Nastavni rad: Skenirajuća sondna mikroskopija. Skenirajući sondni mikroskop Trenutno stanje i razvoj skenirajuće sondne mikroskopije

Uvod

Trenutno se znanstveni i tehnički smjer - nanotehnologija - ubrzano razvija, pokrivajući širok raspon kako temeljnih tako i primijenjenih istraživanja. Ovo je temeljno nova tehnologija koja može riješiti probleme u različitim područjima kao što su komunikacije, biotehnologija, mikroelektronika i energija. Danas više od stotinu mladih tvrtki razvija nanotehnološke proizvode koji će na tržište ući u sljedeće dvije do tri godine.

Nanotehnologije će postati vodeće tehnologije u 21. stoljeću i doprinijet će razvoju gospodarstva i socijalne sfere društva, mogu postati preduvjet za novu industrijsku revoluciju. U prethodnih dvjesto godina napredak u industrijskoj revoluciji postignut je po cijeni od oko 80% zemaljskih resursa. Nanotehnologije će značajno smanjiti količinu potrošnje resursa i neće vršiti pritisak na okoliš, igrat će vodeću ulogu u životu čovječanstva, jer je, na primjer, računalo postalo sastavni dio života ljudi.

Napredak u nanotehnologiji potaknut je razvojem eksperimentalnih metoda istraživanja, od kojih su najinformativnije metode skenirajuće sondne mikroskopije, čiji izum i distribuciju svijet posebno duguje nobelovcima iz 1986. godine - profesoru Heinrichu Rohreru i dr. Gerd Binnig.

Svijet je bio fasciniran otkrićem tako jednostavnih metoda za vizualizaciju atoma, pa čak i sposobnošću da se njima manipulira. Mnoge istraživačke skupine počele su dizajnirati domaće uređaje i eksperimentirati u tom smjeru. Kao rezultat toga, nastao je niz prikladnih shema uređaja, predložene su različite metode za vizualizaciju rezultata interakcije sonde i površine, kao što su: mikroskopija lateralne sile, mikroskopija magnetske sile, mikroskopija za snimanje magnetskih, elektrostatičkih i elektromagnetskih interakcija. Intenzivno su se razvijale metode optičke mikroskopije bliskog polja. Razvijene su metode za usmjereno, kontrolirano djelovanje u sustavu sonda-površina, na primjer, nanolitografija - promjene se javljaju na površini pod djelovanjem električnih, magnetskih utjecaja, plastičnih deformacija i svjetlosti u sustavu sonda-površina. Stvorene su tehnologije za proizvodnju sondi zadanih geometrijskih parametara, s posebnim premazima i strukturama za vizualizaciju različitih površinskih svojstava.

Skenirajuća sondna mikroskopija (SPM) jedna je od moćnih modernih metoda za proučavanje morfologije i lokalnih svojstava čvrste površine visoke prostorne rezolucije. Tijekom proteklih 10 godina, mikroskopija skenirajuće sonde evoluirala je od egzotične tehnike dostupne samo ograničenom broju istraživačkih skupina u široko korišten i uspješno korišten alat za proučavanje svojstava površine. Trenutno gotovo nijedno istraživanje u području fizike površina i tehnologija tankog filma nije dovršeno bez primjene SPM metoda. Razvoj skenirajuće sondne mikroskopije poslužio je i kao osnova za razvoj novih metoda u nanotehnologiji – tehnologije za stvaranje struktura s nanometarskim mjerilima.

1. Povijesna pozadina

Za promatranje malih objekata, Nizozemac Anthony van Leeuwenhoek izumio je mikroskop u 17. stoljeću, otkrivši svijet mikroba. Njegovi mikroskopi bili su nesavršeni i davali su povećanja od 150 do 300 puta. Ali njegovi su sljedbenici poboljšali ovu optičku napravu, postavljajući temelje za mnoga otkrića u biologiji, geologiji i fizici. No, krajem 19. stoljeća (1872.) njemački optičar Ernst Karl Abbe pokazao je da zbog difrakcije svjetlosti rezolucija mikroskopa (odnosno minimalna udaljenost između objekata kada se još ne spajaju u jedan slika) ograničena je valnom duljinom svjetlosti (0,4 - 0,8 µm). Time je uštedio mnogo truda optičara koji su pokušavali izraditi naprednije mikroskope, ali razočarao biologe i geologe koji su izgubili nadu da će dobiti instrument s povećanjem iznad 1500x.

Povijest nastanka elektronskog mikroskopa prekrasan je primjer kako samostalno razvijajuća područja znanosti i tehnologije mogu, razmjenom primljenih informacija i udruživanjem napora, stvoriti novi moćni alat za znanstveno istraživanje. Vrhunac klasične fizike bila je teorija elektromagnetskog polja, koja je objašnjavala širenje svjetlosti, pojavu električnih i magnetskih polja, kretanje nabijenih čestica u tim poljima kao širenje elektromagnetskih valova. Optika valova razjasnila je fenomen difrakcije, mehanizam formiranja slike i igru ​​čimbenika koji određuju razlučivost u svjetlosnom mikroskopu. Uspjehe na području teorijske i eksperimentalne fizike dugujemo otkriću elektrona s njegovim specifičnim svojstvima. Ti odvojeni i naizgled neovisni razvoji doveli su do stvaranja temelja elektronske optike, čija je jedna od najvažnijih primjena bio izum EM-a 1930-ih. Izravnim nagovještajem ove mogućnosti može se smatrati hipoteza o valnoj prirodi elektrona koju je 1924. iznio Louis de Broglie i eksperimentalno potvrdili 1927. K. Davisson i L. Germer u SAD-u i J. Thomson u Engleskoj. Stoga je predložena analogija koja je omogućila konstruiranje EM prema zakonima valne optike. H. Bush je otkrio da se elektroničke slike mogu formirati pomoću električnih i magnetskih polja. U prva dva desetljeća 20.st stvoreni su i potrebni tehnički preduvjeti. Industrijski laboratoriji koji su radili na katodnom osciloskopu osigurali su vakuumsku tehnologiju, stabilne izvore visokog napona i struje te dobre emitere elektrona.

Godine 1931. R. Rudenberg je podnio patentnu prijavu za transmisijski elektronski mikroskop, a 1932. M. Knoll i E. Ruska izgradili su prvi takav mikroskop, koristeći magnetske leće za fokusiranje elektrona. Ovaj instrument bio je preteča modernog optičkog transmisionog elektronskog mikroskopa (OTEM). (Ruska je za svoj rad nagrađen osvajanjem Nobelove nagrade za fiziku 1986.) Godine 1938. Ruska i B. von Borries izgradili su prototip industrijskog OPEM-a za Siemens-Halske u Njemačkoj; ovaj instrument je na kraju omogućio postizanje rezolucije od 100 nm. Nekoliko godina kasnije, A. Prebus i J. Hiller izgradili su prvi OPEM visoke rezolucije na Sveučilištu u Torontu (Kanada).

Široke mogućnosti OPEM-a postale su očite gotovo odmah. Njegovu industrijsku proizvodnju istovremeno su pokrenuli Siemens-Halske u Njemačkoj i RCA Corporation u SAD-u. Krajem 1940-ih druge su tvrtke počele proizvoditi takve uređaje.

SEM u sadašnjem obliku izumio je Charles Otley 1952. godine. Istina, preliminarne verzije takvog uređaja izgradili su Knoll u Njemačkoj 1930-ih i Zworykin sa zaposlenicima u RCA korporaciji 1940-ih, ali samo je Otley uređaj mogao poslužiti kao osnova za niz tehničkih poboljšanja koja su kulminirala u uvođenje industrijske verzije SEM-a u proizvodnju sredinom 1960-ih. Krug potrošača takvog prilično jednostavnog uređaja s trodimenzionalnom slikom i elektroničkim izlaznim signalom proširio se brzinom eksplozije. Trenutno postoji desetak industrijskih SEM proizvođača na tri kontinenta i deseci tisuća takvih uređaja koji se koriste u laboratorijima diljem svijeta. Šezdesetih godina prošlog stoljeća razvijeni su ultravisokonaponski mikroskopi za proučavanje debljih uzoraka. , gdje je uređaj s ubrzanim naponom od 3,5 milijuna volti pušten je u rad 1970. RTM su izumili G. Binnig i G. Rohrer u Zürichu 1979. Ovaj vrlo jednostavan uređaj omogućuje atomsku razlučivost površina. Binnig i Rohrer (istovremeno s Ruskom) dobili su Nobelovu nagradu za stvaranje RTM-a.

Skenirajući mikroskop sonde izumili su 1986. Rohrer i Binnig. Od svog izuma, STM se naširoko koristi od strane znanstvenika različitih specijalnosti, pokrivajući gotovo sve prirodoslovne discipline, od temeljnih istraživanja u fizici, kemiji, biologiji, do specifičnih tehnoloških primjena. Princip rada STM-a je toliko jednostavan, a potencijalne mogućnosti tolike da je nemoguće predvidjeti njegov utjecaj na znanost i tehnologiju ni u bliskoj budućnosti.

Kako se kasnije pokazalo, gotovo svaka interakcija vrha sonde s površinom (mehanička, magnetska) može se uz pomoć odgovarajućih instrumenata i računalnih programa pretvoriti u sliku površine.

Instalacija mikroskopa sonde za skeniranje sastoji se od nekoliko funkcionalnih blokova prikazanih na Sl. 1. Ovo je, prvo, sam mikroskop s piezomanipulatorom za upravljanje sondom, tunelskim strujno-naponskim pretvaračem i koračnim motorom za dovod uzorka; blok analogno-digitalnih i digitalno-analognih pretvarača i visokonaponskih pojačala; upravljačka jedinica koračnog motora; ploča s procesorom signala koji izračunava povratni signal; računalo koje prikuplja informacije i pruža korisničko sučelje. Strukturno, DAC i ADC jedinica ugrađena je u isto kućište s upravljačkom jedinicom koračnog motora. Ploča s procesorom signala (DSP - Digital Signal Processor) ADSP 2171 tvrtke Analog Devices instalirana je u ISA utor za proširenje osobnog računala.

Opći prikaz mehaničkog sustava mikroskopa prikazan je na sl. 2. Mehanički sustav uključuje bazu s piezomanipulatorom i glatki sustav za dovod uzorka na koračni motor s mjenjačem i dvije uklonjive mjerne glave za rad u režimima skeniranja tunela i mikroskopije atomske sile. Mikroskop omogućuje dobivanje stabilne atomske rezolucije na tradicionalnim ispitnim površinama bez upotrebe dodatnih seizmičkih i akustičkih filtara.

2. Principi rada skenirajućih sondnih mikroskopa

U skenirajućim sondnim mikroskopima proučavanje površinskog mikroreljefa i njegovih lokalnih svojstava provodi se pomoću posebno pripremljenih sondi u obliku igala. Radni dio takvih sondi (vrh) je veličine oko deset nanometara. Karakteristična udaljenost između sonde i površine uzorka u sondnim mikroskopima je 0,1 – 10 nm po redu veličine. Rad sonde mikroskopa temelji se na različitim vrstama interakcije između sonde i površine. Dakle, rad tunelskog mikroskopa temelji se na fenomenu tunelske struje koja teče između metalne igle i vodljivog uzorka; Različiti tipovi interakcije sila su u osnovi rada mikroskopa atomske sile, magnetske sile i električne sile. Razmotrimo zajednička obilježja koja su svojstvena raznim sondnim mikroskopima. Neka interakcija sonde s površinom bude okarakterizirana nekim parametrom P. Ako postoji dovoljno oštra i jedna-na-jedan ovisnost parametra P o udaljenosti sonde-uzorak, tada se ovaj parametar može koristiti za organiziranje povratne sprege sustav (FS) koji kontrolira udaljenost između sonde i uzorka. Na sl. Slika 3 shematski prikazuje opći princip organizacije povratne sprege SPM-a.

Sustav povratne sprege održava konstantnu vrijednost parametra R, jednaku vrijednosti koju je odredio operater. Ako se promijeni udaljenost površine sonde, tada se mijenja parametar P. U OS sustavu se generira signal razlike koji je proporcionalan vrijednosti ΔP = P - P, koji se pojačava na željenu vrijednost i dovodi do pokretačkog elementa IE. Element za aktiviranje obrađuje ovaj signal razlike tako što pomiče sondu bliže površini ili je odmiče sve dok signal razlike ne postane nula. na taj se način može održavati udaljenost između sonde i uzorka s velikom točnošću. Kada se sonda kreće duž površine uzorka, parametar interakcije P mijenja se zbog topografije površine. OS sustav razrađuje te promjene, tako da kada se sonda kreće u X, Y ravnini, signal na pokretačkom elementu ispada proporcionalan topografiji površine. Za dobivanje SPM slike provodi se posebno organiziran proces skeniranja uzorka. Prilikom skeniranja, sonda se najprije kreće po uzorku duž određene linije (line scan), dok se vrijednost signala na pokretačkom elementu, proporcionalna topografiji površine, bilježi u memoriji računala. Zatim se sonda vraća na početnu točku i prelazi na sljedeću liniju skeniranja (frame scan), a proces se ponovno ponavlja. Ovako snimljen povratni signal tijekom skeniranja obrađuje se računalom, a zatim se pomoću računalne grafike konstruira SPM slika topografije površine. Uz proučavanje topografije površine, sondni mikroskopi omogućuju proučavanje različitih svojstava površine: mehaničkih, električnih, magnetskih, optičkih i drugih.

3. Skenirajući elementi (skeneri) sondnih mikroskopa

3.1 Elementi skeniranja

Za rad sonde mikroskopa potrebno je kontrolirati radnu udaljenost sonde-uzorak i pomicati sondu u ravnini uzorka s velikom točnošću (na razini frakcija angstroma). Taj se problem rješava uz pomoć posebnih manipulatora - elemenata za skeniranje (skenera). Elementi za skeniranje sonde mikroskopa izrađeni su od piezoelektrika, materijala s piezoelektričnim svojstvima. Piezoelektrici mijenjaju svoje dimenzije u vanjskom električnom polju. Jednadžba za inverzni piezoelektrični efekt za kristale je zapisana kao:

gdje je u tenzor deformacije, E komponente električnog polja, a d komponente tenzora piezoelektričnog koeficijenta. Oblik tenzora piezoelektričnog koeficijenta određen je vrstom kristalne simetrije.

U raznim tehničkim primjenama naširoko se koriste pretvarači od piezokeramičkih materijala. Piezokeramika je polarizirani polikristalni materijal dobiven sinteriranjem praha iz kristalnih feroelektrika. Polarizacija keramike provodi se na sljedeći način. Keramika se zagrijava iznad Curie temperature (za većinu piezokeramike ta je temperatura manja od 300C), a zatim se polako hladi u jakom (oko 3 kV/cm) električnom polju. Nakon hlađenja, piezokeramika je inducirala polarizaciju i stječe sposobnost mijenjanja svojih dimenzija (povećanje ili smanjenje ovisno o međusobnom smjeru vektora polarizacije i vektora vanjskog električnog polja).

Cjevasti piezoelektrični elementi se široko koriste u mikroskopiji skenirajuće sonde (slika 4.). Oni omogućuju postizanje dovoljno velikih pomaka objekata pri relativno malim upravljačkim naponima. Cjevasti piezoelektrični elementi su šuplji cilindri tankih stijenki izrađeni od piezokeramičkih materijala. Obično se elektrode u obliku tankih metalnih slojeva talože na vanjsku i unutarnju površinu cijevi, dok krajevi cijevi ostaju neobloženi.

Pod utjecajem razlike potencijala između unutarnje i vanjske elektrode, cijev mijenja svoje uzdužne dimenzije. U ovom slučaju, uzdužna deformacija pod djelovanjem radijalnog električnog polja može se zapisati kao:

gdje je l duljina cijevi u nedeformiranom stanju. Apsolutno produljenje piezocijevi je

gdje je h debljina stijenke piezocijevi, V je razlika potencijala između unutarnje i vanjske elektrode. Dakle, pri istom naponu V, produljenje cijevi će biti to veće, što je veća njezina duljina, a što je manja debljina stijenke.

