Predmetna naloga: skenirna sonda mikroskopija. Skenirni sondni mikroskop Trenutno stanje in razvoj skenirne sondne mikroskopije

Uvod

Trenutno se znanstveno in tehnična smer - nanotehnologija - hitro razvija, ki zajema širok spekter tako temeljnih kot uporabnih raziskav. To je bistveno nova tehnologija, ki lahko rešuje probleme na tako različnih področjih, kot so komunikacije, biotehnologija, mikroelektronika in energija. Danes več kot sto mladih podjetij razvija nanotehnološke izdelke, ki bodo na trg prišli v naslednjih dveh do treh letih.

Nanotehnologije bodo postale vodilne tehnologije v 21. stoletju in bodo prispevale k razvoju gospodarstva in socialne sfere družbe, lahko postanejo predpogoj za novo industrijsko revolucijo. V zadnjih dvesto letih je bil napredek v industrijski revoluciji dosežen s ceno približno 80 % zemeljskih virov. Nanotehnologije bodo znatno zmanjšale obseg porabe virov in ne bodo pritiskale na okolje, igrale bodo vodilno vlogo v življenju človeštva, saj je na primer računalnik postal sestavni del življenja ljudi.

Napredek v nanotehnologiji je spodbudil razvoj eksperimentalnih raziskovalnih metod, med katerimi so najbolj informativne metode skenirne sondne mikroskopije, katerih izum in distribucijo je svet dolžan predvsem Nobelovim nagrajencem iz leta 1986 - profesorju Heinrichu Rohrerju in dr. Gerd Binnig.

Svet je bil navdušen nad odkritjem tako preprostih metod za vizualizacijo atomov in celo z zmožnostjo manipuliranja z njimi. Številne raziskovalne skupine so začele oblikovati domače naprave in eksperimentirati v tej smeri. Posledično so se rodile številne priročne sheme naprav, predlagane so bile različne metode za vizualizacijo rezultatov interakcije sonde in površine, kot so mikroskopija bočne sile, mikroskopija magnetne sile, mikroskopija za snemanje magnetnih, elektrostatičnih in elektromagnetnih interakcij. Metode optične mikroskopije bližnjega polja so se intenzivno razvijale. Razvite so metode za usmerjeno, kontrolirano delovanje v sistemu sonda-površina, na primer nanolitografija - spremembe na površini nastanejo pod vplivom električnih, magnetnih vplivov, plastičnih deformacij in svetlobe v sistemu sonda-površina. Ustvarjene so bile tehnologije za izdelavo sond z določenimi geometrijskimi parametri, s posebnimi premazi in strukturami za vizualizacijo različnih površinskih lastnosti.

Mikroskopija s skenirno sondo (SPM) je ena najmočnejših sodobnih metod za preučevanje morfologije in lokalnih lastnosti trdne površine z visoko prostorsko ločljivostjo. V zadnjih 10 letih se je mikroskopija s skenirno sondo razvila iz eksotične tehnike, ki je na voljo le omejenemu številu raziskovalnih skupin, v široko uporabljeno in uspešno uporabljeno orodje za preučevanje površinskih lastnosti. Trenutno skoraj nobena raziskava na področju fizike površin in tankoslojnih tehnologij ni popolna brez uporabe metod SPM. Razvoj skenirne sondne mikroskopije je služil tudi kot osnova za razvoj novih metod v nanotehnologiji – tehnologije za ustvarjanje struktur z nanometrskimi merili.

1. Zgodovinsko ozadje

Za opazovanje majhnih predmetov je Nizozemec Anthony van Leeuwenhoek v 17. stoletju izumil mikroskop in odkril svet mikrobov. Njegovi mikroskopi so bili nepopolni in so dajali povečave od 150 do 300-krat. Toda njegovi privrženci so izboljšali to optično napravo in postavili temelje za številna odkritja v biologiji, geologiji in fiziki. Nemški optik Ernst Karl Abbe pa je konec 19. stoletja (1872) pokazal, da je zaradi uklona svetlobe ločljivost mikroskopa (to je najmanjša razdalja med predmeti, ko se še ne zlijejo v enega). slika) je omejena z valovno dolžino svetlobe (0,4 - 0,8 µm). Tako je prihranil veliko truda optikov, ki so poskušali izdelati naprednejše mikroskope, a razočaral biologe in geologe, ki so izgubili upanje, da bi dobili instrument s povečavo nad 1500x.

Zgodovina nastanka elektronskega mikroskopa je čudovit primer, kako lahko neodvisno razvijajoča se področja znanosti in tehnologije z izmenjavo prejetih informacij in združitvijo prizadevanj ustvarijo novo močno orodje za znanstveno raziskovanje. Vrhunec klasične fizike je bila teorija elektromagnetnega polja, ki je pojasnila širjenje svetlobe, nastanek električnih in magnetnih polj, gibanje nabitih delcev v teh poljih kot širjenje elektromagnetnih valov. Valovna optika je razjasnila pojav difrakcije, mehanizem nastanka slike in igro dejavnikov, ki določajo ločljivost v svetlobnem mikroskopu. Uspehe na področju teoretične in eksperimentalne fizike dolgujemo odkritju elektrona z njegovimi specifičnimi lastnostmi. Ta ločen in na videz neodvisen razvoj je pripeljal do ustvarjanja temeljev elektronske optike, katere ena najpomembnejših aplikacij je bil izum EM v tridesetih letih prejšnjega stoletja. Neposreden namig na to možnost lahko štejemo za hipotezo o valovni naravi elektrona, ki jo je leta 1924 postavil Louis de Broglie in leta 1927 eksperimentalno potrdila K. Davisson in L. Germer v ZDA ter J. Thomson v Angliji. Tako je bila predlagana analogija, ki je omogočila konstruiranje EM po zakonih valovne optike. H. Bush je odkril, da je mogoče elektronske slike oblikovati z uporabo električnih in magnetnih polj. V prvih dveh desetletjih 20. stoletja ustvarjene so bile tudi potrebne tehnične predpogoje. Industrijski laboratoriji, ki so delali na katodnem osciloskopu, so zagotovili vakuumsko tehnologijo, stabilne vire visoke napetosti in toka ter dobre oddajnike elektronov.

Leta 1931 je R. Rudenberg vložil patentno prijavo za transmisijski elektronski mikroskop, leta 1932 pa sta M. Knoll in E. Ruska zgradila prvi takšen mikroskop z magnetnimi lečami za fokusiranje elektronov. Ta instrument je bil predhodnik sodobnega optičnega prenosnega elektronskega mikroskopa (OTEM). (Ruska je bil za svoje delo nagrajen z Nobelovo nagrado za fiziko leta 1986.) Leta 1938 sta Ruska in B. von Borris zgradila prototip industrijskega OPEM za Siemens-Halske v Nemčiji; ta instrument je sčasoma omogočil doseganje ločljivosti 100 nm. Nekaj ​​let pozneje sta A. Prebus in J. Hiller zgradila prvi OPEM visoke ločljivosti na Univerzi v Torontu (Kanada).

Široke možnosti OPEM so postale očitne skoraj takoj. Njegovo industrijsko proizvodnjo sta hkrati začela Siemens-Halske v Nemčiji in RCA Corporation v ZDA. V poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja so druga podjetja začela proizvajati takšne naprave.

SEM v sedanji obliki je leta 1952 izumil Charles Otley. Res je, predhodne različice takšne naprave sta v tridesetih letih 20. stoletja izdelala Knoll v Nemčiji in Zworykin z zaposlenimi v korporaciji RCA v 40. letih prejšnjega stoletja, vendar je le naprava Otley lahko služila kot osnova za številne tehnične izboljšave, ki so dosegle vrhunec v uvedba industrijske različice SEM v proizvodnjo sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja. Krog porabnikov tako precej enostavne naprave s tridimenzionalno sliko in elektronskim izhodnim signalom se je razširil s hitrostjo eksplozije. Trenutno je na treh celinah dober ducat industrijskih proizvajalcev SEM in na deset tisoče tovrstnih naprav, ki se uporabljajo v laboratorijih po vsem svetu. V 60. letih prejšnjega stoletja so razvili ultravisokonapetostne mikroskope za preučevanje debelejših vzorcev. , kjer je naprava s pospeševalno napetost 3,5 milijona voltov je začela delovati leta 1970. RTM sta izumila G. Binnig in G. Rohrer v Zürichu leta 1979. Ta zelo preprosta naprava zagotavlja atomsko ločljivost površin. Binnig in Rohrer (sočasno z Rusko) sta prejela Nobelovo nagrado za izdelavo RTM.

Skenirni sondni mikroskop sta leta 1986 izumila Rohrer in Binnig. Od svojega izuma so STM široko uporabljali znanstveniki različnih specialnosti, ki pokrivajo skoraj vse naravoslovne discipline, od temeljnih raziskav v fiziki, kemiji, biologiji do specifičnih tehnoloških aplikacij. Načelo delovanja STM je tako preprosto, potencialne možnosti pa tako velike, da je nemogoče predvideti njegov vpliv na znanost in tehnologijo niti v bližnji prihodnosti.

Kot se je kasneje izkazalo, lahko skoraj vsako interakcijo konice sonde s površino (mehansko, magnetno) s pomočjo ustreznih instrumentov in računalniških programov pretvorimo v sliko površine.

Namestitev skenirnega sondnega mikroskopa je sestavljena iz več funkcionalnih blokov, prikazanih na sl. 1. To je najprej sam mikroskop s piezomanipulatorjem za krmiljenje sonde, tunelskim tokovno-napetostnim pretvornikom in koračnim motorjem za dovod vzorcev; blok analogno-digitalnih in digitalno-analognih pretvornikov in visokonapetostnih ojačevalnikov; krmilna enota koračnega motorja; plošča s signalnim procesorjem, ki izračuna povratni signal; računalnik, ki zbira informacije in zagotavlja uporabniški vmesnik. Strukturno je enota DAC in ADC nameščena v istem ohišju s krmilno enoto koračnega motorja. Plošča s signalnim procesorjem (DSP - Digital Signal Processor) ADSP 2171 proizvajalca Analog Devices je nameščena v ISA razširitveno režo osebnega računalnika.

Splošni pogled na mehanski sistem mikroskopa je prikazan na sl. 2. Mehanski sistem vključuje bazo s piezomanipulatorjem in sistem gladkega podajanja vzorcev na koračni motor z menjalnikom in dvema odstranljivima merilnima glavama za delovanje v načinih skeniranja tuneliranja in mikroskopije z atomsko silo. Mikroskop omogoča doseganje stabilne atomske ločljivosti na tradicionalnih testnih površinah brez uporabe dodatnih seizmičnih in akustičnih filtrov.

2. Načela delovanja skenirnih sondnih mikroskopov

Pri skenirnih sondnih mikroskopih se preučevanje površinskega mikroreliefa in njegovih lokalnih lastnosti izvaja s pomočjo posebej pripravljenih sond v obliki igel. Delovni del takšnih sond (konica) je velik približno deset nanometrov. Značilna razdalja med sondo in površino vzorca v sondnih mikroskopih je 0,1 – 10 nm po velikosti. Delovanje sondnih mikroskopov temelji na različnih vrstah interakcije med sondo in površino. Tako delovanje tunelskega mikroskopa temelji na pojavu tunelskega toka, ki teče med kovinsko iglo in prevodnim vzorcem; različne vrste interakcije sile so osnova delovanja mikroskopov atomske sile, magnetne sile in električne sile. Razmislimo o skupnih značilnostih različnih sondnih mikroskopov. Naj bo interakcija sonde s površino označena z nekim parametrom P. Če obstaja dovolj ostra in ena proti ena odvisnost parametra P od razdalje med sondo in vzorcem, potem lahko ta parameter uporabimo za organizacijo povratne informacije sistem (FS), ki nadzoruje razdaljo med sondo in vzorcem. Na sl. 3 shematično prikazuje splošno načelo organizacije povratnih informacij SPM.

Sistem povratnih informacij vzdržuje konstantno vrednost parametra Р, ki je enaka vrednosti, ki jo določi operater. Če se razdalja sonde od površine spremeni, se spremeni parameter P. V sistemu OS se generira diferenčni signal, ki je sorazmeren z vrednostjo ΔP = P - P, ki se ojača na želeno vrednost in dovede do prožilnega elementa IE. Prožilni element obdeluje ta signal razlike tako, da se sondo približa površini ali odmakne, dokler signal razlike ne postane nič. na ta način je mogoče vzdrževati razdaljo med sondo in vzorcem z veliko natančnostjo. Ko se sonda premika vzdolž površine vzorca, se parameter interakcije P spremeni zaradi topografije površine. OS sistem izdeluje te spremembe, tako da se ob premiku sonde v ravnini X, Y izkaže, da je signal na sprožilnem elementu sorazmeren topografiji površine. Za pridobitev SPM slike se izvede posebej organiziran postopek skeniranja vzorca. Pri skeniranju se sonda najprej premika po vzorcu vzdolž določene črte (line scanning), medtem ko se vrednost signala na prožilnem elementu, sorazmerna topografiji površine, zapiše v pomnilnik računalnika. Nato se sonda vrne na začetno točko in preide na naslednjo vrstico skeniranja (frame scan), postopek pa se ponovno ponovi. Tako posnet povratni signal med skeniranjem računalniško obdela, nato pa se s pomočjo računalniške grafike sestavi SPM slika topografije površine. Sondni mikroskopi poleg preučevanja topografije površine omogočajo preučevanje različnih površinskih lastnosti: mehanskih, električnih, magnetnih, optičnih in drugih.

3. Skenirni elementi (skenerji) sondnih mikroskopov

3.1 Elementi skeniranja

Za upravljanje sondnih mikroskopov je potrebno nadzorovati delovno razdaljo sonde in vzorca in premikati sondo v ravnini vzorca z visoko natančnostjo (na ravni frakcij angstroma). Ta problem je rešen s pomočjo posebnih manipulatorjev - skenerjev (skenerjev). Skenirni elementi sondnih mikroskopov so izdelani iz piezoelektrikov, materialov s piezoelektričnimi lastnostmi. Piezoelektriki spreminjajo svoje dimenzije v zunanjem električnem polju. Enačba za inverzni piezoelektrični učinek za kristale je zapisana kot:

kjer je u tenzor deformacije, E so komponente električnega polja in d so komponente tenzorja piezoelektričnega koeficienta. Oblika tenzorja piezoelektričnega koeficienta je določena z vrsto kristalne simetrije.

V različnih tehničnih aplikacijah se pogosto uporabljajo pretvorniki iz piezokeramičnih materialov. Piezokeramika je polariziran polikristalni material, pridobljen s sintranjem praškov iz kristalnih feroelektrikov. Polarizacija keramike poteka na naslednji način. Keramiko segrejemo nad Curiejevo temperaturo (za večino piezokeramike je ta temperatura nižja od 300C) in nato počasi ohlajamo v močnem (približno 3 kV/cm) električnem polju. Po ohlajanju piezokeramika povzroči polarizacijo in pridobi sposobnost spreminjanja svojih dimenzij (povečanje ali zmanjšanje odvisno od medsebojne smeri polarizacijskega vektorja in vektorja zunanjega električnega polja).

Cevasti piezoelektrični elementi se pogosto uporabljajo v mikroskopiji s skenirno sondo (slika 4). Omogočajo pridobitev dovolj velikih premikov predmetov pri relativno majhnih krmilnih napetostih. Cevni piezoelektrični elementi so votli tankostenski valji iz piezokeramičnih materialov. Običajno se elektrode v obliki tankih kovinskih plasti nanesejo na zunanjo in notranjo površino cevi, medtem ko konci cevi ostanejo neprevlečeni.

Pod vplivom potencialne razlike med notranjo in zunanjo elektrodo cev spremeni svoje vzdolžne dimenzije. V tem primeru lahko vzdolžno deformacijo pod delovanjem radialnega električnega polja zapišemo kot:

kjer je l dolžina cevi v nedeformiranem stanju. Absolutni raztezek piezocevke je

kjer je h debelina stene piezocevke, V je potencialna razlika med notranjo in zunanjo elektrodo. Tako bo pri enaki napetosti V raztezek cevi večji, večja je njena dolžina in manjša je debelina stene.

