7.Pásztázó szonda mikroszkóp alkalmazása biológiai objektumok tanulmányozására

7. Pásztázó szonda mikroszkóp alkalmazása biológiai objektumok vizsgálatára 1

7.1. A munka céljai 2

7.2. Tájékoztatás az edző számára 3

7.4. Irányelvek 31

7.5. Biztonság 32

7.6. 32. feladat

7.7. Tesztkérdések 32

7.8. Irodalom 32

A laboratóriumi munkát a Nyizsnyij Novgorod Állami Egyetem fejlesztette ki. N.I. Lobacsevszkij

7.1 A munka céljai

A biológiai struktúrák morfológiai paramétereinek vizsgálata a biológusok fontos feladata, hiszen egyes struktúrák mérete és alakja nagyban meghatározza élettani tulajdonságaikat. A morfológiai adatokat a funkcionális jellemzőkkel összehasonlítva teljes körű információhoz juthatunk az élő sejtek részvételéről az emberi vagy állati szervezet élettani egyensúlyának fenntartásában.

Korábban a biológusoknak és az orvosoknak csak optikai és elektronmikroszkóppal volt lehetőségük készítményeiket tanulmányozni. Ezek a vizsgálatok bizonyos képet adtak a fixált, festett és porlasztással nyert vékony fémbevonatú sejtek morfológiájáról. Az élő tárgyak morfológiáját, változásait különféle tényezők hatására nem lehetett vizsgálni, de nagyon csábító volt.

A pásztázószondás mikroszkópia (SPM) új lehetőségeket nyitott meg a sejtek, baktériumok, biológiai molekulák, DNS vizsgálatában, a natívokhoz a lehető legközelebb eső körülmények között. Az SPM lehetővé teszi a biológiai tárgyak tanulmányozását speciális fixálószerek és színezékek nélkül, levegőben vagy akár folyékony közegben.

Jelenleg az SPM-et számos tudományágban használják, mind az alapkutatásban, mind az alkalmazott csúcstechnológiai fejlesztésekben. Az országban számos kutatóintézet van felszerelve szondamikroszkópos berendezéssel. E tekintetben a magasan képzett szakemberek iránti kereslet folyamatosan növekszik. Ennek kielégítésére az NT-MDT (Zelenograd, Oroszország) speciális oktatási és tudományos laboratóriumot fejlesztett ki a pásztázó szonda mikroszkópiára. NanoEducator.

SPM NanoEducator kifejezetten a diákok laboratóriumi munkáihoz készült. Ez az eszköz a hallgatói közönségnek szól: teljes mértékben számítógéppel vezérelhető, egyszerű és intuitív felülettel, animációtámogatással rendelkezik, a technikák lépésről lépésre történő elsajátítását, a bonyolult beállítások és az olcsó fogyóeszközök hiányát feltételezi.

Ebben a laboratóriumi munkában megismerkedhet a pásztázó szonda mikroszkóppal, megismerkedhet annak alapjaival, tanulmányozhatja az oktatási rendszer kialakítását és működési elveit. SPM NanoEducator, tanulja meg a biológiai preparátumok elkészítését a kutatáshoz, készítse el az első SPM-képet egy tejsavbaktérium komplexről és sajátítsa el a mérési eredmények feldolgozásának és bemutatásának alapjait.

7.2 Tájékoztatás az oktató számára 1

A laboratóriumi munka több szakaszban történik:

1. A mintaelőkészítést minden tanuló egyénileg végzi.

2. Az első kép készítése egy készüléken történik tanári felügyelet mellett, majd minden tanuló önállóan megvizsgálja a mintáját.

3. A kísérleti adatok feldolgozását minden tanuló egyénileg végzi.

Minta kutatáshoz: tejsavbaktériumok fedőlemezen.

A munka megkezdése előtt ki kell választani a legjellemzőbb amplitúdó-frekvencia karakterisztikával rendelkező szondát (egy szimmetrikus maximum), hogy képet kapjunk a vizsgált minta felületéről.

A laboratóriumi jelentésnek tartalmaznia kell:

1. elméleti rész (válaszok ellenőrző kérdésekre).

2. a kísérleti rész eredményei (az elvégzett kutatás leírása, a kapott eredmények és a levont következtetések).

1. A biológiai objektumok morfológiájának vizsgálati módszerei.

2. Pásztázó szonda mikroszkóp:

SPM tervezés;

SPM fajták: STM, ASM;

SPM adatformátum, SPM adatvizualizáció.

3. Minták előkészítése SPM vizsgálatokhoz:

a baktériumsejtek morfológiája és szerkezete;

morfológia tanulmányozására szolgáló preparátumok készítése SPM segítségével.

4. Ismerkedés az SPM NanoEducator tervezési és vezérlési programjával.

5. SPM-kép beszerzése.

6. A kapott képek feldolgozása, elemzése. SPM képek kvantitatív jellemzése.

A biológiai objektumok morfológiájának vizsgálati módszerei

A jellegzetes sejtátmérő 10  20 µm, a baktériumok 0,5-3-5 µm, ezek az értékek 5-ször kisebbek, mint a szabad szemmel látható legkisebb részecske. Ezért a sejtek első vizsgálata csak az optikai mikroszkópok megjelenése után vált lehetségessé. A 17. század végén. Antonio van Leeuwenhoek készítette az első optikai mikroszkópot, azelőtt az emberek nem is sejtették, hogy kórokozó mikrobák és baktériumok léteznek [Ref. 7-1].

Optikai mikroszkópia

A sejtek vizsgálatának nehézségei azzal függnek össze, hogy színtelenek és átlátszóak, így alapvető szerkezetük feltárására csak a színezékek gyakorlati bevezetése után került sor. A festékek megfelelő képkontrasztot biztosítottak. Optikai mikroszkóp segítségével megkülönböztethetők az egymástól 0,2 µm távolságra lévő tárgyak, pl. az optikai mikroszkóp alatt még megkülönböztethető legkisebb objektumok a baktériumok és a mitokondriumok. A kisebb sejtelemek képét a fény hullámszerű jellege okozta hatások torzítják.

Hosszan tartó készítmények készítéséhez a sejteket fixáló szerrel kezeljük, immobilizálásuk és tartósításuk érdekében. Ezenkívül a rögzítés növeli a festékek elérhetőségét a sejtek számára, mert A sejtek makromolekuláit keresztkötések tartják össze, ami stabilizálja és rögzíti őket egy bizonyos helyzetben. Leggyakrabban az aldehidek és alkoholok fixálószerként működnek (például a glutáraldehid vagy formaldehid kovalens kötéseket képez a fehérjék szabad aminocsoportjaival, és keresztkötéseket köt a szomszédos molekulákkal). Rögzítés után a szöveteket mikrotommal általában nagyon vékony (1-10 μm vastag) metszetekre vágják, majd tárgylemezre helyezik. Ez az előállítási mód károsíthatja a sejtek vagy a makromolekulák szerkezetét, ezért a gyorsfagyasztás az előnyben részesített módszer. A fagyasztott szövetet egy hidegkamrába helyezett mikrotommal vágják. A metszetek elkészítése után a sejteket megfestjük. Főleg szerves színezékeket használnak erre a célra (malachit zöld, szudánfekete stb.). Mindegyiket bizonyos affinitás jellemzi a sejtkomponensekhez, például a hematoxilin affinitást mutat a negatív töltésű molekulákhoz, ezért lehetővé teszi a DNS kimutatását a sejtekben. Ha egy adott molekula jelentéktelen mennyiségben van jelen a sejtben, akkor a legkényelmesebb a fluoreszcens mikroszkópia alkalmazása.

Fluoreszcens mikroszkóp

A fluoreszcens festékek az egyik hullámhosszon elnyelik a fényt, és egy másik, hosszabb hullámhosszon bocsátanak ki fényt. Ha egy ilyen anyagot olyan fénnyel sugározunk be, amelynek hullámhossza megegyezik a festék által elnyelt fény hullámhosszával, majd az elemzéshez olyan szűrőt használunk, amely a festék által kibocsátott fénynek megfelelő hullámhosszú fényt bocsájt át, akkor a fluoreszcens molekula kimutatható sötét mezőben izzó. A kibocsátott fény nagy intenzitása az ilyen molekulák jellemző tulajdonsága. A fluoreszcens festékek használata a sejtek megfestésére egy speciális fluoreszcens mikroszkóp használatát foglalja magában, amely hasonló a hagyományos optikai mikroszkóphoz, de az erős megvilágítóból származó fény két szűrőn halad át - az egyik blokkolja a megvilágítóból érkező fény egy részét. a minta elé, a másik pedig a mintából kapott fény szűrésére. Az első szűrő úgy van kiválasztva, hogy csak olyan hullámhosszú fényt bocsásson át, amely egy adott fluoreszcens festéket gerjeszt; ugyanakkor a második szűrő blokkolja ezt a beeső fényt, és fluoreszkálásakor a festék által kibocsátott hullámhosszú fényt továbbítja.

A fluoreszcens mikroszkópiát gyakran használják specifikus fehérjék vagy más molekulák azonosítására, amelyek a fluoreszcens festékekhez való kovalens kötődés után fluoreszkálóvá válnak. Erre a célra általában két festéket használnak - fluoreszcein, amely világoskék fénnyel való gerjesztésre intenzív sárga-zöld fluoreszcenciát produkál, és rodamin, sárgászöld fénnyel történő gerjesztés után sötétvörös fluoreszcenciát okozva. A fluoreszcein és a rodamin színezésre történő felhasználásával különböző molekulák eloszlása ​​érhető el.

Sötétmezős mikroszkóp

A sejt szerkezetének részleteit a legkönnyebben úgy láthatjuk, ha megfigyeljük a sejt különböző összetevői által szórt fényt. A sötétterű mikroszkópban a megvilágítóból érkező sugarak oldalról irányulnak, és csak szórt sugarak jutnak be a mikroszkóp objektívébe. Ennek megfelelően a cella úgy néz ki, mint egy megvilágított tárgy egy sötét mezőben. A sötétmezős mikroszkópia egyik fő előnye, hogy megfigyelhető a sejtek mozgása osztódás és vándorlás során. A sejtmozgások általában nagyon lassúak és nehezen megfigyelhetők valós időben. Ebben az esetben kockánkénti (time-lapse) mikrofilmezést vagy videórögzítést alkalmaznak. Az egymást követő képkockák időben szétválnak, de a felvétel normál sebességgel történő lejátszásakor a valós események képe felgyorsul.

Az elmúlt években a videokamerák és a kapcsolódó képfeldolgozó technológiák jelentősen megnövelték az optikai mikroszkópia lehetőségeit. Alkalmazásuknak köszönhetően sikerült leküzdeni az emberi élettani sajátosságok okozta nehézségeket. Abból állnak, hogy:

1. Normál körülmények között a szem nem érzékel túl gyenge fényt.

2. A szem nem képes észlelni a fényerősség kis különbségeit világos háttér előtt.

E problémák közül az elsőt úgy sikerült kiküszöbölni, hogy ultra-nagy érzékenységű videokamerákat csatlakoztattak a mikroszkóphoz. Ez lehetővé tette a sejtek hosszú távú megfigyelését gyenge fényviszonyok között, kizárva az erős fénynek való tartós expozíciót. A képalkotó rendszerek különösen fontosak az élő sejtekben lévő fluoreszcens molekulák tanulmányozásához. Mivel a kép videokamerával készül elektronikus jelek formájában, megfelelő módon numerikus jelekké alakítható, számítógépre küldhető, majd tovább feldolgozva rejtett információk kinyerésére.

A számítógépes interferencia-mikroszkóppal elért nagy kontraszt lehetővé teszi olyan nagyon kicsi objektumok megfigyelését is, mint például az egyes mikrotubulusok, amelyek átmérője kisebb, mint a fény hullámhosszának egytizede (0,025 μm). Az egyes mikrotubulusok fluoreszcens mikroszkóppal is láthatók. Azonban mindkét esetben elkerülhetetlenek a diffrakciós hatások, amelyek nagymértékben megváltoztatják a képet. Ebben az esetben a mikrotubulusok átmérője túlbecsült (0,2 μm), ami lehetetlenné teszi az egyes mikrotubulusok megkülönböztetését egy több mikrotubulusból álló kötegtől. A probléma megoldásához elektronmikroszkópra van szükség, amelynek felbontási határa messze túl van tolva a látható fény hullámhosszán.

Elektronmikroszkópia

A hullámhossz és a felbontási határ közötti összefüggés az elektronok esetében is megmarad. Elektronmikroszkóp esetén azonban a felbontási határ lényegesen alacsonyabb, mint a diffrakciós határ. Az elektron hullámhossza sebességének növekedésével csökken. Egy 100 000 V feszültségű elektronmikroszkópban az elektron hullámhossza 0,004 nm. Az elmélet szerint egy ilyen mikroszkóp felbontása a határértékben 0,002 nm. A valóságban azonban az elektronikus lencsék numerikus apertúrájának csekély értéke miatt a modern elektronmikroszkópok felbontása legfeljebb 0,1 nm. A minta előkészítésének nehézségei, sugárzás általi károsodása jelentősen csökkenti a normál felbontást, amely biológiai objektumok esetén 2 nm (kb. 100-szor nagyobb, mint egy fénymikroszkópé).

Az elektronok forrása transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) egy katódszál, amely egy körülbelül két méter magas hengeres oszlop tetején helyezkedik el. Az elektronok szétszóródásának elkerülése érdekében a levegőmolekulákkal való ütközéskor az oszlopban vákuum jön létre. A katódszálból kibocsátott elektronokat a legközelebbi anód felgyorsítja, és áthatol az apró lyukon, és elektronnyalábot képez, amely az oszlop aljára jut. Az oszlop mentén bizonyos távolságban gyűrűs mágnesek helyezkednek el, amelyek az elektronsugarat fókuszálják, mint például az üveglencsék, amelyek egy optikai mikroszkópban fókuszálják a fénysugarat. A mintát egy légzsilipen keresztül az oszlopba helyezzük, az elektronsugár útjába. Az elektronok egy része a mintán való áthaladás pillanatában az anyag sűrűségének megfelelően szóródik ezen a területen, az elektronok többi része fókuszálódik és képet alkot (hasonlóan az optikai mikroszkópban történő képalkotáshoz) fotólemezen vagy foszforeszkáló képernyőn.

