7. Aplikácia mikroskopu skenovacej sondy na štúdium biologických predmetov

7. Aplikácia mikroskopu skenovacej sondy na štúdium biologických predmetov 1

7.1. Ciele práce 2

7.2. Informácie pre trénera 3

7.4. Pokyny 31

7.5. Bezpečnosť 32

7.6. Úloha 32

7.7. Testovacie otázky 32

7.8. Literatúra 32

Laboratórnu prácu vyvinula N. N. N.I. Lobačevskij

7.1 Ciele práce

Štúdium morfologických parametrov biologických štruktúr je pre biológov dôležitou úlohou, pretože veľkosť a tvar niektorých štruktúr do značnej miery určuje ich fyziologické vlastnosti. Porovnaním morfologických údajov s funkčnými charakteristikami je možné získať úplné informácie o účasti živých buniek na udržiavaní fyziologickej rovnováhy ľudského alebo zvieracieho organizmu.

Predtým mali biológovia a lekári možnosť študovať svoje prípravky iba na optických a elektrónových mikroskopoch. Tieto štúdie poskytli určitý obraz o morfológii buniek fixovaných, zafarbených a tenkých kovových povlakov získaných postrekom. Morfológiu živých predmetov, jej zmeny pod vplyvom rôznych faktorov nebolo možné študovať, ale bolo to veľmi lákavé.

Mikroskopia skenovacej sondy (SPM) otvorila nové možnosti v štúdiu buniek, baktérií, biologických molekúl, DNA v podmienkach čo najbližších k pôvodným. SPM vám umožňuje študovať biologické objekty bez špeciálnych fixátorov a farbív, na vzduchu alebo dokonca v kvapalnom médiu.

V súčasnosti sa SPM používa v širokej škále odborov, a to tak v základnom vedeckom výskume, ako aj v aplikovanom vývoji špičkových technológií. Mnoho výskumných ústavov v krajine je vybavených sondovým mikroskopickým zariadením. V tejto súvislosti dopyt po vysokokvalifikovaných odborníkoch neustále rastie. Na jeho uspokojenie vyvinula spoločnosť NT-MDT (Zelenograd, Rusko) špecializované vzdelávacie a vedecké laboratórium pre mikroskopiu skenovacej sondy NanoEducator.

SPM NanoEducatoršpeciálne navrhnuté pre laboratórne práce študentov. Toto zariadenie je určené študentskému publiku: je plne riadené počítačom, má jednoduché a intuitívne rozhranie, podporu animácií, predpokladá podrobné zvládnutie techník, absenciu komplexných nastavení a lacný spotrebný materiál.

V tejto laboratórnej práci sa dozviete o mikroskopii skenovacej sondy, zoznámite sa s jej základmi, preštudujete si dizajn a zásady fungovania vzdelávacieho programu SPM NanoEducator, naučte sa pripraviť biologické prípravky na výskum, urobte si svoj prvý SPM obraz komplexu baktérií mliečneho kvasenia a naučte sa základy spracovania a prezentácie výsledkov meraní.

7.2 Informácie pre trénera 1

Laboratórna práca sa vykonáva v niekoľkých fázach:

1. Prípravu vzorky vykonáva každý študent individuálne.

2. Získanie prvého obrázku sa vykonáva na jednom zariadení pod dohľadom učiteľa, potom si každý žiak nezávisle prezrie svoju vzorku.

3. Spracovanie experimentálnych údajov každým študentom prebieha individuálne.

Ukážka pre výskum: baktérie mliečneho kvasenia na krycom sklíčku.

Pred začatím práce je potrebné vybrať sondu s najcharakteristickejšou amplitúdovo-frekvenčnou charakteristikou (jediné symetrické maximum), aby sa získal obraz povrchu študovanej vzorky.

Laboratórna správa by mala obsahovať:

1. teoretická časť (odpovede na kontrolné otázky).

2. výsledky experimentálnej časti (opis vykonaného výskumu, získané výsledky a vyvodené závery).

1. Metódy štúdia morfológie biologických predmetov.

2. Mikroskop skenovacej sondy:

Dizajn SPM;

Odrody SPM: STM, ASM;

Formát údajov SPM, vizualizácia údajov SPM.

3. Príprava vzoriek na štúdie SPM:

morfológia a štruktúra bakteriálnych buniek;

príprava prípravkov na štúdium morfológie pomocou SPM.

4. Zoznámenie sa s návrhom a riadiacim programom SPM NanoEducator.

5. Získanie obrazu SPM.

6. Spracovanie a analýza získaných obrázkov. Kvantitatívna charakterizácia obrázkov SPM.

Metódy štúdia morfológie biologických predmetov

Charakteristický priemer buniek je 10 × 20 µm, baktérie od 0,5 do 3 5 µm, tieto hodnoty sú 5 -krát menšie ako najmenšie častice viditeľné voľným okom. Prvá štúdia buniek bola preto možná až po objavení sa optických mikroskopov. Koncom 17. storočia. Antonio van Leeuwenhoek vyrobil prvý optický mikroskop, predtým ľudia ani nemali podozrenie na existenciu patogénnych mikróbov a baktérií [Ref. 7 -1].

Optická mikroskopia

Problémy so štúdiom buniek sú spojené so skutočnosťou, že sú bezfarebné a priehľadné, takže objavenie ich základných štruktúr sa uskutočnilo až po zavedení farbív do praxe. Farbivá poskytovali dostatočný kontrast obrazu. Pomocou optického mikroskopu možno rozlíšiť objekty, ktoré sú od seba oddelené 0,2 µm, t.j. najmenšími predmetmi, ktoré je ešte možné rozlíšiť pod optickým mikroskopom, sú baktérie a mitochondrie. Obrázky menších bunkových prvkov sú skreslené účinkami spôsobenými vlnovou povahou svetla.

Na prípravu prípravkov s dlhou životnosťou sa bunky ošetria fixačným činidlom, aby sa imobilizovali a konzervovali. Fixácia navyše zvyšuje dostupnosť farbív pre bunky, pretože makromolekuly buniek držia pohromade krížové väzby, ktoré ich stabilizujú a fixujú v určitej polohe. Ako fixačné prostriedky najčastejšie pôsobia aldehydy a alkoholy (napríklad glutaraldehyd alebo formaldehyd tvoria kovalentné väzby s voľnými aminoskupinami bielkovín a zosieťujú susedné molekuly). Po fixácii sa tkanivá zvyčajne rozrežú na veľmi tenké časti (1 až 10 μm hrubé) mikrotómom, ktoré sa potom umiestnia na sklenené podložné sklíčko. Tento spôsob prípravy môže poškodiť štruktúru buniek alebo makromolekúl, preto je uprednostňované rýchle zmrazenie. Zmrazené tkanivo sa rozreže mikrotómom inštalovaným v studenej komore. Po príprave rezov sa bunky zafarbia. Na tento účel sa používajú hlavne organické farbivá (malachitová zeleň, sudánska čierna atď.). Každý z nich sa vyznačuje určitou afinitou k bunkovým zložkám, napríklad hematoxylín má afinitu k negatívne nabitým molekulám, takže umožňuje detekciu DNA v bunkách. Ak je konkrétna molekula prítomná v bunke v nevýznamnom množstve, potom je najvhodnejšie použiť fluorescenčnú mikroskopiu.

Fluorescenčná mikroskopia

Žiarivkové farbivá absorbujú svetlo na jednej vlnovej dĺžke a vyžarujú svetlo na inej, dlhšej vlnovej dĺžke. Ak je takáto látka ožiarená svetlom, ktorého vlnová dĺžka sa zhoduje s vlnovou dĺžkou svetla absorbovaného farbivom, a potom sa na analýzu použije filter, ktorý prenáša svetlo s vlnovou dĺžkou zodpovedajúcou svetlu vyžarovanému farbivom, fluorescenčnú molekulu je možné detegovať žiariace v tmavom poli. Vysoká intenzita vyžarovaného svetla je charakteristickým znakom takýchto molekúl. Použitie fluorescenčných farbív na farbenie buniek zahŕňa použitie špeciálneho fluorescenčného mikroskopu, ktorý je podobný konvenčnému optickému mikroskopu, ale svetlo zo silného iluminátora prechádza dvoma sadami filtrov - jedným, ktorý blokuje časť svetla z iluminátora. pred vzorku a druhý na filtrovanie svetla prijatého zo vzorky. Prvý filter je zvolený tak, aby prepúšťal iba svetlo vlnovej dĺžky, ktorá excituje konkrétne fluorescenčné farbivo; druhý filter súčasne blokuje toto dopadajúce svetlo a prenáša svetlo vlnovej dĺžky vyžarované farbivom, keď fluoreskuje.

Fluorescenčná mikroskopia sa často používa na identifikáciu špecifických proteínov alebo iných molekúl, ktoré sa stanú fluorescenčnými po kovalentnej väzbe na fluorescenčné farbivá. Na tento účel sa zvyčajne používajú dve farbivá - fluoresceín,čo pri excitácii svetlomodrým svetlom poskytuje intenzívnu žltozelenú fluorescenciu a rodamín, spôsobuje tmavočervenú fluorescenciu po excitácii žltozeleným svetlom. Použitím fluoresceínu aj rodamínu na farbenie je možné dosiahnuť distribúciu rôznych molekúl.

Mikroskopia tmavého poľa

Najjednoduchším spôsobom, ako vidieť detaily bunkovej štruktúry, je pozorovať svetlo rozptýlené rôznymi zložkami bunky. V mikroskope s tmavým poľom sú lúče z iluminátora nasmerované zboku a do objektívu mikroskopu vstupujú iba rozptýlené lúče. Bunka podľa toho vyzerá ako osvetlený objekt v tmavom poli. Jednou z hlavných výhod mikroskopie v tmavom poli je schopnosť pozorovať pohyb buniek počas delenia a migrácie. Pohyby buniek sú zvyčajne veľmi pomalé a je ťažké ich pozorovať v reálnom čase. V tomto prípade sa používa mikrokino po snímke (časozberné) alebo nahrávanie videa. Nasledujúce snímky sú v čase oddelené, ale keď sa záznam prehráva normálnou rýchlosťou, obraz skutočných udalostí sa zrýchli.

V posledných rokoch videokamery a súvisiace technológie spracovania obrazu výrazne zvýšili možnosti optickej mikroskopie. Vďaka ich aplikácii bolo možné prekonať ťažkosti spôsobené zvláštnosťami fyziológie človeka. Pozostávajú z nasledujúcich:

1. Za normálnych podmienok oko neregistruje veľmi slabé svetlo.

2. Oko nie je schopné detekovať malé rozdiely v intenzite svetla na svetlom pozadí.

Prvý z týchto problémov bol prekonaný pripojením videokamier s mimoriadne vysokou citlivosťou k mikroskopu. Vďaka tomu bolo možné bunky dlho pozorovať pri slabom svetle, s výnimkou dlhodobého vystavenia jasnému svetlu. Zobrazovacie systémy sú obzvlášť dôležité pre štúdium fluorescenčných molekúl v živých bunkách. Pretože je obrázok vytvorený videokamerou vo forme elektronických signálov, je možné ho vhodne previesť na číselné signály, odoslať do počítača a potom ďalej spracovať na extrahovanie skrytých informácií.

Vysoký kontrast dosiahnutý počítačovou interferenčnou mikroskopiou umožňuje pozorovať aj veľmi malé objekty, ako napríklad jednotlivé mikrotubuly, ktorých priemer je menší ako jedna desatina vlnovej dĺžky svetla (0,025 μm). Jednotlivé mikrotubuly je možné vidieť aj pomocou fluorescenčnej mikroskopie. V oboch prípadoch sú však nevyhnutné difrakčné efekty, ktoré výrazne menia obraz. V tomto prípade je priemer mikrotubulov nadhodnotený (0,2 μm), čo znemožňuje odlíšenie jednotlivých mikrotubulov od zväzku niekoľkých mikrotubulov. Na vyriešenie tohto problému je potrebný elektrónový mikroskop, ktorého hranica rozlíšenia je posunutá ďaleko za vlnovú dĺžku viditeľného svetla.

Elektrónová mikroskopia

Vzťah medzi vlnovou dĺžkou a limitom rozlíšenia je zachovaný aj pre elektróny. V prípade elektrónového mikroskopu je však limit rozlíšenia výrazne nižší ako limit difrakcie. Vlnová dĺžka elektrónu klesá so zvyšujúcou sa rýchlosťou. V elektrónovom mikroskope s napätím 100 000 V je elektrónová vlnová dĺžka 0,004 nm. Podľa teórie je rozlíšenie takéhoto mikroskopu v medziach 0,002 nm. V skutočnosti je však v dôsledku malej hodnoty numerických otvorov elektronických šošoviek rozlíšenie moderných elektrónových mikroskopov nanajvýš 0,1 nm. Ťažkosti s prípravou vzorky, jej poškodenie žiarením, výrazne znižujú normálne rozlíšenie, ktoré je pre biologické objekty 2 nm (asi 100 -krát vyššie ako svetelný mikroskop).

Zdroj elektrónov v transmisný elektrónový mikroskop (TEM) je katódové vlákno umiestnené v hornej časti valcového stĺpca vysokého asi dva metre. Aby sa zabránilo rozptýleniu elektrónov pri zrážke s molekulami vzduchu, v stĺpci sa vytvorí vákuum. Elektróny emitované z katódového vlákna sú urýchlené najbližšou anódou a prenikajú malým otvorom, pričom vytvárajú elektrónový lúč, ktorý putuje na dno stĺpca. Pozdĺž stĺpca sú v určitej vzdialenosti prstencové magnety, ktoré zaostrujú elektrónový lúč, podobne ako sklenené šošovky, ktoré zaostrujú svetelný lúč v optickom mikroskope. Vzorka sa umiestni vzduchovým uzáverom do kolóny v dráhe elektrónového lúča. Časť elektrónov v okamihu prechodu vzorkou je rozptýlená v súlade s hustotou látky v tejto oblasti, zvyšok elektrónov je zaostrený a vytvára obraz (podobne ako pri vytváraní obrazu v optickom mikroskope) na fotografickú dosku alebo na fosforeskujúcu obrazovku.