Spajanje tri cijevi u jedan čvor omogućuje organiziranje preciznih pomicanja sonde mikroskopa u tri međusobno okomita smjera. Takav element za skeniranje naziva se tronožac.

Nedostaci takvog skenera su složenost izrade i jaka asimetrija dizajna. Do danas su skeneri bazirani na jednom cjevastom elementu najšire korišteni u mikroskopiji skenirajuće sonde. Opći pogled na cjevasti skener i raspored elektroda prikazani su na sl. 5. Materijal cijevi ima radijalni smjer vektora polarizacije.

Unutarnja elektroda je obično čvrsta. Vanjska elektroda skenera podijeljena je duž tvornica cilindra u četiri dijela. Kada se antifazni naponi primjenjuju na suprotne dijelove vanjske elektrode (u odnosu na unutarnju), dio cijevi se skuplja na mjestu gdje se smjer polja poklapa sa smjerom polarizacije, a rastezanje nastaje tamo gdje su usmjereni u suprotnim smjerovima. To uzrokuje savijanje cijevi u odgovarajućem smjeru. Dakle, skeniranje se provodi u ravnini X, Y. Promjena potencijala unutarnje elektrode u odnosu na sve vanjske presjeke dovodi do produljenja ili kontrakcije cijevi duž osi Z. Tako je moguće organizirati tri -koordinatni skener baziran na jednoj piezocijevi. Pravi elementi za skeniranje često imaju složeniji dizajn, ali principi njihova rada ostaju isti.

Široko se koriste i skeneri na bazi bimorfnih piezoelektričnih elemenata. Bimorf su dvije piezoelektrične ploče zalijepljene jedna uz drugu na način da su vektori polarizacije u svakoj od njih usmjereni u suprotnim smjerovima (slika 6.). Ako se napon primjenjuje na bimorfne elektrode, kao što je prikazano na sl. 6, tada će se jedna od ploča proširiti, a druga će se skupiti, što će dovesti do savijanja cijelog elementa. U stvarnim projektima bimorfnih elemenata stvara se razlika potencijala između unutarnje zajedničke i vanjske elektrode tako da se u jednom elementu polje poklapa sa smjerom vektora polarizacije, a u drugom je usmjereno suprotno.

Bimorfno savijanje pod djelovanjem električnih polja osnova je za rad bimorfnih piezoskenera. Kombinacijom tri bimorfna elementa u jednoj konstrukciji moguće je implementirati stativ na bimorfnim elementima.

Ako su vanjske elektrode bimorfnog elementa podijeljene u četiri sektora, tada je moguće organizirati kretanje sonde duž osi Z i u ravnini X, Y na jednom bimorfnom elementu (slika 7).

Doista, primjenom antifaznih napona na suprotne parove sekcija vanjskih elektroda, moguće je savijati bimorf tako da će se sonda kretati u ravnini X, Y (slika 7 (a, b)). A promjenom potencijala unutarnje elektrode u odnosu na sve dijelove vanjskih elektroda, moguće je savijati bimorf pomicanjem sonde u smjeru Z (slika 7 (c, d)).

3.2 Nelinearnost piezokeramike

Unatoč brojnim tehnološkim prednostima u odnosu na kristale, piezokeramika ima neke nedostatke koji negativno utječu na rad skenirajućih elemenata. Jedan takav nedostatak je nelinearnost piezoelektričnih svojstava. Na sl. 8, kao primjer, prikazana je ovisnost pomaka piezocijevi u smjeru Z o veličini primijenjenog polja. U općem slučaju (osobito pri visokim kontrolnim poljima) piezokeramiku karakterizira nelinearna ovisnost deformacija o polju (ili o upravljačkom naponu).

Dakle, deformacija piezokeramike je složena funkcija vanjskog električnog polja:

Za mala kontrolna polja ova se ovisnost može predstaviti u sljedećem obliku:

u = d* E+ α* E*E+…

gdje su d i α linearni i kvadratni moduli piezoelektričnog efekta.

Tipične vrijednosti polja E, na kojima se počinju pokazivati ​​nelinearni efekti, reda su 100 V/mm. Stoga se za ispravan rad elemenata za skeniranje obično koriste kontrolna polja u području linearnosti keramike (E< Е) .

skenirajući sondni elektronski mikroskop

3.3 Piezo keramičko puzanje i piezo keramička histereza

Drugi nedostatak piezokeramike je takozvano puzanje (creep – creep) – kašnjenje u odgovoru na promjenu veličine kontrolnog električnog polja.

Puzanje dovodi do geometrijskih izobličenja povezanih s ovim efektom na SPM slikama. Puzanje je posebno snažno kada se skeneri dovedu do određene točke za lokalna mjerenja iu početnim fazama procesa skeniranja. Kako bi se smanjio učinak keramičkog puzanja, u tim se procesima primjenjuju vremenske odgode, koje omogućuju djelomičnu kompenzaciju kašnjenja skenera.

Drugi nedostatak piezokeramike je nejasnoća ovisnosti istezanja o smjeru promjene električnog polja (histereza).

To dovodi do činjenice da se, pri istim upravljačkim naponima, piezokeramika nalazi na različitim točkama putanje, ovisno o smjeru kretanja. Kako bi se isključila izobličenja SPM slika zbog histereze piezokeramike, podaci se bilježe pri skeniranju uzoraka samo na jednoj od grana ovisnosti.

4. Uređaji za precizno pomicanje sonde i uzorka

4.1 Mehanički mjenjači

Jedan od važnih tehničkih problema u mikroskopiji skenirajuće sonde je potreba za preciznim pomicanjem sonde i uzorka kako bi se formirao radni razmak mikroskopa i odabralo područje površine za proučavanje. Za rješavanje ovog problema koriste se razne vrste uređaja koji pomiču objekte s velikom točnošću. Široko se koriste različiti mehanički mjenjači, u kojima grubo kretanje početnog pokretača odgovara finom kretanju predmeta koji se pomiče. Načini smanjenja pomaka mogu biti različiti. Široko se koriste polužni uređaji u kojima se smanjenje količine kretanja provodi zbog razlike u duljini krakova poluga. Shema polužnog mjenjača prikazana je na sl. 9.

Mehanička poluga omogućuje smanjenje pomaka s koeficijentom

Dakle, što je veći omjer kraka L i kraka l, to je moguće točnije kontrolirati proces približavanja sondi i uzorku.

Također, u dizajnu mikroskopa široko se koriste mehanički mjenjači kod kojih se smanjenje pomaka postiže zbog razlike u koeficijentima krutosti dvaju serijski spojenih elastičnih elemenata (slika 10.). Dizajn se sastoji od krute baze, opruge i elastične grede. Krutost opruge k i elastične grede K biraju se na način da je ispunjen sljedeći uvjet: k< K .

Faktor redukcije jednak je omjeru koeficijenata krutosti elastičnih elemenata:

Dakle, što je veći omjer krutosti grede i krutosti opruge, to se može preciznije kontrolirati pomak radnog elementa mikroskopa.

4.2 Koračni motori

Koračni motori (SHED) su elektromehanički uređaji koji pretvaraju električne impulse u diskretna mehanička kretanja. Važna prednost koračnih motora je što daju nedvosmislenu ovisnost položaja rotora o ulaznim strujnim impulsima, tako da je kut rotacije rotora određen brojem upravljačkih impulsa. U SHED-u, zakretni moment stvaraju magnetski tokovi koje generiraju polovi statora i rotora, koji su prikladno orijentirani jedan prema drugom.

Najjednostavniji dizajn su motori s trajnim magnetima. Sastoje se od statora koji ima namote i rotora koji sadrži trajne magnete. Na sl. Slika 11 prikazuje pojednostavljeni dizajn koračnog motora.

Izmjenični polovi rotora imaju pravolinijski oblik i paralelni su s osi motora. Motor prikazan na slici ima 3 para polova rotora i 2 para polova statora. Motor ima 2 neovisna namota, od kojih je svaki namotan na dva suprotna pola statora. prikazani motor ima veličinu koraka od 30 stupnjeva. Kada se struja uključi u jednom od namota, rotor teži zauzeti položaj u kojem su suprotni polovi rotora i statora jedan nasuprot drugome. Za kontinuiranu rotaciju, morate naizmjenično uključiti namote.

U praksi se koriste koračni motori koji imaju složeniji dizajn i omogućuju od 100 do 400 koraka po okretaju rotora. Ako je takav motor uparen s navojnom vezom, tada se s korakom navoja od oko 0,1 mm osigurava točnost pozicioniranja objekta od oko 0,25 - 1 mikrona. Za povećanje točnosti koriste se dodatni mehanički mjenjači. Mogućnost električnog upravljanja omogućuje učinkovito korištenje SHED-a u automatiziranim sustavima za pristup sondi i uzorku skenirajućih sondnih mikroskopa.

4.3 Piezo koračni motori

Zahtjevi za dobrom izolacijom uređaja od vanjskih vibracija i potreba rada sonde mikroskopa u vakuumskim uvjetima nameću ozbiljna ograničenja na korištenje čisto mehaničkih uređaja za pomicanje sonde i uzorka. U tom smislu, uređaji bazirani na piezoelektričnim pretvaračima, koji omogućuju daljinsko upravljanje kretanjem objekata, imaju široku primjenu u sondnim mikroskopima.

Jedan od dizajna koračnog inercijalnog piezoelektričnog motora prikazan je na sl. 12. Ovaj uređaj sadrži bazu (1) na koju je pričvršćena piezoelektrična cijev (2). Cijev ima elektrode (3) na vanjskoj i unutarnjoj površini. Na kraju cijevi pričvršćena je razdvojena opruga (4), koja je cilindar s odvojenim opružnim laticama. Držač predmeta (5) je ugrađen u oprugu - prilično masivan cilindar s poliranom površinom. Predmet koji se pomiče može se pričvrstiti na držač oprugom ili spojnom maticom, što omogućuje rad uređaja u bilo kojoj orijentaciji u prostoru.

Uređaj radi na sljedeći način. Za pomicanje držača predmeta u smjeru osi Z, na elektrode piezocijevi primjenjuje se pilasti impulsni napon (slika 13).

Na blagom rubu pilastog napona, cijev se glatko produljuje ili skuplja ovisno o polaritetu napona, a njezin se kraj, zajedno s oprugom i držačem predmeta, pomiče za udaljenost:

U trenutku kada se napon pilasti otpusti, cijev se vraća u prvobitni položaj s ubrzanjem a, koje u početku ima maksimalnu vrijednost:

gdje je ω rezonantna frekvencija uzdužnih oscilacija cijevi. Kada je stanje 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. Zaštita sondnih mikroskopa od vanjskih utjecaja

5.1 Zaštita od vibracija

Za zaštitu uređaja od vanjskih vibracija koriste se različite vrste sustava za izolaciju vibracija. Konvencionalno se mogu podijeliti na pasivne i aktivne. Glavna ideja sustava pasivne izolacije vibracija je sljedeća. Amplituda prisilnih oscilacija mehaničkog sustava brzo opada s povećanjem razlike između frekvencije pobudne sile i prirodne rezonantne frekvencije sustava (tipična amplitudno-frekvencijska karakteristika (AFC) oscilatornog sustava prikazana je u slika 14).

Stoga vanjski utjecaji s frekvencijama ω > ω praktički nemaju primjetan učinak na oscilatorni sustav. Stoga, ako se mjerna glava sonde mikroskopa postavi na platformu za izolaciju vibracija ili na elastični ovjes (slika 15), tada će samo vanjske vibracije s frekvencijama bliskim rezonantnoj frekvenciji sustava za izolaciju vibracija proći na tijelo mikroskopa. Budući da su prirodne frekvencije SPM glava 10-100 kHz, odabirom dovoljno niske rezonantne frekvencije sustava za izolaciju vibracija (reda 5-10 Hz), moguće je učinkovito zaštititi uređaj od vanjskih vibracija. Kako bi se prigušile oscilacije na prirodnim rezonantnim frekvencijama, u sustave za izolaciju vibracija uvode se disipativni elementi s viskoznim trenjem.

Dakle, kako bi se osigurala učinkovita zaštita, potrebno je da rezonantna frekvencija sustava za izolaciju vibracija bude što niža. Međutim, vrlo niske frekvencije je teško realizirati u praksi.

Za zaštitu SPM glava uspješno se koriste aktivni sustavi za suzbijanje vanjskih vibracija. Takvi uređaji su elektromehanički sustavi s negativnom povratnom spregom, što osigurava stabilan položaj platforme za izolaciju vibracija u prostoru (slika 16.).

5.2 Zaštita od akustične buke

Drugi izvor vibracija strukturnih elemenata sonde mikroskopa je akustični šum različite prirode.

Značajka akustične interferencije je da akustični valovi izravno utječu na strukturne elemente SPM glava, što dovodi do vibracija sonde u odnosu na površinu uzorka koji se proučava. Kako bi se SPM zaštitio od akustičnih smetnji, koriste se različite zaštitne kapice za značajno smanjenje razine akustičkih smetnji u području radnog zazora mikroskopa. Najučinkovitija zaštita od akustičnih smetnji je postavljanje mjerne glave sonde mikroskopa u vakuumsku komoru (slika 17).

5.3 Stabilizacija toplinskog pomaka položaja sonde iznad površine

Jedan od važnih problema SPM-a je problem stabilizacije položaja sonde na površini ispitivanog uzorka. Glavni izvor nestabilnosti položaja sonde je promjena temperature okoline ili zagrijavanje strukturnih elemenata sonde mikroskopa tijekom njegovog rada. Promjena temperature čvrste tvari dovodi do pojave termoelastičnih deformacija. Takve deformacije imaju vrlo značajan utjecaj na rad sonde mikroskopa. Za smanjenje toplinskog pomaka koristi se kontrola temperature SPM mjernih glava ili se u dizajn glava uvode toplinski kompenzacijski elementi. Ideja toplinske kompenzacije je sljedeća. Bilo koji SPM dizajn može se predstaviti kao skup elemenata s različitim koeficijentima toplinskog širenja (slika 18 (a)).

Kako bi se kompenzirao toplinski pomak, u konstrukciju SPM mjernih glava uvode se kompenzacijski elementi s različitim koeficijentima ekspanzije, tako da je zadovoljen uvjet da je zbroj toplinskih ekspanzija u različitim krakovima konstrukcije jednak nuli:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Najjednostavniji način za smanjenje toplinskog pomaka položaja sonde duž Z osi je uvođenje kompenzacijskih elemenata izrađenih od istog materijala i istih karakterističnih dimenzija kao i glavni strukturni elementi u dizajn SPM-a (slika 18 (b)). Kada se temperatura ovog dizajna promijeni, pomak sonde u smjeru Z bit će minimalan. Za stabilizaciju položaja sonde u ravnini X, Y, mjerne glave mikroskopa izrađene su u obliku aksijalno simetričnih struktura.

6. Formiranje i obrada SPM slika

6.1 Proces skeniranja

Proces površinskog skeniranja u skenirajućem sondnom mikroskopu sličan je kretanju elektronske zrake po ekranu u TV katodnoj cijevi. Sonda se pomiče duž linije (linije), prvo u naprijed, a zatim u suprotnom smjeru (line scan), a zatim se pomiče na sljedeći red (frame scan) (slika 19.). Kretanje sonde vrši se uz pomoć skenera u malim koracima pod djelovanjem pilastih napona koje generiraju digitalno-analogni pretvarači. Registriranje podataka o topografiji površine vrši se u pravilu na ravnom prolazu.

Informacije dobivene pomoću skenirajućeg sondnog mikroskopa pohranjuju se kao SPM okvir - dvodimenzionalni niz cijelih brojeva a (matrica). Fizičko značenje ovih brojeva određeno je vrijednošću koja je digitalizirana tijekom procesa skeniranja. Svaka vrijednost para indeksa ij odgovara određenoj točki površine unutar polja skeniranja. Koordinate točaka površine izračunavaju se jednostavnim množenjem odgovarajućeg indeksa s razmakom između točaka na kojima su informacije zabilježene.

