Методы изучения наноструктур . Изучение формы и размера обьекта

НОУ ВПО МУ

г. Саратов

 

 

Стоматологический факультет

Специальность 060201 стоматология

 

Кафедра фармакологии и фармации

 

 

 

 

 

Реферат

 

Методы изучения наноструктур .

Изучение формы и размера обьекта.

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил :

студент

 

 

Проверил:

ассистент. К.Б.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

Саратов 2015г

 

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Нанотехноло́гия — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

 

В силу того, что нанотехнология — междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология,химия, физика. Одним из относительно новых методов исследований в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими и электронными микроскопами,спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов) [1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.СКАНИРУЮЩАЯ  ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ.

В сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) используется взаимодействие между твердотельным нанозондом, приближенным к объекту исследования на некоторое малое расстояние - характерную длину затухания взаимодействия «зонд-объект». Для получения изображения объекта используются прецизионные системы механического сканирования нанозондом над образцом (или образцом над зондом), причем система автоматического регулирования стабилизирует параметры наноконтакта между зондом и объектом в процессе сканирования. Пространственное разрешение сканирующих зондовых микроскопов определяется характерным размером наноконтакта между зондом и образцом. Образно выражаясь, можно сказать, что образец ощупывается и обстукивается.

Первым СЗМ прибором с нанометровым пространственным разрешением, по-видимому, следует считать профилометр Р.Янга, в котором детектировался автоэмиссионный ток между сканирующим металлическим нанозондом и исследуемой поверхностью. Экспериментальный подход Р.Янга получил блестящее развитие в работах Г.Биннига и Г.Рорера, которые привели к появлению СТМ с атомным пространственным разрешением и были удостоены Нобелевской премии по физике в 1986 г.

В зависимости от природы взаимодействия между нанозондом и объектом СЗМ приборы включают в себя:

• сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) – детектируется туннельный ток, протекающий между нанозондом и объектом;
• сканирующие силовые микроскопы (ССМ) – детектируется локальная сила, действующая между нанозондом и объектом, причиной которой может быть Ван-дер-Ваальсовское, электростатическое, магнитное взаимодействия, трение и т.п.;
• оптические микроскопы ближнего поля (ОМБП) – детектируются оптические фотоны, возникающие в области ближнего поля у поверхности объекта, интенсивность которых экспоненциально затухает при удалении от поверхности на расстояние, соизмеримое с длиной волны света;
• сканирующие акустические микроскопы (детектируются звуковые колебания) и т.п.

Наиболее широкое применение метод СЗМ находит при диагностике поверхности.

 В условиях сверхвысокого  вакуума он позволяет визуализировать  структуру поверхности с атомным  разрешением, наблюдать сверхрешетки, возникающие в результате перестройки  поверхностных атомов, атомные и  субатомные ступеньки, химические  реакции на поверхности и т.п.

СЗМ может функционировать как в вакууме, так и в газе или в жидкости. Последний факт обуславливает широкие возможности метода в области биотехнологии и медицины. С помощью СЗМ могут быть визуализированы клетки, бактерии, вирусы, белки и белковые комплексы, биологические молекулы в том числе, находящиеся в функционально активном состоянии в биологической жидкости. При этом СЗМ-метод позволяет не только визуализировать с высоким пространственным разрешением, например, структуру отдельной клетки, но и измерять локальную жесткость клеточной стенки или визуализировать ионные каналы в клеточной мембране. Все это делает СЗМ-метод привлекательным для цитологии, молекулярной и клеточной медицины, фармакологии.

В лаборатории сканирующей зондовой микроскопии и спектроскопии ИАП РАН, начиная с 1984 года ведутся научные исследования и опытные разработки в области сканирующей зондовой микроскопии, спектроскопии и

нанолитографии. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Сканирующая электронная микроскопия.

Определение

Разновидность электронной микроскопии, в которой для зондирования исследуемой поверхностииспользуется сканирование по ней сфокусированного пучка электронов. Для формирования изображенияиспользуется детектирование различных сигналов, включая вторичные электроны, обратно рассеянныеэлектроны, рентгеновское излучение и ток через образец. Двумерная карта снимаемого сигнала ипредставляет собой изображение поверхности.

