Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы)




Скачать 337.57 Kb.
НазваниеОтчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы)
страница1/2
Дата05.03.2013
Размер337.57 Kb.
ТипОтчет
  1   2

Содержание

8.Изучение микрофлоры воды с помощью сканирующей зондовой микроскопии


Содержание



8. Изучение микрофлоры воды с помощью сканирующей зондовой микроскопии 1

8.1. Информация для преподавателя 2

8.2. Содержание работы 2

8.3. Методические указания 30

8.4. Техника безопасности 30

8.5. Задание 31

8.6. Контрольные вопросы 31

8.7. Литература 31



Лабораторная работа была разработана Нижегородским Государственным университетом им. Н.И. Лобачевского.


8.1.Информация для преподавателя1


Лабораторная работа выполняется в несколько этапов:

1. Подготовка образца выполняется каждым студентом индивидуально.

2. Получение первого изображения выполняется на одном приборе под руководством преподавателя, далее каждый студент исследует свой образец.

3. Обработка экспериментальных данных каждым студентом индивидуально.


Образец для исследования: микрофлора воды – дистиллированной и водопроводной.

До начала работы необходимо подобрать зонд с наиболее характерной амплитудно-частотной характеристикой (одиночный симметричный максимум), получить изображение поверхности исследуемого образца.


Отчет по лабораторной работе должен включать:

1. Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы);

2. Результаты экспериментальной части (описание проведенных исследований, полученные результаты эксперимента и сделанные выводы).


8.2.Содержание работы


1. История создания СЗМ;

2. Методы работы СЗМ;

  • контактный метод работы;

  • метод латеральных сил;

  • метод модуляции силы;

  • полуконтактный метод работы;

  • метод фазового контраста, физический смысл получаемого изображения.

3. Факторы, влияющие на СЗМ - изображение.

4. Подготовка препарата и его исследование с применением СЗМ.

5. Порядок работы – получение, обработка и анализ полученных изображений.


История создания сканирующего зондового микроскопа

70 лет назад наш соотечественник Г. А. Гамов впервые описал процесс прохождения через потенциальный барьер микрочастицы, энергия которой меньше высоты барьера. Новое явление было названо туннелированием. Туннельный эффект — квантовое явление проникновения микрочастицы из одной доступной области движения в другую, отделённую от первой потенциальным барьером.

Если взять два проводящих тела, расположить их на близком расстоянии друг от друга и приложить к ним определенную разность потенциалов, то между этими телами без взаимопроникновения атомов возникает туннельный электрический ток. При расстояниях между телами на уровне десятков нанометров это будет ток полевой эмиссии, причем его величина довольно будет довольно резко зависеть от расстояния между телами. Этот эффект был использован Р.Янгом, сотрудником Национального Института Стандартов США, для создания токового профилометра. Остроконечный металлический зонд подводился к исследуемой поверхности проводящего образца, пока между ними не начинал протекать ток полевой эмиссии заданной величины. После этого зонд начинал сканировать поверхность образца, при этом электромеханическая система обратной связи поддерживала заданную величину тока. Поскольку величина тока резко зависела от расстояния зонд-поверхность, то в процессе сканирования зонд перемещался вдоль поверхности с высокой точностью, при этом управляющие сигналы системы сканирования использовались для построения изображения рельефа поверхности. Соответствующее устройство, названное Р. Янгом Topografiner, позволило достичь разрешения по вертикали на уровне 3 А, при этом Р. Янг с соавторами указали, что использование туннельного тока, более круто, экспоненциально зависящего от расстояния зонд-поверхность, позволит еще больше улучшить разрешение.

После этого открытия ученые задались вопросом: что будет, если повторить предыдущий опыт, но к поверхности интересующего тела поднести острый предмет? В результате проведенных экспериментов выяснилось, что с помощью очень тонкой иглы (атом на ее конце являлся основным чувствительным элементом) можно получать информацию о строении материи изучаемого объекта на атомном уровне.

В 1979 году швейцарские ученые Г. Биннинг и Г. Рорер, работающие в лаборатории Цюрихского отделения IBM, предложили новый принцип работы с физическими объектами: сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) [Лит. 8 -1]. Причем исходная идея была не в создании микроскопа, а в осуществлении спектроскопических исследований участков поверхности размером менее 100 ангстрем. Вскоре исследователи поняли, что могут создать не только локальный спектроскопический зонд, но и получать сканированием спектроскопические и топографические изображения.

Таким образом, открывалась возможность создания нового типа микроскопа. Через
27 месяцев после разработки концепции сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), он был создан. Принцип работы такого прибора заключался в том, что зонд подводили к исследуемой поверхности на очень близкое расстояние (доли ангстрема), подавали между зондом и образцом постоянное напряжение, вследствие чего между ними возникал туннельный ток. Его величина сильно зависела от промежутка зонд- образец и поддерживалась постоянной с помощью следящей системы, то опускающей, то поднимающей сканер в зависимости от рельефа исследуемой поверхности. Информацию об этом перемещении отслеживал компьютер, и после ее программной обработки можно было “увидеть” поверхность образца.