Az elektronmikroszkópia egyik legnagyobb hátránya, hogy a biológiai mintákat speciális módon kell feldolgozni. Először glutáraldehiddel, majd ozminsavval rögzítik, amely megköti és stabilizálja a kettős lipid- és fehérjeréteget. Másodszor, az elektronok alacsony áthatolóképességgel rendelkeznek, ezért ultravékony metszeteket kell készíteni, ehhez a mintákat dehidratálják és gyantával impregnálják. Harmadszor, a kontraszt fokozása érdekében a mintákat nehézfémek, például ozmium, urán és ólom sóival kezelik.

A felület háromdimenziós képének elérése érdekében ezt használják pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) ahol elektronokat használnak, szórnak vagy bocsátanak ki a minta felületéről. A mintát ebben az esetben rögzítjük, megszárítjuk és vékony nehézfém filmmel fedjük le, majd keskeny elektronsugárral letapogatjuk. Ebben az esetben a felület besugárzásakor szórt elektronok számát becsüljük meg. A kapott érték a második sugár intenzitásának szabályozására szolgál, amely az elsővel szinkronban mozog, és képet alkot a monitor képernyőjén. A módszer felbontása körülbelül 10 nm, és nem alkalmazható intracelluláris organellumok vizsgálatára. Az ezzel a módszerrel vizsgált minták vastagságát az elektronok áthatoló képessége vagy energiájuk határozza meg.

Mindezen módszerek fő és jelentős hátránya a minta-előkészítés hossza, bonyolultsága és magas költsége.

Pásztázó szonda mikroszkópia

A pásztázó szonda mikroszkópban (SPM) elektronsugár vagy optikai sugárzás helyett hegyes szondát, tűt használnak a minta felületének letapogatására. Képletesen szólva azt mondhatjuk, hogy ha egy mintát optikai vagy elektronmikroszkóppal vizsgálunk, akkor SPM-ben érezzük. Ennek eredményeként lehetőség nyílik háromdimenziós képek készítésére a különböző médiában lévő tárgyakról: vákuum, levegő, folyadék.

Az SPM speciális, biológiai kutatásokra adaptált kialakítása lehetővé teszi az optikai megfigyeléssel egyidejűleg a különböző folyékony közegekben lévő élő sejtek és a levegőben rögzített preparátumok szkennelését.

Pásztázó szonda mikroszkóp

A pásztázó szonda mikroszkóp elnevezése működési elvét tükrözi - a minta felületének letapogatását, amelyben a szonda és a felület kölcsönhatásának mértéke pont-pont. Beállítható a szkennelési terület mérete és a benne lévő pontok száma N X N Y. Minél több pontot állítunk be, annál nagyobb felbontású felületi képet kapunk. A jel olvasási pontjai közötti távolságot pásztázási lépésnek nevezzük. A szkennelési lépésnek kisebbnek kell lennie, mint a vizsgált felület részleteinek. A szonda mozgása a pásztázás során (lásd a 7-1. ábrát) lineárisan előre és hátrafelé (gyors pásztázás irányába), a következő vonalra való átmenet merőleges irányban (irányban) történik. lassú szkennelés).

Rizs. 7 1. A szkennelési folyamat sematikus ábrázolása
(a jel leolvasása a szkenner előremeneti irányában történik)

A leolvasó jel természetétől függően a pásztázó mikroszkópok különböző nevekkel és célokkal rendelkeznek:

atomi erőmikroszkóp (AFM), leolvassák a szonda atomjai és a minta atomjai közötti interatomikus kölcsönhatás erőit;

alagútmikroszkóp (STM), amely leolvassa a vezetőképes minta és a vezetőszonda között folyó alagútáramot;

mágneses erőmikroszkóp (MFM), leolvassa a mágneses anyaggal bevont szonda és a mágneses tulajdonságokat érzékelő minta közötti kölcsönhatási erőket;

egy elektrosztatikus erőmikroszkóp (EFM) lehetővé teszi, hogy képet kapjunk a minta felületén lévő elektromos potenciáleloszlásról. Olyan szondákat használnak, amelyek hegyét vékony vezető fólia (arany vagy platina) borítja.

SPM kialakítás

Az SPM a következő fő összetevőkből áll (7-2. ábra): szonda, piezoelektromos meghajtók a szonda X, Y, Z mentén a vizsgált minta felszíne felett történő mozgatásához, egy visszacsatoló áramkör és egy számítógép a szkennelés vezérléséhez folyamat és képalkotás.

7. ábra 2. Egy pásztázó szonda mikroszkóp vázlata

Szonda érzékelő - az erőszonda mikroszkóp egy alkatrésze, amely a minta letapogatását végzi. A szonda négyszögletes (I-alakú) vagy háromszögletű (V-alakú) típusú konzolt (rugókart) tartalmaz (7. ábra -3), melynek végén egy hegyes szonda található (7. ábra -3), amely általában kúpos vagy piramis alakú ... A konzol másik vége a hordozóhoz csatlakozik (ún. chippel). A szonda érzékelői szilíciumból vagy szilícium-nitridből készülnek. A konzol fő jellemzője az erőállandó (merevségi állandó), amely 0,01 N / m és 1020 N / m között változik. A biológiai tárgyak tanulmányozásához „puha” szondákat használnak, amelyek keménysége 0,01  0,06 N / m.

Rizs. 7 3. Piramis alakú AFM szonda érzékelők képei
elektronmikroszkóppal kapott:
a - I-alakú típus, b - V-alakú típus, c - gúla a konzol csúcsán

Piezoelektromos működtetők vagy szkennerek - a szonda szabályozott mozgásához a minta felett vagy maga a minta a szondához képest ultrarövid távolságra. A piezoelektromos aktuátorok piezokerámia anyagokat használnak, amelyek megváltoztatják a méretüket, amikor elektromos feszültséget kapcsolnak rájuk. A geometriai paraméterek megváltoztatásának folyamatát elektromos tér hatására inverz piezoelektromos hatásnak nevezzük. A leggyakoribb piezoanyag az ólom-cirkonát-titanát.

A szkenner egy piezokerámia szerkezet, amely három koordináta mentén teszi lehetővé a mozgást: x, y (a minta oldalsó síkjában) és z (függőlegesen). Többféle szkenner létezik, ezek közül a legelterjedtebb az állvány és a cső alakú (7-4. ábra).

Rizs. 7 4. Szkennerek kialakítása: a) - állvány, b) - cső alakú

Egy állványszkennerben a három koordináta mentén történő mozgást három független piezokerámia rúd biztosítja, amelyek merőleges szerkezetet alkotnak.

Egy cső alakú szkennerben egy üreges piezoelektromos cső meghajlik az XZ és ZY síkban, és megnyúlik vagy összehúzódik a Z tengely mentén, amikor megfelelő feszültséget kapcsolnak a cső mozgását vezérlő elektródákra. Az XY síkban történő mozgást szabályozó elektródák a cső külső felületén helyezkednek el, a Z-ben történő mozgás vezérléséhez az X és Y elektródákra egyenlő feszültségek kapcsolódnak.

Visszacsatolás - SPM-elemek készlete, melynek segítségével a szondát a mintafelülettől fix távolságra tartják a pásztázás során (7. -5. ábra). A pásztázás során a szonda a mintafelület különböző domborzatú területein helyezkedhet el, miközben a Z szonda-minta távolság változik, és ennek megfelelően változik a szonda-minta kölcsönhatás értéke is.

Rizs. 7 5. Pásztázó szonda mikroszkóp visszacsatolási diagramja

Ahogy a szonda közeledik a felszínhez, úgy nőnek a szonda-minta kölcsönhatási erők, és nő a rögzítő berendezés jele is. V(t), amely a feszültség mértékegységében kifejezve. A komparátor összehasonlítja a jelet V(t) referencia feszültséggel V támogatóés korrekciós jelet generál V levelező... Javító jel V levelező betáplálják a szkennerbe, és a szondát visszahúzzák a mintából. Referencia feszültség - a rögzítő eszköz jelének megfelelő feszültség, amikor a szonda adott távolságra van a mintától. A pásztázás során ezt az előre meghatározott szonda-minta távolságot fenntartva a visszacsatoló rendszer fenntart egy előre meghatározott szonda-minta kölcsönhatási erőt.

Rizs. 7 6. A szonda relatív mozgásának pályája a szonda-minta kölcsönhatás állandó erejének a visszacsatoló rendszer általi fenntartása során

ábrán. A 7-6. ábrák a szonda mintához viszonyított pályáját mutatják, miközben állandó kölcsönhatási erőt tartanak fenn a szonda és a minta között. Ha a szonda a mélyedés felett van, feszültséget kapcsolnak a szkennerre, amely kiterjeszti a szkennert, leengedve a szondát.

A visszacsatoló hurok válaszának sebességét a szonda-minta távolság változására (szonda-minta kölcsönhatás) a visszacsatoló hurok állandója határozza meg K... Az értékek K függnek egy adott SPM tervezési jellemzőitől (a szkenner kialakítása és jellemzői, elektronika), az SPM működési módjától (a szkennelési terület mérete, szkennelési sebesség stb.), valamint a vizsgált felület jellemzőitől (méretarány) domborzati jellemzők, anyagkeménység stb.).

SPM fajták

Pásztázó alagút mikroszkóp

Az STM-ben egy rögzítő berendezés (7-7. ábra) méri a fémszonda között folyó alagútáramot, amely a minta felületén lévő potenciáltól és felületének domborzatától függően változik. A szonda egy élesen kihegyezett tű, amelynek csúcsának görbületi sugara több nanométert is elérhet. A szonda anyaga általában nagy keménységű és vegyszerálló fémek: volfrám vagy platina.

Rizs. 7 7. Az alagút szonda diagramja

Feszültség van a vezetőképes szonda és a vezetőképes minta között. Amikor a szonda hegye körülbelül 10A távolságra van a mintától, a mintából származó elektronok a feszültség előjelétől függően a résen keresztül a szondába kezdenek alagútba vezetni, vagy fordítva (7-8. ábra).

Rizs. 7 8. A szonda hegyének a mintával való kölcsönhatásának sematikus ábrázolása

A keletkező alagútáramot egy rögzítő berendezés méri. A nagysága én T arányos az alagút érintkezőjére adott feszültséggel Vés exponenciálisan függ a tű és a minta távolságától d.

Így kis változások a szonda hegye és a minta közötti távolságban d az alagútáram exponenciálisan nagy változásainak felel meg én T(feltételezzük, hogy a feszültség Vállandó marad). Emiatt az alagút szonda érzékelőjének érzékenysége elegendő a 0,1 nm-nél kisebb magasságváltozások regisztrálásához, és ezáltal a szilárd test felületén lévő atomok képének elkészítéséhez.

Atomerő mikroszkóp

A leggyakoribb szondaérzékelő az atomi erők kölcsönhatására egy rugós konzol (az angol konzolból), amelynek végén egy szonda található. A minta és a szonda közötti erőkölcsönhatásból eredő konzolos hajlítás nagyságát (7-9. ábra) az optikai regisztrációs séma segítségével mérjük.

Az erőérzékelő működési elve a szonda atomjai és a minta atomjai között ható atomi erők alkalmazásán alapul. Amikor a szonda-minta ereje megváltozik, a konzolos hajlítás mértéke megváltozik, és ezt a változást az optikai regisztráló rendszer méri. Az atomerő-érzékelő tehát egy nagy érzékenységű hegyes szonda, amely lehetővé teszi az egyes atomok közötti kölcsönhatási erők regisztrálását.

Kis kanyarokban a szonda-minta erő aránya Fés a konzolcsúcs kihajlása x Hooke törvénye határozza meg:

ahol k - a konzol erőállandója (merevségi állandója).

Például ha egy konzolt konstanssal használunk k 1 n/m nagyságrendű, akkor a 0,1 nanonewton nagyságrendű szonda-minta kölcsönhatási erő hatására a konzol kihajlása körülbelül 0,1 nm lesz.

Az ilyen kis elmozdulások mérésére általában egy optikai elmozdulásérzékelőt használnak (7-9. ábra), amely egy félvezető lézerből és egy négy szekciós fotodiódából áll. Amikor a konzolt meghajlítják, a visszavert lézersugár elmozdul a fotodetektor középpontjához képest. Így a konzolos hajlítás a fotodetektor felső (T) és alsó (B) felének megvilágításának relatív változásával határozható meg.

7. ábra 9. Az erőérzékelő diagramja

A szonda-minta kölcsönhatási erők függése a szonda-minta távolságtól

Ahogy a szonda közeledik a mintához, a vonzó erők (van der Waals erők) jelenléte miatt először a felszínhez vonzódik. Ahogy a szonda tovább közeledik a mintához, a szonda végén lévő atomok elektronhéjai és a minta felületén lévő atomok kezdenek átfedni, ami taszító erő megjelenéséhez vezet. A távolság további csökkenésével a taszító erő válik uralkodóvá.

Általában az atomközi kölcsönhatás erejének függősége F az atomok közötti távolságból Rúgy néz ki, mint a:

.

Állandók aés bés kitevők més n az atomok típusától és a kémiai kötések típusától függ. A van der Waals erőknek m= 7 és n = 3... Az F (R) függést minőségileg az ábra mutatja. 7-10.

Rizs. 7 10 Az atomok közötti kölcsönhatás erejének a távolságtól való függése

SPM adatformátum, SPM adatvizualizáció

Az optikai mikroszkópos vizsgálattal nyert felületi morfológiai adatokat a felület nagyított képében mutatjuk be. Az SPM segítségével kapott információt az A ij egész számok kétdimenziós tömbjeként írjuk le. Minden érték ij a felület egy meghatározott pontjának felel meg a szkennelési mezőn belül. Ennek a számtömbnek a grafikus megjelenítését SPM beolvasott képnek nevezik.

A beolvasott képek kétdimenziós (2D) és háromdimenziós (3D) is lehetnek. A 2D vizualizációban a felület minden pontja Z = f(x, y) egy bizonyos színtónus a felületi pont magasságának megfelelően illeszkedik (7. ábra -11 a). A 3D vizualizációban a felületi kép Z = f(x, y) axonometrikus perspektívában épül fel, speciálisan kiszámított pixelek vagy domborzati vonalak felhasználásával. A 3D képek színezésének leghatékonyabb módja a felület megvilágítási viszonyainak szimulálása egy pontforrással, amely a tér valamely pontján a felszín felett található (7-11. b ábra). Ugyanakkor hangsúlyozni lehet a dombormű egyes apró jellemzőit.