U pravilu, SPM okviri su kvadratne matrice veličine 2 (uglavnom 256x256 i 512x512 elemenata). Vizualizacija SPM okvira se izvodi pomoću računalne grafike, uglavnom u obliku trodimenzionalnih (3D) i dvodimenzionalnih svjetlinskih (2D) slika. U 3D vizualizaciji, slika površine se gradi u aksonometrijskoj perspektivi pomoću piksela ili linija. Osim toga, koriste se različite metode isticanja piksela koji odgovaraju različitim visinama površinskog reljefa. Najučinkovitiji način kolorizacije 3D slika je simulacija uvjeta osvjetljenja površine točkastim izvorom koji se nalazi u nekoj točki u prostoru iznad površine (slika 20). U ovom slučaju moguće je naglasiti malu neravninu reljefa. Također, pomoću računalne obrade i grafike implementirano je skaliranje i rotacija 3D SPM slika. U 2D renderiranju svakoj točki na površini dodjeljuje se boja. Najviše se koriste palete s gradijentom, u kojima se bojanje slike vrši tonom određene boje u skladu s visinom točke površine.

Lokalna mjerenja SPM-a u pravilu su povezana s registracijom ovisnosti proučavanih veličina o različitim parametrima. Na primjer, to su ovisnosti veličine električne struje kroz kontakt sonde-površina o primijenjenom naponu, ovisnosti različitih parametara interakcije sile između sonde i površine o udaljenosti sonde-uzorak, itd. informacije se pohranjuju u obliku vektorskih nizova ili u obliku matrica 2 x N. Za njihovu vizualizaciju Softver mikroskopa pruža skup standardnih alata za prikaz grafova funkcija.

6.2 Metode za izradu i obradu slika

Prilikom proučavanja svojstava objekata pomoću skenirajuće sonde, glavni rezultat znanstvenog istraživanja su u pravilu trodimenzionalne slike površine tih objekata. Adekvatnost interpretacije slika ovisi o kvalifikacijama stručnjaka. Istodobno, pri obradi i izgradnji slika koristi se niz tradicionalnih tehnika kojih biste trebali biti svjesni prilikom analize slika. Skenirajući sondni mikroskop pojavio se u vrijeme intenzivnog razvoja računalne tehnologije. Stoga je prilikom snimanja trodimenzionalnih slika koristio digitalne metode pohrane informacija razvijene za računala. To je rezultiralo značajnom praktičnošću u analizi i obradi slike, ali je kvaliteta fotografije svojstvena metodama elektronske mikroskopije morala biti žrtvovana. Informacije dobivene pomoću probnog mikroskopa predstavljaju se u računalu u obliku dvodimenzionalne matrice cijelih brojeva. Svaki broj u ovoj matrici, ovisno o načinu skeniranja, može biti vrijednost tunelske struje, ili vrijednost otklona, ​​ili vrijednost neke složenije funkcije. Ako ovu matricu pokažete osobi, tada neće moći dobiti nikakvu koherentnu ideju o površini koja se proučava. Dakle, prvi problem je pretvoriti brojeve u čitljiv oblik. To se radi na sljedeći način. Brojevi u izvornoj matrici leže u određenom rasponu, postoje minimalne i maksimalne vrijednosti. Ovom rasponu cijelih brojeva dodijeljena je paleta boja. Dakle, svaka vrijednost matrice se preslikava na točku određene boje na pravokutnoj slici. Redak i stupac koji sadrže ovu vrijednost postaju koordinate točke. Kao rezultat, dobivamo sliku na kojoj je, primjerice, visina površine prenesena u boji – kao na geografskoj karti. Ali na karti se obično koriste samo deseci boja, a na našoj slici ih ima stotine i tisuće. Radi lakše percepcije, točke koje su bliske visine trebale bi se prenijeti u sličnim bojama. Može se pokazati, a u pravilu uvijek bude, da je raspon početnih vrijednosti veći od broja mogućih boja. U ovom slučaju dolazi do gubitka informacija, a povećanje broja boja nije izlaz, jer su sposobnosti ljudskog oka ograničene. Potrebna je dodatna obrada informacija, a ovisno o zadacima obrada bi trebala biti različita. Neki ljudi trebaju vidjeti cijelu sliku, dok drugi žele vidjeti detalje. Za to se koriste različite metode.

6.3 Oduzimanje konstantnog nagiba

Slike površine snimljene sondnim mikroskopima obično imaju opći nagib. To može biti zbog nekoliko razloga. Prvo, nagib se može pojaviti zbog netočnog pozicioniranja uzorka u odnosu na sondu; drugo, može se povezati s temperaturnim pomakom, što dovodi do pomaka sonde u odnosu na uzorak; treće, to može biti zbog nelinearnosti gibanja piezoskenera. Velika količina korisnog prostora u SPM okviru troši se na prikaz nagiba, pa mali detalji slike postaju nevidljivi. Kako bi se uklonio ovaj nedostatak, izvodi se operacija oduzimanja konstantnog nagiba. Da biste to učinili, u prvoj fazi, aproksimirajuća ravnina se nalazi metodom najmanjih kvadrata

R(h,y), koji ima minimalna odstupanja od topografije površine Z = f(x,y), tada se ta ravnina oduzima od SPM slike. Preporučljivo je izvršiti oduzimanje na različite načine, ovisno o prirodi nagiba.

Ako je nagib na SPM slici posljedica nagiba uzorka u odnosu na uzorak sonde, tada je preporučljivo zarotirati ravninu za kut koji odgovara kutu između normale na ravninu i Z osi; u ovom slučaju se koordinate površine Z = f(x,y) transformiraju u skladu s transformacijama prostorne rotacije. Međutim, ovom transformacijom moguće je dobiti sliku površine u obliku viševrijedne funkcije Z = f(x, y). Ako je nagib posljedica toplinskog pomaka, tada se postupak oduzimanja nagiba svodi na oduzimanje Z - koordinata ravnine od Z - koordinata SPM slike:

Rezultat je niz s manjim rasponom vrijednosti, a fini detalji na slici odrazit će se u više boja, postajući vidljiviji.

6.4 Uklanjanje izobličenja povezanih s neidealnim skenerom

Nesavršenost svojstava skenera dovodi do činjenice da SPM slika sadrži niz specifičnih izobličenja. Neke od neidealnosti skenera, kao što su neravnomjerni hod skenera naprijed i natrag (histereza), puzanje i nelinearnost piezokeramike kompenziraju se hardverom i izborom optimalnih načina skeniranja. Međutim, unatoč tome, SPM slike sadrže izobličenja koja je teško eliminirati na hardverskoj razini. Konkretno, budući da kretanje skenera u ravnini uzorka utječe na položaj sonde iznad površine, SPM slike su superpozicija stvarnog reljefa i neke površine drugog (i često višeg) reda.

Kako bi se otklonila ova vrsta izobličenja, metoda najmanjih kvadrata se koristi za pronalaženje aproksimativne površine drugog reda R(x,y), koja ima minimalna odstupanja od izvorne funkcije Z = f(x,y), a zatim je ta površina oduzeto od izvorne SPM slike:

Druga vrsta izobličenja povezana je s nelinearnošću i neortogonalnošću kretanja skenera u ravnini X, Y. To dovodi do izobličenja geometrijskih proporcija u različitim dijelovima SPM slike površine. Kako bi se uklonila takva izobličenja, postupak ispravljanja SPM slika provodi se pomoću datoteke korekcijskih koeficijenata, koja se stvara prilikom skeniranja testnih struktura s dobro poznatim reljefom određenim skenerom.

6.5 Filtriranje SPM slika

Šum opreme (uglavnom šum visokoosjetljivih ulaznih pojačala), nestabilnost kontakta sonde i uzorka tijekom skeniranja, vanjski akustični šum i vibracije dovode do činjenice da SPM slike, uz korisne informacije, imaju i komponentu šuma. Djelomično se šum SPM slika može ukloniti softverom.

6.6 Filtriranje medijana

Dobri rezultati u uklanjanju visokofrekventnog slučajnog šuma u SPM okvirima postižu se medijanskim filtriranjem. Ovo je nelinearna metoda obrade slike, čija se bit može objasniti na sljedeći način. Odabire se radni filtarski prozor koji se sastoji od nxn točaka (za određenost uzimamo prozor 3 x 3, tj. koji sadrži 9 točaka (slika 24)).

U procesu filtriranja ovaj se prozor pomiče po okviru od točke do točke, a izvodi se sljedeći postupak. Vrijednosti amplitude SPM slike u točkama ovog prozora poredane su uzlaznim redoslijedom, a vrijednost u središtu sortiranog retka smještena je u središnju točku prozora. Zatim se prozor pomiče na sljedeću točku, a postupak sortiranja se ponavlja. Dakle, snažni nasumični odstupnici i padovi u takvom sortiranju uvijek završe na rubu sortiranog niza i neće biti uključeni u konačnu (filtriranu) sliku. Ovom obradom na rubovima okvira ostaju nefiltrirana područja koja se u konačnoj slici odbacuju.

6.7 Metode za obnavljanje površine iz njezine SPM slike

Jedan od nedostataka svojstvenih svim metodama skenirajuće sonde mikroskopije je konačna veličina radnog dijela korištenih sondi. To dovodi do značajnog pogoršanja prostorne razlučivosti mikroskopa i značajnih izobličenja u SPM slikama pri skeniranju površina s reljefnim nepravilnostima usporedivim s karakterističnim dimenzijama radnog dijela sonde.

Zapravo, slika dobivena u SPM-u je "konvolucija" sonde i površine koja se proučava. Proces "konvolucije" oblika sonde s reljefom površine ilustriran je u jednodimenzionalnom slučaju na Sl. 25.

Djelomično se ovaj problem može riješiti nedavno razvijenim metodama rekonstrukcije SPM slika, koje se temelje na računalnoj obradi SPM podataka, uzimajući u obzir specifičan oblik sondi. Najučinkovitija metoda rekonstrukcije površine je metoda numeričke dekonvolucije, koja koristi oblik sonde dobiven eksperimentalno pri skeniranju testnih (s dobro poznatom topografijom površine) struktura.

Treba napomenuti da je potpuna obnova površine uzorka moguća samo ako su ispunjena dva uvjeta: sonda je tijekom skeniranja dodirnula sve točke površine, a u svakom trenutku sonda je dodirnula samo jednu točku površine. Ako sonda tijekom skeniranja ne može dosegnuti neka područja površine (na primjer, ako uzorak ima previsoke dijelove reljefa), tada dolazi do samo djelomične obnove reljefa. Štoviše, što je veći broj površinskih točaka koje je sonda dodirnula tijekom skeniranja, to se površina može pouzdanije rekonstruirati.

U praksi, SPM slika i eksperimentalno određen oblik sonde su dvodimenzionalni nizovi diskretnih vrijednosti, za koje je derivacija slabo definirana veličina. Stoga se umjesto izračunavanja derivacije diskretnih funkcija u praksi, u numeričkoj dekonvoluciji SPM slika koristi uvjet minimalne udaljenosti između sonde i površine kod skeniranja s konstantnom prosječnom visinom.

U tom slučaju, visina površinskog reljefa u danoj točki može se uzeti kao minimalna udaljenost između točke sonde i odgovarajuće točke površine za zadani položaj sonde u odnosu na površinu. Po svom fizičkom značenju, ovaj uvjet je ekvivalentan uvjetu jednakosti derivacija, ali omogućuje traženje dodirnih točaka sonde s površinom adekvatnijom metodom, što značajno skraćuje vrijeme rekonstrukcije reljefa.

Za kalibraciju i određivanje oblika radnog dijela sondi koriste se posebne ispitne strukture s poznatim parametrima površinskog reljefa. Vrste najčešćih testnih struktura i njihove karakteristične slike dobivene mikroskopom atomske sile prikazane su na sl. 26 i sl. 27 .

Šiljasta rešetka za skaliranje omogućuje dobro poravnanje vrha sonde, dok pravokutna mreža pomaže preoblikovati bočnu površinu. Kombiniranjem rezultata skeniranja ovih rešetki moguće je potpuno vratiti oblik radnog dijela sondi.

7. Moderni SPM

1) Skenirajući sondni mikroskop SM-300

Dizajniran za proučavanje morfoloških značajki i strukture pora. SM-300 (slika 28) ima ugrađeni optički mikroskop za pozicioniranje koji eliminira potrebu za beskonačnim traženjem područja od interesa. Optička slika uzorka u boji, uz neznatno povećanje, prikazuje se na monitoru računala. Križnica na optičkoj slici odgovara položaju snopa elektrona. Koristeći križić, brzo se pozicioniranje može napraviti kako bi se definiralo područje od interesa za rastersku analizu.

Riža. 28. SPM SM-300 elektronski mikroskop. Jedinica za optičko pozicioniranje opremljena je zasebnim računalom, što osigurava njezinu hardversku neovisnost od skenirajućeg mikroskopa.

SPOSOBNOSTI SM-300

Zajamčena rezolucija od 4 nm

Jedinstveni optički mikroskop za pozicioniranje (opcionalno)

· Intuitivni Windows® softver

Potpuno računalno kontrolirani skenirajući mikroskop i slikanje

Standardni TV izlaz s digitalnom obradom signala

Računalna kontrola sustava niskog vakuuma (opcija)

Sve studije se izvode na istoj poziciji aplikativne osi (12 mm)

Elementarna rendgenska mikroanaliza u režimima niskog i visokog vakuuma (opcionalno)

Sposobnost rada u uvjetima normalnog osvjetljenja prostorije

Ispitivanje nevodljivih uzoraka bez njihove preliminarne pripreme

Rezolucija od 5,5 nm u načinu rada s niskim vakuumom

Softversko upravljanje prebacivanjem načina rada

Mogućnost odabira raspona vakuuma u komori 1,3 – 260 Pa

Prikaz slike na monitoru računala

Serijski V-povratno raspršeni Robinsonov senzor

2) Supra50VP sonde za skeniranje visoke razlučivosti s INCA Energy+Oxford mikroanaliznim sustavom.

Uređaj (Sl. 29) namijenjen je istraživanju u svim područjima znanosti o materijalima, u području nano- i biotehnologija. Instrument podnosi velike veličine uzoraka, a također podržava rad s promjenjivim tlakom za ispitivanje nevodljivih uzoraka bez pripreme. Riža. 29. SPM Supra50VP

PARAMETRI:

Ubrzavajući napon 100 V - 30 kV (poljska emisiona katoda)

Maks. povećanje do x 900000

Ultra visoka rezolucija - do 1 nm (na 20 kV)

Vakuumski način rada s promjenjivim tlakom od 2 do 133 Pa

Napon ubrzanja - od 0,1 do 30 kV

Motorizirana pozornica s pet stupnjeva slobode

Rezolucija EDX detektora 129 eV na Ka(Mn) liniji, brzina brojanja do 100.000 impulsa/s

3) LEO SUPRA 25 modernizirani mikroskop sa stupcem "GEMINI" i emisijom polja (sl.30).

– Dizajniran za istraživanje nanoanalize

– Može se spojiti na EDX i WDX sustave za mikroanalizu

– Rezolucija 1,5 nm na 20 kV, 2 nm na 1 kV.

Zaključak

Tijekom proteklih godina korištenje sondne mikroskopije omogućilo je postizanje jedinstvenih znanstvenih rezultata u različitim područjima fizike, kemije i biologije.

Ako su prvi skenirajući sondni mikroskopi bili pokazatelji za kvalitativno istraživanje, onda je moderni skenirajući sondni mikroskop uređaj koji integrira do 50 različitih istraživačkih metoda. Može izvesti određene pomake u sustavu sonda-uzorak s točnošću od 0,1%, izračunati faktor oblika sonde, izvršiti precizna mjerenja dovoljno velikih veličina (do 200 µm u ravnini skeniranja i 15-20 µm u visinu ) i, u isto vrijeme, osiguravaju submolekularnu rezoluciju.

Skenirajući sondni mikroskopi postali su jedna od najtraženijih klasa instrumenata za znanstvena istraživanja na svjetskom tržištu. Konstantno se stvaraju novi dizajni instrumenata, specijalizirani za različite primjene.

