7. Aplicarea unui microscop cu sondă de scanare pentru studiul obiectelor biologice

7. Aplicarea unui microscop cu sondă de scanare pentru studiul obiectelor biologice 1

7.1. Obiectivele muncii 2

7.2. Informații pentru antrenor 3

7.4. Orientări 31

7.5. Siguranță 32

7.6. Sarcina 32

7.7. Întrebări de testare 32

7.8. Literatura 32

Lucrările de laborator au fost dezvoltate de N.N. N.I. Lobachevski

7.1 Obiectivele lucrării

Studiul parametrilor morfologici ai structurilor biologice este o sarcină importantă pentru biologi, deoarece dimensiunea și forma unor structuri determină în mare măsură proprietățile fiziologice ale acestora. Prin compararea datelor morfologice cu caracteristicile funcționale, este posibil să se obțină informații complete despre participarea celulelor vii la menținerea echilibrului fiziologic al organismului uman sau animal.

Anterior, biologii și medicii au avut ocazia să își studieze preparatele numai cu microscopuri optice și electronice. Aceste studii au oferit o imagine a morfologiei celulelor, fixe, colorate și cu acoperiri metalice subțiri obținute prin pulverizare. Nu a fost posibil să se studieze morfologia obiectelor vii, schimbările sale sub influența diferiților factori, dar a fost foarte tentant.

Microscopia cu sondă de scanare (SPM) a deschis noi oportunități în studiul celulelor, bacteriilor, moleculelor biologice, ADN-ului în condiții cât mai apropiate de cele native. SPM vă permite să studiați obiecte biologice fără fixanți și coloranți speciali, în aer sau chiar într-un mediu lichid.

În prezent, SPM este utilizat într-o mare varietate de discipline, atât în ​​cercetarea științifică fundamentală, cât și în dezvoltările aplicate de înaltă tehnologie. Multe institute de cercetare din țară sunt echipate cu echipamente de microscopie cu sondă. În acest sens, cererea de specialiști cu înaltă calificare este în continuă creștere. Pentru a-l satisface, NT-MDT (Zelenograd, Rusia) a dezvoltat un laborator educațional și științific specializat pentru scanarea microscopiei sondei NanoEducator.

SPM NanoEducator special conceput pentru munca de laborator de către studenți. Acest dispozitiv este destinat publicului studențesc: este controlat complet de computer, are o interfață simplă și intuitivă, suport de animație, presupune o însușire pas cu pas a tehnicilor, absența unor setări complexe și consumabile ieftine.

În această lucrare de laborator, veți afla despre microscopia sondei de scanare, vă veți familiariza cu elementele de bază ale acesteia, veți studia proiectarea și principiile de funcționare a sistemului educațional. SPM NanoEducator, aflați cum să pregătiți preparate biologice pentru cercetare, obțineți prima dvs. imagine SPM a unui complex de bacterii lactice și aflați elementele de bază ale procesării și prezentării rezultatelor măsurătorilor.

7.2 Informații pentru antrenor 1

Lucrările de laborator se efectuează în mai multe etape:

1. Pregătirea eșantionului este realizată de fiecare elev în mod individual.

2. Obținerea primei imagini se realizează pe un dispozitiv sub supravegherea unui profesor, apoi fiecare elev își examinează eșantionul independent.

3. Prelucrarea datelor experimentale de către fiecare student se efectuează individual.

Eșantion pentru cercetare: bacterii lactice pe un slip.

Înainte de a începe lucrul, este necesar să selectați o sondă cu cea mai caracteristică caracteristică amplitudine-frecvență (maxim simetric unic), pentru a obține o imagine a suprafeței probei studiate.

Raportul de laborator ar trebui să includă:

1. partea teoretică (răspunsuri la întrebări de control).

2. rezultatele părții experimentale (descrierea studiilor efectuate, rezultatele obținute și concluziile trase).

1. Metode de studiere a morfologiei obiectelor biologice.

2. Microscop cu sondă de scanare:

Proiectare SPM;

Soiuri SPM: STM, ASM;

Format date SPM, vizualizare date SPM.

3. Pregătirea probelor pentru studiile SPM:

morfologia și structura celulelor bacteriene;

pregătirea preparatelor pentru studierea morfologiei folosind SPM.

4. Cunoașterea programului de proiectare și control al SPM NanoEducator.

5. Obținerea unei imagini SPM.

6. Prelucrarea și analiza imaginilor obținute. Caracterizarea cantitativă a imaginilor SPM.

Metode pentru studierea morfologiei obiectelor biologice

Diametrul caracteristic al celulei este de 10 ± 20 µm, bacterii de la 0,5 la 3-5 µm, aceste valori sunt de 5 ori mai mici decât cea mai mică particulă vizibilă cu ochiul liber. Prin urmare, primul studiu al celulelor a devenit posibil numai după apariția microscopurilor optice. La sfârșitul secolului al XVII-lea. Antonio van Leeuwenhoek a realizat primul microscop optic, înainte ca oamenii nici măcar să nu bănuiască existența microbilor și bacteriilor patogene [Ref. 7 -1].

Microscopie optică

Dificultățile în studierea celulelor sunt asociate cu faptul că sunt incolore și transparente, astfel încât descoperirea structurilor lor de bază a avut loc numai după introducerea coloranților în practică. Coloranții au oferit un contrast suficient al imaginii. Cu ajutorul unui microscop optic, se pot distinge obiecte care sunt separate între ele cu 0,2 µm, adică cele mai mici obiecte care se pot distinge încă la microscopul optic sunt bacteriile și mitocondriile. Imaginile cu elemente celulare mai mici sunt distorsionate de efectele cauzate de natura luminii asemănătoare undelor.

Pentru prepararea preparatelor de lungă durată, celulele sunt tratate cu un agent de fixare pentru a le imobiliza și conserva. În plus, fixarea crește disponibilitatea coloranților la celule deoarece macromoleculele celulelor sunt ținute împreună prin legături încrucișate, care le stabilizează și le fixează într-o anumită poziție. Cel mai adesea, aldehidele și alcoolii acționează ca fixatori (de exemplu, glutaraldehida sau formaldehida formează legături covalente cu grupări amino libere de proteine ​​și molecule adiacente care leagă încrucișat). După fixare, țesuturile sunt de obicei tăiate în secțiuni foarte subțiri (1 până la 10 μm grosime) cu un microtom, care sunt apoi plasate pe o lamă de sticlă. Cu această metodă de preparare, structura celulelor sau macromoleculelor poate fi deteriorată, prin urmare înghețarea rapidă este metoda preferată. Țesutul înghețat este tăiat cu un microtom instalat într-o cameră rece. După pregătirea secțiunilor, celulele sunt colorate. Coloranții organici sunt utilizați în principal în acest scop (verde malachit, negru Sudan etc.). Fiecare dintre ele se caracterizează printr-o anumită afinitate pentru componentele celulare, de exemplu, hematoxilina are o afinitate pentru moleculele încărcate negativ, prin urmare, permite detectarea ADN-ului în celule. Dacă o anumită moleculă este prezentă în celulă într-o cantitate nesemnificativă, atunci este cel mai convenabil să se utilizeze microscopia cu fluorescență.

Microscopie fluorescentă

Coloranții fluorescenți absorb lumina la o lungime de undă și emit lumină la o altă lungime de undă mai mare. Dacă o astfel de substanță este iradiată cu lumină a cărei lungime de undă se potrivește cu lungimea de undă a luminii absorbite de colorant, și apoi se folosește un filtru pentru analiză care transmite lumina cu o lungime de undă corespunzătoare luminii emise de colorant, molecula fluorescentă poate fi detectată de strălucind într-un câmp întunecat. Intensitatea ridicată a luminii emise este o trăsătură caracteristică a acestor molecule. Utilizarea coloranților fluorescenți pentru a colora celulele implică utilizarea unui microscop special de fluorescență, care este similar cu un microscop optic convențional, dar lumina unui iluminator puternic trece prin două seturi de filtre - unul pentru a bloca o parte din lumina de la iluminator în fața probei și cealaltă pentru a filtra lumina primită din probă. Primul filtru este selectat astfel încât să transmită doar lumina unei lungimi de undă care excită un anumit colorant fluorescent; în același timp, al doilea filtru blochează această lumină incidentă și transmite lumina lungimii de undă emise de colorant atunci când fluorescă.

Microscopia cu fluorescență este adesea utilizată pentru a identifica proteinele specifice sau alte molecule care devin fluorescente după legarea covalentă de coloranții fluorescenți. În acest scop, de obicei se folosesc doi coloranți - fluoresceină, care dă o fluorescență galben-verde intensă la excitație cu lumină albastră deschisă și rodamina, provocând fluorescență roșu închis după excitație cu lumină galben-verde. Utilizând atât fluoresceina, cât și rodamina pentru colorare, se poate obține o distribuție a diferitelor molecule.

Microscopie pe câmp întunecat

Cel mai simplu mod de a vedea detaliile structurii celulare este de a observa lumina împrăștiată de diferitele componente ale celulei. Într-un microscop cu câmp întunecat, grinzile de la iluminator sunt direcționate din lateral și numai grinzile împrăștiate intră în obiectivul microscopului. În consecință, celula arată ca un obiect luminat într-un câmp întunecat. Unul dintre principalele avantaje ale microscopiei în câmp întunecat este capacitatea de a observa mișcarea celulelor în timpul diviziunii și migrării. Mișcările celulare sunt de obicei foarte lente și dificil de observat în timp real. În acest caz, se utilizează microcinema cadru cu cadru (time-lapse) sau înregistrarea video. Cadrele consecutive sunt separate în timp, dar când înregistrarea este redată la viteză normală, imaginea evenimentelor reale este accelerată.

În ultimii ani, camerele video și tehnologiile conexe de procesare a imaginilor au crescut foarte mult capacitățile microscopiei optice. Datorită aplicării lor, a fost posibil să depășim dificultățile cauzate de particularitățile fiziologiei umane. Acestea constau în următoarele:

1. În condiții normale, ochiul nu înregistrează lumină foarte slabă.

2. Ochiul nu este capabil să detecteze mici diferențe de intensitate a luminii pe un fundal luminos.

Prima dintre aceste probleme a fost depășită prin atașarea camerelor video de înaltă sensibilitate la microscop. Acest lucru a făcut posibilă observarea celulelor pentru o lungă perioadă de timp în condiții de lumină slabă, excluzând expunerea prelungită la lumină puternică. Sistemele de imagistică sunt deosebit de importante pentru studierea moleculelor fluorescente din celulele vii. Deoarece imaginea este creată de o cameră video sub formă de semnale electronice, aceasta poate fi convertită în mod corespunzător în semnale numerice, trimisă la un computer și apoi procesată ulterior pentru a extrage informații ascunse.

Contrastul ridicat realizat cu microscopia computerizată de interferență face posibilă observarea chiar și a obiectelor foarte mici, cum ar fi microtubuli individuali, al căror diametru este mai mic de o zecime din lungimea de undă a luminii (0,025 μm). Microtubulii individuali pot fi, de asemenea, observați cu microscopie cu fluorescență. Cu toate acestea, în ambele cazuri, efectele de difracție sunt inevitabile, ceea ce modifică foarte mult imaginea. În acest caz, diametrul microtubulilor este supraestimat (0,2 μm), ceea ce face imposibilă distincția microtubulilor individuali de un pachet de mai mulți microtubuli. Pentru a rezolva această problemă, este necesar un microscop electronic, a cărui limită de rezoluție este deplasată mult dincolo de lungimea de undă a luminii vizibile.

Microscopie electronică

Relația dintre lungimea de undă și limita de rezoluție este păstrată și pentru electroni. Cu toate acestea, pentru un microscop electronic, limita de rezoluție este semnificativ mai mică decât limita de difracție. Lungimea de undă a unui electron scade odată cu creșterea vitezei sale. Într-un microscop electronic cu o tensiune de 100.000 V, lungimea de undă a electronului este de 0,004 nm. Conform teoriei, rezoluția unui astfel de microscop în limită este de 0,002 nm. Cu toate acestea, în realitate, datorită valorii reduse a diafragmelor numerice ale lentilelor electronice, rezoluția microscoapelor electronice moderne este cel mai bine de 0,1 nm. Dificultățile în pregătirea unei probe, deteriorarea acesteia prin radiații, reduc semnificativ rezoluția normală, care pentru obiectele biologice este de 2 nm (de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea a unui microscop cu lumină).

O sursă de electroni în microscop electronic cu transmisie (TEM) este un filament catodic situat în partea de sus a unei coloane cilindrice înălțime de aproximativ doi metri. Pentru a evita împrăștierea electronilor atunci când se ciocnește cu moleculele de aer, se creează un vid în coloană. Electronii emiși din filamentul catodic sunt accelerați de cel mai apropiat anod și pătrund printr-o gaură mică, formând un fascicul de electroni care se deplasează spre fundul coloanei. De-a lungul coloanei, la o anumită distanță, există magneți inelari care focalizează fasciculul de electroni, precum lentilele de sticlă care focalizează fasciculul de lumină într-un microscop optic. Eșantionul este plasat printr-un sistem de blocare a aerului în coloană, în calea fasciculului de electroni. O parte din electroni în momentul trecerii probei este împrăștiată în conformitate cu densitatea substanței din această zonă, restul electronilor este focalizat și formează o imagine (similară formării unei imagini într-un microscop optic) pe o placă fotografică sau pe un ecran fosforescent.

