Cvičení: Mikroskopie skenovací sondou. Rastrovací sondový mikroskop Současný stav a vývoj rastrovací sondové mikroskopie

Úvod

V současnosti se rychle rozvíjí vědeckotechnický směr – nanotechnologie, pokrývající široké spektrum jak základního, tak aplikovaného výzkumu. Jedná se o zcela novou technologii, která dokáže vyřešit problémy v tak různorodých oblastech, jako jsou komunikace, biotechnologie, mikroelektronika a energetika. Dnes více než stovka mladých společností vyvíjí nanotechnologické produkty, které vstoupí na trh v příštích dvou až třech letech.

Nanotechnologie se stanou předními technologiemi 21. století a přispějí k rozvoji ekonomiky a sociální sféry společnosti, mohou se stát předpokladem nové průmyslové revoluce. V předchozích dvou stech letech bylo dosaženo pokroku v průmyslové revoluci za cenu asi 80 % pozemských zdrojů. Nanotechnologie výrazně sníží objem spotřeby zdrojů a nebudou vyvíjet tlak na životní prostředí, budou hrát vůdčí roli v životě lidstva, protože například počítač se stal nedílnou součástí života lidí.

Pokrok v nanotechnologiích podnítil rozvoj experimentálních metod výzkumu, z nichž nejinformativnější jsou metody rastrovací sondové mikroskopie, za jejichž vynález a rozšíření svět vděčí zejména laureátům Nobelovy ceny z roku 1986 – profesoru Heinrichu Rohrerovi a Dr. Gerd Binnig.

Svět byl fascinován objevem tak jednoduchých metod vizualizace atomů a dokonce i schopností s nimi manipulovat. Mnoho výzkumných skupin začalo navrhovat podomácku vyrobená zařízení a experimentovat v tomto směru. V důsledku toho se zrodila řada vhodných schémat zařízení, byly navrženy různé metody pro vizualizaci výsledků interakce sonda-povrch, jako jsou: mikroskopie laterální síly, mikroskopie magnetické síly, mikroskopie pro záznam magnetických, elektrostatických a elektromagnetických interakcí. Intenzivně se rozvíjejí metody optické mikroskopie blízkého pole. Byly vyvinuty metody pro řízené, řízené působení v systému sonda-povrch, například nanolitografie – změny nastávají na povrchu působením elektrických, magnetických vlivů, plastických deformací a světla v systému sonda-povrch. Byly vytvořeny technologie pro výrobu sond se zadanými geometrickými parametry, se speciálními povlaky a strukturami pro vizualizaci různých povrchových vlastností.

Rastrovací sondová mikroskopie (SPM) je jednou z výkonných moderních metod pro studium morfologie a lokálních vlastností pevného povrchu s vysokým prostorovým rozlišením. Za posledních 10 let se skenovací sondová mikroskopie vyvinula z exotické techniky dostupné pouze omezenému počtu výzkumných skupin v široce používaný a úspěšně používaný nástroj pro studium povrchových vlastností. V současnosti se téměř žádný výzkum v oblasti povrchové fyziky a tenkovrstvých technologií neobejde bez použití metod SPM. Vývoj rastrovací sondové mikroskopie posloužil také jako základ pro vývoj nových metod v nanotechnologii - technologie vytváření struktur s nanometrovými měřítky.

1. Historické pozadí

Pro pozorování malých objektů vynalezl v 17. století mikroskop Nizozemec Anthony van Leeuwenhoek, který objevil svět mikrobů. Jeho mikroskopy byly nedokonalé a poskytovaly zvětšení 150 až 300krát. Jeho následovníci však toto optické zařízení vylepšili a položili základ mnoha objevům v biologii, geologii a fyzice. Německý optik Ernst Karl Abbe však koncem 19. století (1872) ukázal, že v důsledku difrakce světla se rozlišovací schopnost mikroskopu (tedy minimální vzdálenost mezi objekty, když ještě nesplývají do jednoho) obraz) je omezena vlnovou délkou světla (0,4 - 0,8 µm). Ušetřil tak mnoho úsilí optiků, kteří se pokoušeli vyrobit pokročilejší mikroskopy, ale zklamal biology a geology, kteří ztratili naději na získání přístroje se zvětšením nad 1500x.

Historie vzniku elektronového mikroskopu je nádherným příkladem toho, jak samostatně se rozvíjející oblasti vědy a techniky mohou výměnou získaných informací a spojením úsilí vytvořit nový výkonný nástroj pro vědecký výzkum. Vrcholem klasické fyziky byla teorie elektromagnetického pole, která vysvětlovala šíření světla, vznik elektrických a magnetických polí, pohyb nabitých částic v těchto polích jako šíření elektromagnetických vln. Vlnová optika objasnila fenomén difrakce, mechanismus tvorby obrazu a hru faktorů, které určují rozlišení ve světelném mikroskopu. Za úspěchy na poli teoretické a experimentální fyziky vděčíme objevu elektronu s jeho specifickými vlastnostmi. Tento samostatný a zdánlivě nezávislý vývoj vedl k vytvoření základů elektronové optiky, jejíž jednou z nejdůležitějších aplikací byl vynález EM ve 30. letech 20. století. Za přímý náznak této možnosti lze považovat hypotézu vlnové podstaty elektronu, předloženou v roce 1924 Louisem de Brogliem a experimentálně potvrzenou v roce 1927 K. Davissonem a L. Germerem v USA a J. Thomsonem v Anglii. Byla tedy navržena analogie, která umožnila sestrojit EM podle zákonů vlnové optiky. H. Bush objevil, že elektronické obrazy lze vytvářet pomocí elektrických a magnetických polí. V prvních dvou desetiletích 20. stol byly také vytvořeny potřebné technické předpoklady. Průmyslové laboratoře pracující na katodovém osciloskopu poskytovaly vakuovou technologii, stabilní zdroje vysokého napětí a proudu a dobré elektronové zářiče.

V roce 1931 R. Rudenberg podal patentovou přihlášku na transmisní elektronový mikroskop a v roce 1932 M. Knoll a E. Ruska sestrojili první takový mikroskop, využívající magnetické čočky k zaostřování elektronů. Tento přístroj byl předchůdcem moderního optického transmisního elektronového mikroskopu (OTEM). (Ruska byl za svou práci odměněn tím, že v roce 1986 získal Nobelovu cenu za fyziku.) V roce 1938 postavili Ruska a B. von Borris prototyp průmyslového OPEM pro Siemens-Halske v Německu; tento přístroj nakonec umožnil dosáhnout rozlišení 100 nm. O několik let později A. Prebus a J. Hiller postavili první OPEM s vysokým rozlišením na University of Toronto (Kanada).

Široké možnosti OPEM se ukázaly téměř okamžitě. Jeho průmyslovou výrobu zahájily současně Siemens-Halske v Německu a RCA Corporation v USA. Koncem 40. let 20. století začaly taková zařízení vyrábět další společnosti.

SEM ve své současné podobě vynalezl v roce 1952 Charles Otley. Je pravda, že předběžné verze takového zařízení byly sestrojeny Knollem v Německu ve 30. letech a Zworykinem se zaměstnanci korporace RCA ve 40. letech, ale pouze zařízení Otley mohlo sloužit jako základ pro řadu technických vylepšení, která vyvrcholila v r. zavedení průmyslové verze SEM do výroby v polovině 60. let. Okruh spotřebitelů takového poměrně snadno použitelného zařízení s trojrozměrným obrazem a elektronickým výstupním signálem se rozšířil rychlostí exploze. V současné době existuje dobrá desítka průmyslových výrobců SEM na třech kontinentech a desítky tisíc takových přístrojů používaných v laboratořích po celém světě.V 60. letech byly vyvinuty ultravysokonapěťové mikroskopy pro studium tlustších vzorků. napětí 3,5 milionu voltů bylo uvedeno do provozu v roce 1970. RTM vynalezli G. Binnig a G. Rohrer v Curychu v roce 1979. Toto velmi jednoduché zařízení poskytuje atomové rozlišení povrchů Binnig a Rohrer (současně s Ruskou) obdrželi Nobelovu cenu pro vytvoření RTM.

Skenovací sondový mikroskop vynalezli v roce 1986 Rohrer a Binnig. Od svého vynálezu je STM široce používán vědci různých specializací, pokrývající téměř všechny přírodovědné obory, od základního výzkumu ve fyzice, chemii, biologii až po specifické technologické aplikace. Princip fungování STM je tak jednoduchý a potenciální možnosti jsou tak velké, že ani v blízké budoucnosti nelze předvídat jeho dopad na vědu a techniku.

Jak se později ukázalo, téměř jakoukoli interakci hrotové sondy s povrchem (mechanickou, magnetickou) lze pomocí vhodných přístrojů a počítačových programů převést na obraz povrchu.

Instalace rastrovacího sondového mikroskopu se skládá z několika funkčních bloků znázorněných na Obr. 1. Jedná se za prvé o samotný mikroskop s piezomanipulátorem pro ovládání sondy, tunelovým převodníkem proudu na napětí a krokovým motorem pro přívod vzorku; blok analogově-digitálních a digitálně-analogových převodníků a vysokonapěťových zesilovačů; řídicí jednotka krokového motoru; deska se signálovým procesorem, který vypočítává zpětnovazební signál; počítač, který shromažďuje informace a poskytuje uživatelské rozhraní. Konstrukčně je jednotka DAC a ADC instalována ve stejném krytu s řídicí jednotkou krokového motoru. Deska se signálovým procesorem (DSP - Digital Signal Processor) ADSP 2171 od Analog Devices je instalována v rozšiřujícím slotu ISA osobního počítače.

Celkový pohled na mechanický systém mikroskopu je znázorněn na Obr. 2. Mechanický systém zahrnuje základnu s piezomanipulátorem a plynulým systémem podávání vzorku na krokovém motoru s převodovkou a dvěma odnímatelnými měřicími hlavami pro provoz v režimech skenovacího tunelování a mikroskopie atomárních sil. Mikroskop umožňuje získat stabilní atomové rozlišení na tradičních testovacích površích bez použití dalších seismických a akustických filtrů.

2. Princip činnosti rastrovacích sondových mikroskopů

U rastrovacích sondových mikroskopů se studium povrchového mikroreliéfu a jeho lokálních vlastností provádí pomocí speciálně připravených sond ve formě jehel. Pracovní část takových sond (hrot) je velká asi deset nanometrů. Charakteristická vzdálenost mezi sondou a povrchem vzorku v mikroskopech sondy je řádově 0,1 – 10 nm. Provoz sondových mikroskopů je založen na různých typech interakce mezi sondou a povrchem. Provoz tunelového mikroskopu je tedy založen na fenoménu tunelovacího proudu protékajícího mezi kovovou jehlou a vodivým vzorkem; různé typy silových interakcí jsou základem fungování mikroskopů atomární síly, magnetické síly a elektrické síly. Podívejme se na společné rysy, které jsou vlastní různým sondovým mikroskopům. Nechť je interakce sondy s povrchem charakterizována nějakým parametrem P. Pokud existuje dostatečně ostrá a přímá závislost parametru P na vzdálenosti sondy-vzorek, pak lze tento parametr použít k organizaci zpětné vazby. systém (FS), který řídí vzdálenost mezi sondou a vzorkem. Na Obr. 3 schematicky znázorňuje obecný princip organizace zpětné vazby SPM.

Zpětnovazební systém udržuje hodnotu parametru Р konstantní, rovnou hodnotě určené operátorem. Pokud se změní vzdálenost sondy-povrch, změní se parametr P. V systému OS je generován rozdílový signál, který je úměrný hodnotě ΔP = P - P, který je zesílen na požadovanou hodnotu a přiváděn do ovládacího prvku IE. Ovládací prvek zpracovává tento rozdílový signál přiblížením sondy k povrchu nebo jejím oddálením, dokud rozdílový signál nebude nulový. tímto způsobem může být vzdálenost sonda-vzorek udržována s velkou přesností. Když se sonda pohybuje po povrchu vzorku, mění se interakční parametr P v důsledku topografie povrchu. Systém OS tyto změny zpracovává tak, že když se sonda pohybuje v rovině X, Y, signál na ovládacím prvku se ukáže jako úměrný topografii povrchu. K získání obrazu SPM se provádí speciálně organizovaný proces skenování vzorku. Při skenování se sonda nejprve pohybuje nad vzorkem po určité linii (liniové skenování), přičemž hodnota signálu na akčním prvku, úměrná topografii povrchu, je zaznamenávána do paměti počítače. Poté se sonda vrátí do výchozího bodu a přejde na další skenovací řádek (skenování snímku) a proces se znovu opakuje. Takto zaznamenaný zpětnovazební signál při skenování je zpracován počítačem a následně je pomocí počítačové grafiky zkonstruován SPM obraz topografie povrchu. Spolu se studiem topografie povrchu umožňují sondové mikroskopy studovat různé vlastnosti povrchu: mechanické, elektrické, magnetické, optické a další.

3. Skenovací prvky (skenery) sondových mikroskopů

3.1 Skenovací prvky

Pro provoz sondových mikroskopů je nutné řídit pracovní vzdálenost sonda-vzorek a pohybovat sondou v rovině vzorku s vysokou přesností (na úrovni zlomků angstromu). Tento problém je řešen pomocí speciálních manipulátorů - snímacích prvků (skenerů). Skenovací prvky sondových mikroskopů jsou vyrobeny z piezoelektrik, materiálů s piezoelektrickými vlastnostmi. Piezoelektrika mění své rozměry ve vnějším elektrickém poli. Rovnice pro inverzní piezoelektrický jev pro krystaly je zapsána takto:

kde u je tenzor deformace, E jsou složky elektrického pole a d jsou složky tenzoru piezoelektrického koeficientu. Tvar tenzoru piezoelektrického koeficientu je určen typem krystalové symetrie.

V různých technických aplikacích se široce používají měniče vyrobené z piezokeramických materiálů. Piezokeramika je polarizovaný polykrystalický materiál získaný slinováním prášků z krystalických feroelektrik. Polarizace keramiky se provádí následovně. Keramika se zahřeje nad Curieovu teplotu (u většiny piezokeramiky je tato teplota nižší než 300 °C) a poté se pomalu ochladí v silném (asi 3 kV/cm) elektrickém poli. Po ochlazení má piezokeramika indukovanou polarizaci a získává schopnost měnit své rozměry (zvětšovat nebo zmenšovat v závislosti na vzájemném směru vektoru polarizace a vektoru vnějšího elektrického pole).

Trubkové piezoelektrické prvky jsou široce používány v mikroskopii rastrovací sondou (obr. 4). Umožňují získat dostatečně velké posuny objektů při relativně malých řídicích napětích. Trubkové piezoelektrické prvky jsou duté tenkostěnné válce vyrobené z piezokeramických materiálů. Obvykle jsou elektrody ve formě tenkých kovových vrstev uloženy na vnějším a vnitřním povrchu trubice, zatímco konce trubice zůstávají nepotaženy.

Vlivem rozdílu potenciálů mezi vnitřní a vnější elektrodou mění trubice své délkové rozměry. V tomto případě lze podélnou deformaci působením radiálního elektrického pole zapsat jako:

kde l je délka trubky v nedeformovaném stavu. Absolutní prodloužení piezotrubice je

kde h je tloušťka stěny piezotrubice, V je rozdíl potenciálů mezi vnitřní a vnější elektrodou. Při stejném napětí V bude tedy prodloužení trubice tím větší, čím větší bude její délka a čím menší bude tloušťka stěny.

Spojení tří trubic do jednoho uzlu umožňuje organizovat přesné pohyby mikroskopické sondy ve třech vzájemně kolmých směrech. Takový snímací prvek se nazývá stativ.

