dimensional at maginhawa para sa pag-aaral ng istraktura ng isang na-scan na ibabaw. Ang isang bilang ng mga karagdagang pamamaraan (EDX, WDX-pamamaraan) ay ginagawang posible upang makakuha ng impormasyon sa kemikal na komposisyon ng malapit sa ibabaw na mga layer.
Prinsipyo ng operasyon
Ang sample sa ilalim ng pag-aaral ay ini-scan sa ilalim ng pang-industriyang mga kondisyon ng vacuum sa pamamagitan ng isang nakatutok na medium-energy electron beam. Depende sa mekanismo ng pag-record ng signal, ang ilang mga operating mode ng isang scanning electron microscope ay nakikilala: reflected electron mode, secondary electron mode, cathodoluminescence mode, atbp. Ang binuo na mga diskarte ay nagbibigay-daan hindi lamang upang pag-aralan ang mga katangian ng sample na ibabaw, ngunit din upang maisalarawan at kumuha ng impormasyon tungkol sa mga katangian ng mga istruktura sa ilalim ng ibabaw, na matatagpuan sa lalim ng ilang micron mula sa na-scan na ibabaw.
Mga mode ng pagpapatakbo
Pangalawang electron detection
Ang radiation na bumubuo sa imahe ng sample surface sa karamihan ng mga modelo ng instrumento ay ang mga pangalawang electron na pumapasok sa Everhart-Thornley type detector, kung saan nabuo ang pangunahing imahe, na, pagkatapos ng pagproseso ng software-processor, ay pumapasok sa screen ng monitor. Tulad ng transmission electron microscopes, ginamit dati ang pelikula para sa pagkuha ng litrato. Ang camera ay nakunan ng mga larawan sa isang high-definition na black-and-white na screen ng isang cathode ray tube. Ngayon, ang nabuong imahe ay ipinapakita lamang sa window ng interface ng computer program na kumokontrol sa mikroskopyo, at pagkatapos na ituon ng operator, maaari itong i-save sa hard disk ng computer. Ang imahe na nabuo sa pamamagitan ng pag-scan ng mga mikroskopyo ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na kaibahan at lalim ng focus. Sa ilang mga modelo ng mga modernong device, salamat sa paggamit ng teknolohiyang multibeam at paggamit ng espesyal na software, posibleng makakuha ng 3D na imahe ng ibabaw ng bagay na pinag-aaralan. Halimbawa, ang mga naturang mikroskopyo ay ginawa ng kumpanyang Hapon na JEOL.
pahintulot
Ang spatial na resolution ng isang scanning electron microscope ay depende sa transverse size ng electron beam, na depende naman sa mga katangian ng electron-optical system na nakatutok sa beam. Ang resolusyon ay limitado rin sa laki ng lugar ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng electron probe at sample, iyon ay, mula sa target na materyal. Ang laki ng electron probe at ang laki ng rehiyon ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng probe at sample ay mas malaking distansya sa pagitan ng mga target na atom, kaya ang resolution ng scanning electron microscope ay hindi sapat na malaki upang ipakita ang mga atomic na kaliskis, hangga't maaari, halimbawa, sa isang transmission electron microscope. Gayunpaman, ang scanning electron microscope ay may mga pakinabang nito, kabilang ang kakayahang makita ang isang medyo malaking lugar ng sample, ang kakayahang suriin ang napakalaking target (hindi lamang manipis na mga pelikula), at iba't ibang mga analytical na pamamaraan na nagpapahintulot sa isang tao na pag-aralan ang pangunahing katangian ng target na materyal. Depende sa partikular na aparato at mga parameter ng eksperimento, posibleng makamit ang mga halaga ng resolusyon mula sampu hanggang sa mga yunit ng nanometer.
Aplikasyon
Pangunahing ginagamit ang mga scanning microscope bilang tool sa pananaliksik sa physics, materials science, electronics, at biology. Pangunahin upang makakuha ng isang imahe ng sample ng pagsubok, na maaaring mag-iba nang malaki depende sa uri ng detector na ginagamit. Ginagawang posible ng mga pagkakaibang ito sa mga nakuhang larawan na makagawa ng mga konklusyon tungkol sa mga pisikal na katangian ng ibabaw, upang magsagawa ng mga pag-aaral ng topograpiya sa ibabaw. Ang electron microscope ay halos ang tanging instrumento na maaaring magbigay ng isang imahe ng ibabaw ng isang modernong microchip o isang intermediate na yugto ng proseso ng photolithography.
Para sa isang detalyadong pag-aaral ng ibabaw ng solids, mayroong maraming iba't ibang mga pamamaraan. Ang mikroskopya, bilang isang paraan ng pagkuha ng isang pinalaki na imahe, ay nagmula noong ika-15 siglo. noong unang ginawa ang simpleng magnifying glass para pag-aralan ang mga insekto. Sa pagtatapos ng siglo XVII. Si Antonio van Leeuwenhoek ay gumawa ng optical microscope, na naging posible upang maitaguyod ang pagkakaroon ng mga indibidwal na selula, pathogenic microbes at bacteria. Nasa ika-20 siglo na, binuo ang mga pamamaraan ng mikroskopya gamit ang mga electron at ion beam.