Unul dintre cele mai mari dezavantaje ale microscopiei electronice este că probele biologice trebuie prelucrate într-un mod special. În primul rând, acestea sunt fixate mai întâi cu glutaraldehidă, apoi cu acid osmic, care leagă și stabilizează stratul dublu de lipide și proteine. În al doilea rând, electronii au o capacitate de penetrare scăzută, deci trebuie să faceți secțiuni ultra-subțiri, iar pentru aceasta probele sunt deshidratate și impregnate cu rășini. În al treilea rând, pentru a spori contrastul, probele sunt tratate cu săruri de metale grele, cum ar fi osmiu, uraniu și plumb.

Pentru a obține o imagine tridimensională a suprafeței, utilizați microscop electronic cu scanare (SEM) unde electronii sunt utilizați, împrăștiați sau emiși de pe suprafața probei. Eșantionul în acest caz este fixat, uscat și acoperit cu o peliculă subțire de metal greu și apoi scanat cu un fascicul îngust de electroni. În acest caz, se estimează numărul de electroni împrăștiați atunci când suprafața este iradiată. Valoarea obținută este utilizată pentru a controla intensitatea celui de-al doilea fascicul care se deplasează sincron cu primul și formează o imagine pe ecranul monitorului. Rezoluția metodei este de aproximativ 10 nm și nu se aplică pentru studierea organelor intracelulare. Grosimea probelor studiate prin această metodă este determinată de capacitatea de penetrare a electronilor sau de energia lor.

Principalele și dezavantajele semnificative ale tuturor acestor metode sunt lungimea, complexitatea și costul ridicat al preparării eșantionului.

Microscopie cu sondă de scanare

Într-un microscop cu sondă de scanare (SPM), în locul unui fascicul de electroni sau al unei radiații optice, se utilizează o sondă ascuțită, un ac, care scanează suprafața probei. Figurativ vorbind, putem spune că dacă o probă este examinată la un microscop optic sau electronic, atunci într-un SPM se simte. Ca rezultat, este posibil să se obțină imagini tridimensionale ale obiectelor în diferite medii: vid, aer, lichid.

Proiectele speciale ale SPM, adaptate pentru cercetarea biologică, permit simultan cu observarea optică să scaneze atât celulele vii în diferite medii lichide, cât și preparatele fixe în aer.

Microscop cu sondă de scanare

Numele microscopului sondei de scanare reflectă principiul funcționării sale - scanarea suprafeței probei, în care gradul de interacțiune a sondei cu suprafața este punct-la-punct. Mărimea zonei de scanare și numărul de puncte din ea N X N Y pot fi setate. Cu cât sunt setate mai multe puncte, cu atât se obține o rezoluție mai mare a imaginii de suprafață. Distanța dintre punctele în care este citit semnalul se numește etapa de scanare. Etapa de scanare trebuie să fie mai mică decât detaliile suprafeței studiate. Mișcarea sondei în timpul scanării (a se vedea Fig. 7-1) se efectuează liniar în direcțiile înainte și înapoi (în direcția scanării rapide), trecerea la linia următoare se efectuează în direcția perpendiculară (în direcția de scanare lentă).

Orez. 7 1. Reprezentarea schematică a procesului de scanare
(citirea semnalului se efectuează pe cursul înainte al scanerului)

În funcție de natura semnalului de citire, microscopii de scanare au nume și scopuri diferite:

microscopul de forță atomică (AFM), se citesc forțele interacțiunii interatomice dintre atomii sondei și atomii probei;

microscop tunel (STM), citește curentul de tunelare care curge între proba conductivă și sonda conductivă;

microscop cu forță magnetică (MFM), citește forțele de interacțiune dintre sondă, acoperite cu un material magnetic și detectarea proprietăților magnetice ale probei;

un microscop cu forță electrostatică (EFM) permite obținerea unei imagini a distribuției potențialului electric pe suprafața eșantionului. Se folosesc sondele, vârful cărora este acoperit cu un film subțire conductiv (aur sau platină).

Proiectare SPM

SPM constă din următoarele componente principale (Fig. 7-2): o sondă, acționări piezoelectrice pentru deplasarea sondei de-a lungul X, Y, Z deasupra suprafeței probei studiate, un circuit de feedback și un computer pentru a controla scanarea achiziția procesului și a imaginii.

Fig 7 2. Schema unui microscop cu sondă de scanare

Senzor de sondă - o componentă a unui microscop cu sondă de putere care efectuează scanarea unui specimen. Sonda conține un consolă (consolă cu arc) de tip dreptunghiular (în formă de I) sau triunghiular (în formă de V) (Fig. 7-3), la capătul căruia există o sondă ascuțită (Fig. 7 -3), care are de obicei o formă conică sau piramidală ... Celălalt capăt al consola este conectat la substrat (cu așa-numitul cip). Senzorii de sondă sunt din siliciu sau nitrură de siliciu. Principala caracteristică a consolului este constanta forței (constanta de rigiditate), care variază de la 0,01 N / m la 1020 N / m. Pentru a studia obiecte biologice, se folosesc sonde „moi” cu o duritate de 0,01 ± 0,06 N / m.

Orez. 7 3. Imagini ale senzorilor piramidali de sondă AFM
obținut cu microscopul electronic:
a - tip în formă de I, b - tip în formă de V, c - piramidă la vârful consolului

Actuatoare piezoelectrice sau scanere - pentru deplasarea controlată a sondei peste eșantion sau eșantionul în sine față de sondă la distanțe ultra-scurte. Actuatoarele piezoelectrice utilizează materiale piezoceramice care își schimbă dimensiunile atunci când li se aplică o tensiune electrică. Procesul de modificare a parametrilor geometrici sub acțiunea unui câmp electric se numește efect piezoelectric invers. Cel mai comun material piezo este titanatul de zirconat de plumb.

Scanerul este o construcție piezoceramică care permite deplasarea de-a lungul a trei coordonate: x, y (în planul lateral al probei) și z (vertical). Există mai multe tipuri de scanere, dintre care cele mai frecvente sunt trepied și tubulare (Fig. 7-4).

Orez. 7 4. Proiectarea scanerelor: a) - trepied, b) - tubular

Într-un scaner de trepied, mișcările de-a lungul a trei coordonate sunt asigurate de trei tije piezoceramice independente care formează o structură ortogonală.

Într-un scaner tubular, un tub piezoelectric gol se îndoaie în planurile XZ și ZY și se prelungește sau se contractă de-a lungul axei Z atunci când se aplică tensiuni corespunzătoare electrozilor care controlează mișcările tubului. Electrozii pentru controlul mișcării în planul XY se află pe suprafața exterioară a tubului, pentru controlul mișcării în Z, se aplică tensiuni egale electrozilor X și Y.

Bucla de feedback - un set de elemente SPM, cu ajutorul căruia sonda este ținută la o distanță fixă ​​de suprafața probei în timpul scanării (Fig. 7 -5). În timpul scanării, sonda poate fi localizată pe zone ale suprafeței probei cu diferite reliefuri, în timp ce distanța Z probă-probă se va schimba, iar valoarea interacțiunii probă-probă se va modifica în consecință.

Orez. 7 5. Diagrama de feedback a unui microscop cu sondă de scanare

Pe măsură ce sonda se apropie de suprafață, forțele de interacțiune probă-probă cresc și semnalul dispozitivului de înregistrare crește, de asemenea. V(t), pe care exprimată în unități de tensiune. Comparatorul compară semnalul V(t) cu tensiune de referință V de sprijinși generează un semnal de corecție V corespondent... Semnal de corectie V corespondent este introdus în scaner și sonda este retrasă din probă. Tensiunea de referință - tensiunea corespunzătoare semnalului dispozitivului de înregistrare atunci când sonda se află la o distanță dată de eșantion. Menținând această distanță predeterminată probă-probă în timpul scanării, sistemul de feedback menține o forță de interacțiune probă-probă predeterminată.

Orez. 7 6. Traiectoria mișcării relative a sondei în procesul de menținere a forței constante a interacțiunii probă-probă de către sistemul de feedback

În Fig. 7-6 arată traiectoria sondei în raport cu eșantionul, menținând în același timp o forță constantă de interacțiune între sondă și eșantion. Dacă sonda este peste fosa, se aplică o tensiune asupra scanerului, care extinde scanerul, coborând sonda.

Viteza răspunsului buclei de feedback la o modificare a distanței probă-eșantion (interacțiunea probă-eșantion) este determinată de constanta buclei de feedback K... Valorile K depinde de caracteristicile de proiectare ale unui anumit SPM (design și caracteristicile scanerului, electronice), de modul de funcționare SPM (dimensiunea zonei de scanare, viteza de scanare etc.), precum și de caracteristicile suprafeței studiate (scară de caracteristici de relief, duritate materială etc.).

Soiuri SPM

Microscop cu tunel de scanare

În STM, un dispozitiv de înregistrare (Fig. 7-7) măsoară curentul de tunel care curge între sonda metalică, care se modifică în funcție de potențialul de pe suprafața eșantionului și de relieful suprafeței sale. Sonda este un ac ascuțit puternic, a cărui rază de curbură a vârfului poate ajunge la câțiva nanometri. Materialele pentru sondă sunt de obicei metale cu duritate mare și rezistență chimică: tungsten sau platină.

Orez. 7 7. Diagrama sondei tunelului

Se aplică o tensiune între sonda conductivă și proba conductivă. Când vârful sondei se află la o distanță de aproximativ 10A față de eșantion, electronii din eșantion încep să se tuneleze prin spațiul din sondă sau invers, în funcție de semnul tensiunii (Fig. 7-8).

Orez. 7 8. Reprezentarea schematică a interacțiunii vârfului sondei cu proba

Curentul de tunelare rezultat este măsurat de un dispozitiv de înregistrare. Magnitudinea sa Eu T proporțional cu tensiunea aplicată contactului tunel Vși depinde exponențial de distanța de la ac la probă d.

Astfel, mici modificări ale distanței de la vârful sondei la probă d corespund schimbărilor exponențial mari ale curentului de tunelare Eu T(se presupune că tensiunea V menținut constant). Din această cauză, sensibilitatea sondei de tunelare este suficientă pentru a înregistra schimbări de înălțime mai mici de 0,1 nm și, prin urmare, pentru a obține o imagine a atomilor pe suprafața unui solid.

Microscop de forță atomică

Cel mai comun senzor de sondă pentru interacțiunea forței atomice este un consolă cu arc (din consola în consilă engleză) cu o sondă situată la capătul său. Mărimea îndoirii în consolă rezultată din interacțiunea forței dintre eșantion și sondă (Fig. 7-9) este măsurată utilizând schema de înregistrare optică.

Principiul de funcționare a senzorului de forță se bazează pe utilizarea forțelor atomice care acționează între atomii sondei și atomii probei. Când se modifică forța probei probei, magnitudinea îndoirii în consolă se schimbă și o astfel de modificare este măsurată de sistemul de înregistrare optică. Astfel, senzorul de forță atomică este o sondă ascuțită cu o sensibilitate ridicată, care face posibilă înregistrarea forțelor de interacțiune dintre atomii individuali.

La coturi mici, raportul dintre forța probei-probă Fși devierea vârfului în consolă X este determinat de legea lui Hooke:

Unde k - constanta de forta (constanta de rigiditate) a consolului.

De exemplu, dacă un consolă este utilizat cu o constantă k de ordinul 1 n / m, apoi sub acțiunea forței de interacțiune probă-probă de ordinul 0,1 nanonewton, devierea consolului va fi de aproximativ 0,1 nm.

Pentru a măsura astfel de mici deplasări, se folosește de obicei un senzor optic de deplasare (Fig. 7-9), format dintr-un laser semiconductor și o fotodiodă cu patru secțiuni. Când consola este îndoită, fasciculul laser reflectat este deplasat în raport cu centrul fotodetectorului. Astfel, îndoirea în consolă poate fi determinată de schimbarea relativă a iluminării jumătăților superioare (T) și inferioare (B) ale fotodetectorului.

Fig. 7 9. Diagrama senzorului de forță

Dependența forțelor de interacțiune probă-probă de distanța probă-probă

Când sonda se apropie de probă, aceasta este mai întâi atrasă la suprafață datorită prezenței forțelor de atracție (forțele van der Waals). Pe măsură ce sonda se apropie în continuare de probă, cojile de electroni ale atomilor de la capătul sondei și atomii de pe suprafața probei încep să se suprapună, ceea ce duce la apariția unei forțe respingătoare. Cu o scădere suplimentară a distanței, forța respingătoare devine dominantă.

În general, dependența forței interacțiunii interatomice F de la distanța dintre atomi R se pare ca:

.

Constante Ași bși exponenți mși n depind de tipul atomilor și de tipul legăturilor chimice. Pentru forțele van der Waals m= 7 și n = 3... Dependența de F (R) este prezentată calitativ în Fig. 7-10.

Orez. 7 10 Dependența forței de interacțiune dintre atomi de distanță

Format date SPM, vizualizare date SPM

Datele privind morfologia suprafeței, obținute prin examinarea cu microscopul optic, sunt prezentate sub forma unei imagini mărite a suprafeței. Informațiile obținute folosind SPM sunt scrise sub forma unui tablou bidimensional de numere întregi A ij. Fiecare valoare ij corespunde unui punct specific de pe suprafață în câmpul de scanare. Afișarea grafică a acestei matrice de numere se numește imaginea scanată SPM.

Imaginile scanate pot fi fie bidimensionale (2D), fie tridimensionale (3D). În vizualizarea 2D, fiecare punct al suprafeței Z = f(X y) un anumit ton de culoare este asortat în conformitate cu înălțimea punctului de suprafață (Fig. 7 -11 a). În vizualizarea 3D, imaginea de suprafață Z = f(X y) este construit în perspectivă axonometrică folosind pixeli sau linii de relief special calculate. Cel mai eficient mod de colorare a imaginilor 3D este de a simula condițiile de iluminare a suprafeței cu o sursă punctuală situată la un punct din spațiul de deasupra suprafeței (Fig. 7-11 b). În același timp, este posibil să se sublinieze caracteristicile individuale mici ale reliefului.