Dinamičan razvoj nanotehnologije zahtijeva sve veće širenje mogućnosti istraživačke tehnologije. Visokotehnološke tvrtke diljem svijeta rade na stvaranju istraživačkih i tehnoloških nanokompleksa koji kombiniraju cijele skupine analitičkih metoda, kao što su Raman spektroskopija, luminiscencijska spektroskopija, rendgenska spektroskopija za elementarnu analizu, optička mikroskopija visoke razlučivosti, elektronska mikroskopija, fokusirane ionske zrake. Sustavi stječu moćne intelektualne sposobnosti: sposobnost prepoznavanja i klasifikacije slika, naglašavanja potrebnih kontrasta, obdareni su sposobnošću modeliranja rezultata, a računalna snaga osigurava se korištenjem superračunala.

Razvijena tehnika ima moćne mogućnosti, ali krajnji cilj njezine uporabe je dobivanje znanstvenih rezultata. Ovladavanje sposobnostima ove tehnike je samo po sebi zadatak visokog stupnja složenosti, koji zahtijeva obuku visokokvalificiranih stručnjaka koji su sposobni učinkovito koristiti te uređaje i sustave.

Bibliografija

1. Nevolin V. K. Osnove tehnologije tunelske sonde / V. K. Nevolin, - M .: Nauka, 1996, - 91 str.

2. Kulakov Yu. A. Elektronska mikroskopija / Yu. A. Kulakov, - M.: Znanje, 1981., - 64 str.

3. Volodin A.P. Skenirajuća mikroskopija / A. P. Volodin, - M .: Nauka, 1998, - 114 str.

4. Skenirajuća sondna mikroskopija biopolimera / Uredio I. V. Yaminsky, - M.: Nauchny Mir, 1997, - 86 str.

5. Mironov V. Osnove mikroskopije skenirajuće sonde / V. Mironov, - M.: Technosfera, 2004., - 143 str.

6. Rykov S. A. Skenirajuća sondna mikroskopija poluvodičkih materijala / S. A. Rykov, St. Petersburg: Nauka, 2001., 53 str.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Skenirajuća sonda mikroskopija za znanost i industriju / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Elektronika: znanost, tehnologija, poslovanje, - 1997., - br. 5, - s. 7 - 14 (prikaz, stručni).

7. Primjena skenirajućeg sondnog mikroskopa za proučavanje bioloških objekata

7. Primjena skenirajućeg sondnog mikroskopa za proučavanje bioloških objekata 1

7.1. Ciljevi rada 2

7.2. Informacije za nastavnika 3

7.4. Smjernice 31

7.5. Sigurnost 32

7.6. Zadatak 32

7.7. Sigurnosna pitanja 32

7.8. Literatura 32

Laboratorijski rad razvilo je Državno sveučilište Nižnji Novgorod. N.I. Lobačevskog

7.1 Ciljevi rada

Proučavanje morfoloških parametara bioloških struktura važan je zadatak za biologe, budući da veličina i oblik nekih struktura uvelike određuju njihova fiziološka svojstva. Uspoređujući morfološke podatke s funkcionalnim karakteristikama, može se dobiti potpuna informacija o sudjelovanju živih stanica u održavanju fiziološke ravnoteže ljudskog ili životinjskog tijela.

Prije su biolozi i liječnici imali priliku proučavati svoje pripravke samo na optičkim i elektronskim mikroskopima. Ove studije dale su neku sliku morfologije stanica fiksiranih, obojenih i s tankim metalnim prevlakama dobivenim raspršivanjem. Nije bilo moguće proučavati morfologiju živih objekata, njezine promjene pod utjecajem raznih čimbenika, ali je bilo vrlo primamljivo.

Skenirajuća probna mikroskopija (SPM) otvorila je nove mogućnosti u proučavanju stanica, bakterija, bioloških molekula, DNK u uvjetima što je moguće bližim izvornim. SPM vam omogućuje proučavanje bioloških objekata bez posebnih fiksatora i boja, na zraku ili čak u tekućem mediju.

Trenutno se SPM koristi u raznim disciplinama, kako u temeljnim znanstvenim istraživanjima tako iu primijenjenom razvoju visoke tehnologije. Mnogi istraživački instituti u zemlji opremljeni su opremom za mikroskopsku sondu. U tom smislu, potražnja za visokokvalificiranim stručnjacima stalno raste. Kako bi ispunio ovaj zahtjev, NT-MDT (Zelenograd, Rusija) razvio je specijalizirani obrazovni i znanstveni laboratorij za skenirajuću sondu NanoEducator.

SPM NanoEducator posebno namijenjen studentima za izvođenje laboratorijskih radova. Ovaj je uređaj namijenjen studentskoj publici: potpuno ga kontrolira računalo, ima jednostavno i intuitivno sučelje, podršku za animaciju, uključuje postupni razvoj tehnika, odsutnost složenih postavki i jeftinog potrošnog materijala.

U ovom laboratorijskom radu naučit ćete o mikroskopiji skenirajuće sonde, upoznati se s njezinim osnovama, proučiti dizajn i principe edukativnog SPM NanoEducator, naučiti kako pripremiti biološke pripravke za istraživanje, dobiti svoju prvu SPM sliku kompleksa mliječnokiselinskih bakterija te naučiti osnove obrade i prezentiranja rezultata mjerenja.

7.2 Informacije za nastavnika 1

Laboratorijski rad se izvodi u nekoliko faza:

1. Pripremu uzorka radi svaki student pojedinačno.

2. Dobivanje prve slike vrši se na jednom uređaju pod nadzorom nastavnika, zatim svaki učenik samostalno ispituje svoj uzorak.

3. Obrada eksperimentalnih podataka od strane svakog studenta provodi se individualno.

Uzorak za istraživanje: bakterije mliječne kiseline na pokrovnom stakalcu.

Prije početka rada potrebno je odabrati sondu s najkarakterističnijom amplitudno-frekvencijskom karakteristikom (jednostruki simetrični maksimum), kako bi se dobila slika površine ispitivanog uzorka.

Laboratorijsko izvješće treba sadržavati:

1. teorijski dio (odgovori na kontrolna pitanja).

2. rezultati eksperimentalnog dijela (opis istraživanja, dobiveni rezultati i izvedeni zaključci).

1. Metode proučavanja morfologije bioloških objekata.

2. Skenirajući mikroskop sonde:

SPM dizajn;

sorte SPM: STM, AFM;

Format SPM podataka, vizualizacija SPM podataka.

3. Priprema uzoraka za SPM studije:

morfologija i struktura bakterijskih stanica;

priprema preparata za proučavanje morfologije pomoću SPM-a.

4. Upoznavanje s projektiranjem i programom upravljanja SPM NanoEducator.

5. Dobivanje SPM slike.

6. Obrada i analiza primljenih slika. Kvantitativna karakterizacija SPM slika.

Metode proučavanja morfologije bioloških objekata

Karakteristični promjer stanica je 10  20 µm, bakterija - od 0,5 do 3  5 µm, ove vrijednosti su 5 puta manje od najmanje čestice vidljive golim okom. Stoga je prvo proučavanje stanica postalo moguće tek nakon pojave optičkih mikroskopa. Krajem XVII stoljeća. Antonio van Leeuwenhoek napravio je prvi optički mikroskop, prije toga ljudi nisu sumnjali u postojanje patogenih mikroba i bakterija [Ref. 7 -1].

optička mikroskopija

Poteškoće u proučavanju stanica su zbog činjenice da su bezbojne i prozirne, pa se otkriće njihovih osnovnih struktura dogodilo tek nakon uvođenja boja u praksu. Boje su dale dovoljan kontrast slike. Pomoću optičkog mikroskopa mogu se razlikovati objekti koji su međusobno udaljeni 0,2 µm, tj. Najmanji objekti koji se još uvijek mogu razlikovati u optičkom mikroskopu su bakterije i mitohondriji. Slike manjih staničnih elemenata su izobličene efektima uzrokovanim valnim prirodom svjetlosti.

Za pripremu dugotrajnih preparata stanice se tretiraju sredstvom za fiksiranje kako bi se imobilizirale i sačuvale. Osim toga, fiksacija povećava dostupnost stanica bojama, jer. stanične makromolekule se drže zajedno poprečnim vezama, što ih stabilizira i fiksira u određenom položaju. Najčešće aldehidi i alkoholi djeluju kao fiksativi (na primjer, glutaraldehid ili formaldehid tvore kovalentne veze sa slobodnim amino skupinama proteina i umrežuju susjedne molekule). Nakon fiksacije, tkivo se obično reže mikrotomom na vrlo tanke dijelove (debljine 1 do 10 µm), koji se zatim stavljaju na stakalce. Ovom metodom pripreme može doći do oštećenja strukture stanica ili makromolekula, pa je poželjna metoda flash zamrzavanja. Smrznuto tkivo se reže mikrotomom postavljenim u hladnu komoru. Nakon cijepanja, stanice su obojene. Uglavnom se u tu svrhu koriste organska bojila (malahit zelena, crni Sudan itd.). Svaki od njih karakterizira određeni afinitet za stanične komponente, na primjer, hematoksilin ima afinitet za negativno nabijene molekule, stoga omogućuje otkrivanje DNA u stanicama. Ako je jedna ili druga molekula prisutna u stanici u maloj količini, tada je najprikladnije koristiti fluorescentnu mikroskopiju.

Fluorescentna mikroskopija

Fluorescentne boje apsorbiraju svjetlost jedne valne duljine i emitiraju svjetlost druge, duže valne duljine. Ako se takva tvar ozrači svjetlošću čija se valna duljina poklapa s valnom duljinom svjetlosti koju apsorbira boja, a zatim se za analizu koristi filter koji propušta svjetlost valne duljine koja odgovara svjetlosti koju emituje boja, fluorescentna molekula može biti detektirano svijetljenjem u tamnom polju. Visok intenzitet emitirane svjetlosti karakteristično je obilježje takvih molekula. Upotreba fluorescentnih boja za bojenje stanica uključuje korištenje posebnog fluorescentnog mikroskopa.Takav je mikroskop sličan klasičnom optičkom, ali svjetlost snažnog iluminatora prolazi kroz dva seta filtera - jedan da zaustavi dio zračenja iluminatora ispred uzorka, a drugi za filtriranje svjetlosti primljene od uzorka. Prvi filtar je odabran na način da propušta samo svjetlost valne duljine koja pobuđuje određenu fluorescentnu boju; u isto vrijeme, drugi filter blokira ovu upadnu svjetlost i dopušta svjetlost valne duljine koju emituje boja kada fluorescira.

Fluorescentna mikroskopija se često koristi za identifikaciju specifičnih proteina ili drugih molekula koje postaju fluorescentne nakon što su kovalentno vezane za fluorescentne boje. U tu svrhu obično se koriste dvije boje - fluorescein, koja daje intenzivnu žuto-zelenu fluorescenciju nakon ekscitacije svijetloplavim svjetlom, i rodamin, uzrokujući tamnocrvenu fluorescenciju nakon ekscitacije žuto-zelenom svjetlošću. Korištenjem i fluoresceina i rodamina za bojenje, može se dobiti raspodjela različitih molekula.

Mikroskopija tamnog polja

Najlakši način da vidite detalje stanične strukture je promatranje svjetlosti raspršene različitim komponentama stanice. U mikroskopu tamnog polja, zrake iz iluminatora su usmjerene sa strane, a samo raspršene zrake ulaze u objektiv mikroskopa. U skladu s tim, stanica izgleda kao osvijetljeni objekt u tamnom polju. Jedna od glavnih prednosti mikroskopije tamnog polja je mogućnost promatranja kretanja stanica tijekom diobe i migracije. Stanični pokreti su vrlo spori i teško ih je promatrati u stvarnom vremenu. U ovom slučaju koristi se mikrofilmiranje slika po sličici (time-lapse) ili video snimanje. U ovom slučaju, uzastopni okviri su vremenski razdvojeni, ali kada se snimka reproducira normalnom brzinom, slika stvarnih događaja se ubrzava.

Posljednjih godina, video kamere i srodne slikovne tehnologije uvelike su povećale mogućnosti optičke mikroskopije. Zahvaljujući njihovoj primjeni, bilo je moguće prevladati poteškoće uzrokovane osobitostima ljudske fiziologije. Oni su to:

1. U normalnim uvjetima, oko ne registrira jako slabo svjetlo.

2. Oko nije u stanju otkriti male razlike u intenzitetu svjetlosti na svijetloj pozadini.

Prvi od ovih problema prevladan je pričvršćivanjem video kamera ultra-visoke osjetljivosti na mikroskop. To je omogućilo dugotrajno promatranje stanica pri slabom osvjetljenju, isključujući dugotrajno izlaganje jakom svjetlu. Sustavi snimanja posebno su važni za proučavanje fluorescentnih molekula u živim stanicama. Budući da sliku proizvodi video kamera u obliku elektroničkih signala, ona se može na odgovarajući način pretvoriti u numeričke signale, poslati u računalo, a zatim podvrgnuti dodatnoj obradi kako bi se izvukle skrivene informacije.

Visok kontrast koji se može postići računalnom interferencijskom mikroskopijom omogućuje promatranje čak i vrlo malih objekata, poput pojedinačnih mikrotubula, čiji je promjer manji od jedne desetine valne duljine svjetlosti (0,025 µm). Pojedinačne mikrotubule također se mogu vidjeti pomoću fluorescentne mikroskopije. Međutim, u oba slučaja neizbježni su efekti difrakcije, koji snažno mijenjaju sliku. U ovom slučaju, promjer mikrotubula je precijenjen (0,2 μm), što onemogućuje razlikovanje pojedinačnih mikrotubula od snopa od nekoliko mikrotubula. Za rješavanje ovog problema potreban je elektronski mikroskop čija je granica razlučivosti pomaknuta daleko izvan valne duljine vidljive svjetlosti.

elektronska mikroskopija

Odnos između valne duljine i granice razlučivosti također je očuvan za elektrone. Međutim, za elektronski mikroskop, granica razlučivosti je mnogo niža od granice difrakcije. Valna duljina elektrona smanjuje se kako se njegova brzina povećava. U elektronskom mikroskopu s naponom od 100 000 V valna duljina elektrona je 0,004 nm. Prema teoriji, rezolucija takvog mikroskopa je 0,002 nm u granici. Međutim, u stvarnosti, zbog malih numeričkih otvora elektronskih leća, razlučivost modernih elektronskih mikroskopa je u najboljem slučaju 0,1 nm. Poteškoće u pripremi uzorka i njegovo oštećenje zračenjem značajno smanjuju normalnu rezoluciju, koja za biološke objekte iznosi 2 nm (oko 100 puta veća od one kod svjetlosnog mikroskopa).

Izvor elektrona u transmisijski elektronski mikroskop (TEM) je katodna nit koja se nalazi na vrhu cilindričnog stupa visine oko dva metra. Kako bi se izbjeglo raspršivanje elektrona tijekom sudara s molekulama zraka, u stupcu se stvara vakuum. Elektroni emitirani iz katodne niti ubrzavaju se obližnjom anodom i ulaze kroz sićušnu rupu, tvoreći snop elektrona koji prolazi u dno stupca. Duž stupa na određenoj udaljenosti nalaze se prstenasti magneti koji fokusiraju snop elektrona, poput staklenih leća koje fokusiraju snop svjetlosti u optičkom mikroskopu. Uzorak se stavlja kroz zračnu komoru unutar kolone, na putu elektronskog snopa. Dio elektrona u trenutku prolaska kroz uzorak se raspršuje u skladu s gustoćom tvari u tom području, ostatak elektrona se fokusira i formira sliku (slično formiranju slike u optičkom mikroskopu) na fotografskoj ploči ili na fosforescentnom ekranu.

Jedan od najvećih nedostataka elektronske mikroskopije je što biološki uzorci moraju biti podvrgnuti posebnoj obradi. Prvo se fiksiraju najprije glutaraldehidom, a zatim osmičkom kiselinom, koja veže i stabilizira dvostruki sloj lipida i proteina. Drugo, elektroni imaju nisku prodornu moć, pa morate napraviti ultra tanke rezove, a za to se uzorci dehidriraju i impregniraju smolama. Treće, kako bi se poboljšao kontrast, uzorci se tretiraju solima teških metala kao što su osmij, uran i olovo.