Rizs. 7 11. Emberi vér limfociták:
a) 2D kép, b) 3D kép oldalsó megvilágítással

Minta előkészítés SPM kutatáshoz

A baktériumsejtek morfológiája és szerkezete

A baktériumok változatos alakú és összetett szerkezetű egysejtű mikroorganizmusok, amelyek meghatározzák funkcionális tevékenységük sokféleségét. A baktériumokat négy fő forma jellemzi: gömb alakú (gömb alakú), hengeres (rúd alakú), hullámos és fonalas [Ref. 7-2].

Cocci (gömbszerű baktériumok) - az osztódási síktól és az egyes egyedek elhelyezkedésétől függően mikrococcusokra (külön fekvő coccusokra), diplococcusokra (páros coccusokra), streptococcusokra (coccusok láncaira), staphylococcusokra (szőlőfürtökre hasonlítva) oszthatók, tetracoccusok (négy coccusból álló képződmények) és sarcinok (8 vagy 16 coccusból álló csomagok).

Rúd alakú - a baktériumok egysejtűek, diplo- vagy streptobaktériumok formájában helyezkednek el.

Crimped - vibriók, spirillák és spirocheták. A vibriók enyhén ívelt rudak, spirilla - hullámos alakok, több spirális fürttel.

A baktériumok mérete 0,1 és 10 mikron között van. A baktériumsejt összetétele tartalmaz egy kapszulát, sejtfalat, citoplazmatikus membránt és citoplazmát. A citoplazma egy nukleotidot, riboszómákat és zárványokat tartalmaz. Egyes baktériumok flagellákkal és bolyhokkal vannak felszerelve. Számos baktérium alkot spórákat. A sejt kezdeti keresztirányú méretét meghaladó spórák olvadásos formát kölcsönöznek neki.

A baktériumok morfológiájának optikai mikroszkópos vizsgálatához natív (intravitális) preparátumokat vagy anilinfestékkel megfestett fix keneteket készítenek belőlük. Speciális festési módszerek léteznek a flagellák, sejtfal, nukleotid és különféle citoplazmazárványok kimutatására.

A baktériumsejtek morfológiájának SPM vizsgálatához a készítmény festése nem szükséges. Az SPM lehetővé teszi a baktériumok alakjának és méretének nagy felbontású meghatározását. A készítmény gondos előkészítésével és egy kis görbületi sugarú szonda használatával lehetőség nyílik a flagellák azonosítására. Ugyanakkor a bakteriális sejtfal nagy merevsége miatt lehetetlen az intracelluláris struktúrákat "megszondázni", ahogy az egyes állati sejteknél megtehető.

Preparátumok előkészítése SPM morfológiai vizsgálathoz

Az SPM-mel való munka első tapasztalataihoz ajánlatos olyan biológiai terméket választani, amely nem igényel komplex előkészítést. A savanyú káposzta sóoldatból vagy fermentált tejtermékekből könnyen hozzáférhető és nem patogén tejsavbaktériumok megfelelőek.

Levegőben végzett SPM-vizsgálatokhoz a vizsgált tárgyat szilárdan rögzíteni kell az alapfelülethez, például egy fedőüveghez. Ezenkívül a szuszpenzióban a baktériumok sűrűségének olyannak kell lennie, hogy a sejtek ne tapadjanak össze a szubsztrátumra kerülve, és a köztük lévő távolság ne legyen túl nagy ahhoz, hogy a szkennelés során több tárgyat is be lehessen venni egy képkockába. Ezek a feltételek teljesülnek, ha a minta-előkészítési módot megfelelően választják ki. Ha egy csepp baktériumot tartalmazó oldatot viszünk fel egy szubsztrátumra, akkor azok fokozatosan kicsapódnak és megtapadnak. A fő paraméterek ebben az esetben a sejtek koncentrációja az oldatban és az ülepedési idő. A baktériumok koncentrációját a szuszpenzióban az optikai zavarossági standard határozza meg.

Esetünkben csak egy paraméter játszik szerepet - az inkubációs idő. Minél tovább tartjuk a cseppet az üvegen, annál nagyobb lesz a baktériumsejtek sűrűsége. Ugyanakkor, ha egy csepp folyadék kezd kiszáradni, akkor a gyógyszer túlságosan szennyezett lesz az oldat kicsapódott komponenseivel. A baktériumsejteket tartalmazó oldat (sóoldat) cseppjét fedőüvegre helyezzük, és 5-60 percig tartjuk (az oldat összetételétől függően). Ezután anélkül, hogy megvárná a csepp megszáradását, alaposan öblítse le desztillált vízzel (többször csipesszel merítse a gyógyszert egy pohárba). Száradás után a készítmény készen áll az SPM-en történő mérésre.

Például tejsavbaktérium-készítményeket készítettek savanyú káposzta sós léből. A fedőlemezen lévő sóoldatcsepp tartási idejét 5 percre, 20 percre és 1 órára választottuk (a csepp már elkezdett kiszáradni). Az SPM - keretek az ábrán láthatók. 7-12. ábra. 7-13,
Rizs. 7-14.

Az ábrákból látható, hogy adott oldat esetén az optimális inkubációs idő 5-10 perc. A cseppek szubsztrát felületén való tartózkodási idejének növekedése baktériumsejtek adhéziójához vezet. Abban az esetben, ha az oldat cseppje kiszárad, megfigyelhető az oldat komponenseinek kicsapódása az üvegen, amelyet nem lehet lemosni.

Rizs. 7 12. Tejsavbaktériumok képei fedőlemezen,
SPM segítségével szereztük be.

Rizs. 7 13. Tejsavbaktériumok képei fedőlemezen,
SPM segítségével szereztük be. Az oldat inkubációs ideje 20 perc

Rizs. 7 14. Tejsavbaktériumok képei fedőlemezen,
SPM segítségével szereztük be. Az oldat inkubációs ideje 1 óra

Az egyik kiválasztott készítményen (7-12. ábra) azt próbáltuk mérlegelni, hogy mik is azok a tejsavbaktériumok, milyen formában jellemző rájuk ilyenkor. (7-15. ábra)

Rizs. 7 15. AFM - tejsavbaktériumok képe fedőüvegen.
Az oldat inkubációs ideje 5 perc

Rizs. 7 16. AFM - tejsavbaktériumok láncának képe egy fedőlemezen.
Az oldat inkubációs ideje 5 perc

A sóoldatot pálcika alakú baktériumforma és láncszerű elrendezés jellemzi.

Rizs. 7 17. Az oktatási SPM NanoEducator vezérlőprogramjának ablaka.
Eszköztár

A NanoEducator oktatási SPM program eszközeivel meghatároztuk a baktériumsejtek méretét. Körülbelül 0,5 × 1,6 μm méretűek voltak
0,8 × 3,5 μm-ig.

A kapott eredményeket összehasonlítjuk a Bergey-féle baktériumdetermináns [Ref. 7-3].

A tejsavbaktériumok a laktobacillusok (Lactobacillus). A sejtek rúd alakúak, általában szabályos alakúak. A rudak hosszúak, néha majdnem coccoidok, általában rövid láncúak. Méretek 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikron. Ne alkoss vitát; ritka esetekben a peritrichiális flagella miatt mozgékonyak. Széles körben elterjedt a környezetben, különösen az állati és növényi eredetű élelmiszerekben. A tejsavbaktériumok az emésztőrendszer normál mikroflórájának részét képezik. Mindenki tudja, hogy a savanyú káposzta vitamintartalma mellett hasznos a bél mikroflórájának javítására.

Pásztázó szonda mikroszkóp kialakítása NanoEducator

ábrán. A 7-18. ábra a mérőfej megjelenését mutatja SPM NanoEducatorés az üzem közben használt eszköz főbb elemei vannak feltüntetve.

Rizs. 7 18. Az SPM NanoEducator mérőfej külső képe
1-talp, 2-mintatartó, 3-interakciós érzékelő, 4-érzékelős rögzítőcsavar,
5 csavaros kézi megközelítéshez, 6 csavar a szkenner mozgatásához mintával vízszintes síkban, 7 csavaros védőburkolat videokamerával

ábrán. A 7-19. ábra a mérőfej kialakítását mutatja. Az 1 alapon egy 8 szkenner található 7 mintatartóval, valamint egy léptetőmotoron alapuló, a mintát a 2 szondához juttató mechanizmus. Az edzésen SPM NanoEducator a mintát a szkennerhez rögzítjük, és a mintát az álló szondával szemben szkenneljük. A 4 erőkölcsönhatás-érzékelőre rögzített 6 szonda a 3 kézi megközelítésű csavar segítségével is a mintához vihető. A mintán a kutatási hely előzetes kiválasztása a 9 csavar segítségével történik.

Rizs. 7 19. Az SPM NanoEducator kialakítása: 1 - alap, 2 - megközelítési mechanizmus,
3 - kézi adagolócsavar, 4 - interakciós érzékelő, 5 - érzékelő rögzítőcsavar, 6 - szonda,
7 - mintatartó, 8 - szkenner, 9, 10 - csavarok a szkenner mozgatásához a mintával

Kiképzés SPM NanoEducator mérőfejből, SPM vezérlőből és kábelekkel összekötött vezérlő számítógépből áll. A mikroszkóp videokamerával van felszerelve. Az interakciós érzékelő jele az előerősítőben történő átalakítás után az SPM vezérlőbe kerül. Munkairányítás SPM NanoEducator a számítógépről az SPM vezérlőn keresztül.

Kényszer interakciós érzékelő és szonda

A készülékben NanoEducator az érzékelő egy hosszúságú piezokerámia cső formájában készül l= 7 mm, átmérő d= 1,2 mm és falvastagság h= 0,25 mm, egyik végén mereven rögzítve. A cső belső felületére vezetőképes elektródát helyeznek fel. A cső külső felületére két elektromosan szigetelt félhengeres elektródát helyeznek. A cső szabad végéhez egy átmérőjű volfrámhuzal csatlakozik
100 μm (7. ábra -20).

Rizs. 7 20. A NanoEducator készülék univerzális érzékelőjének tervezése

A szondaként használt huzal szabad vége elektrokémiailag élezett, a görbületi sugár 0,2  0,05 μm. A szonda elektromosan érintkezik a cső belső elektródájával, amely a műszer földelt testéhez csatlakozik.

Két külső elektróda jelenléte a piezoelektromos csövön lehetővé teszi, hogy a piezoelektromos cső egyik részét (a felső, a 7-21. ábra szerint) erőkölcsönhatás-érzékelőként (mechanikus rezgésérzékelőként) használjuk, a másik része pedig piezo vibrátorként használható. A piezo vibrátort váltakozó elektromos feszültséggel látják el, amelynek frekvenciája megegyezik a teljesítményérzékelő rezonanciafrekvenciájával. A rezgés amplitúdója nagy szonda-minta távolságnál a maximális. ábrából látható. A 7-22. ábrákon látható, hogy a rezgések során a szonda A o értékkel tér el az egyensúlyi helyzettől, amely megegyezik a kényszerű mechanikai rezgésének amplitúdójával (ez a mikrométer töredéke), míg a másodikon váltakozó elektromos feszültség jelenik meg. a piezocső (oszcillációs érzékelő) része, amely arányos a szonda elmozdulásával, amelyet és mér a készülék.

Amint a szonda közeledik a minta felületéhez, a szonda rezgés közben érinteni kezdi a mintát. Ez az érzékelő oszcillációinak amplitúdó-frekvenciás karakterisztikája (AFC) balra tolódásához vezet a felszíntől távol mért AFC-hez képest (7-22. ábra). Mivel a piezocső kényszerrezgésének frekvenciája szabad állapotban állandó és egyenlő a  o rezgési frekvenciával, amikor a szonda megközelíti a felületet, rezgésének amplitúdója csökken és egyenlő lesz A-val. Ezt a rezgési amplitúdót rögzítjük. a piezocső második részéből.

Rizs. 7 21. Piezoelektromos cső működési elve
erőkölcsönhatás-érzékelőként

Rizs. 7 22. Az erőérzékelő oszcillációs frekvenciájának megváltoztatása
amikor közeledik a mintafelülethez

Scanner

A készülékben alkalmazott mikromozgások szervezésének módja NanoEducator, kerületén befogott fémmembrán alkalmazása alapján, melynek felületére piezoelektromos lemezt ragasztanak (7. ábra -23 a). A piezoelektromos lemez méretének megváltoztatása a vezérlőfeszültség hatására a membrán meghajlásához vezet. Ha ilyen membránokat helyezünk el a kocka három merőleges oldalára, és középpontjukat fém tolókkal összekötjük, 3 x koordinátás szkennert kaphatunk (7. ábra -23 b).

Rizs. 7 23. A NanoEducator készülék szkennerének működési elve (a) és kialakítása (b)

Minden egyes 1 piezoelektromos elem, amely a 2 kocka oldalain van rögzítve, amikor elektromos feszültséget kapcsolunk rá, a ráerősített 3 tolót a három egymásra merőleges irányba - X, Y vagy Z - egyikében tudja mozgatni. az ábra, mindhárom toló egy pontban kapcsolódik 4 Némi közelítéssel feltételezhetjük, hogy ez a pont három X, Y, Z koordináta mentén mozog. Ugyanerre a pontra van rögzítve egy 5 állvány 6 mintatartóval, így a minta három koordinátában mozog három független feszültségforrás hatására. A készülékekben NanoEducator a minta maximális elmozdulása kb. 50 - 70 μm, ami meghatározza a maximális szkennelési területet.

A szonda mintához való automatikus megközelítésének mechanizmusa (visszacsatolás rögzítése)

A szkenner mozgási tartománya a Z tengely mentén körülbelül 10 µm, ezért a szkennelés megkezdése előtt szükséges a szondát ezen a távolságon közelebb vinni a mintához. Erre szolgál a megközelítési mechanizmus, melynek diagramja a 2. ábrán látható. 7-19. Az 1 léptetőmotor, amikor elektromos impulzusokat adunk rá, elforgatja a 2 adagolócsavart és a 4 szondával együtt mozgatja a 3 rudat, közelebb vagy távolabb hozva azt a 6 szkennerre szerelt 5 mintától. Egy lépés értéke: körülbelül 2 mikron.