Orez. 7 11. Limfocite din sânge uman:
a) imagine 2D, b) imagine 3D cu iluminare laterală

Pregătirea probelor pentru cercetarea SPM

Morfologia și structura celulelor bacteriene

Bacteriile sunt microorganisme unicelulare cu o formă variată și o structură complexă, care determină diversitatea activităților lor funcționale. Bacteriile se caracterizează prin patru forme principale: sferice (sferice), cilindrice (în formă de tijă), sertizate și filamentoase [Ref. 7 -2].

Cocchi (bacterii sferice) - în funcție de planul de diviziune și de localizarea indivizilor individuali, acestea sunt împărțite în micrococi (coci culcați separat), diplococi (coci împerecheați), streptococi (lanțuri de coci), stafilococi (arătând ciorchini de struguri), tetracoci (formațiuni de patru coci)) și sarcine (pachete de 8 sau 16 coci).

În formă de tijă - bacteriile sunt localizate sub formă de celule unice, diplo- sau streptobacterii.

Sertizat - vibrioane, spirile și spirochete. Vibrios au forma unor tije ușor curbate, spirile - o formă încrețită cu mai multe bucle spirale.

Dimensiunea bacteriilor variază de la 0,1 la 10 microni. Compoziția unei celule bacteriene include o capsulă, peretele celular, membrana citoplasmatică și citoplasma. Citoplasma conține o nucleotidă, ribozomi și incluziuni. Unele bacterii sunt echipate cu flageli și vilozități. O serie de bacterii formează spori. Depășind dimensiunea transversală inițială a celulei, sporii îi conferă o formă fusiformă.

Pentru a studia morfologia bacteriilor la microscopul optic, din acestea se prepară preparate native (intravitale) sau frotiuri fixe colorate cu colorant de anilină. Există metode speciale de colorare pentru detectarea flagelilor, a peretelui celular, a nucleotidelor și a diverselor incluziuni citoplasmatice.

Pentru examinarea SPM a morfologiei celulelor bacteriene, nu este necesară colorarea preparatului. SPM permite determinarea formei și mărimii bacteriilor cu un grad ridicat de rezoluție. Cu o pregătire atentă a medicamentului și folosind o sondă cu o rază mică de curbură, este posibil să se identifice flagelii. În același timp, datorită rigidității ridicate a peretelui celular bacterian, este imposibil să „sondăm” structurile intracelulare, așa cum se poate face pe unele celule animale.

Pregătirea preparatelor pentru studiile de morfologie SPM

Pentru prima experiență de lucru cu SPM, se recomandă alegerea unui produs biologic care nu necesită preparare complexă. Bacteriile acidului lactic disponibile și nepatogene din saramură de varză sau produse lactate fermentate sunt destul de potrivite.

Pentru studiile SPM în aer, este necesar să se fixeze ferm obiectul investigat pe suprafața substratului, de exemplu, pe o sticlă de acoperire. În plus, densitatea bacteriilor din suspensie ar trebui să fie astfel încât celulele să nu se lipească împreună atunci când sunt depuse pe substrat, iar distanța dintre ele nu este prea mare, astfel încât mai multe obiecte să poată fi luate într-un singur cadru în timpul scanării. Aceste condiții sunt îndeplinite dacă modul de pregătire a probei este selectat corect. Dacă pe un substrat se aplică o picătură de soluție care conține bacterii, atunci vor avea loc precipitarea și aderența lor treptată. Parametrii principali în acest caz ar trebui considerați concentrația celulelor în soluție și timpul de sedimentare. Concentrația bacteriilor din suspensie este determinată de standardul de turbiditate optică.

În cazul nostru, un singur parametru va juca un rol - timpul de incubație. Cu cât picătura este menținută mai mult pe sticlă, cu atât densitatea celulelor bacteriene va fi mai mare. În același timp, dacă o picătură de lichid începe să se usuce, atunci medicamentul va fi prea puternic contaminat cu componentele precipitate ale soluției. O picătură de soluție care conține celule bacteriene (saramură) se aplică pe o sticlă de acoperire, păstrată timp de 5-60 de minute (în funcție de compoziția soluției). Apoi, fără a aștepta ca picătura să se usuce, clătiți bine cu apă distilată (scufundând medicamentul într-un pahar cu pensete de mai multe ori). După uscare, preparatul este gata pentru măsurare pe SPM.

De exemplu, preparatele de bacterii lactice au fost preparate din saramură de varză murată. Timpul în care picătura de saramură a fost păstrată pe sticla de acoperire a fost aleasă timp de 5 minute, 20 de minute și 1 oră (picătura a început deja să se usuce). SPM - cadrele sunt prezentate în Fig. 7-12, Fig. 7-13,
Orez. 7-14.

Cifrele arată că pentru o soluție dată timpul optim de incubație este de 5-10 min. O creștere a timpului de ședere a picăturii pe suprafața substratului duce la aderența celulelor bacteriene. În cazul în care picătura de soluție începe să se usuce, se observă precipitarea componentelor soluției pe sticlă, care nu poate fi spălată.

Orez. 7 12. Imagini ale bacteriilor lactice pe o alunecare,
obținut folosind SPM.

Orez. 7 13. Imagini ale bacteriilor lactice pe o copertă,
obținut folosind SPM. Timp de incubație a soluției 20 min

Orez. 7 14. Imagini cu bacterii lactice pe o copertă,
obținut folosind SPM. Timp de incubație a soluției 1 oră

Pe unul dintre preparatele selectate (Fig. 7-12), am încercat să luăm în considerare care sunt bacteriile lactice, ce formă le este caracteristică în acest caz. (Fig. 7-15)

Orez. 7 15. AFM - imagine a bacteriilor lactice pe o sticlă de acoperire.
Timp de incubație a soluției 5 min

Orez. 7 16. AFM - imaginea unui lanț de bacterii lactice pe o alunecare de acoperire.
Timp de incubație a soluției 5 min

Saramura se caracterizează printr-o formă bacteriană în formă de tijă și un aranjament asemănător lanțului.

Orez. 7 17. Fereastra programului de control al educației SPM NаnoEducator.
Bara de instrumente

Folosind instrumentele programului educațional NanoEducator SPM, am determinat dimensiunea celulelor bacteriene. Au fost de aproximativ 0,5 × 1,6 μm
până la 0,8 × 3,5 μm.

Rezultatele obținute sunt comparate cu datele date în determinantul Bergey al bacteriilor [Ref. 7 -3].

Bacteriile lactice sunt lactobacili (Lactobacillus). Celulele sunt sub formă de tije, de obicei de forma corectă. Lansetele sunt lungi, uneori aproape coccoide, de obicei în lanțuri scurte. Dimensiuni 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 microni. Nu formați un litigiu; în cazuri rare, acestea sunt mobile datorită flagelilor peritriciali. Distribuit pe scară largă în mediu, în special în alimentele de origine animală și vegetală. Bacteriile lactice fac parte din microflora normală a tractului digestiv. Toată lumea știe că varza murată, pe lângă conținutul său de vitamine, este utilă pentru îmbunătățirea microflorei intestinale.

Proiectarea microscopului sondei de scanare NanoEducator

În Fig. 7-18 arată aspectul capului de măsurare SPM NanoEducatorși sunt indicate elementele principale ale dispozitivului utilizat în timpul funcționării.

Orez. 7 18. Vedere externă a capului de măsurare SPM NanoEducator
1- bază, 2-suport de probă, 3- senzor de interacțiune, șurub de fixare cu 4 senzori,
5 șuruburi pentru abordare manuală, 6 șuruburi pentru deplasarea scanerului cu proba în plan orizontal, 7-capac de protecție cu o cameră video

În Fig. 7-19 arată proiectarea capului de măsurare. Pe baza 1 există un scaner 8 cu un suport de probă 7 și un mecanism pentru furnizarea probei la sonda 2 pe baza unui motor pas cu pas. În antrenament SPM NanoEducator proba este fixată pe scaner și proba este scanată împotriva sondei staționare. Sonda 6, fixată pe senzorul de interacțiune a forței 4, poate fi de asemenea adusă la probă folosind șurubul de apropiere manuală 3. Selecția preliminară a locului de cercetare pe probă se efectuează cu ajutorul șurubului 9.

Orez. 7 19. Proiectarea SPM NanoEducator: 1 - bază, 2 - mecanism de apropiere,
3 - șurub de alimentare manuală, 4 - senzor de interacțiune, 5 - șurub de fixare a senzorului, 6 - sondă,
7 - suport pentru probă, 8 - scaner, 9, 10 - șuruburi pentru deplasarea scanerului cu proba

Instruire SPM NanoEducator constă dintr-un cap de măsurare, un controler SPM și un computer de control conectat prin cabluri. Microscopul este echipat cu o cameră video. Semnalul de la senzorul de interacțiune, după conversia în preamplificator, intră în controlerul SPM. Managementul muncii SPM NanoEducator efectuate de pe computer prin intermediul controlerului SPM.

Senzorul de interacțiune a forței și sonda

În dispozitiv NanoEducator senzorul este realizat sub forma unui tub piezoceramic cu o lungime l= 7 mm, diametru d= 1,2 mm și grosimea peretelui h= 0,25 mm, fixat rigid la un capăt. Un electrod conductiv este aplicat pe suprafața interioară a tubului. Pe suprafața exterioară a tubului se aplică doi electrozi semi-cilindrici izolați electric. La capătul liber al tubului este atașat un fir de tungsten cu diametru
100 μm (Fig. 7 -20).

Orez. 7 20. Proiectarea senzorului universal al dispozitivului NanoEducator

Capătul liber al firului utilizat ca sondă este ascuțit electrochimic, raza de curbură este de 0,2 ± 0,05 μm. Sonda este în contact electric cu electrodul interior al tubului, care este conectat la corpul împământat al instrumentului.

Prezența a doi electrozi externi pe tubul piezoelectric permite ca o parte a tubului piezoelectric (cea superioară, în conformitate cu Fig. 7-21) să fie utilizată ca senzor de interacțiune a forței (senzor mecanic de vibrații), iar cealaltă parte poate să fie folosit ca vibrator piezo. O tensiune electrică alternativă este furnizată vibratorului piezo cu o frecvență egală cu frecvența de rezonanță a senzorului de putere. Amplitudinea vibrațiilor la o distanță mare de probă-probă este maximă. După cum se vede din Fig. 7-22, în procesul de oscilații, sonda se abate de la poziția de echilibru cu valoarea A o, egală cu amplitudinea oscilațiilor sale mecanice forțate (este o fracțiune de micrometru), în timp ce pe tensiunea electrică alternativă apare a doua parte a piezotubului (senzor de oscilație), proporțională cu deplasarea sondei, care și este măsurată de dispozitiv.

Pe măsură ce sonda se apropie de suprafața probei, sonda începe să atingă proba în timpul oscilației. Acest lucru duce la o deplasare a caracteristicii de amplitudine-frecvență (AFC) a oscilațiilor senzorului spre stânga comparativ cu AFC măsurată departe de suprafață (Fig. 7-22). Deoarece frecvența vibrațiilor forțate ale piezotubului este menținută constantă și egală cu frecvența vibrațiilor  o în stare liberă, atunci când sonda se apropie de suprafață, amplitudinea vibrațiilor sale scade și devine egală cu A. Această amplitudine a vibrației este înregistrată din a doua parte a piezotubului.

Orez. 7 21. Principiul de funcționare al unui tub piezoelectric
ca senzor de interacțiune a forței

Orez. 7 22. Schimbarea frecvenței de oscilație a senzorului de forță
la apropierea de suprafața eșantionului

Scanner

Metoda de organizare a micromovărilor utilizate în dispozitiv NanoEducator, pe baza utilizării unei membrane metalice fixate în jurul perimetrului, la suprafața căreia este lipită o placă piezoelectrică (Fig. 7 -23 a). Schimbarea dimensiunilor plăcii piezoelectrice sub acțiunea tensiunii de control va duce la îndoirea membranei. Aranjând astfel de membrane pe trei laturi perpendiculare ale cubului și conectându-le centrele cu împingătoare metalice, puteți obține un scaner cu 3 coordonate x (Fig. 7 -23 b).

Orez. 7 23. Principiul de funcționare (a) și proiectarea (b) a scanerului dispozitivului NanoEducator

Fiecare element piezoelectric 1, fixat pe laturile cubului 2, când i se aplică o tensiune electrică, poate deplasa împingătorul 3 atașat acestuia într-una din cele trei direcții reciproc perpendiculare - X, Y sau Z. După cum se poate vedea din figura, toți cei trei împingători sunt conectați la un punct 4 Cu o oarecare aproximare, putem presupune că acest punct se deplasează de-a lungul a trei coordonate X, Y, Z. La același punct este atașat un suport 5 cu suport pentru eșantion 6. Astfel, eșantionul se mișcă în trei coordonate sub acțiunea a trei surse independente de tensiune. În dispozitive NanoEducator deplasarea maximă a probei este de aproximativ 50 - 70 μm, ceea ce determină aria maximă de scanare.