Povezava treh cevi v eno vozlišče omogoča organiziranje natančnih premikov mikroskopske sonde v treh medsebojno pravokotnih smereh. Tak element za skeniranje se imenuje stojalo.

Pomanjkljivosti takšnega skenerja so zapletenost izdelave in močna asimetrija zasnove. Do danes se pri mikroskopiji s skenirno sondo najbolj uporabljajo skenerji, ki temeljijo na enem samem cevastem elementu. Splošni pogled na cevasti skener in postavitev elektrod sta prikazana na sl. 5. Material cevi ima radialno smer polarizacijskega vektorja.

Notranja elektroda je običajno trdna. Zunanja elektroda skenerja je razdeljena vzdolž generatric cilindra na štiri dele. Ko se protifazne napetosti nanesejo na nasprotne dele zunanje elektrode (glede na notranjo), se odsek cevi skrči na mestu, kjer smer polja sovpada s smerjo polarizacije, in nastane raztezek, kjer so usmerjeni v nasprotni smeri. To povzroči, da se cev upogne v ustrezni smeri. Tako se skeniranje izvaja v ravnini X, Y. Sprememba potenciala notranje elektrode glede na vse zunanje odseke vodi do raztezanja ali krčenja cevi vzdolž osi Z. Tako je mogoče organizirati tri -koordinatni skener, ki temelji na eni piezocevki. Pravi elementi za skeniranje imajo pogosto bolj zapleteno zasnovo, vendar načela njihovega delovanja ostajajo enaka.

Široko se uporabljajo tudi skenerji na osnovi bimorfnih piezoelektričnih elementov. Bimorf sta dve piezoelektrični plošči, zlepljeni tako, da so polarizacijski vektorji v vsaki od njih usmerjeni v nasprotni smeri (slika 6). Če se napetost nanese na bimorfne elektrode, kot je prikazano na sl. 6, se bo ena od plošč razširila, druga pa skrčila, kar bo povzročilo upogibanje celotnega elementa. V resničnih zasnovah bimorfnih elementov se ustvari potencialna razlika med notranjo skupno in zunanjo elektrodojo, tako da v enem elementu polje sovpada s smerjo polarizacijskega vektorja, pri drugem pa je usmerjeno nasprotno.

Bimorfno upogibanje pod delovanjem električnih polj je osnova za delovanje bimorfnih piezoskenerjev. Z združevanjem treh bimorfnih elementov v eni konstrukciji je možno izvesti stativ na bimorfnih elementih.

Če so zunanje elektrode bimorfnega elementa razdeljene na štiri sektorje, potem je mogoče na enem bimorfnem elementu organizirati gibanje sonde vzdolž osi Z in v ravnini X, Y (slika 7).

Dejansko je z uporabo protifaznih napetosti na nasprotnih parih odsekov zunanjih elektrod mogoče upogniti bimorf tako, da se bo sonda premikala v ravnini X, Y (slika 7 (a, b)). In s spreminjanjem potenciala notranje elektrode glede na vse odseke zunanjih elektrod, je mogoče upogniti bimorf s premikanjem sonde v smeri Z (slika 7 (c, d)).

3.2 Nelinearnost piezokeramike

Kljub številnim tehnološkim prednostim pred kristali ima piezokeramika nekaj pomanjkljivosti, ki negativno vplivajo na delovanje skenirnih elementov. Ena takih pomanjkljivosti je nelinearnost piezoelektričnih lastnosti. Na sl. 8 je kot primer prikazana odvisnost premika piezocevke v smeri Z od velikosti uporabljenega polja. V splošnem primeru (predvsem pri visokih krmilnih poljih) je za piezokeramiko značilna nelinearna odvisnost deformacij od polja (oz. od krmilne napetosti).

Tako je deformacija piezokeramike kompleksna funkcija zunanjega električnega polja:

Za majhna krmilna polja lahko to odvisnost predstavimo v naslednji obliki:

u = d* E+ α* E*E+…

kjer sta d in α linearni in kvadratni moduli piezoelektričnega učinka.

Tipične vrednosti polj E, pri katerih se začnejo kazati nelinearni učinki, so reda 100 V/mm. Zato se za pravilno delovanje skenirnih elementov običajno uporabljajo kontrolna polja v območju linearnosti keramike (E< Е) .

elektronski mikroskop s skenirno sondo

3.3 Piezo keramično lezenje in piezo keramična histereza

Druga pomanjkljivost piezokeramike je tako imenovano lezenje (lezenje - lezenje) - zamuda pri odzivu na spremembo velikosti krmilnega električnega polja.

Polzenje vodi do geometrijskih popačenj, povezanih s tem učinkom na slikah SPM. Polzenje je še posebej močno, ko so skenerji pripeljani na določeno točko za lokalne meritve in v začetnih fazah procesa skeniranja. Za zmanjšanje učinka lezenja keramike se pri teh procesih uporabljajo časovne zakasnitve, ki omogočajo delno kompenzacijo zamude optičnega bralnika.

Druga pomanjkljivost piezokeramike je dvoumnost odvisnosti raztezka od smeri spremembe električnega polja (histereza).

To vodi v dejstvo, da je pri enakih krmilnih napetostih piezokeramika na različnih točkah poti, odvisno od smeri gibanja. Da bi izključili popačenje slik SPM zaradi histereze piezokeramike, se podatki zabeležijo pri skeniranju vzorcev samo na eni od vej odvisnosti.

4. Naprave za natančno premikanje sonde in vzorca

4.1 Mehanski menjalniki

Eden od pomembnih tehničnih problemov pri mikroskopiji s skenirno sondo je potreba po natančnem premikanju sonde in vzorca, da se oblikuje delovna reža mikroskopa in izbere območje površine, ki se preučuje. Za rešitev tega problema se uporabljajo različne vrste naprav, ki premikajo predmete z visoko natančnostjo. Široko se uporabljajo različni mehanski menjalniki, pri katerih grobo gibanje začetnega premikanja ustreza finemu gibanju predmeta, ki se premika. Načini za zmanjšanje premikov so lahko različni. Široko se uporabljajo vzvodne naprave, pri katerih se zmanjšanje količine gibanja izvaja zaradi razlike v dolžini ročic ročic. Shema ročičnega menjalnika je prikazana na sl. 9.

Mehanski vzvod omogoča doseganje zmanjšanja pomika s koeficientom

Tako večje kot je razmerje med krakom L in krakom l, natančneje je mogoče nadzorovati proces približevanja sondi in vzorcu.

Tudi pri zasnovah mikroskopov se pogosto uporabljajo mehanski menjalniki, pri katerih je zmanjšanje premikov doseženo zaradi razlike v koeficientih togosti dveh zaporedno povezanih elastičnih elementov (slika 10). Zasnova je sestavljena iz toge podlage, vzmeti in elastičnega nosilca. Togost vzmeti k in elastični nosilec K sta izbrana tako, da je izpolnjen naslednji pogoj: k< K .

Faktor zmanjšanja je enak razmerju koeficientov togosti elastičnih elementov:

Tako je večje kot je razmerje togosti žarka in togosti vzmeti, natančneje je mogoče nadzorovati premik delovnega elementa mikroskopa.

4.2 Koračni motorji

Koračni motorji (SHED) so elektromehanske naprave, ki pretvarjajo električne impulze v diskretna mehanska gibanja. Pomembna prednost koračnih motorjev je, da zagotavljajo nedvoumno odvisnost položaja rotorja od vhodnih tokovnih impulzov, tako da je kot vrtenja rotorja določen s številom krmilnih impulzov. V SHED navor ustvarjajo magnetni tokovi, ki jih ustvarjata pola statorja in rotorja, ki sta ustrezno usmerjena drug proti drugemu.

Najpreprostejši modeli so motorji s trajnimi magneti. Sestavljeni so iz statorja, ki ima navitja, in rotorja, ki vsebuje trajne magnete. Na sl. 11 prikazuje poenostavljeno zasnovo koračnega motorja.

Izmenični poli rotorja imajo pravokotno obliko in so vzporedni z osjo motorja. Motor, prikazan na sliki, ima 3 pare polov rotorja in 2 para statorskih polov. Motor ima 2 neodvisna navitja, od katerih je vsako navito na dva nasprotna pola statorja. prikazani motor ima velikost koraka 30 stopinj. Ko se tok vklopi v enem od navitij, rotor teži k položaju, v katerem sta nasprotna pola rotorja in statorja nasproti drug drugemu. Za neprekinjeno vrtenje morate izmenično vklopiti navitja.

V praksi se uporabljajo koračni motorji, ki imajo bolj zapleteno zasnovo in zagotavljajo od 100 do 400 korakov na vrtljaj rotorja. Če je tak motor seznanjen z navojno povezavo, potem je z naklonom navoja približno 0,1 mm zagotovljena natančnost pozicioniranja predmeta približno 0,25 - 1 mikron. Za povečanje natančnosti se uporabljajo dodatni mehanski menjalniki. Možnost električnega krmiljenja omogoča učinkovito uporabo SHED v avtomatiziranih sistemih za približevanje sondi in vzorcu skenirnih sondnih mikroskopov.

4.3 Piezo koračni motorji

Zahteve za dobro izolacijo naprav pred zunanjimi vibracijami in potreba po delovanju sondnih mikroskopov v vakuumskih pogojih nalagajo resne omejitve pri uporabi povsem mehanskih naprav za premikanje sonde in vzorca. V zvezi s tem so naprave na osnovi piezoelektričnih pretvornikov, ki omogočajo daljinsko upravljanje gibanja predmetov, široko uporabljene v sondnih mikroskopih.

Ena od zasnov koračnega inercialnega piezoelektričnega motorja je prikazana na sl. 12. Ta naprava vsebuje osnovo (1), na katero je pritrjena piezoelektrična cev (2). Cev ima elektrode (3) na zunanji in notranji površini. Na koncu cevi je pritrjena razcepna vzmet (4), ki je cilinder z ločenimi vzmetnimi cvetnimi listi. Nosilec predmeta (5) je nameščen v vzmet - precej masiven cilinder s polirano površino. Predmet, ki ga želite premakniti, lahko pritrdite na držalo z vzmetjo ali preklopno matico, kar omogoča, da naprava deluje v poljubni orientaciji v prostoru.

Naprava deluje na naslednji način. Za premikanje nosilca predmeta v smeri osi Z se na elektrode piezocevke dovaja žagasta impulzna napetost (slika 13).

Na nežnem robu žagaste napetosti se cev gladko podaljša ali skrči, odvisno od polarnosti napetosti, njen konec pa se skupaj z vzmetjo in držalom predmeta premakne za razdaljo:

V trenutku, ko se žagasta napetost sprosti, se cev vrne v prvotni položaj s pospeškom a, ki ima na začetku največjo vrednost:

kjer je ω resonančna frekvenca vzdolžnih nihanj cevi. Ko 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. Zaščita sondnih mikroskopov pred zunanjimi vplivi

5.1 Zaščita pred vibracijami

Za zaščito naprav pred zunanjimi vibracijami se uporabljajo različne vrste sistemov za izolacijo vibracij. Konvencionalno jih lahko razdelimo na pasivne in aktivne. Glavna ideja pasivnih sistemov za izolacijo vibracij je naslednja. Amplituda prisilnih nihanj mehanskega sistema hitro pada s povečanjem razlike med frekvenco vzbujevalne sile in naravno resonančno frekvenco sistema (tipična amplitudno-frekvenčna karakteristika (AFC) nihajnega sistema je prikazana v Slika 14).

Zato zunanji vplivi s frekvencami ω > ω praktično nimajo opaznega vpliva na nihalni sistem. Če je torej merilna glava sondnega mikroskopa nameščena na platformo, ki izolira vibracije ali na elastično vzmetenje (slika 15), bodo v sistem prešle samo zunanje vibracije s frekvencami, ki so blizu resonančni frekvenci sistema za izolacijo vibracij. telo mikroskopa. Ker so naravne frekvence glav SPM 10–100 kHz, je z izbiro dovolj nizke resonančne frekvence sistema za izolacijo vibracij (reda 5–10 Hz) mogoče napravo učinkovito zaščititi pred zunanjimi vibracijami. Za dušenje nihanj pri naravnih resonančnih frekvencah se v sisteme za izolacijo vibracij vnesejo disipativni elementi z viskoznim trenjem.

Zato je za zagotovitev učinkovite zaščite nujno, da je resonančna frekvenca sistema za izolacijo vibracij čim nižja. Zelo nizke frekvence pa je v praksi težko realizirati.

Za zaščito glav SPM se uspešno uporabljajo aktivni sistemi za dušenje zunanjih vibracij. Takšne naprave so elektromehanski sistemi z negativnimi povratnimi informacijami, ki zagotavljajo stabilen položaj vibracijske izolacijske platforme v prostoru (slika 16).

5.2 Zaščita pred zvočnim hrupom

Drug vir tresljajev strukturnih elementov sondnih mikroskopov je zvočni hrup različne narave.

Značilnost akustičnih motenj je, da akustični valovi neposredno vplivajo na strukturne elemente glav SPM, kar vodi do vibracij sonde glede na površino preučevanega vzorca. Za zaščito SPM pred zvočnimi motnjami se uporabljajo različni zaščitni pokrovi, ki znatno zmanjšajo raven akustičnih motenj v območju delovne reže mikroskopa. Najučinkovitejša zaščita pred zvočnimi motnjami je namestitev merilne glave sondnega mikroskopa v vakuumsko komoro (slika 17).

5.3 Stabilizacija toplotnega odnašanja položaja sonde nad površino

Eden od pomembnih problemov SPM je problem stabilizacije položaja sonde nad površino preučevanega vzorca. Glavni vir nestabilnosti položaja sonde je sprememba temperature okolice ali segrevanje strukturnih elementov sonde mikroskopa med njegovim delovanjem. Sprememba temperature trdne snovi vodi do pojava termoelastičnih deformacij. Takšne deformacije zelo pomembno vplivajo na delovanje sondnih mikroskopov. Za zmanjšanje toplotnega odnašanja se uporablja temperaturna regulacija merilnih glav SPM ali pa se v zasnovo glav vnesejo toplotni kompenzacijski elementi. Ideja toplotne kompenzacije je naslednja. Vsako zasnovo SPM lahko predstavimo kot niz elementov z različnimi koeficienti toplotnega raztezanja (slika 18 (a)).

Za kompenzacijo toplotnega odmika so v zasnovo merilnih glav SPM vneseni kompenzacijski elementi z različnimi koeficienti raztezanja, tako da je izpolnjen pogoj, da je vsota toplotnih raztezkov v različnih krakih konstrukcije enaka nič:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Najenostavnejši način za zmanjšanje toplotnega odnašanja položaja sonde vzdolž osi Z je uvedba kompenzacijskih elementov iz enakega materiala in z enakimi značilnimi dimenzijami kot glavni konstrukcijski elementi v zasnovo SPM (slika 18 (b)). Ko se temperatura te zasnove spremeni, bo premik sonde v smeri Z minimalen. Za stabilizacijo položaja sonde v ravnini X, Y so merilne glave mikroskopov izdelane v obliki osno simetričnih struktur.

6. Oblikovanje in obdelava SPM slik

6.1 Postopek skeniranja

Postopek površinskega skeniranja v skenirnem sondnem mikroskopu je podoben gibanju elektronskega žarka po zaslonu v katodni cevi TV. Sonda se premika vzdolž črte (linije), najprej v naprej in nato v nasprotni smeri (line scan), nato pa se premakne na naslednjo vrstico (frame scan) (slika 19). Gibanje sonde poteka s pomočjo skenerja v majhnih korakih pod delovanjem žagastih napetosti, ki jih ustvarjajo digitalno-analogni pretvorniki. Registracija informacij o topografiji površine se praviloma izvaja na ravnem prehodu.