Rizs. 7 24. A szonda mintafelülethez való megközelítésének mechanizmusának diagramja

Mivel a megközelítési mechanizmus lépése a szkennelés során jelentősen meghaladja a szükséges szonda-minta távolság értékét, a szonda deformálódásának elkerülése érdekében megközelítése a léptetőmotor és a szkenner mentén történő mozgások egyidejű működtetésével történik. a Z tengelyt a következő algoritmus szerint:

1. A visszacsatoló rendszer kikapcsol, és a szkenner „visszahúzódik”, azaz leengedi a mintát az alsó szélső helyzetbe.

2. A szonda megközelítési mechanizmusa egy lépést tesz és megáll.

3. A visszacsatoló rendszer bekapcsol, a szkenner fokozatosan felemeli a mintát, miközben megtörténik a szonda-minta kölcsönhatás meglétének elemzése.

4. Ha nincs kölcsönhatás, a folyamat megismétlődik az 1. ponttól.

Ha a szkenner felhúzása közben nem nulla jel jelenik meg, a visszacsatoló rendszer leállítja a szkenner felfelé irányuló mozgását, és a megadott szinten rögzíti az interakció mértékét. Annak az erőkölcsönhatásnak a nagysága, amelynél a szonda megközelítése megáll, és a letapogatási folyamat végbemegy a készülékben NanoEducator paraméter jellemzi amplitúdó elnyomás (AmplitúdóElnyomás) :

A = A o. (1- Amplitúdó elnyomás)

SPM képgyűjtés

A program felhívása után NanoEducator a számítógép képernyőjén megjelenik a fő programablak (7-20. ábra). A munkát a menüpontból kell kezdeni Fájlés válassz benne Nyisd ki vagy Új vagy az eszköztár megfelelő gombjaival (,).

Csapatválasztás Fájl Új az SPM mérésekre való átállást és a parancs kiválasztását jelenti Fájl Nyisd kiátmenetet jelent a korábban kapott adatok megtekintésére és feldolgozására. A program lehetővé teszi az adatok megtekintését és feldolgozását a mérésekkel párhuzamosan.

Rizs. 7 25. A NanoEducator program fő ablaka

A parancs végrehajtása után Fájl Új egy párbeszédablak jelenik meg a képernyőn, amely lehetővé teszi egy munkamappa kiválasztását vagy létrehozását, amelybe alapértelmezés szerint az aktuális mérés eredményei kerülnek beírásra. A mérések során az összes kapott adatot egymás után névvel ellátott fájlokban rögzítjük ScanData + i.spm ahol index én nullára áll vissza a program indításakor, és minden új méréssel növekszik. Fájlok ScanData + i.spm a munkamappába kerülnek, amelyet a mérések megkezdése előtt telepítenek. Lehetőség van más munkamappa kiválasztására a mérések során. Ehhez nyomja meg a gombot , a program főablakának eszköztárán található, és válassza ki a menüpontot Munkamappa módosítása.

Az aktuális mérés eredményének mentéséhez nyomja meg a gombot Mentés másként a megjelenő párbeszédpanel Szkennelés ablakában válasszon ki egy mappát, és adjon meg egy fájlnevet, miközben a fájl ScanData + i.spm, amely a mérések során ideiglenes adattároló fájlként szolgál, az Ön által megadott fájlnévre lesz átnevezve. Alapértelmezés szerint a fájl a mérések megkezdése előtt kijelölt munkamappába kerül mentésre. Ha nem végzi el a mérési eredmények mentésének műveletét, akkor a program következő indításakor az eredményeket ideiglenes fájlokban rögzítik ScanData + i.spm, sorrendben felülíródik (hacsak nem módosítja a munkamappát). Figyelmeztetés jelenik meg a mérési eredmények ideiglenes fájljairól a munkamappában a program bezárása előtt és indítása után. A munkamappa módosítása a mérések megkezdése előtt lehetővé teszi, hogy megóvja az előző kísérlet eredményeit a törléstől. Szabványos név ScanData a munkamappa kiválasztó ablakban történő beállításával módosítható. A gomb megnyomásakor megjelenik a munkamappa kiválasztására szolgáló ablak. , a program főablakának eszköztárán található. A mérési eredményeket az ablakban is elmentheti Scan böngészőúgy, hogy egyenként kiválasztja a szükséges fájlokat és elmenti a kiválasztott mappába.

Lehetőség van a NanoEducator eszközzel kapott eredmények exportálására ASCII formátumban és Nova formátumban (NTMDT cég), melyeket az NT MDT Nova program, Image Analysis és egyéb programok importálhatnak. A szkennelések képeit, keresztmetszeti adatait, a spektroszkópiai mérések eredményeit ASCII formátumban exportálják. Az adatok exportálásához kattintson a gombra Export a program főablakának eszköztárában található, vagy válassza ki Export menüpontban Fájl ezt az ablakot, és válassza ki a megfelelő exportálási formátumot. A feldolgozásra és elemzésre szánt adatok közvetlenül a korábban elindított képelemző programba küldhetők.

A párbeszédablak bezárása után megjelenik a műszer vezérlőpultja.
(7-26. ábra).

Rizs. 7 26. A készülék vezérlőpultja

A műszer kezelőpaneljének bal oldalán találhatók az SPM konfiguráció kiválasztására szolgáló gombok:

CCM- pásztázó erőmikroszkóp (SSM)

STM- pásztázó alagútmikroszkóp (STM).

A mérések elvégzése az SPM NanoEducator képzésen a következő műveletek végrehajtásából áll:

1. A minta telepítése

FIGYELEM! A minta elhelyezése előtt el kell távolítani a szondát a szondával együtt, hogy ne sértse meg a szondát.

A minta csatolásának két módja van:

mágneses színpadon (ebben az esetben a mintát mágneses hordozóhoz kell rögzíteni);

kétoldalas ragasztószalagon.

FIGYELEM! A minta kétoldalas ragasztószalagra történő rögzítéséhez csavarja le a tartót az állványról (hogy ne sértse meg a szkennert), majd csavarja vissza, amíg kissé meg nem áll.

Mágneses rögzítés esetén a minta a mintatartó lecsavarása nélkül cserélhető.

2. A szonda felszerelése

FIGYELEM! Mindig szerelje fel a szondát a szondával a minta beszerelése után.

A kívánt szonda kiválasztása után (a szondát az alap fém széleinél fogva) (lásd 7-27. ábra) lazítsa meg a mérőfej fedelén lévő szonda 2 rögzítőcsavarját, helyezze be a szondát a tartó aljzatba, ahogy ameddig csak lehet, csavarja be a rögzítőcsavart az óramutató járásával megegyező irányba ütközésig...

Rizs. 7 27. A szonda felszerelése

3. A szkennelés helyének kiválasztása

A minta kutatásának helyszínének kiválasztásakor használja a műszer alján található kétkoordinátás fokozat mozgatásához szükséges csavarokat.

4. A szonda előzetes megközelítése a mintához

Az előzetes megközelítés alkalmazása nem kötelező minden mérésnél, annak szükségessége a minta és a szonda csúcsa közötti távolság értékétől függ. Az előzetes megközelítési műveletet akkor célszerű elvégezni, ha a szonda csúcsa és a mintafelület közötti távolság meghaladja a 0,51 mm-t. Ha a szondát automatizáltan közelítik meg a mintához nagy távolságból, a megközelítési folyamat nagyon hosszú ideig tart.

A kézi csavar segítségével engedje le a szondát, vizuálisan szabályozva a szonda és a mintafelület közötti távolságot.

5. A rezonanciagörbe felrajzolása és a működési frekvencia beállítása

Ezt a műveletet szükségszerűen minden mérés elején végre kell hajtani, és amíg el nem végzik, a mérés további szakaszaira való átmenet blokkolva van. Ezenkívül a mérések során néha olyan helyzetek adódhatnak, amelyek megkövetelik a művelet ismételt végrehajtását (például a kapcsolat megszakadása esetén).

A rezonanciakereső ablak a műszer kezelőpaneljén található gomb megnyomásával hívható elő. Ez a művelet magában foglalja a szonda oszcillációinak amplitúdójának mérését, amikor a generátor által beállított kényszerrezgések frekvenciája megváltozik. Ehhez nyomja meg a gombot FUSS(7-28. ábra).

Rizs. 7 28. Ablak a rezonancia keresésére és a működési frekvencia beállítására:
a) - automatikus üzemmód, b) - kézi üzemmód

A módban Auto a generátor frekvenciája automatikusan megegyezik azzal a frekvenciával, amelyen a szonda rezgésének maximális amplitúdója volt megfigyelhető. A szonda oszcillációinak amplitúdójának változását egy adott frekvenciatartományban mutató grafikon (7. -28a. ábra) lehetővé teszi a rezonanciacsúcs alakjának megfigyelését. Ha a rezonanciacsúcs nem eléggé kifejezett, vagy a rezonancia frekvencián kicsi az amplitúdó ( kevesebb, mint 1V), akkor szükséges a mérések paramétereinek megváltoztatása és a rezonanciafrekvencia újbóli meghatározása.

A mód erre szolgál. Kézikönyv... Ha ez a mód ki van választva az ablakban A rezonanciafrekvencia meghatározása egy további panel jelenik meg
(7. -28b. ábra), amely lehetővé teszi a következő paraméterek beállítását:

Szonda lengési feszültség a generátor állítja be. Javasoljuk, hogy ezt az értéket a minimumra állítsa (lefelé nullára), és legfeljebb 50 mV-ra.

Amplitúdó erősítés ( Erősítési nyereség). Ha a szonda oszcillációinak amplitúdója nem elegendő (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Erősítési nyereség.

A rezonancia keresésének elindításához nyomja meg a gombot Rajt.

Mód Kézikönyv lehetővé teszi a kiválasztott frekvencia manuális megváltoztatását a zöld kurzor egérrel a grafikonon való mozgatásával, valamint tisztázza az oszcillációk amplitúdójában bekövetkező változás természetét a kiválasztott frekvencia körüli szűk értéktartományban (ehhez , be kell állítani a kapcsolót Kézi mód pozícióba Pontosanés nyomja meg a gombot Rajt).

6. Interakció rögzítése

A kölcsönhatás rögzítéséhez a szonda és a minta ellenőrzött megközelítését egy automatizált megközelítési mechanizmus segítségével hajtják végre. Ennek az eljárásnak a vezérlőablaka a készülék vezérlőpultján lévő gomb megnyomásával hívható elő. Ha CCM-mel dolgozik, ez a gomb a keresési művelet végrehajtása és a rezonanciafrekvencia beállítása után válik elérhetővé. Ablak SSM, ellátás(7 -29. ábra) vezérlőelemeket tartalmaz a szonda megközelítéséhez, valamint paraméterkijelzőket, amelyek lehetővé teszik az eljárás előrehaladásának elemzését.

Rizs. 7 29. A szonda megközelítési eljárásának ablaka

Az ablakban Kínálat a felhasználónak lehetősége van a következő értékek megfigyelésére:

a szkenner meghosszabbítása ( ScannerZ) a Z tengely mentén a lehetséges maximumhoz képest, egységnek véve. A szkenner relatív megnyúlását a bal oldali jelző töltési szintje jellemzi a szkenner aktuális elhelyezkedésének megfelelő színnel: zöld - a munkaterület, kék - a munkaterületen kívül, piros - a szkenner megérkezett túl közel van a minta felületéhez, ami a szonda deformálódásához vezethet. Ez utóbbi esetben a program hangjelzést ad ki;

a szonda amplitúdója rezgéseinek amplitúdójához viszonyítva erőkölcsönhatás hiányában, egységnek vesszük. A szonda oszcillációinak relatív amplitúdójának értékét a jobb oldali indikátor annak kitöltési szintje mutatja bordó színben. Vízszintes jel a kijelzőn A szonda vibrációs amplitúdója jelzi azt a szintet, amelyen áthaladva a szkenner állapotának elemzése megtörténik, és az automatikus kimenetet a munkahelyzetbe;

lépések száma ( SHigen), adott irányban haladva: Megközelítés - megközelítés, Visszahúzás - eltávolítás.

A szonda leengedésének megkezdése előtt meg kell tennie:

Ellenőrizze, hogy a közelségi paraméterek megfelelően vannak-e beállítva:

Visszajelzés nyereség Gain OSértékre állítva 3 ,

Győződjön meg a paraméterről Elnyomásamplitúdó (erő)értéke körülbelül 0,2 (lásd 7-29. ábra). Ellenkező esetben nyomja meg a gombot Erőés az ablakban Interakciós paraméterek beállítása (7-30. ábra)érték beállítása Elnyomásamplitúdók egyenlő 0.2. Kényesebb megközelítéshez a paraméter Elnyomásamplitúdók talán kevesebb .

Ellenőrizze a beállítások helyességét a paraméterablakban Paraméterek, oldal Megközelítési paraméterek.

Azt, hogy van-e interakció vagy sem, a bal oldali mutatóból megtudhatja ScannerZ... A szkenner teljes meghosszabbítása (a teljes jelző ScannerZ kék színnel), valamint egy teljesen bordó színnel töltött indikátor A szonda rezgésének amplitúdója(7-29. ábra) az interakció hiányát jelzik. A rezonancia keresése és a működési frekvencia beállítása után a szonda szabad rezgésének amplitúdóját egységnek vesszük.

Ha a szkenner nincs teljesen kinyújtva a megközelítés előtt vagy közben, vagy a program a következő üzenetet jeleníti meg: „Hiba! A szonda túl közel van a mintához. Ellenőrizze a bevezető paramétereket vagy a fizikai csomópontot. Biztonságos helyre szeretne költözni", javasoljuk, hogy szüneteltesse a megközelítési eljárást, és:

a. módosítsa az egyik paramétert:

növelje a kölcsönhatás mértékét, a paramétert Elnyomásamplitúdók vagy

érték növelése Gain OS vagy

növelje a megközelítési lépések közötti késleltetési időt (paraméter Integrációs idő Az oldalon Megközelítési paraméterek ablak Paraméterek).

b. növelje a szonda hegye és a minta közötti távolságot (ehhez kövesse a bekezdésben leírt lépéseket, és hajtsa végre a műveletet Rezonancia, majd térjen vissza az eljáráshoz Kínálat.