Mecanism de abordare automată a sondei către eșantion (captarea feedback-ului)

Gama de mișcare a scanerului de-a lungul axei Z este de aproximativ 10 µm, prin urmare, înainte de a începe scanarea, este necesar să apropiați sonda de eșantion la această distanță. Pentru aceasta este destinat mecanismul de abordare, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 7 -19. Motorul pas cu pas 1, când i se aplică impulsuri electrice, rotește șurubul de alimentare 2 și deplasează bara 3 cu sonda 4, apropiindu-l sau mai departe de proba 5 montată pe scanerul 6. Valoarea unui pas este aproximativ 2 microni.

Orez. 7 24. Schema mecanismului de apropiere a sondei de suprafața probei

Deoarece pasul mecanismului de apropiere depășește în mod semnificativ valoarea distanței de probă-probă solicitate în timpul scanării, pentru a evita deformarea sondei, apropierea sa se realizează cu funcționarea simultană a motorului pas cu pas și mișcările scanerului de-a lungul axa Z conform următorului algoritm:

1. Sistemul de feedback este oprit și scanerul „se retrage”, adică scade eșantionul în poziția extremă inferioară.

2. Mecanismul de apropiere al sondei face un pas și se oprește.

3. Sistemul de feedback se activează, iar scanerul ridică treptat proba, în timp ce se efectuează analiza prezenței interacțiunii probă-probă.

4. Dacă nu există interacțiune, procesul se repetă de la punctul 1.

Dacă apare un semnal diferit de zero în timp ce trageți scanerul în sus, sistemul de feedback va opri mișcarea în sus a scanerului și va bloca cantitatea de interacțiune la nivelul specificat. Mărimea interacțiunii de forță la care se oprește abordarea sondei și are loc procesul de scanare, în dispozitiv NanoEducator caracterizat prin parametru Suprimarea amplitudinii (AmplitudineSuprimarea) :

A = A o. (1- Suprimarea amplitudinii)

Achiziționarea imaginii SPM

După apelarea programului NanoEducator fereastra principală a programului apare pe ecranul computerului (Fig. 7-20). Lucrarea ar trebui să înceapă din elementul de meniu Fişierși alege în ea Deschis sau Nou sau butoanele corespunzătoare de pe bara de instrumente (,).

Selecția echipei Fişier Nouînseamnă trecerea la măsurători SPM și alegerea comenzii Fişier Deschisînseamnă trecerea la vizualizarea și prelucrarea datelor primite anterior. Programul permite vizualizarea și prelucrarea datelor în paralel cu măsurătorile.

Orez. 7 25. Fereastra principală a programului NanoEducator

După executarea comenzii Fişier Nou pe ecran apare o casetă de dialog, care vă permite să selectați sau să creați un folder de lucru în care să fie scrise implicit rezultatele măsurătorii curente. În timpul măsurătorilor, toate datele obținute sunt înregistrate secvențial în fișiere cu nume ScanData + i.spm unde index eu este resetat la zero la pornirea programului și este incrementat cu fiecare nouă măsurare. Dosare ScanData + i.spm sunt plasate în folderul de lucru, care este instalat înainte de a începe măsurătorile. Este posibil să selectați un alt folder de lucru în timpul măsurătorilor. Pentru a face acest lucru, apăsați butonul , aflat pe bara de instrumente a ferestrei principale a programului și selectați elementul de meniu Schimbați folderul de lucru.

Pentru a salva rezultatele măsurătorii curente, apăsați butonul Salvează caîn fereastra Scanare din caseta de dialog care apare, selectați un folder și specificați un nume de fișier, în timp ce fișierul ScanData + i.spm, care servește ca fișier de stocare temporară a datelor în timpul măsurătorilor, va fi redenumit în numele fișierului pe care l-ați specificat. În mod implicit, fișierul va fi salvat în folderul de lucru desemnat înainte de a începe măsurătorile. Dacă nu efectuați operația de salvare a rezultatelor măsurătorilor, atunci la următoarea pornire a programului, rezultatele vor fi înregistrate în fișiere temporare ScanData + i.spm, va fi suprascris secvențial (cu excepția cazului în care folderul de lucru este schimbat). Este afișat un avertisment cu privire la prezența fișierelor temporare cu rezultatele măsurătorilor în folderul de lucru înainte de închidere și după pornirea programului. Schimbarea folderului de lucru înainte de începerea măsurătorilor vă permite să protejați rezultatele experimentului anterior de ștergere. Numele standard ScanData poate fi modificat setându-l în fereastra de selectare a folderului de lucru. Fereastra pentru selectarea folderului de lucru este apelată când se apasă butonul. , aflat pe bara de instrumente a ferestrei principale a programului. De asemenea, puteți salva rezultatele măsurătorilor în fereastră Scanați browserul selectând fișierele solicitate unul câte unul și salvându-le în folderul selectat.

Este posibil să exportați rezultatele obținute cu dispozitivul NanoEducator în format ASCII și format Nova (compania NTMDT), care pot fi importate de programul NT MDT Nova, Analiza imaginii și alte programe. Imaginile scanărilor, datele secțiunilor lor transversale și rezultatele măsurătorilor spectroscopiei sunt exportate în format ASCII. Pentru a exporta date, faceți clic pe butonul Export aflat în bara de instrumente a ferestrei principale a programului sau selectați Exportîn elementul de meniu Fişier această fereastră și selectați formatul de export adecvat. Datele pentru procesare și analiză pot fi trimise direct la programul de analiză a imaginilor lansat anterior.

După închiderea ferestrei de dialog, se afișează panoul de control al instrumentului.
(Fig. 7-26).

Orez. 7 26. Panoul de control al dispozitivului

În partea stângă a panoului de control al instrumentului există butoane pentru selectarea configurației SPM:

CCM- microscop de forță de scanare (SSM)

Eticheta privat- microscop cu tunel de scanare (STM).

Efectuarea măsurătorilor la antrenamentul SPM NanoEducator constă în efectuarea următoarelor operații:

1. Instalarea probei

ATENŢIE! Înainte de a plasa proba, este necesar să scoateți sonda cu sonda pentru a nu deteriora sonda.

Există două moduri de atașare a probei:

pe o scenă magnetică (în acest caz, proba trebuie atașată la un substrat magnetic);

pe banda adeziva fata-verso.

ATENŢIE! Pentru a instala proba pe bandă adezivă pe două fețe, este necesar să deșurubați suportul de pe suport (pentru a nu deteriora scanerul), apoi înșurubați-l înapoi până când se oprește ușor.

În cazul unei montări magnetice, proba poate fi înlocuită fără deșurubarea suportului pentru probă.

2. Instalarea sondei

ATENŢIE! Instalați întotdeauna sonda împreună cu sonda după instalarea probei.

După ce ați selectat sonda necesară (țineți sonda de marginile metalice ale bazei) (vezi Fig. 7-27), slăbiți șurubul de fixare a sondei 2 de pe capacul capului de măsurare, introduceți sonda în mufa suportului până la va merge, înșurubați șurubul de fixare în sensul acelor de ceasornic până când se oprește ...

Orez. 7 27. Instalarea sondei

3. Alegerea unei locații de scanare

Atunci când alegeți un loc pentru cercetarea eșantionului, utilizați șuruburile pentru a deplasa etapa cu două axe situată în partea de jos a instrumentului.

4. Apropierea preliminară a sondei la probă

Operarea abordării preliminare nu este obligatorie pentru fiecare măsurare, necesitatea implementării acesteia depinde de valoarea distanței dintre eșantion și vârful sondei. Este de dorit să efectuați operația de apropiere preliminară dacă distanța dintre vârful sondei și suprafața probei depășește 0,51 mm. Atunci când se utilizează abordarea automată a sondei către probă de la o distanță mare între ele, procesul de abordare va dura foarte mult.

Folosiți șurubul manual pentru a coborî sonda, controlând vizual distanța dintre acesta și suprafața probei.

5. Trasarea curbei de rezonanță și setarea frecvenței de funcționare

Această operație se efectuează neapărat la începutul fiecărei măsurători și, până când este efectuată, tranziția către alte etape ale măsurătorilor este blocată. În plus, în cursul măsurătorilor, apar uneori situații care necesită executarea repetată a acestei operații (de exemplu, atunci când contactul este pierdut).

Fereastra de căutare a rezonanței este apelată apăsând butonul de pe panoul de control al instrumentului. Această operație implică măsurarea amplitudinii oscilațiilor sondei atunci când se schimbă frecvența oscilațiilor forțate setate de generator. Pentru a face acest lucru, apăsați butonul ALERGA(Fig. 7-28).

Orez. 7 28. Fereastra pentru căutarea rezonanței și setarea frecvenței de funcționare:
a) - modul automat, b) - modul manual

În modul Auto frecvența generatorului este setată automat egală cu frecvența la care a fost observată amplitudinea maximă a oscilațiilor sondei. Graficul care arată schimbarea amplitudinii oscilațiilor sondei într-un anumit interval de frecvență (Fig. 7 -28a) vă permite să observați forma vârfului de rezonanță. Dacă vârful de rezonanță nu este suficient de pronunțat sau amplitudinea la frecvența de rezonanță este mică ( mai puțin de 1V), atunci este necesar să modificați parametrii măsurătorilor și să determinați din nou frecvența de rezonanță.

Modul este destinat acestui scop. Manual... Când acest mod este selectat în fereastră Determinarea frecvenței rezonante apare un panou suplimentar
(Fig. 7 -28b), care vă permite să ajustați următorii parametri:

Tensiunea de oscilare a sondei setat de generator. Se recomandă setarea acestei valori la minim (până la zero) și nu mai mult de 50 mV.

Câștig de amplitudine ( Câștig de amplificare). Dacă amplitudinea oscilațiilor sondei este insuficientă (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Câștig de amplificare.

Pentru a începe operațiunea de căutare a rezonanței, apăsați butonul start.

Mod Manual vă permite să modificați manual frecvența selectată deplasând cursorul verde pe grafic cu mouse-ul, precum și să clarificați natura modificării amplitudinii oscilațiilor într-un interval îngust de valori în jurul frecvenței selectate (pentru aceasta , trebuie să setați comutatorul Mod manualîn poziție Exactși apăsați butonul start).

6. Captează interacțiunea

Pentru a captura interacțiunea, se realizează o abordare controlată a sondei și a probei utilizând un mecanism de abordare automată. Fereastra de control pentru această procedură este apelată apăsând butonul de pe panoul de control al dispozitivului. Când lucrați cu CCM, acest buton devine disponibil după efectuarea operației de căutare și setarea frecvenței de rezonanță. Fereastră SSM, aprovizionare(Fig. 7 -29) conține elementele de control pentru apropierea sondei, precum și indicarea parametrilor, care vă permit să analizați progresul procedurii.

Orez. 7 29. Fereastra procedurii de abordare a sondei

La fereastră Conduce utilizatorul are posibilitatea să observe următoarele valori:

alungirea scanerului ( ScannerZ) de-a lungul axei Z în raport cu maximul posibil, luat ca unitate. Alungirea relativă a scanerului este caracterizată de nivelul de umplere al indicatorului din stânga cu culoarea corespunzătoare zonei în care scanerul este situat în prezent: verde - zona de lucru, albastru - în afara zonei de lucru, roșu - scanerul a venit prea aproape de suprafața probei, ceea ce poate duce la deformarea sondei. În acest din urmă caz, programul emite un avertisment sonor;

amplitudinea sondei relativ la amplitudinea oscilațiilor sale în absența interacțiunii forței, luată ca unitate. Valoarea amplitudinii relative a oscilațiilor sondei este afișată pe indicatorul din dreapta prin nivelul de umplere al acesteia în culoarea burgund. Marcaj orizontal pe indicator Amplitudinea vibrațiilor sondei indică nivelul, la trecerea prin care se efectuează analiza stării scanerului și ieșirea automată a acestuia în poziția de lucru;

numar de pasi ( NSda), parcurs într-o direcție dată: Abordare - apropiere, Retractare - îndepărtare.

Înainte de a începe procesul de coborâre a sondei, trebuie să:

Verificați dacă parametrii de proximitate sunt setați corect:

Câștig de feedback Câștigă sistemul de operare setat la valoare 3 ,

Asigurați-vă că parametrul Suprimareaamplitudine (Forță) are o valoare de aproximativ 0,2 (vezi Fig. 7-29). În caz contrar, apăsați butonul Forta iar în fereastră Setarea parametrilor de interacțiune (Fig. 7-30) setează valoarea Suprimareaamplitudini egal 0.2. Pentru o abordare mai delicată, atribuirea parametrilor Suprimareaamplitudini poate mai putin .

Verificați corectitudinea setărilor în fereastra de parametri Opțiuni, pag Parametrii abordării.

Dacă există interacțiune sau nu, puteți stabili după indicatorul din stânga ScannerZ... Extinderea completă a scanerului (întregul indicator ScannerZ albastru), precum și un indicator complet bordeaux Amplitudinea vibrațiilor sondei(Fig. 7-29) indică o lipsă de interacțiune. După căutarea rezonanței și setarea frecvenței de funcționare, amplitudinea oscilațiilor libere a sondei este luată ca unitate.

Dacă scanerul nu este complet extins înainte sau în timpul abordării sau dacă programul afișează mesajul: „Eroare! Sonda este prea aproape de eșantion. Verificați parametrii de abordare sau nodul fizic. Doriți să vă mutați într-un loc sigur ", se recomandă întreruperea procedurii de abordare și:

A. modificați unul dintre parametri:

crește cantitatea de interacțiune, parametrul Suprimareaamplitudini sau

crește valoarea Câștigă sistemul de operare sau

crește timpul de întârziere între pașii de abordare (parametru Timp de integrare Pe pagină Parametrii abordării fereastră Opțiuni).

b. măriți distanța dintre vârful sondei și eșantion (pentru aceasta, urmați pașii descriși în paragraf și efectuați operația Rezonanţă, și apoi reveniți la procedură Conduce.