Nevýhodou takového skeneru je složitost výroby a silná asymetrie designu. K dnešnímu dni jsou skenery založené na jediném trubicovém prvku nejrozšířenější v mikroskopii skenovací sondy. Celkový pohled na tubulární skener a rozmístění elektrod je znázorněno na Obr. 5. Materiál trubice má radiální směr polarizačního vektoru.

Vnitřní elektroda je obvykle pevná. Vnější elektroda skeneru je rozdělena podél tvořících přímek válce na čtyři sekce. Když jsou protifázová napětí aplikována na protilehlé části vnější elektrody (vzhledem k vnitřní), trubicová část se smrští v místě, kde se směr pole shoduje se směrem polarizace, a tam, kde jsou směrována v opačných směrech, dojde k prodloužení. To způsobí, že se trubka ohne v příslušném směru. Skenování se tedy provádí v rovině X, Y. Změna potenciálu vnitřní elektrody vzhledem ke všem vnějším úsekům vede k prodloužení nebo kontrakci trubice podél osy Z. Je tedy možné uspořádat tři -souřadnicový skener založený na jedné piezotrubce. Skutečné snímací prvky mají často složitější konstrukci, ale principy jejich fungování zůstávají stejné.

Široce používané jsou také snímače založené na bimorfních piezoelektrických prvcích. Bimorf jsou dvě piezoelektrické destičky slepené dohromady tak, že polarizační vektory v každé z nich směřují opačným směrem (obr. 6). Pokud je na bimorfní elektrody přivedeno napětí, jak je znázorněno na Obr. 6, pak se jedna z desek roztáhne a druhá se smrští, což povede k ohnutí celého prvku. V reálných návrzích bimorfních prvků vzniká rozdíl potenciálů mezi vnitřní společnou a vnější elektrodou tak, že v jednom prvku se pole shoduje se směrem polarizačního vektoru a ve druhém směřuje opačně.

Bimorfní ohýbání za působení elektrických polí je základem pro provoz bimorfních piezoskenerů. Spojením tří bimorfních prvků v jedné konstrukci je možné realizovat stativ na bimorfních prvcích.

Pokud jsou vnější elektrody bimorfního prvku rozděleny do čtyř sektorů, pak je možné organizovat pohyb sondy po ose Z a v rovině X, Y na jednom bimorfním prvku (obr. 7).

Aplikací protifázových napětí na protilehlé páry sekcí vnějších elektrod je skutečně možné ohnout bimorf tak, že se sonda bude pohybovat v rovině X, Y (obr. 7 (a, b)). A změnou potenciálu vnitřní elektrody vůči všem úsekům vnějších elektrod je možné bimorf ohnout pohybem sondy ve směru Z (obr. 7 (c, d)).

3.2 Nelinearita piezokeramiky

Přes řadu technologických výhod oproti krystalům má piezokeramika některé nevýhody, které nepříznivě ovlivňují činnost snímacích prvků. Jednou z takových nevýhod je nelinearita piezoelektrických vlastností. Na Obr. 8 je jako příklad znázorněna závislost posunutí piezotrubice ve směru Z na velikosti působícího pole. V obecném případě (zejména u vysokých řídicích polí) se piezokeramika vyznačuje nelineární závislostí deformací na poli (nebo na řídicím napětí).

Deformace piezokeramiky je tedy komplexní funkcí vnějšího elektrického pole:

Pro malá kontrolní pole může být tato závislost znázorněna v následující podobě:

u = d* E+ α* E*E+…

kde d a α jsou lineární a kvadratické moduly piezoelektrického jevu.

Typické hodnoty polí E, při kterých se začínají projevovat nelineární efekty, jsou řádově 100 V/mm. Proto se pro správnou funkci snímacích prvků obvykle používají kontrolní pole v oblasti linearity keramiky (E< Е) .

rastrovací sonda elektronový mikroskop

3.3 Piezokeramické tečení a piezokeramická hystereze

Další nevýhodou piezokeramiky je tzv. creep (creep - creep) - zpoždění odezvy na změnu velikosti řídicího elektrického pole.

Creep vede ke geometrickým deformacím spojeným s tímto efektem u snímků SPM. Dotvarování je zvláště silné, když jsou skenery přivedeny do daného bodu pro místní měření a v počátečních fázích procesu skenování. Pro snížení vlivu keramického tečení se v těchto procesech uplatňují časové prodlevy, které umožňují částečně kompenzovat zpoždění skeneru.

Další nevýhodou piezokeramiky je nejednoznačnost závislosti prodloužení na směru změny elektrického pole (hystereze).

To vede k tomu, že při stejných řídicích napětích je piezokeramika v různých bodech trajektorie v závislosti na směru pohybu. Pro vyloučení zkreslení snímků SPM v důsledku hystereze piezokeramiky je při snímání vzorků zaznamenávána informace pouze na jedné z větví závislosti .

4. Zařízení pro přesný pohyb sondy a vzorku

4.1 Mechanické převodovky

Jedním z důležitých technických problémů v mikroskopii se skenovací sondou je potřeba přesného pohybu sondy a vzorku za účelem vytvoření pracovní mezery mikroskopu a výběru oblasti povrchu, který má být studován. K vyřešení tohoto problému se používají různé typy zařízení, které pohybují předměty s vysokou přesností. Hojně se používají různé mechanické převodovky, u kterých hrubý pohyb prvotního pohonu odpovídá jemnému pohybu posouvaného předmětu. Způsoby snížení posunů mohou být různé. Široce se používají páková zařízení, u kterých se snížení množství pohybu provádí v důsledku rozdílu v délce ramen pák. Schéma pákové převodovky je na Obr. 9.

Mechanická páka umožňuje dosáhnout snížení zdvihu pomocí koeficientu

Čím větší je tedy poměr ramene L k ramenu l, tím přesněji je možné řídit proces přibližování sondy a vzorku.

Také v návrzích mikroskopů se hojně využívají mechanické převodovky, u kterých se redukce posuvů dosahuje díky rozdílu součinitelů tuhosti dvou elastických prvků zapojených do série (obr. 10). Konstrukce se skládá z tuhé základny, pružiny a elastického nosníku. Tuhost pružiny k a pružného nosníku K se volí tak, aby byla splněna následující podmínka: k< K .

Redukční faktor se rovná poměru koeficientů tuhosti pružných prvků:

Čím větší je tedy poměr tuhosti paprsku k tuhosti pružiny, tím přesněji lze řídit posun pracovního prvku mikroskopu.

4.2 Krokové motory

Krokové motory (SHED) jsou elektromechanická zařízení, která převádějí elektrické impulsy na diskrétní mechanické pohyby. Důležitou výhodou krokových motorů je, že poskytují jednoznačnou závislost polohy rotoru na vstupních proudových impulsech, takže úhel natočení rotoru je dán počtem řídicích impulsů. V SHEDu je točivý moment generován magnetickými toky generovanými póly statoru a rotoru, které jsou vůči sobě vhodně orientovány.

Nejjednodušší konstrukce jsou motory s permanentními magnety. Skládají se ze statoru, který má vinutí a rotoru s permanentními magnety. Na Obr. 11 ukazuje zjednodušenou konstrukci krokového motoru.

Střídavé póly rotoru mají přímočarý tvar a jsou rovnoběžné s osou motoru. Motor zobrazený na obrázku má 3 páry pólů rotoru a 2 páry pólů statoru. Motor má 2 nezávislá vinutí, z nichž každé je navinuto na dvou protilehlých pólech statoru. zobrazený motor má velikost kroku 30 stupňů. Když je proud zapnutý v jednom z vinutí, rotor má tendenci zaujmout polohu, ve které jsou opačné póly rotoru a statoru proti sobě. Pro nepřetržité otáčení je třeba střídavě zapínat vinutí.

V praxi se používají krokové motory, které mají složitější konstrukci a poskytují od 100 do 400 kroků na otáčku rotoru. Pokud je takový motor spárován se závitovým připojením, pak je při stoupání závitu cca 0,1 mm zajištěna přesnost polohování předmětu cca 0,25 - 1 mikron. Pro zvýšení přesnosti se používají přídavné mechanické převodovky. Možnost elektrického ovládání umožňuje efektivně využít SHED v automatizovaných systémech pro přiblížení sondy a vzorku rastrovacích sondových mikroskopů.

4.3 Piezo krokové motory

Požadavky na dobrou izolaci zařízení od vnějších vibrací a potřeba provozovat sondové mikroskopy ve vakuu kladou vážná omezení na použití čistě mechanických zařízení pro pohyb sondy a vzorku. V tomto ohledu jsou v sondových mikroskopech široce používána zařízení na bázi piezoelektrických měničů, které umožňují dálkové ovládání pohybu objektů.

Jedno z provedení krokového inerciálního piezoelektrického motoru je znázorněno na Obr. 12. Toto zařízení obsahuje základnu (1), na které je upevněna piezoelektrická trubice (2). Trubice má na vnějším a vnitřním povrchu elektrody (3). Na konci trubky je upevněna dělená pružina (4), což je válec se samostatnými pružnými plátky. Držák předmětu (5) je instalován v pružině - poměrně masivní válec s leštěným povrchem. Přemisťovaný předmět lze k držáku připevnit pomocí pružiny nebo převlečné matice, což umožňuje zařízení pracovat v libovolné orientaci v prostoru.

Zařízení funguje následovně. Pro pohyb držáku předmětu ve směru osy Z se na elektrody piezotrubice přivádí pilové pulzní napětí (obr. 13).

Na ploché hraně pilového napětí se trubka plynule prodlužuje nebo smršťuje v závislosti na polaritě napětí a její konec je spolu s pružinou a držákem předmětu posunut o vzdálenost:

V okamžiku uvolnění pilového napětí se trubka vrátí do své původní polohy se zrychlením a, které má zpočátku maximální hodnotu:

kde ω je rezonanční frekvence podélných kmitů elektronky. Když podmínka F< ma (m – масса держателя объекта, F - сила трения между держателем объекта и разрезной пружиной), держатель объекта, в силу своей инерционности, проскальзывает относительно разрезной пружины. В результате держатель объекта перемещается на некоторый шаг К Δl относительно исходного положения. Коэффициент К определяется соотношением масс деталей конструкции и жесткостью разрезной пружины. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходит изменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразные напряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещать объект в пространстве и производить сближение зонда и образца в сканирующем зондовом микроскопе .

5. Ochrana sondových mikroskopů před vnějšími vlivy

5.1 Ochrana proti vibracím

K ochraně zařízení před vnějšími vibracemi se používají různé typy systémů pro izolaci vibrací. Obvykle je lze rozdělit na pasivní a aktivní. Hlavní myšlenka pasivních vibračních izolačních systémů je následující. Amplituda vynucených kmitů mechanického systému rychle klesá s nárůstem rozdílu mezi frekvencí budící síly a vlastní rezonanční frekvencí systému (typická amplitudově-frekvenční charakteristika (AFC) oscilačního systému je znázorněna na Obr. Obr. 14).

Vnější vlivy s frekvencemi ω > ω proto nemají na oscilační systém prakticky znatelný vliv. Pokud je tedy měřicí hlavice sondového mikroskopu umístěna na plošině izolující vibrace nebo na elastickém závěsu (obr. 15), pak do systému budou přecházet pouze vnější vibrace s frekvencemi blízkými rezonanční frekvenci systému izolující vibrace. tělo mikroskopu. Vzhledem k tomu, že vlastní frekvence hlavic SPM jsou 10–100 kHz, je možné volbou dostatečně nízké rezonanční frekvence systému izolace vibrací (řádově 5–10 Hz) zařízení účinně chránit před vnějšími vibracemi. Za účelem tlumení oscilací na vlastních rezonančních frekvencích se do systémů izolujících vibrace zavádějí disipativní prvky s viskózním třením.

Aby byla zajištěna účinná ochrana, je tedy nutné, aby rezonanční frekvence systému izolace vibrací byla co nejnižší. V praxi je však obtížné realizovat velmi nízké frekvence.

K ochraně hlav SPM se úspěšně používají aktivní systémy pro potlačení vnějších vibrací. Takovými zařízeními jsou elektromechanické systémy s negativní zpětnou vazbou, která zajišťuje stabilní polohu vibrační izolační plošiny v prostoru (obr. 16) .

5.2 Ochrana proti akustickému hluku

Dalším zdrojem vibrací konstrukčních prvků sondových mikroskopů je akustický hluk různého charakteru.

Charakteristickým rysem akustické interference je, že akustické vlny přímo ovlivňují konstrukční prvky hlavic SPM, což vede k vibracím sondy vzhledem k povrchu studovaného vzorku. K ochraně SPM před akustickým rušením se používají různé ochranné krytky, které výrazně snižují úroveň akustického rušení v oblasti pracovní mezery mikroskopu. Nejúčinnější ochranou proti akustickému rušení je umístění měřicí hlavice sondového mikroskopu do vakuové komory (obr. 17) .

5.3 Stabilizace tepelného driftu polohy sondy nad povrchem

Jedním z důležitých problémů SPM je problém stabilizace polohy sondy nad povrchem zkoumaného vzorku. Hlavním zdrojem nestability polohy sondy je změna okolní teploty nebo zahřívání konstrukčních prvků mikroskopu sondy při jeho činnosti. Změna teploty pevné látky vede ke vzniku termoelastických deformací. Takové deformace mají velmi významný vliv na činnost sondových mikroskopů. Pro snížení tepelného driftu se používá regulace teploty měřicích hlavic SPM nebo jsou do konstrukce hlavic zavedeny teplotní kompenzační prvky. Myšlenka tepelné kompenzace je následující. Jakýkoli návrh SPM může být reprezentován jako soubor prvků s různými koeficienty tepelné roztažnosti (obr. 18 (a)).

Pro kompenzaci tepelného driftu jsou do konstrukce měřicích hlavic SPM zavedeny kompenzační prvky s různými koeficienty roztažnosti, takže je splněna podmínka, že součet teplotních roztažností v různých ramenech konstrukce je roven nule:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Nejjednodušší způsob, jak snížit tepelný drift polohy sondy podél osy Z, je zavést do konstrukce SPM kompenzační prvky vyrobené ze stejného materiálu a se stejnými charakteristickými rozměry jako hlavní konstrukční prvky (obr. 18 (b)). Při změně teploty tohoto provedení bude posunutí sondy ve směru Z minimální. Pro stabilizaci polohy sondy v rovině X, Y jsou měřicí hlavy mikroskopů vyrobeny ve formě osově symetrických struktur.

6. Tvorba a zpracování snímků SPM

6.1 Proces skenování

Proces povrchového skenování v mikroskopu se skenovací sondou je podobný pohybu elektronového paprsku přes obrazovku v televizní katodové trubici. Sonda se pohybuje po přímce (přímce), nejprve vpřed a poté v opačném směru (snímání řádků) a poté se přesune na další řádek (snímání snímku) (obr. 19). Pohyb sondy se provádí pomocí skeneru v malých krocích za působení pilového napětí generovaného digitálně-analogovými převodníky. Registrace informací o topografii povrchu se provádí zpravidla na přímém průjezdu.

Informace získané pomocí rastrovacího sondového mikroskopu jsou uloženy jako SPM rámec - dvourozměrné pole celých čísel a (matice). Fyzický význam těchto čísel je určen hodnotou, která byla digitalizována během procesu skenování. Každá hodnota dvojice indexů ij odpovídá určitému bodu povrchu uvnitř snímacího pole. Souřadnice povrchových bodů se vypočítají jednoduchým vynásobením odpovídajícího indexu vzdáleností mezi body, ve kterých byla informace zaznamenána.