Rizs. 7 30. Ablak a szonda és a minta közötti interakció értékének beállítására

Az interakció rögzítése után a „ Megközelítés kész".

Ha meg kell közelíteni egy lépést, nyomja meg a gombot. Ebben az esetben először a lépést hajtják végre, majd ellenőrzik az interakció rögzítésének kritériumait. A mozgás leállításához nyomja meg a gombot. A visszahúzási művelet végrehajtásához meg kell nyomni a gyors visszahúzás gombot

vagy nyomja meg a gombot a lassú visszahúzáshoz. Ha egy lépést vissza kell húzni, nyomja meg a gombot. Ebben az esetben először a lépést hajtják végre, majd ellenőrzik az interakció rögzítésének kritériumait.

7. Szkennelés

A megközelítési eljárás befejezése után ( Kínálat) és rögzíti az interakciót, a szkennelés elérhetővé válik (gomb a műszer vezérlőpultjának ablakában).

Ennek a gombnak a megnyomásával (a szkennelő ablak nézete a 7 -31. ábrán látható) a felhasználó közvetlenül a méréshez és a mérési eredmények megszerzéséhez lép.

A szkennelési folyamat előtt be kell állítani a szkennelési paramétereket. Ezek az opciók az ablak felső ablaktáblájának jobb oldalán vannak csoportosítva. Szkennelés.

A program indítása utáni első alkalommal alapértelmezés szerint telepítésre kerülnek:

Szkennelési terület - Vidék (xnm*Ynm): 5000 * 5000 nm;

Pontok összegemérések a tengelyek mentén- X, Y: NX=100, Ny=100;

Keresési útvonal - Irány meghatározza a szkennelés irányát. A program lehetővé teszi a gyors pásztázási tengely (X vagy Y) irányának kiválasztását. Amikor elindítja a programot, az telepítve van Irány

A szkennelési paraméterek beállítása után nyomja meg a gombot Alkalmaz a paraméterbevitel megerősítéséhez és a gombbal Rajt a szkennelés megkezdéséhez.

Rizs. 7 31. A folyamatvezérlési ablak és a CCM szkennelési eredmények megjelenítése

7.4 Irányelvek

Mielőtt elkezdene dolgozni a NanoEducator pásztázó szonda mikroszkópon, tanulmányozza át az eszköz használati útmutatóját [Ref. 7-4].

7.5 Biztonsági óvintézkedések

A készülék táplálására 220 V-os feszültséget használnak. A NanoEducator pásztázó szonda mikroszkópot az 1000 V-ig terjedő feszültségű fogyasztók elektromos berendezéseinek PTE és PTB előírásai szerint kell üzemeltetni.

7.6 Hozzárendelés

1. Készítse elő saját biológiai mintáját az SPM vizsgálatokhoz.

2. Gyakorold a NanoEducator általános kialakítását.

3. Ismerje meg a NanoEducator vezérlő programot.

4. Szerezd meg az első SPM-képet egy tanár felügyelete mellett.

5. Végezze el a kapott kép feldolgozását és elemzését. Milyen baktériumformák jellemzőek az Ön megoldására? Mi határozza meg a baktériumsejtek alakját és méretét?

6. Vegye elő a Bergey baktérium azonosítót, és hasonlítsa össze az eredményeket az ott leírtakkal.

7.7 Ellenőrző kérdések

1. Milyen módszerek vannak a biológiai objektumok tanulmányozására?

2. Mi az a pásztázó szonda mikroszkópia? Mi az elv mögött?

3. Nevezze meg az SPM fő összetevőit és célját!

4. Mi a piezoelektromos hatás és hogyan alkalmazzák az SPM-ben? Ismertesse a különböző szkenner-kialakításokat.

5. Ismertesse a NanoEducator készülék általános kialakítását!

6. Ismertesse az erőkölcsönhatás-érzékelőt és működési elvét!

7. Ismertesse a szonda megközelítésének mechanizmusát a NanoEducator készülékben lévő mintához! Ismertesse azokat a paramétereket, amelyek meghatározzák a szonda és a minta kölcsönhatásának erősségét!

8. Ismertesse a szkennelés elvét és a visszacsatoló rendszer működését! Mondja el nekünk a vizsgálati paraméterek kiválasztásának kritériumait.

7.8 Irodalom

Megvilágított. 7 1. Paul de Cruy. Mikrobavadászok. M. Terra. 2001.

Megvilágított. 7 2. Útmutató a mikrobiológiai gyakorlati gyakorlatokhoz. Szerkesztette: Egorov N.S. Moszkva: Nauka, 1995.

Megvilágított. 7 3. Howlt J., Krieg N., P. Snit, J. Staley, S. Williams. // Bergey kulcsai a baktériumokhoz. M.: Mir, 1997. T. No. 2. S. 574.

Megvilágított. 7 4. A műszer használati útmutatója NanoEducator.tárgyakat... Nyizsnyij Novgorod. Tudományos és oktatási központ...

Előadásjegyzetek a "Pásztázó szonda mikroszkópia a biológiában" kurzushoz, előadásterv

Absztrakt

... Szkennelésszondamikroszkópia biológiában "Előadásterv: Bevezetés, SPM. határok története Alkalmazás...és nanostruktúrák, kutatásbiológiaitárgyakat: Nobel-díjasok... számárakutatás Konkrét minta: B szkennelésszondamikroszkópiaszámára ...

Xxiii orosz elektronmikroszkópos konferencia előzetes programja június 1. kedd délelőtt 10:00 - 14:00 Konferencia megnyitója

Program

B.P. Karadzhyan, Yu. L. Ivanova, Yu.F. Ivlev és V.I. Popenko Alkalmazásszondaés konfokális szkennelésmikroszkópiaszámárakutatás javítási folyamatok nanodiszperz graftokkal ...

1. Összoroszországi Tudományos Konferencia A funkcionális anyagok összetételének és szerkezetének vizsgálati módszerei

Dokumentum

TÖBBELEMES OBJEKTUMOK BENCHMARK ... Lyakhov N.Z. KUTATÁS NANOKOMPOZITOK BIOLÓGIAI ALATT AKTÍV ... Aliev V.Sh. ALKALMAZÁS MÓDSZER SZONDAMIKROSZKÓPIÁKFORKUTATÁS HATÁS... SZKENNELÉS KALORIMETRIA ÉS TERMOSTIMULÁLT ÁRAMOK FORKUTATÁS ...

1. sz. laboratóriumi munka

Az első SPM-kép beszerzése. Feldolgozás és bemutatás

Kísérleti eredmények

Célkitűzés: a pásztázó szonda mikroszkópia alapjainak, a NanoEducator készülék kialakításának és működési elveinek tanulmányozása, az első SPM kép készítése, a feldolgozásban és a kísérleti eredmények bemutatásában való jártasság megszerzése.

Eszközök és tartozékok: készülék NanoEducator, minta kutatáshoz: tesztminta TGZ3 vagy bármely más a tanár választása szerint.

RÖVID ELMÉLET

Pásztázó szonda mikroszkóp általános kialakítása

Az SPM a következő fő összetevőkből áll (1-1. ábra): 1 - szonda; 2 - minta; 3 - x, y, z piezoelektromos motorok a szonda precíziós mozgatásához a vizsgálati minta felületén; 4 - sweep generátor, amely feszültséget ad az x és y piezo meghajtóknak, amelyek a szonda vízszintes síkban történő letapogatását biztosítják; 5 - elektronikus érzékelő, amely érzékeli a szonda és a minta közötti helyi kölcsönhatás értékét; 6 - egy komparátor, amely összehasonlítja a V (t) érzékelő áramkör áramjelét az eredetileg megadott V S értékkel, és ha ez eltér, V fb korrekciós jelet generál; 7 - elektronikus visszacsatoló áramkör, amely vezérli a szonda helyzetét a z tengely mentén; 8 - a szkennelési folyamatot és a képfelvételt vezérlő számítógép (9).

Rizs. 1-1. A pásztázó szonda mikroszkóp általános elrendezése. 1 - szonda; 2 - minta; 3 - piezoelektromos motorok x, y, z; 4 - feszültség sweep generátor x, y piezoelektromos kerámiákon; 5 - elektronikus érzékelő; 6 - összehasonlító; 7 - elektronikus visszacsatoló áramkör; 8 - számítógép; 9 – z kép (x, y)

Érzékelők típusai. A szondamikroszkópia két fő módszere a pásztázó alagútmikroszkópia és az atomerőmikroszkópia.

Az alagútáram mérésekor alagútérzékelőben (1-2. ábra) egy áram-feszültség (CT) átalakítót használnak, amely a szonda és a minta közötti áram áramlási útvonalához kapcsolódik. Két csatlakozási lehetőség lehetséges: földelt szondával, amikor a mintára előfeszítő feszültséget adnak a földelt szondához képest, vagy földelt mintával, amikor előfeszítő feszültséget kapcsolnak a szondára.

A hagyományos erőkölcsönhatás-érzékelő egy szilícium mikrosugár, egy konzol vagy egy konzol, amelynek optikai sémája a minta és a konzol végén található szonda közötti erőkölcsönhatásból adódó konzolhajlítási érték regisztrálása (1-3. ábra). .

Rizs. 1-2. Alagútérzékelő diagram Fig. 1-3. Teljesítményérzékelő áramkör

Az erőmikroszkópos vizsgálat során meg kell különböztetni az érintkezési, nem érintkezési és szakaszos érintkezési ("félkontaktus") módszereket. Az érintkezési módszer alkalmazása feltételezi, hogy a szonda a mintán nyugszik. Amikor a konzolt érintkezési erők hatására meghajlítják, a visszavert lézersugár elmozdul a kvadráns fotodetektor középpontjához képest. Így a konzol kihajlása a fotodetektor felső és alsó felének megvilágításának relatív változásával határozható meg.

Az érintésmentes módszer alkalmazásakor a szondát eltávolítják a felületről, és a nagy hatótávolságú vonzó erők hatásterületén van. A vonzási erők és gradienseik gyengébbek, mint a taszító érintkezési erők. Ezért ezek kimutatására általában modulációs technikát alkalmaznak. Ehhez a konzol a piezo vibrátor segítségével függőlegesen lengeti a rezonanciafrekvenciát. A felülettől távol a konzolos lengés amplitúdója maximális értékkel rendelkezik. A felülethez közeledve a vonzási erők gradiensének hatására a konzolos rezgések rezonanciafrekvenciája megváltozik, míg rezgéseinek amplitúdója csökken. Ezt az amplitúdót egy optikai rendszer segítségével rögzítjük a fotodetektor felső és alsó felének változó megvilágításának relatív változása szerint.

A "semicontact" mérési módszerrel az erőkölcsönhatás mérésére modulációs technikát is alkalmaznak. A "félkontaktus" módban a szonda részben érinti a felületet, felváltva a vonzás és a taszítás tartományában.

Piezoelektromos motor. Szkennerek. Az SPM-ben piezoelektromos motorokat használnak a tű ultrarövid távolságokon történő szabályozott mozgásához. Feladatuk a vizsgált minta precíziós mechanikus pásztázása a szonda által oly módon, hogy a szondát az álló mintához képest mozgatják, vagy a mintát az álló szondához képest mozgatják. A legtöbb modern SPM-ben használt piezoelektromos motor működése az inverz piezoelektromos effektus alkalmazásán alapul, amely a piezoelektromos anyag méretének megváltoztatásából áll elektromos tér hatására. A legtöbb SPM-ben használt piezokerámia alapja a Pb (ZrTi) O 3 (ólomcirkonát-titanát) összetétele, különféle adalékokkal.

Az egyik végén rögzített piezolemez nyúlását a következő kifejezés határozza meg:

ahol l- lemez hossza, h- lemezvastagság, U- elektromos feszültség a piezoelektromos lemez szélein elhelyezett elektródákra, d 31 - az anyag piezomodulja.

A három x, y (a minta oldalsíkjában) és z (függőlegesen) koordináta mentén mozgó piezokerámia konstrukciókat "szkennereknek" nevezzük. Többféle szkenner létezik, ezek közül a legelterjedtebbek az állványos és a cső alakúak (1-4. ábra).

Rizs. 1-4. A szkennerek főbb kialakításai: a) - állvány, b) - cső alakú

Egy háromlábú szkennerben a három koordináta mentén történő mozgást három, egymástól merőleges szerkezetbe rendezett piezokerámia biztosítja. A cső alakú szkennerek úgy működnek, hogy egy üreges piezoelektromos csövet az oldalsíkban meghajlítanak, és a csövet a Z tengely mentén meghosszabbítják vagy összenyomják. A cső X és Y irányú mozgását szabályozó elektródákat négy szegmensben helyezik el a cső külső felületén (1. ábra). -4 b). A cső X irányú hajlításához feszültséget kell kifejteni a + X kerámiára, hogy meghosszabbítsák az egyik oldalát. Ugyanezt az elvet alkalmazzuk az Y irányú mozgás meghatározására, az eltolások X és Y irányban

arányos az alkalmazott feszültséggel és a csőhossz négyzetével. A Z irányú mozgást a cső közepén lévő elektródára feszültség kapcsolásával hozzuk létre. Ez a teljes cső hosszával és az alkalmazott igénybevétellel arányos megnyúlását eredményezi.

A felület letapogatásának folyamata az SPM-ben (1-5. ábra) hasonló az elektronsugár mozgásához a képernyőn keresztül egy televíziókészülék katódsugárcsövében. A szonda a vonal (vonal) mentén mozog, először előre, majd az ellenkező irányba (vonal pásztázás), majd a következő vonalra megy (függőleges pásztázás). A szonda mozgását a szkenner kis lépésekben hajtja végre egy sweep generátor (általában digitális-analóg konverter) által táplált fűrészfog feszültség hatására. A felszíni domborművel kapcsolatos információk regisztrálása általában egyenes hágón történik.

Rizs. 1-5. A szkennelési folyamat sematikus ábrázolása

A szkennelés megkezdése előtt kiválasztandó fő lehetőségek a következők:

Szkennelés mérete;

Az N X vonal azon pontjainak száma és a pásztázás NY vonalainak száma, amelyek meghatározzák a pásztázási lépést Δ;

Letapogatási sebesség.