Podatki, pridobljeni s pomočjo skenirnega sondnega mikroskopa, so shranjeni kot okvir SPM - dvodimenzionalni niz celih števil a (matrika). Fizični pomen teh številk je določen z vrednostjo, ki je bila digitalizirana med postopkom skeniranja. Vsaka vrednost para indeksov ij ustreza določeni točki površine znotraj polja skeniranja. Koordinate površinskih točk se izračunajo tako, da se ustrezni indeks preprosto pomnoži z razdaljo med točkami, na katerih so bile informacije zabeležene.

Okvirji SPM so praviloma kvadratne matrice z velikostjo 2 (predvsem elementov 256x256 in 512x512). Vizualizacija okvirjev SPM se izvaja s pomočjo računalniške grafike, predvsem v obliki tridimenzionalnih (3D) in dvodimenzionalnih svetilnih (2D) slik. Pri 3D vizualizaciji je slika površine zgrajena v aksonometrični perspektivi z uporabo slikovnih pik ali črt. Poleg tega se uporabljajo različne metode označevanja pikslov, ki ustrezajo različnim višinam površinskega reliefa. Najučinkovitejši način za barvanje 3D slik je simulacija pogojev površinske osvetlitve s točkovnim virom, ki se nahaja na neki točki v prostoru nad površino (slika 20). V tem primeru je mogoče poudariti manjšo neenakomernost reliefa. Prav tako se s pomočjo računalniške obdelave in grafike izvaja skaliranje in vrtenje 3D SPM slik. Pri 2D upodabljanju je vsaki točki na površini dodeljena barva. Najpogosteje uporabljene so gradientne palete, pri katerih je barvanje slike izvedeno s tonom določene barve v skladu z višino površinske točke.

Lokalne meritve SPM so praviloma povezane z registracijo odvisnosti preučevanih veličin od različnih parametrov. To so na primer odvisnosti velikosti električnega toka skozi kontakt sonde in površine od uporabljene napetosti, odvisnosti različnih parametrov interakcije sile med sondo in površino od razdalje med sondo in vzorcem itd. informacije so shranjene v obliki vektorskih nizov ali v obliki matrik 2 x N. Za njihovo vizualizacijo Programska oprema mikroskopa ponuja nabor standardnih orodij za prikaz funkcijskih grafov.

6.2 Metode za konstruiranje in obdelavo slik

Pri preučevanju lastnosti predmetov s pomočjo mikroskopije s skenirno sondo so glavni rezultat znanstvenih raziskav praviloma tridimenzionalne slike površine teh predmetov. Ustreznost interpretacije slik je odvisna od usposobljenosti strokovnjaka. Hkrati se pri obdelavi in ​​gradnji slik uporabljajo številne tradicionalne tehnike, ki se jih morate zavedati pri analizi slik. Skenirni sondni mikroskop se je pojavil v času intenzivnega razvoja računalniške tehnologije. Zato je pri snemanju tridimenzionalnih slik uporabljal digitalne metode shranjevanja informacij, razvite za računalnike. To je povzročilo znatno udobje pri analizi in obdelavi slik, vendar je bilo treba žrtvovati kakovost fotografije, ki je značilna za metode elektronske mikroskopije. Informacije, pridobljene s sondnim mikroskopom, so v računalniku predstavljene v obliki dvodimenzionalne matrike celih števil. Vsako število v tej matriki je, odvisno od načina skeniranja, lahko vrednost tunelskega toka ali vrednost odklona ali vrednost kakšne bolj zapletene funkcije. Če človeku pokažete to matriko, potem ne bo mogel dobiti nobene koherentne predstave o preučevani površini. Torej, prva težava je pretvoriti številke v berljivo obliko. To se naredi na naslednji način. Številke v izvirni matriki ležijo v določenem območju, obstajajo minimalne in največje vrednosti. Temu obsegu celih števil je dodeljena barvna paleta. Tako je vsaka vrednost matrike preslikana v točko določene barve na pravokotni sliki. Vrstica in stolpec, ki vsebujeta to vrednost, postaneta koordinate točke. Kot rezultat dobimo sliko, na kateri je na primer višina površine prenesena v barvi - kot na zemljevidu. Toda na zemljevidu se običajno uporablja le na desetine barv, na naši sliki pa jih je na stotine in tisoče. Za lažje zaznavanje je treba točke, ki so blizu višine, prenesti v podobnih barvah. Lahko se izkaže, in praviloma se vedno zgodi, da je obseg začetnih vrednosti večji od števila možnih barv. V tem primeru pride do izgube informacij in povečanje števila barv ni izhod, saj so zmogljivosti človeškega očesa omejene. Potrebna je dodatna obdelava informacij, glede na naloge pa naj bo obdelava drugačna. Nekateri ljudje morajo videti celotno sliko, drugi pa želijo videti podrobnosti. Za to se uporabljajo različne metode.

6.3 Odštevanje konstantnega naklona

Površinske slike, posnete s sončnimi mikroskopi, imajo običajno splošen naklon. To je lahko posledica več razlogov. Prvič, naklon se lahko pojavi zaradi netočnega položaja vzorca glede na sondo; drugič, lahko je povezan s temperaturnim odmikom, kar vodi do premika sonde glede na vzorec; tretjič, lahko je posledica nelinearnosti gibov piezoskenerja. Velika količina uporabnega prostora v okvirju SPM se porabi za prikaz nagiba, tako da majhni detajli slike postanejo nevidni. Za odpravo te pomanjkljivosti se izvede operacija odštevanja konstantnega naklona. Da bi to naredili, na prvi stopnji poiščemo aproksimacijsko ravnino z metodo najmanjših kvadratov

Р(х,y), ki ima minimalna odstopanja od topografije površine Z = f(x,y), potem se ta ravnina odšteje od slike SPM. Odštevanje je smotrno izvajati na različne načine, odvisno od narave pobočja.

Če je nagib na sliki SPM posledica nagiba vzorca glede na vzorec sonde, potem je priporočljivo zasukati ravnino za kot, ki ustreza kotu med normalo na ravnino in osjo Z; v tem primeru se koordinate površine Z = f(x,y) preoblikujejo v skladu s transformacijami prostorske rotacije. Vendar pa je s to transformacijo mogoče dobiti sliko površine v obliki večvrednostne funkcije Z = f(x, y). Če je naklon posledica toplotnega odnašanja, se postopek odštevanja naklona zmanjša na odštevanje Z - koordinat ravnine od Z - koordinat slike SPM:

Rezultat je niz z manjšim razponom vrednosti, fine podrobnosti na sliki pa se bodo odražale v več barvah in postale bolj vidne.

6.4 Odprava popačenj, povezanih z neidealnim skenerjem

Nepopolnost lastnosti skenerja vodi v dejstvo, da slika SPM vsebuje številna specifična popačenja. Nekatere pomanjkljivosti optičnega bralnika, kot so neenakomerno gibanje skenerja naprej in nazaj (histereza), lezenje in nelinearnost piezokeramike, se kompenzirajo s strojno opremo in izbiro optimalnih načinov skeniranja. Kljub temu pa slike SPM vsebujejo popačenja, ki jih je težko odpraviti na ravni strojne opreme. Zlasti, ker gibanje skenerja v ravnini vzorca vpliva na položaj sonde nad površino, so slike SPM superpozicija pravega reliefa in neke površine drugega (in pogosto višjega) reda.

Za odpravo tovrstnega popačenja se uporablja metoda najmanjših kvadratov za iskanje aproksimacijske površine drugega reda Р(x,y), ki ima minimalna odstopanja od prvotne funkcije Z = f(x,y), nato pa je ta površina odšteje se od izvirne slike SPM:

Druga vrsta popačenja je povezana z nelinearnostjo in neortogonalnostjo premikov skenerja v ravnini X, Y. To vodi do popačenja geometrijskih razmerij v različnih delih SPM slike površine. Za odpravo takšnih popačenj se postopek popravljanja SPM slik izvede z uporabo datoteke korekcijskih koeficientov, ki se ustvari pri skeniranju testnih struktur z dobro znanim reliefom s posebnim skenerjem.

6.5 Filtriranje SPM slik

Hrup opreme (predvsem hrup visoko občutljivih vhodnih ojačevalnikov), nestabilnost stika sonde in vzorca med skeniranjem, zunanji zvočni hrup in vibracije vodijo do dejstva, da imajo slike SPM skupaj s koristnimi informacijami tudi šumno komponento. S programsko opremo je mogoče delno odstraniti šum slik SPM.

6.6 Mediano filtriranje

Dobre rezultate pri odstranjevanju visokofrekvenčnega naključnega šuma v okvirjih SPM dosežemo z medianskim filtriranjem. To je nelinearna metoda obdelave slike, katere bistvo je mogoče razložiti na naslednji način. Izberemo delovno okno filtra, sestavljeno iz nxn točk (za natančnost vzamemo okno 3 x 3, to je, ki vsebuje 9 točk (slika 24)).

V procesu filtriranja se to okno premika po okvirju od točke do točke in izvede se naslednji postopek. Amplitudne vrednosti slike SPM na točkah tega okna so razvrščene v naraščajočem vrstnem redu, vrednost v središču razvrščene vrstice pa je postavljena v središčno točko okna. Nato se okno premakne na naslednjo točko in postopek razvrščanja se ponovi. Tako močni naključni izstopi in padci pri takem razvrščanju vedno končajo na robu razvrščenega niza in ne bodo vključeni v končno (filtrirano) sliko. Pri tej obdelavi na robovih okvirja ostanejo nefiltrirana področja, ki se v končni sliki zavržejo.

6.7 Metode za obnovitev površine iz njene SPM slike

Ena od pomanjkljivosti, ki je značilna za vse metode mikroskopije s skenirno sondo, je končna velikost delovnega dela uporabljenih sond. To vodi do občutnega poslabšanja prostorske ločljivosti mikroskopov in znatnih popačenj v SPM slikah pri skeniranju površin z reliefnimi nepravilnostmi, primerljivimi z značilnimi dimenzijami delovnega dela sonde.

Pravzaprav je slika, pridobljena v SPM, "konvolucija" sonde in preučevane površine. Postopek "zvijanja" oblike sonde s površinskim reliefom je prikazan v enodimenzionalnem primeru na sl. 25.

Delno je ta problem mogoče rešiti z nedavno razvitimi metodami za rekonstrukcijo SPM slik, ki temeljijo na računalniški obdelavi podatkov SPM ob upoštevanju specifične oblike sond. Najučinkovitejša metoda rekonstrukcije površine je metoda numerične dekonvolucije, ki uporablja obliko sonde, pridobljeno eksperimentalno pri skeniranju testnih (z dobro znano topografijo površine) struktur.

Opozoriti je treba, da je popolna obnova površine vzorca možna le, če sta izpolnjena dva pogoja: sonda se je med skeniranjem dotaknila vseh točk površine, v vsakem trenutku pa se je sonda dotaknila le ene točke površine. Če pa sonda med skeniranjem ne more doseči določenih predelov površine (na primer, če ima vzorec previsne dele reliefa), pride le do delne obnove reliefa. Poleg tega je večje število površinskih točk, ki se jih med skeniranjem dotakne sonda, bolj zanesljivo je mogoče površino rekonstruirati.

V praksi sta SPM slika in eksperimentalno določena oblika sonde dvodimenzionalni nizi diskretnih vrednosti, pri katerih je izvod slabo definirana količina. Zato se namesto izračuna izvoda diskretnih funkcij v praksi pri numerični dekonvoluciji slik SPM uporablja pogoj minimalne razdalje med sondo in površino pri skeniranju s konstantno povprečno višino .

V tem primeru lahko najmanjšo razdaljo med točko sonde in ustrezno točko površine za dano lego sonde glede na površino vzamemo kot višino površinskega reliefa na dani točki. Po svojem fizičnem pomenu je ta pogoj enakovreden pogoju enakosti izpeljank, vendar omogoča iskanje stičnih točk sonde s površino z bolj ustrezno metodo, kar bistveno skrajša čas rekonstrukcije reliefa.

Za kalibracijo in določitev oblike delovnega dela sond se uporabljajo posebne preskusne strukture z znanimi parametri površinskega reliefa. Na sl. 26 in sl. 27 .

Koničasta mreža omogoča dobro poravnavo konice sonde, medtem ko pravokotna mreža pomaga preoblikovati stransko površino. Z združevanjem rezultatov skeniranja teh rešetk je mogoče popolnoma obnoviti obliko delovnega dela sond.

7. Sodobni SPM

1) Skenirni sondni mikroskop SM-300

Zasnovan za preučevanje morfoloških značilnosti in strukture pornega prostora. SM-300 (slika 28) ima vgrajen optični pozicionirni mikroskop, ki odpravlja potrebo po neskončnem iskanju območja, ki vas zanima. Barvna optična slika vzorca se z rahlim povečanjem prikaže na računalniškem monitorju. Križec na optični sliki ustreza položaju elektronskega žarka. Z uporabo križišča je mogoče izvesti hitro pozicioniranje, da določite območje zanimanja za rastrsko analizo.

riž. 28. SPM SM-300 elektronski mikroskop. Enota za optično pozicioniranje je opremljena z ločenim računalnikom, ki zagotavlja njeno strojno neodvisnost od skenirnega mikroskopa.

ZMOŽNOSTI SM-300

Zagotovljena ločljivost 4 nm

Edinstven optični pozicionirni mikroskop (opcijsko)

· Intuitivna programska oprema Windows®

Popolnoma računalniško voden skenirni mikroskop in slikanje

Standardni TV izhod z digitalno obdelavo signala

Računalniško upravljanje sistema nizkega vakuuma (opcija)

Vse študije se izvajajo na istem položaju nanosne osi (12 mm)

Elementarna rentgenska mikroanaliza v nizkem in visokem vakuumu (neobvezno)

Sposobnost dela v normalnih svetlobnih pogojih prostora

Preiskava neprevodnih vzorcev brez njihove predhodne priprave

Ločljivost 5,5 nm v načinu nizkega vakuuma

Programsko upravljanje preklopnih načinov

Nastavljivo območje vakuuma v komori 1,3 – 260 Pa

Prikaz slike na računalniškem monitorju

Serijski V-razpršeni Robinsonov senzor

2) Supra50VP visokoločljivostni sondni mikroskop za skeniranje z mikroanaliznim sistemom INCA Energy+Oxford.

Naprava (slika 29) je namenjena raziskavam na vseh področjih znanosti o materialih, na področju nano- in biotehnologij. Instrument obravnava velike velikosti vzorcev in podpira delovanje s spremenljivim tlakom za neprevodne vzorce brez priprave. riž. 29. SPM Supra50VP

PARAMETRI:

Pospeševalna napetost 100 V - 30 kV (poljska emisijska katoda)

maks. povečava do x 900000

Ultra visoka ločljivost - do 1 nm (pri 20 kV)

Vakuumski način s spremenljivim tlakom od 2 do 133 Pa

Pospeševalna napetost - od 0,1 do 30 kV

Motoriziran oder s petimi stopnjami svobode

Ločljivost detektorja EDX 129 eV na liniji Ka(Mn), hitrost štetja do 100.000 impulzov/s

3) LEO SUPRA 25 posodobljen mikroskop s kolono "GEMINI" in poljem oddajanja (slika 30).

– Zasnovan za raziskave nanoanalize

– Za mikroanalizo je mogoče povezati tako s sistemoma EDX kot WDX

– Ločljivost 1,5 nm pri 20 kV, 2 nm pri 1 kV.

Zaključek

V zadnjih letih je uporaba sondne mikroskopije omogočila doseganje edinstvenih znanstvenih rezultatov na različnih področjih fizike, kemije in biologije.

Če so bili prvi skenilni sondni mikroskopi kazalniki za kvalitativno raziskovanje, je sodobni skenirni sondni mikroskop naprava, ki združuje do 50 različnih raziskovalnih metod. Sposoben je izvajati določene premike v sistemu sonda-vzorec z natančnostjo 0,1 %, izračunati faktor oblike sonde, izvajati natančne meritve dovolj velikih velikosti (do 200 µm v ravnini skeniranja in 15–20 µm v višino) in hkrati zagotavljajo submolekularno ločljivost.