Za dobivanje trodimenzionalne slike površine koristi se skenirajući elektronski mikroskop (SEM), gdje se koriste elektroni koji se raspršuju ili emitiraju na površini uzorka. Uzorak se u ovom slučaju fiksira, suši i prekriva tankim filmom teškog metala, a zatim se skenira uskim snopom elektrona. U tom se slučaju procjenjuje broj elektrona raspršenih tijekom površinskog zračenja. Dobivena vrijednost se koristi za kontrolu intenziteta drugog snopa, koji se kreće sinkrono s prvim i formira sliku na zaslonu monitora. Razlučivost metode je oko 10 nm i nije primjenjiva na proučavanje unutarstaničnih organela. Debljina uzoraka proučavanih ovom metodom određena je prodornom snagom elektrona ili njihovom energijom.

Glavni i značajni nedostaci svih ovih metoda su trajanje, složenost i visoka cijena pripreme uzorka.

Skenirajuća sondna mikroskopija

U skenirajućem sondnom mikroskopu (SPM), umjesto elektronske zrake ili optičkog zračenja, koristi se šiljasta sonda, igla koja skenira površinu uzorka. Slikovito rečeno, možemo reći da ako se uzorak pregleda u optičkom ili elektronskom mikroskopu, onda se osjeti u SPM-u. Kao rezultat, moguće je dobiti trodimenzionalne slike objekata u različitim medijima: vakuum, zrak, tekućina.

Posebni dizajni SPM-a prilagođeni za biološka istraživanja omogućuju istovremeno s optičkim promatranjem skeniranje i živih stanica u različitim tekućim medijima i fiksiranih pripravaka u zraku.

Skenirajući sondni mikroskop

Naziv mikroskopa sonde za skeniranje odražava princip njegovog rada - skeniranje površine uzorka, u kojem se vrši očitavanje stupnja interakcije između sonde i površine od točke do točke. Može se podesiti veličina područja skeniranja i broj točaka u njemu N X N Y. Što više točaka navedete, veća je razlučivost slike površine. Udaljenost između točaka očitavanja signala naziva se korak skeniranja. Korak skeniranja trebao bi biti manji od detalja proučavane površine. Kretanje sonde tijekom skeniranja (vidi sliku 7-1) se izvodi linearno u smjeru naprijed i nazad (u smjeru brzog skeniranja), prijelaz na sljedeći red se izvodi u okomitom smjeru (u smjeru smjer sporog skeniranja).

Riža. 7 1. Shematski prikaz procesa skeniranja
(očitavanje signala vrši se na izravnom toku skenera)

Ovisno o prirodi očitanog signala, mikroskopi za skeniranje imaju različite nazive i namjene:

mikroskop atomske sile (AFM), očitavaju se sile međuatomske interakcije između atoma sonde i atoma uzorka;

tunelski mikroskop (STM), očitavanje tunelske struje koja teče između vodljivog uzorka i vodljive sonde;

magnetski silni mikroskop (MFM), očitavaju se sile interakcije između sonde obložene magnetskim materijalom i uzorka koji detektuje magnetska svojstva;

Mikroskop elektrostatičke sile (ESM) omogućuje dobivanje slike raspodjele električnog potencijala na površini uzorka. Koriste se sonde čiji je vrh prekriven tankim vodljivim filmom (zlatom ili platinom).

SPM dizajn

SPM se sastoji od sljedećih glavnih komponenti (slika 7-2): sonde, piezoelektričnih pokretača za pomicanje sonde u X, Y, Z preko površine ispitnog uzorka, povratnog kruga i računala za kontrolu procesa skeniranja i stjecanje slike.

Slika 7 2. Shema skenirajućeg sonde mikroskopa

senzor sonde - komponenta mikroskopa sonde za napajanje koja skenira preparat. Senzor sonde sadrži konzolu (konzola s oprugom) pravokutnog (u obliku slova I) ili trokuta (u obliku slova V) (sl. 7-3), na čijem se kraju nalazi šiljasta sonda (sl. 7-3) , koji obično ima stožasti ili piramidalni oblik . Drugi kraj konzole spojen je s podlogom (tzv. čipom). Senzori sonde izrađeni su od silicija ili silicij nitrida. Glavna karakteristika konzole je konstanta sile (konstanta krutosti), ona varira od 0,01 N/m do 1020 N/m. Za proučavanje bioloških objekata koriste se “meke” sonde s tvrdoćom od 0,01  0,06 N/m.

Riža. 7 3. Slike piramidalnih AFM sondi
dobiveno elektronskim mikroskopom:
a - tip u obliku slova I, b - tip u obliku slova V, c - piramida na vrhu konzole

Piezoelektrični aktuatori ili skeneri - za kontrolirano kretanje sonde preko uzorka ili samog uzorka u odnosu na sondu na ultramalim udaljenostima. Piezoelektrični aktuatori koriste piezokeramičke materijale koji mijenjaju svoje dimenzije kada se na njih dovede električni napon. Proces promjene geometrijskih parametara pod djelovanjem električnog polja naziva se inverzni piezoelektrični efekt. Najčešći piezomaterijal je olovni cirkonat titanat.

Skener je piezokeramička struktura koja omogućuje kretanje duž tri koordinate: x, y (u bočnoj ravnini uzorka) i z (vertikalno). Postoji nekoliko vrsta skenera, od kojih su najčešći tronožac i cijev (sl. 7-4).

Riža. 7 4. Izvedbe skenera: a) – tronožac, b) – cjevasti

U tronošnom skeneru, pomicanje u tri koordinate osiguravaju tri neovisne piezokeramičke šipke koje tvore ortogonalnu strukturu.

U skeneru cijevi, šuplja piezoelektrična cijev se savija u XZ i ZY ravninama i širi ili skuplja duž Z osi kada se na elektrode koje kontroliraju kretanje cijevi primjenjuju odgovarajući naponi. Elektrode za kontrolu kretanja u ravnini XY nalaze se na vanjskoj površini cijevi, za kontrolu kretanja u Z, na X i Y elektrode se primjenjuju jednaki naponi.

Povratni krug - skup SPM elemenata, uz pomoć kojih se sonda tijekom skeniranja drži na fiksnoj udaljenosti od površine uzorka (slika 7-5). Tijekom procesa skeniranja, sonda se može nalaziti na područjima površine uzorka s različitim reljefom, dok će se udaljenost sonda-uzorak Z mijenjati, te će se u skladu s tim mijenjati i vrijednost interakcije između sonde i uzorka.

Riža. 7 5. Shema povratne veze skenirajućeg sondnog mikroskopa

Kako se sonda približava površini, sile interakcije između sonde i uzorka se povećavaju, a povećava se i signal uređaja za snimanje V(t), koje je izraženo u jedinicama napona. Komparator uspoređuje signal V(t) s referentnim naponom V Osnovni, temeljni i generira korektivni signal V ispr. Signal korekcije V ispr se dovodi u skener, a sonda se povlači iz uzorka. Referentni napon - napon koji odgovara signalu uređaja za snimanje kada se sonda nalazi na određenoj udaljenosti od uzorka. Održavajući ovu navedenu udaljenost između sonde i uzorka tijekom skeniranja, sustav povratnih informacija održava navedenu silu interakcije između sonde i uzorka.

Riža. 7 6. Putanja relativnog kretanja sonde u procesu održavanja stalne sile interakcije sonde i uzorka povratnim sustavom

Na sl. 7-6 prikazuje putanju sonde u odnosu na uzorak uz održavanje konstantne sile interakcije između sonde i uzorka. Ako je sonda iznad fovee, na skener se primjenjuje napon, pri čemu se skener produžuje, spuštajući sondu.

Brzina odgovora povratne petlje na promjenu udaljenosti između sonde i uzorka (interakcije sonde i uzorka) određena je konstantom povratne petlje K. vrijednosti K ovise o značajkama dizajna određenog SPM-a (dizajn i karakteristike skenera, elektronike), načinu rada SPM-a (veličina područja skeniranja, brzina skeniranja itd.), kao i o značajkama površine koja se proučava (ljestvica reljefnih značajki , tvrdoća materijala itd.).

Sorte SPM-a

Skenirajući tunelski mikroskop

U STM-u uređaj za snimanje (slika 7-7) mjeri tunelsku struju koja teče između metalne sonde, a koja varira ovisno o potencijalu na površini uzorka i o topografiji njegove površine. Sonda je oštro naoštrena igla čiji polumjer vrha može doseći nekoliko nanometara. Kao materijal za sondu obično se koriste metali visoke tvrdoće i kemijske otpornosti: volfram ili platina.

Riža. 7 7. Shema senzora tunelske sonde

Između vodljive sonde i vodljivog uzorka primjenjuje se napon. Kada se vrh sonde nalazi na udaljenosti od oko 10 A od uzorka, elektroni iz uzorka počinju tunelirati kroz procjep u sondu ili obrnuto, ovisno o predznaku napona (sl. 7-8).

Riža. 7 8. Shematski prikaz interakcije vrha sonde s uzorkom

Rezultirajuća tunelska struja mjeri se uređajem za snimanje. Njegova vrijednost ja T proporcionalno naponu primijenjenom na tunelski kontakt V a eksponencijalno ovisi o udaljenosti od igle do uzorka d.

Dakle, male promjene u udaljenosti od vrha sonde do uzorka d odgovaraju eksponencijalno velikim promjenama u tunelskoj struji ja T(pod pretpostavkom napona V održava konstantnim). Zbog toga je osjetljivost senzora tunelske sonde dovoljna da registrira promjene visine manje od 0,1 nm, a samim time i da dobije sliku atoma na površini krute tvari.

Mikroskop atomske sile

Najčešći sondni senzor interakcije atomske sile je opružna konzola (od engleskog cantilever - konzola) sa sondom koja se nalazi na njenom kraju. Količina savijanja konzole zbog interakcije sile između uzorka i sonde (slika 7-9) mjeri se pomoću optičke sheme registracije.

Princip rada senzora sile temelji se na korištenju atomskih sila koje djeluju između atoma sonde i atoma uzorka. Kada se promijeni sila sonde-uzorak, mijenja se količina savijanja konzole, a takva promjena se mjeri optičkim sustavom registracije. Dakle, senzor atomske sile je visokoosjetljiva šiljasta sonda, koja omogućuje registriranje sila interakcije između pojedinih atoma.

Za male zavoje, omjer između sile sonde i uzorka F i otklon vrha konzole x određeno Hookeovim zakonom:

gdje k je konstanta sile (konstanta krutosti) konzole.

Na primjer, ako se koristi konzola s konstantom k oko 1 N/m, tada će pod djelovanjem sile interakcije sonde i uzorka od oko 0,1 nanonjutona otklon konzole biti oko 0,1 nm.

Za mjerenje tako malih pomaka obično se koristi optički senzor pomaka (slika 7-9), koji se sastoji od poluvodičkog lasera i fotodiode s četiri sekcije. Kada je konzola savijena, laserska zraka reflektirana od nje pomiče se u odnosu na središte fotodetektora. Dakle, savijanje konzole može se odrediti iz relativne promjene osvjetljenja gornje (T) i donje (B) polovice fotodetektora.

Slika 7 9. Shema senzora sile

Ovisnost sila interakcije vrh-uzorak o udaljenosti vrh-uzorak

Kada se sonda približi uzorku, najprije se privlači na površinu zbog prisutnosti privlačnih sila (van der Waalsove sile). Kako se sonda dalje približava uzorku, elektronske ljuske atoma na kraju sonde i atoma na površini uzorka počinju se preklapati, što dovodi do pojave odbojne sile. Kako se udaljenost dalje smanjuje, odbojna sila postaje dominantna.

Općenito, ovisnost jačine međuatomske interakcije F s udaljenosti između atoma R izgleda kao:

.

Konstante a i b i eksponenti m i n ovise o vrsti atoma i vrsti kemijskih veza. Za van der Waalsove snage m=7 i n=3. Kvalitativno, ovisnost F(R) prikazana je na Sl. 7-10 (prikaz, stručni).

Riža. 7 10. Ovisnost sile interakcije između atoma o udaljenosti

SPM-format podataka, vizualizacija SPM-podataka

Podaci o morfologiji površine dobiveni tijekom istraživanja na optičkom mikroskopu prikazani su kao uvećana slika površine. Informacije dobivene pomoću SPM-a zapisuju se kao dvodimenzionalni niz cijelih brojeva A ij . Za svaku vrijednost ij odgovara određenoj točki na površini unutar polja skeniranja. Grafički prikaz ovog niza brojeva naziva se SPM skenirana slika.

Skenirane slike mogu biti dvodimenzionalne (2D) ili trodimenzionalne (3D). Uz 2D vizualizaciju, svaka točka površine Z= f(x,y) dodjeljuje se određeni ton boje u skladu s visinom točke površine (sl. 7-11 a). U 3D vizualizaciji, slika površine Z= f(x,y) se gradi u aksonometrijskoj perspektivi uz pomoć piksela ili reljefnih linija izračunatih na određeni način. Najučinkovitiji način kolorizacije 3D slika je simulacija uvjeta osvjetljenja površine točkastim izvorom koji se nalazi na određenoj točki u prostoru iznad površine (sl. 7-11 b). U ovom slučaju moguće je naglasiti pojedinačne male značajke reljefa.

Riža. 7 11. Limfociti ljudske krvi:
a) 2D slika, b) 3D slika sa bočnim osvjetljenjem

Priprema uzoraka za SPM istraživanje

Morfologija i struktura bakterijskih stanica

Bakterije su jednostanični mikroorganizmi raznolikog oblika i složene strukture, što određuje raznolikost njihove funkcionalne aktivnosti. Bakterije karakteriziraju četiri glavna oblika: sferni (kuglasti), cilindrični (u obliku štapa), uvijeni i filamentni [Ref. 7-2].

kokice (kuglaste bakterije) - ovisno o ravnini podjele i položaju pojedinih jedinki, dijele se na mikrokoke (zasebno ležeće koke), diplokoke (sparene koke), streptokoke (lanci kokica), stafilokoke (s izgledom grozdova grožđa ), tetrakoke (tvorbe od četiri koka) i sarcine (pakiranja od 8 ili 16 koka).

u obliku šipke - bakterije se nalaze u obliku pojedinačnih stanica, diplo- ili streptobakterija.

Zbirka - vibrije, spirile i spirohete. Vibriji imaju izgled blago zakrivljenih šipki, spirila - zavijenog oblika s nekoliko spiralnih kovrča.

Veličine bakterija kreću se od 0,1 do 10 µm. Sastav bakterijske stanice uključuje kapsulu, staničnu stijenku, citoplazmatsku membranu i citoplazmu. Citoplazma sadrži nukleotide, ribosome i inkluzije. Neke bakterije su opremljene flagelama i resicama. Brojne bakterije stvaraju spore. Prekoračujući početnu poprečnu veličinu stanice, spore joj daju vretenasti oblik.

Za proučavanje morfologije bakterija na optičkom mikroskopu iz njih se pripremaju nativni (vitalni) preparati ili fiksni razmazi obojeni anilinskom bojom. Postoje posebne metode bojenja za otkrivanje flagela, stanične stijenke, nukleotida i raznih citoplazmatskih inkluzija.

Za SPM proučavanje morfologije bakterijskih stanica, bojanje pripravka nije potrebno. SPM omogućuje određivanje oblika i veličine bakterija s visokim stupnjem rezolucije. Pažljivom pripremom preparata i upotrebom sonde s malim radijusom zakrivljenosti mogu se otkriti flagele. Istodobno, zbog velike krutosti bakterijske stanične stijenke, nemoguće je "sondirati" unutarstanične strukture, kao što se to može učiniti u nekim životinjskim stanicama.

Priprema preparata za SPM studij morfologije

Za prvo iskustvo sa SPM-om preporuča se odabrati biološki pripravak koji ne zahtijeva složenu pripremu. Prikladne su lako dostupne i nepatogene bakterije mliječne kiseline iz salamure kiselog kupusa ili fermentiranih mliječnih proizvoda.