A szkennelési paraméterek kiválasztása az előzetes adatok (jellemző felületi jellemzők nagysága) alapján történik, amelyekkel a kutató rendelkezik a vizsgált tárgyról.

A szkennelési méret kiválasztásakor a legteljesebb információt kell megszerezni a mintafelületről, pl. felületének legjellemzőbb vonásait jelenítse meg. Például egy 3 μm periódusú diffrakciós rács pásztázásakor legalább több periódus megjelenítése szükséges, pl. A beolvasási méret 10-15 µm legyen. Ha a vizsgált objektum felületén a jellemzők elhelyezkedése nem egyenletes, akkor a megbízható értékeléshez a minta felületén több, egymástól bizonyos távolságra lévő ponton kell szkennelni. A vizsgált tárgyra vonatkozó információk hiányában először általában a megjelenítésre rendelkezésre álló maximumhoz közeli területen végeznek szkennelést, hogy áttekintést kapjanak a felület természetéről. Az ismételt szkennelés szkennelési méretének kiválasztása a felmérés során kapott adatok alapján történik.

A szkennelési pontok számát (NX, NY) úgy választjuk meg, hogy a szkennelési lépés Δ (az a távolság a pontok között, amelyeknél a felületre vonatkozó információ beolvasásra kerül) kisebb legyen, mint a jellemző tulajdonságai, ellenkező esetben a szkennelések között található információk egy része. pontok elvesznek. Másrészt, ha túl sok pásztázási pontot választ, megnő a beolvasási idő.

A letapogatási sebesség határozza meg, hogy a szonda milyen sebességgel mozog azon pontok között, ahol az információt olvassák. A túl nagy sebesség oda vezethet, hogy a visszacsatoló rendszernek nem lesz ideje elmozdítani a szondát a felületről, ami a függőleges méretek helytelen reprodukálásához, valamint a szonda és a mintafelület károsodásához vezet. A lassú pásztázási sebesség megnöveli a szkennelés felvételi idejét.

Visszacsatolási rendszer. A pásztázás során a szonda a különböző fizikai tulajdonságú felületi területek fölé kerülhet, aminek következtében a szonda-minta kölcsönhatás nagysága és jellege megváltozik. Ezen túlmenően, ha a minta felületén egyenetlenségek vannak, akkor a szonda és a felület közötti ΔZ távolság a pásztázás során megváltozik, és ennek megfelelően változik a lokális kölcsönhatás nagysága is.

A szkennelési folyamat során a helyi kölcsönhatás (erő- vagy alagútáram) állandó értékét egy negatív visszacsatoló rendszer segítségével tartják fenn. Ahogy a szonda közeledik a felszínhez, az érzékelő jele növekszik (lásd 1-1. ábra). A komparátor összehasonlítja az áramérzékelő jelét egy V s referenciafeszültséggel, és V fb korrekciós jelet generál, amely a szondát a mintafelülettől távolodó piezo hajtás vezérlőjeleként szolgál. A felszíni topográfia képének megszerzéséhez szükséges jelet a z-piezo meghajtó csatornájából veszik.

ábrán. Az 1-6. ábrák a szonda mozgásának pályáját mutatják a mintához (2. görbe) és a mintának a szondához képest (1. görbe) a szonda-minta kölcsönhatás állandó értékének megőrzése mellett. Ha a szonda egy lyuk vagy egy olyan terület fölött van, ahol a kölcsönhatás gyengébb, akkor a minta felemelkedik, ellenkező esetben a minta leereszkedik.

A visszacsatoló rendszer visszacsatolását a V fb = V (t) - V S mismatch jel előfordulására a K visszacsatoló hurok állandója határozza meg (a NanoEducator készülékben - Gain OS) vagy több ilyen állandó. A konkrét K-értékek egy adott SPM tervezési jellemzőitől (a szkenner kialakítása és jellemzői, elektronika), az SPM működési módjától (szkennelési méret, szkennelési sebesség stb.), valamint a vizsgált felület jellemzőitől függenek. (érdesség mértéke, domborzati adottságok léptéke, anyagkeménység stb.) stb.).

Rizs. 1-6. A szonda és a minta relatív mozgásának pályája a visszacsatoló rendszer állandó helyi interakciójának fenntartása során

Általánosságban elmondható, hogy minél magasabb a K érték, annál pontosabban dolgozza ki a visszacsatoló hurok a szkennelt felület jellemzőit, és annál megbízhatóbbak a szkennelés során nyert adatok. Egy bizonyos K kritikus érték túllépése esetén azonban a visszacsatoló rendszer hajlamos öngerjesztésre, pl. zaj figyelhető meg a letapogatási vonalon.

SPM adatformátum, a kísérleti eredmények feldolgozásának és bemutatásának módszerei. A pásztázó szonda mikroszkóppal nyert információkat egy SPM keret formájában tárolják - egy kétdimenziós Z ij egész számokból álló tömb (mátrix). Az ij indexpár minden értéke egy adott pontnak felel meg a felületen a pásztázási mezőn belül. A felületi pontok koordinátáit úgy számítjuk ki, hogy a megfelelő indexet egyszerűen megszorozzuk azon pontok távolságával, ahol az információt olvastuk. Az SPM keretek általában 200x200 vagy 300x300 méretű négyzetmátrixok.

Az SPM-kockákat számítógépes grafika segítségével jelenítik meg, főként kétdimenziós fényerősségű (2D) és háromdimenziós (3D) képek formájában. A 2D vizualizációban a Z = f (x, y) felület minden pontjához a felület pontjának magasságának megfelelően egy bizonyos színű tónust rendelünk (1-7 a. ábra). A 3D renderelésben a Z = f (x, y) felületi kép axonometrikus perspektívában épül fel pixelek vagy vonalak segítségével. A 3D képek színezésének leghatékonyabb módja a felület megvilágítási viszonyainak szimulálása egy pontforrással, amely a tér valamely pontján a felszín felett található (1-7. b ábra). Ugyanakkor hangsúlyozni lehet a dombormű egyes apró jellemzőit.

Az SPM képek a hasznos információk mellett sok olyan mellékinformációt is tartalmaznak, amelyek torzítják a felület morfológiájára és tulajdonságaira vonatkozó adatokat. Az SPM képek általában tartalmaznak egy állandó komponenst, amely nem hordoz hasznos információt a felület domborművéről, hanem a minta megközelítésének pontosságát tükrözi a szkenner Z tengely mentén történő mozgásának dinamikatartományának közepén. szoftverrel eltávolítják az SPM keretből.

Rizs. 1-7. Az SPM képek grafikus megjelenítésének módjai:

a) - 2D, b) - 3D oldalsó megvilágítással

A szondamikroszkópokkal kapott felszíni képek olyanok, mint

általában közös lejtéssel rendelkeznek. Ennek több oka is lehet. Először is, dőlés jelentkezhet a minta szondához viszonyított pontatlan pozicionálása vagy a minta nem síksága miatt; másodszor, összefüggésbe hozható hőmérséklet-eltolódással, ami a szonda elmozdulásához vezet a mintához képest; harmadszor, a piezoscanner elmozdulások nemlinearitása okozhatja. Az SPM keretben nagy mennyiségű hasznos területet fordítanak a döntés megjelenítésére, így a kép apró részletei láthatatlanok lesznek. Ennek a hátránynak a kiküszöbölésére az állandó lejtő levonását (szintezést) hajtjuk végre (1-8. ábra).

Rizs. 1-8. Az állandó dőlés megszüntetése az SPM képről

A piezoscanner tulajdonságainak tökéletlensége ahhoz a tényhez vezet, hogy az SPM kép

számos konkrét torzítást tartalmaz. Különösen, mivel a szkenner mozgása a minta síkjában befolyásolja a szonda helyzetét a felület felett (a Z tengely mentén), az SPM képek a valódi dombormű és a második (és gyakran magasabb) felületének szuperpozíciói. ) rendelés. Az ilyen torzítások kiküszöbölésére a legkisebb négyzetek módszerével keresünk egy másodrendű közelítő felületet, amelynek minimális eltérése van az eredeti felülettől, majd ezt a felületet levonjuk az eredeti SPM-képből.

A berendezés zaja, a szonda-minta érintkezés instabilitása a pásztázás során, a külső akusztikus zajok és rezgések azt a tényt eredményezik, hogy az SPM képek a hasznos információk mellett zajkomponenst is tartalmaznak. Az SPM-képek részleges zaja különböző szűrők segítségével szoftverrel eltávolítható.

SPM NanoEducator design.ábrán. Az 1-9. ábrákon az SPM NanoEducator mérőfej külső nézete látható, és az eszköz működés közben használt fő elemei láthatók. ábrán. Az 1-10. ábrán a mérőfej kialakítása látható. Az 1 alapon egy 7 szkenner 6 mintatartóval és egy léptetőmotoron alapuló 2 megközelítési mechanizmus található. A 4 interakciós érzékelőn rögzített 5 szonda a 3 kézi megközelítésű csavarral is a mintához vihető. A mintán a kutatási hely előzetes kiválasztása a 8 csavar segítségével történik.

Rizs. 1-9. A NanoEducator mérőfej külső képe: 1 - talp, 2 - mintatartó, 3 - interakciós érzékelő, 4 - szenzorrögzítő csavar, 5 - kézi beállító csavar, 6 - csavarok a szkenner mozgatásához a mintával, 7 - fedél egy Videókamera

Rizs. 1-10. SPM NanoEducator kialakítás: 1 - talp, 2 - megközelítési mechanizmus, 3 - kézi csavar, 4 - interakciós érzékelő, 5 - szenzorrögzítő csavar, 6 - szonda, 7 - mintatartó, 8 - szkenner, 9, 10 - szkenner mozgási csavarok minta

ábrán. Az 1-11. ábrákon az eszköz működési diagramja látható. A NanoEducator egy mérőfejből, egy elektronikus egységből, összekötő kábelekből és egy vezérlő számítógépből áll. A kamera a számítógéphez csatlakoztatott különálló eszközként jelenik meg. Az interakciós érzékelő jele az előerősítőben történő átalakítás után az SPM vezérlőbe kerül. Az elektronikus egység vezérlőjelei a mérőfejhez jutnak. Az elektronikus egység vezérlése számítógépről, PC kommunikációs vezérlőn keresztül történik.

Rizs. 1-11. A készülék működési diagramja. NanoEducator

Univerzális érzékelő az alagút áram és erő kölcsönhatáshoz. A NanoEducator eszköz univerzális alagútáram és modulációs erő kölcsönhatás érzékelőt használ. Az érzékelő egy hosszúságú piezokerámia cső formájában készül l= 7 mm, átmérő d= 1,2 mm és falvastagság h= 0,25 mm, egyik végén mereven rögzítve. A cső belső felületére vezetőképes elektródát helyeznek fel. A cső külső felületére két elektromosan szigetelt félhengeres elektródát helyeznek. A cső szabad végéhez egy 100 µm átmérőjű volfrámhuzal van rögzítve (1-12. ábra). A szondaként használt huzal szabad vége elektrokémiailag élezett, a görbületi sugár 0,2-0,05 mikron. A szonda elektromosan érintkezik a cső belső elektródájával, amely a műszer földelt testéhez csatlakozik. Az alagútáram mérésekor a piezocső merev passzív konzol szerepét tölti be. A mintán elektromos elmozdulást alkalmaznak a földelt szondához képest (1-13. ábra). Az ábrán látható átalakító Uт elektromos feszültséget hoz létre, amely az I alagútáramot folyatja, és ezzel az áramerősséggel arányos U feszültséget ad ki az elektronikus egységre.

Rizs. 1-12. Az univerzális kialakítása Fig. 1-13. A NanoEducator árameszköz alagútérzékelőjének regisztrációs elve

Erőkölcsönhatás-érzékelőként a piezoelektromos cső egyik részét piezovibrátorként, a másikat mechanikus rezgésérzékelőként használják. A piezo vibrátort váltakozó elektromos feszültséggel látják el, amelynek frekvenciája megegyezik a teljesítményérzékelő rezonanciafrekvenciájával. A rezgés amplitúdója a szonda és a minta közötti nagy távolságban maximális. ábrából látható. Az 1-14. ábrákon látható, hogy a rezgések során a szonda az erőltetett mechanikai rezgések amplitúdójával megegyező Ao-val tér el az egyensúlyi helyzettől (ez egy mikron töredéke), míg a második részén váltakozó elektromos feszültség jelenik meg. a piezoelektromos elem (oszcillációs érzékelő), amely arányos a szonda elmozdulásával, amelyet a készülék mér.

Amint a szonda közeledik a minta felületéhez, a szonda rezgés közben érinteni kezdi a mintát. Ez az érzékelő oszcillációinak amplitúdó-frekvenciás karakterisztikája (AFC) balra tolódásához vezet a felszíntől távol mért AFC-hez képest (1-14. ábra). Mivel a piezocső kényszerrezgésének frekvenciája szabad állapotban állandó és egyenlő ω 0-val, így a szonda a felülethez közeledve rezgéseinek amplitúdója csökken és egyenlő lesz A-val. Ezt a rezgési amplitúdót a a piezocső második fele.

Rizs. 1-14. Az erőérzékelő oszcillációs frekvenciájának változása at

közeledik a minta felületéhez

Scanner. A NanoEducator készülékben alkalmazott mikromozgások szervezési módja a kerülete körül befogott fémmembrán alkalmazásán alapul, melynek felületére piezoelektromos lemezt ragasztanak (1-15. a ábra). A piezoelektromos lemez méretének megváltoztatása a vezérlőfeszültség hatására a membrán meghajlásához vezet. Ha ilyen membránokat helyezünk el a kocka három merőleges oldalára, és középpontjukat fémvezetőkkel összekötjük, 3 koordinátás szkennert kaphatunk (1-15. b ábra).