Jednou z najväčších nevýhod elektrónovej mikroskopie je, že biologické vzorky je potrebné spracovať špeciálnym spôsobom. Najprv sa fixujú najskôr glutaraldehydom a potom kyselinou osmovou, ktorá viaže a stabilizuje dvojitú vrstvu lipidov a bielkovín. Po druhé, elektróny majú nízku penetračnú schopnosť, takže musíte vytvárať ultratenké rezy, a preto sú vzorky dehydratované a impregnované živicami. Po tretie, na zvýšenie kontrastu sú vzorky ošetrené soľami ťažkých kovov, ako je osmium, urán a olovo.

Na získanie trojrozmerného obrazu povrchu použite rastrovací elektrónový mikroskop (SEM) kde sú elektróny rozptýlené alebo emitované z povrchu vzorky. Vzorka sa v tomto prípade fixuje, vysuší a pokryje tenkým filmom z ťažkého kovu a potom sa naskenuje úzkym elektrónovým lúčom. V tomto prípade sa odhaduje počet elektrónov rozptýlených pri ožiarení povrchu. Získaná hodnota sa používa na ovládanie intenzity druhého lúča, ktorý sa pohybuje synchrónne s prvým a vytvára obraz na obrazovke monitora. Rozlíšenie metódy je asi 10 nm a nie je použiteľné na štúdium intracelulárnych organel. Hrúbka vzoriek študovaných touto metódou je daná penetračnou schopnosťou elektrónov alebo ich energiou.

Hlavnými a významnými nevýhodami všetkých týchto metód sú dĺžka, zložitosť a vysoké náklady na prípravu vzorky.

Mikroskopia skenovacej sondy

V mikroskope skenovacej sondy (SPM) sa namiesto elektrónového lúča alebo optického žiarenia používa špicatá sonda, ihla, snímajúca povrch vzorky. Obrazne povedané, môžeme povedať, že ak je vzorka vyšetrená v optickom alebo elektrónovom mikroskope, potom v SPM je to cítiť. Vďaka tomu je možné získať trojrozmerné obrazy predmetov v rôznych médiách: vákuum, vzduch, kvapalina.

Špeciálne prevedenie SPM, prispôsobené pre biologický výskum, umožňuje súčasne s optickým pozorovaním skenovať živé bunky v rôznych kvapalných médiách a fixné preparáty vo vzduchu.

Mikroskop skenovacej sondy

Názov mikroskopu skenovacej sondy odráža princíp jeho fungovania-skenovanie povrchu vzorky, pri ktorom je stupeň interakcie sondy s povrchom bod-bod. Je možné nastaviť veľkosť skenovacej oblasti a počet bodov v nej N X N Y. Čím viac bodov je nastavených, tým vyššie je povrchový obraz získaný. Vzdialenosť medzi bodmi, kde sa signál číta, sa nazýva krok skenovania. Krok skenovania by mal byť menší ako skúmané detaily povrchu. Pohyb sondy počas skenovania (pozri obr. 7-1) sa vykonáva lineárne vpred a v opačnom smere (v smere rýchleho skenovania), prechod na nasledujúci riadok sa vykonáva v kolmom smere ( v smere pomalého skenovania).

Ryža. 7 1. Schematické znázornenie procesu skenovania
(čítanie signálu sa vykonáva na prednom smere skenera)

V závislosti od povahy odčítaného signálu majú skenovacie mikroskopy rôzne názvy a účely:

mikroskop atómovej sily (AFM), odčítajú sa sily medziatomovej interakcie medzi atómami sondy a atómami vzorky;

tunelový mikroskop (STM), číta tunelový prúd pretekajúci medzi vodivou vzorkou a vodivou sondou;

mikroskop s magnetickou silou (MFM), číta sily interakcie medzi sondou pokrytou magnetickým materiálom a detekciou magnetických vlastností vzorky;

mikroskop s elektrostatickou silou (EFM) umožňuje získať obraz o distribúcii elektrického potenciálu na povrchu vzorky. Používajú sa sondy, ktorých hrot je pokrytý tenkou vodivou fóliou (zlatou alebo platinovou).

Dizajn SPM

SPM pozostáva z nasledujúcich hlavných komponentov (obr. 7-2): sonda, piezoelektrické pohony na pohyb sondy pozdĺž X, Y, Z nad povrchom skúmanej vzorky, obvod spätnej väzby a počítač na ovládanie skenovania proces a získavanie obrazu.

Obr. 7 2. Schéma mikroskopu skenovacej sondy

Snímač sondy - súčasť mikroskopu výkonovej sondy, ktorá vykonáva skenovanie vzorky. Sonda obsahuje konzolu (pružinovú konzolu) obdĺžnikového (v tvare I) alebo trojuholníkového (v tvare V) typu (obr. 7 -3), na konci ktorej je špicatá sonda (obr. 7 -3), ktorý má zvyčajne kužeľovitý alebo pyramídový tvar ... Druhý koniec konzoly je spojený so substrátom (takzvaným čipom). Snímače sondy sú vyrobené z kremíka alebo nitridu kremíka. Hlavnou charakteristikou konzoly je silová konštanta (konštanta tuhosti), ktorá sa pohybuje od 0,01 N / m do 10–20 N / m. Na štúdium biologických predmetov sa používajú „mäkké“ sondy s tvrdosťou 0,01 × 0,06 N / m.

Ryža. 7 3. Obrázky pyramídových senzorov sondy AFM
získané elektrónovým mikroskopom:
a - typ v tvare I, b - typ v tvare V, c - pyramída na vrchole konzoly

Piezoelektrické pohony alebo skenery - na kontrolovaný pohyb sondy po vzorke alebo samotnej vzorke vzhľadom na sondu na ultra krátkych vzdialenostiach. Piezoelektrické pohony používajú piezokeramické materiály, ktoré menia svoje rozmery, keď na ne pôsobí elektrické napätie. Proces zmeny geometrických parametrov pôsobením elektrického poľa sa nazýva inverzný piezoelektrický efekt. Najbežnejším piezo materiálom je titaničitan zirkoničitý olovnatý.

Skener je piezokeramická konštrukcia, ktorá umožňuje pohyb podľa troch súradníc: x, y (v bočnej rovine vzorky) a z (vertikálne). Existuje niekoľko typov skenerov, z ktorých najbežnejšie sú statívové a rúrkové (obr. 7-4).

Ryža. 7 4. Návrhy skenerov: a) - statív, b) - rúrkové

V statívovom skeneri zaisťujú pohyby po troch súradniciach tri nezávislé piezokeramické tyče, ktoré tvoria ortogonálnu štruktúru.

V trubicovom skeneri sa dutá piezoelektrická trubica ohýba v rovinách XZ a ZY a predlžuje alebo sťahuje sa pozdĺž osi Z, keď je na elektródy, ktoré riadia pohyby trubice, aplikované vhodné napätie. Elektródy na ovládanie pohybu v rovine XY sú umiestnené na vonkajšom povrchu trubice, na ovládanie pohybu v Z sú na elektródy X a Y privádzané rovnaké napätia.

Slučka spätnej väzby - sada prvkov SPM, pomocou ktorých je sonda počas skenovania držaná v pevnej vzdialenosti od povrchu vzorky (obr. 7 -5). V priebehu skenovania môže byť sonda umiestnená na častiach povrchu vzorky s rôznymi reliéfmi a vzdialenosť sondy a vzorky Z sa zmení a podľa toho sa zmení aj interakcia sondy so vzorkou.

Ryža. 7 5. Diagram spätnej väzby mikroskopu skenovacej sondy

Ako sa sonda blíži k povrchu, interakčné sily sondy a vzorky sa zvyšujú a zvyšuje sa aj signál záznamového zariadenia. V.(t), ktoré vyjadrené v jednotkách napätia. Komparátor porovnáva signál V.(t) s referenčným napätím V. podporujúce a generuje korekčný signál V. korešpondent... Korekčný signál V. korešpondent sa zavedie do skenera a sonda sa vytiahne zo vzorky. Referenčné napätie - napätie zodpovedajúce signálu záznamového zariadenia, keď je sonda v danej vzdialenosti od vzorky. Pri udržiavaní tejto vopred určenej vzdialenosti sondy a vzorky počas skenovania udržuje systém spätnej väzby vopred určenú interakčnú silu sondy a vzorky.

Ryža. 7 6. Trajektória relatívneho pohybu sondy v procese udržiavania konštantnej sily interakcie sondy a vzorky systémom spätnej väzby

Na obr. 7-6 ukazujú trajektóriu sondy vzhľadom na vzorku pri zachovaní konštantnej interakčnej sily medzi sondou a vzorkou. Ak je sonda nad fossou, na skener sa aplikuje napätie, ktoré skener roztiahne a sondu spustí.

Rýchlosť reakcie spätnoväzbovej slučky na zmenu vzdialenosti sondy-vzorky (interakcia sondy-vzorky) je určená konštantou spätnoväzbovej slučky K... Hodnoty K závisí od konštrukčných vlastností konkrétneho SPM (konštrukcia a vlastnosti skenera, elektroniky), prevádzkového režimu SPM (veľkosť skenovacej oblasti, rýchlosť skenovania atď.), ako aj od vlastností skúmaného povrchu (mierka) reliéfnych znakov, tvrdosti materiálu atď.).

Odrody SPM

Skenovací tunelový mikroskop

V STM záznamové zariadenie (obr. 7-7) meria tunelový prúd pretekajúci medzi kovovou sondou, ktorý sa mení v závislosti od potenciálu na povrchu vzorky a od reliéfu jeho povrchu. Sonda je ostro nabrúsená ihla, ktorej polomer zakrivenia hrotu môže dosiahnuť niekoľko nanometrov. Materiály pre sondu sú zvyčajne kovy s vysokou tvrdosťou a chemickou odolnosťou: volfrám alebo platina.

Ryža. 7 7. Schéma tunelovej sondy

Medzi vodivou sondou a vodivou vzorkou sa aplikuje napätie. Keď je hrot sondy vo vzdialenosti asi 10A od vzorky, elektróny zo vzorky začnú tunelovať medzerou do sondy alebo naopak, v závislosti od znamienka napätia (obr. 7-8).

Ryža. 7 8. Schematické znázornenie interakcie hrotu sondy so vzorkou

Výsledný tunelovací prúd sa meria záznamovým zariadením. Jeho veľkosť Ja Túmerné napätiu aplikovanému na kontakt tunela V. a exponenciálne závisí od vzdialenosti od ihly k vzorke d.

Malé zmeny vo vzdialenosti od špičky sondy k vzorke d zodpovedajú exponenciálne veľkým zmenám tunelového prúdu Ja T(predpokladá sa, že napätie V. udržiavané konštantné). Z tohto dôvodu je citlivosť senzora tunelovej sondy postačujúca na zaregistrovanie výškových zmien menších ako 0,1 nm, a teda na získanie obrazu atómov na povrchu tuhej látky.

Mikroskop pre atómovú silu

Najbežnejším snímačom sondy na interakciu atómovej sily je pružinový konzol (z anglického cantilever - konzola) so sondou umiestnenou na jeho konci. Veľkosť ohybu konzoly vyplývajúca zo silovej interakcie medzi vzorkou a sondou (obr. 7-9) sa meria pomocou schémy optickej registrácie.

Princíp činnosti silového senzora je založený na použití atómových síl pôsobiacich medzi atómami sondy a atómami vzorky. Keď sa zmení sila vzorky sondy, zmení sa veľkosť ohybu konzoly a taká zmena sa meria optickým registračným systémom. Senzor atómovej sily je teda špicatá sonda s vysokou citlivosťou, ktorá umožňuje registrovať sily interakcie medzi jednotlivými atómami.

Pri malých ohyboch je pomer medzi silou sondy a vzorky F a vychýlenie hrotu konzoly X je určené Hookeovým zákonom:

kde k - silová konštanta (konštanta tuhosti) konzoly.

Ak sa napríklad použije konzola s konštantou k rádovo 1 n / m, potom pri pôsobení interakčnej sily sondy a vzorky rádovo 0,1 nanonewtonu bude výchylka konzoly približne 0,1 nm.

Na meranie takýchto malých posunov sa zvyčajne používa snímač optického posunu (obr. 7-9), ktorý pozostáva z polovodičového lasera a štvordielnej fotodiódy. Keď je konzola ohnutá, odrazený laserový lúč sa posunie vzhľadom na stred fotodetektora. Ohyb konzoly je teda možné určiť relatívnou zmenou osvetlenia hornej (T) a dolnej (B) polovice fotodetektora.

Obr. 7 9. Schéma snímača sily

Závislosť interakčných síl sondy a vzorky od vzdialenosti vzorky od sondy

Keď sa sonda priblíži k vzorke, je najskôr pritiahnutá k povrchu kvôli prítomnosti atraktívnych síl (van der Waalsove sily). Keď sa sonda ďalej blíži k vzorke, elektrónové obaly atómov na konci sondy a atómy na povrchu vzorky sa začnú prekrývať, čo vedie k vzniku odpudivej sily. Ako vzdialenosť ďalej klesá, odpudivá sila sa stáva dominantnou.

Vo všeobecnosti je závislosť sily interatomickej interakcie F zo vzdialenosti medzi atómami R. vyzerá ako:

.

Konštanty a a b a exponentov m a n závisí od typu atómov a typu chemických väzieb. Pre van der Waalsove sily m= 7 a n = 3... Závislosť F (R) je kvalitatívne znázornená na obr. 7-10.

Ryža. 7 10 Závislosť sily interakcie medzi atómami na vzdialenosti

Dátový formát SPM, vizualizácia údajov SPM

Údaje o morfológii povrchu, získané vyšetrením optickým mikroskopom, sú prezentované vo forme zväčšeného obrazu povrchovej plochy. Informácie získané pomocou SPM sú zapísané vo forme dvojrozmerného poľa celých čísel A ij. Každá hodnota ij zodpovedá konkrétnemu bodu na povrchu v rámci skenovacieho poľa. Grafické zobrazenie tohto poľa čísel sa nazýva naskenovaný obrázok SPM.