Za proučavanje SPM-a na zraku potrebno je čvrsto pričvrstiti predmet koji se proučava na površini podloge, na primjer, na pokrovnom stakalcu. Osim toga, gustoća bakterija u suspenziji treba biti takva da se stanice ne lijepe tijekom taloženja na podlogu, a razmak između njih ne smije biti prevelik kako bi se tijekom skeniranja u jednom kadru moglo uzeti više objekata. Ovi uvjeti su ispunjeni ako je način pripreme uzorka ispravno odabran. Ako se na podlogu nanese kap otopine koja sadrži bakterije, doći će do njihovog postupnog taloženja i prianjanja. U ovom slučaju, koncentraciju stanica u otopini i vrijeme taloženja treba uzeti u obzir kao glavne parametre. Koncentracija bakterija u suspenziji određena je optičkim standardom zamućenosti.

U našem slučaju, samo će jedan parametar igrati ulogu - vrijeme inkubacije. Što se kap dulje drži na staklu, to će biti veća gustoća bakterijskih stanica. Istodobno, ako se kap tekućine počne sušiti, pripravak će biti previše kontaminiran precipitiranim komponentama otopine. Kap otopine koja sadrži bakterijske stanice (rasonica) nanese se na pokrovno staklo, inkubira 5-60 minuta (ovisno o sastavu otopine). Zatim se, ne čekajući da se kapi osuše, temeljito isperu destiliranom vodom (pripravak pincetom nekoliko puta umaču u čašu). Nakon sušenja preparat je spreman za mjerenje na SPM.

Primjerice, od salamure kiselog kupusa pripremali su se pripravci bakterija mliječne kiseline. Vrijeme izlaganja kapi slane otopine na pokrovnom staklu odabrano je na 5 min, 20 min i 1 sat (kap se već počela sušiti). SPM - okviri su prikazani na sl. 7 -12, sl. 7-13,
Riža. 7-14 (prikaz, stručni).

Iz slika je vidljivo da je za ovu otopinu optimalno vrijeme inkubacije 510 min. Povećanje vremena zadržavanja kapi na površini supstrata dovodi do prianjanja bakterijskih stanica. U slučaju kada se kap otopine počne sušiti, komponente otopine se talože na staklo koje se ne može isprati.

Riža. 7 12. Slike bakterija mliječne kiseline na pokrovnom stakalcu,
dobiveno korištenjem SPM-a.

Riža. 7 13. Slike bakterija mliječne kiseline na pokrovnom stakalcu,
dobiveno korištenjem SPM-a. Vrijeme inkubacije otopine 20 min

Riža. 7 14. Slike bakterija mliječne kiseline na pokrovnom stakalcu,
dobiveno korištenjem SPM-a. Vrijeme inkubacije otopine 1 sat

Na jednom od odabranih preparata (sl. 7-12) pokušali smo razmotriti što su bakterije mliječne kiseline, kakav im je oblik karakterističan u ovom slučaju. (Sl. 7-15)

Riža. 7 15. AFM - slika bakterija mliječne kiseline na pokrovnom stakalcu.
Vrijeme inkubacije otopine 5 min

Riža. 7 16. AFM - slika lanca bakterija mliječne kiseline na naslovnom staklu.
Vrijeme inkubacije otopine 5 min

Salamuru karakterizira oblik bakterija u obliku šipke i raspored u obliku lanca.

Riža. 7 17. Prozor kontrolnog programa obrazovnog SPM NanoEducator.
Alatna traka

Pomoću alata obrazovnog programa SPM NanoEducator odredili smo veličinu bakterijskih stanica. Oni su bili u rasponu od oko 0,5 × 1,6 µm
do 0,8 × 3,5 µm.

Dobiveni rezultati uspoređeni su s podacima danim u determinanti bakterija Bergey [Lit. 7-3].

Bakterije mliječne kiseline pripadaju laktobacilima (Lactobacillus). Stanice su u obliku štapa, obično pravilnog oblika. Štapići su dugi, ponekad gotovo kokoični, obično u kratkim lancima. Dimenzije 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikrona. Spor se ne formira; u rijetkim slučajevima su pokretni zbog peritrihijskih flagela. Široko rasprostranjen u okolišu, osobito se nalazi u hrani životinjskog i biljnog podrijetla. Bakterije mliječne kiseline dio su normalne mikroflore probavnog trakta. Svi znaju da je kiseli kupus, osim sadržaja vitamina, koristan za poboljšanje crijevne mikroflore.

Dizajn skenirajućeg sonde mikroskopa NanoEducator

Na sl. 7-18 prikazuje izgled mjerne glave SPM NanoEducator te su naznačeni glavni elementi uređaja koji se koristi u radu.

Riža. 7 18. Izgled mjerne glave SPM NanoEducator
1-baza, 2-držač uzorka, 3-interakcioni senzor, 4-senzorski pričvrsni vijak,
5 vijaka za ručni pristup, 6 vijaka za pomicanje skenera s uzorkom u vodoravnoj ravnini, 7 zaštitni poklopac s video kamerom

Na sl. 7-19 prikazuje dizajn mjerne glave. Na bazi 1 nalazi se skener 8 s držačem uzorka 7 i mehanizmom za dovođenje uzorka do sonde 2 na bazi koračnog motora. U obrazovnom SPM NanoEducator uzorak je fiksiran na skeneru, a uzorak se skenira u odnosu na fiksnu sondu. Sonda 6, pričvršćena na senzor interakcije sile 4, također se može pristupiti uzorku pomoću vijka za ručni pristup 3. Preliminarni odabir mjesta istraživanja na uzorku vrši se pomoću vijka 9.

Riža. 7 19. Konstrukcija SPM NanoEducator: 1 – baza, 2 – prilazni mehanizam,
3 – vijak za ručni pristup, 4 – senzor interakcije, 5 – vijak za pričvršćivanje senzora, 6 – sonda,
7 - držač uzorka, 8 - skener, 9, 10 - vijci za pomicanje skenera s uzorkom

Trening SPM NanoEducator sastoji se od mjerne glave povezane kabelima, SPM kontrolera i upravljačkog računala. Mikroskop je opremljen video kamerom. Signal s interakcijskog senzora nakon pretvorbe u pretpojačalu ulazi u SPM kontroler. Upravljanje radom SPM NanoEducator se provodi s računala preko SPM kontrolera.

Senzor i sonda interakcije sile

U uređaju NanoEducator Senzor je izrađen u obliku piezokeramičke cijevi dužine l=7 mm, promjer d=1,2 mm i debljine stijenke h\u003d 0,25 mm, čvrsto fiksiran na jednom kraju. Na unutarnjoj površini cijevi nanesena je vodljiva elektroda. Dvije električno izolirane polucilindrične elektrode položene su na vanjsku površinu cijevi. Na slobodni kraj cijevi pričvršćena je volframova žica promjera
100 µm (sl. 7-20).

Riža. 7 20. Dizajn univerzalnog senzora NanoEducatora

Slobodni kraj žice koja se koristi kao sonda je elektrokemijski brušen, polumjer zakrivljenosti je 0,2  0,05 µm. Sonda ima električni kontakt s unutarnjom elektrodom cijevi spojenom na uzemljeno tijelo instrumenta.

Prisutnost dvije vanjske elektrode na piezoelektričnoj cijevi omogućuje da se jedan dio piezoelektrične cijevi (gornji, u skladu sa sl. 7-21) koristi kao senzor interakcije sile (senzor mehaničkih vibracija), a drugi dio da se koristi se kao piezovibrator. Na piezovibrator se dovodi izmjenični električni napon s frekvencijom jednakom rezonantnoj frekvenciji senzora snage. Amplituda titranja na velikoj udaljenosti vrh-uzorak je maksimalna. Kao što se može vidjeti iz sl. 7-22, tijekom procesa osciliranja, sonda odstupa od ravnotežnog položaja za iznos A o jednak amplitudi njezinih prisilnih mehaničkih oscilacija (to su dijelovi mikrometra), dok se na drugom dijelu javlja izmjenični električni napon. piezocijev (oscilacijski senzor), proporcionalna pomaku sonde, koji se mjeri instrumentom.

Kada se sonda približi površini uzorka, sonda počinje dodirivati ​​uzorak tijekom osciliranja. To dovodi do pomaka u amplitudno-frekvencijskoj karakteristici (AFC) oscilacija senzora ulijevo u usporedbi s AFC-om izmjerenim daleko od površine (Sl. 7-22). Budući da se frekvencija pokretačkih oscilacija piezocijevi održava konstantnom i jednakom frekvenciji titranja o u slobodnom stanju, kada se sonda približi površini, amplituda njezinih oscilacija opada i postaje jednaka A. Ova amplituda titranja se bilježi iz drugog dijela piezocijevi.

Riža. 7 21. Princip rada piezoelektrične cijevi
kao senzor interakcije sile

Riža. 7 22. Promjena frekvencije osciliranja senzora sile
pri približavanju površini uzorka

Skener

Metoda organiziranja mikropokreta korištena u uređaju NanoEducator, temelji se na korištenju metalne membrane stegnute po obodu, na čiju je površinu zalijepljena piezoelektrična ploča (sl. 7-23 a). Promjena dimenzija piezoelektrične ploče pod djelovanjem kontrolnog napona dovest će do savijanja membrane. Postavljanjem takvih membrana na tri okomite strane kocke i spajanjem njihovih središta metalnim potiskivačima, možete dobiti 3-koordinatni skener (sl. 7-23 b).

Riža. 7 23. Princip rada (a) i dizajn (b) skenera NanoEducator

Svaki piezoelektrični element 1, pričvršćen na plohe kocke 2, kada se na njega dovede električni napon, može pomicati potiskivač 3 pričvršćen za njega u jednom od tri međusobno okomita smjera - X, Y ili Z. Kao što se može vidjeti iz na slici, sva tri potiskača su spojena u jednoj točki 4 Uz neku aproksimaciju možemo pretpostaviti da se ta točka kreće duž tri koordinate X, Y, Z. Na istu točku pričvršćen je stalak 5 s držačem uzorka 6. Dakle, uzorak se kreće po tri koordinate pod djelovanjem tri neovisna izvora napona. U aparatima NanoEducator maksimalni pomak uzorka je oko 5070 µm, što određuje maksimalno područje skeniranja.

Mehanizam za automatizirani pristup sonde uzorku (hvatanje povratne informacije)

Raspon pomicanja skenera duž Z osi je oko 10 µm, stoga je prije skeniranja potrebno sondu približiti uzorku na toj udaljenosti. U tu svrhu dizajniran je mehanizam pristupa, čija je shema prikazana na Sl. 7-19 (prikaz, stručni). Koračni motor 1, kada se na njega primjenjuju električni impulsi, rotira dovodni vijak 2 i pomiče šipku 3 sa sondom 4, približavajući je ili dalje od uzorka 5 instaliranog na skeneru 6. Vrijednost jednog koraka je oko 2 μm.

Riža. 7 24. Shema mehanizma za približavanje sonde površini uzorka

Budući da korak prilaznog mehanizma značajno premašuje vrijednost potrebne udaljenosti između sonde i uzorka tijekom skeniranja, kako bi se izbjegla deformacija sonde, njezino približavanje se provodi uz istovremeni rad koračnog motora i kretanja skenera duž Z. os prema sljedećem algoritmu:

1. Sustav povratne sprege je isključen i skener se „uvlači“, tj. spušta uzorak u donji krajnji položaj.

2. Mehanizam prilaza sonde čini jedan korak i zaustavlja se.

3. Sustav povratne sprege je uključen i skener glatko podiže uzorak, dok se analizira interakcija sonde i uzorka.

4. Ako nema interakcije, postupak se ponavlja od točke 1.

Ako se pojavi signal različit od nule dok se skener povlači prema gore, sustav povratnih informacija zaustavit će kretanje skenera prema gore i popraviti količinu interakcije na danoj razini. Veličina interakcije sile pri kojoj će se pristup sonde zaustaviti i proces skeniranja će se dogoditi u uređaju NanoEducator karakteriziran parametrom Prigušivanje amplitude (AmplitudaSuzbijanje) :

A=Ao. (1-amplituda potiskivanja)

Dobivanje SPM slike

Nakon pozivanja programa NanoEducator na ekranu računala pojavljuje se glavni prozor programa (slika 7-20). Rad treba započeti od stavke izbornika Datoteka i u njemu biraj Otvorena ili Novi ili odgovarajućim gumbima na alatnoj traci (, ).

Izbor tima Datoteka Novi znači prijelaz na SPM mjerenja, te izbor naredbe Datoteka Otvorena znači prijelaz na pregled i obradu prethodno primljenih podataka. Program vam omogućuje pregled i obradu podataka paralelno s mjerenjima.

Riža. 7 25. Glavni prozor NanoEducator

Nakon izvršenja naredbe Datoteka Novi na ekranu se pojavljuje dijaloški okvir koji vam omogućuje odabir ili stvaranje radne mape u koju će se prema zadanim postavkama spremati rezultati trenutnog mjerenja. Tijekom mjerenja svi dobiveni podaci se uzastopno bilježe u datoteke s nazivima ScanData+i.spm, gdje je indeks i se vraća na nulu kada se program pokrene i povećava se sa svakim novim mjerenjem. Datoteke ScanData+i.spm stavljaju se u radnu mapu, koja se postavlja prije početka mjerenja. Tijekom mjerenja moguće je odabrati drugu radnu mapu. Da biste to učinili, pritisnite gumb , koji se nalazi na alatnoj traci glavnog prozora programa i odaberite stavku izbornika Promijenite radnu mapu.

Za spremanje rezultata trenutnog mjerenja pritisnite gumb Spremi kao u prozoru Skeniranje u dijaloškom okviru koji se pojavi odaberite mapu i navedite naziv datoteke, dok je datoteka ScanData+i.spm, koji služi kao privremena datoteka za spremanje podataka tijekom mjerenja, bit će preimenovan u naziv datoteke koji ste naveli. Prema zadanim postavkama, datoteka će biti spremljena u radnu mapu koja je dodijeljena prije početka mjerenja. Ako ne izvršite operaciju spremanja rezultata mjerenja, sljedeći put kada pokrenete program, rezultati se zapisuju u privremene datoteke ScanData+i.spm, bit će uzastopno prepisan (osim ako se radni direktorij ne promijeni). O prisutnosti privremenih datoteka rezultata mjerenja u radnoj mapi, prije zatvaranja i nakon pokretanja programa izdaje se upozorenje. Promjena radne mape prije početka mjerenja omogućuje vam da zaštitite rezultate prethodnog eksperimenta od brisanja. Zadani naziv ScanData može se promijeniti navođenjem u prozoru za odabir radne mape. Pritiskom na tipku otvara se prozor za odabir radne mape. , koji se nalazi na alatnoj traci glavnog prozora programa. Također možete spremiti rezultate mjerenja u prozor Preglednik skeniranja, odabirom potrebnih datoteka jednu po jednu i spremanjem u odabranu mapu.

Rezultate dobivene NanoEducatorom moguće je izvesti u ASCII i Nova (NTMDT) formate, koje je moguće uvesti programom NTMDT Nova, Image Analysis i drugim programima. Skenirane slike, podaci njihovih presjeka, rezultati spektroskopskih mjerenja izvoze se u ASCII format. Za izvoz podataka kliknite gumb Izvoz koji se nalazi na alatnoj traci glavnog prozora aplikacije ili odaberite Izvoz u stavku izbornika Datoteka ovaj prozor i odaberite odgovarajući format izvoza. Podaci za obradu i analizu mogu se odmah poslati u unaprijed pokrenuti program za analizu slike.

Nakon zatvaranja dijaloškog prozora, na zaslonu se prikazuje upravljačka ploča instrumenta.
(Sl. 7-26).

Riža. 7 26. Upravljačka ploča instrumenta

Na lijevoj strani upravljačke ploče instrumenta nalaze se tipke za odabir SPM konfiguracije:

SSM– skenirajući mikroskop sile (SFM)

STM– skenirajući tunelski mikroskop (STM).

Provođenje mjerenja na treningu SPM NanoEducator sastoji se od izvođenja sljedećih operacija:

1. Instaliranje uzorka

PAŽNJA! Prije umetanja uzorka potrebno je ukloniti senzor sa sondom kako se sonda ne bi oštetila.

Postoje dva načina da popravite uzorak:

na magnetskom stolu (u ovom slučaju uzorak mora biti pričvršćen na magnetsku podlogu);

na dvostranoj ljepljivoj vrpci.