 

Описание

В сканирующем электронном микроскопе (рис. 1а) пучок электронов с первичной энергией ~1-10 кэВфокусируется системой линз в пятно диаметром 1-10 нм на поверхности исследуемого образца.Сфокусированный пучок сканируется по поверхности с помощью системы отклоняющих катушек синхронно сэлектронным пучком в видеотрубке, которая используется в качестве оптического дисплея. Оба электронныхпучка управляются одним и тем же генератором сканирования, поэтому увеличение просто равноотношению размеров дисплея и сканируемой области на поверхности образца. В сканирующем электронноммикроскопе используется детектирование различных сигналов, включая вторичные электроны, обратнорассеянные электроны, рентгеновское излучение и ток через образец (рис. 1б). На рис. 1впроиллюстрирована структура энергетического спектра электронов, испускаемых с поверхности при ееоблучении пучком электронов с энергией E0. На спектре указаны диапазоны энергий, соответствующиеразличным типам электронов, используемым для детектирования. Основные применения сканирующейэлектронной микроскопии – визуализация топографии поверхности (при регистрации вторичных электронов)и карты распределения элементов на поверхности (при регистрации обратно рассеянных электронов, оже-электронов и рентгеновского излучения [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Просвечивающая электронная микроскопия.

 

Определение

разновидность микроскопии,  в которой для получения увеличенного 

изображения или дифракционнойкартины используются электроны, 

прошедшие через образец.

 

Описание

Для изучения внутренних деталей методом ПЭМ обычно требуются образцы толщиной менее 100-200 нм. Чем больше толщинаобразца, тем больше должно быть ускоряющее напряжение пучка электронов.

ПЭМ может быть использован для визуализации атомных плоскостей и колонок с разрешением порядка 0.2 нм. Разновидность ПЭМ, используемая в этом случае, часто рассматривается как самостоятельный метод исследования – просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (high resolution transmission electron microscopy (HREM, HRTEM))

Электронный микроскоп с использованием дополнительных детекторов позволяет реализовать различные методикимикроанализа образцов  - спектроскопию энергетических потерь электронов, рентгеноспектральный 

микроанализ и др.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Люминесцентная микроскопия.

Люминесцентная микроскопия — оптическое исследование микрообъектов, окрашенных специальными красителями (флюорохромами), испускающими свечение при воздействии ультрафиолетовыми лучами. Для люминесцентной микроскопии применяются специальные оптические устройства и микроскопы, основной частью которых является источник ультрафиолетовых лучей и система фильтров к нему. 
Флюорохромы, как правило, флюоресцируют по-разному в зависимости от химического состава структур, с которыми они взаимодействуют. Некоторые из них обладают сродством к определенным клеточным структурам. Например, акридиновый оранжевый краситель окрашивает нуклеопротеиды клетки, аурамин — воскоподобное вещество, содержащееся в микобактериях. Некоторые микрообъекты не требуют предварительной окраски флюорохромами и изучаются с помощью люминесцентной микроскопии без окраски. См. также Люминесцентный анализ, Люминесценция.