Minden egyes 1 piezoelektromos elem, amely a 2 kocka oldalain van rögzítve, a ráerősített 3 tolót három egymásra merőleges irány egyikében - X, Y vagy Z - tudja mozgatni, ha elektromos feszültséget kapcsolnak rá. Amint az ábrán látható, mindhárom toló egy 4. pontban van összekötve. Némi közelítéssel feltételezhetjük, hogy ez a pont három X, Y, Z koordináta mentén mozog. Így a minta három koordinátában mozog három független feszültségforrás hatására. A NanoEducator készülékekben a maximális mintamozgás körülbelül 50-70 mikron, ami meghatározza a maximális szkennelési területet.

Rizs. 1-15. A NanoEducator készülék szkennerének működési elve (a) és kialakítása (b).

A szonda mintához való automatikus megközelítésének mechanizmusa (visszacsatolás rögzítése)... A szkenner mozgási tartománya a Z tengely mentén körülbelül 10 µm, ezért a szkennelés megkezdése előtt szükséges a szondát ezen a távolságon közelebb vinni a mintához. Erre szolgál a megközelítési mechanizmus, melynek diagramja a 2. ábrán látható. 1-16. Az 1 léptetőmotor, amikor elektromos impulzusokat adunk rá, elforgatja a 2 adagolócsavart és a 4 szondával együtt mozgatja a 3 rudat, közelebb vagy távolabb hozva azt a 6 szkennerre szerelt 5 mintától. Egy lépés értéke: körülbelül 2 mikron.

Rizs. 1-16. A szondának a minta felületéhez való megközelítésének mechanizmusának diagramja

Mivel a megközelítési mechanizmus lépése a szkennelés során jelentősen meghaladja a szükséges szonda-minta távolság értékét, a szonda deformálódásának elkerülése érdekében megközelítése a léptetőmotor és a szkenner mentén történő mozgások egyidejű működtetésével történik. a Z tengelyt a következő algoritmus szerint:

A visszacsatoló rendszer kikapcsol, és a szkenner „visszahúzódik”, azaz leengedi a mintát az alsó szélső helyzetbe:

1. A szonda megközelítési mechanizmusa tesz egy lépést és megáll.

2. A visszacsatoló rendszer bekapcsol, a szkenner fokozatosan felemeli a mintát, miközben megtörténik a szonda-minta kölcsönhatás meglétének elemzése.

3. Ha nincs kölcsönhatás, a folyamat megismétlődik az 1. ponttól.

Ha a szkenner felhúzása közben nem nulla jel jelenik meg, a rendszer ezt fogja tenni

A visszacsatolás leállítja a szkenner felfelé irányuló mozgását, és rögzíti az interakció mértékét egy adott szinten. A NanoEducator készülékben az erőkölcsönhatás nagyságát, amelynél a közeledő szonda megáll, és a pásztázási folyamat lezajlik, a NanoEducator készülékben a paraméter jellemzi. Stop amplitúdó(amplitúdó elnyomás ).

A MUNKAVÉGZÉS RENDJE

1.Mérésekre való felkészülés.

A NanoEducator program meghívása után a főablak megjelenik a képernyőn. ábrán. Az 1-17. ábrákon a főablak egy töredéke látható.

Rizs. 1-17. A NanoEducator program fő ablaka

Javasoljuk, hogy az ablak segítségével készüljön fel a mérésekre Felkészülés a beolvasásra... Az ablakot a fő műveleti panelen lévő gomb nyitja meg. Ha a készülék vezérlőjét a NanoEducator program elindítása előtt bekapcsolták, akkor a program indulásakor automatikusan a vezérlő kerül kiválasztásra. Ellenkező esetben a vezérlő nevét kell kiválasztani a listából Vezérlő kiválasztása... A készülék atomerőmikroszkópként történő működtetéséhez a menüben Módválasztás válassza ki a konfigurációt AFM.

Hasonló információk.

Piezoelektromos mikroeltolódásos szkennerek kutatása.

Célkitűzés: az objektumok mikroeltolódásának fizikai és műszaki elveinek tanulmányozása pásztázó szonda mikroszkópiában, piezoelektromos szkennerekkel megvalósítva

Bevezetés

A pásztázó szonda mikroszkópia (SPM) az egyik leghatékonyabb modern módszer a szilárd felületek tulajdonságainak tanulmányozására. Jelenleg gyakorlatilag egyetlen kutatás sem fejeződik be a felszínfizika és a mikrotechnológia területén SPM-módszerek alkalmazása nélkül.

A pásztázó szondás mikroszkópia alapelvei alapul szolgálhatnak a nanoméretű szilárdtestszerkezetek (1 nm = 10 A) létrehozására szolgáló technológia fejlesztéséhez. Az ember alkotta tárgyak létrehozásának technológiai gyakorlatában először vetődik fel az atomos összeállítás elveinek az ipari termékek gyártása során történő alkalmazásának kérdése. Ez a megközelítés távlatokat nyit olyan eszközök megvalósítására, amelyek nagyon korlátozott számú egyedi atomot tartalmaznak.

A pásztázó alagútmikroszkópot (STM), amely a szondamikroszkópok családjának első tagja, G. Binnig és G. Rohrer svájci tudósok találták fel 1981-ben. Munkáikban megmutatták, hogy ez egy meglehetősen egyszerű és nagyon hatékony módszer egy nagy térbeli felbontású felület vizsgálatára egészen atomi rendig. Ez a technika számos anyag felületének atomi szerkezetének vizualizálása után kapott igazi elismerést, és különösen a rekonstruált szilícium felületét. 1986-ban egy alagútmikroszkóp megalkotásáért G. Binnig és G. Poper fizikai Nobel-díjat kapott. Az alagútmikroszkópot, az atomerőmikroszkópot (AFM), a mágneses erőmikroszkópot (MSM), az elektromos erőmikroszkópot (EFM), a közeli mező optikai mikroszkópot (BOM) és sok más hasonló működési elvű, ún. pásztázó szonda mikroszkópok.

1. A pásztázó szonda mikroszkópok általános elvei

A pásztázó szondás mikroszkópokban a felület mikroreliefjének és lokális tulajdonságainak vizsgálata speciálisan elkészített tű típusú szondákkal történik. Az ilyen szondák (pontok) munkarészének görbületi sugara körülbelül tíz nanométer nagyságú. A szonda és a minták felülete közötti jellemző távolság szondamikroszkópokban nagyságrendileg 0,1-10 nm.

A szondamikroszkópok működése a szonda és a minták felületén lévő atomok különböző típusú fizikai kölcsönhatásán alapul. Így az alagútmikroszkóp működése a fémtű és a vezető minta közötti alagútáram jelenségén alapul; különböző típusú erőkölcsönhatások alapozzák meg az atomerő-, mágneses- és elektromos erőmikroszkópok működését.

Tekintsük a különféle szondamikroszkópokban rejlő közös jellemzőket. Jellemezzük a szonda és a felület kölcsönhatását valamilyen paraméterrel R... Ha kellően éles és egy az egyhez függősége van a paraméternek R a távolságszondától - minta P = P (z), akkor ez a paraméter használható egy visszacsatoló rendszer (OS) megszervezésére, amely szabályozza a szonda és a minta közötti távolságot. ábrán. Az 1. ábra sematikusan mutatja be a pásztázó szonda mikroszkóp visszacsatolási rendszerének általános elvét.

Rizs. 1. A szonda mikroszkóp visszacsatoló rendszerének diagramja

A visszacsatoló rendszer fenntartja a paraméterértéket Rállandó egyenlő az értékkel Ro az üzemeltető állítja be. Ha a szonda - felület távolság változik (például nő), akkor a paraméter megváltozik (növekszik) R... Az OS rendszerben az értékkel arányos különbségi jel generálódik. P= P - Po, amelyet a kívánt értékre erősítünk, és az IE működtetőelemhez tápláljuk. Az aktuátor ezt a különbségjelet úgy dolgozza fel, hogy a szondát közelebb hozza a felszínhez, vagy távolítja el addig, amíg a különbségi jel nulla lesz. Ily módon a szonda és a minta közötti távolság nagy pontossággal tartható fenn. A meglévő szonda mikroszkópokban a szonda felületi távolságának tartása ~ 0,01 Å. Amikor a szonda a minta felületén mozog, az interakciós paraméter megváltozik R a felületi domborzat miatt. Az OS rendszer feldolgozza ezeket a változásokat, így amikor a szonda az X, Y síkban mozog, az aktuátoron érkező jel arányos a felület domborulatával.

Az SPM kép elkészítéséhez egy speciálisan szervezett minta beolvasási folyamatot hajtanak végre. A pásztázás során a szonda először egy bizonyos vonal mentén halad a mintán (line scan), miközben az aktuátoron a felület domborulatával arányos jelérték rögzítésre kerül a számítógép memóriájában. Ezután a szonda visszatér a kiindulási ponthoz, és a következő letapogatási sorra lép (függőleges vizsgálat), és a folyamat megismétlődik. A szkennelés során így rögzített visszacsatoló jelet számítógép dolgozza fel, majd a felületi dombormű SPM-képe Z = f (x, y) számítógépes grafika segítségével épül fel. A felületi domborművelés tanulmányozása mellett a szondamikroszkópok lehetővé teszik a különböző felületi tulajdonságok tanulmányozását: mechanikai, elektromos, mágneses, optikai és sok más.

Először 1966-ban vetették fel azt az ötletet, hogy egy éles szondával ultranagy felbontású képet készítsenek egy minta felületéről, és 1972-ben valósította meg Russell Young, aki a felszínfizikával foglalkozott. A Young beállítás az ábrán látható. A vizsgált vezető mintát differenciálmikrocsavaron alapuló durva megközelítési mechanizmusra rögzítjük. A mintát egy éles volfrámtűre visszük fel, amely egy precíziós piezo-hajtású XYZ szkennerhez van csatlakoztatva. A szonda csúcsa és a minta között alkalmazott potenciálkülönbség elektronemissziót okoz, amelyet a műszer rögzít. A visszacsatoló mechanizmus állandó emissziós áramot tart fenn azáltal, hogy megváltoztatja a szonda helyzetét a Z koordináta mentén (azaz a szonda és a felület közötti távolság). A visszacsatoló jel rögzítőn vagy oszcilloszkópon történő rögzítése lehetővé teszi a felületi dombormű helyreállítását.

Bár a Yang eszköz térbeli felbontása a minta síkjában nem haladta meg a hagyományos optikai mikroszkóp felbontását, az installáció az SPM minden jellemző tulajdonságával rendelkezett, és lehetővé tette az atomi rétegek megkülönböztetését a mintán.

Néhány évvel később, a 70-es évek végén Gerd Binnig és Heinrich Rohrer fizikusok az IBM zürichi kutatólaboratóriumából elkezdték fejleszteni azt a berendezést, amely később az első pásztázó alagútmikroszkóp lett. Széles körű elektronmikroszkópos tapasztalattal és az alagúthatás tanulmányozásával arra jutottak, hogy egy Young's Topografinerhez hasonló elrendezést hozzanak létre.

De az emissziós áram helyett az alagút effektus áramot alkalmazták, ami lehetővé tette a készülék felbontásának nagyságrendekkel történő növelését. Nagyon sok atomi felbontású kép készült, az eszköz további fejlesztése sok más típusú SPM létrehozásához vezetett. 1986-ban Binnig és Rohrer fizikai Nobel-díjat kapott egy pásztázó alagútmikroszkóp megalkotásáért. Az első saját márka létrejöttének története Binnig Nobel-beszédében olvasható
Az installációk további fejlesztésével a kutatók nemcsak a felszín domborzatának mérését, hanem az egyes atomok manipulálását is megtanulták! Ennek az eseménynek a jelentősége az első mesterséges műhold földi pályára bocsátásához hasonlítható, és talán ez az első lépés a jövő legfontosabb technológiáinak megalkotása felé.

Az alagút effektus alkalmazása az STM-ben nemcsak ultranagy felbontás elérését teszi lehetővé, hanem számos jelentős megkötést is támaszt a vizsgált mintával szemben: vezetőképesnek kell lennie, és kívánatos a méréseket nagy vákuumban végezni. . Ez nagymértékben leszűkíti az STM alkalmazhatósági körét. Ezért a kutatók erőfeszítéseiket új típusú SPM létrehozására összpontosították, amelyek mentesek ezektől a korlátoktól. 1986-ban Binnig, Quat és Gerber cikke jelent meg, amely egy új típusú mikroszkópot ír le, az Atomic Force Microscope-ot (AFM). Ez a fajta mikroszkóp egy speciális szondát - egy konzolt - egy éles szilícium tűt használ, amely egy rugós sugár végére van rögzítve. Amikor ez a tű megközelíti a minta felületét körülbelül tíz nanométer távolságra (ha a minta felületét előzetesen megtisztítják egy vízrétegtől), a nyaláb elkezd eltérni a minta felé, mert a tű hegye kölcsönhatásba lép a felülettel van der Waals erők segítségével. A felület további megközelítésével az elektrosztatikus taszító erők hatására a tű ellenkező irányban elhajlik. A hegy eltérését az egyensúlyi helyzettől a Binnig-beállításban alagútmikroszkóp hegyével detektáltuk.

A konzol használata lehetővé tette a nem vezető minták vizsgálatát. A detektorrendszerek további fejlesztése pedig olyan mikroszkópok megalkotásához vezetett, amelyek nemcsak levegőben, hanem folyadékban is képesek mérni, ami különösen fontos a biológiai minták vizsgálatában. Ezenkívül módszereket dolgoztak ki a konzol és a minta erőkölcsönhatásának mérésére, amelyek segítségével lehetővé vált az egyes atomok közötti kölcsönhatási erők meghatározása 10-9 Newton szinten.

Az 1980-as évek közepe óta robbanásszerűen megnőtt a szondamikroszkóppal kapcsolatos publikációk száma. Sokféle SPM jelent meg, számos kereskedelmi forgalomban kapható eszköz, szondamikroszkópos tankönyvek jelentek meg, az SPM alapjait számos felsőoktatási intézmény tanfolyamain tanulják.

Pásztázó szonda mikroszkóp

A felületi tulajdonságok vizsgálatának legfiatalabb és egyben ígéretes iránya a pásztázó szondás mikroszkópia. A szondamikroszkópok rekordfelbontása 0,1 nm-nél kisebb. Meg tudják mérni a kölcsönhatást egy felület és egy mikroszkopikus hegy – egy szonda – között, amely azt letapogatja, és háromdimenziós képet jeleníthet meg a számítógép képernyőjén.