Orez. 7 30. Fereastra pentru setarea valorii interacțiunii dintre sondă și eșantion

După capturarea unei interacțiuni, mesajul „ Abordare finalizată ".

Dacă este necesar să abordați un pas, apăsați butonul. În acest caz, pasul este realizat mai întâi, iar apoi sunt verificate criteriile de captare a interacțiunii. Pentru a opri mișcarea, apăsați butonul. Pentru a efectua operația de retragere, trebuie să apăsați butonul pentru retragere rapidă

sau apăsați butonul pentru retragere lentă. Dacă este necesar să retrageți un pas, apăsați butonul. În acest caz, pasul este realizat mai întâi, iar apoi sunt verificate criteriile de captare a interacțiunii.

7. Scanează

După finalizarea procedurii de abordare ( Conduce) și capturați interacțiunea, scanarea devine disponibilă (butonul din fereastra panoului de control al instrumentului).

Prin apăsarea acestui buton (vizualizarea ferestrei de scanare este prezentată în Fig. 7 -31), utilizatorul trece direct la măsurare și obține rezultatele măsurătorii.

Înainte de a efectua procesul de scanare, este necesar să setați parametrii de scanare. Aceste opțiuni sunt grupate în partea dreaptă a panoului superior al ferestrei. Scanare.

Prima dată după pornirea programului, acestea sunt instalate în mod implicit:

Zona de scanare - Regiune (Xnm *Danm): 5000 * 5000 nm;

Cantitatea de punctemăsurători de-a lungul axelor- X Y: NX=100, Ny=100;

Calea scanării - Direcţie determină direcția de scanare. Programul vă permite să selectați direcția axei de scanare rapidă (X sau Y). Când porniți programul, acesta este instalat Direcţie

După setarea parametrilor de scanare, apăsați butonul aplica pentru a confirma introducerea parametrului și butonul start pentru a începe scanarea.

Orez. 7 31. Fereastră pentru gestionarea procesului și afișarea rezultatelor scanării CCM

7.4 Liniile directoare

Înainte de a începe să lucrați la microscopul cu sondă de scanare NanoEducator, ar trebui să studiați manualul de utilizare al dispozitivului [Ref. 7 -4].

7.5 Măsuri de siguranță

Pentru alimentarea dispozitivului, se folosește o tensiune de 220 V. Microscopul sondei de scanare NanoEducator ar trebui să funcționeze în conformitate cu PTE și PTB ale instalațiilor electrice ale consumatorilor cu o tensiune de până la 1000 V.

7.6 Atribuire

1. Pregătiți-vă propriile probe biologice pentru studiile SPM.

2. Exersați designul general al NanoEducatorului.

3. Cunoașteți programul de control NanoEducator.

4. Obțineți prima imagine SPM sub supravegherea unui profesor.

5. Efectuați procesarea și analiza imaginii rezultate. Ce forme de bacterii sunt tipice pentru soluția dvs.? Ce determină forma și dimensiunea celulelor bacteriene?

6. Luați identificatorul de bacterii Burgey și comparați rezultatele cu cele descrise acolo.

7.7 Întrebări de control

1. Care sunt metodele de studiere a obiectelor biologice?

2. Ce este microscopia cu scanare a sondei? Care este principiul din spatele acestuia?

3. Numiți componentele principale ale SPM și scopul acestora.

4. Care este efectul piezoelectric și cum se aplică în SPM. Descrieți diferitele modele de scanare.

5. Descrieți designul general al dispozitivului NanoEducator.

6. Descrieți senzorul de interacțiune a forței și principiul său de funcționare.

7. Descrieți mecanismul de apropiere a sondei de eșantion în dispozitivul NanoEducator. Explicați parametrii care determină puterea interacțiunii sondei cu proba.

8. Explicați principiul scanării și funcționarea sistemului de feedback. Spuneți-ne despre criteriile de alegere a parametrilor de scanare.

7.8 Literatură

Lit. 7 1. Paul de Cruy. Vânătorii de microbi. M. Terra. 2001.

Lit. 7 2. Ghid pentru exerciții practice de microbiologie. Editat de Egorov N.S. Moscova: Nauka, 1995.

Lit. 7 3. Howlt J., Krieg N., P. Snit, J. Staley, S. Williams. // Cheile pentru bacterii ale lui Bergey. M .: Mir, 1997. T. Nr. 2. S. 574.

Lit. 7 4. Manual de utilizare a instrumentului NanoEducator.obiecte... Nijni Novgorod. Centru științific și educațional ...

Note de curs pentru cursul „Microscopia sondei de scanare în biologie” Plan de curs

Abstract

... Scanaresondămicroscopieîn biologie "Plan de curs: Introducere, istoria SPM. limite cerere... și nanostructuri, cercetarebiologicobiecte: Laureați ai Nobel ... pentrucercetare Eșantion specific: B scanaresondămicroscopiepentru ...

Programul preliminar al celei de-a XXI-a conferințe ruse de microscopie electronică 1 iunie marți dimineață 10:00 - 14:00 deschiderea conferinței observații de deschidere

Program

B.P. Karadzhyan, Yu. L. Ivanova, Yu.F. Ivlev și V.I. Popenko Cereresondăși confocal scanaremicroscopiepentrucercetare procesele de reparare folosind grefe nanodispersate ...

Prima conferință științifică complet rusă Metode de investigare a compoziției și structurii materialelor funcționale

Document

MULTI-ELEMENT OBIECTE BENCHMARK ... Lyakhov N.Z. CERCETARE NANOCOMPOZITE BIOLOGIC ACTIV ... Aliev V.Sh. CERERE METODĂ SONDĂMICROSCOPIIPENTRUCERCETARE EFECT ... SCANARE CALORIMETRIE ȘI CURENTI TERMOSTIMULAȚI PENTRUCERCETARE ...

Lucrări de laborator nr

Obținerea primei imagini SPM. Prelucrare și prezentare

Rezultatele experimentului

Scopul muncii: studierea elementelor de bază ale microscopiei sondei de scanare, proiectarea și principiile de funcționare a dispozitivului NanoEducator, obținerea primei imagini SPM, obținerea abilităților în procesare și prezentarea rezultatelor experimentale.

Dispozitive și accesorii: dispozitiv NanoEducator, eșantion pentru cercetare: eșantion de test TGZ3 sau oricare altul la alegerea profesorului.

SCURTĂ TEORIE

Proiectarea generală a unui microscop cu sondă de scanare

SPM constă din următoarele componente principale (Fig. 1-1): 1 - sondă; 2 - eșantion; 3 - motoare piezoelectrice x, y, z pentru deplasarea precisă a sondei pe suprafața probei de testare; 4 - generator de măturare, care furnizează tensiune driverelor piezo x și y, asigurând scanarea sondei în plan orizontal; 5 - un senzor electronic care detectează magnitudinea interacțiunii locale dintre sondă și probă; 6 - un comparator care compară semnalul de curent din circuitul senzorului V (t) cu setul inițial V S și, dacă deviază, generează un semnal de corecție V fb; 7 - circuit electronic de feedback care controlează poziția sondei de-a lungul axei z; 8 - un computer care controlează procesul de scanare și achiziția de imagini (9).

Orez. 1-1. Structura generală a unui microscop cu sondă de scanare. 1 - sondă; 2 - eșantion; 3 - motoare piezoelectrice x, y, z; 4 - generator de măturare a tensiunii pe ceramică piezoelectrică x, y; 5 - senzor electronic; 6 - comparator; 7 - circuit de feedback electronic; 8 - computer; 9 - imaginea z (x, y)

Tipuri de senzori. Cele două metode principale de microscopie prin sondă sunt microscopia cu scanare prin tunel și microscopia cu forță atomică.

La măsurarea curentului de tunelare într-un senzor de tunelare (Fig. 1-2), se folosește un convertor curent-tensiune (CT), care este inclus în traiectoria curentului de curent dintre sondă și probă. Sunt posibile două opțiuni de conectare: cu o sondă împământată, atunci când se aplică o tensiune de polarizare a eșantionului față de sonda de împământare sau cu un eșantion împământat, când se aplică o tensiune de polarizare pe sondă.

Un senzor tradițional de interacțiune a forței este un microbion, consolă sau consolă de siliciu (din consilă engleză - consolă) cu o schemă optică pentru înregistrarea magnitudinii îndoirii în consolă rezultată din interacțiunea forței dintre eșantion și sonda situată la sfârșitul consolă (Fig. 1-3).

Orez. 1-2. Diagrama senzorului de tunel Fig. 1-3. Circuitul senzorului de putere

Distingeți între metodele de contact, non-contact și de contact intermitent („semicontact”) de conducere a microscopiei de forță. Utilizarea metodei de contact presupune că sonda se sprijină pe probă. Când consola este îndoită sub acțiunea forțelor de contact, fasciculul laser reflectat este deplasat față de centrul fotodetectorului cadranului. Astfel, devierea consolului poate fi determinată de schimbarea relativă a iluminării jumătăților superioare și inferioare ale fotodetectorului.

Atunci când se utilizează metoda fără contact, sonda este îndepărtată de la suprafață și se află în zona de acțiune a forțelor de atracție pe termen lung. Forțele de atracție și gradienții lor sunt mai slabe decât forțele de contact respingătoare. Prin urmare, o tehnică de modulare este de obicei folosită pentru a le detecta. Pentru aceasta, consola se leagănă vertical la frecvența de rezonanță cu ajutorul vibratorului piezo. Departe de suprafață, amplitudinea oscilațiilor în consolă are o valoare maximă. Pe măsură ce se apropie de suprafață, datorită acțiunii gradientului forțelor de atracție, frecvența de rezonanță a oscilațiilor în consolă se schimbă, în timp ce amplitudinea oscilațiilor sale scade. Această amplitudine este înregistrată utilizând un sistem optic în funcție de schimbarea relativă a iluminării variabile a jumătăților superioare și inferioare ale fotodetectorului.

Cu metoda de măsurare „semicontact”, se utilizează și o tehnică de modulare pentru măsurarea interacțiunii forței. În modul „semicontact”, sonda atinge parțial suprafața, fiind alternativ atât în ​​regiunea de atracție, cât și în regiunea de respingere.

Motor piezoelectric. Scannere. Motoarele piezoelectrice sunt utilizate în SPM pentru mișcarea controlată a acului la distanțe ultra-scurte. Sarcina lor este de a furniza scanarea mecanică de precizie a probei studiate de către sondă prin deplasarea sondei în raport cu proba staționară sau mutarea probei în raport cu sonda staționară. Funcționarea majorității motoarelor piezoelectrice utilizate în SPM-urile moderne se bazează pe utilizarea efectului piezoelectric invers, care constă în modificarea dimensiunii materialului piezoelectric sub acțiunea unui câmp electric. Baza majorității piezoceramicii utilizate în SPM este compoziția Pb (ZrTi) O 3 (titanat de zirconat de plumb) cu diverși aditivi.

Alungirea piezoplatei fixate la un capăt este determinată de expresia:

Unde l- lungimea plăcii, h- grosimea farfuriei, U- tensiunea electrică aplicată electrozilor situați pe marginile plăcii piezoelectrice, d 31 - piezomodul al materialului.

Construcțiile piezoceramice care se deplasează de-a lungul a trei coordonate x, y (în planul lateral al eșantionului) și z (vertical) sunt numite „scanere”. Există mai multe tipuri de scanere, dintre care cele mai frecvente sunt trepied și tubular (Figura 1-4).

Orez. 1-4. Principalele modele de scanere: a) - trepied, b) - tubular

Într-un scaner de trepied, mișcările de-a lungul a trei coordonate sunt asigurate de trei piezoceramice independente dispuse într-o structură ortogonală. Scanerele tubulare funcționează prin îndoirea unui tub piezoelectric gol în plan lateral și alungirea sau comprimarea tubului de-a lungul axei Z. Electrozii care controlează mișcarea tubului în direcțiile X și Y sunt așezați în patru segmente de-a lungul suprafeței exterioare a tubului (Figura 1-4 b). Pentru a îndoi tubul în direcția X, se aplică stres pe ceramica + X pentru a prelungi una dintre laturile sale. Același principiu este folosit pentru a defini mișcarea în direcția Y. Decalaje în direcțiile X și Y

proporțional cu tensiunea aplicată și cu pătratul lungimii tubului. Mișcarea în direcția Z este generată prin aplicarea unei tensiuni la un electrod din centrul tubului. Acest lucru are ca rezultat alungirea întregului tub proporțional cu lungimea și tensiunea sa aplicată.

Procesul de scanare a unei suprafețe într-un SPM (Fig. 1-5) este similar cu mișcarea unui fascicul de electroni pe un ecran într-un tub catodic al unui televizor. Sonda se deplasează de-a lungul liniei (liniei), mai întâi în direcția înainte, apoi în direcția opusă (scanare linie), apoi merge la următoarea linie (scanare verticală). Mișcarea sondei este efectuată de scaner în pași mici sub acțiunea tensiunilor din dinți de fierăstrău furnizate de un generator de măturare (de obicei un convertor digital-analog). Înregistrarea informațiilor despre relieful de suprafață se face, de regulă, pe o trecere dreaptă.

Orez. 1-5. Reprezentarea schematică a procesului de scanare

Parametrii principali care trebuie selectați înainte de a începe o scanare sunt:

Dimensiunea scanării;

Numărul de puncte de pe linia N X și liniile din scanarea N Y, care determină etapa de scanare Δ;

Viteza de scanare.