Naskenované obrázky môžu byť dvojrozmerné (2D) alebo trojrozmerné (3D). Pri 2D vizualizácii každý bod povrchu Z = f(x, y) sa určitý farebný tón zhoduje s výškou bodu povrchu (obr. 7 -11 a). Pri 3D vizualizácii obraz povrchu Z = f(x, y) je konštruovaný v axonometrickej perspektíve pomocou špeciálne vypočítaných pixelov alebo reliéfnych čiar. Najúčinnejším spôsobom farbenia 3D obrazov je simulácia podmienok povrchového osvetlenia bodovým zdrojom umiestneným v určitom bode priestoru nad povrchom (obr. 7-11 b). Súčasne je možné zdôrazniť jednotlivé malé črty reliéfu.

Ryža. 7 11. Lymfocyty ľudskej krvi:
a) 2D obraz, b) 3D obraz s bočným osvetlením

Príprava vzorky na výskum SPM

Morfológia a štruktúra bakteriálnych buniek

Baktérie sú jednobunkové mikroorganizmy s rôznym tvarom a komplexnou štruktúrou, ktorá určuje rozmanitosť ich funkčných aktivít. Baktérie sa vyznačujú štyrmi hlavnými formami: sférické (sférické), valcovité (v tvare tyčinky), zvlnené a vláknité [Ref. 7-2].

Cocchi (sférické baktérie) - v závislosti od roviny delenia a umiestnenia jednotlivých jedincov sa delia na mikrokoky (oddelene ležiace koky), diplokoky (párové koky), streptokoky (reťazce koky), stafylokoky (vyzerajú ako strapce hrozna), tetrakoky (útvary po štyroch koky)) a sarcíny (balenia po 8 alebo 16 koky).

V tvare tyče - baktérie sa nachádzajú vo forme jednotlivých buniek, diplo- alebo streptobaktérií.

Krimpované - vibrios, spirillae a spirochetes. Vibriá majú formu mierne zakrivených tyčí, špirál - zvlneného tvaru s niekoľkými špirálovitými kučerami.

Veľkosť baktérií sa pohybuje od 0,1 do 10 mikrónov. Zloženie bakteriálnej bunky zahŕňa kapsulu, bunkovú stenu, cytoplazmatickú membránu a cytoplazmu. Cytoplazma obsahuje nukleotid, ribozómy a inklúzie. Niektoré baktérie sú vybavené bičíkmi a klkami. Mnoho baktérií tvorí spóry. Spóry, ktoré presahujú pôvodnú priečnu veľkosť bunky, jej dodávajú fusiformný tvar.

Na štúdium morfológie baktérií optickým mikroskopom sa z nich pripravujú natívne (intravitálne) prípravky alebo fixované škvrny zafarbené anilínovým farbivom. Existujú špeciálne metódy farbenia na detekciu bičíkov, bunkovej steny, nukleotidov a rôznych cytoplazmatických inklúzií.

Na vyšetrenie morfológie bakteriálnych buniek pomocou SPM nie je potrebné farbenie prípravku. SPM umožňuje určiť tvar a veľkosť baktérií s vysokým stupňom rozlíšenia. Starostlivou prípravou lieku a použitím sondy s malým polomerom zakrivenia je možné identifikovať bičíky. Vzhľadom na vysokú tuhosť bakteriálnej bunkovej steny zároveň nie je možné „sondovať“ intracelulárne štruktúry, ako je to možné na niektorých živočíšnych bunkách.

Príprava prípravkov na štúdium morfológie SPM

Na prvé skúsenosti s prácou s SPM sa odporúča zvoliť biologický produkt, ktorý nevyžaduje komplexnú prípravu. Celkom vhodné sú ľahko dostupné a nepatogénne baktérie mliečneho kvasenia zo slanej kapusty alebo fermentovaných mliečnych výrobkov.

Pri štúdiách SPM na vzduchu je potrebné pevne fixovať skúmaný predmet na povrch substrátu, napríklad na krycie sklo. Okrem toho by hustota baktérií v suspenzii mala byť taká, aby sa bunky pri ukladaní na substrát nelepili a vzdialenosť medzi nimi nebola príliš veľká, aby bolo možné počas skenovania zachytiť niekoľko predmetov v jednom ráme. Tieto podmienky sú splnené, ak je režim prípravy vzorky zvolený správne. Ak sa na substrát nanesie kvapka roztoku obsahujúceho baktérie, dôjde k ich postupnému vyzrážaniu a priľnavosti. Za hlavné parametre v tomto prípade treba považovať koncentráciu buniek v roztoku a čas sedimentácie. Koncentrácia baktérií v suspenzii je stanovená štandardom optického zákalu.

V našom prípade bude hrať úlohu iba jeden parameter - inkubačný čas. Čím dlhšie sa kvapka udrží na skle, tým vyššia bude hustota bakteriálnych buniek. Súčasne, ak kvapka tekutiny začne schnúť, potom bude liek príliš silne kontaminovaný vyzrážanými zložkami roztoku. Kvapka roztoku obsahujúceho bakteriálne bunky (soľanka) sa nanesie na krycie sklo a uchováva sa 5 až 60 minút (v závislosti od zloženia roztoku). Potom, bez toho, aby ste čakali, kým kvapka zaschne, dôkladne opláchnite destilovanou vodou (ponorenie lieku do pohára pinzetou niekoľkokrát). Po vysušení je prípravok pripravený na meranie na SPM.

Napríklad prípravky z baktérií mliečneho kvasenia boli pripravené zo slanej kapusty. Čas zadržania kvapky soľanky na krycom sklíčku bol zvolený na 5 minút, 20 minút a 1 hodinu (kvapka už začala schnúť). Rámce SPM sú znázornené na obr. 7-12, obr. 7 -13,
Ryža. 7-14.

Z obrázkov je zrejmé, že pre dané riešenie je optimálna inkubačná doba 5–10 minút. Predĺženie doby zdržania kvapky na povrchu substrátu vedie k adhézii bakteriálnych buniek. V prípade, že kvapka roztoku začne schnúť, pozoruje sa zrážanie zložiek roztoku na skle, ktoré sa nedá zmyť.

Ryža. 7 12. Obrázky baktérií mliečneho kvasenia na krycom sklíčku,
získané pomocou SPM.

Ryža. 7 13. Obrázky baktérií mliečneho kvasenia na krycom skle,
získané pomocou SPM. Inkubačný čas roztoku 20 min

Ryža. 7 14. Obrázky baktérií mliečneho kvasenia na krycom sklíčku,
získané pomocou SPM. Inkubačný čas roztoku 1 hodinu

Na jednom z vybraných prípravkov (obr. 7-12) sme sa pokúsili zvážiť, čo sú to mliečne baktérie, aká forma je pre nich v tomto prípade charakteristická. (Obr. 7-15)

Ryža. 7 15. AFM - obraz baktérií mliečneho kvasenia na krycom skle.
Inkubačný čas roztoku 5 min

Ryža. 7 16. AFM - obrázok reťazca baktérií mliečneho kvasenia na krycom sklíčku.
Inkubačný čas roztoku 5 min

Soľanka sa vyznačuje tyčinkovým bakteriálnym tvarom a reťazcovým usporiadaním.

Ryža. 7 17. Okno riadiaceho programu vzdelávacieho SPM NanoEducator.
Panel s nástrojmi

Pomocou nástrojov vzdelávacieho programu SPM NanoEducator sme určili veľkosť bakteriálnych buniek. Mali približne 0,5 × 1,6 μm
až 0,8 × 3,5 μm.

Získané výsledky sa porovnajú s údajmi uvedenými v Bergeyovom determinante baktérií [Ref. 7 -3].

Baktérie mliečneho kvasenia sú laktobacily (Lactobacillus). Bunky sú vo forme tyčiniek, zvyčajne správneho tvaru. Tyče sú dlhé, niekedy takmer kokoidné, spravidla v krátkych reťazcoch. Veľkosti 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikrónov. Nevytvárajte spor; v zriedkavých prípadoch sú mobilné kvôli peritrichiálnym bičíkom. Široko distribuovaný v životnom prostredí, najmä v potravinách živočíšneho a rastlinného pôvodu. Baktérie mliečneho kvasenia sú súčasťou normálnej mikroflóry tráviaceho traktu. Každý vie, že kyslá kapusta je okrem obsahu vitamínov užitočná aj na zlepšenie črevnej mikroflóry.

Návrh mikroskopu skenovacej sondy NanoEducator

Na obr. 7-18 ukazuje vzhľad meracej hlavy SPM NanoEducator a sú uvedené hlavné prvky zariadenia používaného počas prevádzky.

Ryža. 7 18. Pohľad zvonku na meraciu hlavu SPM NanoEducator
1- základňa, 2-držiak vzoriek, 3- interakčný senzor, 4-senzorová fixačná skrutka,
5 skrutiek na ručné priblíženie, 6 skrutiek na pohyb skenera so vzorkou v horizontálnej rovine, 7 ochranného krytu s videokamerou

Na obr. 7-19 znázorňuje konštrukciu meracej hlavy. Na základni 1 je skener 8 s držiakom vzorky 7 a mechanizmom na dodávanie vzorky do sondy 2 na základe krokového motora. Na školení SPM NanoEducator vzorka je pripevnená k skeneru a vzorka je skenovaná proti stacionárnej sonde. Sonda 6, upevnená na senzore 4 interakcie síl, môže byť tiež privedená na vzorku pomocou skrutky manuálneho priblíženia 3. Predbežný výber miesta výskumu na vzorke sa vykonáva pomocou skrutky 9.

Ryža. 7 19. Konštrukcia SPM NanoEducator: 1 - základňa, 2 - približovací mechanizmus,
3 - skrutka manuálneho podávania, 4 - senzor interakcie, 5 - fixačná skrutka senzora, 6 - sonda,
7 - držiak vzorky, 8 - skener, 9, 10 - skrutky na pohyb skenera so vzorkou

Školenia SPM NanoEducator pozostáva z meracej hlavy, ovládača SPM a riadiaceho počítača prepojeného káblami. Mikroskop je vybavený videokamerou. Signál zo senzora interakcie po konverzii v predzosilňovači vstupuje do regulátora SPM. Riadenie práce SPM NanoEducator vykonáva z počítača prostredníctvom ovládača SPM.

Senzor interakcie sily a sonda

V zariadení NanoEducator snímač je vyrobený vo forme piezokeramickej trubice s dĺžkou l= 7 mm, priemer d= 1,2 mm a hrúbka steny h= 0,25 mm, pevne pripevnené na jednom konci. Na vnútorný povrch trubice sa nanesie vodivá elektróda. Na vonkajší povrch trubice sú nanesené dve elektricky izolované polvalcové elektródy. Na voľný koniec trubice je pripevnený volfrámový drôt s priemerom
100 μm (obr. 7 -20).

Ryža. 7 20. Dizajn univerzálneho senzora zariadenia NanoEducator

Voľný koniec drôtu použitého ako sonda je elektrochemicky zaostrený, polomer zakrivenia je 0,2 × 0,05 μm. Sonda je v elektrickom kontakte s vnútornou elektródou trubice, ktorá je spojená s uzemneným telom prístroja.

Prítomnosť dvoch vonkajších elektród na piezoelektrickej trubici umožňuje, aby bola jedna časť piezoelektrickej trubice (horná podľa obr. 7-21) použitá ako snímač interakcie síl (mechanický snímač vibrácií) a druhá časť môže použiť ako piezo vibrátor. Do piezo vibrátora je privádzané striedavé elektrické napätie s frekvenciou rovnajúcou sa rezonančnej frekvencii snímača výkonu. Amplitúda vibrácií pri veľkej vzdialenosti vzorky od sondy je maximálna. Ako je zrejmé z obr. 7-22, v procese kmitov sa sonda odchýli od rovnovážnej polohy o hodnotu A o, ktorá sa rovná amplitúde jej vynútených mechanických kmitov (je to zlomok mikrometra), zatiaľ čo na druhá časť piezotrubice (snímač oscilácie), úmerná posunu sondy, ktorý a je meraný zariadením.

Keď sa sonda priblíži k povrchu vzorky, sonda sa počas kmitania začne dotýkať vzorky. To vedie k posunu amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky (AFC) kmitov senzora doľava v porovnaní s AFC meraným ďaleko od povrchu (obr. 7-22). Pretože frekvencia silových vibrácií piezotrubice je vo voľnom stave udržiavaná konštantná a rovná sa frekvencii vibrácií  o, keď sa sonda priblíži k povrchu, amplitúda jej vibrácií sa zníži a stane sa rovná A. Táto amplitúda vibrácií sa zaznamená z druhej časti piezotube.

Ryža. 7 21. Princíp činnosti piezoelektrickej trubice
ako snímač interakcie síl

Ryža. 7 22. Zmena frekvencie kmitov snímača sily
pri približovaní sa k povrchu vzorky

Skener

Spôsob organizácie mikromotorov použitých v zariadení NanoEducator, na základe použitia kovovej membrány upnutej po obvode, na ktorej povrch je prilepená piezoelektrická doska (obr. 7 -23 a). Zmena rozmerov piezoelektrickej platne pôsobením riadiaceho napätia povedie k ohnutiu membrány. Umiestnením takýchto membrán na tri kolmé strany kocky a prepojením ich stredov kovovými posúvačmi získate skener so súradnicami 3 x (obr. 7 -23 b).

Ryža. 7 23. Princíp činnosti (a) a konštrukcia (b) skenera zariadenia NanoEducator

Každý piezoelektrický prvok 1, upevnený na bokoch kocky 2, keď naň pôsobí elektrické napätie, môže pohybovať posúvačom 3 k nemu pripevneným v jednom z troch navzájom kolmých smerov - X, Y alebo Z. Ako je vidieť z na obrázku sú všetky tri posúvače spojené v jednom bode 4 S určitou aproximáciou môžeme predpokladať, že sa tento bod pohybuje pozdĺž troch súradníc X, Y, Z. K rovnakému bodu je pripevnený stojan 5 s držiakom vzorky 6. Vzorka sa teda pohybuje v troch súradniciach pôsobením troch nezávislých zdrojov napätia. V zariadeniach NanoEducator maximálny posun vzorky je asi 50 - 70 μm, čo určuje maximálnu skenovaciu plochu.

