Методы высокого разрешения в исследования наноструктур Кафедра медицинских нанобиотехнологий мбф
 Скачать 7.8 Mb.
|
|
Методы высокого разрешения в исследования наноструктур Кафедра медицинских нанобиотехнологий МБФ Абакумов М.А. Москва, 2016 Основные проблемы в изучении наноструктур Диапазон размеров цельных наноструктур: 1-200 нм Диапазон размеров элементов поверхностей наноструктур 0,5 -5 нм. Свойства определяются размерами Для возможности изучения зависимости макроскопических свойств от размеров необходимо иметь методы исследования с разрешением менее 1 нм. Способы восприятия информации Осязание и зрение – передают информацию о форме и размерах объектах Способны передать информацию о форме размере наноструктур Не обладают достаточным разрешением и нуждаются в дополнении инструментальными методами анализа. Микроскопия μικρός — мелкий, маленький и σκοπέω — вижу Оптическая микроскопия, Электронная микроскопия, Многофотонная микроскопия, Рентгеновская микроскопия, Рентгеновская лазерная микроскопия Схема микроскопической системы Оптический микроскоп состоит из системы линз, увеличивающих и фокусирующих изображение, а также системы детекции ( глаз, камера). Проблемы оптической микроскопии в исследовании наночастиц Дифракционный предел Дифракция света I(x) =I0 sinc(2πnd/λ*sinθ) I(x1) =0 sinc(2πnd/λ*sinθ) =0 sin(2πnd/λ*sinθ) = 0 2πnd/λ*sinθ= π D = λ/2nsinθ Дифракционный предел Аббе D = λ/2n*sinθ λ – длина волны n – показатель преломления среды θ – угол аппертуры При длине света 500 нм (зелёный свет) дифракционный предел ≈ 250 нм Способы обойти дифракционный предел D = λ/2n*sinθ Уменьшение длины волны: переход от видимого света к гамма и рентгеновскому излучению
Рентгеновская микроскопия Малоугловое рентгеновское рассеяние Переход от электромагнитного излучения к частицам имеющим массу покоя: Просвечивающая электронная микроскопия Сканирующая электронная микроскопия Малоугловое нейтронное рассеяние Рентгенофазовый анализ Используется электромагнитное излучение с энергиями более 10 кэВ. Атомы кристаллической решётки вещества выступают в качестве узлов дифракционной решётки. Дифракционная картина подчиняется закону Брегга Каждая плоскость даёт свой собственный дифракционный пик с соответствующим углом Чем сложнее кристалл, тем сложнее дифракционная картина Рентгенофазовый анализ Современные приборы для РФА Рентгенофазовый анализ Позволяет определять параметры решётки (межплосткостные расстояния) Позволяет определить размер области с идеальной кристаллической структурой ( размер кристаллита). Рентгенофазовый анализ Недостатки метода РФА 1) Не даёт « прямой» информации об объекте. 2) Не пригоден для аморфных структур Области применения РФА: Анализ нанокристаллов или упорядоченных структур Определение трёхмерно й структуры неорганических и органических молекул. Определение фазового состава нанокристаллов Рентгеновская микроскопия Принцип работы аналогичен оптической микроскопии, но используются ЭМ волны с меньшей длиной волны и энергией порядка 10-60 кэВ ЭМ излучение в данном диапазоне обладает коэффициентом преломления близким к 1 в различных средах. Кроме того , в отличие от оптического излучения, коэффициент преломления рентгеновского в конденсированной среде меньше Позволяет проводить прижизненную визуализацию живых систем с разрешением несколько десятков нм. Позволяет единовременно получать информацию о структуре и составе области интереса (рентгеновская флуоресцентная микроскопия) Требует использования сложной и громоздкой системы линз, а также рентгеновской трубки. Рентгеновские линзы Составная преломляющая линза Линза на основе пластинок Френеля Составная преломляющая линза Состоит из сферических секций заполненных воздухом и разделённых конденсированной средой Создана из ряда пластинок, толщина которых подобрана так, чтобы фокусировать изображение опредлённой длины волны Рентгеновская трубка Рентгеновская трубка Пример изображения получаемого на рентгеновском микроскопе Атомарное разрешение: миф или реальность? Электронная микроскопия В качестве излучения используется поток электронов с высокой энергией Электронная микроскопия В качестве излучения используется поток электронов с высокой энергией Электронная микроскопия Линзы представляют собой цилиндрические электромагниты, фокусирующие электронный пучок. Электронная микроскопия Основана на анализе энергии электронов выбитых со своих орбит первичным электронным пучком. Энергия электронов дискретна и зависит от строения оболочек каждого атома По анализу линий спектра становится возможным установить химический состав образца Фокусируя первичный пучок становится возможным исследовать отдельные области интереса Электронная микроскопия. Ограничения. Разрушение образца высокоэнергетическим электронным пучком Низкий контраст между атомами с малым атомным весом Необходимость дополнительного окрашивания биологических образцов солями тяжёлых металлов Возможность получить изображения только фиксированных образцов Электронная микроскопия клетки Электронная микроскопия клетки Myelin and its structure Myelin and its structure Myelin and its structure. Липосомы Вторичные электроны – наиболее чувствительны к рельефу поверхности Отражённые электроны – наиболее чувствительны к атомному весу Малоугловое рассеяние нейтронов Основано на упругом рассеянии пучка нейтронов на неоднородностях образца Осязание Можем ли мы «потрогать» наночастицы? Атомно-силовая микроскопия Игла двигается по поверхности Использует тонкую иглу (кантилевер), систему лазеров и пьезоэлемент для регуляции положения предметного столика Регулировка расстояния происходит благодаря принципу обратной связи Атомно-силовая микроскопия. Кантилевер Контактный режим – зонд подведён к поверхности и постоянно находится в контакте с образцом Преимущественно используется для твёрдый образцов Высокое разрешение Полуконтактный режим – зонд подведён к поверхности и вибрирует на собственной характеристической частоте Преимущественно используется для мягких тканей Менее чувствителен, но более аккуратен с поверхностью Атомно-силовая микроскопия. Примеры изображений Динамическое светорассеяние Динамическое светорассеяние Динамическое светорассеяние |