Rámce SPM jsou zpravidla čtvercové matice o velikosti 2 (hlavně 256x256 a 512x512 prvků). Vizualizace snímků SPM se provádí pomocí počítačové grafiky, především ve formě trojrozměrných (3D) a dvourozměrných jasových (2D) obrázků. Ve 3D vizualizaci je obraz povrchu vytvořen v axonometrické perspektivě pomocí pixelů nebo čar. Kromě toho se používají různé způsoby zvýraznění pixelů odpovídajících různým výškám povrchového reliéfu. Nejúčinnějším způsobem kolorizace 3D snímků je simulace podmínek osvětlení povrchu bodovým zdrojem umístěným v nějakém bodě prostoru nad povrchem (obr. 20). V tomto případě je možné zdůraznit drobné nerovnosti reliéfu. Také pomocí počítačového zpracování a grafiky je implementováno škálování a rotace 3D SPM snímků. Při 2D vykreslování je každému bodu na povrchu přiřazena barva. Nejpoužívanější jsou přechodové palety, ve kterých je vybarvení obrazu provedeno tónem určité barvy v souladu s výškou povrchového bodu.

Lokální měření SPM je zpravidla spojeno s registrací závislostí studovaných veličin na různých parametrech. Jde například o závislosti velikosti elektrického proudu kontaktem sonda-plocha na přiloženém napětí, závislosti různých parametrů silové interakce mezi sondou a povrchem na vzdálenosti sonda-vzorek atd. informace jsou uloženy ve formě vektorových polí nebo ve formě matic 2 x N. Pro jejich vizualizaci Software mikroskopu poskytuje sadu standardních nástrojů pro zobrazování grafů funkcí.

6.2 Metody konstrukce a zpracování obrázků

Při studiu vlastností objektů pomocí rastrovací sondové mikroskopie jsou hlavním výsledkem vědeckého výzkumu zpravidla trojrozměrné snímky povrchu těchto objektů. Přiměřenost interpretace snímků závisí na kvalifikaci specialisty. Zároveň se při zpracování a stavbě snímků používá řada tradičních technik, na které byste si při analýze snímků měli dát pozor. Rastrovací sondový mikroskop se objevil v době intenzivního rozvoje výpočetní techniky. Proto při záznamu trojrozměrných obrazů využíval metody digitálního ukládání informací vyvinuté pro počítače. To vedlo k významnému pohodlí při analýze a zpracování obrazu, ale musela být obětována fotografická kvalita vlastní metodám elektronové mikroskopie. Informace získané pomocí sondového mikroskopu jsou v počítači reprezentovány ve formě dvourozměrné matice celých čísel. Každé číslo v této matici, v závislosti na režimu skenování, může být hodnotou tunelového proudu, nebo hodnotou výchylky nebo hodnotou nějaké složitější funkce. Pokud tuto matrici ukážete osobě, nebude schopen získat žádnou ucelenou představu o studovaném povrchu. Prvním problémem je tedy převést čísla do čitelné podoby. To se provádí následujícím způsobem. Čísla v původní matici leží v určitém rozmezí, existují minimální a maximální hodnoty. Tomuto rozsahu celých čísel je přiřazena paleta barev. Každá hodnota matice je tedy mapována na bod určité barvy na obdélníkovém obrázku. Řádek a sloupec obsahující tuto hodnotu se stanou souřadnicemi bodu. Ve výsledku získáme obrázek, na kterém je například barevně přenesena výška povrchu – jako na geografické mapě. Jenže na mapě se většinou používají jen desítky barev a na našem obrázku jsou jich stovky a tisíce. Pro usnadnění vnímání by body, které jsou blízko na výšku, měly být přenášeny v podobných barvách. Může se ukázat, a zpravidla se to stává vždy, že rozsah počátečních hodnot je větší než počet možných barev. V tomto případě dochází ke ztrátě informací a zvýšení počtu barev není východiskem, protože schopnosti lidského oka jsou omezené. Je vyžadováno další zpracování informací a v závislosti na úkolech by se zpracování mělo lišit. Někteří lidé potřebují vidět celý obrázek, zatímco jiní chtějí vidět detaily. Používají se k tomu různé metody.

6.3 Odečtení konstantního sklonu

Snímky povrchu pořízené sondovými mikroskopy mívají obecný sklon. To může být způsobeno několika důvody. Za prvé, sklon se může objevit kvůli nepřesnému umístění vzorku vzhledem k sondě; za druhé, může být spojen s teplotním posunem, který vede k posunutí sondy vzhledem ke vzorku; za třetí, může to být způsobeno nelinearitou pohybů piezoskeneru. Velké množství využitelného prostoru v rámu SPM je vynaloženo na zobrazení náklonu, takže malé detaily obrazu se stanou neviditelnými. K odstranění této nevýhody se provádí operace odečítání konstantního sklonu. K tomu je v první fázi nalezena aproximační rovina metodou nejmenších čtverců

Р(х,y), která má minimální odchylky od topografie povrchu Z = f(x,y), pak se tato rovina odečte od snímku SPM. Odčítání je účelné provádět různými způsoby v závislosti na povaze sklonu.

Pokud je naklonění na snímku SPM způsobeno nakloněním vzorku vůči vzorku sondy, pak je vhodné otočit rovinu o úhel odpovídající úhlu mezi normálou k rovině a osou Z; v tomto případě jsou souřadnice plochy Z = f(x,y) transformovány v souladu s transformacemi prostorové rotace. Touto transformací je však možné získat obraz povrchu v podobě vícehodnotové funkce Z = f(x, y). Pokud je sklon způsoben tepelným driftem, pak je postup pro odečítání sklonu redukován na odečtení Z - souřadnic roviny od Z - souřadnic snímku SPM:

Výsledkem je pole s menším rozsahem hodnot a jemné detaily v obraze se projeví ve větším počtu barev a budou viditelnější.

6.4 Odstranění deformací spojených s neideálním skenerem

Nedokonalost vlastností skeneru vede k tomu, že obraz SPM obsahuje řadu specifických zkreslení. Některé nedokonalosti skeneru, jako je nerovnoměrný pohyb skeneru vpřed a vzad (hystereze), dotvarování a nelinearita piezokeramiky jsou kompenzovány hardwarem a volbou optimálních režimů skenování. Navzdory tomu však snímky SPM obsahují zkreslení, která se na hardwarové úrovni obtížně eliminují. Zejména, protože pohyb skeneru v rovině vzorku ovlivňuje polohu sondy nad povrchem, jsou snímky SPM superpozicí skutečného reliéfu a nějakého povrchu druhého (a často vyššího) řádu.

K odstranění tohoto druhu zkreslení se používá metoda nejmenších čtverců k nalezení aproximující plochy druhého řádu Р(x,y), která má minimální odchylky od původní funkce Z = f(x,y), a poté je tato plocha odečteno od původního obrázku SPM:

Další typ zkreslení souvisí s nelinearitou a neortogonalitou pohybů skeneru v rovině X, Y. To vede ke zkreslení geometrických proporcí v různých částech SPM obrazu povrchu. Pro eliminaci takovýchto zkreslení se postup při opravě snímků SPM provádí pomocí souboru korekčních koeficientů, který vzniká při skenování testovacích struktur se známým reliéfem konkrétním skenerem.

6.5 Filtrování obrázků SPM

Šum zařízení (zejména šum vysoce citlivých vstupních zesilovačů), nestabilita kontaktu sonda-vzorek během skenování, vnější akustický šum a vibrace vedou k tomu, že snímky SPM spolu s užitečnými informacemi obsahují šumovou složku. Částečně lze šum snímků SPM odstranit softwarově.

6.6 Mediánové filtrování

Dobré výsledky při odstraňování vysokofrekvenčního náhodného šumu v rámcích SPM se dosahují pomocí mediánové filtrace. Jedná se o nelineární metodu zpracování obrazu, jejíž podstatu lze vysvětlit následovně. Je vybráno okno pracovního filtru skládající se z nxn bodů (pro jednoznačnost vezmeme okno 3 x 3, tj. obsahující 9 bodů (obr. 24)).

V procesu filtrování se toto okno pohybuje po snímku z bodu do bodu a je proveden následující postup. Hodnoty amplitudy obrázku SPM v bodech tohoto okna jsou uspořádány ve vzestupném pořadí a hodnota ve středu seřazeného řádku je umístěna do středového bodu okna. Poté se okno přesune na další bod a postup řazení se opakuje. Silné náhodné odlehlé hodnoty a poklesy v takovém řazení tedy vždy skončí na okraji setříděného pole a nebudou zahrnuty do výsledného (filtrovaného) obrázku. Při tomto zpracování zůstávají na okrajích snímku nefiltrované oblasti, které jsou ve výsledném snímku zahozeny.

6.7 Metody pro obnovu povrchu z jeho SPM obrazu

Jednou z nevýhod všech metod rastrovací sondové mikroskopie je konečná velikost pracovní části použitých sond. To vede k výraznému zhoršení prostorového rozlišení mikroskopů a výraznému zkreslení snímků SPM při snímání povrchů s nerovnostmi reliéfu srovnatelnými s charakteristickými rozměry pracovní části sondy.

Ve skutečnosti je obraz získaný v SPM "konvolucí" sondy a studovaného povrchu. Proces „konvoluce“ tvaru sondy s povrchovým reliéfem je znázorněn na jednorozměrném případě na Obr. 25.

Částečně lze tento problém vyřešit nedávno vyvinutými metodami pro rekonstrukci snímků SPM, založenými na počítačovém zpracování dat SPM, s přihlédnutím ke specifickému tvaru sond. Nejúčinnější metodou rekonstrukce povrchu je metoda numerické dekonvoluce, která využívá experimentálně získaný tvar sondy při skenování testovacích (se známou topografií povrchu) struktur.

Je třeba poznamenat, že úplné obnovení povrchu vzorku je možné pouze při splnění dvou podmínek: sonda se během skenování dotkla všech bodů povrchu a v každém okamžiku se sonda dotkla pouze jednoho bodu povrchu. Pokud se sonda během skenování nedostane na některé oblasti povrchu (např. pokud má vzorek převislé části reliéfu), dojde pouze k částečné obnově reliéfu. Navíc, čím větší počet povrchových bodů se sonda během skenování dotkne, tím spolehlivěji lze povrch rekonstruovat.

V praxi jsou obraz SPM a experimentálně stanovený tvar sondy dvourozměrná pole diskrétních hodnot, pro které je derivace špatně definovanou veličinou. Místo výpočtu derivace diskrétních funkcí v praxi se proto při numerické dekonvoluci snímků SPM používá při skenování s konstantní průměrnou výškou podmínka minimální vzdálenosti mezi sondou a povrchem.

V tomto případě lze výšku povrchového reliéfu v daném bodě brát jako minimální vzdálenost mezi bodem sondy a odpovídajícím bodem povrchu pro danou polohu sondy vzhledem k povrchu. Ve svém fyzikálním významu je tato podmínka ekvivalentní podmínce rovnosti derivací, umožňuje však vyhledávat místa kontaktu sondy s povrchem adekvátnější metodou, což výrazně zkracuje dobu rekonstrukce reliéfu.

Pro kalibraci a určení tvaru pracovní části sond se používají speciální zkušební struktury se známými parametry povrchového reliéfu. Typy nejběžnějších zkušebních struktur a jejich charakteristické obrazy získané pomocí mikroskopu atomárních sil jsou uvedeny na Obr. 26 a Obr. 27.

Špicatá mřížka umožňuje dobré vyrovnání hrotu sondy, zatímco obdélníková mřížka pomáhá přetvářet boční povrch. Kombinací výsledků skenování těchto mřížek je možné zcela obnovit tvar pracovní části sond.

7. Moderní SPM

1) Rastrovací sondový mikroskop SM-300

Navrženo pro studium morfologických vlastností a struktury pórového prostoru. SM-300 (obrázek 28) má vestavěný optický polohovací mikroskop, který eliminuje potřebu nekonečného hledání oblasti zájmu. Barevný optický obraz vzorku s mírným nárůstem je zobrazen na monitoru počítače. Nitkový kříž na optickém snímku odpovídá poloze elektronového paprsku. Pomocí zaměřovacího kříže lze provést rychlé umístění pro definování oblasti zájmu pro rastrovou analýzu.

Rýže. 28. Elektronový mikroskop SPM SM-300. Optická polohovací jednotka je vybavena samostatným počítačem, který zajišťuje její hardwarovou nezávislost na rastrovacím mikroskopu.

SCHOPNOSTI SM-300

Garantované rozlišení 4 nm

Unikátní optický polohovací mikroskop (volitelně)

· Intuitivní software Windows®

Plně počítačem řízený rastrovací mikroskop a zobrazování

Standardní TV výstup s digitálním zpracováním signálu

Počítačové ovládání systému nízkého podtlaku (volitelné)

Všechny studie se provádějí ve stejné poloze osy aplikace (12 mm)

Elementární rentgenová mikroanalýza v režimech nízkého a vysokého vakua (volitelné)

Schopnost pracovat za normálních světelných podmínek místnosti

Zkoumání nevodivých vzorků bez jejich předběžné přípravy

Rozlišení 5,5 nm v režimu nízkého vakua

Softwarové ovládání přepínání režimů

Volitelný rozsah podtlaku komory 1,3 – 260 Pa

Zobrazení obrazu na monitoru počítače

Sériový Robinsonův senzor se zpětným rozptylem V

2) Skenovací sondový mikroskop Supra50VP s vysokým rozlišením a mikroanalytickým systémem INCA Energy+Oxford.

Zařízení (obr. 29) je určeno pro výzkum ve všech oblastech materiálové vědy, v oblasti nano- a biotechnologií. Přístroj zvládá velké velikosti vzorků a podporuje provoz s proměnným tlakem pro nevodivé vzorky bez přípravy. Rýže. 29. SPM Supra50VP

PARAMETRY:

Urychlovací napětí 100 V - 30 kV (polní emisní katoda)

Max. zvětšení až x 900 000

Ultra vysoké rozlišení – až 1 nm (při 20 kV)

Vakuový režim s proměnným tlakem od 2 do 133 Pa

Urychlovací napětí - od 0,1 do 30 kV

Motorizovaný stupeň s pěti stupni volnosti

Rozlišení EDX detektoru 129 eV na lince Ka(Mn), četnost až 100 000 pulzů/s

3) LEO SUPRA 25 modernizovaný mikroskop se sloupkem "GEMINI" a polní emisí (obr.30).

– Navrženo pro výzkum nanoanalýzy

– Lze připojit k systémům EDX i WDX pro mikroanalýzu

– Rozlišení 1,5 nm při 20 kV, 2 nm při 1 kV.

Závěr

Využití sondové mikroskopie umožnilo v posledních letech dosáhnout unikátních vědeckých výsledků v různých oblastech fyziky, chemie a biologie.

Jestliže první rastrovací sondové mikroskopy byly indikátory pro kvalitativní výzkum, pak moderní rastrovací sondový mikroskop je zařízení, které v sobě integruje až 50 různých výzkumných metod. Je schopen provádět specifikované posuny v systému sonda-vzorek s přesností 0,1 %, vypočítat tvarový faktor sondy, provádět přesná měření dostatečně velkých rozměrů (až 200 µm v rovině skenování a 15–20 µm na výšku) a současně poskytují submolekulární rozlišení.

Rastrovací sondové mikroskopy se staly jednou z nejžádanějších tříd přístrojů pro vědecký výzkum na světovém trhu. Neustále vznikají nové konstrukce přístrojů, specializované pro různé aplikace.