Mechanizmus automatizovaného priblíženia sondy k vzorke (zachytenie spätnej väzby)

Rozsah pohybu skenera pozdĺž osi Z je asi 10 µm, preto je pred začatím skenovania potrebné priblížiť sondu k vzorke v tejto vzdialenosti. Na to je určený približovací mechanizmus, ktorého diagram je znázornený na obr. 7 -19. Krokový motor 1, keď naň pôsobia elektrické impulzy, otáča podávacím skrutkou 2 a pohybuje lištou 3 so sondou 4, čím sa približuje alebo vzďaľuje od vzorky 5 namontovanej na skeneri 6. Hodnota jedného kroku je asi 2 mikróny.

Ryža. 7 24. Schéma mechanizmu priblíženia sondy k povrchu vzorky

Pretože krok približovacieho mechanizmu počas skenovania výrazne prekračuje hodnotu požadovanej vzdialenosti sondy od vzorky, aby sa zabránilo deformácii sondy, jeho priblíženie sa vykonáva so súčasnou činnosťou krokového motora a pohybmi skenera pozdĺž os Z podľa nasledujúceho algoritmu:

1. Systém spätnej väzby je vypnutý a skener sa „zatiahne“, to znamená, že zníži vzorku do spodnej krajnej polohy.

2. Približovací mechanizmus sondy urobí jeden krok a zastaví sa.

3. Zapne sa systém spätnej väzby a skener postupne nadvihne vzorku, pričom sa vykoná analýza prítomnosti interakcie sondy a vzorky.

4. Ak nedôjde k žiadnej interakcii, postup sa opakuje od bodu 1.

Ak sa pri vyťahovaní skenera objaví nenulový signál, systém spätnej väzby zastaví pohyb skenera nahor a uzamkne množstvo interakcie na zadanej úrovni. Veľkosť silovej interakcie, pri ktorej sa priblíženie sondy zastaví a v zariadení prebieha skenovací proces NanoEducator charakterizované parametrom Potlačenie amplitúdy (AmplitúdaPotlačenie) :

A = A o. (1- Potlačenie amplitúdy)

Získavanie obrazu SPM

Po zavolaní programu NanoEducator na obrazovke počítača sa zobrazí hlavné okno programu (obr. 7-20). Práce by sa mali začať z položky ponuky Súbor a vyber si v ňom Otvorené alebo Nový alebo zodpovedajúce tlačidlá na paneli s nástrojmi (,).

Výber tímu Súbor Nový znamená prechod na merania SPM a výber príkazu Súbor Otvorené znamená prechod na prezeranie a spracovanie predtým prijatých údajov. Program umožňuje prezeranie a spracovanie údajov súbežne s meraním.

Ryža. 7 25. Hlavné okno programu NanoEducator

Po vykonaní príkazu Súbor Nový na obrazovke sa zobrazí dialógové okno, ktoré vám umožní vybrať alebo vytvoriť pracovný priečinok, do ktorého sa budú štandardne zapisovať výsledky aktuálneho merania. V priebehu meraní sa všetky získané údaje postupne zaznamenávajú do súborov s názvami ScanData + i.spm kde index i sa vynuluje pri spustení programu a zvyšuje sa pri každom novom meraní. Súbory ScanData + i.spm sú umiestnené v pracovnom priečinku, ktorý je nainštalovaný pred začatím meraní. Počas meraní je možné vybrať iný pracovný priečinok. Ak to chcete urobiť, stlačte tlačidlo , umiestnený na paneli s nástrojmi hlavného okna programu a vyberte položku ponuky Zmeniť pracovný priečinok.

Výsledky aktuálneho merania uložíte stlačením tlačidla Uložiť ako v zobrazenom dialógovom okne v okne Skenovanie vyberte priečinok a zadajte názov súboru ScanData + i.spm, ktorý slúži ako dočasný súbor na ukladanie údajov počas meraní, bude premenovaný na názov súboru, ktorý ste zadali. V predvolenom nastavení sa súbor uloží do pracovného priečinka určeného pred začatím meraní. Ak nevykonáte operáciu uloženia výsledkov merania, výsledky sa pri ďalšom spustení programu zaznamenajú do dočasných súborov ScanData + i.spm, budú postupne prepísané (pokiaľ sa nezmení pracovný priečinok). Pred zatvorením a po spustení programu sa zobrazí varovanie o prítomnosti dočasných súborov s výsledkami meraní v pracovnom priečinku. Zmena pracovného priečinka pred začatím meraní vám umožní chrániť výsledky predchádzajúceho experimentu pred vymazaním. Štandardný názov ScanData je možné zmeniť jeho nastavením v okne výberu pracovného priečinka. Po stlačení tlačidla sa vyvolá okno na výber pracovného priečinka. , umiestnené na paneli s nástrojmi hlavného okna programu. Výsledky merania môžete uložiť aj do okna Skenovací prehliadač postupným výberom požadovaných súborov a ich uložením do vybraného priečinka.

Výsledky získané pomocou zariadenia NanoEducator je možné exportovať vo formáte ASCII a Nova (spoločnosť NTMDT), ktoré je možné importovať programom NT MDT Nova, Image Analysis a inými programami. Obrázky skenov, údaje o ich prierezoch a výsledky spektroskopických meraní sa exportujú do formátu ASCII. Ak chcete exportovať údaje, kliknite na tlačidlo Export umiestnené na paneli s nástrojmi hlavného okna programu, alebo vyberte Export v položke ponuky Súbor v tomto okne a vyberte príslušný formát exportu. Údaje na spracovanie a analýzu je možné odoslať priamo do predtým spusteného programu Image Analysis.

Po zatvorení dialógového okna sa zobrazí ovládací panel prístroja.
(Obr. 7-26).

Ryža. 7 26. Ovládací panel zariadenia

Na ľavej strane ovládacieho panela prístrojov sú tlačidlá na výber konfigurácie SPM:

CCM- mikroskop skenovacej sily (SSM)

Súkromná značka- skenovací tunelový mikroskop (STM).

Meranie na výcvikovom zariadení SPM NanoEducator spočíva v vykonaní nasledujúcich operácií:

1. Inštalácia vzorky

POZOR! Pred umiestnením vzorky je potrebné odstrániť sondu so sondou, aby nedošlo k poškodeniu sondy.

Existujú dva spôsoby pripojenia vzorky:

na magnetickom stupni (v tomto prípade musí byť vzorka pripevnená k magnetickému substrátu);

na obojstrannej lepiacej páske.

POZOR! Na inštaláciu vzorky na obojstrannú lepiacu pásku je potrebné odskrutkovať držiak zo stojana (aby sa nepoškodil skener) a potom ho zaskrutkovať späť, kým sa mierne nezastaví.

V prípade magnetického držiaka možno vzorku vymeniť bez odskrutkovania držiaka vzorky.

2. Inštalácia sondy

POZOR! Po inštalácii vzorky vždy nainštalujte sondu so sondou.

Po zvolení požadovanej sondy (držte sondu za kovové okraje základne) (pozri obr. 7-27), uvoľnite upevňovaciu skrutku sondy 2 na kryte meracej hlavy, zasuňte sondu do objímky držiaka, kým zastaví sa, zaskrutkujte upevňovaciu skrutku v smere hodinových ručičiek, kým sa nezastaví ...

Ryža. 7 27. Inštalácia sondy

3. Výber umiestnenia skenovania

Pri výbere miesta na výskum vzorky použite skrutky na pohyb dvojosého stupňa umiestneného v spodnej časti prístroja.

4. Predbežný prístup sondy k vzorke

Operácia predbežného priblíženia nie je povinná pre každé meranie, nutnosť jeho implementácie závisí od hodnoty vzdialenosti medzi vzorkou a hrotom sondy. Je žiaduce vykonať operáciu predbežného priblíženia, ak vzdialenosť medzi hrotom sondy a povrchom vzorky presahuje 0,5 × 1 mm. Pri použití automatizovaného priblíženia sondy k vzorke z veľkej vzdialenosti medzi nimi bude proces priblíženia trvať veľmi dlho.

Ručnou skrutkou sklopte sondu a vizuálne kontrolujte vzdialenosť medzi ňou a povrchom vzorky.

5. Vynesenie rezonančnej krivky a nastavenie pracovnej frekvencie

Táto operácia sa nevyhnutne vykonáva na začiatku každého merania a kým sa nevykoná, prechod do ďalších fáz meraní je zablokovaný. Okrem toho v priebehu meraní niekedy nastanú situácie, ktoré vyžadujú opakované vykonanie tejto operácie (napríklad pri strate kontaktu).

Okno vyhľadávania rezonancie sa vyvolá stlačením tlačidla na ovládacom paneli prístroja. Táto operácia zahŕňa meranie amplitúdy kmitov sondy, keď sa zmení frekvencia nútených kmitov nastavená generátorom. Ak to chcete urobiť, stlačte tlačidlo SPUSTIŤ(Obr. 7-28).

Ryža. 7 28. Okno na vyhľadávanie rezonancie a nastavenie pracovnej frekvencie:
a) - automatický režim, b) - manuálny režim

V režime Auto frekvencia generátora sa automaticky nastaví na rovnakú frekvenciu, ako je maximálna amplitúda oscilácií sondy. Graf znázorňujúci zmenu amplitúdy kmitov sondy v danom frekvenčnom rozsahu (obr. 7 -28a) vám umožňuje pozorovať tvar píku rezonancie. Ak nie je vrchol rezonancie dostatočne výrazný alebo je amplitúda na rezonančnej frekvencii malá ( menej ako 1V), potom je potrebné zmeniť parametre meraní a znova určiť rezonančnú frekvenciu.

Režim je na to určený. Manuálny... Keď je v okne zvolený tento režim Stanovenie rezonančnej frekvencie zobrazí sa ďalší panel
(Obr. 7 -28b), ktorý vám umožňuje upraviť nasledujúce parametre:

Napätie výkyvu sondy nastavený generátorom. Odporúča sa nastaviť túto hodnotu na minimum (až na nulu) a nie viac ako 50 mV.

Zisk amplitúdy ( Zosilnenie zosilnenia). Ak je amplitúda oscilácií sondy nedostatočná (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Zosilnenie zosilnenia.

Ak chcete spustiť operáciu hľadania rezonancie, stlačte tlačidlo Začnite.

Režim Manuálny umožňuje manuálne zmeniť zvolenú frekvenciu pohybom zeleného kurzora na grafe myšou a tiež objasniť povahu zmeny amplitúdy kmitov v úzkom rozsahu hodnôt okolo zvolenej frekvencie (na tento účel musíte nastaviť prepínač Manuálny mód do polohy Presne tak a stlačte tlačidlo Začnite).

6. Zachyťte interakciu

Na zachytenie interakcie sa vykonáva kontrolovaný prístup sondy a vzorky pomocou mechanizmu automatizovaného priblíženia. Ovládacie okno pre tento postup sa vyvolá stlačením tlačidla na ovládacom paneli prístroja. Pri práci s CCM je toto tlačidlo dostupné po vykonaní operácie vyhľadávania a nastavení rezonančnej frekvencie. Okno SSM, dodávka(Obr. 7 -29) obsahuje ovládacie prvky pre priblíženie sondy, ako aj indikáciu parametrov, ktoré vám umožňujú analyzovať priebeh postupu.

Ryža. 7 29. Okno postupu priblíženia sondy

V okne Viesť užívateľ má možnosť pozorovať nasledujúce hodnoty:

predĺženie skenera ( SkenerZ) pozdĺž osi Z vzhľadom na maximum možné, brané ako jednotka. Relatívne predĺženie skenera je charakterizované úrovňou naplnenia ľavého indikátora farbou zodpovedajúcou oblasti, v ktorej sa skener aktuálne nachádza: zelená - pracovná oblasť, modrá - mimo pracovnej oblasti, červená - skener prišiel príliš blízko povrchu vzorky, čo môže viesť k deformácii sondy. V druhom prípade program vydá zvukové varovanie;

amplitúda sondy vztiahnuté na amplitúdu jeho kmitov pri absencii silovej interakcie, brané ako jednotka. Hodnota relatívnej amplitúdy oscilácií sondy je na pravom ukazovateli znázornená úrovňou naplnenia v bordovej farbe. Vodorovná značka na indikátore Amplitúda vibrácií sondy označuje úroveň, po ktorej prechode sa vykonáva analýza stavu skenera a jeho automatický výstup do pracovnej polohy;

počet krokov ( NSáno), prejdené daným smerom: Priblíženie - priblíženie, Zatiahnutie - odstránenie.

Pred spustením procesu spustenia sondy musíte:

Skontrolujte, či sú parametre blízkosti správne nastavené:

Zisk spätnej väzby Získať OS nastavené na hodnotu 3 ,

Uistite sa, že parameter Potlačenieamplitúda (sila) má hodnotu asi 0,2 (pozri obr. 7-29). V opačnom prípade stlačte tlačidlo Sila a v okne Nastavenie parametrov interakcie (Obr. 7-30) nastavená hodnota Potlačenieamplitúdy rovnocenný 0.2. Pre chúlostivejší prístup je priradenie parametrov Potlačenieamplitúdy možno menej .

V okne parametrov skontrolujte správnosť nastavení možnosti, stránka Parametre priblíženia.

To, či dochádza k interakcii alebo nie, zistíte podľa ľavého indikátora SkenerZ... Úplné predĺženie skenera (celého indikátora SkenerZ modrá farba), ako aj úplne vínový indikátor Amplitúda vibrácií sondy(Obr. 7-29) naznačujú nedostatočnú interakciu. Po vyhľadaní rezonancie a nastavení pracovnej frekvencie sa amplitúda voľných kmitov sondy považuje za jednotu.

Ak nie je skener pred alebo počas priblíženia úplne vysunutý alebo program zobrazí správu: „Chyba! Sonda je príliš blízko vzorky. Skontrolujte parametre priblíženia alebo fyzický uzol. Chcete sa presťahovať na bezpečné miesto “, odporúča sa zastaviť postup priblíženia a:

a. zmeniť jeden z parametrov:

zvýšiť množstvo interakcie, parameter Potlačenieamplitúdy alebo

zvýšiť hodnotu Získať OS alebo

predĺžte čas oneskorenia medzi krokmi priblíženia (parameter Integračný čas Na stránke Parametre priblíženia okno možnosti).

b. zväčšite vzdialenosť medzi špičkou sondy a vzorkou (postupujte podľa krokov popísaných v odseku a vykonajte operáciu Rezonancia, a potom sa vráťte k postupu Viesť.