PAŽNJA! Za ugradnju uzorka na dvostranu ljepljivu traku potrebno je odvrnuti držač s stalka (kako ne bi oštetili skener), a zatim ga ponovno zašrafiti dok se lagano ne zaustavi.

U slučaju magnetskog nosača, uzorak se može promijeniti bez odvrtanja držača uzorka.

2. Ugradnja sonde

PAŽNJA! Uvijek instalirajte senzor sa sondom nakon postavljanja uzorka.

Nakon odabira željenog senzora sonde (pridržite sondu za metalne rubove postolja) (vidi sliku 7-27), otpustite vijak za pričvršćivanje sonde 2 na poklopcu mjerne glave, umetnite sondu u utičnicu držača dok se ne zaustavi , pričvrstite vijak u smjeru kazaljke na satu dok se lagano ne zaustavi.

Riža. 7 27. Ugradnja sonde

3. Odabir lokacije skeniranja

Prilikom odabira mjesta za istraživanje uzorka koristite vijke za pomicanje dvokoordinatne tablice koja se nalazi na dnu uređaja.

4. Preliminarni pristup sonde uzorku

Operacija prethodnog prilaza nije obvezna za svako mjerenje, potreba za njegovom provedbom ovisi o udaljenosti između uzorka i vrha sonde. Poželjno je izvršiti operaciju prethodnog prilaza ako je razmak između vrha sonde i površine uzorka veći od 0,51 mm. Kada se koristi automatizirani pristup sonde uzorku s velike udaljenosti između njih, proces približavanja će trajati jako dugo.

Ručnim vijkom spustite sondu dok vizualno kontrolirate udaljenost između nje i površine uzorka.

5. Izgradnja rezonantne krivulje i postavljanje radne frekvencije

Ova se operacija nužno izvodi na početku svakog mjerenja, a dok se ne izvrši, prijelaz na daljnje korake mjerenja je blokiran. Osim toga, tijekom procesa mjerenja ponekad se javljaju situacije koje zahtijevaju ponovno izvođenje ove operacije (na primjer, kada se kontakt izgubi).

Prozor za pretraživanje rezonancije se poziva pritiskom na tipku na upravljačkoj ploči instrumenta. Izvođenje ove operacije uključuje mjerenje amplitude oscilacija sonde kada se promijeni frekvencija prisilnih oscilacija, koju postavlja generator. Da biste to učinili, pritisnite gumb TRČANJE(Sl. 7-28).

Riža. 7 28. Prozor operacije pretraživanja rezonancije i postavka radne frekvencije:
a) - automatski način rada, b) - ručni način rada

U načinu rada Auto frekvencija oscilatora se automatski postavlja jednaka frekvenciji na kojoj je uočena maksimalna amplituda oscilacija sonde. Grafikon koji prikazuje promjenu amplitude oscilacija sonde u zadanom frekvencijskom rasponu (slika 7-28a) omogućuje vam promatranje oblika rezonantnog vrha. Ako rezonancijski vrh nije dovoljno izražen ili je amplituda na rezonantnoj frekvenciji mala ( manje od 1V), tada je potrebno promijeniti mjerne parametre i ponovno odrediti rezonantnu frekvenciju.

Ovaj način rada je namijenjen za Priručnik. Kada je ovaj način odabran u prozoru Određivanje rezonantne frekvencije pojavljuje se dodatna ploča
(Sl. 7-28b), što vam omogućuje podešavanje sljedećih parametara:

Napon zamaha sonde koju daje generator. Preporuča se postaviti ovu vrijednost na minimum (do nule) i ne više od 50 mV.

pojačanje amplitude ( Pojačanje amplitude). Ako je amplituda oscilacije sonde nedovoljna (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Pojačanje amplitude.

Za pokretanje operacije pretraživanja rezonancije, pritisnite gumb Početak.

Način rada Priručnik omogućuje vam da ručno promijenite odabranu frekvenciju pomicanjem zelenog kursora na grafikonu mišem, kao i razjasnite prirodu promjene amplitude oscilacije u uskom rasponu vrijednosti oko odabrane frekvencije (da biste to učinili, morate postaviti prekidač Ručni mod u poziciju Točno i pritisnite tipku Početak).

6. Snimanje interakcije

Kako bi se uhvatila interakcija, postupak kontroliranog približavanja sonde i uzorka provodi se pomoću mehanizma automatiziranog pristupa. Kontrolni prozor za ovaj postupak se poziva pritiskom na tipku na upravljačkoj ploči s instrumentima. Kada radite s CCM-om, ovaj gumb postaje dostupan nakon izvođenja operacije pretraživanja i postavljanja rezonantne frekvencije. Prozor CCM, Olovo(Sl. 7-29) sadrži kontrole pristupa sondi, kao i indikacije parametara koji vam omogućuju analizu tijeka postupka.

Riža. 7 29. Prozor za pristup sondi

U prozoru Opskrba Korisnik ima mogućnost pratiti sljedeće vrijednosti:

proširenje skenera ( SkenerZ) duž osi Z u odnosu na maksimum moguće, uzeto kao jedinica. Vrijednost relativnog izduženja skenera karakterizira razina ispunjenosti lijevog indikatora bojom koja odgovara području u kojem se skener trenutno nalazi: zelena - radno područje, plava - izvan radnog područja, crvena - skener je došao preblizu površini uzorka, što može dovesti do deformacije sonde. U potonjem slučaju program izdaje zvučno upozorenje;

amplituda oscilacije sonde u odnosu na amplitudu njegovih oscilacija u odsutnosti interakcije sila, uzete kao jedinica. Vrijednost relativne amplitude oscilacija sonde prikazana je na desnom indikatoru razinom njenog punjenja u tamnocrvenoj boji. Horizontalna oznaka na indikatoru Amplituda oscilacije sonde označava razinu pri prolasku kroz koju se vrši analiza stanja skenera i njegov automatski izlaz u radni položaj;

broj koraka ( Wagi) prošao u zadanom smjeru: Približavanje - približavanje, Povlačenje - uklanjanje.

Prije početka postupka spuštanja sonde, morate:

Provjerite jesu li parametri pristupa ispravno postavljeni:

Dobitak povratne informacije dobit OS-a postaviti na vrijednost 3 ,

Provjerite je li parametar suzbijanjeamplituda (sila) ima vrijednost od oko 0,2 (vidi sliku 7-29). U suprotnom pritisnite tipku Vlast i u prozoru Postavljanje parametara interakcije (Slika 7-30) postavljena vrijednost suzbijanjeamplituda jednak 0.2. Za delikatniji pristup, vrijednost parametra suzbijanjeamplituda možda i manje .

Provjerite jesu li postavke ispravne u prozoru s parametrima Parametri, stranica Parametri pristupa.

Postoji li interakcija ili ne može se odrediti lijevim indikatorom SkenerZ. Potpuno proširenje skenera (cijeli indikator SkenerZ obojen plavom bojom), kao i potpuno zasjenjeni bordo indikator Amplituda oscilacije sonde(Sl. 7-29) ukazuju da nema interakcije. Nakon traženja rezonancije i postavljanja radne frekvencije, amplituda slobodnih vibracija sonde uzima se kao jedinica.

Ako skener nije u potpunosti izvučen prije ili tijekom pristupa, ili program prikazuje poruku: „Pogreška! Sonda je preblizu uzorku. Provjerite parametre pristupa ili fizički čvor. Želite se preseliti na sigurno mjesto" , preporučuje se obustaviti postupak prilaza i:

a. promijenite jednu od opcija:

povećati količinu interakcije, parametar suzbijanjeamplituda, ili

povećati vrijednost dobit OS-a, ili

povećati vrijeme kašnjenja između koraka pristupa (parametar Vrijeme integracije Na stranici Parametri pristupa prozor Parametri).

b. povećajte udaljenost između vrha sonde i uzorka (da biste to učinili, slijedite korake opisane u odlomku i izvršite operaciju Rezonancija, zatim se vratite na proceduru Opskrba.

Riža. 7 30. Prozor za postavljanje vrijednosti interakcije između sonde i uzorka

Nakon snimanja interakcije, poruka " Potencija je završena”.

Ako je potrebno približiti se za jedan korak, pritisnite gumb. U tom se slučaju prvo izvršava korak, a zatim se provjeravaju kriteriji za hvatanje interakcije. Za zaustavljanje kretanja pritisnite tipku. Da biste izvršili operaciju uvlačenja, morate pritisnuti gumb za brzo uvlačenje

ili pritisnite tipku za sporo uvlačenje. Ako je potrebno, uvucite za jedan korak, pritisnite gumb. U tom se slučaju prvo izvršava korak, a zatim se provjeravaju kriteriji za hvatanje interakcije.

7. Skenirajte

Nakon završetka postupka pristupa ( Opskrba) i snimanje interakcije, skeniranje postaje dostupno (gumb u prozoru upravljačke ploče instrumenta).

Pritiskom na ovu tipku (pogled prozora za skeniranje prikazan je na slici 7-31), korisnik prelazi izravno na mjerenje i dobivanje rezultata mjerenja.

Prije izvođenja postupka skeniranja, morate postaviti parametre skeniranja. Ove su opcije grupirane na desnoj strani gornje trake prozora. Skeniranje.

Prvi put nakon pokretanja programa, oni se instaliraju prema zadanim postavkama:

Područje skeniranja - Regija (xnm*Ynm): 5000*5000 nm;

Broj bodovamjerenja duž osi- X, Y: NX=100, New Yorku=100;

Put skeniranja - Smjer definira smjer skeniranja. Program vam omogućuje odabir smjera osi brzog skeniranja (X ili Y). Kada se program pokrene, on se instalira Smjer

Nakon postavljanja parametara skeniranja, morate kliknuti gumb Prijavite se za potvrdu unosa parametara i gumb Početak za početak skeniranja.

Riža. 7 31. Prozor za upravljanje procesom i prikaz rezultata CCM skeniranja

7.4. Smjernice

Pročitajte korisnički priručnik [Ref. 7-4].

7.5.Sigurnost

Uređaj se napaja naponom od 220 V. Skenirajući sondni mikroskop NanoEducator treba raditi u skladu s PTE i PTB potrošačkih električnih instalacija napona do 1000 V.

7.6 Zadatak

1. Pripremite vlastite biološke uzorke za SPM studije.

2. Vježbajte opći dizajn NanoEducatora.

3. Upoznajte se s kontrolnim programom NanoEducator.

4. Dobijte prvu SPM sliku pod nadzorom učitelja.

5. Obradite i analizirajte dobivenu sliku. Koji su oblici bakterija tipični za vaše rješenje? Što određuje oblik i veličinu bakterijskih stanica?

6. Uzmite Burgeyjev ključ bakterija i usporedite rezultate s onima koji su tamo opisani.

7.7.Kontrolna pitanja

1. Koje su metode proučavanja bioloških objekata?

2. Što je skenirajuća sondna mikroskopija? Koji princip je u osnovi?

3. Navedite glavne komponente SPM-a i njihovu namjenu.

4. Što je piezoelektrični efekt i kako se primjenjuje u SPM. Opišite različite dizajne skenera.

5. Opišite opći dizajn NanoEducatora.

6. Opišite senzor interakcije sile i njegov princip rada.

7. Opišite mehanizam približavanja sonde uzorku u NanoEducatoru. Objasnite parametre koji određuju snagu interakcije između sonde i uzorka.

8. Objasniti princip skeniranja i rad sustava povratnih informacija. Recite nam o kriterijima za odabir opcija skeniranja.

7.8 Književnost

Lit. 7 1. Paul de Kruy. Lovci na mikrobe. M. Terra. 2001.

Lit. 7 2. Vodič za praktične vježbe iz mikrobiologije. Pod uredništvom Egorova N.S. Moskva: Nauka, 1995.

Lit. 7 3. Holt J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Odrednica bakterija Burgey. M.: Mir, 1997. Vol. br. 2. C. 574.

Lit. 7 4. Priručnik za korištenje instrumenta NanoEducator.predmeta. Nižnji Novgorod. Znanstveno-obrazovni centar...

Bilješke s predavanja iz kolegija "Skenirajuća sondna mikroskopija u biologiji" Plan predavanja

Sažetak

... skeniranjesondamikroskopija iz biologije" Plan predavanja: Uvod, povijest SPM. granice aplikacije... i nanostrukture, istraživanjebiološkipredmeta: Nobelovci... zaistraživanje specifični uzorak: B skeniranjesondamikroskopijaza ...

Preliminarni program xxiii ruske konferencije o elektronskoj mikroskopiji 1. lipnja Utorak ujutro 10 00 – 14 00 Otvaranje konferencije Uvodni govor

Program

B.P. Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, V.I. Popenko Primjenasonda i konfokalna skeniranjemikroskopijazaistraživanje procesi popravka korištenjem nanodisperznih transplantata...

1. sveruska znanstvena konferencija Metode proučavanja sastava i strukture funkcionalnih materijala

Dokument

VIŠEELEMENT OBJEKTI NEREFERENCA... Lyakhov N.Z. ISTRAŽIVANJE NANOKOMPOZITI BIOLOŠKI AKTIVAN... Aliev V.Sh. PRIMJENA METODA SONDAMIKROSKOPIJEZAISTRAŽIVANJE POSLJEDICA... SKENIRANJE KALORIMETRIJA I TERMOSTIMULIRANE STRUJE ZAISTRAŽIVANJE ...

Prvi uređaji koji su omogućili promatranje nano-objekata i njihovo pomicanje bili su skenirajući sondni mikroskopi - mikroskop atomske sile i skenirajući tunelski mikroskop koji rade na sličnom principu. Mikroskopiju atomske sile (AFM) razvili su G. Binnig i G. Rohrer, koji su za ove studije 1986. dobili Nobelovu nagradu. Stvaranje mikroskopa atomske sile, sposobnog osjetiti sile privlačenja i odbijanja koje nastaju između pojedinačnih atoma, omogućilo je, konačno, "osjetiti i vidjeti" nano-objekte.

Slika 9. Princip rada skenirajućeg sonde mikroskopa (preuzeto s http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Isprekidana linija pokazuje putanju laserske zrake. Ostala objašnjenja u tekstu.

Osnova AFM-a (vidi sliku 9) je sonda, obično izrađena od silicija i koja predstavlja tanku ploču-konzolu (naziva se konzola, od engleske riječi "cantilever" - konzola, greda). Na kraju konzole (duljina » 500 µm, širina » 50 µm, debljina » 1 µm) nalazi se vrlo oštar šiljak (dužina » 10 µm, polumjer zakrivljenosti od 1 do 10 nm), koji završava grupom od jednog ili više atoma (vidi sliku 10).

Slika 10. Elektronske mikrofotografije iste sonde snimljene pri malom (gore) i velikom povećanju.

Kako se mikrosonda kreće duž površine uzorka, vrh šiljka se diže i spušta, ocrtavajući mikroreljef površine, baš kao što gramofonska igla klizi preko gramofonske ploče. Na izbočenom kraju konzole (iznad šiljka, vidi sl. 9) nalazi se zrcalno područje, na koje pada laserska zraka i reflektira se. Kako se šiljak spušta i diže na neravnim površinama, reflektirana zraka se odbija, a taj otklon bilježi fotodetektor, a sila kojom se šiljak privlači na obližnje atome bilježi piezoelektrični senzor.

Podaci iz fotodetektora i piezoelektričnog senzora koriste se u sustavu povratne sprege koji može osigurati, na primjer, konstantnu vrijednost interakcijske sile između mikrosonde i površine uzorka. Kao rezultat, moguće je izgraditi trodimenzionalni reljef površine uzorka u stvarnom vremenu. Razlučivost AFM metode je približno 0,1-1 nm horizontalno i 0,01 nm okomito. Slika bakterije Escherichia coli dobivena pomoću skenirajućeg sonde mikroskopa prikazana je na sl. jedanaest.

Slika 11. Bakterija E. coli ( Escherichia coli). Slika je dobivena pomoću skenirajućeg sonde mikroskopa. Bakterija je duga 1,9 µm i široka 1 µm. Debljina flagele i cilija je 30 nm, odnosno 20 nm.