Dynamický rozvoj nanotechnologií vyžaduje stále větší rozšiřování možností výzkumných technologií. High-tech společnosti po celém světě pracují na vytváření výzkumných a technologických nanokomplexů, které kombinují celé skupiny analytických metod, jako je Ramanova spektroskopie, luminiscenční spektroskopie, rentgenová spektroskopie pro elementární analýzu, optická mikroskopie s vysokým rozlišením, elektronová mikroskopie, zaostřené iontové paprsky. Systémy získávají silné intelektuální schopnosti: schopnost rozpoznávat a klasifikovat obrazy, zvýraznit požadované kontrasty, jsou obdařeny schopností modelovat výsledky a výpočetní výkon je zajištěn použitím superpočítačů.

Vyvinutá technika má silné možnosti, ale konečným cílem jejího použití je získání vědeckých výsledků. Zvládnutí schopností této techniky je samo o sobě úkolem vysokého stupně složitosti, který vyžaduje školení vysoce kvalifikovaných specialistů, kteří jsou schopni tato zařízení a systémy efektivně využívat.

Bibliografie

1. Nevolin V. K. Fundamentals of tunnel-probe technology / V. K. Nevolin, - M .: Nauka, 1996, - 91 s.

2. Kulakov Yu. A. Elektronová mikroskopie / Yu. A. Kulakov, - M.: Knowledge, 1981, - 64 s.

3. Volodin A.P. Rastrovací mikroskopie / A. P. Volodin, - M .: Nauka, 1998, - 114 s.

4. Scanning probe microscopy of biopolymers / Edited by I. V. Yaminsky, - M.: Nauchny Mir, 1997, - 86 s.

5. Mironov V. Základy rastrovací sondové mikroskopie / V. Mironov, - M.: Technosfera, 2004, - 143 s.

6. Rykov S. A. Scanning probe microscopy of polovodičových materiálů / S. A. Rykov, St. Petersburg: Nauka, 2001, 53 s.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Scanning probe microscopy for science and industry / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Electronics: science, technology, business, - 1997, - No. 5, - With. 7-14.

7. Aplikace rastrovacího sondového mikroskopu pro studium biologických objektů

7. Aplikace rastrovacího sondového mikroskopu pro studium biologických objektů 1

7.1. Cíle práce 2

7.2. Informace pro učitele 3

7.4. Pokyny 31

7.5. Bezpečnost 32

7.6. Úkol 32

7.7. Bezpečnostní otázky 32

7.8. Literatura 32

Laboratorní práce byly vyvinuty Státní univerzitou v Nižním Novgorodu. N.I. Lobačevského

7.1 Cíle práce

Studium morfologických parametrů biologických struktur je pro biology důležitým úkolem, protože velikost a tvar některých struktur do značné míry určují jejich fyziologické vlastnosti. Porovnáním morfologických dat s funkčními charakteristikami lze získat kompletní informace o účasti živých buněk na udržování fyziologické rovnováhy lidského nebo zvířecího těla.

Dříve měli biologové a lékaři možnost studovat jejich preparáty pouze na optických a elektronových mikroskopech. Tyto studie poskytly určitý obraz o morfologii buněk fixovaných, obarvených a s tenkými kovovými povlaky získanými naprašováním. Nebylo možné studovat morfologii živých předmětů, její změny pod vlivem různých faktorů, ale bylo to velmi lákavé.

Mikroskopie skenovací sondou (SPM) otevřela nové možnosti ve studiu buněk, bakterií, biologických molekul a DNA za podmínek co nejbližších těm přirozeným. SPM umožňuje studovat biologické objekty bez speciálních fixativů a barviv, na vzduchu nebo dokonce v kapalném médiu.

V současné době se SPM používá v celé řadě oborů, a to jak v základním vědeckém výzkumu, tak v aplikovaných high-tech vývoji. Mnoho výzkumných ústavů v zemi je vybaveno zařízením pro sondovou mikroskopii. V tomto ohledu neustále roste poptávka po vysoce kvalifikovaných specialistech. Pro splnění tohoto požadavku vyvinula NT-MDT (Zelenograd, Rusko) specializovanou vzdělávací a vědeckou laboratoř pro skenovací sondovou mikroskopii NanoEducator.

SPM NanoEducator speciálně navržený pro studenty k provádění laboratorních prací. Toto zařízení je zaměřeno na studentské publikum: je plně řízeno počítačem, má jednoduché a intuitivní rozhraní, podporu animací, zahrnuje postupný vývoj technik, absenci složitých nastavení a levný spotřební materiál.

V této laboratorní práci se seznámíte se skenovací sondovou mikroskopií, seznámíte se s jejími základy, nastudujete si konstrukci a principy výukové SPM NanoEducator, naučte se připravovat biologické preparáty pro výzkum, získejte svůj první SPM snímek komplexu bakterií mléčného kvašení a osvojte si základy zpracování a prezentace výsledků měření.

7.2 Informace pro učitele 1

Laboratorní práce se provádějí v několika fázích:

1. Přípravu vzorku provádí každý student samostatně.

2. Získání prvního snímku probíhá na jednom zařízení pod dohledem učitele, poté si každý student samostatně prohlédne svůj vzorek.

3. Zpracování experimentálních dat každým studentem probíhá individuálně.

Vzorek pro výzkum: bakterie mléčného kvašení na krycím sklíčku.

Před zahájením práce je nutné vybrat sondu s nejcharakterističtější amplitudově-frekvenční charakteristikou (jednotné symetrické maximum), pro získání obrazu povrchu zkoumaného vzorku.

Laboratorní zpráva by měla obsahovat:

1. teoretická část (odpovědi na kontrolní otázky).

2. výsledky experimentální části (popis výzkumu, dosažené výsledky a vyvozené závěry).

1. Metody studia morfologie biologických objektů.

2. Mikroskop se skenovací sondou:

SPM design;

odrůdy SPM: STM, AFM;

Formát dat SPM, vizualizace dat SPM.

3. Příprava vzorků pro studie SPM:

morfologie a struktura bakteriálních buněk;

příprava preparátů pro studium morfologie pomocí SPM.

4. Seznámení s návrhem a ovládacím programem SPM NanoEducator.

5. Získání obrazu SPM.

6. Zpracování a analýza přijatých snímků. Kvantitativní charakterizace snímků SPM.

Metody studia morfologie biologických objektů

Charakteristický průměr buněk je 10  20 µm, bakterií - od 0,5 do 3  5 µm, tyto hodnoty jsou 5x menší než nejmenší částice viditelná pouhým okem. Proto bylo první studium buněk možné až po příchodu optických mikroskopů. Na konci XVII století. Antonio van Leeuwenhoek vyrobil první optický mikroskop, předtím lidé neměli podezření na existenci patogenních mikrobů a bakterií [Ref. 7-1].

optická mikroskopie

Obtíže při studiu buněk jsou způsobeny tím, že jsou bezbarvé a průhledné, takže k odhalení jejich základních struktur došlo až po zavedení barviv do praxe. Barviva poskytovala dostatečný kontrast obrazu. Pomocí optického mikroskopu lze rozlišit předměty, které jsou od sebe vzdálené 0,2 µm, tzn. Nejmenšími objekty, které lze ještě rozlišit v optickém mikroskopu, jsou bakterie a mitochondrie. Obrazy menších buněčných prvků jsou zkresleny efekty způsobenými vlnovou povahou světla.

Pro přípravu trvanlivých přípravků se buňky ošetří fixačním činidlem, aby se imobilizovaly a zachovaly. Fixace navíc zvyšuje přístupnost buněk k barvivům, protože. buněčné makromolekuly jsou drženy pohromadě pomocí příčných vazeb, což je stabilizuje a fixuje v určité poloze. Nejčastěji jako fixativa působí aldehydy a alkoholy (např. glutaraldehyd nebo formaldehyd tvoří kovalentní vazby s volnými aminoskupinami proteinů a zesíťují sousední molekuly). Po fixaci se tkáň obvykle nařeže mikrotomem na velmi tenké řezy (1 až 10 µm silné), které se poté umístí na podložní sklíčko. Při tomto způsobu přípravy může dojít k poškození struktury buněk nebo makromolekul, proto je preferovanou metodou rychlé zmrazení. Zmrazená tkáň se nařeže pomocí mikrotomu umístěného v chladné komoře. Po nařezání se buňky obarví. V zásadě se k tomuto účelu používají organická barviva (malachitová zeleň, černý Súdán atd.). Každý z nich se vyznačuje určitou afinitou k buněčným složkám, například hematoxylin má afinitu k záporně nabitým molekulám, umožňuje proto detekovat DNA v buňkách. Pokud je ta či ona molekula přítomna v buňce v malém množství, pak je nejvýhodnější použít fluorescenční mikroskopii.

Fluorescenční mikroskopie

Fluorescenční barviva absorbují světlo jedné vlnové délky a vyzařují světlo jiné, delší vlnové délky. Pokud je taková látka ozářena světlem, jehož vlnová délka odpovídá vlnové délce světla absorbovaného barvivem, a poté je k analýze použit filtr, který propouští světlo s vlnovou délkou odpovídající světlu emitovanému barvivem, lze fluorescenční molekulu detekovat zářící v tmavém poli. Charakteristickým znakem takových molekul je vysoká intenzita vyzařovaného světla. Použití fluorescenčních barviv pro barvení buněk zahrnuje použití speciálního fluorescenčního mikroskopu.Takový mikroskop je podobný běžnému optickému mikroskopu, ale světlo z výkonného iluminátoru prochází dvěma sadami filtrů – jedním zastavuje část záření osvětlovače. před vzorkem a druhý pro filtrování světla přijímaného ze vzorku. První filtr je zvolen tak, že propouští pouze světlo o vlnové délce, která excituje určité fluorescenční barvivo; zároveň druhý filtr blokuje toto dopadající světlo a propouští světlo o vlnové délce emitované barvivem, když fluoreskuje.

Fluorescenční mikroskopie se často používá k identifikaci specifických proteinů nebo jiných molekul, které se po kovalentní vazbě na fluorescenční barviva stanou fluorescenčními. K tomuto účelu se obvykle používají dvě barviva - fluorescein, která po excitaci světle modrým světlem poskytuje intenzivní žlutozelenou fluorescenci, a rhodamin, způsobující tmavě červenou fluorescenci po excitaci žlutozeleným světlem. Použitím fluoresceinu i rhodaminu pro barvení lze získat distribuci různých molekul.

Mikroskopie v temném poli

Nejjednodušší způsob, jak vidět detaily buněčné struktury, je pozorovat světlo rozptýlené různými složkami buňky. V mikroskopu s tmavým polem jsou paprsky z iluminátoru směrovány ze strany a do objektivu mikroskopu vstupují pouze rozptýlené paprsky. Podle toho buňka vypadá jako osvětlený objekt v tmavém poli. Jednou z hlavních výhod mikroskopie v temném poli je schopnost pozorovat pohyb buněk během dělení a migrace. Pohyby buněk bývají velmi pomalé a obtížně pozorovatelné v reálném čase. V tomto případě se používá snímek po snímku (časosběrné) mikrofilmování nebo nahrávání videa. V tomto případě jsou po sobě jdoucí snímky časově odděleny, ale při přehrávání záznamu normální rychlostí se obraz skutečných událostí zrychlí.

Videokamery a související zobrazovací technologie v posledních letech značně zvýšily možnosti optické mikroskopie. Díky jejich aplikaci bylo možné překonat obtíže způsobené zvláštnostmi lidské fyziologie. Jsou to:

1. Za normálních podmínek oko příliš slabé světlo neregistruje.

2. Oko není schopno rozeznat malé rozdíly v intenzitě světla na jasném pozadí.

První z těchto problémů byl překonán připojením ultra-vysokocitlivých videokamer k mikroskopu. To umožnilo pozorovat buňky po dlouhou dobu při nízkém osvětlení, s vyloučením dlouhodobého vystavení jasnému světlu. Zobrazovací systémy jsou zvláště důležité pro studium fluorescenčních molekul v živých buňkách. Vzhledem k tomu, že obraz vytváří videokamera ve formě elektronických signálů, lze jej vhodně převést na numerické signály, odeslat do počítače a poté podrobit dodatečnému zpracování pro extrakci skrytých informací.

Vysoký kontrast dosažitelný pomocí počítačové interferenční mikroskopie umožňuje pozorovat i velmi malé objekty, jako jsou jednotlivé mikrotubuly, jejichž průměr je menší než jedna desetina vlnové délky světla (0,025 µm). Jednotlivé mikrotubuly lze také vidět pomocí fluorescenční mikroskopie. V obou případech jsou však nevyhnutelné difrakční efekty, které silně mění obraz. V tomto případě je průměr mikrotubulů nadhodnocen (0,2 μm), což znemožňuje odlišit jednotlivé mikrotubuly od svazku více mikrotubulů. K vyřešení tohoto problému je potřeba elektronový mikroskop, jehož mez rozlišení je posunuta daleko za vlnovou délku viditelného světla.

elektronová mikroskopie

Vztah mezi vlnovou délkou a mezí rozlišení je zachován i pro elektrony. Pro elektronový mikroskop je však mez rozlišení mnohem nižší než mez difrakce. Vlnová délka elektronu se s rostoucí rychlostí snižuje. V elektronovém mikroskopu s napětím 100 000 V je vlnová délka elektronu 0,004 nm. Podle teorie je rozlišení takového mikroskopu 0,002 nm v limitu. Ve skutečnosti je však kvůli malým numerickým aperturám elektronových čoček rozlišení moderních elektronových mikroskopů v nejlepším případě 0,1 nm. Obtíže při přípravě vzorku a jeho poškození zářením výrazně snižují normální rozlišení, které je u biologických objektů 2 nm (asi 100x vyšší než u světelného mikroskopu).

Zdroj elektronů v transmisní elektronový mikroskop (TEM) je katodové vlákno umístěné na vrcholu válcového sloupu vysokého asi dva metry. Aby nedocházelo k rozptylu elektronů při srážkách s molekulami vzduchu, vzniká ve sloupci vakuum. Elektrony emitované z katodového vlákna jsou urychlovány blízkou anodou a vstupují malým otvorem a vytvářejí elektronový paprsek, který prochází do spodní části sloupce. Podél sloupu v určité vzdálenosti jsou prstencové magnety, které zaostřují elektronový paprsek, jako skleněné čočky zaostřující paprsek světla v optickém mikroskopu. Vzorek je umístěn přes vzduchovou komoru uvnitř kolony, v dráze elektronového paprsku. Část elektronů se v okamžiku průchodu vzorkem rozptýlí v souladu s hustotou látky v této oblasti, zbytek elektronů se zaostří a vytvoří obraz (podobně jako při vzniku obrazu v optickém mikroskopu) na fotografickou desku nebo na fosforeskující stínítko.

Jednou z největších nevýhod elektronové mikroskopie je, že biologické vzorky musí být podrobeny speciálnímu zpracování. Nejprve jsou fixovány nejprve glutaraldehydem a poté kyselinou osmiovou, která váže a stabilizuje dvojitou vrstvu lipidů a proteinů. Za druhé, elektrony mají nízkou penetrační schopnost, takže musíte dělat ultratenké řezy, a proto jsou vzorky dehydratovány a impregnovány pryskyřicí. Za třetí, pro zvýšení kontrastu jsou vzorky ošetřeny solemi těžkých kovů, jako je osmium, uran a olovo.

K získání trojrozměrného obrazu povrchu se používá rastrovací elektronový mikroskop (SEM), kde se používají elektrony, které jsou rozptýleny nebo emitovány povrchem vzorku. Vzorek je v tomto případě fixován, vysušen a pokryt tenkým filmem těžkého kovu a poté skenován úzkým elektronovým paprskem. V tomto případě se odhaduje počet elektronů rozptýlených během povrchového ozáření. Získaná hodnota se používá k ovládání intenzity druhého paprsku, který se pohybuje synchronně s prvním a tvoří obraz na obrazovce monitoru. Rozlišení metody je asi 10 nm a není použitelná pro studium intracelulárních organel. Tloušťka vzorků studovaných touto metodou je určena penetrační silou elektronů nebo jejich energií.