Ryža. 7 30. Okno na nastavenie hodnoty interakcie medzi sondou a vzorkou

Po zachytení interakcie sa zobrazí správa „ Prístup dokončený “.

Ak je potrebné prejsť na jeden krok, stlačte tlačidlo. V tomto prípade sa najskôr vykoná krok a potom sa skontrolujú kritériá na zachytenie interakcie. Pohyb zastavíte stlačením tlačidla. Ak chcete vykonať operáciu zasunutia, musíte stlačiť tlačidlo pre rýchle zasunutie

alebo stlačte tlačidlo na pomalé zasúvanie. Ak je potrebné jeden krok stiahnuť, stlačte tlačidlo. V tomto prípade sa najskôr vykoná krok a potom sa skontrolujú kritériá na zachytenie interakcie.

7. Skenovanie

Po dokončení postupu priblíženia ( Viesť) a zachytenie interakcie, bude k dispozícii skenovanie (tlačidlo v okne ovládacieho panela prístrojov).

Stlačením tohto tlačidla (pohľad na skenovacie okno je znázornený na obr. 7 -31) používateľ prejde priamo k meraniu a získaniu výsledkov merania.

Pred skenovaním je potrebné nastaviť parametre skenovania. Tieto možnosti sú zoskupené na pravej strane horného panela okna. Skenovanie.

Po prvom spustení programu sú predvolene nainštalované:

Oblasť skenovania - Región (Xnm *Ynm): 5 000 * 5 000 nm;

Počet bodovmerania pozdĺž osí- X, Y: NX=100, Ny=100;

Cesta skenovania - Smer určuje smer skenovania. Program vám umožňuje vybrať smer osi rýchleho skenovania (X alebo Y). Keď spustíte program, je nainštalovaný Smer

Po nastavení parametrov skenovania stlačte tlačidlo Použiť na potvrdenie zadania parametrov a tlačidlo Začnite spustite skenovanie.

Ryža. 7 31. Okno na správu procesu a zobrazenie výsledkov skenovania CCM

7.4 Pokyny

Predtým, ako začnete pracovať na mikroskope NanoEducator so skenovacou sondou, mali by ste si preštudovať používateľskú príručku zariadenia [Ref. 7 -4].

7.5 Bezpečnostné opatrenia

Na napájanie zariadenia sa používa napätie 220 V. Mikroskop skenovacej sondy NanoEducator by mal pracovať v súlade s PTE a PTB elektrických inštalácií spotrebiteľov s napätím do 1000 V.

7.6 Zadanie

1. Pripravte si vlastné biologické vzorky na štúdie SPM.

2. Precvičte si celkový návrh NanoEducatoru.

3. Zoznámte sa s riadiacim programom NanoEducator.

4. Získajte prvý obrázok SPM pod dohľadom učiteľa.

5. Vykonajte spracovanie a analýzu výsledného obrazu. Aké formy baktérií sú typické pre vaše riešenie? Čo určuje tvar a veľkosť bakteriálnych buniek?

6. Vezmite Bergey Bacteria Identifier a porovnajte výsledky s tými, ktoré sú tam popísané.

7.7 Kontrolné otázky

1. Aké sú metódy na štúdium biologických predmetov?

2. Čo je mikroskopia skenovacej sondy? Aký je za tým princíp?

3. Pomenujte hlavné súčasti SPM a ich účel.

4. Čo je to piezoelektrický efekt a ako sa používa v SPM. Popíšte rôzne prevedenia skenera.

5. Popíšte všeobecnú konštrukciu zariadenia NanoEducator.

6. Popíšte snímač interakcie sily a jeho princíp činnosti.

7. Popíšte mechanizmus priblíženia sondy k vzorke v zariadení NanoEducator. Vysvetlite parametre, ktoré určujú silu interakcie sondy so vzorkou.

8. Vysvetlite princíp skenovania a fungovanie systému spätnej väzby. Povedzte nám o kritériách pre výber parametrov skenovania.

7.8 Literatúra

Lit. 7 1. Paul de Cruy. Lovci mikrobov. M. Terra. 2001.

Lit. 7 2. Sprievodca praktickými cvičeniami z mikrobiológie. Upravil Egorov N.S. Moskva: Nauka, 1995.

Lit. 7 3. Howlt J., Krieg N., P. Snit, J. Staley, S. Williams. // Bergeyove kľúče k baktériám. M .: Mir, 1997. T. č. 2. S. 574.

Lit. 7 4. Návod na použitie prístroja NanoEducator.predmety... Nižný Novgorod. Vedecké a vzdelávacie centrum ...

Poznámky k prednáške k kurzu „Mikroskopia skenovacej sondy v biológii“ Plán prednášky

Abstrakt

... Skenovaniesondamikroskopia v biológii „Plán prednášky: Úvod, história SPM. hranice aplikácia... a nanostruktúry, výskumbiologickýpredmety: Laureáti Nobelovej ceny ... prevýskumŠpecifická vzorka: B skenovaniesondamikroskopiapre ...

Predbežný program xxiii Ruskej konferencie o elektrónovej mikroskopii 1. júna utorok ráno 10:00 - 14:00 otvorenie konferencie úvodné slovo

Program

B.P. Karadzhyan, Yu. L. Ivanova, Yu.F. Ivlev a V.I. Popenko Aplikáciasonda a konfokálne skenovaniemikroskopiaprevýskum opravné procesy pomocou nanodisperzných štepov ...

1. Všeruská vedecká konferencia Metódy skúmania zloženia a štruktúry funkčných materiálov

Dokument

VIACprvok OBJEKTY BENCHMARK ... Lyakhov N.Z. VÝSKUM NANOCOMPOZITY BIOLOGICKY AKTÍVNE ... Aliev V.Sh. APLIKÁCIA METÓDA SOMMIKROSKOPIEPREVÝSKUM EFEKT ... SKENOVANIE KALORIMETRICKÉ A TERMOSTIMULOVANÉ AKTUÁLNE PREVÝSKUM ...

Laboratórna práca č. 1

Získava sa prvý obrázok SPM. Spracovanie a prezentácia

Výsledky experimentu

Účel práce:štúdium základov mikroskopie skenovacej sondy, návrhu a princípov činnosti zariadenia NanoEducator, získanie prvého obrazu SPM, získanie zručností pri spracovaní a prezentácii experimentálnych výsledkov.

Zariadenia a príslušenstvo: zariadenie NanoEducator, vzorka na výskum: skúšobná vzorka TGZ3 alebo akákoľvek iná podľa výberu učiteľa.

STRUČNÁ TEÓRIA

Všeobecná konštrukcia mikroskopu skenovacej sondy

SPM pozostáva z nasledujúcich hlavných komponentov (obr. 1-1): 1 - sonda; 2 - vzorka; 3 - piezoelektrické motory x, y, z na presný pohyb sondy po povrchu testovanej vzorky; 4 - generátor rozmítania, dodávajúci napätie piezodriverom x a y, poskytujúci skenovanie sondy v horizontálnej rovine; 5 - elektronický senzor, ktorý detekuje veľkosť lokálnej interakcie medzi sondou a vzorkou; 6 - komparátor, ktorý porovnáva aktuálny signál v snímacom obvode V (t) s pôvodne nastaveným V S, a ak sa odchyľuje, generuje korekčný signál V fb; 7 - obvod elektronickej spätnej väzby, ktorý riadi polohu sondy pozdĺž osi z; 8 - počítač, ktorý riadi proces skenovania a získavania obrázkov (9).

Ryža. 1-1. Všeobecné usporiadanie mikroskopu skenovacej sondy. 1 - sonda; 2 - vzorka; 3 - piezoelektrické motory x, y, z; 4 - generátor ťahu napätia na x, y piezoelektrickej keramike; 5 - elektronický snímač; 6 - komparátor; 7 - obvod elektronickej spätnej väzby; 8 - počítač; 9 - obrázok z (x, y)

Druhy senzorov. Dve hlavné metódy sondovej mikroskopie sú skenovacia tunelová mikroskopia a mikroskopia atómovej sily.

Na meranie tunelového prúdu v tunelovom senzore (obr. 1-2) sa používa prevodník prúdu na napätie (CT), ktorý je pripojený k dráhe toku prúdu medzi sondou a vzorkou. Sú možné dve možnosti pripojenia: s uzemnenou sondou, keď je na vzorku vzhľadom na uzemnenú sondu aplikované predpätie, alebo s uzemnenou vzorkou, keď je na sondu aplikované predpäté napätie.

Tradičným senzorom interakcie síl je kremíkový mikropapier, konzola alebo konzola (z anglického cantilever) s optickou schémou na registráciu veľkosti ohybu konzoly v dôsledku silovej interakcie medzi vzorkou a sondou umiestnenou na konci konzoly (Obr. 1-3).

Ryža. 1-2. Schéma tunelového senzora Obr. 1-3. Obvod snímača výkonu

Rozlišujte kontaktné, bezkontaktné a prerušované kontaktné („polokontaktné“) metódy silovej mikroskopie. Použitie kontaktnej metódy predpokladá, že sonda spočíva na vzorke. Keď je konzola ohnutá pôsobením kontaktných síl, odrazený laserový lúč sa posunie vzhľadom na stred kvadrantového fotodetektora. Vychýlenie konzoly môže byť teda určené relatívnou zmenou osvetlenia hornej a dolnej polovice fotodetektora.

Pri použití bezkontaktnej metódy sa sonda odstráni z povrchu a nachádza sa v oblasti pôsobenia príťažlivých síl ďalekého dosahu. Sily príťažlivosti a ich gradienty sú slabšie ako odpudivé kontaktné sily. Na ich detekciu sa preto zvyčajne používa modulačná technika. Za týmto účelom sa konzola vertikálne otáča na rezonančnej frekvencii pomocou piezo vibrátora. Ďaleko od povrchu má amplitúda konzolových oscilácií maximálnu hodnotu. Keď sa blíži k povrchu, pôsobením gradientu síl príťažlivosti sa mení rezonančná frekvencia konzolových oscilácií, pričom amplitúda jej kmitov klesá. Táto amplitúda sa zaznamenáva pomocou optického systému podľa relatívnej zmeny variabilného osvetlenia hornej a dolnej polovice fotodetektora.

Pri „polokontaktnej“ metóde meraní sa používa aj modulačná technika na meranie silovej interakcie. V režime „polokontakt“ sa sonda čiastočne dotýka povrchu, pričom je striedavo v oblasti príťažlivosti aj v oblasti odpudzovania.

Piezoelektrický motor. Skenery. Piezoelektrické motory sa v SPM používajú na kontrolovaný pohyb ihly na ultra krátkych vzdialenostiach. Ich úlohou je zabezpečiť presné mechanické skenovanie skúmanej vzorky sondou pohybom sondy vzhľadom na stacionárnu vzorku alebo pohybom vzorky relatívne k stacionárnej sonde. Činnosť väčšiny piezoelektrických motorov používaných v moderných SPM je založená na použití inverzného piezoelektrického efektu, ktorý spočíva v zmene veľkosti piezoelektrického materiálu pôsobením elektrického poľa. Základom väčšiny piezokeramík používaných v SPM je zloženie Pb (ZrTi) O 3 (titaničitan zirkoničitý olovnatý) s rôznymi prísadami.

Predĺženie piezoplátky upevnenej na jednom konci je určené výrazom:

kde l- dĺžka taniera, h- hrúbka plechu, U- elektrické napätie aplikované na elektródy umiestnené na okrajoch piezoelektrickej platne, d 31 - piezomodula materiálu.

Piezokeramické konštrukcie, ktoré sa pohybujú pozdĺž troch súradníc x, y (v bočnej rovine vzorky) a z (vertikálne), sa nazývajú „skenery“. Existuje niekoľko typov skenerov, z ktorých najbežnejšie sú statívové a rúrkové (obrázok 1-4).

Ryža. 1-4. Hlavné návrhy skenerov: a) - statív, b) - rúrkové

V statívovom skeneri zaisťujú pohyby po troch súradniciach tri nezávislé piezokeramiky usporiadané v ortogonálnej štruktúre. Rúrkové skenery pracujú tak, že ohýbajú dutú piezoelektrickú trubicu v bočnej rovine a predlžujú alebo stláčajú rúrku pozdĺž osi Z. Elektródy, ktoré riadia pohyby trubice v smere X a Y, sú umiestnené v štyroch segmentoch pozdĺž vonkajšieho povrchu trubice (obrázok 1 -4 b). Na ohnutie trubice v smere X pôsobí na keramiku + X napätie, aby sa predĺžila jedna z jej strán. Rovnaký princíp sa používa na definovanie pohybu v smere Y. Offsety v smere X a Y

úmerné použitému napätiu a štvorcu dĺžky trubice. Pohyb v smere Z je generovaný priložením napätia na elektródu v strede trubice. Výsledkom je predĺženie celej rúrky úmerne jej dĺžke a pôsobeniu napätia.

Proces skenovania povrchu v SPM (obr. 1-5) je podobný pohybu elektrónového lúča po obrazovke v katódovej trubici televízneho prijímača. Sonda sa pohybuje pozdĺž čiary (čiary), najskôr v smere dopredu a potom v opačnom smere (čiarový sken), potom prejde na ďalší riadok (vertikálne skenovanie). Pohyb sondy vykonáva skener v malých krokoch pôsobením pílových napätí dodávaných z generátora generátora (zvyčajne prevodník digitálneho signálu na analógový). Registrácia informácií o povrchovom reliéfe sa spravidla vykonáva priamym priechodom.

Ryža. 1-5. Schematické znázornenie procesu skenovania

Hlavné parametre, ktoré je potrebné vybrať pred spustením skenovania, sú:

Veľkosť skenovania;

Počet bodov na priamke N X a čiar v skenovaní N Y, ktoré určujú krok skenovania Δ;

Rýchlosť skenovania.