Sa lahat ng mga pamamaraan na inilarawan, ang sumusunod na prinsipyo ay inilalapat: pag-iilaw ng bagay na pinag-aaralan na may isang stream ng mga particle at ang kasunod na pagbabago nito. Ang pag-scan ng probe microscopy ay gumagamit ng ibang prinsipyo - sa halip na probing particle, gumagamit ito ng mechanical probe, isang karayom. Sa matalinghagang pagsasalita, maaari nating sabihin na kung ang isang sample ay susuriin sa isang optical o electron microscope, pagkatapos ay sa isang SPM ito ay nararamdaman.
Ang isa pang mahalagang prinsipyo na makikita sa pangalan ng pamamaraan ng SPM ay ang prinsipyo ng pag-scan, i.e. pagkuha ng hindi karaniwang impormasyon tungkol sa bagay ng pag-aaral, ngunit discrete (mula sa punto hanggang punto, mula sa linya hanggang linya) na paggalaw ng probe at pagbabasa ng impormasyon sa bawat punto.
Ang pangkalahatang disenyo ng isang scanning probe microscope ay ipinapakita sa Fig. 1.
Mga uri ng sensor.
Ang pag-scan ng probe microscopy ay batay sa pagtuklas ng lokal na pakikipag-ugnayan na nangyayari sa pagitan ng probe at sa ibabaw ng sample ng pagsubok kapag lumalapit sila sa isa't isa hanggang sa layong ~l, kung saan ang l ay ang katangiang haba ng pagkabulok ng "probe-sample" pakikipag-ugnayan. Depende sa likas na katangian ng interaksyon ng "probe-sample", mayroong: pag-scan ng tunneling microscope (STM, tunneling current ay nakita), scanning force microscope (SFM, force interaction ay nakita), near-field scanning optical microscope (SNOM, electromagnetic nakita ang radiation), atbp. Ang scanning force microscopy, naman, ay nahahati sa atomic force microscopy (AFM), magnetic force microscopy (MSM), electric force microscopy (ESM) at iba pa, depende sa uri ng force interaction.
kanin. 2.
Kapag sinusukat ang kasalukuyang tunnel sa isang sensor ng tunnel (Larawan 2), ginagamit ang isang kasalukuyang-boltahe na converter (CVT), na kasama sa kasalukuyang circuit ng daloy sa pagitan ng mga probes at sample. Dalawang opsyon sa paglipat ang posible: na may grounded probe, kapag ang isang bias na boltahe ay inilapat sa sample na may kaugnayan sa grounded probe, o may grounded sample, kapag ang isang bias na boltahe ay inilapat sa probe na may kaugnayan sa sample.
kanin. 2.
Ang tradisyunal na force interaction sensor ay isang silicon microbeam, isang cantilever o cantilever (mula sa English na cantilever - cantilever) na may optical scheme para sa pag-detect ng magnitude ng cantilever bend na nangyayari dahil sa force interaction sa pagitan ng sample at ng probe na matatagpuan sa dulo ng cantilever (Larawan 3).
May mga paraan ng contact, non-contact at intermittent-contact (“semi-contact”) sa pagsasagawa ng force microscopy. Ang paggamit ng paraan ng pakikipag-ugnay ay ipinapalagay na ang probe ay nakasalalay sa sample. Kapag ang cantilever ay baluktot sa ilalim ng pagkilos ng mga puwersa ng pakikipag-ugnay, ang laser beam na makikita mula dito ay inilipat sa gitna ng quadrant photodetector. Kaya, ang pagpapalihis ng cantilever ay maaaring matukoy mula sa kamag-anak na pagbabago sa pag-iilaw ng upper at lower halves ng photodetector.
Kapag gumagamit ng non-contact na paraan, ang probe ay inalis mula sa ibabaw at nasa lugar ng pagkilos ng mga long-range na kaakit-akit na pwersa. Ang mga kaakit-akit na puwersa at ang kanilang mga gradient ay mas mahina kaysa sa mga puwersang nakakaakit sa pakikipag-ugnay. Samakatuwid, ang isang modulasyon na pamamaraan ay karaniwang ginagamit upang makita ang mga ito. Upang gawin ito, gamit ang isang piezovibrator, ang cantilever ay umiindayog nang patayo sa resonant frequency. Malayo sa ibabaw, ang amplitude ng mga oscillations ng cantilever ay may pinakamataas na halaga. Habang papalapit ito sa ibabaw, dahil sa pagkilos ng gradient ng mga puwersa ng atraksyon, nagbabago ang resonant frequency ng mga oscillations ng cantilever, habang bumababa ang amplitude ng mga oscillations nito. Ang amplitude na ito ay naitala gamit ang isang optical system sa pamamagitan ng kamag-anak na pagbabago sa variable na pag-iilaw ng upper at lower halves ng photodetector.
Gamit ang "semi-contact" na paraan ng mga sukat, ginagamit din ang isang modulation technique para sa pagsukat ng force interaction. Sa mode na "semi-contact", ang probe ay bahagyang humipo sa ibabaw, na halili pareho sa lugar ng atraksyon at sa lugar ng pagtanggi.
May iba pang mas simpleng paraan para sa pag-detect ng force interaction, kung saan ang force interaction ay direktang na-convert sa electrical signal. Ang isa sa mga pamamaraang ito ay batay sa paggamit ng direktang epekto ng piezoelectric, kapag ang baluktot ng isang piezoelectric na materyal sa ilalim ng pagkilos ng pakikipag-ugnayan ng puwersa ay humahantong sa hitsura ng isang de-koryenteng signal.