Skenirni sondni mikroskopi so postali eden najbolj zahtevanih razredov instrumentov za znanstvene raziskave na svetovnem trgu. Nenehno nastajajo novi dizajni instrumentov, specializirani za različne aplikacije.

Dinamičen razvoj nanotehnologije zahteva vedno večjo širitev zmogljivosti raziskovalne tehnologije. Visokotehnološka podjetja po vsem svetu delajo na ustvarjanju raziskovalnih in tehnoloških nanokompleksov, ki združujejo cele skupine analitskih metod, kot so Ramanova spektroskopija, luminiscenčna spektroskopija, rentgenska spektroskopija za elementarno analizo, optična mikroskopija visoke ločljivosti, elektronska mikroskopija, usmerjeni ionski žarki. Sistemi pridobijo močne intelektualne zmogljivosti: sposobnost prepoznavanja in razvrščanja slik, poudarjanja zahtevanih kontrastov, so obdarjeni z zmožnostjo modeliranja rezultatov, računalniško moč pa zagotavlja uporaba superračunalnikov.

Razvita tehnika ima velike možnosti, vendar je končni cilj njene uporabe pridobiti znanstvene rezultate. Obvladovanje zmogljivosti te tehnike je samo po sebi naloga visoke stopnje kompleksnosti, ki zahteva usposabljanje visoko usposobljenih strokovnjakov, ki so sposobni učinkovito uporabljati te naprave in sisteme.

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

4. Skenirna sonda mikroskopija biopolimerov / Uredil I. V. Yaminsky, - M.: Nauchny Mir, 1997, - 86 str.

5. Mironov V. Osnove mikroskopije s skenirno sondo / V. Mironov, - M.: Technosfera, 2004, - 143 str.

6. Rykov S. A. Skenirna sonda mikroskopija polprevodniških materialov / S. A. Rykov, St. Petersburg: Nauka, 2001, 53 str.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Skenirna sonda mikroskopija za znanost in industrijo / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Elektronika: znanost, tehnologija, poslovanje, - 1997, - št. 5, - S. 7 - 14.

7. Uporaba skenirnega sondnega mikroskopa za preučevanje bioloških objektov

7. Uporaba skenirnega sondnega mikroskopa za preučevanje bioloških objektov 1

7.1. Cilji dela 2

7.2. Informacije za učitelja 3

7.4. Smernice 31

7.5. Varnost 32

7.6. Naloga 32

7.7. Varnostna vprašanja 32

7.8. Literatura 32

Laboratorijsko delo je razvila državna univerza Nižni Novgorod. N.I. Lobačevskega

7.1 Cilji dela

Proučevanje morfoloških parametrov bioloških struktur je pomembna naloga biologov, saj velikost in oblika nekaterih struktur v veliki meri določata njihove fiziološke lastnosti. Če primerjamo morfološke podatke s funkcionalnimi značilnostmi, lahko dobimo popolne informacije o sodelovanju živih celic pri ohranjanju fiziološkega ravnovesja človeškega ali živalskega telesa.

Prej so imeli biologi in zdravniki možnost preučevati svoje pripravke le na optičnih in elektronskih mikroskopih. Te študije so dale nekaj slike o morfologiji celic, fiksnih, obarvanih in s tankimi kovinskimi premazi, pridobljenimi z brizganjem. Morfologije živih predmetov, njenih sprememb pod vplivom različnih dejavnikov ni bilo mogoče preučevati, je pa bilo zelo mamljivo.

Mikroskopija s skenirno sondo (SPM) je odprla nove možnosti pri preučevanju celic, bakterij, bioloških molekul in DNK v pogojih, ki so čim bolj podobni domačim. SPM vam omogoča preučevanje bioloških predmetov brez posebnih fiksativov in barvil, na zraku ali celo v tekočem mediju.

Trenutno se SPM uporablja v najrazličnejših disciplinah, tako v temeljnih znanstvenih raziskavah kot pri uporabnih visokotehnoloških razvojih. Številni raziskovalni inštituti v državi so opremljeni z opremo za sondno mikroskopijo. V zvezi s tem povpraševanje po visoko usposobljenih strokovnjakih nenehno narašča. Za izpolnitev te zahteve je NT-MDT (Zelenograd, Rusija) razvil specializiran izobraževalni in znanstveni laboratorij za mikroskopijo s skenirno sondo. NanoEducator.

SPM NanoEducator zasnovan posebej za študente za izvajanje laboratorijskih vaj. Ta naprava je namenjena študentskemu občinstvu: v celoti jo nadzoruje računalnik, ima preprost in intuitiven vmesnik, podporo za animacijo, vključuje postopen razvoj tehnik, odsotnost zapletenih nastavitev in poceni potrošnega materiala.

Pri tem laboratorijskem delu boste spoznali mikroskopijo s skenirno sondo, se seznanili z njenimi osnovami, preučili zasnovo in načela učnega SPM NanoEducator, se naučite priprave bioloških pripravkov za raziskave, pridobite svojo prvo SPM sliko kompleksa mlečnokislinskih bakterij ter spoznate osnove obdelave in predstavitve rezultatov meritev.

7.2 Informacije za učitelja 1

Laboratorijsko delo poteka v več fazah:

1. Pripravo vzorca opravi vsak študent posebej.

2. Pridobitev prve slike poteka na eni napravi pod nadzorom učitelja, nato vsak učenec samostojno pregleda svoj vzorec.

3. Obdelava eksperimentalnih podatkov s strani vsakega študenta poteka individualno.

Vzorec za raziskavo: mlečnokislinske bakterije na pokrovnem stekelcu.

Pred začetkom dela je treba izbrati sondo z najbolj značilno amplitudno-frekvenčno karakteristiko (enojni simetrični maksimum), da dobimo sliko površine preučevanega vzorca.

Laboratorijsko poročilo mora vsebovati:

1. teoretični del (odgovori na kontrolna vprašanja).

2. rezultati eksperimentalnega dela (opis raziskave, dobljeni rezultati in zaključki).

1. Metode za preučevanje morfologije bioloških objektov.

2. Skenirni sondni mikroskop:

oblikovanje SPM;

sorte SPM: STM, AFM;

Format podatkov SPM, vizualizacija podatkov SPM.

3. Priprava vzorcev za študije SPM:

morfologija in struktura bakterijskih celic;

priprava pripravkov za študij morfologije z uporabo SPM.

4. Seznanitev z načrtovanjem in nadzornim programom SPM NanoEducator.

5. Pridobitev slike SPM.

6. Obdelava in analiza prejetih slik. Kvantitativna karakterizacija slik SPM.

Metode za preučevanje morfologije bioloških objektov

Značilni premer celic je 10  20 µm, bakterije - od 0,5 do 3  5 µm, te vrednosti so 5-krat manjše od najmanjšega delca, vidnega s prostim očesom. Zato je prva študija celic postala možna šele po pojavu optičnih mikroskopov. Konec XVII stoletja. Antonio van Leeuwenhoek je izdelal prvi optični mikroskop, pred tem pa ljudje niso sumili obstoja patogenih mikrobov in bakterij [Ref. 7 -1].

optična mikroskopija

Težave pri preučevanju celic so posledica dejstva, da so brezbarvne in prozorne, zato je do odkritja njihovih osnovnih struktur prišlo šele po uvedbi barvil v prakso. Barvila so zagotovila zadosten kontrast slike. Z optičnim mikroskopom lahko ločimo predmete, ki so med seboj oddaljeni 0,2 µm, t.j. Najmanjši predmeti, ki jih je še mogoče razlikovati v optičnem mikroskopu, so bakterije in mitohondriji. Slike manjših celičnih elementov so popačene zaradi učinkov, ki jih povzroča valovna narava svetlobe.

Za pripravo dolgotrajnih pripravkov celice obdelamo s fiksirnim sredstvom, da jih imobiliziramo in ohranimo. Poleg tega fiksacija poveča dostopnost celic do barvil, ker. celične makromolekule držijo skupaj navzkrižne povezave, ki jih stabilizirajo in fiksirajo v določenem položaju. Najpogosteje aldehidi in alkoholi delujejo kot fiksativi (na primer glutaraldehid ali formaldehid tvorita kovalentne vezi s prostimi amino skupinami beljakovin in zamrežeta sosednje molekule). Po fiksaciji se tkivo običajno z mikrotomom razreže na zelo tanke dele (debele od 1 do 10 µm), ki se nato položijo na stekelce. S tem načinom priprave se lahko poškoduje struktura celic ali makromolekul, zato je najprimernejša metoda bliskovito zamrzovanje. Zamrznjeno tkivo se razreže z mikrotomom, nameščenim v hladno komoro. Po sekciji so celice obarvane. V osnovi se za ta namen uporabljajo organska barvila (malahitna zelena, črna Sudan itd.). Za vsakega od njih je značilna določena afiniteta do celičnih komponent, na primer hematoksilin ima afiniteto do negativno nabitih molekul, zato omogoča odkrivanje DNK v celicah. Če je ena ali druga molekula prisotna v celici v majhni količini, je najprimernejša uporaba fluorescenčne mikroskopije.

Fluorescenčna mikroskopija

Fluorescentna barvila absorbirajo svetlobo ene valovne dolžine in oddajajo svetlobo druge, daljše valovne dolžine. Če takšno snov obsevamo s svetlobo, katere valovna dolžina se ujema z valovno dolžino svetlobe, ki jo absorbira barvilo, in nato za analizo uporabimo filter, ki oddaja svetlobo z valovno dolžino, ki ustreza svetlobi, ki jo oddaja barvilo, je mogoče zaznati fluorescenčno molekulo. z žarenjem v temnem polju. Značilna lastnost takšnih molekul je visoka intenzivnost oddane svetlobe. Uporaba fluorescenčnih barvil za obarvanje celic vključuje uporabo posebnega fluorescenčnega mikroskopa.Ta mikroskop je podoben običajnemu optičnemu mikroskopu, vendar svetloba močnega osvetljevalca prehaja skozi dva sklopa filtrov – enega za zaustavitev dela sevanja iluminatorja. pred vzorcem, druga pa za filtriranje svetlobe, prejete od vzorca. Prvi filter je izbran tako, da prepušča samo svetlobo valovne dolžine, ki vzbuja določeno fluorescenčno barvilo; hkrati pa drugi filter blokira to vpadno svetlobo in dopušča svetlobo valovne dolžine, ki jo oddaja barvilo, ko fluorescira.

Fluorescenčna mikroskopija se pogosto uporablja za identifikacijo specifičnih beljakovin ali drugih molekul, ki postanejo fluorescentne po kovalentni vezavi na fluorescenčna barvila. V ta namen se običajno uporabljata dve barvi - fluorescein, ki daje intenzivno rumeno-zeleno fluorescenco po vzbujanju s svetlo modro svetlobo, in rodamin, povzroča temno rdečo fluorescenco po vzbujanju z rumeno-zeleno svetlobo. Z uporabo fluoresceina in rodamina za obarvanje lahko dobimo porazdelitev različnih molekul.

Mikroskopija temnega polja

Najlažji način za ogled podrobnosti celične strukture je opazovanje svetlobe, ki jo razpršijo različne komponente celice. V mikroskopu s temnim poljem so žarki iz osvetljevalca usmerjeni s strani, v objektiv mikroskopa pa vstopajo le razpršeni žarki. V skladu s tem je celica videti kot osvetljen predmet v temnem polju. Ena od glavnih prednosti mikroskopije s temnim poljem je zmožnost opazovanja gibanja celic med delitvijo in migracijo. Premiki celic so ponavadi zelo počasni in jih je težko opazovati v realnem času. V tem primeru se uporablja mikrofilmiranje ali snemanje videa po sličici (time-lapse). V tem primeru so zaporedni kadri časovno ločeni, ko pa se posnetek predvaja z normalno hitrostjo, se slika resničnih dogodkov pospeši.

V zadnjih letih so video kamere in z njimi povezane slikovne tehnologije močno povečale zmogljivosti optične mikroskopije. Zahvaljujoč njihovi uporabi je bilo mogoče premagati težave, ki jih povzročajo posebnosti človeške fiziologije. To so:

1. V normalnih pogojih oko ne zazna zelo šibke svetlobe.

2. Oko ne more zaznati majhnih razlik v jakosti svetlobe na svetlem ozadju.

Prva od teh težav je bila premagana s pritrditev ultra visoko občutljivih video kamer na mikroskop. To je omogočilo dolgotrajno opazovanje celic pri nizki osvetlitvi, razen dolgotrajne izpostavljenosti močni svetlobi. Sistemi za slikanje so še posebej pomembni za preučevanje fluorescenčnih molekul v živih celicah. Ker sliko proizvede video kamera v obliki elektronskih signalov, jo je mogoče ustrezno pretvoriti v numerične signale, poslati v računalnik in nato dodatno obdelati za pridobivanje skritih informacij.

Visok kontrast, ki ga je mogoče doseči z računalniško interferenčno mikroskopijo, omogoča opazovanje celo zelo majhnih predmetov, kot so posamezne mikrotubule, katerih premer je manjši od ene desetine valovne dolžine svetlobe (0,025 µm). Posamezne mikrotubule lahko vidimo tudi s fluorescenčno mikroskopijo. Vendar pa so v obeh primerih neizogibni difrakcijski učinki, ki močno spremenijo sliko. V tem primeru je premer mikrotubulov precenjen (0,2 μm), zaradi česar je nemogoče razlikovati posamezne mikrotubule od snopa več mikrotubul. Za rešitev tega problema je potreben elektronski mikroskop, katerega meja ločljivosti je premaknjena daleč preko valovne dolžine vidne svetlobe.

elektronska mikroskopija

Razmerje med valovno dolžino in mejo ločljivosti je ohranjeno tudi za elektrone. Vendar je pri elektronskem mikroskopu meja ločljivosti veliko nižja od meje difrakcije. Z večanjem hitrosti se valovna dolžina elektrona zmanjšuje. V elektronskem mikroskopu z napetostjo 100.000 V je valovna dolžina elektrona 0,004 nm. Po teoriji je ločljivost takšnega mikroskopa v meji 0,002 nm. V resnici pa je zaradi majhnih numeričnih odprtin elektronskih leč ločljivost sodobnih elektronskih mikroskopov v najboljšem primeru 0,1 nm. Težave pri pripravi vzorca in njegove poškodbe zaradi sevanja bistveno zmanjšajo normalno ločljivost, ki je za biološke objekte 2 nm (približno 100-krat večja kot pri svetlobnem mikroskopu).

Vir elektronov v transmisijski elektronski mikroskop (TEM) je katodna filament, ki se nahaja na vrhu valjastega stebra visoke približno dva metra. Da bi se izognili sipanju elektronov med trki z molekulami zraka, se v koloni ustvari vakuum. Elektrone, ki jih oddaja katodna filament, pospeši bližnja anoda in vstopijo skozi drobno luknjo ter tvorijo elektronski žarek, ki prehaja v dno kolone. Vzdolž stebra so na določeni razdalji obročni magneti, ki fokusirajo elektronski žarek, kot steklene leče, ki fokusirajo žarek svetlobe v optičnem mikroskopu. Vzorec se postavi skozi zračno zaporo znotraj kolone, na pot elektronskega žarka. Del elektronov v trenutku prehoda skozi vzorec se razprši v skladu z gostoto snovi na tem področju, preostali elektroni se fokusirajo in tvorijo sliko (podobno kot pri tvorbi slike v optičnem mikroskopu) na fotografski plošči ali na fosforescentnem zaslonu.

Ena največjih pomanjkljivosti elektronske mikroskopije je, da morajo biti biološki vzorci podvrženi posebni obdelavi. Najprej jih fiksiramo najprej z glutaraldehidom in nato z osmsko kislino, ki veže in stabilizira dvojno plast lipidov in beljakovin. Drugič, elektroni imajo nizko prodorno moč, zato morate narediti ultra tanke rezine, za to pa so vzorci dehidrirani in impregnirani s smolami. Tretjič, za povečanje kontrasta so vzorci obdelani s solmi težkih kovin, kot so osmij, uran in svinec.