A szondamikroszkópos módszerek nemcsak az atomok és molekulák megtekintését teszik lehetővé, hanem a rájuk való hatást is. Ebben az esetben, ami különösen fontos, a tárgyak nem feltétlenül vákuumban (ami az elektronmikroszkópoknál megszokott), hanem különféle gázokban és folyadékokban is vizsgálhatók.

A szonda pásztázó alagútmikroszkópot 1981-ben találták fel az IBM kutatóközpontjának alkalmazottai, G. Binning és H. Rohrer (USA). Öt évvel később Nobel-díjat kaptak ezért a találmányért.

Binning és Rohrer egy 10 nm-nél kisebb felületek vizsgálatára alkalmas műszert próbált meg tervezni. Az eredmény a legmerészebb várakozásokat is felülmúlta: a tudósok olyan egyedi atomokat láttak, amelyek mérete mindössze körülbelül egy nanométer. A pásztázó alagútmikroszkóp működése az alagúthatásnak nevezett kvantummechanikai jelenségen alapul. Egy nagyon vékony fémhegyet - egy negatív töltésű szondát - közel helyeznek a pozitív töltésű mintához, amely szintén fém. Abban a pillanatban, amikor a köztük lévő távolság elér több interatomikus távolságot, az elektronok szabadon áthaladnak rajta - "alagút": az áram áthalad a résen.

A mikroszkóp működése szempontjából nagyon fontos az alagútáram éles függése a csúcs és a mintafelület távolságától. Ha a rés mindössze 0,1 nm-rel csökken, az áram körülbelül 10-szeresére nő. Ezért még az atom méretű egyenetlenségek is észrevehető ingadozásokat okoznak az áram nagyságában.

A kép elkészítéséhez a szonda átvizsgálja a felületet, az elektronikus rendszer pedig leolvassa az áramot. Attól függően, hogy ez az érték hogyan változik, a hegy lefelé vagy felfelé megy. Így a rendszer állandó áramértéket tart, és a hegy mozgásának pályája követi a felszíni domborművet, a dombok és mélyedések körül kanyarodva.

A hegy mozgatja a piezoscannert, amely egy olyan anyagból készült manipulátor, amely elektromos feszültség hatására változhat. A piezoszkenner leggyakrabban több elektródát tartalmazó cső formájában van, amely megnyúlik vagy meghajlik, hogy a szondát különböző irányokba mozgassa a nanométer legközelebbi ezredrészéig.

A csúcs mozgására vonatkozó információ a felület képévé alakul, amely pontról pontra megjelenik a képernyőn. A különböző magasságú területek különböző színekkel vannak festve az áttekinthetőség érdekében.

Ideális esetben egy álló atomnak kell lennie a szonda csúcsának végén. Ha a tű végén véletlenül több kiemelkedés van, a kép megduplázódhat, megháromszorozódhat. A hiba kiküszöbölése érdekében a tűt savval maratják, így adják meg a kívánt formát.

Számos felfedezést tettek alagútmikroszkóp segítségével. Például azt találták, hogy a kristály felületén az atomok nem úgy helyezkednek el, mint a belsejében, és gyakran összetett szerkezeteket alkotnak.

Alagútmikroszkóppal csak vezetőképes tárgyakat lehet tanulmányozni. Ugyanakkor lehetővé teszi a vékony filmszerű dielektrikumok megfigyelését is, amikor egy vezető anyag felületére helyezik. És bár ez a hatás még nem talált teljes magyarázatot, ennek ellenére sikeresen használják számos szerves film és biológiai tárgy - fehérjék, vírusok - tanulmányozására.

A mikroszkóp lehetőségei nagyok. Mikroszkóp tű segítségével még fémlemezekre is felviszik a rajzokat. Ehhez külön atomokat használnak "író" anyagként - lerakódnak a felületre vagy eltávolítják onnan. Így 1991-ben az IBM alkalmazottai xenon atomokkal írták fel cégük nevét - IBM - egy nikkellemez felületére. Az „I” betű mindössze 9 atomot, a „B” és „M” betűk pedig 13 atomot alkottak.

A pásztázó szondás mikroszkópia fejlesztésének következő lépését 1986-ban Binning, Quaith és Gerber tették meg. Létrehoztak egy atomerőmikroszkópot. Ha alagútmikroszkópban az alagútáram éles függése a szonda és a minta távolságától a döntő szerepet játszik, akkor atomi erőmikroszkópnál a testek kölcsönhatási erejének a köztük lévő távolságtól való függése döntő fontosságú.

Az atomerőmikroszkóp szondája egy miniatűr rugalmas lemez - egy konzol. Ezenkívül az egyik vége rögzítve van, a másik végén pedig szilárd anyagból - szilíciumból vagy szilícium-nitridből - egy szondacsúcs van kialakítva. A szonda mozgatásakor az atomjai és a minta egyenetlen felülete közötti kölcsönhatási erők meghajlítják a lemezt. A szondát úgy mozgatva, hogy az elhajlás állandó maradjon, képet kaphatunk a felületi profilról. A mikroszkóp ezen üzemmódja, az úgynevezett kontakt, lehetővé teszi, hogy a vizsgált tárgy nanométer töredékének felbontásával ne csak a domborművet, hanem a súrlódási erejét, rugalmasságát és viszkozitását is megmérjük.

A mintával érintkezésben végzett szkennelés gyakran annak deformációjához és tönkremeneteléhez vezet. A szonda felületre gyakorolt ​​hatása hasznos lehet például mikroáramkörök gyártásánál. A szonda azonban könnyen elszakíthat egy vékony polimer filmet, vagy károsíthatja a baktériumokat, amitől azok elpusztulnak. Ennek elkerülése érdekében a konzolt a felület közelében rezonáns rezgésekbe állítják, és rögzítik a rezgések amplitúdójában, frekvenciájában vagy fázisában bekövetkező változásokat, amelyeket a felülettel való kölcsönhatás okoz. Ez a módszer lehetővé teszi az élő mikrobák tanulmányozását: az oszcilláló tű gyengéd masszázsként hat a baktériumra, anélkül, hogy kárt okozna, és lehetővé teszi mozgásának, növekedésének és osztódásának megfigyelését.

1987-ben I. Martin és K. Vikrama-singh (USA) javasolta egy mágnesezett mikrotű használatát szondacsúcsként. Az eredmény egy mágneses erőmikroszkóp.

Egy ilyen mikroszkóp lehetővé teszi az anyag egyedi mágneses régióinak - doméneknek - megtekintését 10 nm méretig. Szuperdenz információrögzítésre is használják, a film felületén egy tű és egy állandó mágnes mezőivel doméneket képezve. Az ilyen felvétel több százszor sűrűbb, mint a modern mágneses és optikai lemezeken.

A mikromechanika világpiacán, ahol olyan óriások irányítanak, mint az IBM, a Hitachi, a Gillette, a Polaroid, az Olympus, a Joil, a Digital Instruments, Oroszországnak is megvan a helye. Egyre hangosabban hallatszik a Moszkva melletti Zelenogradból származó MDT kis cég hangja.

„Másoljunk egy távoli őseink által készített sziklarajzot egy emberi hajszálnál tízszer kisebb tányérra” – javasolja Denis Shabratov vezető technológus. - A számítógép vezérli a "kefét", a szondát - a 15 mikron hosszú, századmikron átmérőjű tűt. A tű a „háló” mentén mozog, és ahol megérinti, atomméretű kenet jelenik meg. Fokozatosan egy szarvas jelenik meg a képernyőn, majd a lovasok."

Az MDT az egyetlen szondamikroszkópok és szondák gyártója az országban. A világ négy vezetőjének egyike. A cég termékeit az USA-ban, Japánban és Európában vásárolják.

És az egész azzal kezdődött, hogy Denis Shabratov és Arkady Gologanov, a válságban lévő Zelenograd egyik intézetének fiatal mérnökei, akik azon gondolkodtak, hogyan éljenek tovább, a mikromechanikát választották. Nem ok nélkül ezt tartották a legígéretesebb iránynak.

„Nem bonyolítottuk le, hogy erős versenytársakkal kell felvennünk a versenyt” – emlékszik vissza Gologanov. - Természetesen a mi felszerelésünk gyengébb, mint az import, de másrészt csalásra készteti az embert, használja az agyát. És biztosan nem rosszabbak nálunk. A szántásra pedig bőven van hajlandóság. Napokat dolgoztunk, heti hét napot. A legnehezebb nem is egy szuperminiatűr szonda elkészítése, hanem eladása volt. Tudjuk, hogy a miénk a legjobb a világon, kiabálj róla az interneten, bombázd az ügyfeleket faxokkal, egyszóval rúgd a lábunkat, mint az a béka – nulla figyelem."

Miután megtudták, hogy a mikroszkópok gyártásának egyik vezetője, a japán Joil cég nagyon összetett formájú tűket keres, rájöttek, hogy itt az esélyük. A rendelés sok erőfeszítésbe és idegbajba került, de aprópénzt kapott. De nem a pénz volt a fő – most már hangosan bejelenthették: a híres "Joyle" a vásárlónk. Hasonlóképpen, az MDT csaknem másfél éve ingyenes speciális szondákat készít az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete számára. És egy új nagy név jelent meg az ügyféllistán.

„Most olyan a megrendelések áramlása, hogy már nem tudunk mindenkit kielégíteni” – mondja Shabratov. - Jaj, ez Oroszország sajátossága. A tapasztalatok azt mutatják, hogy az ilyen tudományigényes termékeket érdemes kis tételben gyártanunk, míg a tömeggyártást külföldön kell meghonosítani, ahol nincsenek fennakadások a szállításokban, azok alacsony minősége, alvállalkozói lehetőség.”

A pásztázó szondás mikroszkópia megjelenése sikeresen egybeesett a számítástechnika rohamos fejlődésének kezdetével, amely új lehetőségeket nyitott meg a szondamikroszkópok alkalmazásában. 1998-ban a Fejlett Technológiák Központjában (Moszkva) létrehozták a "FemtoScan-001" pásztázó szonda mikroszkóp modelljét, amelyet szintén az interneten keresztül vezérelnek. Mostantól a világ bármely pontján egy kutató mikroszkóppal dolgozhat, és mindenki, aki akar, „belenéz” a mikrovilágba anélkül, hogy elhagyná a számítógépet.

Ma ezeket a mikroszkópokat csak tudományos kutatásban használják. Segítségükkel születnek a legszenzációsabb felfedezések a genetikában és az orvostudományban, csodálatos tulajdonságokkal rendelkező anyagok születnek. Áttörés azonban a közeljövőben várható, elsősorban az orvostudomány és a mikroelektronika területén. Mikrorobotok jelennek meg, amelyek ereken keresztül közvetlenül a beteg szervekhez juttatják a gyógyszereket, és miniatűr szuperszámítógépeket hoznak létre.

A 100 nagyszerű találmány könyvéből a szerző Ryzhov Konstantin Vladislavovich

28. MIKROSZKÓP Körülbelül ugyanabban az időben, amikor elkezdődött a távcsövekkel végzett űrkutatás, megtörténtek az első kísérletek a mikrovilág titkainak feltárására lencsék segítségével, ismeretes, hogy a kis tárgyak, még ha jól megvilágítva is, túl gyenge sugarat bocsátanak ki a szem

A szerző Great Soviet Encyclopedia (IO) című könyvéből TSB

A szerző Great Soviet Encyclopedia (MI) című könyvéből TSB

A szerző Great Soviet Encyclopedia (TE) című könyvéből TSB

A szerző Great Soviet Encyclopedia (EL) című könyvéből TSB

A Mindent mindenről című könyvből. 2. kötet szerző Likum Arkady

A Szovjet szatirikus sajtó 1917-1963 című könyvből a szerző Stykalin Szergej Iljics

A 100 híres találmány könyvéből a szerző Pristinsky Vladislav Leonidovics

A Great Encyclopedia of Technology című könyvből a szerző Szerzők csapata

Ki találta fel a Mikroszkópot? A "mikroszkóp" szó görög eredetű: az első rész jelentése "kicsi", a második - "megfigyelő". Ezért a "mikroszkóp" valami nagyon kicsi dolog megfigyelője. Ez egy olyan eszköz, amely apró tárgyak vizsgálatára szolgál, nem

A Ki kicsoda a felfedezések és találmányok világában című könyvből a szerző Szitnyikov Vitalij Pavlovics

* MIKROSZKÓP Szatirikus magazin. 1922-ben Novo-Nikolajevszkben (ma Novoszibirszk) adták ki (Forrás: "Siberian Soviet encyclopedia", I. kötet, p.

A szerző könyvéből

A szerző könyvéből

Mikroszkóp A mikroszkóp egy optikai eszköz, amelyet arra terveztek, hogy bármilyen szabad szemmel nem látható objektumról vagy e tárgyak szerkezetének részleteiről nagyított képeket készítsenek.A mikroszkóp általában két lencséből álló rendszer, de

A szerző könyvéből

Röntgenmikroszkóp A röntgenmikroszkóp olyan készülék, amely röntgensugárzás segítségével vizsgálja egy tárgy mikroszkópos szerkezetét és szerkezetét. A röntgenmikroszkópnak nagyobb a felbontási határa, mint a fénymikroszkópnak, mert

A szerző könyvéből

Ionmikroszkóp Az ionmikroszkóp olyan eszköz, amely ionsugarat használ a gázkisüléses vagy termikus ionforrásból származó képek készítésére. Az ionmikroszkóp elvileg hasonló az elektronmikroszkóphoz. Áthaladva az objektumon és

A szerző könyvéből

Mikroszkóp A mikroszkóp egy optikai eszköz, amely lehetővé teszi, hogy képeket készítsen olyan tárgyakról, amelyek fegyveres szemmel láthatatlanok. Mikroorganizmusok, sejtek, kristályok, ötvözetszerkezetek megfigyelésére szolgál 0,20 mikron pontossággal. Ez a mikroszkóp felbontás a legkisebb

A szerző könyvéből

Ki találta fel a Mikroszkópot? A "mikroszkóp" szó görög eredetű: az első rész jelentése "kicsi", a második - "megfigyelő". Ezért a "mikroszkóp" valami nagyon kicsi dolog megfigyelője. Ez egy olyan eszköz, amely apró tárgyak vizsgálatára szolgál, nem