Druga skupina mikroskopa za skeniranje sonde koristi takozvani kvantno-mehanički "tunelski efekt" za izgradnju topografije površine. Bit tunelskog efekta je da električna struja između oštre metalne igle i površine koja se nalazi na udaljenosti od oko 1 nm počinje ovisiti o toj udaljenosti – što je udaljenost manja, to je struja veća. Ako se između igle i površine dovede napon od 10 V, ta struja "tuneliranja" može biti od 10 pA do 10 nA. Mjerenjem te struje i održavanjem konstantne, udaljenost između igle i površine također se može održavati konstantnom. To vam omogućuje da izgradite trodimenzionalni površinski profil (vidi sliku 12). Za razliku od mikroskopa atomske sile, skenirajući tunelski mikroskop može proučavati samo površine metala ili poluvodiča.

Slika 12. Igla skenirajućeg tunelskog mikroskopa, smještena na stalnoj udaljenosti (vidi strelice) iznad slojeva atoma površine koja se proučava.

Skenirajući tunelski mikroskop također se može koristiti za pomicanje atoma do točke koju odabere operater. Na primjer, ako je napon između vrha mikroskopa i površine uzorka nešto veći nego što je potrebno za proučavanje ove površine, tada se atom uzorka koji mu je najbliži pretvara u ion i "skače" na iglu. Nakon toga, laganim pomicanjem igle i promjenom napona, odbjegli atom se može natjerati da "skoči" natrag na površinu uzorka. Tako je moguće manipulirati atomima i stvarati nanostrukture, t.j. strukture na površini, koje imaju dimenzije reda nanometra. Daleke 1990. zaposlenici IBM-a pokazali su da je to moguće zbrajanjem imena svoje tvrtke na pločici od nikla od 35 atoma ksenona (vidi sliku 13).

Slika 13. 35 atoma ksenona na pločici od nikla, naziv tvrtke IBM, koju su izradili zaposlenici ove tvrtke pomoću skenirajućeg sonde mikroskopa 1990. godine.

Pomoću probnog mikroskopa moguće je ne samo pomicati atome, već i stvoriti preduvjete za njihovu samoorganizaciju. Na primjer, ako se na metalnoj ploči nalazi kap vode koja sadrži ione tiola, tada će sonda mikroskopa promovirati takvu orijentaciju ovih molekula, u kojoj će njihova dva ugljikovodična repa biti okrenuta od ploče. Kao rezultat, moguće je izgraditi monosloj molekula tiola koji prianja na metalnu ploču (vidi sliku 14). Ova metoda stvaranja monosloja molekula na metalnoj površini naziva se "nanolitografija olovkom".

Slika 14. Gore lijevo - konzola (sivo-čelik) skenirajućeg sondnog mikroskopa iznad metalne ploče. S desne strane je uvećana slika područja (zaokruženo bijelom bojom na slici lijevo) ispod konzolne sonde, koja shematski prikazuje molekule tiola s ljubičastim repovima ugljikovodika koji se poredaju u monosloju na vrhu sonde. Preuzeto iz Scientific American, 2001., rujan, str. 44.

Skenirajući sondni mikroskop

Najmlađi i ujedno obećavajući smjer u proučavanju površinskih svojstava je skenirajuća sondna mikroskopija. Sondni mikroskopi imaju rekordnu rezoluciju manju od 0,1 nm. Mogu mjeriti interakciju između površine i mikroskopskog vrha koji je skenira - sonde - i prikazati trodimenzionalnu sliku na zaslonu računala.

Metode sondne mikroskopije omogućuju ne samo vidjeti atome i molekule, već i utjecati na njih. U ovom slučaju, što je posebno važno, objekti se mogu proučavati ne nužno u vakuumu (što je uobičajeno za elektronske mikroskope), već i u raznim plinovima i tekućinama.

Tunelski mikroskop za skeniranje sonde izumili su 1981. G. Binning i H. Rohrer (SAD), zaposlenici IBM-ovog istraživačkog centra. Pet godina kasnije za ovaj izum dobili su Nobelovu nagradu.

Binning i Rohrer pokušali su dizajnirati uređaj za proučavanje površina manjih od 10 nm. Rezultat je premašio najluđa očekivanja: znanstvenici su mogli vidjeti pojedinačne atome čija je veličina samo oko jedan nanometar u prečniku. Rad skenirajućeg tunelskog mikroskopa temelji se na kvantnom mehaničkom fenomenu koji se naziva tunelski efekt. Vrlo tanak metalni vrh - negativno nabijena sonda - približava se uzorku, također metalni, pozitivno nabijen. U tom trenutku, kada udaljenost između njih dosegne nekoliko međuatomskih udaljenosti, elektroni će početi slobodno prolaziti kroz njega - "tunel": struja će teći kroz prazninu.

Za rad mikroskopa vrlo je važna jaka ovisnost jakosti tunelske struje o udaljenosti između vrha i površine uzorka. Ako se jaz smanji za samo 0,1 nm, struja će se povećati za oko 10 puta. Stoga čak i nepravilnosti veličine atoma uzrokuju zamjetne fluktuacije u veličini struje.

Za dobivanje slike, sonda skenira površinu, a elektronički sustav očitava struju. Ovisno o tome kako se ta vrijednost mijenja, vrh ili pada ili raste. Tako sustav održava vrijednost trenutne konstante, a putanja kretanja vrha prati reljef površine, savijajući se oko brda i udubljenja.

Vrh pomiče piezoskener, koji je manipulator napravljen od materijala koji se može mijenjati pod utjecajem električnog napona. Piezo skener najčešće ima oblik cijevi s nekoliko elektroda koja se izdužuje ili savija, pomičući sondu u različitim smjerovima s točnošću od tisućinki nanometra.

Informacije o kretanju vrha pretvaraju se u sliku površine, koja se gradi točku po točku na ekranu. Radi jasnoće, dijelovi različitih visina obojeni su različitim bojama.

U idealnom slučaju, na kraju vrha sonde trebao bi biti jedan nepomičan atom. Ako na kraju igle ima nekoliko izbočina, slika se može udvostručiti ili utrostručiti. Da bi se uklonio nedostatak, igla se ugravira u kiselinu, dajući joj željeni oblik.

Uz pomoć tunelskog mikroskopa došlo je do brojnih otkrića. Na primjer, otkrili su da su atomi na površini kristala raspoređeni drugačije nego unutar njih i često tvore složene strukture.

Uz pomoć tunelskog mikroskopa mogu se proučavati samo vodljivi objekti. Međutim, također omogućuje promatranje tankih dielektrika u obliku filma kada su postavljeni na površinu vodljivog materijala. I iako ovaj učinak još nije u potpunosti objašnjen, ipak se uspješno koristi za proučavanje mnogih organskih filmova i bioloških objekata - proteina, virusa.

Mogućnosti mikroskopa su velike. Uz pomoć igle mikroskopa, crteži se nanose čak i na metalne ploče. Za to se pojedini atomi koriste kao "pisaći" materijal - talože se na površinu ili uklanjaju s nje. Tako su 1991. godine zaposlenici IBM-a ispisali atome ksenona na površini ploče od nikla uz ime svoje tvrtke – IBM. Slovo "I" se sastojalo od samo 9 atoma, a slova "B" i "M" - po 13 atoma.

Sljedeći korak u razvoju skenirajuće sondne mikroskopije poduzeli su 1986. Binning, Kveit i Gerber. Stvorili su mikroskop atomske sile. Ako u tunelskom mikroskopu odlučujuću ulogu igra oštra ovisnost tunelske struje o udaljenosti između sonde i uzorka, tada je za mikroskop atomske sile ovisnost sile interakcije tijela o udaljenosti između njih odlučujuću važnost.

Sonda mikroskopa atomske sile je minijaturna elastična ploča – konzola. Štoviše, jedan od njegovih krajeva je fiksiran, dok je na drugom kraju vrh sonde formiran od čvrstog materijala - silicija ili silicijevog nitrida. Kada se sonda pomakne, sile interakcije između njezinih atoma i neravne površine uzorka će savijati ploču. Postizanjem takvog pomicanja sonde, kada otklon ostane konstantan, moguće je dobiti sliku površinskog profila. Ovaj način rada mikroskopa, nazvan kontaktni način, omogućuje mjerenje, s razlučivosti u djelićima nanometra, ne samo reljefa, već i sile trenja, elastičnosti i viskoznosti predmeta koji se proučava.

Skeniranje u kontaktu s uzorkom često dovodi do njegove deformacije i uništenja. Utjecaj sonde na površinu može biti koristan, na primjer, u proizvodnji mikrosklopova. Međutim, sonda može lako razbiti tanki polimerni film ili oštetiti bakteriju, uzrokujući njezinu smrt. Kako bi se to izbjeglo, konzola se dovodi u rezonantno titranje u blizini površine i bilježi se promjena amplitude, frekvencije ili faze oscilacija uzrokovanih interakcijom s površinom. Ova metoda omogućuje proučavanje živih mikroba: oscilirajuća igla djeluje na bakteriju poput nježne masaže, bez nanošenja štete, te vam omogućuje promatranje njenog kretanja, rasta i podjele.

Godine 1987. I. Martin i K. Vikrama-singh (SAD) predložili su korištenje magnetizirane mikroigle kao vrha sonde. Rezultat je bio mikroskop magnetske sile.

Takav mikroskop omogućuje da se vide pojedina magnetska područja u materijalu - domene - veličine do 10 nm. Također se koristi za ultra-gusto snimanje informacija formiranjem domena na površini filma pomoću polja igle i trajnog magneta. Takva snimka je stotine puta gušća nego na suvremenim magnetskim i optičkim diskovima.

Na svjetskom tržištu mikromehanike, gdje su glavni divovi kao što su IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Digital Instruments, našlo se mjesta i za Rusiju. Sve se glasnije čuje glas male firme MDT iz Zelenograda kod Moskve.

“Kopirajmo na tanjur, 10 puta manji od ljudske kose, crtež na stijeni naših dalekih predaka”, predlaže Denis Šabratov, glavni tehnolog. - Računalo upravlja "četkom", sondom - iglom duljine 15 mikrona, promjera stotinki mikrona. Igla se kreće po "platnu", a gdje se dodirne pojavljuje se mrlja veličine atoma. Postupno se na zaslonu pojavljuje jelen, a slijede ga jahači.

MDT je ​​jedini proizvođač sondnih mikroskopa i sondi u zemlji. Jedna je od četiri svjetske čelnice. Proizvodi tvrtke kupuju se u SAD-u, Japanu, Europi.

A sve je počelo činjenicom da su Denis Šabratov i Arkadij Gologanov, mladi inženjeri jednog od zelenogradskih instituta u krizi, razmišljajući o tome kako živjeti dalje, odabrali mikromehaničku. Oni su ga, ne bez razloga, smatrali najperspektivnijim smjerom.

"Nismo imali komplekse da bismo morali konkurirati jakim konkurentima", prisjeća se Gologanov. – Naravno, naša oprema je lošija od one iz uvoza, ali, s druge strane, tjera čovjeka na lukavstvo, na pamet. A oni sigurno nisu ništa lošiji od nas. I spremnosti za oranje više nego dovoljno. Radili su dan i noć, bez slobodnih dana. Najteže nije bilo čak ni napraviti superminijaturnu sondu, nego je prodati. Znamo da je naš najbolji na svijetu, vičemo o tome po internetu, bombardiramo klijente faksovima, jednom riječju, udaramo nogama kao ona žaba - nula pažnje.

Kada su saznali da jedan od lidera u proizvodnji mikroskopa, japanska tvrtka Joyle, traži igle vrlo složenog oblika, shvatili su da je to njihova šansa. Narudžba je koštala puno snage i živaca, ali je dobila bagatelu. Ali novac nije bio glavna stvar - sada su mogli na sav glas izjaviti: slavna Joyle je naša mušterija. Slično, gotovo godinu i pol, MDT je ​​besplatno proizvodio posebne sonde za američki nacionalni institut za standarde i tehnologiju. I na popisu klijenata pojavilo se novo veliko ime.

"Sada je tok narudžbi takav da više ne možemo svima zadovoljiti", kaže Shabratov. - Jao, to je specifičnost Rusije. Iskustvo je pokazalo da ima smisla takve znanstveno intenzivne proizvode proizvoditi u malim serijama, a masovnu proizvodnju treba uspostaviti u inozemstvu, gdje nema poremećaja u opskrbi, njihove niske kvalitete i izbornih kooperanata.”

Pojava skenirajuće sondne mikroskopije uspješno se poklopila s početkom naglog razvoja računalne tehnologije, otvarajući nove mogućnosti korištenja sondnih mikroskopa. Godine 1998. u Centru za napredne tehnologije (Moskva) kreiran je model skenirajućeg sondnog mikroskopa FemtoScan-001 koji se također kontrolira putem interneta. Sada, bilo gdje u svijetu, istraživač će moći raditi na mikroskopu, a svatko tko želi, može “pogledati” u mikrokozmos bez napuštanja računala.

Danas se takvi mikroskopi koriste samo u znanstvenim istraživanjima. Uz njihovu pomoć dolazi do najsenzacionalnijih otkrića u genetici i medicini, stvaraju se materijali s nevjerojatnim svojstvima. No, u bliskoj budućnosti očekuje se iskorak, prvenstveno u medicini i mikroelektronici. Pojavit će se mikroroboti koji će lijekove dopremati kroz posude izravno u oboljele organe, stvorit će se minijaturna superračunala.

Iz knjige 100 velikih izuma Autor Ryzhov Konstantin Vladislavovič

28. MIKROSKOP Otprilike u isto vrijeme kada je počelo istraživanje svemira teleskopima, prvi pokušaji da se lećama otkriju tajne mikrosvijeta.Poznato je da mali objekti, čak i ako su dobro osvijetljeni, šalju preslab zrak u oko

Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (IO) autora TSB

Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (MI) autora TSB

Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (TE) autora TSB

Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (EL) autora TSB

Iz knjige Sve o svemu. svezak 2 autor Likum Arkadij

Iz knjige Sovjetski satirični tisak 1917-1963 Autor Stykalin Sergej Iljič

Iz knjige 100 poznatih izuma Autor Pristinski Vladislav Leonidovič

Iz knjige Velika enciklopedija tehnologije Autor Autorski tim

Tko je izumio mikroskop? Riječ "mikroskop" je grčkog porijekla: prvi dio znači "mali", drugi - "promatrač". Otuda i "mikroskop" - promatrač nečega vrlo malog. To je instrument koji se koristi za gledanje sićušnih objekata, ne

Iz knjige Tko je tko u svijetu otkrića i izuma Autor Sitnikov Vitalij Pavlovič

* MIKROSKOP Satirički časopis. Objavljeno u Novo-Nikolajevsku (danas Novosibirsk) 1922. (Izvor: Sibirski sovjet Encikl, sv. I, str.

Iz knjige autora

Iz knjige autora

Mikroskop Mikroskop je optički uređaj dizajniran za dobivanje uvećanih slika bilo kojeg predmeta ili detalja strukture tih objekata koji nisu vidljivi golim okom. Općenito, mikroskop je sustav koji se sastoji od dvije leće, ali

Iz knjige autora

Rentgenski mikroskop Rentgenski mikroskop je uređaj koji ispituje mikroskopsku strukturu i strukturu predmeta pomoću rendgenskih zraka. Rentgenski mikroskop ima višu granicu rezolucije od svjetlosnog mikroskopa jer

Iz knjige autora

Ionski mikroskop Ionski mikroskop je instrument koji koristi ionsku zraku generiranu plinskim ili termionskim ionskim izvorom za dobivanje slika. Princip rada ionskog mikroskopa sličan je onom kod elektronskog mikroskopa. prolazeći kroz objekt i

Iz knjige autora

Mikroskop Mikroskop je optički uređaj koji vam omogućuje dobivanje slika objekata koji nisu vidljivi golim okom. Koristi se za promatranje mikroorganizama, stanica, kristala, legiranih struktura s točnošću od 0,20 mikrona. Ova rezolucija mikroskopa je najmanja

Iz knjige autora

Tko je izumio mikroskop? Riječ "mikroskop" je grčkog porijekla: prvi dio znači "mali", drugi - "promatrač". Otuda i "mikroskop" - promatrač nečega vrlo malog. To je instrument koji se koristi za ispitivanje sićušnih objekata, ne