Za pridobitev tridimenzionalne slike površine se uporablja skenirni elektronski mikroskop (SEM), kjer se uporabljajo elektroni, ki jih površina vzorca razprši ali oddaja. Vzorec v tem primeru fiksiramo, posušimo in prekrijemo s tankim filmom težke kovine ter nato skeniramo z ozkim elektronskim žarkom. V tem primeru se oceni število elektronov, razpršenih med površinskim obsevanjem. Dobljena vrednost se uporablja za nadzor intenzitete drugega žarka, ki se giblje sinhrono s prvim in oblikuje sliko na zaslonu monitorja. Ločljivost metode je približno 10 nm in ni uporabna za preučevanje znotrajceličnih organelov. Debelina vzorcev, preučenih s to metodo, je določena s prodorno močjo elektronov ali njihovo energijo.

Glavne in pomembne pomanjkljivosti vseh teh metod so trajanje, kompleksnost in visoki stroški priprave vzorcev.

Mikroskopija s skenirno sondo

V skenirnem sondnem mikroskopu (SPM) se namesto elektronskega žarka ali optičnega sevanja uporablja koničasta sonda, igla, ki skenira površino vzorca. Slikovito povedano lahko rečemo, da če vzorec pregledamo v optičnem ali elektronskem mikroskopu, potem ga čutimo v SPM. Posledično je mogoče pridobiti tridimenzionalne slike predmetov v različnih medijih: vakuum, zrak, tekočina.

Posebne zasnove SPM, prilagojene za biološke raziskave, omogočajo istočasno z optičnim opazovanjem skeniranje tako živih celic v različnih tekočih medijih kot fiksnih pripravkov v zraku.

Skenirni mikroskop

Ime skenirnega sondnega mikroskopa odraža načelo njegovega delovanja - skeniranje površine vzorca, pri katerem se od točke do točke izvede odčitavanje stopnje interakcije med sondo in površino. Velikost območja skeniranja in število točk v njem je mogoče nastaviti N X N Y. Več točk kot določite, višja je ločljivost slike površine. Razdalja med točkami branja signala se imenuje korak skeniranja. Korak skeniranja mora biti manjši od preučenih površinskih podrobnosti. Gibanje sonde med skeniranjem (glej sliko 7-1) poteka linearno v smeri naprej in nazaj (v smeri hitrega skeniranja), prehod na naslednjo vrstico se izvede v pravokotni smeri (v smer počasnega skeniranja).

riž. 7 1. Shematski prikaz postopka skeniranja
(odčitavanje signala se izvaja na neposrednem poteku optičnega bralnika)

Glede na naravo branega signala imajo skenirni mikroskopi različna imena in namene:

mikroskop atomske sile (AFM), odčitajo se sile medatomske interakcije med atomi sonde in vzorčnimi atomi;

tunelski mikroskop (STM), odčitavanje tunelskega toka, ki teče med prevodnim vzorcem in prevodno sondo;

magnetni silni mikroskop (MFM), odčitajo se sile interakcije med sondo, prevlečeno z magnetnim materialom, in vzorcem, ki zazna magnetne lastnosti;

Elektrostatični silni mikroskop (ESM) omogoča, da dobimo sliko porazdelitve električnega potenciala na površini vzorca. Uporabljajo se sonde, katerih vrh je prekrit s tankim prevodnim filmom (zlato ali platinasto).

Zasnova SPM

SPM je sestavljen iz naslednjih glavnih komponent (slika 7-2): sonde, piezoelektričnih aktuatorjev za premikanje sonde v X, Y, Z po površini preskusnega vzorca, povratnega vezja in računalnika za nadzor postopka skeniranja in pridobivanje slike.

Slika 7 2. Shema skenirnega sondnega mikroskopa

senzor sonde - sestavni del mikroskopa z močjo sonde, ki skenira pripravek. Senzor sonde vsebuje konzolo (vzmetno konzolo) pravokotne (v obliki črke I) ali trikotne (v obliki črke V) (slika 7-3), na koncu katere je koničasta sonda (sl. 7-3). , ki ima običajno stožčasto ali piramidalno obliko . Drugi konec konzole je spojen s podlago (s t. i. čipom). Senzorji sonde so izdelani iz silicija ali silicijevega nitrida. Glavna značilnost konzole je konstanta sile (konstanta togosti), ki se giblje od 0,01 N/m do 1020 N/m. Za preučevanje bioloških objektov se uporabljajo "mehke" sonde s trdoto 0,01  0,06 N/m.

riž. 7 3. Slike piramidnih AFM sond
pridobljeno z elektronskim mikroskopom:
a - tip v obliki črke I, b - tip v obliki črke V, c - piramida na vrhu konzole

Piezoelektrični aktuatorji ali skenerji - za nadzorovano premikanje sonde nad vzorcem ali samim vzorcem glede na sondo na ultra majhnih razdaljah. Piezoelektrični aktuatorji uporabljajo piezokeramične materiale, ki spremenijo svoje dimenzije, ko je nanje priložena električna napetost. Proces spreminjanja geometrijskih parametrov pod delovanjem električnega polja imenujemo inverzni piezoelektrični učinek. Najpogostejši piezomaterial je svinčev cirkonat titanat.

Skener je piezokeramična struktura, ki zagotavlja gibanje po treh koordinatah: x, y (v stranski ravnini vzorca) in z (navpično). Obstaja več vrst skenerjev, med katerimi sta najpogostejša stativ in cev (slika 7-4).

riž. 7 4. Izvedbe skenerjev: a) – stojalo, b) – cevasto

V tronožnem skenerju premike v treh koordinatah zagotavljajo tri neodvisne piezokeramične palice, ki tvorijo ortogonalno strukturo.

V skenerju cevi se votla piezoelektrična cev upogne v ravninah XZ in ZY ter se razširi ali skrči vzdolž osi Z, ko se na elektrode, ki nadzorujejo gibanje cevi, uporabijo ustrezne napetosti. Elektrode za nadzor gibanja v ravnini XY so nameščene na zunanji površini cevi, za nadzor gibanja v Z se na X in Y elektrodi uporabljata enaka napetost.

Povratno vezje - niz elementov SPM, s pomočjo katerih se sonda med skeniranjem drži na fiksni razdalji od površine vzorca (slika 7-5). Med postopkom skeniranja se lahko sonda nahaja na območjih površine vzorca z različnim reliefom, medtem ko se bo razdalja med sondo in vzorcem Z spremenila in temu primerno se bo spremenila vrednost interakcije med sondo in vzorcem.

riž. 7 5. Shema povratne informacije skenirnega sondnega mikroskopa

Ko se sonda približa površini, se povečajo sile interakcije med sondo in vzorcem, poveča pa se tudi signal snemalne naprave. V(t), ki je izraženo v enotah napetosti. Primerjalnik primerja signal V(t) z referenčno napetostjo V osnovni in generira korektivni signal V popr. Korekcijski signal V popr se napaja v skener, sonda pa se umakne iz vzorca. Referenčna napetost - napetost, ki ustreza signalu snemalne naprave, ko je sonda na določeni razdalji od vzorca. Ob ohranjanju te določene razdalje med sondo in vzorcem med skeniranjem sistem povratnih informacij vzdržuje določeno silo interakcije med sondo in vzorcem.

riž. 7 6. Pot relativnega gibanja sonde v procesu vzdrževanja konstantne sile interakcije med sondo in vzorcem s povratnim sistemom

Na sl. 7-6 prikazuje trajektorijo sonde glede na vzorec ob ohranjanju konstantne interakcijske sile med sondo in vzorcem. Če je sonda nad foveo, se na optični bralnik dovede napetost, pri kateri se skener podaljša in spusti sondo.

Hitrost odziva povratne zanke na spremembo razdalje med sondo in vzorcem (interakcije sonda-vzorec) je določena s konstanto povratne zanke K. Vrednote K Odvisno od oblikovnih značilnosti posameznega SPM (zasnova in značilnosti optičnega bralnika, elektronike), načina delovanja SPM (velikost območja skeniranja, hitrost skeniranja itd.), kot tudi značilnosti površine, ki se preučuje (skalo reliefnih značilnosti , trdoto materiala itd.).

Sorte SPM

Skenirni tunelski mikroskop

V STM snemalna naprava (slika 7-7) meri tunelski tok, ki teče med kovinsko sondo, ki se spreminja glede na potencial na površini vzorca in na topografijo njegove površine. Sonda je ostro izostrena igla, katere polmer konice lahko doseže nekaj nanometrov. Kot material za sondo se običajno uporabljajo kovine z visoko trdoto in kemično odpornostjo: volfram ali platina.

riž. 7 7. Shema senzorja tunelske sonde

Med prevodno sondo in prevodnim vzorcem se pojavi napetost. Ko je konica sonde na razdalji približno 10 A od vzorca, začnejo elektroni iz vzorca tunelirati skozi režo v sondo ali obratno, odvisno od predznaka napetosti (sl. 7-8).

riž. 7 8. Shematski prikaz interakcije konice sonde z vzorcem

Nastali tunelski tok se meri s snemalno napravo. Njegova velikost jaz T sorazmerno z napetostjo, ki se uporablja na kontaktu predora V in je eksponentno odvisen od razdalje od igle do vzorca d.

Tako so majhne spremembe v razdalji od konice sonde do vzorca d ustrezajo eksponentno velikim spremembam tunelskega toka jaz T(ob predpostavki napetosti V ohranja konstantno). Zaradi tega je občutljivost senzorja tunelske sonde zadostna za registracijo višinskih sprememb, manjših od 0,1 nm, in posledično za pridobitev slike atomov na površini trdne snovi.

Mikroskop atomske sile

Najpogostejši senzor interakcije atomske sile je vzmetna konzola (iz angleške konzole - konzola) s sondo, ki se nahaja na njenem koncu. Količina upogiba konzole zaradi interakcije sile med vzorcem in sondo (slika 7-9) se meri z uporabo optične registracijske sheme.

Načelo delovanja senzorja sile temelji na uporabi atomskih sil, ki delujejo med atomi sonde in atomi vzorca. Ko se sila sonde-vzorca spremeni, se spremeni količina konzolnega upogiba in tako spremembo izmeri optični sistem registracije. Tako je senzor atomske sile visoko občutljiva koničasta sonda, ki omogoča registracijo sil interakcije med posameznimi atomi.

Za majhne zavoje razmerje med silo sonde in vzorca F in odklon konice konzole x določeno s Hookeovim zakonom:

kje k je konstanta sile (konstanta togosti) konzole.

Na primer, če se uporablja konzola s konstanto k približno 1 N/m, potem bo pod delovanjem sile interakcije med sondo in vzorcem približno 0,1 nanoNewtona odklon konzole približno 0,1 nm.

Za merjenje tako majhnih premikov se običajno uporablja senzor optičnega premika (slika 7-9), ki ga sestavljata polprevodniški laser in štiridelna fotodioda. Ko je konzola upognjena, se laserski žarek, ki se od njega odbija, premakne glede na sredino fotodetektorja. Tako lahko upogib konzole določimo iz relativne spremembe osvetlitve zgornje (T) in spodnje (B) polovice fotodetektorja.

Slika 7 9. Shema senzorja sile

Odvisnost sil interakcije konica-vzorec od razdalje konica-vzorec

Ko se sonda približa vzorcu, jo najprej pritegne na površino zaradi prisotnosti privlačnih sil (van der Waalsove sile). Ko se sonda bolj približuje vzorcu, se začnejo elektronske lupine atomov na koncu sonde in atomi na površini vzorca prekrivati, kar vodi do pojava odbojne sile. Ko se razdalja še manjša, postane odbojna sila prevladujoča.

Na splošno je odvisnost moči medatomske interakcije F od razdalje med atomi R izgleda kot:

.

Konstante a in b in eksponenti m in n odvisno od vrste atomov in vrste kemičnih vezi. Za van der Waalsove sile m=7 in n=3. Kvalitativno je odvisnost F(R) prikazana na sl. 7-10.

riž. 7 10. Odvisnost sile interakcije med atomi od razdalje

Format SPM-podatkov, vizualizacija SPM-podatkov

Podatki o morfologiji površine, pridobljeni med študijo na optičnem mikroskopu, so predstavljeni kot povečana slika površine. Informacije, pridobljene s SPM, so zapisane kot dvodimenzionalni niz celih števil A ij. Za vsako vrednost ij ustreza določeni točki na površini znotraj polja skeniranja. Grafična predstavitev tega niza številk se imenuje SPM skenirana slika.

Skenirane slike so lahko dvodimenzionalne (2D) ali tridimenzionalne (3D). Z 2D vizualizacijo je vsaka točka površine Z= f(x, y) je dodeljen določen barvni ton v skladu z višino površinske točke (slika 7-11 a). Pri 3D vizualizaciji je slika površine Z= f(x, y) je zgrajena v aksonometrični perspektivi s pomočjo na določen način izračunanih pikslov ali reliefnih črt. Najučinkovitejši način za barvanje 3D slik je simulacija pogojev površinske osvetlitve s točkovnim virom, ki se nahaja na določeni točki v prostoru nad površino (sl. 7-11 b). V tem primeru je mogoče poudariti posamezne majhne značilnosti reliefa.

riž. 7 11. Limfociti človeške krvi:
a) 2D slika, b) 3D slika s stransko osvetlitvijo

Priprava vzorcev za raziskave SPM

Morfologija in struktura bakterijskih celic

Bakterije so enocelični mikroorganizmi, ki imajo raznoliko obliko in kompleksno strukturo, kar določa raznolikost njihovega funkcionalnega delovanja. Za bakterije so značilne štiri glavne oblike: sferične (sferične), valjaste (paličaste), zvite in nitaste [Ref. 7-2].

koki (sferične bakterije) - glede na ravnino delitve in lokacijo posameznih posameznikov jih delimo na mikrokoke (ločeno ležeče koke), diplokoke (parne koke), streptokoke (verige kokov), stafilokoke (podobne grozdnih grozdov ), tetrakoke (tvorbe štirih kokov) in sarcine (pakiranja po 8 ali 16 kokov).

v obliki palice - bakterije se nahajajo v obliki posameznih celic, diplo- ali streptobakterij.

Zbirka - vibrije, spirile in spirohete. Vibriji imajo videz rahlo ukrivljenih palic, spirila - zvite oblike z več spiralnimi kodri.

Velikosti bakterij so od 0,1 do 10 µm. Sestava bakterijske celice vključuje kapsulo, celično steno, citoplazemsko membrano in citoplazmo. Citoplazma vsebuje nukleotide, ribosome in vključke. Nekatere bakterije so opremljene z bičami in resicami. Številne bakterije tvorijo spore. Če presegajo začetno prečno velikost celice, ji spore dajejo vretenasto obliko.

Za preučevanje morfologije bakterij na optičnem mikroskopu se iz njih pripravijo nativni (vitalni) preparati ali fiksni razmaz, obarvan z anilinskim barvilom. Obstajajo posebne metode obarvanja za odkrivanje flagel, celične stene, nukleotidov in različnih citoplazmatskih vključkov.

Za SPM študijo morfologije bakterijskih celic obarvanje pripravka ni potrebno. SPM omogoča določanje oblike in velikosti bakterij z visoko stopnjo ločljivosti. S skrbno pripravo preparata in uporabo sonde z majhnim polmerom ukrivljenosti je mogoče zaznati flagele. Hkrati pa je zaradi velike togosti bakterijske celične stene nemogoče »sondirati« znotrajcelične strukture, kot je to v nekaterih živalskih celicah.

Priprava pripravkov za SPM študij morfologije

Za prvo izkušnjo s SPM je priporočljivo izbrati biološki pripravek, ki ne zahteva kompleksne priprave. Precej primerne so lahko dostopne in nepatogene mlečnokislinske bakterije iz slanice kislega zelja ali fermentiranih mlečnih izdelkov.