Parametre skenovania sa vyberajú na základe predbežných údajov (veľkosť charakteristických povrchových znakov), ktoré má výskumník o predmete štúdia.

Pri výbere veľkosti skenovania je potrebné získať najkompletnejšie informácie o povrchu vzorky, t.j. zobraziť najcharakteristickejšie vlastnosti jeho povrchu. Napríklad pri skenovaní difrakčnej mriežky s periódou 3 μm je potrebné zobraziť aspoň niekoľko periód, t.j. veľkosť skenovania by mala byť 10 - 15 µm. Ak umiestnenie znakov na povrchu skúmaného objektu nie je rovnomerné, potom je pre spoľahlivé posúdenie potrebné skenovať na niekoľkých miestach vo vzdialenosti od seba na povrchu vzorky. Pri absencii informácií o predmete výskumu sa najskôr najskôr vykoná skenovanie v oblasti blízkej maximu, ktoré je k dispozícii na zobrazenie, aby sa získal prehľad o povahe povrchu. Voľba veľkosti skenovania pri opätovnom skenovaní sa vykonáva na základe údajov získaných z prieskumného skenovania.

Počet skenovacích bodov (NX, NY) je zvolený tak, aby krok skenovania Δ (vzdialenosť medzi bodmi, v ktorých sa čítajú informácie o povrchu) bol menší ako jeho charakteristické vlastnosti, inak niektoré informácie obsiahnuté medzi skenovaním body sa stratia. Na druhej strane, výber nadmerného počtu skenovacích bodov predĺži čas na získanie skenovania.

Rýchlosť skenovania určuje rýchlosť, ktorou sa sonda pohybuje medzi bodmi, v ktorých sa informácie čítajú. Príliš vysoká rýchlosť môže viesť k tomu, že systém spätnej väzby nebude mať čas posunúť sondu od povrchu, čo povedie k nesprávnej reprodukcii vertikálnych rozmerov, ako aj k poškodeniu sondy a povrchu vzorky. Pomalá rýchlosť skenovania zvýši čas získania skenovania.

Systém spätnej väzby. Počas skenovania môže byť sonda umiestnená nad povrchovými oblasťami s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami, v dôsledku ktorých sa zmení veľkosť a povaha interakcie sondy so vzorkou. Okrem toho, ak sú na povrchu vzorky nepravidelnosti, potom sa vzdialenosť ΔZ medzi sondou a povrchom počas skenovania zmení a veľkosť miestnej interakcie sa podľa toho zmení.

Počas procesu skenovania je pomocou systému negatívnej spätnej väzby udržiavaná konštantná hodnota lokálnej interakcie (sila alebo tunelový prúd). Keď sa sonda priblíži k povrchu, signál senzora sa zvýši (pozri obrázok 1-1). Komparátor porovnáva signál aktuálneho snímača s referenčným napätím V s a generuje korekčný signál V fb, ktorý sa používa ako riadiaci signál pre piezo pohon, ktorý posúva sondu od povrchu vzorky. Signál na získanie obrazu topografie povrchu je prevzatý z kanála z-piezo pohonu.

Na obr. 1 až 6 ukazuje trajektóriu sondy vzhľadom na vzorku (krivka 2) a vzorku relatívne k sonde (krivka 1) pri zachovaní konštantnej hodnoty interakcie sondy a vzorky. Ak je sonda nad dierou alebo oblasťou, kde je interakcia slabšia, vzorka sa zdvihne, inak sa vzorka zníži.

Spätná väzba systému spätnej väzby na výskyt signálu nesúladu V fb = V (t) - V S je určená konštantou spätnoväzbovej slučky K (v zariadení NanoEducator - Získať OS) alebo niekoľko takýchto konštánt. Špecifické hodnoty K závisia od konštrukčných vlastností konkrétneho SPM (konštrukcia a vlastnosti skenera, elektroniky), prevádzkového režimu SPM (veľkosť skenovania, rýchlosť skenovania atď.), Ako aj od vlastností povrchu pod štúdia (stupeň drsnosti, stupnica topografických znakov, tvrdosť materiálu atď.) NS.).

Ryža. 1-6. Trajektória relatívneho pohybu sondy a vzorky v procese udržiavania konštantnej lokálnej interakcie systémom spätnej väzby

Všeobecne platí, že čím vyššia je hodnota K, tým presnejšie spätná väzba spätne vyhodnotí vlastnosti skenovaného povrchu a spoľahlivejšie budú údaje získané počas skenovania. Keď je však prekročená určitá kritická hodnota K, systém spätnej väzby vykazuje tendenciu k samovzbudeniu, t.j. na skenovacej linke je pozorovaná hlučnosť.

Formát údajov SPM, metódy spracovania a prezentácie experimentálnych výsledkov. Informácie získané mikroskopom skenovacej sondy sú uložené vo forme rámca SPM - dvojrozmerného poľa celých čísel Z ij (matica). Každá hodnota z dvojice indexov ij zodpovedá konkrétnemu bodu na povrchu v skenovacom poli. Súradnice povrchových bodov sa vypočítajú jednoduchým vynásobením zodpovedajúceho indexu vzdialenosťou medzi bodmi, v ktorých boli informácie prečítané. Rámy SPM sú spravidla štvorcové matice s veľkosťou 200 x 200 alebo 300 x 300 prvkov.

Rámy SPM sú vizualizované pomocou počítačovej grafiky, hlavne vo forme dvojrozmerného jasu (2D) a trojrozmerného (3D) obrazu. Pri 2D vizualizácii je každému bodu povrchu Z = f (x, y) priradený tón určitej farby v súlade s výškou bodu povrchu (obr. 1-7 a). V 3D vykresľovaní je povrchový obraz Z = f (x, y) vytvorený v axonometrickej perspektíve pomocou pixelov alebo čiar. Najúčinnejším spôsobom farbenia 3D obrazov je simulácia podmienok povrchového osvetlenia bodovým zdrojom umiestneným v určitom bode priestoru nad povrchom (obr. 1-7 b). Súčasne je možné zdôrazniť jednotlivé malé črty reliéfu.

Obrázky SPM spolu s užitočnými informáciami obsahujú aj množstvo vedľajších informácií, ktoré skresľujú údaje o morfológii a vlastnostiach povrchu. Obrázky SPM spravidla obsahujú konštantnú zložku, ktorá nenesie užitočné informácie o povrchovom reliéfe, ale odráža presnosť priblíženia vzorky v strede dynamického rozsahu pohybu skenera pozdĺž osi Z. Konštantná zložka je softvérovo odstránený z rámca SPM.

Ryža. 1-7. Spôsoby grafického znázornenia obrázkov SPM:

a) - 2D, b) - 3D s bočným osvetlením

Obrázky povrchu získané sondovými mikroskopmi sú podobné

majú spravidla spoločný sklon. Príčin môže byť viacero. Najprv sa môže objaviť naklonenie kvôli nepresnému umiestneniu vzorky vzhľadom na sondu alebo nerovnosti vzorky; za druhé, môže byť spojený s teplotným driftom, ktorý vedie k posunu sondy vzhľadom na vzorku; po tretie, môže to byť spôsobené nelinearitou posunov piezoscanneru. Na zobrazenie náklonu sa vynakladá veľké množstvo využiteľného priestoru v ráme SPM, takže malé detaily obrazu sú neviditeľné. Na odstránenie tejto nevýhody sa vykonáva operácia odčítania konštantného sklonu (vyrovnanie) (obr. 1-8).

Ryža. 1-8. Odstránenie konštantného náklonu z obrazu SPM

Nedokonalosť vlastností piezoscanneru vedie k tomu, že obraz SPM

obsahuje množstvo špecifických skreslení. Pretože najmä pohyb skenera v rovine vzorky ovplyvňuje polohu sondy nad povrchom (pozdĺž osi Z), obrázky SPM sú superpozíciou skutočného reliéfu a určitého povrchu druhého (a často vyššieho) ) objednať. Aby sa eliminovali tieto skreslenia, metóda najmenších štvorcov sa používa na nájdenie aproximujúceho povrchu druhého rádu, ktorý má minimálne odchýlky od pôvodného povrchu, a potom sa tento povrch odpočíta od pôvodného obrázku SPM.

Hluk zariadenia, nestabilita kontaktu sondy a vzorky počas skenovania, vonkajšie akustické zvuky a vibrácie vedú k tomu, že obrázky SPM majú spolu s užitočnými informáciami aj hlukovú zložku. Čiastočný šum snímok SPM je možné odstrániť softvérom pomocou rôznych filtrov.

Dizajn SPM NanoEducator. Na obr. 1-9 ukazuje vonkajší pohľad na meraciu hlavu SPM NanoEducator a naznačuje hlavné prvky zariadenia používaného počas prevádzky. Na obr. 1-10 ukazuje konštrukciu meracej hlavy. Na základni 1 je skener 7 s držiakom vzorky 6 a približovacím mechanizmom 2 založeným na krokovom motore. Sonda 5, upevnená na interakčnom senzore 4, môže byť tiež privedená na vzorku pomocou skrutky manuálneho priblíženia 3. Predbežný výber miesta výskumu na vzorke sa vykonáva pomocou skrutky 8.

Ryža. 1-9. Vzhľad meracej hlavy NanoEducator: 1 - základňa, 2 - držiak vzorky, 3 - interakčný senzor, 4 - upevňovacia skrutka senzora, 5 - skrutka manuálneho podávania, 6 - skrutky na pohyb skenera so vzorkou, 7 - kryt s videom fotoaparát

Ryža. 1-10. Dizajn SPM NanoEducator: 1 - základňa, 2 - mechanizmus podávania, 3 - skrutka manuálneho podávania, 4 - interakčný senzor, 5 - fixačná skrutka senzora, 6 - sonda, 7 - držiak vzorky, 8 - skener, 9, 10 - pohybové skrutky skenera so vzorkou

Na obr. 1-11 ukazuje funkčný diagram zariadenia. NanoEducator sa skladá z meracej hlavy, elektronickej jednotky, prepojovacích káblov a riadiaceho počítača. Videokamera sa zobrazuje ako samostatné zariadenie pripojené k počítaču. Signál zo senzora interakcie po konverzii v predzosilňovači vstupuje do regulátora SPM. Riadiace signály z elektronickej jednotky idú do meracej hlavy. Elektronická jednotka je ovládaná z počítača pomocou komunikačného ovládača PC.

Ryža. 1-11. Funkčný diagram zariadenia. NanoEducator

Univerzálny snímač pre tunelovú interakciu prúdu a sily. Zariadenie NanoEducator používa univerzálny snímač interakcie tunelového prúdu a modulačnej sily. Senzor je vyrobený vo forme piezokeramickej trubice s dĺžkou l= 7 mm, priemer d= 1,2 mm a hrúbka steny h= 0,25 mm, pevne pripevnené na jednom konci. Na vnútorný povrch trubice sa nanesie vodivá elektróda. Na vonkajší povrch trubice sú nanesené dve elektricky izolované polvalcové elektródy. Na voľný koniec trubice je pripevnený volfrámový drôt s priemerom 100 µm (obrázok 1-12). Voľný koniec drôtu použitého ako sonda je elektrochemicky zaostrený, polomer zakrivenia je 0,2-0,05 mikrónov. Sonda je v elektrickom kontakte s vnútornou elektródou trubice, ktorá je spojená s uzemneným telom prístroja. Pri meraní tunelového prúdu plní piezotube úlohu tuhej pasívnej konzoly. Na vzorku sa vzhľadom na uzemnenú sondu aplikuje elektrický výtlak (obrázok 1-13). Prevodník zobrazený na obrázku generuje elektrické napätie Uт, ktoré spôsobuje tok tunelového prúdu I a do elektronickej jednotky vydáva napätie U úmerné tomuto prúdu.

Ryža. 1-12. Dizajn univerzálneho obr. 1-13. Princíp registrácie tunelového senzora súčasného zariadenia NanoEducator

Ako snímač interakcie síl sa jedna časť piezoelektrickej trubice používa ako piezo vibrátor a druhá ako mechanický snímač vibrácií. Do piezo vibrátora je privádzané striedavé elektrické napätie s frekvenciou rovnajúcou sa rezonančnej frekvencii snímača výkonu. Amplitúda vibrácií vo veľkej vzdialenosti od sondy k vzorke je maximálna. Ako je zrejmé z obr. 1-14, v procese kmitov sa sonda odchýli od rovnovážnej polohy o množstvo Ao, ktoré sa rovná amplitúde jej vynútených mechanických kmitov (ide o zlomky mikrónov), pričom v druhej časti sa objavuje striedavé elektrické napätie piezoelektrický prvok (snímač oscilácie), ktorý je úmerný posunu sondy, ktorý je meraný zariadením.

Keď sa sonda priblíži k povrchu vzorky, sonda sa počas kmitania začne dotýkať vzorky. To vedie k posunu amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky (AFC) oscilácií senzora doľava v porovnaní s AFC meraným ďaleko od povrchu (obr. 1-14). Pretože frekvencia silových vibrácií piezotrubice je vo voľnom stave udržiavaná konštantná a rovná sa ω 0, keď sa sonda priblíži k povrchu, amplitúda jej vibrácií sa zníži a stane sa rovnakou ako A. Táto amplitúda vibrácií je zaznamenaná od druhého polovica piezotube.

Ryža. 1-14. Zmena frekvencie kmitania snímača sily o

sa blíži k povrchu vzorky

Skener. Spôsob organizácie mikromotorov použitý v zariadení NanoEducator je založený na použití kovovej membrány upnutej po obvode, na ktorej povrch je prilepená piezoelektrická doska (obr. 1-15 a). Zmena rozmerov piezoelektrickej platne pôsobením riadiaceho napätia povedie k ohnutiu membrány. Umiestnením takýchto membrán na tri kolmé strany kocky a spojením ich stredov s kovovými vodidlami získate 3-súradnicový skener (obr. 1-15 b).