Parametrii de scanare sunt selectați pe baza datelor preliminare (dimensiunea caracteristicilor de suprafață caracteristice) pe care cercetătorul le are despre obiectul de studiu.

Atunci când alegeți dimensiunea scanării, este necesar să obțineți cele mai complete informații despre suprafața probei, adică afișează cele mai caracteristice trăsături ale suprafeței sale. De exemplu, atunci când se scanează o rețea de difracție cu o perioadă de 3 μm, este necesar să se afișeze cel puțin mai multe perioade, adică dimensiunea scanării trebuie să fie de 10 - 15 µm. Dacă amplasarea caracteristicilor pe suprafața obiectului studiat nu este uniformă, atunci pentru o evaluare fiabilă este necesar să se scaneze în mai multe puncte la distanță una de cealaltă pe suprafața eșantionului. În absența informațiilor despre obiectul de studiu, mai întâi, de regulă, se efectuează o scanare într-o zonă apropiată de maximul disponibil pentru afișare, pentru a obține o imagine de ansamblu asupra naturii suprafeței. Alegerea dimensiunii scanării la re-scanare se efectuează pe baza datelor obținute la scanarea sondajului.

Numărul de puncte de scanare (NX, NY) este selectat astfel încât etapa de scanare Δ (distanța dintre punctele la care se citesc informațiile despre suprafață) să fie mai mică decât trăsăturile sale caracteristice, altfel o parte din informațiile conținute între scanare punctele se vor pierde. Pe de altă parte, alegerea unui număr excesiv de puncte de scanare va crește timpul de achiziție a scanării.

Viteza de scanare determină viteza cu care sonda se deplasează între punctele în care informațiile sunt citite. Viteza excesiv de mare poate duce la faptul că sistemul de feedback nu va avea timp să îndepărteze sonda de la suprafață, ceea ce va duce la reproducerea incorectă a dimensiunilor verticale, precum și la deteriorarea sondei și a suprafeței probei. Viteza de scanare lentă va crește timpul de achiziție a scanării.

Sistem de feedback.În timpul scanării, sonda poate fi localizată deasupra suprafețelor cu proprietăți fizice diferite, drept urmare magnitudinea și natura interacțiunii probă-probă se vor schimba. În plus, dacă există nereguli pe suprafața eșantionului, atunci distanța ΔZ între sondă și suprafață se va schimba în timpul scanării, iar magnitudinea interacțiunii locale se va modifica în consecință.

În timpul scanării, o valoare constantă a interacțiunii locale (forța sau curentul de tunelare) este menținută folosind un sistem de feedback negativ. Pe măsură ce sonda se apropie de suprafață, semnalul senzorului crește (vezi Figura 1-1). Comparatorul compară semnalul senzorului de curent cu o tensiune de referință V s și generează un semnal de corecție V fb, care este utilizat ca semnal de control pentru unitatea piezo care deplasează sonda departe de suprafața probei. Semnalul pentru obținerea unei imagini a topografiei suprafeței este preluat de pe canalul unității z-piezo.

În Fig. 1-6 arată traiectoria sondei în raport cu eșantionul (curba 2) și eșantionul în raport cu sonda (curba 1) menținând în același timp o valoare constantă a interacțiunii probă-eșantion. Dacă sonda se află deasupra unei găuri sau a unei regiuni în care interacțiunea este mai slabă, atunci proba este ridicată, altfel proba este coborâtă.

Feedback-ul sistemului de feedback la apariția semnalului de nepotrivire V fb = V (t) - V S este determinat de constanta buclei de feedback K (în dispozitivul NanoEducator - Câștigă sistemul de operare) sau mai multe astfel de constante. Valorile K specifice depind de caracteristicile de proiectare ale unui anumit SPM (designul și caracteristicile scanerului, electronice), de modul de operare SPM (dimensiunea scanării, viteza de scanare etc.), precum și de caracteristicile suprafeței de sub studiu (gradul de rugozitate, scara caracteristicilor topografiei, duritatea materialului etc.) NS.).

Orez. 1-6. Traiectoria mișcării relative a sondei și a eșantionului în procesul de menținere a interacțiunii locale constante de către sistemul de feedback

În general, cu cât valoarea K este mai mare, cu atât bucla de feedback funcționează mai precis caracteristicile suprafeței scanate și cu atât mai fiabile sunt datele obținute în timpul scanării. Cu toate acestea, atunci când se depășește o anumită valoare critică a lui K, sistemul de feedback prezintă o tendință spre auto-excitație, adică se observă zgomot pe linia de scanare.

Format de date SPM, metode de procesare și prezentare a rezultatelor experimentale. Informațiile obținute cu un microscop cu sondă de scanare sunt stocate sub forma unui cadru SPM - o matrice bidimensională de numere întregi Z ij (matrice). Fiecare valoare a perechii de indici ij corespunde unui punct specific de pe suprafață în câmpul de scanare. Coordonatele punctelor de suprafață sunt calculate prin simpla înmulțire a indexului corespunzător cu distanța dintre punctele la care informațiile au fost citite. De regulă, cadrele SPM sunt matrici pătrate cu o dimensiune de 200x200 sau 300x300 elemente.

Cadrele SPM sunt vizualizate prin intermediul graficelor computerizate, în principal sub formă de luminozitate bidimensională (2D) și imagini tridimensionale (3D). În vizualizarea 2D, fiecărui punct al suprafeței Z = f (x, y) i se atribuie un ton de o anumită culoare în conformitate cu înălțimea punctului suprafeței (Fig. 1-7 a). În redarea 3D, imaginea de suprafață Z = f (x, y) este construită în perspectivă axonometrică folosind pixeli sau linii. Cel mai eficient mod de colorare a imaginilor 3D este de a simula condițiile de iluminare a suprafeței cu o sursă punctuală situată la un punct din spațiul de deasupra suprafeței (Fig. 1-7 b). În același timp, este posibil să se sublinieze caracteristicile individuale mici ale reliefului.

Imaginile SPM, împreună cu informații utile, conțin, de asemenea, o mulțime de informații laterale care distorsionează datele privind morfologia și proprietățile suprafeței. Imaginile SPM, de regulă, conțin o componentă constantă, care nu transportă informații utile despre relieful suprafeței, dar reflectă acuratețea abordării eșantionului în mijlocul intervalului dinamic al mișcării scanerului de-a lungul axei Z. Componenta constantă este eliminat din cadrul SPM de către software.

Orez. 1-7. Modalități de prezentare grafică a imaginilor SPM:

a) - 2D, b) - 3D cu iluminare laterală

Imaginile de suprafață obținute cu microscopii de sondă sunt asemănătoare

au de obicei o pantă comună. Acest lucru se poate datora mai multor motive. În primul rând, înclinarea poate apărea din cauza poziționării inexacte a probei în raport cu sonda sau a non-planeității probei; în al doilea rând, poate fi asociat cu deriva temperaturii, ceea ce duce la deplasarea sondei în raport cu proba; în al treilea rând, se poate datora neliniarității deplasărilor piezoscannerului. O mare cantitate de spațiu utilizabil în cadrul SPM este cheltuită pentru afișarea înclinării, astfel încât micile detalii ale imaginii să devină invizibile. Pentru a elimina acest dezavantaj, se efectuează operația de scădere a unei pante constante (nivelare) (Fig. 1-8).

Orez. 1-8. Eliminarea înclinării constante din imaginea SPM

Imperfecțiunea proprietăților piezoscannerului duce la faptul că imaginea SPM

conține o serie de distorsiuni specifice. În special, deoarece mișcarea scanerului în planul eșantionului afectează poziția sondei deasupra suprafeței (de-a lungul axei Z), imaginile SPM sunt o suprapunere a reliefului real și o anumită suprafață a celei de-a doua (și adesea mai mare ) Ordin. Pentru a elimina astfel de distorsiuni, metoda celor mai mici pătrate este utilizată pentru a găsi o suprafață de ordinul doi care are abateri minime de la suprafața originală, iar apoi această suprafață este scăzută din imaginea SPM originală.

Zgomotul echipamentului, instabilitatea contactului probă-probă în timpul scanării, zgomote acustice externe și vibrații duc la faptul că imaginile SPM, împreună cu informații utile, au o componentă de zgomot. Zgomotul parțial al imaginilor SPM poate fi eliminat de software folosind diverse filtre.

Proiectare SPM NanoEducator.În Fig. 1-9 arată imaginea externă a capului de măsurare SPM NanoEducator și indică elementele principale ale dispozitivului utilizat în timpul funcționării. În Fig. 1-10 arată construcția capului de măsurare. Pe baza 1 există un scaner 7 cu un suport de probă 6 și un mecanism de apropiere 2 bazat pe un motor pas cu pas. Sonda 5, fixată pe senzorul de interacțiune 4, poate fi, de asemenea, adusă la probă folosind șurubul de apropiere manuală 3. Selectarea preliminară a locului de cercetare pe probă se efectuează cu ajutorul șurubului 8.

Orez. 1-9. Aspectul capului de măsurare NanoEducator: 1 - bază, 2 - suport de probă, 3 - senzor de interacțiune, 4 - șurub de fixare a senzorului, 5 - șurub de reglare manuală, 6 - șuruburi pentru deplasarea scanerului cu proba, 7 - capac cu un videoclip aparat foto

Orez. 1-10. Proiectare SPM NanoEducator: 1 - bază, 2 - mecanism de apropiere, 3 - șurub manual, 4 - senzor de interacțiune, 5 - șurub de fixare a senzorului, 6 - sondă, 7 - suport pentru probe, 8 - scaner, 9, 10 - șuruburi de mișcare a scanerului cu probă

În Fig. 1-11 prezintă o diagramă funcțională a dispozitivului. NanoEducator este format dintr-un cap de măsurare, o unitate electronică, cabluri de conectare și un computer de control. Camera video este afișată ca un dispozitiv separat conectat la computer. Semnalul de la senzorul de interacțiune, după conversia în preamplificator, intră în controlerul SPM. Semnalele de control de la unitatea electronică merg la capul de măsurare. Unitatea electronică este controlată de la un computer printr-un controler de comunicații PC.

Orez. 1-11. Schema funcțională a dispozitivului. NanoEducator

Senzor universal pentru interacțiunea de curent și forță. Dispozitivul NanoEducator utilizează un senzor universal de interacțiune a curentului de tunelare și a forței de modulație. Senzorul este realizat sub forma unui tub piezoceramic cu o lungime l= 7 mm, diametru d= 1,2 mm și grosimea peretelui h= 0,25 mm, fixat rigid la un capăt. Un electrod conductiv este aplicat pe suprafața interioară a tubului. Pe suprafața exterioară a tubului se aplică doi electrozi semi-cilindrici izolați electric. La capătul liber al tubului este atașat un fir de tungsten cu diametrul de 100 µm (Figura 1-12). Capătul liber al firului folosit ca sondă este ascuțit electrochimic, raza de curbură este de 0,2-0,05 microni. Sonda este în contact electric cu electrodul interior al tubului, care este conectat la corpul împământat al instrumentului. La măsurarea curentului de tunelare, piezotubul joacă rolul unei console pasive rigide. Deplasarea electrică este aplicată probei în raport cu sonda împământată (Figura 1-13). Convertorul prezentat în figură generează o tensiune electrică Uт, care determină curentul de tunel I să curgă și emite o tensiune U proporțională cu acest curent către unitatea electronică.

Orez. 1-12. Designul universal Fig. 1-13. Principiul înregistrării senzorului de tunel al curentului NanoEducator

Ca senzor de interacțiune a forței, o parte a tubului piezoelectric este utilizată ca vibrator piezo, iar cealaltă ca senzor mecanic de vibrații. O tensiune electrică alternativă este furnizată vibratorului piezo cu o frecvență egală cu frecvența de rezonanță a senzorului de putere. Amplitudinea vibrațiilor la o distanță mare de la sondă la probă este maximă. După cum se vede din Fig. 1-14, în procesul de oscilații, sonda se abate de la poziția de echilibru cu o cantitate Ao egală cu amplitudinea oscilațiilor sale mecanice forțate (este fracțiuni de micron), în timp ce o tensiune electrică alternativă apare pe a doua parte a elementul piezoelectric (senzor de oscilație), care este proporțional cu deplasarea sondei, care este măsurată de dispozitiv.

Pe măsură ce sonda se apropie de suprafața probei, sonda începe să atingă proba în timpul oscilației. Acest lucru duce la o deplasare a caracteristicii de amplitudine-frecvență (AFC) a oscilațiilor senzorului spre stânga comparativ cu AFC măsurată departe de suprafață (Fig. 1-14). Deoarece frecvența vibrațiilor forțate ale piezotubului este menținută constantă și egală cu ω 0 în stare liberă, atunci când sonda se apropie de suprafață, amplitudinea vibrațiilor sale scade și devine egală cu A. Această amplitudine a vibrației este înregistrată din a doua jumătate din piezotub.

Orez. 1-14. Modificarea frecvenței de oscilație a senzorului de forță la

apropiindu-se de suprafața eșantionului

Scanner. Metoda de organizare a micromovărilor folosită în dispozitivul NanoEducator se bazează pe utilizarea unei membrane metalice fixate în jurul perimetrului, pe suprafața căreia este lipită o placă piezoelectrică (Fig. 1-15 a). Schimbarea dimensiunilor plăcii piezoelectrice sub acțiunea tensiunii de control va duce la îndoirea membranei. Plasând astfel de membrane pe trei laturi perpendiculare ale cubului și conectându-le centrele cu ghidaje metalice, puteți obține un scaner cu 3 coordonate (Fig. 1-15 b).

