Итоговая работа (1060022), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Рисунок 8 – Схема сканирующего туннельного микроскопа

• Атомно-силовой микроскоп (АСМ) — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца (рисунок 9). Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер-Ваальса. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение АСМ зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Рисунок 9 – Схема работы АСМ

АСМ был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом и Кристофом Гербером в США. Применяется для снятия профиля поверхности и для измерения её рельефа, а также для манипулирования микроскопическими объектами на поверхности. Принцип действия АСМ основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами (около одного ангстрема) действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. В сканирующем атомном силовом микроскопе телами взаимодействия служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе используется алмазная игла. В системе обратной связи используется лазер. При изменении силы, действующей между поверхностью и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регистрируется датчиком. В качестве датчика в АСМ могут использоваться любые особо точные и чувствительные – прецизионные – измерители перемещений, например оптические, емкостные или туннельные датчики.

• Приборы динамического рассеяния света (ДРС). ДРС представляет собой совокупность таких явлений как изменение частоты (Доплеровский сдвиг), направления движения и интенсивности света, прошедшего через среду движущихся (Броуновских частиц). Метод ДРС (называемый также фотонной корреляционной спектроскопией) позволяет определить коэффициент диффузии дисперсных частиц в жидкости путем анализа характерного времени флуктуаций интенсивности рассеянного света. Далее из коэффициента диффузии рассчитывается радиус частиц.

Источник лазерного поляризованного излучения 1 (рисунок 10) посылает луч на кювету с исследуемым объектом (раствором) 2, в которой в результате взаимодействия лазерного излучения с коллоидной частицей происходит рассеяние света. Рассеянный под углами А и В свет регистрируется датчиком (фотодиодом) 4, а нерассеянный свет попадает в световую ловушку 3. Значения углов А и В определяются особенностями используемого алгоритма и, например, для прибора «Zetasizer ZS» (рисунок 11) английской фирмы Malvern они составляют 12,8 и 173 градуса. В качестве фотоприемников используются лавинные фотодиоды. Технические характеристики прибора представлены в таблице 5.

Рисунок 10 – Оптическая схема прибора ДРС: 1 – источник лазерного излучения; 2 – кювета с исследуемым образцом; 3 – ловушка лазерного излучения; 4 – фотоприемники

Рисунок 11 - Прибор ДРС Malvern Zetasizer ZS Nano

Таблица 5 – Технические характеристики прибора ДРС Malvern Zetasizer ZS Nano

• Микроскопия ближнего поля – вид оптической микроскопии, основанный на детектировании ближнего поля. Это возможно за счет использования специального зонда (рисунок 12), позволяющего локализовать электромагнитное поле в области пространства с размерами меньше длины волны используемого излучения вблизи объекта. При сканировании таким зондом по поверхности объекта можно получать растровые изображения поверхности с разрешением ниже дифракционного предела.

Рисунок 12 – Блок-схема ближнепольного микроскопа

На рисунке 13 представлен многофункциональный (в т.ч. ближнепольный) микроскоп WITec alpha300, а в таблице 6 – его технические характеристики.

Рисунок 13 - Многофункциональный микроскоп WITec alpha300

Таблица 6 – Технические характеристики многофункционального микроскопа WITec alpha300

4 Конфокальная микроскопия

Конфокальная микроскопия – один из методов оптической микроскопии, обладающий значительным контрастом и разрешающей способностью по сравнению с микроскопами классической схемы за счет использования диафрагмы, отсекающей поток фонового рассеяного света (т.е. исключается внефокальное излучение; отсюда и название: con – лат.; сокр. от contra – «нечто противоположное», «против»). В конфокальном микроскопе в каждый момент времени регистрируется изображение одной точки объекта, а полноценное изображение строится путем сканирования (движения образца или перестройки оптической системы).