Hlavní a významné nevýhody všech těchto metod jsou doba trvání, složitost a vysoká cena přípravy vzorku.

Mikroskopie skenovací sondou

V mikroskopu s rastrovací sondou (SPM) se místo elektronového paprsku nebo optického záření používá hrotová sonda, jehla, která snímá povrch vzorku. Obrazně řečeno lze říci, že pokud je vzorek zkoumán v optickém nebo elektronovém mikroskopu, pak je v SPM cítit. V důsledku toho je možné získat trojrozměrné obrazy objektů v různých médiích: vakuum, vzduch, kapalina.

Speciální konstrukce SPM uzpůsobené pro biologický výzkum umožňují současně s optickým pozorováním skenovat jak živé buňky v různých kapalných médiích, tak fixované preparáty ve vzduchu.

Skenovací sondový mikroskop

Název rastrovacího sondového mikroskopu odráží princip jeho činnosti - skenování povrchu vzorku, při kterém se bod po bodu odečítá stupeň interakce mezi sondou a povrchem. Lze nastavit velikost skenované oblasti a počet bodů v ní N X N Y. Čím více bodů určíte, tím vyšší bude rozlišení obrazu povrchu. Vzdálenost mezi body čtení signálu se nazývá krok skenování. Krok skenování by měl být menší než studované detaily povrchu. Pohyb sondy při snímání (viz obr. 7-1) se provádí lineárně v dopředném a zpětném směru (ve směru rychlého snímání), přechod na další řádek se provádí v kolmém směru (v směr pomalého skenování).

Rýže. 7 1. Schematické znázornění procesu skenování
(čtení signálu se provádí na přímém směru skeneru)

V závislosti na povaze čteného signálu mají skenovací mikroskopy různé názvy a účely:

atomový silový mikroskop (AFM), odečítají se síly meziatomové interakce mezi atomy sondy a atomy vzorku;

tunelový mikroskop (STM), čtení tunelovacího proudu protékajícího mezi vodivým vzorkem a vodivou sondou;

mikroskop magnetické síly (MFM), odečítají se síly interakce mezi sondou potaženou magnetickým materiálem a vzorkem detekujícím magnetické vlastnosti;

Elektrostatický silový mikroskop (ESM) umožňuje získat obraz o rozložení elektrického potenciálu na povrchu vzorku. Používají se sondy, jejichž hrot je pokryt tenkým vodivým filmem (zlato nebo platina).

SPM design

SPM se skládá z následujících hlavních součástí (obrázek 7-2): sonda, piezoelektrické ovladače pro pohyb sondy v X, Y, Z po povrchu testovaného vzorku, obvod zpětné vazby a počítač pro řízení procesu skenování a pořízení obrazu.

Obrázek 7 2. Schéma rastrovacího sondového mikroskopu

čidlo sondy - součást výkonového sondového mikroskopu, která snímá preparát. Snímač sondy obsahuje konzolu (pružinovou konzolu) obdélníkového (ve tvaru I) nebo trojúhelníkového typu (ve tvaru V) (obr. 7-3), na jejímž konci je hrotitá sonda (obr. 7-3) , který má obvykle kónický nebo pyramidový tvar . Druhý konec konzoly je spojen s podkladem (tzv. čipem). Sondové senzory jsou vyrobeny z křemíku nebo nitridu křemíku. Hlavní charakteristikou konzoly je konstanta síly (konstanta tuhosti), pohybuje se od 0,01 N/m do 1020 N/m. Ke studiu biologických objektů se používají „měkké“ sondy s tvrdostí 0,01  0,06 N/m.

Rýže. 7 3. Snímky pyramidálních AFM sond
získané pomocí elektronového mikroskopu:
a - typ ve tvaru I, b - typ ve tvaru V, c - jehlan na špičce konzoly

Piezoelektrické aktuátory nebo skenery - pro řízený pohyb sondy po vzorku nebo vzorku samotného vzhledem k sondě na ultra-malé vzdálenosti. Piezoelektrické aktuátory využívají piezokeramické materiály, které mění své rozměry, když je na ně přivedeno elektrické napětí. Proces změny geometrických parametrů působením elektrického pole se nazývá inverzní piezoelektrický jev. Nejběžnějším piezomateriálem je zirkoničitan titaničitan olovnatý.

Skener je piezokeramická struktura, která zajišťuje pohyb po třech souřadnicích: x, y (v laterální rovině vzorku) az (vertikálně). Existuje několik typů skenerů, z nichž nejběžnější jsou stativ a trubice (obr. 7-4).

Rýže. 7 4. Konstrukce skenerů: a) – stativ, b) – trubkový

Ve stativovém skeneru zajišťují pohyby ve třech souřadnicích tři nezávislé piezokeramické tyče tvořící ortogonální strukturu.

V trubicovém skeneru se dutá piezoelektrická trubice ohýbá v rovinách XZ a ZY a rozšiřuje se nebo smršťuje podél osy Z, když je na elektrody, které řídí pohyby trubice, aplikováno vhodné napětí. Elektrody pro řízení pohybu v rovině XY jsou umístěny na vnějším povrchu trubice, pro řízení pohybu v Z jsou na elektrody X a Y aplikována stejná napětí.

Zpětnovazební okruh - sada prvků SPM, pomocí kterých je sonda při skenování udržována v pevné vzdálenosti od povrchu vzorku (obr. 7-5). Během procesu skenování může být sonda umístěna na oblastech povrchu vzorku s různým reliéfem, přičemž vzdálenost sonda-vzorek Z se bude měnit a podle toho se změní i hodnota interakce sonda-vzorek.

Rýže. 7 5. Schéma zpětné vazby rastrovacího sondového mikroskopu

Jak se sonda přibližuje k povrchu, interakční síly sonda-vzorek rostou a také se zvyšuje signál záznamového zařízení PROTI(t), který vyjádřeno v jednotkách napětí. Komparátor porovnává signál PROTI(t) s referenčním napětím PROTI základní a generuje opravný signál PROTI kor. Korekční signál PROTI kor se přivede do skeneru a sonda se vytáhne ze vzorku. Referenční napětí - napětí odpovídající signálu záznamového zařízení, když je sonda v dané vzdálenosti od vzorku. Při udržování této specifikované vzdálenosti sonda-vzorek během skenování systém zpětné vazby udržuje specifikovanou sílu interakce sonda-vzorek.

Rýže. 7 6. Trajektorie relativního pohybu sondy v procesu udržování konstantní síly interakce sonda-vzorek zpětnovazebním systémem

Na Obr. 7-6 ukazuje trajektorii sondy vzhledem ke vzorku při zachování konstantní síly interakce sonda-vzorek. Pokud je sonda nad foveou, je na skener přivedeno napětí, při kterém se skener prodlouží a sonda se spustí.

Rychlost odezvy zpětnovazební smyčky na změnu vzdálenosti sonda-vzorek (interakce sonda-vzorek) je určena konstantou zpětnovazební smyčky K. Hodnoty K závisí na konstrukčních prvcích konkrétního SPM (design a vlastnosti skeneru, elektroniky), provozním režimu SPM (velikost skenované oblasti, rychlost skenování atd.), jakož i na vlastnostech studovaného povrchu (škála reliéfních prvků , tvrdost materiálu atd.).

Odrůdy SPM

Rastrovací tunelový mikroskop

V STM měří záznamové zařízení (obr. 7-7) tunelovací proud protékající mezi kovovou sondou, který se mění v závislosti na potenciálu na povrchu vzorku a na topografii jeho povrchu. Sonda je ostře naostřená jehla, jejíž poloměr může dosahovat několika nanometrů. Jako materiál pro sondu se obvykle používají kovy s vysokou tvrdostí a chemickou odolností: wolfram nebo platina.

Rýže. 7 7. Schéma snímače tunelové sondy

Mezi vodivou sondu a vodivý vzorek je přivedeno napětí. Když je hrot sondy ve vzdálenosti asi 10A od vzorku, začnou elektrony ze vzorku tunelovat mezerou do sondy nebo naopak v závislosti na znaménku napětí (obr. 7-8).

Rýže. 7 8. Schematické znázornění interakce hrotu sondy se vzorkem

Výsledný tunelový proud je měřen záznamovým zařízením. Jeho hodnota já Túměrné napětí aplikovanému na tunelový kontakt PROTI a exponenciálně závisí na vzdálenosti od jehly ke vzorku d.

Tedy malé změny ve vzdálenosti od hrotu sondy ke vzorku d odpovídají exponenciálně velkým změnám tunelovacího proudu já T(za předpokladu napětí PROTI udržovány konstantní). Z tohoto důvodu je citlivost senzoru tunelové sondy dostatečná pro zaznamenání změn výšky menší než 0,1 nm a následně pro získání obrazu atomů na povrchu pevné látky.

Mikroskop atomové síly

Nejrozšířenějším sondovým snímačem interakce atomové síly je pružinová konzola (z anglického cantilever - konzola) se sondou umístěnou na jejím konci. Míra ohybu konzoly v důsledku silové interakce mezi vzorkem a sondou (obr. 7-9) se měří pomocí schématu optické registrace.

Princip činnosti snímače síly je založen na využití atomárních sil působících mezi atomy sondy a atomy vzorku. Když se změní síla sondy-vzorek, změní se velikost ohybu konzoly a taková změna je měřena optickým registračním systémem. Senzor atomové síly je tedy vysoce citlivá hrotová sonda, která umožňuje registrovat síly interakce mezi jednotlivými atomy.

U malých ohybů poměr mezi silou sondy a vzorku F a vychýlení hrotu konzoly X určeno Hookovým zákonem:

kde k je konstanta síly (konstanta tuhosti) konzoly.

Například pokud se použije konzola s konstantou k asi 1 N/m, potom při působení síly interakce sonda-vzorek asi 0,1 nanoNewton bude průhyb konzoly asi 0,1 nm.

K měření takto malých posunů se obvykle používá snímač optického posunu (obr. 7-9), který se skládá z polovodičového laseru a čtyřsekční fotodiody. Když je konzola ohnuta, laserový paprsek odražený od ní se posune vzhledem ke středu fotodetektoru. Ohyb konzoly lze tedy určit z relativní změny osvětlení horní (T) a spodní (B) poloviny fotodetektoru.

Obr. 7 9. Schéma snímače síly

Závislost sil interakce hrot-vzorek na vzdálenosti hrot-vzorek

Když se sonda přiblíží ke vzorku, je nejprve přitahována k povrchu v důsledku přítomnosti přitažlivých sil (van der Waalsovy síly). Když se sonda dále přibližuje ke vzorku, elektronové obaly atomů na konci sondy a atomy na povrchu vzorku se začnou překrývat, což vede ke vzniku odpudivé síly. Jak se vzdálenost dále zmenšuje, převládá odpudivá síla.

Obecně platí, že závislost síly meziatomové interakce F ze vzdálenosti mezi atomy R vypadá jako:

.

Konstanty A a b a exponenty m a n závisí na typu atomů a typu chemických vazeb. Pro van der Waalsovy síly m= 7 a n=3. Kvalitativně je závislost F(R) znázorněna na Obr. 7-10.

Rýže. 7 10. Závislost síly interakce mezi atomy na vzdálenosti

SPM-datový formát, vizualizace SPM-dat

Údaje o morfologii povrchu, získané během studia na optickém mikroskopu, jsou prezentovány jako zvětšený obraz plochy povrchu. Informace získané pomocí SPM jsou zapsány jako dvourozměrné pole celých čísel A ij. Pro každou hodnotu ij odpovídá specifickému bodu na povrchu v rámci skenovacího pole. Grafické znázornění tohoto pole čísel se nazývá naskenovaný obrázek SPM.

Naskenované obrázky mohou být dvourozměrné (2D) nebo trojrozměrné (3D). S 2D vizualizací je každý bod povrchu Z= F(x, y) je přiřazen určitý barevný tón v souladu s výškou povrchového bodu (obr. 7-11 a). Ve 3D vizualizaci je povrchový obraz Z= F(x, y) je postavena v axonometrické perspektivě pomocí pixelů nebo reliéfních čar vypočítaných určitým způsobem. Nejúčinnějším způsobem kolorizace 3D snímků je simulace podmínek osvětlení povrchu bodovým zdrojem umístěným v určitém bodě prostoru nad povrchem (obr. 7-11 b). V tomto případě je možné zdůraznit jednotlivé drobné rysy reliéfu.

Rýže. 7 11. Lidské krevní lymfocyty:
a) 2D obraz, b) 3D obraz s bočním osvětlením

Příprava vzorků pro výzkum SPM

Morfologie a struktura bakteriálních buněk

Bakterie jsou jednobuněčné mikroorganismy, které mají rozmanitý tvar a složitou strukturu, která určuje rozmanitost jejich funkční aktivity. Bakterie se vyznačují čtyřmi hlavními tvary: kulovitý (kulovitý), válcovitý (tyčinkový), svinutý a vláknitý [Ref. 7-2].

koky (kulovité bakterie) - podle roviny dělení a umístění jednotlivých jedinců se dělí na mikrokoky (samostatně ležící koky), diplokoky (párové koky), streptokoky (řetězce koků), stafylokoky (mající vzhled hroznových hroznů). ), tetrakoky (formace čtyř koků) a sarciny (balení 8 nebo 16 koků).

tyčovitý - bakterie se nacházejí ve formě jednotlivých buněk, diplo- nebo streptobakterií.

Kolekce - vibria, spirilla a spirochéty. Vibria mají vzhled mírně zakřivených tyčí, spirilla - svinutý tvar s několika spirálovitými kadeřemi.

Velikosti bakterií se pohybují od 0,1 do 10 µm. Složení bakteriální buňky zahrnuje pouzdro, buněčnou stěnu, cytoplazmatickou membránu a cytoplazmu. Cytoplazma obsahuje nukleotid, ribozomy a inkluze. Některé bakterie jsou vybaveny bičíky a klky. Spory tvoří řada bakterií. Spory, které překračují počáteční příčnou velikost buňky, jí dávají vřetenovitý tvar.

Pro studium morfologie bakterií na optickém mikroskopu se z nich připravují nativní (vitální) přípravky nebo fixované nátěry obarvené anilinovým barvivem. Pro detekci bičíků, buněčné stěny, nukleotidů a různých cytoplazmatických inkluzí existují speciální barvicí metody.

Pro SPM studium morfologie bakteriálních buněk se barvení preparátu nevyžaduje. SPM umožňuje určit tvar a velikost bakterií s vysokým stupněm rozlišení. Při pečlivé přípravě preparátu a použití sondy s malým poloměrem zakřivení lze bičíky detekovat. Zároveň je kvůli velké tuhosti bakteriální buněčné stěny nemožné „sondovat“ intracelulární struktury, jak je to možné u některých živočišných buněk.

Příprava preparátů pro SPM studium morfologie

Pro první zkušenost se SPM se doporučuje zvolit biologický preparát, který nevyžaduje složitou přípravu. Zcela vhodné jsou snadno dostupné a nepatogenní bakterie mléčného kvašení z nálevu z kysaného zelí nebo kysaných mléčných výrobků.

Pro studie SPM ve vzduchu je nutné pevně fixovat studovaný objekt na povrchu substrátu, například na krycí sklíčko. Hustota bakterií v suspenzi by navíc měla být taková, aby se buňky při ukládání na substrát neslepovaly a vzdálenost mezi nimi by neměla být příliš velká, aby bylo možné snímat více objektů během skenování v jednom snímku. Tyto podmínky jsou splněny, pokud je správně zvolen režim přípravy vzorku. Pokud se na podklad nanese kapka roztoku obsahujícího bakterie, dojde k jejich postupnému vysrážení a přilnutí. V tomto případě by měla být za hlavní parametry považována koncentrace buněk v roztoku a doba sedimentace. Koncentrace bakterií v suspenzi se stanoví standardem optického zákalu.