Fiecare element piezoelectric 1, fixat pe laturile cubului 2, poate deplasa împingătorul 3 atașat la acesta într-una din cele trei direcții reciproc perpendiculare - X, Y sau Z atunci când i se aplică o tensiune electrică. După cum se poate vedea din figură, toți cei trei împingători sunt conectați la un punct 4. Cu o aproximare, putem presupune că acest punct se deplasează de-a lungul a trei coordonate X, Y, Z. Un suport 5 cu un suport de probă 6 este atașat la același punct. Astfel, eșantionul se mișcă în trei coordonate sub acțiunea a trei surse independente de tensiune. În dispozitivele NanoEducator, mișcarea maximă a eșantionului este de aproximativ 50-70 microni, ceea ce determină aria maximă de scanare.

Orez. 1-15. Principiul de funcționare (a) și proiectarea (b) a scanerului dispozitivului NanoEducator

Mecanism de abordare automată a sondei către eșantion (captarea feedback-ului)... Gama de mișcare a scanerului de-a lungul axei Z este de aproximativ 10 µm, prin urmare, înainte de a începe scanarea, este necesar să apropiați sonda de eșantion la această distanță. Pentru aceasta este destinat mecanismul de abordare, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 1-16. Motorul pas cu pas 1, când i se aplică impulsuri electrice, rotește șurubul de alimentare 2 și deplasează bara 3 cu sonda 4, apropiindu-l sau mai departe de proba 5 montată pe scanerul 6. Valoarea unui pas este aproximativ 2 microni.

Orez. 1-16. Diagrama mecanismului de apropiere a sondei de suprafața probei

Deoarece pasul mecanismului de apropiere depășește în mod semnificativ valoarea distanței de probă-probă solicitate în timpul scanării, pentru a evita deformarea sondei, apropierea sa se realizează cu funcționarea simultană a motorului pas cu pas și mișcările scanerului de-a lungul axa Z conform următorului algoritm:

Sistemul de feedback este oprit și scanerul este „retras”, adică scade eșantionul la cea mai mică poziție extremă:

1. Mecanismul de apropiere al sondei face un pas și se oprește.

2. Sistemul de feedback se activează, iar scanerul ridică treptat proba, în timp ce se efectuează analiza prezenței interacțiunii probă-probă.

3. Dacă nu există interacțiune, procesul se repetă de la punctul 1.

Dacă apare un semnal diferit de zero în timp ce trageți scanerul în sus, sistemul va apărea

feedback-ul va opri mișcarea ascendentă a scanerului și va stabili cantitatea de interacțiune la un nivel dat. Mărimea interacțiunii forței la care sonda care se apropie se va opri și va avea loc procesul de scanare, în dispozitivul NanoEducator este caracterizat de parametrul Opriți amplitudinea(suprimarea amplitudinii ).

ORDINUL DE EXECUTARE A MUNCII

1. Pregătirea pentru măsurători.

După apelarea programului NanoEducator, fereastra principală apare pe ecran. În Fig. 1-17 arată un fragment al ferestrei principale.

Orez. 1-17. Fereastra principală a programului NanoEducator

Se recomandă pregătirea pentru măsurători folosind fereastra Pregătirea scanării... Fereastra este deschisă de butonul de pe panoul principal de operații. Dacă controlerul dispozitivului a fost pornit înainte de a porni programul NanoEducator, atunci când programul pornește, controlerul va fi selectat automat. În caz contrar, numele controlerului ar trebui să fie selectat din listă Selectarea controlerului... Pentru a opera dispozitivul ca un microscop cu forță atomică, în meniu Selectarea modului selectați configurația AFM.

Informații similare.

Cercetarea scanerelor piezoelectrice cu microdisplasare.

Scopul muncii: studiul principiilor fizice și tehnice ale furnizării micro-deplasărilor obiectelor în microscopia sondei de scanare, implementat cu ajutorul scanerelor piezoelectrice

Introducere

Microscopia cu sondă de scanare (SPM) este una dintre cele mai puternice metode moderne pentru studierea proprietăților unei suprafețe solide. În prezent, practic nici o cercetare în domeniul fizicii suprafețelor și microtehnologiilor nu este completă fără utilizarea metodelor SPM.

Principiile microscopiei cu sondă de scanare pot fi folosite ca bază de bază pentru dezvoltarea tehnologiei pentru crearea de structuri în starea solidă la scară nano (1 nm = 10 A). Pentru prima dată în practica tehnologică de creare a obiectelor create de om, se pune problema utilizării principiilor asamblării atomice la fabricarea produselor industriale. Această abordare deschide perspective pentru implementarea dispozitivelor care conțin un număr foarte limitat de atomi individuali.

Microscopul cu tunel de scanare (STM), primul dintr-o familie de microscopi de sondă, a fost inventat în 1981 de oamenii de știință elvețieni G. Binnig și G. Rohrer. În lucrările lor, au arătat că acesta este un mod destul de simplu și foarte eficient de a studia o suprafață cu o rezoluție spațială ridicată până la ordinea atomică. Această tehnică a primit o recunoaștere reală după vizualizarea structurii atomice a suprafeței unui număr de materiale și, în special, a suprafeței de siliciu reconstruite. În 1986, pentru crearea unui microscop tunel, G. Binnig și G. Poper au primit Premiul Nobel pentru Fizică. În urma microscopului în tunel, microscopul cu forță atomică (AFM), microscopul cu forță magnetică (MSM), microscopul cu forță electrică (EFM), microscopul optic în câmp apropiat (BOM) și multe alte dispozitive cu principii de funcționare similare și numite microscopii cu sondă de scanare.

1. Principiile generale ale microscopului sondei de scanare

În microscopii cu sondă de scanare, studiul microreliefului și a proprietăților locale ale suprafeței se efectuează folosind sonde special preparate de tip ac. Raza de curbură a părții de lucru a acestor sonde (puncte) are o dimensiune de aproximativ zece nanometri. Distanța caracteristică dintre sondă și suprafața probelor în microscopul sondei în ordinea mărimii este de 0,1 - 10 nm.

Funcționarea microscopului sondei se bazează pe diferite tipuri de interacțiuni fizice ale sondei cu atomii suprafeței probei. Astfel, funcționarea unui microscop de tunelare se bazează pe fenomenul de tunelare a curentului de curent între un ac metalic și o probă conductoare; diferite tipuri de interacțiune a forței stau la baza funcționării microscopului forței atomice, forței magnetice și forței electrice.

Să luăm în considerare caracteristicile comune inerente diferiților microscopi de sondă. Să interacțiunea sondei cu suprafața să fie caracterizată de un anumit parametru R... Dacă există o dependență suficient de clară și de unu la unu a parametrului R de la sonda de distanță - eșantion P = P (z), atunci acest parametru poate fi folosit pentru a organiza un sistem de feedback (OS) care controlează distanța dintre sondă și eșantion. În fig. 1 arată schematic principiul general al organizării feedback-ului unui microscop cu sondă de scanare.

Orez. 1. Diagrama sistemului de feedback al microscopului sondei

Sistemul de feedback menține valoarea parametrului R constantă egală cu valoarea Ro stabilit de operator. Dacă sonda - distanța de suprafață se modifică (de exemplu, crește), atunci parametrul se modifică (crește) R... În sistemul de operare, se formează un semnal de diferență proporțional cu valoarea. P= P - Po, care este amplificat la valoarea dorită și alimentat la elementul de acționare al IE. Actuatorul procesează acest semnal de diferență prin apropierea sondei de suprafață sau deplasarea acestuia până când semnalul de diferență devine egal cu zero. În acest fel, distanța sondă-eșantion poate fi menținută cu o precizie ridicată. În microscoapele de sondă existente, precizia menținerii distanței suprafeței sondei atinge ~ 0,01 Å. Când sonda se deplasează de-a lungul suprafeței eșantionului, parametrul de interacțiune se schimbă R datorită reliefului de suprafață. Sistemul OS procesează aceste modificări, astfel încât atunci când sonda se deplasează în planul X, Y, semnalul de pe actuator este proporțional cu relieful de suprafață.

Pentru a obține o imagine SPM, se efectuează un proces special organizat de scanare a unui eșantion. La scanare, sonda se deplasează mai întâi peste eșantion de-a lungul unei anumite linii (scanare de linie), în timp ce valoarea semnalului de pe actuator, proporțională cu relieful suprafeței, este înregistrată în memoria computerului. Apoi, sonda revine la punctul de plecare și merge la următoarea linie de scanare (scanare verticală), iar procesul se repetă din nou. Semnalul de feedback înregistrat în acest mod în timpul scanării este procesat de un computer, iar apoi imaginea SPM a reliefului de suprafață Z = f (x, y) construit cu ajutorul graficii computerizate. Odată cu studiul reliefului de suprafață, microscopii de sondă permit studiul diferitelor proprietăți de suprafață: mecanice, electrice, magnetice, optice și multe altele.

Pentru prima dată, ideea de a obține o imagine cu rezoluție ultra-înaltă a suprafeței unui eșantion folosind o sondă ascuțită a fost prezentată în 1966 și implementată în 1972 de Russell Young, care se ocupa cu fizica suprafețelor. Setarea Young este prezentată în figură. Eșantionul conducător investigat este fixat pe un mecanism de abordare grosier bazat pe un șurub diferențial. Eșantionul se aplică pe un ac ascuțit din tungsten atașat la un scaner XYZ de precizie cu acționare piezo. O diferență de potențial aplicată între vârful sondei și eșantion determină emisia de electroni, care este înregistrată de instrument. Mecanismul de feedback menține un curent de emisie constant prin schimbarea poziției sondei de-a lungul coordonatei Z (adică distanța dintre sondă și suprafață). Înregistrarea semnalului de feedback pe un recorder sau osciloscop vă permite să restabiliți relieful suprafeței.

Deși rezoluția spațială a dispozitivului Yang în planul eșantionului nu depășea rezoluția unui microscop optic convențional, instalația deținea toate trăsăturile caracteristice ale unui SPM și făcea posibilă distingerea straturilor atomice pe eșantion.

Câțiva ani mai târziu, la sfârșitul anilor '70, fizicienii Gerd Binnig și Heinrich Rohrer de la Laboratorul de Cercetare IBM din Zurich au început să dezvolte o configurație care va deveni ulterior primul microscop de tunelare de scanare. Având o vastă experiență în microscopie electronică și studiind efectul tunelului, au venit cu ideea de a crea o configurație similară cu cea a lui Young's Topografiner.

Dar, în locul curentului de emisie, au folosit curentul efectului tunel, care a făcut posibilă creșterea rezoluției dispozitivului cu ordine de mărime. Au fost obținute o mulțime de imagini cu rezoluție atomică, îmbunătățirea ulterioară a dispozitivului a dus la crearea multor alte tipuri de SPM. În 1986, Binnig și Rohrer au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru crearea unui microscop de scanare cu tunel. Istoria creării primului label privat poate fi găsită în discursul Nobel al lui Binnig
Odată cu îmbunătățirea ulterioară a instalațiilor, cercetătorii au învățat nu numai să măsoare topografia suprafeței, ci și să manipuleze atomii individuali! Importanța acestui eveniment este comparabilă cu lansarea primului satelit artificial pe orbita Pământului și, probabil, acesta este primul pas către crearea celor mai importante tehnologii ale viitorului.

Utilizarea efectului de tunelare în STM permite nu numai obținerea unei rezoluții ultra-ridicate, ci impune și o serie de restricții semnificative asupra eșantionului studiat: trebuie să fie conductiv și este de dorit să se efectueze măsurători în vid profund. Acest lucru restrânge foarte mult gama de aplicabilitate a STM. Prin urmare, cercetătorii și-au concentrat eforturile pe crearea de noi tipuri de SPM, lipsite de aceste limitări. În 1986, a fost publicat un articol al lui Binnig, Quat și Gerber, care descrie un nou tip de microscop - Microscopul Forței Atomice (AFM). Acest tip de microscop folosește o sondă specială - un consolă - un ac ascuțit din siliciu fixat la capătul unui fascicul de arc. Când acest ac se apropie de suprafața eșantionului la o distanță de aproximativ zece nanometri (dacă suprafața eșantionului este curățată preliminar de un strat de apă), fasciculul începe să devieze către eșantion, deoarece vârful acului interacționează cu suprafața prin intermediul forțelor van der Waals. Cu o apropiere suplimentară de suprafață, acul este deviat în direcția opusă ca urmare a acțiunii forțelor electrostatice de respingere. Abaterea vârfului de la poziția de echilibru în configurația Binnig a fost detectată folosind vârful unui microscop tunel.

Utilizarea unui consolă a făcut posibilă studierea probelor neconductoare. Îmbunătățirea ulterioară a sistemelor de detectare a dus la crearea de microscoape care pot măsura nu numai în aer, ci și în lichid, ceea ce este deosebit de important în studiul probelor biologice. În plus, au fost dezvoltate metode de măsurare a interacțiunii forței în consolă și eșantion, cu ajutorul cărora a devenit posibilă determinarea forțelor de interacțiune dintre atomii individuali cu valori caracteristice la nivelul de 10-9 Newtoni.

De la mijlocul anilor 1980, a existat o creștere explozivă a numărului de publicații legate de microscopia sondei. Au apărut multe varietăți de SPM, au apărut multe dispozitive disponibile în comerț, au fost publicate manuale de microscopie cu sondă, elementele de bază ale SPM sunt studiate în cursurile multor instituții de învățământ superior.