Za študije SPM v zraku je potrebno preučevani predmet trdno pritrditi na površino podlage, na primer na pokrovni stekel. Poleg tega mora biti gostota bakterij v suspenziji tolikšna, da se celice med odlaganjem na substrat ne zlepijo, razdalja med njimi pa ne sme biti prevelika, da bi lahko med skeniranjem v enem okvirju posneli več predmetov. Ti pogoji so izpolnjeni, če je način priprave vzorca izbran pravilno. Če na substrat nanesemo kapljico raztopine, ki vsebuje bakterije, bo prišlo do njihovega postopnega obarjanja in oprijema. V tem primeru je treba kot glavna parametra upoštevati koncentracijo celic v raztopini in čas sedimentacije. Koncentracijo bakterij v suspenziji določimo s standardom optične motnosti.

V našem primeru bo imel vlogo le en parameter - inkubacijski čas. Dlje ko se kapljica zadrži na steklu, večja bo gostota bakterijskih celic. Hkrati, če se kapljica tekočine začne sušiti, bo pripravek premočno kontaminiran z oborjenimi sestavinami raztopine. Kapljico raztopine, ki vsebuje bakterijske celice (slanica), nanesemo na pokrovno steklo, inkubiramo 5-60 minut (odvisno od sestave raztopine). Nato, ne da bi čakali, da se kapljice posušijo, jih temeljito speremo z destilirano vodo (pripravek večkrat potopimo s pinceto v kozarec). Po sušenju je pripravek pripravljen za merjenje na SPM.

Na primer, pripravke mlečnokislinskih bakterij so pripravili iz slanice kislega zelja. Čas izpostavljenosti kapljice slanice na pokrovnem stekelcu je bil izbran na 5 min, 20 min in 1 uro (kapljica se je že začela sušiti). SPM - okvirji so prikazani na sl. 7 -12, sl. 7-13,
riž. 7-14.

Iz slik je razvidno, da je za to raztopino optimalni inkubacijski čas 510 min. Podaljšanje časa zadrževanja kapljice na površini substrata vodi do oprijema bakterijskih celic. V primeru, ko se kapljica raztopine začne sušiti, se sestavine raztopine odložijo na steklo, ki ga ni mogoče sprati.

riž. 7 12. Slike mlečnokislinskih bakterij na pokrovnem stekelcu,
pridobljeno z uporabo SPM.

riž. 7 13. Slike mlečnokislinskih bakterij na pokrovnem stekelcu,
pridobljeno z uporabo SPM. Inkubacijski čas raztopine 20 min

riž. 7 14. Slike mlečnokislinskih bakterij na pokrovnem stekelcu,
pridobljeno z uporabo SPM. Čas inkubacije raztopine 1 ura

Na enem izmed izbranih pripravkov (sl. 7-12) smo poskušali razmisliti, kaj so mlečnokislinske bakterije, kakšna oblika je zanje značilna v tem primeru. (sl. 7-15)

riž. 7 15. AFM - slika mlečnokislinskih bakterij na pokrovnem stekelcu.
Inkubacijski čas raztopine 5 min

riž. 7 16. AFM - slika verige mlečnokislinskih bakterij na platnici.
Inkubacijski čas raztopine 5 min

Za slanico je značilna oblika paličastih bakterij in razporeditev v obliki verige.

riž. 7 17. Okno kontrolnega programa izobraževalnega SPM NanoEducator.
Orodna vrstica

Z orodji izobraževalnega programa SPM NanoEducator smo določili velikost bakterijskih celic. Bili so od približno 0,5 × 1,6 µm
do 0,8 × 3,5 µm.

Dobljene rezultate primerjamo s podatki v determinanti bakterij Bergey [Lit. 7-3].

Bakterije mlečne kisline spadajo med laktobacile (Lactobacillus). Celice so paličaste, običajno pravilne oblike. Palice so dolge, včasih skoraj kokoidne, običajno v kratkih verigah. Dimenzije 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikronov. Spor ne nastane; v redkih primerih so mobilni zaradi peritrihijskih flagel. Široko razširjen v okolju, zlasti v živilih živalskega in rastlinskega izvora. Mlečnokislinske bakterije so del normalne mikroflore prebavnega trakta. Vsi vedo, da je kislo zelje poleg vsebnosti vitaminov koristno za izboljšanje črevesne mikroflore.

Zasnova skenirnega sondnega mikroskopa NanoEducator

Na sl. 7-18 prikazuje videz merilne glave SPM NanoEducator in navedeni so glavni elementi naprave, uporabljene pri delu.

riž. 7 18. Videz merilne glave SPM NanoEducator
1-podstavek, 2-držalo za vzorec, 3-interakcijski senzor, 4-senzorski pritrdilni vijak,
5 vijakov za ročni pristop, 6 vijakov za premikanje skenerja z vzorcem v vodoravni ravnini, 7 zaščitni pokrov z video kamero

Na sl. 7-19 prikazuje zasnovo merilne glave. Na podstavku 1 je skener 8 z držalom vzorca 7 in mehanizmom za dovajanje vzorca do sonde 2 na osnovi koračnega motorja. V izobraževalni SPM NanoEducator vzorec je pritrjen na skener, vzorec pa se skenira glede na fiksno sondo. Sondo 6, pritrjeno na senzor interakcije sile 4, lahko približamo vzorcu tudi z ročnim pristopnim vijakom 3. Predhodna izbira študijskega mesta na vzorcu se izvede z vijakom 9.

riž. 7 19. Konstrukcija SPM NanoEducator: 1 – osnova, 2 – pristopni mehanizem,
3 – vijak za ročni pristop, 4 – senzor interakcije, 5 – pritrdilni vijak senzorja, 6 – sonda,
7 - držalo za vzorec, 8 - skener, 9, 10 - vijaki za premikanje skenerja z vzorcem

Usposabljanje SPM NanoEducator sestoji iz merilne glave, povezane s kabli, SPM krmilnika in krmilnega računalnika. Mikroskop je opremljen z video kamero. Signal iz senzorja interakcije po pretvorbi v predojačevalniku vstopi v krmilnik SPM. Upravljanje dela SPM NanoEducator se izvaja iz računalnika prek krmilnika SPM.

Senzor in sonda interakcije sile

V napravi NanoEducator Senzor je izdelan v obliki piezokeramične cevi z dolžino l=7 mm, premer d=1,2 mm in debelina stene h\u003d 0,25 mm, togo pritrjen na enem koncu. Na notranjo površino cevi je odložena prevodna elektroda. Dve električno izolirani polcilindrični elektrodi sta odloženi na zunanjo površino cevi. Na prosti konec cevi je pritrjena volframova žica s premerom
100 µm (sl. 7-20).

riž. 7 20. Zasnova univerzalnega senzorja NanoEducatorja

Prosti konec žice, ki se uporablja kot sonda, je elektrokemično brušen, polmer ukrivljenosti je 0,2  0,05 µm. Sonda ima električni stik z notranjo elektrodo cevi, ki je priključena na ozemljeno telo instrumenta.

Prisotnost dveh zunanjih elektrod na piezoelektrični cevi omogoča, da se en del piezoelektrične cevi (zgornji, v skladu s sl. 7-21) uporabi kot senzor interakcije sile (senzor mehanskih tresljajev), drugi del pa je uporablja se kot piezovibrator. Na piezovibrator se dovaja izmenična električna napetost s frekvenco, ki je enaka resonančni frekvenci senzorja moči. Amplituda nihanja na veliki razdalji konica-vzorec je največja. Kot je razvidno iz sl. 7-22, med nihanjem sonda odstopa od ravnotežnega položaja za količino A o, ki je enaka amplitudi njenih prisilnih mehanskih nihanj (gre za delčke mikrometra), medtem ko se na drugem delu senzorja pojavi izmenična električna napetost. piezocev (senzor nihanja), sorazmerna s premikom sonde, ki jo meri instrument.

Ko se sonda približa površini vzorca, se začne sonda med nihanjem dotikati vzorca. To vodi do premika amplitudno-frekvenčne karakteristike (AFC) nihanja senzorja v levo v primerjavi z AFC, merjeno daleč od površine (slika 7-22). Ker se frekvenca pogonskih nihanj piezocevke ohranja konstantna in enaka frekvenci nihanja о v prostem stanju, ko se sonda približa površini, se amplituda njenih nihanj zmanjša in postane enaka A. Ta amplituda nihanja se zabeleži iz drugega dela piezocevke.

riž. 7 21. Načelo delovanja piezoelektrične cevi
kot senzor interakcije sile

riž. 7 22. Spreminjanje frekvence nihanja senzorja sile
ko se približa površini vzorca

Skener

Metoda organiziranja mikro gibov, ki se uporablja v napravi NanoEducator, temelji na uporabi kovinske membrane, vpete po obodu, na površino katere je prilepljena piezoelektrična plošča (sl. 7-23 a). Sprememba dimenzij piezoelektrične plošče pod delovanjem krmilne napetosti bo povzročila upogibanje membrane. Če takšne membrane postavite na tri pravokotne stranice kocke in povežete njihova središča s kovinskimi potisniki, lahko dobite 3-koordinatni skener (sl. 7-23 b).

riž. 7 23. Načelo delovanja (a) in zasnova (b) skenerja NanoEducator

Vsak piezoelektrični element 1, ki je pritrjen na ploskev kocke 2, lahko, ko je nanj priložena električna napetost, premika potiskalnik 3, ki je nanj pritrjen, v eni od treh medsebojno pravokotnih smeri - X, Y ali Z. Kot je razvidno iz na sliki so vsi trije potiskalci povezani v eni točki 4 Z nekaj približevanjem lahko domnevamo, da se ta točka premika po treh koordinatah X, Y, Z. Na isto točko je pritrjen stojalo 5 z držalom vzorca 6. Tako se vzorec premika po treh koordinatah pod delovanjem treh neodvisnih virov napetosti. V aparatih NanoEducator največji premik vzorca je približno 5070 µm, kar določa največjo površino skeniranja.

Mehanizem za avtomatiziran pristop sonde k vzorcu (feedback capture)

Razpon gibanja skenerja vzdolž osi Z je približno 10 µm, zato je treba pred skeniranjem sondo približati vzorcu na tej razdalji. V ta namen je zasnovan pristopni mehanizem, katerega shema je prikazana na sl. 7-19. Koračni motor 1, ko se nanj prenesejo električni impulzi, zavrti dovodni vijak 2 in premakne palico 3 s sondo 4, tako da se približa ali oddalji od vzorca 5, nameščenega na skenerju 6. Vrednost enega koraka je približno 2 μm.

riž. 7 24. Shema mehanizma za približevanje sonde na površino vzorca

Ker korak približevalnega mehanizma med skeniranjem bistveno presega vrednost zahtevane razdalje med sondo in vzorcem, da bi se izognili deformaciji sonde, se njen približevanje izvaja s hkratnim delovanjem koračnega motorja in premiki skenerja vzdolž Z os po naslednjem algoritmu:

1. Povratni sistem se izklopi in skener se »umakne«, torej spusti vzorec v spodnji skrajni položaj.

2. Mehanizem približevanja sonde naredi en korak in se ustavi.

3. Sistem povratnih informacij je vklopljen in skener gladko dvigne vzorec, medtem ko se analizira interakcija sonda-vzorec.

4. Če interakcije ni, se postopek ponovi od 1. točke.

Če se med dvigovanjem optičnega bralnika pojavi signal, ki ni nič, bo sistem povratnih informacij ustavil gibanje optičnega bralnika navzgor in določil količino interakcije na dani ravni. Velikost interakcije sile, pri kateri se bo približevanje sonde ustavilo in bo proces skeniranja potekal v napravi NanoEducator označen s parametrom Zatiranje amplitude (AmplitudaZatiranje) :

A=Ao. (1-amplituda supresija)

Pridobitev slike SPM

Po klicu programa NanoEducator na zaslonu računalnika se prikaže glavno okno programa (slika 7-20). Delo je treba začeti s točko menija mapa in v njej izbiraj Odprto oz Novo ali ustrezne gumbe v orodni vrstici (, ).

Izbor ekipe mapa Novo pomeni prehod na meritve SPM in izbiro ukaza mapa Odprto pomeni prehod na pregledovanje in obdelavo predhodno prejetih podatkov. Program omogoča ogled in obdelavo podatkov vzporedno z meritvami.

riž. 7 25. Glavno okno NanoEducatorja

Po izvedbi ukaza mapa Novo na zaslonu se prikaže pogovorno okno, ki vam omogoča, da izberete ali ustvarite delovno mapo, v katero bodo privzeto shranjeni rezultati trenutne meritve. Med meritvami se vsi dobljeni podatki zaporedno zapišejo v datoteke z imeni ScanData+i.spm, kjer je indeks jaz se ob zagonu programa ponastavi na nič in se povečuje z vsako novo meritvijo. Datoteke ScanData+i.spm se postavijo v delovno mapo, ki se nastavi pred začetkom meritev. Med meritvami je mogoče izbrati drugo delovno mapo. Če želite to narediti, pritisnite gumb , v orodni vrstici glavnega okna programa in izberite točko menija Spremenite delovno mapo.

Če želite shraniti rezultate trenutne meritve, pritisnite gumb Shrani kot v oknu Scan v pogovornem oknu, ki se prikaže, izberite mapo in določite ime datoteke, medtem ko datoteka ScanData+i.spm, ki med meritvami služi kot začasna datoteka za shranjevanje podatkov, bo preimenovana v ime datoteke, ki ste ga navedli. Privzeto bo datoteka shranjena v delovno mapo, ki je bila dodeljena pred začetkom meritev. Če ne izvedete operacije shranjevanja rezultatov meritev, se ob naslednjem zagonu programa rezultati shranijo v začasne datoteke ScanData+i.spm, bo zaporedno prepisan (razen če se spremeni delovni imenik). O prisotnosti začasnih datotek meritev v delovni mapi se pred zaprtjem in po zagonu programa izda opozorilo. Če spremenite delovno mapo pred začetkom meritev, lahko zaščitite rezultate prejšnjega poskusa pred izbrisom. Privzeto ime ScanData lahko spremenite tako, da ga določite v oknu za izbiro delovne mape. Ob pritisku na gumb se prikliče okno za izbiro delovne mape. , ki se nahaja v orodni vrstici glavnega okna programa. Rezultate meritev lahko shranite tudi v okno Skeniraj brskalnik, izberite eno za drugo potrebne datoteke in jih shranite v izbrano mapo.

Rezultate, pridobljene z NanoEducatorjem, je mogoče izvoziti v formate ASCII in Nova (NTMDT), ki jih lahko uvozite s programi NTMDT Nova, Image Analysis in drugimi. Skenirane slike, podatki o njihovih prerezih, rezultati spektroskopskih meritev se izvozijo v format ASCII. Za izvoz podatkov kliknite gumb Izvozi v orodni vrstici glavnega okna aplikacije ali izberite Izvozi v točki menija mapa tem oknu in izberite ustrezno obliko izvoza. Podatke za obdelavo in analizo je mogoče takoj poslati v predhodno zagnani program Image Analysis.

Ko zaprete pogovorno okno, se na zaslonu prikaže nadzorna plošča instrumenta.
(sl. 7-26).

riž. 7 26. Nadzorna plošča instrumentov

Na levi strani instrumentne nadzorne plošče so gumbi za izbiro konfiguracije SPM:

SSM– skenirni mikroskop (SFM)

STM– skenirni tunelski mikroskop (STM).

Izvajanje meritev na treningu SPM NanoEducator je sestavljeno iz izvajanja naslednjih operacij:

1. Namestitev vzorca

POZOR! Pred vstavljanjem vzorca je potrebno odstraniti senzor s sondo, da ne poškodujete sonde.

Vzorec lahko popravite na dva načina:

na magnetni mizi (v tem primeru mora biti vzorec pritrjen na magnetni substrat);

na dvostranskem lepilnem traku.