V našem případě bude hrát roli pouze jeden parametr – inkubační doba. Čím déle bude kapka držena na skle, tím větší bude hustota bakteriálních buněk. Zároveň, pokud kapka tekutiny začne zasychat, bude přípravek příliš silně kontaminován vysráženými složkami roztoku. Kapka roztoku obsahujícího bakteriální buňky (solný roztok) se aplikuje na krycí sklíčko, inkubuje se 5-60 minut (v závislosti na složení roztoku). Poté, aniž byste čekali, až kapky zaschnou, se důkladně umyjí destilovanou vodou (několikrát ponořte přípravek pinzetou do sklenice). Po vysušení je přípravek připraven k měření na SPM.

Z láku z kysaného zelí se připravovaly například přípravky bakterií mléčného kvašení. Doba expozice kapky solanky na krycím sklíčku byla zvolena na 5 minut, 20 minut a 1 hodinu (kapka již začala zasychat). SPM - rámy jsou zobrazeny na Obr. 7 -12, Obr. 7-13,
Rýže. 7-14.

Z obrázků je vidět, že pro toto řešení je optimální doba inkubace 510 min. Prodloužení doby udržení kapky na povrchu substrátu vede k adhezi bakteriálních buněk. V případě, že kapka roztoku začne zasychat, složky roztoku se usadí na skle, které nelze smýt.

Rýže. 7 12. Obrázky bakterií mléčného kvašení na krycím sklíčku,
získané pomocí SPM.

Rýže. 7 13. Obrázky bakterií mléčného kvašení na krycím sklíčku,
získané pomocí SPM. Doba inkubace roztoku 20 min

Rýže. 7 14. Obrázky bakterií mléčného kvašení na krycím sklíčku,
získané pomocí SPM. Doba inkubace roztoku 1 hodina

Na jednom z vybraných preparátů (obr. 7-12) jsme se pokusili zvážit, co jsou to bakterie mléčného kvašení, jaká forma je pro ně v tomto případě charakteristická. (Obr. 7-15)

Rýže. 7 15. AFM - obrázek bakterií mléčného kvašení na krycím sklíčku.
Doba inkubace roztoku 5 min

Rýže. 7 16. AFM - obrázek řetězce bakterií mléčného kvašení na krycím sklíčku.
Doba inkubace roztoku 5 min

Solanka se vyznačuje tvarem tyčinkovitých bakterií a uspořádáním do podoby řetězu.

Rýže. 7 17. Okno ovládacího programu vzdělávacího SPM NanoEducator.
Panel nástrojů

Pomocí nástrojů vzdělávacího programu SPM NanoEducator jsme zjišťovali velikost bakteriálních buněk. Pohybovaly se od přibližně 0,5 × 1,6 µm
až 0,8 × 3,5 µm.

Získané výsledky jsou porovnány s daty uvedenými v determinantu bakterií Bergey [Lit. 7-3].

Bakterie mléčného kvašení patří mezi laktobacily (Lactobacillus). Buňky jsou tyčinkovitého tvaru, obvykle pravidelného tvaru. Palice jsou dlouhé, někdy téměř kokoidní, obvykle v krátkých řetízcích. Rozměry 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikronů. Spor nevzniká; ve vzácných případech jsou mobilní kvůli peritrichózním bičíkům. Široce rozšířený v životním prostředí, nachází se zejména v potravinách živočišného a rostlinného původu. Bakterie mléčného kvašení jsou součástí normální mikroflóry trávicího traktu. Každý ví, že kysané zelí, kromě obsahu vitamínů v něm, je užitečné pro zlepšení střevní mikroflóry.

Návrh rastrovacího sondového mikroskopu NanoEducator

Na Obr. 7-18 ukazuje vzhled měřicí hlavy SPM NanoEducator a jsou uvedeny hlavní prvky zařízení použitého v práci.

Rýže. 7 18. Vzhled měřicí hlavy SPM NanoEducator
1-základna, 2-vzorkový držák, 3-interakční senzor, 4-fixační šroub senzoru,
5-šroub pro ruční přiblížení, 6-šrouby pro pohyb skeneru se vzorkem v horizontální rovině, 7-ochranný kryt s videokamerou

Na Obr. 7-19 ukazuje provedení měřicí hlavy. Na základně 1 je skener 8 s držákem vzorku 7 a mechanismem pro přivádění vzorku k sondě 2 na bázi krokového motoru. Ve vzdělávacím SPM NanoEducator vzorek je upevněn na skeneru a vzorek je snímán vzhledem k pevné sondě. Sonda 6, upevněná na senzoru 4 silové interakce, může být také přiblížena ke vzorku pomocí ručního přibližovacího šroubu 3. Předběžný výběr místa studie na vzorku se provádí pomocí šroubu 9.

Rýže. 7 19. Konstrukce SPM NanoEducator: 1 – základna, 2 – přibližovací mechanismus,
3 – šroub ručního přiblížení, 4 – senzor interakce, 5 – šroub fixace senzoru, 6 – sonda,
7 - držák vzorku, 8 - skener, 9, 10 - šrouby pro pohyb skeneru se vzorkem

Výcvik SPM NanoEducator sestává z měřicí hlavice propojené kabely, SPM regulátoru a řídicího počítače. Mikroskop je vybaven videokamerou. Signál z interakčního senzoru po převodu v předzesilovači vstupuje do SPM regulátoru. Řízení práce SPM NanoEducator se provádí z počítače prostřednictvím ovladače SPM.

Snímač interakce síly a sonda

V zařízení NanoEducator Snímač je vyroben ve formě piezokeramické trubice o délce l=7 mm, průměr d= 1,2 mm a tloušťka stěny h\u003d 0,25 mm, pevně připevněné na jednom konci. Na vnitřním povrchu trubice je uložena vodivá elektroda. Na vnějším povrchu trubice jsou uloženy dvě elektricky izolované půlválcové elektrody. K volnému konci trubky je připevněn wolframový drát o průměru
100 um (obr. 7-20).

Rýže. 7 20. Návrh univerzálního senzoru NanoEducator

Volný konec drátu použitého jako sonda je broušen elektrochemicky, poloměr zakřivení je 0,2  0,05 µm. Sonda má elektrický kontakt s vnitřní elektrodou trubice spojenou s uzemněným tělem přístroje.

Přítomnost dvou vnějších elektrod na piezoelektrické trubici umožňuje, aby jedna část piezoelektrické trubice (horní, podle obr. 7-21) byla použita jako snímač silové interakce (snímač mechanických vibrací), a druhá část byla používá se jako piezovibrátor. Do piezovibrátoru je přiváděno střídavé elektrické napětí s frekvencí rovnou rezonanční frekvenci výkonového snímače. Amplituda oscilace při velké vzdálenosti hrot-vzorek je maximální. Jak je vidět z Obr. 7-22 se sonda během procesu kmitání vychýlí z rovnovážné polohy o hodnotu A o rovnou amplitudě jejích nucených mechanických kmitů (jedná se o zlomky mikrometru), přičemž na druhé části sondy se objeví střídavé elektrické napětí. piezotrubice (snímač kmitů), úměrná výchylce sondy, která a měřena přístrojem.

Když se sonda přiblíží k povrchu vzorku, začne se sonda během oscilace dotýkat vzorku. To vede k posunu amplitudově-frekvenční charakteristiky (AFC) oscilací snímače doleva ve srovnání s AFC měřeným daleko od povrchu (obr. 7-22). Vzhledem k tomu, že frekvence hnacích kmitů piezotrubice je udržována konstantní a rovna frekvenci kmitání о ve volném stavu, když se sonda přiblíží k povrchu, amplituda jejích kmitů se sníží a stane se rovnou A. Tato amplituda kmitů se zaznamená z druhé části piezotrubice.

Rýže. 7 21. Princip činnosti piezoelektrické trubice
jako senzor silové interakce

Rýže. 7 22. Změna frekvence kmitání snímače síly
při přiblížení k povrchu vzorku

Skener

Způsob organizace mikropohybů používaný v zařízení NanoEducator, je založena na použití kovové membrány upnuté po obvodu, na jejíž povrch je nalepena piezoelektrická destička (obr. 7-23 a). Změna rozměrů piezoelektrické destičky působením řídicího napětí povede k ohnutí membrány. Umístěním takových membrán na tři kolmé strany krychle a spojením jejich středů kovovými posunovači získáte 3-souřadnicový skener (obr. 7-23 b).

Rýže. 7 23. Princip činnosti (a) a konstrukce (b) skeneru NanoEducator

Každý piezoelektrický prvek 1, upevněný na stěnách krychle 2, když je na něj přivedeno elektrické napětí, může pohybovat posunovačem 3, který je k němu připojen, v jednom ze tří vzájemně kolmých směrů - X, Y nebo Z. Jak je patrné z na obrázku jsou všechny tři posunovače spojeny v jednom bodě 4 S určitou aproximací můžeme předpokládat, že se tento bod pohybuje po třech souřadnicích X, Y, Z. Ke stejnému bodu je připevněn stojan 5 s držákem vzorku 6. Vzorek se tak pohybuje po třech souřadnicích působením tří nezávislých zdrojů napětí. Ve spotřebičích NanoEducator maximální posunutí vzorku je asi 5070 µm, což určuje maximální skenovací plochu.

Mechanismus pro automatické přiblížení sondy ke vzorku (zachycení zpětné vazby)

Rozsah pohybu skeneru podél osy Z je cca 10 µm, proto je nutné před skenováním přiblížit sondu ke vzorku na tuto vzdálenost. K tomuto účelu je navržen přibližovací mechanismus, jehož schéma je na Obr. 7-19. Krokový motor 1, když jsou na něj aplikovány elektrické impulsy, otáčí podávacím šnekem 2 a pohybuje tyčí 3 se sondou 4, čímž ji přibližuje nebo oddaluje od vzorku 5 instalovaného na skeneru 6. Hodnota jednoho kroku je asi 2 μm.

Rýže. 7 24. Schéma mechanismu přiblížení sondy k povrchu vzorku

Vzhledem k tomu, že krok přibližovacího mechanismu při skenování výrazně překračuje hodnotu požadované vzdálenosti sonda-vzorek, aby nedošlo k deformaci sondy, je jeho přiblížení prováděno za současného chodu krokového motoru a pohybů skeneru po Z. osa podle následujícího algoritmu:

1. Systém zpětné vazby se vypne a skener se „zatáhne“, tj. spustí vzorek do spodní krajní polohy.

2. Mechanismus přiblížení sondy udělá jeden krok a zastaví se.

3. Systém zpětné vazby se zapne a skener plynule zvedne vzorek, zatímco se analyzuje interakce sonda-vzorek.

4. Pokud nedojde k interakci, proces se opakuje od bodu 1.

Pokud se během vytahování skeneru objeví nenulový signál, zpětnovazební systém zastaví pohyb skeneru směrem nahoru a zafixuje míru interakce na dané úrovni. Velikost silové interakce, při které se zastaví přiblížení sondy a dojde k procesu skenování v zařízení NanoEducator charakterizované parametrem Potlačení amplitudy (AmplitudaPotlačení) :

A=Ao. (1-Potlačení amplitudy)

Získání obrázku SPM

Po vyvolání programu NanoEducator na obrazovce počítače se objeví hlavní okno programu (obr. 7-20). Práce by měla být zahájena z položky nabídky Soubor a v něm si vybrat Otevřeno nebo Nový nebo odpovídající tlačítka na panelu nástrojů (, ).

Výběr týmu Soubor Nový znamená přechod na měření SPM a volbu příkazu Soubor Otevřeno znamená přechod k prohlížení a zpracování dříve přijatých dat. Program umožňuje prohlížet a zpracovávat data paralelně s měřením.

Rýže. 7 25. Hlavní okno NanoEducator

Po provedení příkazu Soubor Nový na obrazovce se objeví dialogové okno, které umožňuje vybrat nebo vytvořit pracovní složku, do které se budou standardně ukládat výsledky aktuálního měření. V průběhu měření jsou všechna získaná data postupně zaznamenávána do souborů s názvy ScanData+i.spm, kde je index i se při spuštění programu vynuluje a s každým novým měřením se zvyšuje. Soubory ScanData+i.spm jsou umístěny v pracovní složce, která se nastavuje před začátkem měření. Během měření je možné zvolit jinou pracovní složku. Chcete-li to provést, stiskněte tlačítko , na panelu nástrojů hlavního okna programu a vyberte položku nabídky Změnit pracovní složku.

Chcete-li uložit výsledky aktuálního měření, stiskněte tlačítko Uložit jako v okně Skenovat v dialogovém okně, které se zobrazí, vyberte složku a zadejte název souboru ScanData+i.spm, který slouží jako dočasný soubor pro ukládání dat během měření, bude přejmenován na vámi zadaný název souboru. Ve výchozím nastavení se soubor uloží do pracovní složky přiřazené před začátkem měření. Pokud neprovedete operaci uložení výsledků měření, při příštím spuštění programu se výsledky zaznamenají do dočasných souborů ScanData+i.spm, bude postupně přepsán (pokud se nezmění pracovní adresář). O přítomnosti dočasných souborů výsledků měření v pracovní složce se před zavřením a po spuštění programu zobrazí varování. Změna pracovní složky před zahájením měření umožňuje chránit výsledky předchozího experimentu před smazáním. Výchozí název ScanData lze změnit zadáním v okně výběru pracovní složky. Po stisku tlačítka se vyvolá okno pro výběr pracovní složky. , umístěný na nástrojové liště hlavního okna programu. V okně můžete také uložit výsledky měření Prohlížeč skenování, výběr potřebných souborů jeden po druhém a jejich uložení do vybrané složky.

Výsledky získané pomocí NanoEducator je možné exportovat do formátů ASCII a Nova (NTMDT), které lze importovat pomocí programů NTMDT Nova, Image Analysis a dalších. Skenované snímky, data jejich průřezů, výsledky spektroskopických měření jsou exportovány do formátu ASCII. Chcete-li exportovat data, klikněte na tlačítko Vývozní umístěnou na panelu nástrojů hlavního okna aplikace nebo vyberte Vývozní v položce menu Soubor v tomto okně a vyberte příslušný formát exportu. Data pro zpracování a analýzu lze okamžitě odeslat do předem spuštěného programu Analýza obrazu.

Po zavření dialogového okna se na obrazovce zobrazí ovládací panel přístroje.
(obr. 7-26).

Rýže. 7 26. Ovládací panel přístroje

Na levé straně ovládacího panelu přístroje jsou tlačítka pro výběr konfigurace SPM:

SSM– rastrovací silový mikroskop (SFM)

STM– rastrovací tunelový mikroskop (STM).

Provádění měření na tréninkovém SPM NanoEducator spočívá v provádění následujících operací:

1. Instalace vzorku

POZORNOST! Před vložením vzorku je nutné vyjmout senzor se sondou, aby nedošlo k poškození sondy.

Vzorek lze opravit dvěma způsoby:

na magnetickém stole (v tomto případě musí být vzorek připevněn k magnetickému substrátu);

na oboustrannou lepicí pásku.

POZORNOST! Pro instalaci vzorku na oboustrannou lepicí pásku je nutné odšroubovat držák ze stojanu (aby nedošlo k poškození skeneru) a poté jej zašroubovat zpět až na doraz.

V případě magnetického držáku lze vzorek vyměnit bez odšroubování držáku vzorku.

2. Instalace sondy

POZORNOST! Po umístění vzorku vždy nainstalujte senzor se sondou.