Лишь немногие биологически значимые вещества имеют выраженную собственную люминесценцию в видимой области спектра. К ним относятся некоторые пигменты (хлорофилл, порфирины, липохромы), витамины А и В2, алкалоиды (берберин, хинин и др.), антибиотики (тетрациклины и др.), химиотерапевтические и токсические вещества. Проникновение этих веществ в органы и клетки, их распределение и превращения могут быть прослежены при помощи прижизненной люминесцентной микроскопии. Чаще в люминесцентной микроскопии используют люминесцентную «окраску» специальными веществами (флюорохромами), избирательно придающими тонким структурам клетки и тканей способность люминесцировать (люминесцентная цитохимия). Так, например, флюорохром акридиновый оранжевый применяют для контрастирования ядерных структур, выявления нуклеиновых кислот, мукополисахаридов, для обнаружения микробов и крупных вирусов, для цитодиагностики, в том числе распознавания в мазках раковых клеток; аурамин 00 служит для выявления кислотоустойчивых бактерий (туберкулеза, проказы), риккетсий и некоторых вирусов; примулин — для флюорохромирования элементарных телец вирусов и различения живых и мертвых клеток; фосфин ЗК, нильский голубой и бензпирен — для локализации липидов в клетках. 
Особое значение в люминесцентной микроскопии придается люминесцентно-иммунологическим методам [Куне (A. Coons) с сотр., 1942, 1950], основанным на применении люминесцентно меченных специфических сывороток (антител). Метчиком чаще служит флюорохром изотиоцианат флюоресцеина. Получаемый комплекс «антитело-флюорохром» позволяет быстро обнаруживать, идентифицировать и локализовать даже ничтожные количества соответствующих антигенов, в том числе вирусов, риккетсий, бактерий на фоне посторонней микрофлоры, а также выявлять специфические белки, ферменты, полисахариды в клетках и тканях. Наряду с визуальными наблюдениями и фотографированием в Л.м. все шире применяется объективная регистрация интенсивности, спектров и выхода люминесценции. 
Люминесцентная микроскопия клеток и тканей. При люминесцентной микроскопии можно изучать первичную (ткани и органы человека и животных имеют нерезкую белесую, голубую или синюю люминесценцию) и вторичную люминесценцию клеток и тканей. Изучение вторичной люминесценции живых и фиксированных клеток и тканей (после их «окраски» флюорохромами) получило широкое распространение. При изучении живых клеток флюоресцирующие вещества применяют в очень малых количествах, не вызывающих токсического действия. В цитологических исследованиях Л. м. применяют при диагностике злокачественных новообразований в соскобах, пунктатах, мокроте, промывных водах. Этот метод позволяет быстро получить ярко окрашенный препарат, в котором атипичные клетки выделяются ярким свечением, оттенками цвета и структурой. Л. м. применяется и в гистохимии. Использование акридинового оранжевого позволяет выявить нуклеиновые кислоты, при этом ДНК дает зеленую, а РНК — красную флюоресценцию. Тот же флюорохром в нефиксированных срезах помогает выявить мукополисахариды, а при модификации этого метода — муцины. Фосфин 3R, родамин В, бензпирен и др. выявляют в срезах липиды. [4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Рентгеновская спектроскопия.

Определение

методика изучения состава вещества по спектрам поглощения (абсорбции) или испускания (эмиссии)квантов света с длиной волны в рентгеновском диапазоне, от 0,01 до 100 нм.

 

Описание

Рентгеновские спектры обусловлены переходами электронов внутренних 

оболочек атомов. Рентгеновские спектры поглощения связаны с переходами электронов в возбужденные 

энергетические состояния,а спектры испускания - из возбужденных состояний в основное. Различают два вида рентгеновских 

спектров: первичные, получаемые бомбардировкой атомов мишени электронными 

пучками, и вторичные,регистрируемые при взаимодействии атомов с 

рентгеновскими фотонами.

По спектрам поглощения получают информацию о вакантных возбужденных 

состояниях химическихсоединений или зонах проводимости в 

полупроводниках. Применение методики  EXAFS (extended absorbtionfine 

structure) позволяет определять такие параметры вещества, как межатомные 

расстояния, причем дажедля аморфных тел, к которым неприменима методика рентгеновской дифракции.

Также выделяют методы фотоэлектронной спектроскопии, в основе которых 

лежит явление фотоэффекта.Спектры эмиссии фотоэлектронов содержат 

информацию об электронных уровнях атомов вещества ипозволяют с высокой 

точностью идентифицировать отдельные химические элементы, 

присутствующие ввеществе. [5]

 

 

 

 

 

 

 

6.Молекулярная  электронная спектроскопия.

Определение

методика определения строения вещества на основе анализа спектров 

поглощения и/или испускания света,взаимодействующего с веществом и 

вызывающего переходы электронов с одного энергетического уровня надругой.

Описание

Энергия движения электронов молекулы, в соответствии с квантово-механическим описанием, принимаетопределенные дискретные значения. При поглощении кванта света электроны переходят в состояние сболее высокой 

энергией -происходит так называемое возбуждение. В зависимости от того, как 

великаэнергия поглощенного кванта света, электроны могут перейти из