POZOR! Za namestitev vzorca na dvostranski lepilni trak je potrebno držalo odviti iz stojala (da ne poškodujete optičnega bralnika) in ga nato priviti nazaj, dokler se rahlo ne ustavi.

V primeru magnetnega nosilca lahko vzorec zamenjate brez odvijanja držala za vzorec.

2. Namestitev sonde

POZOR! Po namestitvi vzorca vedno namestite senzor s sondo.

Ko izberete želeni senzor sonde (pridržite sondo za kovinske robove podnožja) (glejte sliko 7-27), popustite pritrdilni vijak sonde 2 na pokrovu merilne glave, vstavite sondo v vtičnico držala, dokler se ne ustavi. , privijte pritrdilni vijak v smeri urinega kazalca, dokler se rahlo ne ustavi.

riž. 7 27. Namestitev sonde

3. Izbira lokacije skeniranja

Pri izbiri mesta za raziskovanje vzorca uporabite vijake za premikanje dvokoordinatne mize, ki se nahaja na dnu naprave.

4. Predhodni pristop sonde k vzorcu

Operacija predhodnega pristopa ni obvezna za vsako meritev, potreba po njeni izvedbi je odvisna od razdalje med vzorcem in konico sonde. Operacijo predhodnega prileta je zaželeno izvesti, če razdalja med konico sonde in površino vzorca presega 0,51 mm. Pri uporabi avtomatskega približevanja sonde vzorcu z velike razdalje med njima bo postopek približevanja trajal zelo dolgo.

Z ročnim vijakom spustite sondo, medtem ko vizualno nadzorujete razdaljo med njo in površino vzorca.

5. Izgradnja resonančne krivulje in nastavitev delovne frekvence

Ta operacija se nujno izvede na začetku vsake meritve in dokler se ne izvede, je prehod na nadaljnje merilne korake blokiran. Poleg tega se med postopkom merjenja včasih pojavijo situacije, ki zahtevajo ponovno izvedbo te operacije (na primer, ko se stik izgubi).

Okno za iskanje resonance se prikliče s pritiskom na gumb na instrumentni nadzorni plošči. Izvajanje te operacije vključuje merjenje amplitude nihanja sonde, ko se spremeni frekvenca prisilnih nihanj, ki jih nastavi generator. Če želite to narediti, pritisnite gumb TEČI(sl. 7-28).

riž. 7 28. Okno operacije iskanja resonance in nastavitev delovne frekvence:
a) - avtomatski način, b) - ročni način

V načinu Samodejno frekvenca oscilatorja se samodejno nastavi enako frekvenci, pri kateri je bila opažena največja amplituda nihanja sonde. Graf, ki prikazuje spremembo amplitude nihanja sonde v danem frekvenčnem območju (slika 7-28a), vam omogoča opazovanje oblike resonančnega vrha. Če resonančni vrh ni dovolj izrazit ali je amplituda pri resonančni frekvenci majhna ( manj kot 1V), potem je treba spremeniti merilne parametre in ponovno določiti resonančno frekvenco.

Ta način je namenjen za Priročnik. Ko je ta način izbran v oknu Določanje resonančne frekvence prikaže se dodatna plošča
(sl. 7-28b), ki vam omogoča prilagajanje naslednjih parametrov:

Napetost nihanja sonde daje generator. Priporočljivo je, da to vrednost nastavite na minimum (na nič) in ne več kot 50 mV.

Ojačanje amplitude ( Amplitudno povečanje). Če je amplituda nihanja sonde nezadostna (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Amplitudno povečanje.

Za začetek iskanja resonance pritisnite gumb Začni.

način Priročnik vam omogoča, da ročno spremenite izbrano frekvenco s premikanjem zelenega kazalca na grafu z miško, kot tudi razjasnite naravo spremembe amplitude nihanja v ozkem območju vrednosti okoli izbrane frekvence (da to storite, morate nastaviti stikalo Ročni način v položaj Točno tako in pritisnite gumb Začni).

6. Zajem interakcije

Za zajem interakcije se postopek kontroliranega približevanja sonde in vzorca izvede z uporabo mehanizma avtomatskega pristopa. Nadzorno okno za ta postopek prikličete s pritiskom na gumb na instrumentni nadzorni plošči. Pri delu s CCM postane ta gumb na voljo po izvedbi iskalne operacije in nastavitvi resonančne frekvence. okno CCM, svinec(Slika 7-29) vsebuje kontrole približevanja sonde, kot tudi indikacije parametrov, ki vam omogočajo analizo napredka postopka.

riž. 7 29. Okno za približevanje sonde

V oknu dobavo Uporabnik ima možnost spremljanja naslednjih vrednosti:

razširitev optičnega bralnika ( SkenerZ) vzdolž osi Z glede na maksimalno možno, vzeto kot enoto. Vrednost relativnega raztezka optičnega bralnika je označena s stopnjo napolnjenosti levega indikatorja z barvo, ki ustreza območju, v katerem se optični bralnik trenutno nahaja: zelena - delovno območje, modra - zunaj delovnega območja, rdeča - skener je prišla preblizu površini vzorca, kar lahko povzroči deformacijo sonde. V slednjem primeru program izda zvočno opozorilo;

amplituda nihanja sonde glede na amplitudo njegovih nihanj v odsotnosti interakcije sile, vzeto kot enoto. Vrednost relativne amplitude nihanja sonde je prikazana na desnem indikatorju s stopnjo njenega polnjenja v bordo barvi. Vodoravna oznaka na indikatorju Amplituda nihanja sonde označuje raven, skozi katero se izvaja analiza stanja skenerja in njegov avtomatski izhod v delovni položaj;

število korakov ( Wagi) poteka v dani smeri: Približevanje - približevanje, Retrakcija - odstranitev.

Preden začnete s postopkom spuščanja sonde, morate:

Preverite, ali so parametri pristopa pravilno nastavljeni:

Pridobitev povratnih informacij Dobiček OS nastavljeno na vrednost 3 ,

Preverite parameter zatiranjeamplituda (sila) ima vrednost približno 0,2 (glej sliko 7-29). V nasprotnem primeru pritisnite gumb Moč in v oknu Nastavitev parametrov interakcije (slika 7-30) nastavljeno vrednost zatiranjeamplituda enako 0.2. Za bolj občutljiv pristop vrednost parametra zatiranjeamplituda mogoče manj .

Preverite, ali so nastavitve pravilne v oknu s parametri Parametri, stran Pristopni parametri.

Ali obstaja interakcija ali ne, je mogoče določiti z levim indikatorjem SkenerZ. Popolna razširitev optičnega bralnika (celoten indikator SkenerZ obarvan v modro), kot tudi popolnoma zasenčen bordo indikator Amplituda nihanja sonde(sl. 7-29) kažejo, da ni interakcije. Po izvedbi iskanja resonance in nastavitvi delovne frekvence se amplituda prostih vibracij sonde vzame kot enota.

Če skener ni v celoti iztegnjen pred ali med pristopom ali program prikaže sporočilo: »Napaka! Sonda je preblizu vzorca. Preverite parametre pristopa ali fizično vozlišče. Želite se premakniti na varno mesto" , priporočamo, da ustavite postopek prileta in:

a. spremenite eno od možnosti:

povečati količino interakcije, parameter zatiranjeamplituda, oz

povečati vrednost Dobiček OS, oz

povečati čas zakasnitve med koraki pristopa (parameter Čas integracije Na strani Pristopni parametri okno Parametri).

b. povečajte razdaljo med konico sonde in vzorcem (če želite to narediti, sledite korakom, opisanim v odstavku, in izvedite operacijo Resonanca, nato se vrnite k postopku dobavo.

riž. 7 30. Okno za nastavitev vrednosti interakcije med sondo in vzorcem

Po zajemu interakcije se prikaže sporočilo » Vodenje končano".

Če se morate približati za en korak, pritisnite gumb. V tem primeru se najprej izvede korak, nato pa se preverijo kriteriji za zajem interakcije. Če želite ustaviti gibanje, pritisnite gumb. Za izvedbo operacije umika morate pritisniti gumb za hitro umik

ali pritisnite gumb za počasen umik. Po potrebi se umaknite za en korak in pritisnite gumb. V tem primeru se najprej izvede korak, nato pa se preverijo kriteriji za zajem interakcije.

7. Skeniraj

Po zaključku postopka pristopa ( dobavo) in zajem interakcij, postane na voljo skeniranje (gumb v oknu nadzorne plošče instrumentov).

S pritiskom na ta gumb (pogled okna za skeniranje je prikazan na sliki 7-31) uporabnik nadaljuje neposredno z meritvijo in pridobivanjem rezultatov meritve.

Pred izvedbo postopka skeniranja morate nastaviti parametre skeniranja. Te možnosti so združene na desni strani zgornje vrstice okna. Skeniranje.

Prvič po zagonu programa so privzeto nameščeni:

Območje skeniranja - Regija (Xnm*Ynm): 5000*5000 nm;

Število točkmeritve vzdolž osi- X, Y: NX=100, New York=100;

Pot skeniranja - Smer določa smer skeniranja. Program vam omogoča izbiro smeri osi hitrega skeniranja (X ali Y). Ko se program zažene, se namesti Smer

Po nastavitvi parametrov skeniranja morate klikniti gumb Prijavite se za potrditev vnosa parametrov in gumba Začni da začnete skenirati.

riž. 7 31. Okno za upravljanje procesa in prikaz rezultatov skeniranja CCM

7.4 Smernice

Preberite uporabniški priročnik [Ref. 7-4].

7.5.Varnost

Napravo napaja napetost 220 V. Skenirni sondni mikroskop NanoEducator naj deluje v skladu s PTE in PTB potrošniških električnih instalacij z napetostjo do 1000 V.

7.6 Naloga

1. Pripravite svoje biološke vzorce za študije SPM.

2. Vadite splošno zasnovo NanoEducatorja.

3. Seznanite se z nadzornim programom NanoEducator.

4. Pridobite prvo sliko SPM pod nadzorom učitelja.

5. Obdelajte in analizirajte nastalo sliko. Katere oblike bakterij so značilne za vašo rešitev? Kaj določa obliko in velikost bakterijskih celic?

6. Vzemite Burgeyjev bakterijski ključ in primerjajte rezultate s tam opisanimi.

7.7.Kontrolna vprašanja

1. Katere so metode za preučevanje bioloških objektov?

2. Kaj je mikroskopija s skenirno sondo? Katero načelo je podlaga?

3. Poimenujte glavne sestavine SPM in njihov namen.

4. Kaj je piezoelektrični učinek in kako se uporablja v SPM. Opišite različne modele skenerjev.

5. Opišite splošno zasnovo NanoEducatorja.

6. Opišite senzor interakcije sile in njegovo načelo delovanja.

7. Opišite mehanizem za približevanje sonde vzorcu v NanoEducatorju. Pojasnite parametre, ki določajo moč interakcije med sondo in vzorcem.

8. Pojasnite princip skeniranja in delovanje sistema povratnih informacij. Povejte nam o merilih za izbiro možnosti skeniranja.

7.8 Literatura

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

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

Lit. 7 3. Holt J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Determinanta bakterij Burgey. M.: Mir, 1997. Letnik št. 2. C. 574.

Lit. 7 4. Uporabniški priročnik za instrument NanoEducator.predmeti. Nižnji Novgorod. Znanstveno-izobraževalni center...

Navodila predavanj pri predmetu "Skenirna sonda mikroskopija v biologiji" Načrt predavanja

Povzetek

... skeniranjesondamikroskopija iz biologije" Načrt predavanj: Uvod, zgodovina SPM. meje aplikacije... in nanostrukture, raziskavebiološkipredmeti: Nobelovi nagrajenci... zaraziskave poseben vzorec: B skeniranjesondamikroskopijaza ...

Predhodni program xxiii ruske konference o elektronski mikroskopiji 1. junij Torek zjutraj 10.00 – 14.00 otvoritev konference uvodni govor

Program

B.P. Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, V.I. Popenko Aplikacijasonda in konfokalna skeniranjemikroskopijazaraziskave popravila z uporabo nanodisperznih presadkov...

1. vseruska znanstvena konferenca Metode preučevanja sestave in strukture funkcionalnih materialov

dokument

VEČELEMENT PREDMETI NEREFERENCA... Lyakhov N.Z. RAZISKAVE NANOKOMPOZITI BIOLOŠKO AKTIVNO... Aliev V.Sh. PRIJAVA METODA SONDAMIKROSKOPIJEZARAZISKAVE UČINEK ... SCENIRANJE KALORIMETRIJA IN TERMOSTIMULIRANI TOKOVI ZARAZISKAVE ...

Prve naprave, ki so omogočale opazovanje nanoobjektov in njihovo premikanje, so bili skenilni sondni mikroskopi – mikroskop z atomsko silo in skenirni tunelski mikroskop, ki delujeta na podobnem principu. Mikroskopijo atomske sile (AFM) sta razvila G. Binnig in G. Rohrer, ki sta leta 1986 za te študije prejela Nobelovo nagrado. Ustvarjanje mikroskopa z atomsko silo, ki je sposoben začutiti sile privlačnosti in odbijanja, ki nastanejo med posameznimi atomi, je končno omogočilo "čutiti in videti" nano-predmete.

Slika 9. Načelo delovanja skenirnega sondnega mikroskopa (prevzeto s http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Črtkana črta prikazuje pot laserskega žarka. Ostale razlage v besedilu.

Osnova AFM (glej sliko 9) je sonda, običajno izdelana iz silicija in predstavlja tanko ploščo-konzolo (imenuje se konzola, iz angleške besede "cantilever" - konzola, žarek). Na koncu konzole (dolžina » 500 µm, širina » 50 µm, debelina » 1 µm) je zelo ostra konica (dolžina » 10 µm, polmer ukrivljenosti od 1 do 10 nm), ki se konča v skupini enega oz. več atomov (glej sliko 10).

Slika 10. Elektronske mikrofotografije iste sonde, posnete pri majhni (zgoraj) in veliki povečavi.

Ko se mikrosonda premika vzdolž površine vzorca, se konica konice dvigne in spusti ter začrta mikrorelief površine, tako kot gramofonska igla drsi po gramofonski plošči. Na štrlečem koncu konzole (nad konico, glej sliko 9) je zrcalna platforma, na katero pade laserski žarek in se odbija. Ko se konica spušča in dviga na neravninah površine, se odbiti žarek odkloni in ta odklon zabeleži fotodetektor, silo, s katero konico privlačijo bližnji atomi, pa zabeleži piezoelektrični senzor.

Podatki iz fotodetektorja in piezoelektričnega senzorja se uporabljajo v sistemu povratnih informacij, ki lahko zagotovi na primer konstantno vrednost interakcijske sile med mikrosondo in površino vzorca. Posledično je mogoče v realnem času zgraditi tridimenzionalni relief površine vzorca. Ločljivost metode AFM je približno 0,1-1 nm vodoravno in 0,01 nm navpično. Slika bakterije Escherichia coli, pridobljena z uporabo skenirnega sondnega mikroskopa, je prikazana na sl. enajst.

Slika 11. Bakterija E. coli ( Escherichia coli). Slika je bila pridobljena z uporabo skenirnega sondnega mikroskopa. Bakterija je dolga 1,9 µm in široka 1 µm. Debelina flagel in cilij je 30 nm oziroma 20 nm.

Druga skupina skenirnih sondnih mikroskopov uporablja tako imenovani kvantno-mehanski "učinek tunela" za izgradnjo topografije površine. Bistvo tunelskega učinka je, da je električni tok med ostro kovinsko iglo in površino, ki se nahaja na razdalji približno 1 nm, odvisen od te razdalje - manjša kot je razdalja, večji je tok. Če je med iglo in površino uporabljena napetost 10 V, je lahko ta "tunelski" tok od 10 pA do 10 nA. Če merimo ta tok in ga ohranjamo konstantnega, lahko tudi razdaljo med iglo in površino ohranjamo konstantno. To vam omogoča, da zgradite tridimenzionalni profil površine (glejte sliko 12). Za razliko od mikroskopa z atomsko silo lahko skenirni tunelski mikroskop preučuje le površine kovin ali polprevodnikov.