Po výběru požadovaného snímače sondy (sondu držte za kovové okraje základny) (viz obr. 7-27), povolte upevňovací šroub sondy 2 na krytu měřicí hlavy, zasuňte sondu do objímky držáku až na doraz. , zašroubujte fixační šroub ve směru hodinových ručiček, dokud se lehce nezastaví.

Rýže. 7 27. Instalace sondy

3. Výběr umístění skenování

Při výběru místa pro výzkum vzorku použijte šrouby pro pohyb dvousouřadnicové tabulky umístěné ve spodní části zařízení.

4. Předběžné přiblížení sondy ke vzorku

Operace předběžného přiblížení není povinná pro každé měření, nutnost jejího provedení závisí na vzdálenosti mezi vzorkem a špičkou sondy. Je žádoucí provést operaci předběžného přiblížení, pokud vzdálenost mezi špičkou sondy a povrchem vzorku přesahuje 0,51 mm. Při použití automatizovaného přiblížení sondy ke vzorku z velké vzdálenosti mezi nimi bude proces přiblížení trvat velmi dlouho.

Pomocí ručního šroubu spusťte sondu a zároveň vizuálně kontrolujte vzdálenost mezi ní a povrchem vzorku.

5. Sestavení rezonanční křivky a nastavení pracovní frekvence

Tato operace se nutně provádí na začátku každého měření a dokud není provedena, je blokován přechod na další kroky měření. Navíc během procesu měření někdy nastanou situace, které vyžadují opětovné provedení této operace (například při ztrátě kontaktu).

Okno vyhledávání rezonance se vyvolá stisknutím tlačítka na ovládacím panelu přístroje. Provádění této operace zahrnuje měření amplitudy oscilací sondy, když se mění frekvence vynucených oscilací, nastavená generátorem. Chcete-li to provést, stiskněte tlačítko BĚH(obr. 7-28).

Rýže. 7 28. Operační okno vyhledávání rezonance a nastavení pracovní frekvence:
a) - automatický režim, b) - manuální režim

V režimu Auto frekvence oscilátoru je automaticky nastavena na stejnou frekvenci, při které byla pozorována maximální amplituda oscilací sondy. Graf znázorňující změnu amplitudy kmitů sondy v daném frekvenčním rozsahu (obr. 7-28a) umožňuje pozorovat tvar rezonančního vrcholu. Pokud rezonanční vrchol není dostatečně výrazný nebo je amplituda na rezonanční frekvenci malá ( méně než 1V), pak je nutné změnit parametry měření a znovu určit rezonanční frekvenci.

Tento režim je určen pro Manuál. Když je v okně vybrán tento režim Určení rezonanční frekvence objeví se další panel
(Obr. 7-28b), který umožňuje upravit následující parametry:

Napětí výkyvu sondy daný generátorem. Doporučuje se nastavit tuto hodnotu na minimum (až na nulu) a ne více než 50 mV.

Zesílení amplitudy ( Amplitudový zisk). Pokud je amplituda oscilace sondy nedostatečná (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Amplitudový zisk.

Chcete-li spustit operaci vyhledávání rezonance, stiskněte tlačítko Start.

Režim Manuál umožňuje ručně změnit vybranou frekvenci pohybem zeleného kurzoru na grafu pomocí myši a také objasnit povahu změny amplitudy oscilace v úzkém rozsahu hodnot kolem zvolené frekvence (k tomu, musíte nastavit přepínač Manuální režim do pozice Přesně tak a stiskněte tlačítko Start).

6. Zachycení interakce

Pro zachycení interakce se provádí procedura řízeného přiblížení sondy a vzorku pomocí mechanismu automatického přiblížení. Ovládací okno pro tento postup se vyvolá stisknutím tlačítka na ovládacím panelu přístroje. Při práci s CCM je toto tlačítko dostupné po provedení operace vyhledávání a nastavení rezonanční frekvence. Okno CCM, vedoucí(Obr. 7-29) obsahuje ovládací prvky přiblížení sondy a také indikace parametrů, které vám umožňují analyzovat průběh postupu.

Rýže. 7 29. Okno přiblížení sondy

V okně zásobování Uživatel má možnost sledovat následující hodnoty:

rozšíření skeneru ( SkenerZ) podél osy Z vzhledem k maximu možnému, bráno jako jednotka. Hodnota relativního prodloužení skeneru je charakterizována úrovní zaplnění levého indikátoru barvou odpovídající oblasti, ve které se skener aktuálně nachází: zelená - pracovní oblast, modrá - mimo pracovní oblast, červená - skener se příliš přiblížil k povrchu vzorku, což může vést k deformaci sondy. V druhém případě program vydá zvukové varování;

amplituda oscilace sondy vzhledem k amplitudě jeho oscilací v nepřítomnosti silové interakce, brané jako jednota. Hodnota relativní amplitudy kmitů sondy je znázorněna na pravém indikátoru úrovní její náplně v bordó. Vodorovná značka na indikátoru Amplituda oscilace sondy udává úroveň, při které se provádí analýza stavu skeneru a jeho automatický výstup do pracovní polohy;

počet kroků ( Wagi) prošel daným směrem: Přiblížení - přiblížení, Odtažení - odstranění.

Před zahájením procesu spouštění sondy musíte:

Zkontrolujte, zda jsou parametry přiblížení nastaveny správně:

Zisk zpětné vazby zisk OS nastavit na hodnotu 3 ,

Ujistěte se, že parametr potlačeníAmplituda (síla) má hodnotu asi 0,2 (viz obr. 7-29). V opačném případě stiskněte tlačítko Napájení a v okně Nastavení parametrů interakce (obrázek 7-30) nastavená hodnota potlačeníamplituda rovnat se 0.2. Pro jemnější přístup, hodnota parametru potlačeníamplituda možná méně .

Zkontrolujte správnost nastavení v okně parametrů Parametry, stránka Parametry přístupu.

Zda došlo k interakci nebo ne, lze určit pomocí levého indikátoru SkenerZ. Úplné vysunutí skeneru (celý indikátor SkenerZ zbarvený modře), stejně jako zcela zastíněný indikátor vínové barvy Amplituda oscilace sondy(Obr. 7-29) neindikují žádnou interakci. Po provedení vyhledávání rezonance a nastavení pracovní frekvence je amplituda volných vibrací sondy brána jako jednota.

Pokud není skener před přiblížením nebo během něj zcela vysunut, nebo pokud program zobrazí zprávu: ‚Chyba! Sonda je příliš blízko vzorku. Zkontrolujte parametry přiblížení nebo fyzický uzel. Chcete se přesunout na bezpečné místo“, doporučuje se pozastavit postup přiblížení a:

A. změnit jednu z možností:

zvýšit množství interakce, parametr potlačeníamplituda, nebo

zvýšit hodnotu zisk OS, nebo

zvyšte dobu zpoždění mezi kroky přiblížení (parametr Doba integrace Na stránce Parametry přístupu okno Parametry).

b. zvětšete vzdálenost mezi špičkou sondy a vzorkem (k tomu postupujte podle kroků popsaných v odstavci a proveďte operaci Rezonance a poté se vraťte k postupu zásobování.

Rýže. 7 30. Okno pro nastavení hodnoty interakce mezi sondou a vzorkem

Po zachycení interakce se zobrazí zpráva „ Vedení dokončeno”.

Pokud je nutné se přiblížit o jeden krok, stiskněte tlačítko. V tomto případě se nejprve provede krok a poté se zkontrolují kritéria pro zachycení interakce. Pro zastavení pohybu stiskněte tlačítko. Chcete-li provést operaci zatažení, musíte stisknout tlačítko pro rychlé zatažení

nebo stiskněte tlačítko pro pomalé zatažení. V případě potřeby zatáhněte o jeden krok a stiskněte tlačítko. V tomto případě se nejprve provede krok a poté se zkontrolují kritéria pro zachycení interakce.

7. Naskenujte

Po dokončení postupu přiblížení ( zásobování) a zachycení interakce se zpřístupní skenování (tlačítko v okně ovládacího panelu přístroje).

Stisknutím tohoto tlačítka (pohled skenovacího okna je na obr. 7-31) uživatel přejde přímo k měření a získání výsledků měření.

Před provedením procesu skenování je třeba nastavit parametry skenování. Tyto možnosti jsou seskupeny na pravé straně horní lišty okna. Snímání.

Poprvé po spuštění programu se standardně nainstalují:

Oblast skenování - Oblast (Xnm*Ynm): 5000 x 5000 nm;

Počet bodůměření podél os- X, Y: NX=100, New York=100;

Skenovat cestu - Směr určuje směr skenování. Program umožňuje zvolit směr osy rychlého skenování (X nebo Y). Po spuštění se program nainstaluje Směr

Po nastavení parametrů skenování musíte kliknout na tlačítko Aplikovat pro potvrzení zadání parametrů a tlačítko Start pro zahájení skenování.

Rýže. 7 31. Okno pro správu procesu a zobrazení výsledků skenování CCM

7.4 Pokyny

Přečtěte si uživatelskou příručku [Ref. 7-4].

7.5.Bezpečnost

Zařízení je napájeno napětím 220 V. Skenovací sondový mikroskop NanoEducator by měl být provozován v souladu s PTE a PTB spotřebitelských elektroinstalací s napětím do 1000 V.

7.6 Úkol

1. Připravte si vlastní biologické vzorky pro studie SPM.

2. Procvičte si obecný design NanoEducatoru.

3. Seznamte se s ovládacím programem NanoEducator.

4. Získejte první obrázek SPM pod dohledem učitele.

5. Zpracujte a analyzujte výsledný obrázek. Jaké formy bakterií jsou typické pro váš roztok? Co určuje tvar a velikost bakteriálních buněk?

6. Vezměte Burgey's Bacteria Key a porovnejte výsledky s těmi, které jsou zde popsány.

7.7.Kontrolní otázky

1. Jaké jsou metody studia biologických objektů?

2. Co je skenovací sondová mikroskopie? Jaký princip je za tím?

3. Vyjmenujte hlavní součásti SPM a jejich účel.

4. Co je piezoelektrický jev a jak se uplatňuje v SPM. Popište různé konstrukce skenerů.

5. Popište obecný design NanoEducator.

6. Popište snímač silové interakce a princip jeho činnosti.

7. Popište mechanismus přiblížení sondy ke vzorku v NanoEducator. Vysvětlete parametry, které určují sílu interakce mezi sondou a vzorkem.

8. Vysvětlete princip snímání a činnost zpětnovazebního systému. Řekněte nám o kritériích pro výběr možností skenování.

7.8 Literatura

Lit. 7 1. Paul de Kruy. Lovci mikrobů. M. Terra. 2001.

Lit. 7 2. Průvodce praktickými cvičeními z mikrobiologie. Pod redakcí Egorov N.S. Moskva: Nauka, 1995.

Lit. 7 3. Holt J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Determinant bakterií Burgey. M.: Mir, 1997. díl č. 2. C. 574.

Lit. 7 4. Návod k použití přístroje NanoEducator.objektů. Nižnij Novgorod. Vědecké a vzdělávací centrum...

Poznámky k přednáškám předmětu "Skenovací sondová mikroskopie v biologii" Plán přednášek

Abstraktní

... snímánísondamikroskopie v biologii“ Plán přednášek: Úvod, historie hranic SPM aplikací...a nanostruktury, výzkumbiologickýobjektů: Nobelisté... provýzkum konkrétní vzorek: B snímánísondamikroskopiepro ...

Předběžný program xxiii ruské konference o elektronové mikroskopii 1. června úterý dopoledne 10 00 – 14 00 zahájení konference úvodní projev

Program

B.P. Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, V.I. Popenko aplikacesonda a konfokální snímánímikroskopieprovýzkum opravné procesy pomocí nanodisperzních štěpů...

1. celoruská vědecká konference Metody studia složení a struktury funkčních materiálů

Dokument

VÍCE PRVKŮ PŘEDMĚTY NEREFERENČNÍ... Ljachov N.Z. VÝZKUM NANOKOMPOZITY BIOLOGICKY AKTIVNÍ... Aliev V.Sh. APLIKACE METODA SONDAMIKROSKOPIEPROVÝZKUMÚČINEK... SNÍMÁNÍ KALORIMETRIE A TERMOSTIMULAČNÍ PROUDY PROVÝZKUM ...

První zařízení, která umožňovala pozorovat nanoobjekty a pohybovat jimi, byly rastrovací sondové mikroskopy - mikroskop atomárních sil a rastrovací tunelovací mikroskop fungující na podobném principu. Mikroskopii atomové síly (AFM) vyvinuli G. Binnig a G. Rohrer, kteří za tyto studie získali v roce 1986 Nobelovu cenu. Vytvoření mikroskopu atomárních sil, schopného cítit přitažlivé a odpudivé síly vznikající mezi jednotlivými atomy, umožnilo konečně „cítit a vidět“ nanoobjekty.

Obrázek 9. Princip fungování rastrovacího sondového mikroskopu (převzato z http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Tečkovaná čára ukazuje dráhu laserového paprsku. Další vysvětlení v textu.

Základem AFM (viz obr. 9) je sonda, obvykle vyrobená z křemíku a představující tenkou desku-konzolu (říká se jí cantilever, z anglického slova „cantilever“ – konzola, nosník). Na konci konzoly (délka » 500 µm, šířka » 50 µm, tloušťka » 1 µm) je velmi ostrý hrot (délka » 10 µm, poloměr zakřivení od 1 do 10 nm), končící skupinou jednoho popř. více atomů (viz obr. 10).

Obrázek 10. Elektronové mikrofotografie stejné sondy pořízené při malém (nahoře) a velkém zvětšení.

Když se mikrosonda pohybuje po povrchu vzorku, špička hrotu se zvedá a klesá a obkresluje mikroreliéf povrchu, stejně jako gramofonová jehla klouže po gramofonové desce. Na vyčnívajícím konci konzoly (nad hrotem, viz obr. 9) je zrcadlová plocha, na kterou dopadá a odráží se laserový paprsek. Když hrot klesá a stoupá na nerovnostech povrchu, odražený paprsek je vychylován a toto vychýlení je zaznamenáváno fotodetektorem a síla, kterou je hrot přitahován k blízkým atomům, je zaznamenávána piezoelektrickým senzorem.

Data z fotodetektoru a piezoelektrického senzoru jsou využívána ve zpětnovazebním systému, který může zajistit například konstantní hodnotu interakční síly mezi mikrosondou a povrchem vzorku. Díky tomu je možné vytvořit trojrozměrný reliéf povrchu vzorku v reálném čase. Rozlišení metody AFM je přibližně 0,1-1 nm horizontálně a 0,01 nm vertikálně. Obrázek bakterie Escherichia coli získaný pomocí mikroskopu s rastrovací sondou je na Obr. jedenáct.

Obrázek 11. Bakterie E. coli ( Escherichia coli). Obraz byl získán pomocí mikroskopu se skenovací sondou. Bakterie je 1,9 µm dlouhá a 1 µm široká. Tloušťka bičíků a řasinek je 30 nm a 20 nm.

Jiná skupina rastrovacích sondových mikroskopů využívá k vytvoření povrchové topografie takzvaný kvantově-mechanický „tunelový efekt“. Podstata tunelového efektu spočívá v tom, že na této vzdálenosti začíná záviset elektrický proud mezi ostrou kovovou jehlou a povrchem umístěným ve vzdálenosti asi 1 nm – čím menší vzdálenost, tím větší proud. Pokud se mezi jehlu a povrch přivede napětí 10 V, pak tento „tunelovací“ proud může být od 10 pA do 10 nA. Měřením tohoto proudu a jeho udržováním konstantní lze také udržovat konstantní vzdálenost mezi jehlou a povrchem. To umožňuje sestavit trojrozměrný profil povrchu (viz obr. 12). Na rozdíl od mikroskopu atomárních sil může skenovací tunelový mikroskop studovat pouze povrchy kovů nebo polovodičů.