Každý piezoelektrický prvok 1, upevnený na bokoch kocky 2, môže pohybovať posúvačom 3, ktorý je k nemu pripevnený, v jednom z troch navzájom kolmých smerov - X, Y alebo Z, keď naň pôsobí elektrické napätie. Ako je zrejmé z obrázku, všetky tri posúvače sú spojené v jednom bode 4. S určitou aproximáciou môžeme predpokladať, že tento bod sa pohybuje pozdĺž troch súradníc X, Y, Z. K stojanu je pripevnený stojan 5 s držiakom vzorky 6. Vzorka sa teda pohybuje v troch súradniciach pôsobením troch nezávislých zdrojov napätia. V zariadeniach NanoEducator je maximálny pohyb vzorky asi 50-70 mikrónov, čo určuje maximálnu skenovaciu plochu.

Ryža. 1-15. Princíp činnosti (a) a konštrukcia (b) skenera zariadenia NanoEducator

Mechanizmus automatizovaného priblíženia sondy k vzorke (zachytenie spätnej väzby)... Rozsah pohybu skenera pozdĺž osi Z je asi 10 µm, preto je pred začatím skenovania potrebné priblížiť sondu k vzorke v tejto vzdialenosti. Na to je určený približovací mechanizmus, ktorého diagram je znázornený na obr. 1-16. Krokový motor 1, keď naň pôsobia elektrické impulzy, otáča podávacím skrutkou 2 a pohybuje lištou 3 so sondou 4, čím sa približuje alebo vzďaľuje od vzorky 5 namontovanej na skeneri 6. Hodnota jedného kroku je asi 2 mikróny.

Ryža. 1-16. Schéma mechanizmu priblíženia sondy k povrchu vzorky

Pretože krok približovacieho mechanizmu počas skenovania výrazne prekračuje hodnotu požadovanej vzdialenosti sondy od vzorky, aby sa zabránilo deformácii sondy, jeho priblíženie sa vykonáva so súčasnou činnosťou krokového motora a pohybmi skenera pozdĺž os Z podľa nasledujúceho algoritmu:

Systém spätnej väzby je vypnutý a skener je „zasunutý“, to znamená, že zníži vzorku do spodnej krajnej polohy:

1. Mechanizmus priblíženia sondy urobí jeden krok a zastaví sa.

2. Zapne sa systém spätnej väzby a skener postupne nadvihne vzorku, pričom sa vykoná analýza prítomnosti interakcie sondy a vzorky.

3. Ak nedôjde k žiadnej interakcii, postup sa opakuje od bodu 1.

Ak sa pri vyťahovaní skenera objaví nenulový signál, systém to urobí

spätná väzba zastaví pohyb skenera nahor a zafixuje mieru interakcie na danej úrovni. Veľkosť silovej interakcie, pri ktorej sa priblíženie sondy zastaví a bude prebiehať proces skenovania, je v zariadení NanoEducator charakterizovaný parametrom Zastavte amplitúdu(potlačenie amplitúdy ).

OBJEDNÁVKA VÝKONU PRÁCE

1. Príprava na merania.

Po zavolaní programu NanoEducator sa na obrazovke zobrazí hlavné okno. Na obr. 1-17 zobrazuje fragment hlavného okna.

Ryža. 1-17. Hlavné okno programu NanoEducator

Odporúča sa pripraviť sa na merania pomocou okna Príprava na skenovanie... Okno sa otvára tlačidlom na hlavnom ovládacom paneli. Ak bol ovládač zariadenia zapnutý pred spustením programu NanoEducator, potom sa program spustí, automaticky sa vyberie ovládač. V opačnom prípade by mal byť zo zoznamu vybratý názov ovládača Výber ovládača... Ak chcete zariadenie ovládať ako mikroskop s atómovou silou, v ponuke Voľba režimu vyberte konfiguráciu AFM.

Podobné informácie.

Výskum piezoelektrických mikrodislokačných skenerov.

Účel práce:štúdium fyzikálnych a technických zásad poskytovania mikro-posunov predmetov v mikroskopii skenovacej sondy, implementované pomocou piezoelektrických skenerov

Úvod

Mikroskopia skenovacej sondy (SPM) je jednou z najúčinnejších moderných metód na štúdium vlastností pevného povrchu. V súčasnosti prakticky žiadny výskum v oblasti fyziky povrchov a mikrotechnológií nie je dokončený bez použitia metód SPM.

Princípy mikroskopie skenovacej sondy je možné použiť ako základný základ pre vývoj technológie na vytváranie nanorozmerných štruktúr v pevnom stave (1 nm = 10 A). Po prvý raz v technologickej praxi vytvárania predmetov vyrobených ľuďmi sa otvára otázka použitia princípov atómovej montáže pri výrobe priemyselných výrobkov. Tento prístup otvára vyhliadky na implementáciu zariadení obsahujúcich veľmi obmedzený počet jednotlivých atómov.

Skenovací tunelovací mikroskop (STM), prvý z rodiny sondových mikroskopov, vynašli v roku 1981 švajčiarski vedci G. Binnig a G. Rohrer. Vo svojich prácach ukázali, že je to celkom jednoduchý a veľmi účinný spôsob štúdia povrchu s vysokým priestorovým rozlíšením až do atómového poriadku. Táto technika získala skutočné uznanie po vizualizácii atómovej štruktúry povrchu mnohých materiálov a najmä zrekonštruovaného povrchu kremíka. V roku 1986 získali G. Binnig a G. Poper za vytvorenie tunelového mikroskopu Nobelovu cenu za fyziku. Nasleduje tunelový mikroskop, mikroskop atómovej sily (AFM), mikroskop s magnetickou silou (MSM), mikroskop s elektrickou silou (EFM), optický mikroskop s blízkym poľom (BOM) a mnoho ďalších zariadení s podobnými princípmi činnosti a tzv. mikroskopy skenovacej sondy.

1. Všeobecné zásady skenovacích mikroskopov

V skenovacích mikroskopoch sa štúdium mikroreliéfu a miestnych vlastností povrchu uskutočňuje pomocou špeciálne pripravených sond ihlového typu. Polomer zakrivenia pracovnej časti takýchto sond (bodov) je veľký asi desať nanometrov. Charakteristická vzdialenosť medzi sondou a povrchom vzoriek v sondových mikroskopoch rádovo je 0,1 - 10 nm.

Činnosť sondových mikroskopov je založená na rôznych typoch fyzikálnej interakcie sondy s atómami povrchu vzorky. Činnosť tunelového mikroskopu je teda založená na fenoméne tunelového toku prúdu medzi kovovou ihlou a vodivou vzorkou; rôzne druhy silových interakcií sú základom pôsobenia mikroskopov atómovej sily, magnetickej sily a elektrickej sily.

Zoberme si spoločné črty, ktoré sú vlastné rôznym mikroskopom sondy. Interakciu sondy s povrchom nech charakterizuje nejaký parameter R.... Ak existuje dostatočne ostrá a individuálna závislosť parametra R. zo sondy vzdialenosti - vzorka P = P (z), potom tento parameter možno použiť na organizáciu systému spätnej väzby (OS), ktorý riadi vzdialenosť medzi sondou a vzorkou. Na obr. 1 schematicky ukazuje všeobecný princíp organizácie spätnej väzby mikroskopu skenovacej sondy.

Ryža. 1. Schéma systému spätnej väzby mikroskopu sondy

Systém spätnej väzby udržiava hodnotu parametra R. konštanta rovná hodnote Ro nastavený operátorom. Ak sa vzdialenosť sondy - povrchu zmení (napríklad sa zvýši), potom sa parameter zmení (zvýši) R.... V systéme OS sa vytvára rozdielový signál úmerný hodnote. P= P - Po, ktorý je zosilnený na požadovanú hodnotu a privádzaný do ovládacieho prvku IE. Aktuátor spracováva tento rozdielový signál tak, že sondu priblíži k povrchu alebo ju posunie preč, kým sa rozdielový signál nestane rovný nule. Týmto spôsobom je možné udržiavať vzdialenosť sondy od vzorky s vysokou presnosťou. V existujúcich mikroskopoch sond dosahuje presnosť udržiavania vzdialenosti povrchu sondy ~ 0,01 Å. Keď sa sonda pohybuje po povrchu vzorky, parameter interakcie sa zmení R. kvôli povrchovému reliéfu. Systém OS spracováva tieto zmeny, takže keď sa sonda pohybuje v rovine X, Y, signál na akčnom člene je úmerný povrchovému reliéfu.

Na získanie obrázka SPM sa vykoná špeciálne organizovaný proces skenovania vzorky. Pri skenovaní sa sonda najskôr pohybuje po vzorke po určitej čiare (riadkové skenovanie), zatiaľ čo hodnota signálu na akčnom člene, úmerná povrchovému reliéfu, sa zaznamenáva do pamäte počítača. Potom sa sonda vráti do východiskového bodu a prejde na ďalšiu skenovaciu čiaru (vertikálne skenovanie) a postup sa znova opakuje. Takto zaznamenaný signál spätnej väzby počas skenovania je spracovaný počítačom a potom obrazom povrchového reliéfu SPM Z = f (x, y) vytvorený pomocou počítačovej grafiky. Spolu so štúdiom povrchového reliéfu umožňujú sondové mikroskopy štúdium rôznych povrchových vlastností: mechanických, elektrických, magnetických, optických a mnohých ďalších.

Myšlienka získať obraz povrchu vzorky v ultra vysokom rozlíšení pomocou ostrej sondy bola prvýkrát predložená v roku 1966 a implementovaná v roku 1972 Russellom Youngom, ktorý sa zaoberal povrchovou fyzikou. Nastavenie Young je zobrazené na obrázku. Vyšetrovaná vodivá vzorka je upevnená na mechanizme hrubého priblíženia založenom na diferenciálnej mikrošróbe. Vzorka sa nanesie na ostrú volfrámovú ihlu pripevnenú k presnému piezoelektrickému skeneru XYZ. Potenciálny rozdiel aplikovaný medzi hrotom sondy a vzorkou spôsobuje emisiu elektrónov, ktorá je zaznamenaná prístrojom. Mechanizmus spätnej väzby udržuje konštantný emisný prúd zmenou polohy sondy pozdĺž súradnice Z (t.j. vzdialenosť medzi sondou a povrchom). Zaznamenanie signálu spätnej väzby na rekordér alebo osciloskop vám umožní obnoviť povrchový reliéf.

Aj keď priestorové rozlíšenie zariadenia Yang v rovine vzorky neprekročilo rozlíšenie konvenčného optického mikroskopu, inštalácia mala všetky charakteristické vlastnosti SPM a umožnila rozlíšiť atómové vrstvy na vzorke.

O niekoľko rokov neskôr, koncom 70. rokov, fyzici Gerd Binnig a Heinrich Rohrer z IBM Research Laboratory v Zürichu začali vyvíjať zostavu, ktorá sa neskôr stala prvým skenovacím tunelovým mikroskopom. Vďaka rozsiahlym skúsenostiam s elektrónovou mikroskopiou a štúdiu tunelového efektu prišli s nápadom vytvoriť zariadenie podobné Youngovmu topografineru.

Ale namiesto emisného prúdu použili prúd tunelového efektu, ktorý umožnil zvýšiť rozlíšenie zariadenia o rádovú hodnotu. Získalo sa veľa obrázkov s atómovým rozlíšením, ďalšie vylepšenie zariadenia viedlo k vytvoreniu mnohých ďalších typov SPM. V roku 1986 dostali Binnig a Rohrer Nobelovu cenu za fyziku za vytvorenie skenovacieho tunelového mikroskopu. Históriu vzniku prvej súkromnej značky nájdete v Binnigovej Nobelovej reči
S ďalším vylepšovaním inštalácií sa vedci naučili nielen merať topografiu povrchu, ale aj manipulovať s jednotlivými atómami! Význam tejto udalosti je porovnateľný s vypustením prvého umelého satelitu na obežnú dráhu Zeme a možno je to prvý krok k vytvoreniu najdôležitejších technológií budúcnosti.

Použitie tunelového efektu v STM umožňuje nielen získanie ultravysokého rozlíšenia, ale ukladá študovanej vzorke aj množstvo významných obmedzení: musí byť vodivá a je žiaduce vykonávať merania v hlbokom vákuu. To značne zužuje rozsah použiteľnosti STM. Vedci preto zamerali svoje úsilie na vytvorenie nových typov SPM bez týchto obmedzení. V roku 1986 bol publikovaný článok Binniga, Quata a Gerbera, ktorý popisuje nový typ mikroskopu - mikroskop pre atómovú silu (AFM). Tento typ mikroskopu používa špeciálnu sondu - konzolu - ostrú silikónovú ihlu upevnenú na konci pružinového lúča. Keď sa táto ihla priblíži k povrchu vzorky na vzdialenosť asi desať nanometrov (ak je povrch vzorky predbežne očistený od vrstvy vody), lúč sa začne odchyľovať smerom k vzorke, pretože hrot ihly interaguje s povrchom pomocou van der Waalsových síl. Pri ďalšom priblížení k povrchu je ihla vychýlená v opačnom smere v dôsledku pôsobenia elektrostatických odpudivých síl. Odchýlka hrotu od rovnovážnej polohy v Binnigovom usporiadaní bola detegovaná pomocou špičky tunelového mikroskopu.

Použitie konzoly umožnilo študovať nevodivé vzorky. Ďalšie zlepšenie detekčných systémov viedlo k vytvoreniu mikroskopov, ktoré môžu merať nielen vo vzduchu, ale aj v kvapaline, čo je obzvlášť dôležité pri štúdiu biologických vzoriek. Okrem toho boli vyvinuté metódy merania silovej interakcie konzoly a vzorky, pomocou ktorých bolo možné určiť sily interakcie medzi jednotlivými atómami s charakteristickými hodnotami na úrovni 10 -9 Newtonov.

Od polovice 80. rokov minulého storočia došlo k prudkému nárastu počtu publikácií týkajúcich sa mikroskopie sondy. Objavilo sa mnoho odrôd SPM, objavilo sa mnoho komerčne dostupných zariadení, boli publikované učebnice mikroskopie sondy, základy SPM sú študované v kurzoch mnohých vysokých škôl.