Slika 12. Igla skenirnega tunelskega mikroskopa, ki se nahaja na konstantni razdalji (glej puščice) nad plastmi atomov preučevane površine.

Skenirni tunelski mikroskop se lahko uporablja tudi za premikanje atoma na točko, ki jo izbere operater. Na primer, če je napetost med konico mikroskopa in površino vzorca nekoliko večja, kot je potrebno za preučevanje te površine, se atom vzorca, ki je najbližji, spremeni v ion in "skoči" na iglo. Nato lahko z rahlim premikanjem igle in spreminjanjem napetosti povzročimo, da ubežni atom "skoči" nazaj na površino vzorca. Tako je mogoče manipulirati z atomi in ustvarjati nanostrukture, t.j. strukture na površini, ki imajo dimenzije reda nanometra. Že leta 1990 so zaposleni pri IBM-u pokazali, da je to mogoče s seštevanjem imena svojega podjetja na nikljevo ploščo iz 35 atomov ksenona (glej sliko 13).

Slika 13. Sestavljen iz 35 atomov ksenona na nikljevi plošči, ime IBM, ki so jo leta 1990 izdelali zaposleni v tem podjetju s pomočjo skenirnega sondnega mikroskopa.

Z uporabo sondnega mikroskopa je mogoče ne le premikati atome, ampak tudi ustvariti predpogoje za njihovo samoorganizacijo. Na primer, če je na kovinski plošči kapljica vode, ki vsebuje tiolne ione, bo mikroskopska sonda spodbudila takšno orientacijo teh molekul, pri kateri bosta njuna dva ogljikovodikova repa obrnjena stran od plošče. Posledično je mogoče zgraditi monosloj molekul tiola, ki se oprime kovinske plošče (glej sliko 14). Ta metoda ustvarjanja monosloja molekul na kovinski površini se imenuje "nanolitografija peresa".

Slika 14. Zgoraj levo - konzola (sivo-jeklena) skenirnega sondnega mikroskopa nad kovinsko ploščo. Na desni je povečana slika območja (na sliki levo obkroženo z belo) pod konzolno sondo, ki shematično prikazuje molekule tiola z vijoličnimi ogljikovodikovimi repi, ki se vrstijo v monosloju na konici sonde. Prirejeno po Scientific American, 2001, sept., str. 44.

Skenirni mikroskop

Najmlajša in obenem obetavna smer pri preučevanju površinskih lastnosti je skenirna sonda mikroskopija. Sondni mikroskopi imajo rekordno ločljivost manj kot 0,1 nm. Izmerijo lahko interakcijo med površino in mikroskopsko konico, ki jo skenira – sondo – in prikažejo tridimenzionalno sliko na računalniškem zaslonu.

Metode sondne mikroskopije omogočajo ne le opazovanje atomov in molekul, temveč tudi vplivanje nanje. V tem primeru, kar je še posebej pomembno, je mogoče predmete proučevati ne nujno v vakuumu (kar je običajno za elektronske mikroskope), ampak tudi v različnih plinih in tekočinah.

Tunelski mikroskop za skeniranje sonde sta leta 1981 izumila G. Binning in H. Rohrer (ZDA), uslužbenca IBM-ovega raziskovalnega centra. Pet let pozneje so za ta izum prejeli Nobelovo nagrado.

Binning in Rohrer sta poskušala oblikovati napravo za preučevanje površin, manjših od 10 nm. Rezultat je presegel najbolj divja pričakovanja: znanstveniki so lahko videli posamezne atome, katerih velikost je le približno en nanometer v premeru. Delovanje skenirnega tunelskega mikroskopa temelji na kvantno mehanskem pojavu, imenovanem tunelski učinek. Zelo tanek kovinski vrh - negativno nabita sonda - se približa vzorcu, prav tako kovinski, pozitivno nabit. V tistem trenutku, ko razdalja med njima doseže več medatomskih razdalj, bodo elektroni začeli prosto prehajati skozi njo - "tunel": skozi režo bo tekel tok.

Za delovanje mikroskopa je zelo pomembna ostra odvisnost tunelskega toka od razdalje med konico in površino vzorca. Če se vrzel zmanjša samo za 0,1 nm, se tok poveča za približno 10-krat. Zato tudi nepravilnosti velikosti atoma povzročajo opazna nihanja v jakosti toka.

Za pridobitev slike sonda skenira površino, elektronski sistem pa odčita tok. Glede na to, kako se ta vrednost spremeni, se konica spusti ali dvigne. Tako sistem ohranja vrednost trenutne konstante, trajektorija gibanja konice pa sledi reliefu površine, ki se upogiba okoli hribov in vdolbin.

Konica premika piezoskener, ki je manipulator iz materiala, ki se lahko spreminja pod vplivom električne napetosti. Piezo skener je najpogosteje v obliki cevi z več elektrodami, ki se podaljšujejo ali upognejo in premikajo sondo v različnih smereh z natančnostjo tisočink nanometra.

Informacije o gibanju konice se pretvorijo v sliko površine, ki se gradi točko za točko na zaslonu. Zaradi jasnosti so odseki različnih višin pobarvani v različnih barvah.

V idealnem primeru bi moral biti na koncu konice sonde en nepremičen atom. Če je na koncu igle več izboklin, se lahko slika podvoji ali potroji. Za odpravo napake je igla jedkana v kislini, kar ji daje želeno obliko.

S pomočjo tunelskega mikroskopa je prišlo do številnih odkritij. Ugotovili so na primer, da so atomi na površini kristala razporejeni drugače kot v notranjosti in pogosto tvorijo kompleksne strukture.

S pomočjo tunelskega mikroskopa je mogoče preučevati le prevodne predmete. Vendar pa omogoča tudi opazovanje tankih dielektrikov v obliki filma, ko so nameščeni na površino prevodnega materiala. In čeprav ta učinek še ni bil v celoti pojasnjen, se kljub temu uspešno uporablja za preučevanje številnih organskih filmov in bioloških objektov - beljakovin, virusov.

Možnosti mikroskopa so velike. S pomočjo mikroskopske igle se risbe nanesejo celo na kovinske plošče. Za to se posamezni atomi uporabljajo kot "pisni" material - nanesejo se na površino ali odstranijo z nje. Tako so zaposleni pri IBM-u leta 1991 na površino nikljeve plošče napisali atome ksenona z imenom svojega podjetja – IBM. Črka "I" je bila sestavljena iz samo 9 atomov, črki "B" in "M" pa po 13 atomov.

Naslednji korak v razvoju mikroskopije s skenirno sondo so leta 1986 naredili Binning, Kveit in Gerber. Ustvarili so mikroskop atomske sile. Če ima v tunelskem mikroskopu odločilno vlogo ostra odvisnost tunelskega toka od razdalje med sondo in vzorcem, potem je za atomski silovni mikroskop odvisnost sile interakcije teles od razdalje med njimi odločilnega pomena.

Sonda atomsko-silnega mikroskopa je miniaturna elastična plošča - konzola. Poleg tega je eden od njegovih koncev pritrjen, na drugem koncu pa je sonda oblikovana iz trdnega materiala - silicija ali silicijevega nitrida. Ko se sonda premakne, bodo sile interakcije med njenimi atomi in neravno površino vzorca upognile ploščo. Z doseganjem takšnega premika sonde, ko ostane upogib konstanten, je mogoče dobiti sliko profila površine. Ta način delovanja mikroskopa, imenovan kontaktni način, omogoča merjenje z ločljivostjo delčkov nanometra ne le reliefa, temveč tudi sile trenja, elastičnosti in viskoznosti preučevanega predmeta.

Skeniranje v stiku z vzorcem pogosto vodi do njegove deformacije in uničenja. Vpliv sonde na površino je lahko koristen, na primer, pri izdelavi mikrovezij. Vendar lahko sonda zlahka zlomi tanek polimerni film ali poškoduje bakterijo, kar povzroči njeno smrt. Da bi se temu izognili, konzolo spravimo v resonančna nihanja blizu površine in zabeležimo spremembo amplitude, frekvence ali faze nihanja, ki nastane zaradi interakcije s površino. Ta metoda omogoča preučevanje živih mikrobov: nihajna igla deluje na bakterijo kot lahka masaža, ne da bi povzročila škodo, in omogoča opazovanje njenega gibanja, rasti in delitve.

Leta 1987 sta I. Martin in K. Vikrama-singh (ZDA) predlagala uporabo magnetizirane mikroigle kot konice sondiranja. Rezultat je bil magnetni mikroskop.

Tak mikroskop omogoča, da vidimo posamezne magnetne regije v materialu – domene – do velikosti 10 nm. Uporablja se tudi za ultra gosto zapisovanje informacij z oblikovanjem domen na površini filma s pomočjo polj igle in trajnega magneta. Takšen posnetek je stokrat bolj gost kot na sodobnih magnetnih in optičnih diskih.

Na svetovnem trgu mikromehanike, kjer vodijo velikani, kot so IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Digital Instruments, se je našlo tudi mesto za Rusijo. Vse glasneje se sliši glas majhne firme MDT iz Zelenograda pri Moskvi.

»Na krožnik, 10-krat manjši od človeškega lasu, kopirajmo skalno risbo naših daljnih prednikov,« predlaga Denis Shabratov, glavni tehnolog. - Računalnik krmili "čopič", sondo - iglo dolžine 15 mikronov, s premerom stotink mikrona. Igla se premika vzdolž "platna" in kjer se dotakne, se pojavi razmaz v velikosti atoma. Postopoma se na zaslonu prikaže jelen, ki mu sledijo jezdeci.

MDT je ​​edini proizvajalec sondnih mikroskopov in sond v državi. Je ena od štirih svetovnih voditeljev. Izdelke podjetja kupujejo v ZDA, na Japonskem, v Evropi.

In vse se je začelo z dejstvom, da sta Denis Šabratov in Arkadij Gologanov, mlada inženirja enega od zelenogradskih inštitutov v krizi, razmišljala o tem, kako živeti naprej, izbrala mikromehaniko. Ne brez razloga so menili, da je to najbolj obetavna smer.

»Nismo imeli kompleksov, da bi morali tekmovati z močnimi tekmeci,« se spominja Gologanov. – Seveda je naša oprema slabša od uvožene, a po drugi strani človeka sili v zvitost, v uporabo možganov. In zagotovo niso nič slabši od nas. In pripravljenosti za oranje več kot dovolj. Delali so dan in noč, brez prostih dni. Najtežje je bilo niti izdelati superminiaturno sondo, ampak jo prodati. Vemo, da je naš najboljši na svetu, o tem kričimo po internetu, bombardiramo stranke s faksi, z eno besedo brcamo po nogah kot tista žaba - nič pozornosti.

Ko so izvedeli, da eden izmed vodilnih v proizvodnji mikroskopov, japonsko podjetje Joyle, išče igle zelo zapletene oblike, so ugotovili, da je to njihova priložnost. Naročilo je stalo veliko moči in živcev, vendar je prejelo drobiž. Toda denar ni bil glavna stvar - zdaj so lahko na ves glas izjavili: slavni Joyle je naša stranka. Podobno je MDT skoraj leto in pol brezplačno izdeloval posebne sonde za ameriški nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo. In na seznamu strank se je pojavilo novo veliko ime.

"Zdaj je tok naročil takšen, da ne moremo več zadovoljiti vseh," pravi Šabratov. - Žal, to je posebnost Rusije. Izkušnje so pokazale, da je smiselno, da tako znanstveno intenzivne izdelke izdelujemo v majhnih serijah, množično proizvodnjo pa je treba vzpostaviti v tujini, kjer ni motenj v dobavi, njihove nizke kakovosti in neobveznih podizvajalcev.«

Pojav skenirne sondne mikroskopije je uspešno sovpadal z začetkom hitrega razvoja računalniške tehnologije, ki je odpiral nove možnosti uporabe sondnih mikroskopov. Leta 1998 je bil v Centru za napredne tehnologije (Moskva) izdelan model skenirnega sondnega mikroskopa FemtoScan-001, ki je nadzorovan tudi preko interneta. Zdaj bo kjer koli na svetu raziskovalec lahko delal na mikroskopu in vsak, ki bo to želel, bo lahko "pogledal" v mikrokozmos, ne da bi zapustil računalnik.

Danes se takšni mikroskopi uporabljajo le v znanstvenih raziskavah. Z njihovo pomočjo so narejena najbolj senzacionalna odkritja v genetiki in medicini, ustvarjeni materiali z neverjetnimi lastnostmi. Vendar se v bližnji prihodnosti obeta preboj, predvsem na področju medicine in mikroelektronike. Pojavili se bodo mikroroboti, ki bodo dostavljali zdravila po žilah neposredno do obolelih organov, ustvarjeni bodo miniaturni superračunalniki.

Iz knjige 100 velikih izumov avtor Ryzhov Konstantin Vladislavovič

28. MIKROSKOP Približno v istem času, ko se je začelo raziskovanje vesolja s teleskopi, so se začeli prvi poskusi razkriti skrivnosti mikrosveta z lečami Znano je, da majhni predmeti, tudi če so dobro osvetljeni, pošiljajo prešibek žarek v oko

Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (IO) avtorja TSB

Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (MI) avtorja TSB

Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (TE) avtorja TSB

Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (EL) avtorja TSB

Iz knjige Vse o vsem. 2. zvezek avtor Likum Arkadij

Iz knjige Sovjetski satirični tisk 1917-1963 avtor Stykalin Sergej Iljič

Iz knjige 100 znanih izumov avtor Pristinski Vladislav Leonidovič

Iz knjige Velika enciklopedija tehnologije avtor Avtorska ekipa

Kdo je izumil mikroskop? Beseda "mikroskop" je grškega izvora: prvi del pomeni "majhen", drugi - "opazovalec". Od tod tudi »mikroskop« – opazovalec nečesa zelo majhnega. To je instrument, ki se uporablja za ogled drobnih predmetov, ne

Iz knjige Kdo je kdo v svetu odkritij in izumov avtor Sitnikov Vitalij Pavlovič

* MIKROSKOP Satirična revija. Objavljeno v Novo-Nikolaevsku (danes Novosibirsk) leta 1922 (Vir: Sibirski Sov. Encycl., Zv. I, str.

Iz avtorjeve knjige

Iz avtorjeve knjige

Mikroskop Mikroskop je optična naprava, namenjena pridobivanju povečanih slik kakršnih koli predmetov ali podrobnosti strukture teh predmetov, ki niso vidne s prostim očesom. Na splošno je mikroskop sistem, sestavljen iz dveh leč, vendar

Iz avtorjeve knjige

Rentgenski mikroskop Rentgenski mikroskop je naprava, ki s pomočjo rentgenskih žarkov preučuje mikroskopsko strukturo in strukturo predmeta. Rentgenski mikroskop ima višjo mejo ločljivosti kot svetlobni mikroskop, ker

Iz avtorjeve knjige

Ionski mikroskop Ionski mikroskop je instrument, ki za pridobivanje slik uporablja ionski žarek, ki ga ustvari plinsko razelektritev ali termionski ionski vir. Načelo delovanja ionskega mikroskopa je podobno kot pri elektronskem mikroskopu. prehod skozi predmet in

Iz avtorjeve knjige

Mikroskop Mikroskop je optična naprava, ki omogoča pridobivanje podob predmetov, ki niso vidni s prostim očesom. Uporablja se za opazovanje mikroorganizmov, celic, kristalov, struktur zlitine z natančnostjo 0,20 mikronov. Ta ločljivost mikroskopa je najmanjša

Iz avtorjeve knjige

Kdo je izumil mikroskop? Beseda "mikroskop" je grškega izvora: prvi del pomeni "majhen", drugi - "opazovalec". Od tod tudi »mikroskop« – opazovalec nečesa zelo majhnega. To je instrument, ki se uporablja za pregledovanje drobnih predmetov, ne