Obrázek 12. Jehla rastrovacího tunelového mikroskopu, umístěná v konstantní vzdálenosti (viz šipky) nad vrstvami atomů studovaného povrchu.

K přesunutí atomu do bodu zvoleného operátorem lze také použít rastrovací tunelový mikroskop. Pokud je například napětí mezi špičkou mikroskopu a povrchem vzorku poněkud vyšší, než je nutné pro studium tohoto povrchu, pak se atom vzorku nejblíže k němu změní v iont a „skočí“ na jehlu. Poté lze mírným pohybem jehly a změnou napětí přimět uniklý atom „skočit“ zpět na povrch vzorku. Je tedy možné manipulovat s atomy a vytvářet nanostruktury, tzn. struktury na povrchu o rozměrech řádově nanometr. Již v roce 1990 zaměstnanci IBM ukázali, že je to možné, sečtením názvu své společnosti na niklovém štítku z 35 atomů xenonu (viz obr. 13).

Obrázek 13. Složený z 35 xenonových atomů na niklové desce, název IBM, vyrobený zaměstnanci této společnosti pomocí mikroskopu se skenovací sondou v roce 1990.

Pomocí sondového mikroskopu lze atomy nejen pohybovat, ale také vytvářet předpoklady pro jejich sebeorganizaci. Pokud je například na kovové desce kapka vody obsahující thiolové ionty, pak mikroskopická sonda podpoří takovou orientaci těchto molekul, ve které budou jejich dva uhlovodíkové konce odvráceny od desky. V důsledku toho je možné vytvořit monovrstvu molekul thiolu ulpívající na kovové desce (viz obr. 14). Tato metoda vytváření monovrstvy molekul na kovovém povrchu se nazývá „perová nanolitografie“.

Obrázek 14. Vlevo nahoře - konzola (šedá ocel) mikroskopu se skenovací sondou nad kovovou deskou. Vpravo je zvětšený obrázek oblasti (na obrázku vlevo zakroužkovaná bíle) pod konzolovou sondou, která schematicky ukazuje molekuly thiolu s fialovými uhlovodíkovými ocasy seřazenými v monovrstvě na špičce sondy. Upraveno podle Scientific American, 2001, září, str. 44.

Skenovací sondový mikroskop

Nejmladším a zároveň perspektivním směrem ve studiu povrchových vlastností je rastrovací sondová mikroskopie. Sondové mikroskopy mají záznamové rozlišení menší než 0,1 nm. Mohou měřit interakci mezi povrchem a mikroskopickým hrotem, který jej snímá – sondou – a zobrazit trojrozměrný obraz na obrazovce počítače.

Metody sondové mikroskopie umožňují atomy a molekuly nejen vidět, ale také je ovlivňovat. V tomto případě je zvláště důležité, že objekty lze studovat nejen ve vakuu (což je obvyklé u elektronových mikroskopů), ale také v různých plynech a kapalinách.

Tunelový mikroskop pro skenování sondy byl vynalezen v roce 1981 G. Binningem a H. Rohrerem (USA), zaměstnanci IBM Research Center. O pět let později jim byla za tento vynález udělena Nobelova cena.

Binning a Rohrer se pokusili navrhnout zařízení pro studium povrchů menších než 10 nm. Výsledek předčil ta nejdivočejší očekávání: vědcům se podařilo spatřit jednotlivé atomy, jejichž velikost je jen asi jeden nanometr napříč. Činnost rastrovacího tunelového mikroskopu je založena na kvantově mechanickém jevu zvaném tunelový efekt. Velmi tenký kovový hrot – záporně nabitá sonda – je přiveden do těsné blízkosti vzorku, rovněž kovový, kladně nabitý. V tom okamžiku, kdy vzdálenost mezi nimi dosáhne několika meziatomových vzdáleností, začnou jimi elektrony volně procházet - „tunel“: mezerou bude protékat proud.

Pro činnost mikroskopu je velmi důležitá silná závislost síly tunelovacího proudu na vzdálenosti mezi hrotem a povrchem vzorku. Pokud se mezera zmenší pouze o 0,1 nm, proud se zvýší asi 10krát. Proto i nepravidelnosti velikosti atomu způsobují znatelné kolísání velikosti proudu.

Pro získání obrazu sonda skenuje povrch a elektronický systém čte proud. V závislosti na tom, jak se tato hodnota mění, hrot buď klesá nebo stoupá. Systém tak udržuje hodnotu proudu konstantní a trajektorie pohybu hrotu sleduje reliéf povrchu, ohýbá se kolem kopců a prohlubní.

Hrot pohybuje piezoskenerem, což je manipulátor vyrobený z materiálu, který se může měnit vlivem elektrického napětí. Piezo skener má nejčastěji podobu trubice s více elektrodami, které se prodlužují nebo ohýbají a pohybují sondou v různých směrech s přesností na tisíciny nanometru.

Informace o pohybu hrotu jsou převedeny na obraz povrchu, který je bod po bodu sestaven na obrazovce. Pro přehlednost jsou sekce různých výšek natřeny různými barvami.

V ideálním případě by měl být na konci hrotu sondy jeden nepohyblivý atom. Pokud je na konci jehly několik výstupků, může se obraz zdvojnásobit nebo ztrojnásobit. Pro odstranění defektu je jehla vyleptána v kyselině, čímž získá požadovaný tvar.

S pomocí tunelovacího mikroskopu byla učiněna řada objevů. Zjistili například, že atomy na povrchu krystalu jsou uspořádány jinak než uvnitř a často tvoří složité struktury.

Pomocí tunelovacího mikroskopu lze studovat pouze vodivé předměty. Umožňuje však také pozorovat tenká dielektrika ve formě filmu, když jsou umístěna na povrchu vodivého materiálu. A ačkoli tento efekt nebyl dosud plně vysvětlen, přesto se úspěšně používá ke studiu mnoha organických filmů a biologických objektů - proteinů, virů.

Možnosti mikroskopu jsou velké. Pomocí mikroskopické jehly se kresby dokonce nanášejí na kovové desky. K tomu slouží jednotlivé atomy jako „psací“ materiál – ukládají se na povrch nebo z něj odebírají. Zaměstnanci IBM tak v roce 1991 napsali atomy xenonu na povrch niklové destičky s názvem své společnosti – IBM. Písmeno "I" se skládalo pouze z 9 atomů a písmena "B" a "M" - každé 13 atomů.

Další krok ve vývoji rastrovací sondové mikroskopie učinili v roce 1986 Binning, Kveit a Gerber. Vytvořili mikroskop atomových sil. Jestliže v tunelovém mikroskopu hraje rozhodující roli ostrá závislost tunelovacího proudu na vzdálenosti mezi sondou a vzorkem, pak pro mikroskop atomární síly je závislost síly interakce těles na vzdálenosti mezi nimi rozhodující význam.

Sonda mikroskopu atomárních sil je miniaturní elastická destička - konzola. Navíc je jeden jeho konec pevný, zatímco na druhém konci je hrot sondy vytvořen z pevného materiálu - křemíku nebo nitridu křemíku. Při pohybu sondy síly interakce mezi jejími atomy a nerovným povrchem vzorku ohýbají destičku. Dosažením takového pohybu sondy, kdy výchylka zůstává konstantní, je možné získat obraz profilu povrchu. Tento provozní režim mikroskopu, nazývaný kontaktní režim, umožňuje měřit s rozlišením zlomků nanometru nejen reliéf, ale také třecí sílu, elasticitu a viskozitu studovaného předmětu.

Skenování při kontaktu se vzorkem poměrně často vede k jeho deformaci a destrukci. Dopad sondy na povrch může být užitečný například při výrobě mikroobvodů. Sonda však může snadno rozbít tenký polymerní film nebo poškodit bakterii a způsobit její smrt. Aby se tomu zabránilo, je konzola uvedena do rezonančních oscilací v blízkosti povrchu a zaznamenává se změna amplitudy, frekvence nebo fáze oscilací způsobená interakcí s povrchem. Tato metoda umožňuje studovat živé mikroby: oscilující jehla působí na bakterii jako lehká masáž, aniž by ji poškodila, a umožňuje pozorovat její pohyb, růst a dělení.

V roce 1987 I. Martin a K. Vikrama-singh (USA) navrhli použití magnetizované mikrojehly jako hrotu sondy. Výsledkem byl mikroskop magnetické síly.

Takový mikroskop umožňuje vidět jednotlivé magnetické oblasti v materiálu - domény - až do velikosti 10 nm. Používá se také pro ultrahustý záznam informací vytvářením domén na povrchu filmu pomocí polí jehly a permanentního magnetu. Takový záznam je stokrát hustší než na moderních magnetických a optických discích.

Na světovém trhu mikromechaniky, kde mají na starosti takoví giganti jako IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Digital Instruments, se našlo místo i pro Rusko. Hlas malé firmy MDT ze Zelenogradu u Moskvy je slyšet stále hlasitěji.

„Pojďme zkopírovat na talíř, 10krát menší než lidský vlas, skalní kresbu vytvořenou našimi vzdálenými předky,“ navrhuje Denis Shabratov, hlavní technolog. - Počítač ovládá "štětec", sondu - jehlu dlouhou 15 mikronů, o průměru setin mikronu. Jehla se pohybuje po "plátně" a tam, kde se dotkne, se objeví šmouha velikosti atomu. Postupně se na displeji objeví jelen a za ním jezdci.

MDT je ​​jediným výrobcem sondových mikroskopů a sond v zemi. Je jednou ze čtyř světových lídrů. Produkty společnosti jsou nakupovány v USA, Japonsku, Evropě.

A vše začalo tím, že Denis Shabratov a Arkady Gologanov, mladí inženýři jednoho ze zelenogradských ústavů v krizi, přemýšlející o tom, jak žít dál, si vybrali mikromechaniku. Ne bezdůvodně to považovali za nejslibnější směr.

„Neměli jsme komplexy, že bychom museli soutěžit se silnými konkurenty,“ vzpomíná Gologanov. – Samozřejmě, že naše vybavení je horší než to dovezené, ale na druhou stranu to člověka nutí být mazaný, používat mozek. A rozhodně nejsou o nic horší než my. A připravenosti k orbě víc než dost. Pracovali ve dne v noci, žádné dny volna. Nejtěžší nebylo ani vyrobit superminiaturní sondu, ale prodat ji. Víme, že ten náš je nejlepší na světě, křičíme o něm na internetu, bombardujeme klienty faxy, jedním slovem kopeme do nohou jako ta žába - nulová pozornost.

Když se dozvěděli, že jeden z lídrů ve výrobě mikroskopů, japonská společnost Joyle, hledá jehly velmi složitého tvaru, uvědomili si, že je to jejich šance. Objednávka stála hodně sil a nervů, ale dostala almužnu. Peníze ale nebyly to hlavní – teď mohli na plné pecky prohlásit: slavná Joyle je naším zákazníkem. Podobně MDT téměř rok a půl vyrábělo zdarma speciální sondy pro americký Národní institut pro standardy a technologie. A v seznamu klientů se objevilo nové velké jméno.

"Nyní je tok objednávek takový, že již nemůžeme uspokojit všechny," říká Shabratov. - Bohužel, to je specifikum Ruska. Zkušenosti ukazují, že pro nás má smysl vyrábět takto vědecky náročné produkty v malých sériích, přičemž sériová výroba by měla vzniknout v zahraničí, kde nedochází k výpadkům dodávek, jejich nízké kvalitě a volitelným subdodavatelům.“

Vznik rastrovací sondové mikroskopie se úspěšně shodoval se začátkem rychlého rozvoje výpočetní techniky, čímž se otevřely nové možnosti využití sondových mikroskopů. V roce 1998 byl v Centru pokročilých technologií (Moskva) vytvořen model rastrovacího sondového mikroskopu FemtoScan-001, který je rovněž řízen přes internet. Nyní, kdekoli na světě, bude výzkumník moci pracovat na mikroskopu a každý, kdo chce, se může „podívat“ do mikrokosmu, aniž by opustil počítač.

Dnes se takové mikroskopy používají pouze ve vědeckém výzkumu. S jejich pomocí vznikají ty nejsenzačnější objevy v genetice a medicíně, vznikají materiály s úžasnými vlastnostmi. V blízké budoucnosti se však očekává průlom především v medicíně a mikroelektronice. Objeví se mikroroboti, kteří budou dodávat léky cévami přímo do nemocných orgánů, vzniknou miniaturní superpočítače.

Z knihy 100 skvělých vynálezů autor Ryzhov Konstantin Vladislavovič

28. MIKROSKOP Zhruba ve stejné době, kdy začal průzkum vesmíru pomocí dalekohledů, byly učiněny první pokusy odhalit tajemství mikrosvěta pomocí čoček.Je známo, že malé předměty, i když jsou dobře osvětleny, vysílají příliš slabý paprsek na oko

Z knihy Velká sovětská encyklopedie (IO) autora TSB

Z knihy Velká sovětská encyklopedie (MI) autora TSB

Z knihy Velká sovětská encyklopedie (TE) autora TSB

Z knihy Velká sovětská encyklopedie (EL) autora TSB

Z knihy Vše o všem. Svazek 2 autor Likum Arkady

Z knihy Sovětský satirický tisk 1917-1963 autor Stykalin Sergej Iljič

Z knihy 100 slavných vynálezů autor Pristinskij Vladislav Leonidovič

Z knihy Velká encyklopedie techniky autor Tým autorů

Kdo vynalezl mikroskop? Slovo "mikroskop" je řeckého původu: první část znamená "malý", druhá - "pozorovatel". Odtud ten „mikroskop“ – pozorovatel něčeho velmi malého. Je to nástroj používaný ke zkoumání drobných předmětů, nikoli

Z knihy Kdo je kdo ve světě objevů a vynálezů autor Sitnikov Vitalij Pavlovič

* MICROSCOPE Satirický časopis. Vydáno v Novo-Nikolajevsku (nyní Novosibirsk) v roce 1922 (Zdroj: Siberian Sov. Encycl., svazek I, str.

Z autorovy knihy

Z autorovy knihy

Mikroskop Mikroskop je optické zařízení určené k získávání zvětšených obrazů libovolných předmětů nebo detailů struktury těchto předmětů, které nejsou viditelné pouhým okem Obecně je mikroskop soustava sestávající ze dvou čoček, ale

Z autorovy knihy

Rentgenový mikroskop Rentgenový mikroskop je zařízení, které zkoumá mikroskopickou stavbu a strukturu předmětu pomocí rentgenového záření. Rentgenový mikroskop má vyšší limit rozlišení než světelný mikroskop, protože

Z autorovy knihy

Iontový mikroskop Iontový mikroskop je přístroj, který k získání snímků využívá iontový paprsek generovaný plynovým výbojem nebo termionickým iontovým zdrojem. Princip činnosti iontového mikroskopu je podobný jako u elektronového mikroskopu. procházející objektem a

Z autorovy knihy

Mikroskop Mikroskop je optické zařízení, které umožňuje získat obrazy předmětů, které nejsou viditelné pouhým okem. Slouží k pozorování mikroorganismů, buněk, krystalů, slitinových struktur s přesností 0,20 mikronu. Toto rozlišení mikroskopu je nejmenší

Z autorovy knihy

Kdo vynalezl mikroskop? Slovo "mikroskop" je řeckého původu: první část znamená "malý", druhá - "pozorovatel". Odtud ten „mikroskop“ – pozorovatel něčeho velmi malého. Je to nástroj používaný ke zkoumání drobných předmětů, nikoli