4.1 История создания и принцип действия конфокального микроскопа

Принципы конфокальной микроскопии были заложены профессором Массачусетского технологического института (MIT) США Марвином Мински (Marvin Minsky) в 50-х годах 20-го столетия. Одной из задач, которой он занимался, было изучение нервных клеток, механизмов и способов их сопряжения. В те годы одним из методов визуализации нейрона было его окрашивание флюорохромами и исследование с помощью обычного светового микроскопа. Но трудность состояла в том, что ткани нервных клеток «перепутаны» между собой и одни части перекрываются другими, поэтому часто сложно разобраться и представить ясную картину хода отдельных нейронов и их взаимодействие. Кроме этого проблема визуализации усложняется тем, что имеется множественное рассеяние световой энергии и изображение смазывается. По словам ученого, "идеальный микроскоп должен осуществлять визуализацию каждой точки объекта, при этом свет должен исходить из этой (выделенной) точки объекта (исключается постороннее рассеянное излучение)». В результате им была предложена и запатентована в 1957 году [4] схема, представленная на рисунке 14.

Рисунок 14 – Принципиальная схема конфокального микроскопа из патента Мински

Свет источника (10) проходит через точечную диафрагму – пинхол (16). Расходящийся пучок лучей попадает во входной зрачок объектива (11). Объектив фокусирует излучение в определенной точке (D) объекта (22) (не лежащей в фокальной плоскости объектива, так как входной пучок не параллелен). Проходя через объект и отражаясь от зеркала (15), излучение собирается объективом и, отражаясь от светоделительной пластинки (17), поступает в другую точечную диафрагму (26), помещенную перед детектором и оптически сопряженную с плоскостью, где расположена точка (D). Пропуская излучение, исходящее только от внутренней точки (D), эта диафрагма определяет конфокальные свойства системы.

Суть конфокальной микроскопии также поясняется следующей схемой (рисунок 15). От источника (Ист) с помощью оптической системы, состоящей из объектива (О) и микрообъектива (MO1), излучение фокусируется внутрь объекта (Об). Прошедшее через микрообъектив (МО2) и окуляр (Ок) излучение попадает на точечную диафрагму – пинхол (А2). При этом через диафрагму пропускается только излучение 2 (выделено черным) от малой области, лежащей в пределах фокального пятна (ФП) микрообъектива МО2, излучение же 1 и 3 (выделено красным и синим) от других точек, лежащих перед и за исследуемой областью, отсекается диафрагмой (А2).

Рисунок 15 – Принцип работы конфокального микроскопа

Излучение поступает на интегральный фотоприемник-детектор (как правило, ФЭУ). Таким образом, за счет пространственной фильтрации получается изображение внутренней точки объекта. Для получения изображения всего объекта в конфокальном микроскопе производится сканирование по направлениям X, Y и Z. При сканировании по направлениям X, Y получается изображение внутреннего сечения, или оптический срез. Произведя запись многих сечений вдоль оси Z, получают трехмерное изображение всего объекта.

Осветитель создает не равномерную освещенность поля зрения, а фокусирует свет в анализируемую точку. Это может достигаться расположением второй фокусирующей системы за образцом, но при этом требуется, чтобы образец был прозрачным. Кроме того, линзы объектива обычно сравнительно дорогие, поэтому использование второй фокусирующей системы для подсветки мало предпочтительно. Альтернативой является использование светоделительной пластинки или дихроичного зеркала, так чтобы и падающий, и отраженный свет фокусировались одним объективом. Такая схема к тому же облегчает юстировку.

4.2 Оптические характеристики

1) Разрешающая способность

Как известно, различают два вида разрешения: латеральное, или поперечное, и аксиальное, или продольное. Согласно критерию Релея изображения двух близких самосветящихся (некогерентных) точек можно еще считать раздельными, если центр дифракционного пятна, соответствующего одной точке, совпадает с первым дифракционным минимумом для второй точки. Радиус точки обычно определяется расстоянием от центра до первого минимума и равняется поперечной разрешающей способности объектива:

.

Здесь - длина волны, числовая апертура объектива определяется как , где – абсолютный показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом; - угловая апертура объектива. По мере уменьшения размеров используемой в микроскопе точечной диафрагмы поперечная разрешающая способность увеличивается в раз.

Возможность различения двух точек, лежащих вдоль оптической оси, определяется продольной (аксиальной) разрешающей способностью. Для нее сложнее найти выражение, чем для поперечной, особенно при работе с фотолюминесцирующими или диффузно-отражающими образцами. Продольная разрешающая способность зависит от размера конфокальной диафрагмы [6].

Характеристики

Список файлов учебной работы