Microscop cu sondă de scanare

Cea mai tânără și în același timp promițătoare direcție în studiul proprietăților suprafeței este microscopia cu sondă de scanare. Microscoapele cu sondă au o rezoluție de înregistrare mai mică de 0,1 nm. Ei pot măsura interacțiunea dintre o suprafață și un vârf microscopic - o sondă - care o scanează și pot afișa o imagine tridimensională pe ecranul computerului.

Metodele de microscopie prin sondă fac posibilă nu numai observarea atomilor și moleculelor, ci și acționarea asupra acestora. În același timp, ceea ce este deosebit de important, obiectele pot fi studiate nu neapărat în vid (ceea ce este obișnuit pentru microscopii electronici), ci și în diferite gaze și lichide.

Microscopul de tunel cu scanare sondă a fost inventat în 1981 de angajații Centrului de cercetare al firmei IBM G. Binning și H. Rohrer (SUA). Cinci ani mai târziu, au primit Premiul Nobel pentru această invenție.

Binning și Rohrer au încercat să proiecteze un instrument pentru examinarea suprafețelor cu dimensiuni mai mici de 10 nm. Rezultatul a depășit cele mai sălbatice așteptări: oamenii de știință au putut vedea atomi individuali, a căror dimensiune are doar un nanometru. Funcționarea unui microscop de scanare tunel se bazează pe un fenomen mecanic cuantic numit efect de tunelare. Un vârf metalic foarte subțire - o sondă încărcată negativ - este adus la o distanță apropiată de eșantion, de asemenea, metalic, încărcat pozitiv. În acel moment, când distanța dintre ele atinge mai multe distanțe interatomice, electronii vor începe să treacă liber prin el - „tunel”: un curent va curge prin decalaj.

Dependența puternică a curentului de tunelare de distanța dintre vârf și suprafața probei este foarte importantă pentru funcționarea microscopului. Cu o scădere a decalajului cu doar 0,1 nm, curentul va crește de aproximativ 10 ori. Prin urmare, chiar și neregulile de mărimea unui atom provoacă fluctuații notabile în magnitudinea curentului.

Pentru a obține o imagine, sonda scanează suprafața și sistemul electronic citește curentul. În funcție de modul în care se modifică această valoare, vârful fie coboară, fie crește. Astfel, sistemul menține o valoare constantă a curentului, iar traiectoria mișcării vârfului urmează relieful suprafeței, îndoindu-se în jurul dealurilor și depresiunilor.

Vârful mută piezoscannerul, care este un manipulator realizat dintr-un material care se poate schimba sub influența unei tensiuni electrice. Un piezoscanner este cel mai adesea sub forma unui tub cu electrozi multipli care se alungesc sau se îndoaie pentru a deplasa sonda în direcții diferite până la cea mai apropiată miimi de nanometru.

Informațiile despre mișcarea vârfului sunt convertite într-o imagine a suprafeței, care este reprezentată punct cu punct pe ecran. Zonele cu înălțimi diferite sunt vopsite în culori diferite pentru claritate.

În mod ideal, ar trebui să existe un atom staționar la capătul vârfului sondei. Dacă la capătul acului există accidental mai multe proeminențe, imaginea se poate dubla, tripla. Pentru a elimina defectul, acul este gravat în acid, dându-i forma dorită.

O serie de descoperiri au fost făcute cu ajutorul unui microscop tunel. De exemplu, s-a constatat că atomii de pe suprafața unui cristal nu sunt aranjați în același mod ca în interior și adesea formează structuri complexe.

Cu un microscop tunel, numai obiectele conductive pot fi studiate. Totuși, permite, de asemenea, să fie observate dielectrici sub formă de peliculă subțire atunci când sunt așezați pe suprafața unui material conductor. Și, deși acest efect nu a găsit încă o explicație completă, totuși este folosit cu succes pentru a studia multe filme organice și obiecte biologice - proteine, viruși.

Posibilitățile microscopului sunt mari. Cu ajutorul unui ac de microscop, desenele sunt aplicate chiar pe plăcile metalice. Pentru aceasta, atomii separați sunt folosiți ca material de „scriere” - sunt depuși la suprafață sau îndepărtați de pe acesta. Astfel, în 1991, angajații IBM au scris numele companiei lor - IBM - cu atomi de xenon pe suprafața unei plăci de nichel. Litera „I” alcătuia doar 9 atomi, iar literele „B” și „M” - câte 13 atomi.

Următorul pas în dezvoltarea microscopiei sondei de scanare a fost făcut în 1986 de Binning, Quaith și Gerber. Au creat un microscop cu forță atomică. Dacă într-un microscop de tunelare rolul decisiv îl joacă dependența puternică a curentului de tunelare de distanța dintre sondă și probă, atunci pentru un microscop cu forță atomică, dependența forței de interacțiune a corpurilor de distanța dintre ele este de importanță decisivă.

Sonda microscopului de forță atomică este o placă elastică miniaturală - un consolă. Mai mult, un capăt al acestuia este fixat, la celălalt capăt se formează un vârf al sondei dintr-un material solid - siliciu sau nitrură de siliciu. Când sonda este mișcată, forțele de interacțiune dintre atomii săi și suprafața neuniformă a probei vor îndoi placa. Prin deplasarea sondei astfel încât devierea să rămână constantă, se poate obține o imagine a profilului de suprafață. Acest mod de funcționare al microscopului, numit contact, face posibilă măsurarea, cu o rezoluție de o fracțiune de nanometru, nu numai a reliefului, ci și a forței de frecare, elasticității și vâscozității obiectului în studiu.

Scanarea în contact cu proba duce destul de des la deformarea și distrugerea acesteia. Acțiunea sondei la suprafață poate fi utilă, de exemplu, la fabricarea microcircuitelor. Cu toate acestea, sonda poate rupe cu ușurință un film subțire de polimer sau poate deteriora bacteriile, provocând moartea acestora. Pentru a evita acest lucru, consola este plasată în vibrații rezonante lângă suprafață și se înregistrează modificări ale amplitudinii, frecvenței sau fazei vibrațiilor cauzate de interacțiunea cu suprafața. Această metodă vă permite să studiați microbii vii: acul oscilant acționează asupra bacteriei ca un masaj ușor, fără a provoca vătămări și vă permite să observați mișcarea, creșterea și divizarea acesteia.

În 1987, I. Martin și K. Vikrama-singh (SUA) au sugerat folosirea unei micronezi magnetizate ca punct de sondare. Rezultatul este un microscop cu forță magnetică.

Un astfel de microscop vă permite să vedeți regiuni magnetice individuale în material - domenii - cu dimensiuni de până la 10 nm. De asemenea, este utilizat pentru înregistrarea informațiilor superdense, prin formarea de domenii pe suprafața filmului folosind câmpurile unui ac și un magnet permanent. O astfel de înregistrare este de sute de ori mai densă decât pe discurile magnetice și optice moderne.

Pe piața mondială a micromecanicii, unde giganți precum IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joil, Digital Instruments sunt responsabili, există și un loc pentru Rusia. Vocea unei mici companii MDT din Zelenograd lângă Moscova se aude din ce în ce mai tare.

„Să copiem pe o farfurie, de 10 ori mai mică decât un fir de păr uman, un desen realizat de strămoșii noștri îndepărtați”, sugerează tehnologul șef Denis Shabratov. - Calculatorul controlează „peria”, sonda - acul lung de 15 microni, cu un diametru de sutimi de micron. Acul se mișcă de-a lungul „pânzei” și, acolo unde atinge, apare un frotiu de dimensiunea unui atom. Treptat, un cerb apare pe ecranul de afișare, urmat de călăreți ".

MDT este singurul producător de microscopuri de sondă și sondele în sine din țară. Ea este unul dintre cei patru lideri mondiali. Produsele firmei sunt cumpărate în SUA, Japonia și Europa.

Și totul a început cu faptul că Denis Shabratov și Arkady Gologanov, tineri ingineri ai unuia dintre institutele din Zelenograd în criză, gândindu-se cum să trăiască, au ales micromecanica. Nu fără motiv au considerat-o cea mai promițătoare direcție.

„Nu am complexat faptul că va trebui să concurăm cu concurenți puternici”, își amintește Gologanov. - Bineînțeles, echipamentul nostru este inferior celor importate, dar, pe de altă parte, ne face dificil, să ne folosim de creier. Și cu siguranță nu sunt mai răi la noi. Și există mai mult decât suficientă dorință de a plug. Am muncit zile întregi, șapte zile pe săptămână. Cea mai dificilă parte nu a fost chiar realizarea unei sonde superminiaturale, ci vânzarea ei. Știm că al nostru este cel mai bun din lume, strigăm despre el pe internet, bombardăm clienții cu faxuri, într-un cuvânt, ne lovim picioarele ca broasca aceea - atenție zero. "

După ce au aflat că unul dintre liderii în producția de microscopuri, compania japoneză Joil, căuta acele de o formă foarte complexă, și-au dat seama că aceasta era șansa lor. Comanda a costat mult efort și nervi, dar a primit o bană. Dar banii nu erau principalul lucru - acum puteau anunța cu voce tare: faimosul „Joyle” este clientul nostru. În mod similar, de aproape un an și jumătate, MDT realizează sonde speciale gratuite pentru Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA. Și un nou nume mare a apărut în lista de clienți.

„Acum fluxul de comenzi este de așa natură încât nu mai putem să satisfacem pe toată lumea”, spune Shabratov. - Din păcate, aceasta este specificitatea Rusiei. Experiența a arătat că este logic pentru noi să producem astfel de produse cu intensitate științifică în loturi mici, în timp ce producția de masă ar trebui stabilită în străinătate, acolo unde nu există întreruperi în aprovizionare, calitatea lor scăzută și opțiunea subcontractanților. "

Apariția microscopiei sondei de scanare a coincis cu succes cu începutul dezvoltării rapide a tehnologiei computerizate, care a deschis noi posibilități de utilizare a microscopurilor sondei. În 1998, Centrul pentru Tehnologii Avansate (Moscova) a creat un model al microscopului cu sondă de scanare „FemtoScan-001”, care este controlat și prin internet. Acum, oriunde în lume, un cercetător va putea lucra cu un microscop și toți cei care vor să „se uite” în micro-lume, fără a părăsi computerul.

Astăzi, aceste microscoape sunt utilizate numai în cercetarea științifică. Cu ajutorul lor, se fac cele mai senzaționale descoperiri în genetică și medicină, se creează materiale cu proprietăți uimitoare. Cu toate acestea, se așteaptă o descoperire în viitorul apropiat, în primul rând în medicină și microelectronică. Vor apărea micro-roboți, care livrează medicamente direct către organele bolnave prin vase, și vor fi create supercomputere miniaturale.

Din cartea a 100 de mari invenții autorul Ryzhov Konstantin Vladislavovich

28. MICROSCOP Aproximativ în aceeași perioadă în care a început explorarea spațiului cu telescoape, s-au făcut primele încercări de a dezvălui secretele micro-lumii cu ajutorul lentilelor.Se știe că obiectele mici, chiar dacă sunt bine iluminate, trimit și un fascicul slab la ochi

Din cartea Marea Enciclopedie Sovietică (IO) a autorului TSB

Din cartea Marea Enciclopedie Sovietică (MI) a autorului TSB

Din cartea Marea Enciclopedie Sovietică (TE) a autorului TSB

Din cartea Marea Enciclopedie Sovietică (EL) a autorului TSB

Din cartea Totul despre tot. Volumul 2 autor Likum Arkady

Din cartea presa satirică sovietică 1917-1963 autorul Stykalin Serghei Ilici

Din cartea a 100 de invenții celebre autorul Pristinsky Vladislav Leonidovich

Din cartea Marea Enciclopedie a Tehnologiei autorul Echipa de autori

Cine a inventat microscopul? Cuvântul „microscop” este de origine greacă: prima parte înseamnă „mic”, a doua - „observator”. Prin urmare, „microscopul” este un observator a ceva foarte mic. Este un instrument folosit pentru a examina obiecte minuscule, nu

Din cartea Cine este cine în lumea descoperirilor și invențiilor autorul Sitnikov Vitaly Pavlovich

* Revista satirică MICROSCOP. A fost publicat în Novo-Nikolaevsk (acum Novosibirsk) în 1922 (Sursa: „Enciclopedia sovietică siberiană”, vol. I, p.

Din cartea autorului

Din cartea autorului

Microscop Un microscop este un dispozitiv optic conceput pentru a obține imagini mărite ale oricăror obiecte sau detalii ale structurii acestor obiecte care nu sunt vizibile cu ochiul liber. În general, un microscop este un sistem format din două lentile, dar

Din cartea autorului

Microscop cu raze X Un microscop cu raze X este un dispozitiv care examinează structura microscopică și structura unui obiect folosind radiații cu raze X. Un microscop cu raze X are o limită de rezoluție mai mare decât un microscop cu lumină deoarece

Din cartea autorului

Microscop cu ioni Un microscop cu ioni este un dispozitiv care folosește un fascicul de ioni pentru a obține imagini dintr-o sursă de descărcare de gaz sau termo-ion. Principiul de funcționare al unui microscop ionic este similar cu un microscop electronic. Trecând prin obiect și

Din cartea autorului

Microscop Un microscop este un dispozitiv optic care vă permite să obțineți imagini ale obiectelor care sunt invizibile pentru ochiul armat. Este folosit pentru a observa microorganisme, celule, cristale, structuri din aliaj cu o precizie de 0,20 microni. Această rezoluție a microscopului este cea mai mică

Din cartea autorului

Cine a inventat microscopul? Cuvântul „microscop” este de origine greacă: prima parte înseamnă „mic”, a doua - „observator”. Prin urmare, „microscopul” este un observator a ceva foarte mic. Este un instrument folosit pentru a examina obiecte minuscule, nu