Mikroskop skenovacej sondy

Najmladším a zároveň sľubným smerom pri štúdiu vlastností povrchu je mikroskopia skenovacej sondy. Sondové mikroskopy majú rekordné rozlíšenie menšie ako 0,1 nm. Môžu merať interakciu medzi povrchom a mikroskopickým hrotom - sondou -, ktorá ho sníma, a zobraziť trojrozmerný obrázok na obrazovke počítača.

Metódy sondovej mikroskopie umožňujú nielen vidieť atómy a molekuly, ale aj na ne pôsobiť. Súčasne, čo je obzvlášť dôležité, je možné objekty študovať nielen vo vákuu (čo je bežné pre elektrónové mikroskopy), ale aj v rôznych plynoch a kvapalinách.

Tunelový mikroskop so sondou bol vynájdený v roku 1981 zamestnancami Výskumného centra firmy IBM G. Binning a H. Rohrera (USA). O päť rokov neskôr dostali za tento vynález Nobelovu cenu.

Binning a Rohrer sa pokúsili navrhnúť prístroj na skúmanie povrchových oblastí menších ako 10 nm. Výsledok prekonal najdivokejšie očakávania: vedcom sa podarilo vidieť jednotlivé atómy, ktorých veľkosť je v priemere iba jeden nanometr. Činnosť skenovacieho tunelového mikroskopu je založená na kvantovo mechanickom jave nazývanom tunelový efekt. Veľmi tenký kovový hrot - záporne nabitá sonda - sa privedie do tesnej blízkosti vzorky, tiež kovovej, pozitívne nabitej. V tom okamihu, keď vzdialenosť medzi nimi dosiahne niekoľko medziatomových vzdialeností, začnú ním voľne prechádzať elektróny - „tunel“: medzerou bude prúdiť prúd.

Ostrá závislosť tunelového prúdu od vzdialenosti hrotu a povrchu vzorky je pre činnosť mikroskopu veľmi dôležitá. S poklesom medzery iba o 0,1 nm sa prúd zvýši asi 10 -krát. Preto aj nepravidelnosti veľkosti atómu spôsobujú citeľné kolísanie veľkosti prúdu.

Na získanie obrazu sonda naskenuje povrch a elektronický systém načíta prúd. Podľa toho, ako sa táto hodnota zmení, sprepitné ide buď dole, alebo hore. Systém teda udržuje konštantnú hodnotu prúdu a trajektória pohybu hrotu sleduje povrchový reliéf, ohýba sa okolo kopcov a priehlbín.

Hrot pohybuje piezoscannerom, čo je manipulátor vyrobený z materiálu, ktorý sa môže meniť pod vplyvom elektrického napätia. Piezoscanner je najčastejšie vo forme trubice s viacerými elektródami, ktoré sa predlžujú alebo ohýbajú a posúvajú sondu v rôznych smeroch na najbližšie tisíciny nanometra.

Informácie o pohybe hrotu sa prevedú na obraz povrchu, ktorý sa na obrazovku vykreslí bod po bode. Plochy rôznych výšok sú kvôli prehľadnosti namaľované rôznymi farbami.

V ideálnom prípade by na konci špičky sondy mal byť jeden stacionárny atóm. Ak je na konci ihly omylom niekoľko výčnelkov, obraz sa môže zdvojnásobiť alebo strojnásobiť. Na odstránenie defektu je ihla vyleptaná v kyseline, čím získava požadovaný tvar.

S pomocou tunelového mikroskopu bolo urobených niekoľko objavov. Napríklad sa zistilo, že atómy na povrchu kryštálu nie sú usporiadané rovnako ako vo vnútri a často tvoria zložité štruktúry.

S tunelovým mikroskopom je možné študovať iba vodivé predmety. Umožňuje však tiež pozorovať tenkovrstvové dielektrikum, ak je umiestnené na povrch vodivého materiálu. A hoci tento efekt ešte nenašiel úplné vysvetlenie, napriek tomu sa úspešne používa na štúdium mnohých organických filmov a biologických predmetov - bielkovín, vírusov.

Možnosti mikroskopu sú veľké. Pomocou ihly mikroskopu sa kresby dokonca nanášajú na kovové platne. Na tento účel sa ako „písací“ materiál používajú oddelené atómy - ukladajú sa na povrch alebo sa z neho odstraňujú. V roku 1991 teda zamestnanci IBM napísali názov svojej spoločnosti - IBM - s xenónovými atómami na povrch niklovej platne. Písmeno „I“ tvorilo iba 9 atómov a písmená „B“ a „M“ - po 13 atómov.

Ďalší krok vo vývoji mikroskopie skenovacej sondy urobili v roku 1986 Binning, Quaith a Gerber. Vytvorili mikroskop atómovej sily. Ak v tunelovom mikroskope hrá rozhodujúcu úlohu ostrá závislosť tunelového prúdu na vzdialenosti medzi sondou a vzorkou, potom v mikroskope atómovej sily je závislosť sily interakcie telies na vzdialenosti medzi nimi rozhodujúci význam.

Sonda mikroskopu atómovej sily je miniatúrna elastická doska - konzola. Navyše je jeden jeho koniec pevný, na druhom konci je hrot sondy vytvorený z pevného materiálu - kremíka alebo nitridu kremíka. Keď sa sonda pohybuje, interakčné sily medzi jej atómami a nerovným povrchom vzorky ohnú platňu. Pohybom sondy tak, aby priehyb zostal konštantný, je možné získať obraz profilu povrchu. Tento spôsob činnosti mikroskopu, nazývaný kontakt, umožňuje s rozlíšením zlomku nanometra merať nielen reliéf, ale aj treciu silu, elasticitu a viskozitu predmetu, ktorý je predmetom skúmania.

Skenovanie v kontakte so vzorkou pomerne často vedie k jeho deformácii a zničeniu. Pôsobenie sondy na povrch môže byť užitočné napríklad pri výrobe mikroobvodov. Sonda však môže ľahko roztrhnúť tenký polymérny film alebo poškodiť baktérie a spôsobiť ich smrť. Aby sa tomu zabránilo, konzola sa nastaví na rezonančné vibrácie v blízkosti povrchu a zaznamenávajú sa zmeny amplitúdy, frekvencie alebo fázy vibrácií spôsobené interakciou s povrchom. Táto metóda vám umožňuje študovať živé mikróby: oscilačná ihla pôsobí na baktériu ako jemná masáž, bez toho, aby spôsobila ujmu, a umožňuje vám sledovať jej pohyb, rast a delenie.

V roku 1987 I. Martin a K. Vikrama-singh (USA) navrhli použiť ako sondovací bod magnetizovanú mikroihlu. Výsledkom je mikroskop s magnetickou silou.

Takýto mikroskop vám umožňuje vidieť jednotlivé magnetické oblasti v materiáli - domény - až do veľkosti 10 nm. Používa sa tiež na supertenzívny záznam informácií vytvorením domén na povrchu filmu pomocou polí ihly a permanentného magnetu. Takéto nahrávanie je stonásobne hustejšie ako na moderných magnetických a optických diskoch.

Na svetovom trhu s mikromechanikou, kde pôsobia takí giganti ako IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joil, Digital Instruments, je miesto aj pre Rusko. Hlas malej spoločnosti MDT zo Zelenogradu pri Moskve je počuť stále hlasnejšie.

"Skopírujme na tanier, 10 -krát menší ako ľudský vlas, skalnú kresbu, ktorú vytvorili naši vzdialení predkovia," navrhuje hlavný technológ Denis Shabratov. - Počítač ovláda „kefu“, sondu - ihlu dlhú 15 mikrónov s priemerom stotín mikrónu. Ihla sa pohybuje po „pavučine“ a tam, kde sa dotkne, sa objaví škvrna veľkosti atómu. Na displeji sa postupne objavuje jeleň a za ním jazdci. “

MDT je ​​jediným výrobcom sondových mikroskopov a sond samotných v krajine. Je jednou zo štyroch svetových líderiek. Výrobky firmy sa kupujú v USA, Japonsku a Európe.

A všetko to začalo tým, že Denis Shabratov a Arkady Gologanov, mladí inžinieri jedného z krízových ústavov Zelenograd, ktorí premýšľali, ako žiť, si vybrali mikromechaniku. Nie bez dôvodu to považovali za najsľubnejší smer.

"Nečakali sme, že by sme museli konkurovať silným konkurentom," spomína Gologanov. - Naše zariadenie je samozrejme nižšie ako dovezené, ale na druhej strane nás robí zložitými, používajte mozog. A horšie na tom s nami rozhodne nie sú. A ochoty orať je viac než dosť. Pracovali sme dni, sedem dní v týždni. Najťažšie nebolo ani vyrobiť superminiatúrnu sondu, ale predať ju. Vieme, že ten náš je najlepší na svete, kričíme na neho na internete, bombardujeme klientov faxmi, jedným slovom, kopeme do nôh ako tá žaba - nulová pozornosť. “

Keď sa dozvedeli, že jeden z lídrov vo výrobe mikroskopov, japonská spoločnosť Joil, hľadá ihly veľmi zložitého tvaru, uvedomili si, že to je ich šanca. Objednávka stála veľa úsilia a nervov, ale dostala sa do značnej miery. Ale peniaze neboli to hlavné - teraz mohli nahlas oznámiť: slávny „Joyle“ je naším zákazníkom. Podobne takmer rok a pol MDT vyrába bezplatné špeciálne sondy pre americký národný inštitút pre štandardy a technológie. A v zozname klientov sa objavilo nové veľké meno.

"Teraz je tok objednávok taký, že už nemôžeme uspokojovať všetkých," hovorí Shabratov. - Bohužiaľ, toto je špecifikum Ruska. Skúsenosti ukazujú, že má pre nás zmysel vyrábať také vedecky náročné výrobky v malých dávkach, pričom sériová výroba by mala byť zavedená v zahraničí, kde nedochádza k prerušeniu dodávok, ich nízkej kvalite a možnosti subdodávateľov. “

Vznik mikroskopie skenovacej sondy sa úspešne zhodoval so začiatkom rýchleho rozvoja počítačovej technológie, čo otvorilo nové možnosti použitia sondových mikroskopov. V roku 1998 Centrum pre pokročilé technológie (Moskva) vytvorilo model mikroskopu skenovacej sondy „FemtoScan-001“, ktorý je ovládaný aj prostredníctvom internetu. Teraz kdekoľvek na svete bude výskumník schopný pracovať s mikroskopom a každý, kto chce - „nazrieť“ do mikrosveta bez toho, aby opustil počítač.

Dnes sa tieto mikroskopy používajú iba vo vedeckom výskume. S ich pomocou sa dosiahnu najsenzačnejšie objavy v genetike a medicíne a vytvoria sa materiály s úžasnými vlastnosťami. V blízkej budúcnosti sa však očakáva prielom, predovšetkým v medicíne a mikroelektronike. Objavia sa mikroboti, ktorí dodávajú lieky priamo do chorých orgánov prostredníctvom ciev, a vytvoria sa miniatúrne superpočítače.

Z knihy 100 veľkých vynálezov Autor Ryzhov Konstantin Vladislavovič

28. MIKROSKOP Približne v rovnakom čase, keď sa začalo skúmanie vesmíru pomocou teleskopov, boli urobené prvé pokusy odhaliť tajomstvá mikrosveta pomocou šošoviek. Je známe, že malé objekty, aj keď sú dobre osvetlené, vysielajú lúč tiež slabý na oko

Z knihy Veľkej sovietskej encyklopédie (IO) autorky TSB

Z knihy Veľkej sovietskej encyklopédie (MI) autorky TSB

Z knihy Veľkej sovietskej encyklopédie (TE) autorky TSB

Z knihy Veľkej sovietskej encyklopédie (EL) autorky TSB

Z knihy Všetko o všetkom. Zväzok 2 autor Likum Arkady

Z knihy Sovietsky satirický lis 1917-1963 Autor Stykalin Sergej Iľjič

Z knihy 100 známych vynálezov Autor Prištinský Vladislav Leonidovič

Z knihy Veľká encyklopédia technológie Autor Tím autorov

Kto vynašiel mikroskop? Slovo „mikroskop“ je gréckeho pôvodu: prvá časť znamená „malý“, druhá - „pozorovateľ“. „Mikroskop“ je teda pozorovateľom niečoho veľmi malého. Je to nástroj používaný na skúmanie drobných predmetov, nie

Z knihy Kto je kto vo svete objavov a vynálezov Autor Sitnikov Vitalij Pavlovič

* MICROSCOPE Satirický časopis. Bola uverejnená v Novo-Nikolaevsku (teraz Novosibirsk) v roku 1922 (Zdroj: „Sibírska sovietska encyklopédia“, zv. I, s.

Z autorskej knihy

Z autorskej knihy

Mikroskop Mikroskop je optické zariadenie určené na získanie zväčšených obrazov akýchkoľvek predmetov alebo detailov štruktúry týchto predmetov, ktoré nie sú viditeľné voľným okom. Mikroskop je vo všeobecnosti systém pozostávajúci z dvoch šošoviek, ale

Z autorskej knihy

Röntgenový mikroskop Röntgenový mikroskop je zariadenie, ktoré pomocou röntgenového žiarenia skúma mikroskopickú štruktúru a štruktúru objektu. Röntgenový mikroskop má vyšší limit rozlíšenia ako svetelný mikroskop, pretože

Z autorskej knihy

Iónový mikroskop Iónový mikroskop je zariadenie, ktoré pomocou zväzku iónov získava obrazy z plynového výboja alebo zdroja termo-iónov. Princíp činnosti iónového mikroskopu je podobný elektrónovému mikroskopu. Prechádzajúc objektom a

Z autorskej knihy

Mikroskop Mikroskop je optické zariadenie, ktoré vám umožňuje získať obrazy predmetov, ktoré sú pre ozbrojené oko neviditeľné. Slúži na pozorovanie mikroorganizmov, buniek, kryštálov, zliatinových štruktúr s presnosťou 0,20 mikrónu. Toto rozlíšenie mikroskopu je najmenšie

Z autorskej knihy

Kto vynašiel mikroskop? Slovo „mikroskop“ je gréckeho pôvodu: prvá časť znamená „malý“, druhá - „pozorovateľ“. „Mikroskop“ je teda pozorovateľom niečoho veľmi malého. Je to nástroj používaný na skúmanie drobných predmetov, nie