Опыт работы со сверхвысоковакуумными установками позволил получить первые изображения атомных структур - поверхности золота Au и структуры поверхности кремния Si. В конце 1983 года авторы начали изучать возможности нового метода применительно к биологии – рассматривали цепочку ДНК на поверхности углеродной пленки. Первые СТМ работали в условиях вакуума при пониженных температурах. В 1984 году появились первые сообщение об исследованиях при атмосферном давлении, в дистиллированной воде, в солевых растворах. В 1986 году ученые Г. Биннинг и Г. Рорер были удостоены Нобелевской премии по физики за изобретение СТМ.

Основной недостаток сканирующей туннельной микроскопии – возможность исследования только проводящих образцов – был преодолен в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером с созданием зондовых микроскопов нового поколения — Атомно-Силовых Микроскопов (АСМ) [Лит. 8 -2].  Принцип действия АСМ основан на использовании атомных сил, действующих между атомами вещества. Аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В АСМ такими телами служат исследуемая поверхность и сканирующей ее зонд. Острую маленькую иголочку, используемую в качестве зонда, приклеивали к одному концу плоской упругой пружинки, кантилевера (cantilever англ. - консоль), сделанной из тонкой платиновой фольги, а другой ее конец крепили в держателе. Этот кантилевер с острийным зондом на конце - и являлся зондовым датчиком. В процессе сканирования зонд скользил по поверхности, огибая ее рельеф, при этом соответствующая система регистрации отслеживала изгибы кантилевера.

В 90-х годах появляется множество работ, доказывающих возможность успешного использования сканирующей зондовой микроскопии в исследованиях биологических объектов. СЗМ обеспечивает высокое разрешение (сопоставимое с разрешением электронной микроскопии), но при этом позволяет измерять рельеф поверхности и проводить исследования в жидких средах. Это дает возможность изучения нативных (не фиксированных, в том числе живых) структур, отслеживая динамические изменения физиологических и морфологических характеристик. Одним из существенных преимуществ СЗМ является исследование биологических объектов (прежде всего клеток) в режиме реального времени, что позволяет даже снимать микрофильмы о некоторых биологических процессах, например, гибридизации двух комплементарных молекул ДНК. Можно получать трехмерные изображения, точно определять латеральные размеры объектов и шероховатость поверхности.


Методы работы СЗМ

Существует много методов работы СЗМ. Они различаются использованием различных видов силового взаимодействия между зондом и образцом, алгоритмов перемещения зонда вдоль поверхности и способов обработки данных, чтобы получить отображение различных характеристик поверхности. Выбор соответствующего способа зависит от типа образца, наличия загрязнений и среды, в которой происходит сканирование.



Рис. 8 1. Зависимость силы F взаимодействия зонд-образец от расстояния R

В зависимости от характера силы, действующей между зондом и образцом, различают контактный, бесконтактный и прерывисто-контактный («полуконтактный») методы силовой микроскопии. Использование контактного метода предполагает, что зонд упирается в образец и находится в области действия сил отталкивания. При использование бесконтактного метода зонд удален от поверхности и находится в области действия дальнодействующих притягивающих сил. При работе по «полуконтактному» методу в процессе колебаний зонд периодически касается поверхности, находясь попеременно как в области притяжения, так и в области отталкивания.


Контактный метод работы

В этом методе работы взаимодействие зонда и образца осуществляется в области действия сил отталкивания. В этом случае кантилевер выгнут по направлению к образцу. Зонд находится в контакте с образцом, вследствие чего существует опасность возникновения повреждения поверхности образца и быстрого износа или даже поломки зонда. Поэтому используют кантилеверы с малой константой жесткости — k=0.031 Н/м.



Рис. 8 2. Схема сканирующего атомно-силового микроскопа при контактном методе работы.
Обозначения: 1 – зонд; 2 – кантилевер; 3 – сканер; 4 –лазер;
5 – четырехсекционный фотодетектор; 6 – компаратор;
7 – блок высоковольтных усилителей


Измерение силы, действующей между поверхностью и зондом, осуществляется по изгибу кантилевера от положения равновесия. Атомно-силовой датчик, представляющий собой пружинный кантилевер с острийным зондом на конце, обладает настолько высокой чувствительностью, что позволяет регистрировать силы взаимодействия между отдельным атомами.


При малых изгибах кантилевера соотношение между силой взаимодействия зонд-образец F и смещением зонда z определяется законом Гука:

F=-kz,

где k - константа жесткости кантилевера.


При изменении силы, действующей между поверхностью и зондом, кантилевер, на котором он закреплен, отклоняется от положения равновесия, и такое отклонение регистрируется специальным устройством (Рис.  8 -2), состоящим из полупроводникового лазера 4 и четырехсекционного фотодиода 5. При изгибе кантилевера отраженный от него луч лазера смещается относительно центра четырехсекционного фотодетектора. Таким образом, величина изгиба кантилевера может быть определена по относительному изменению освещенностей верхней и нижней половинок фотодетектора.

Компаратор 6 сравнивает текущий сигнал устройства регистрации с изначально заданным Vопорное (характеризующим величину силы взаимодействия зонд-образец) и при его отклонении от заданного значения вырабатывает корректирующий сигнал Vкорр. Величина взаимодействия зонда с образцом поддерживается постоянной за счет приближения и отвода зондового датчика от поверхности системой обратной связи 7. Обратная связь отрабатывает изменение положения зондового датчика, управляя пьезоприводом (сканером) таким образом, чтобы сила взаимодействия между зондом и образцом была постоянной. Сигнал о высоте Z в каждой точке поля сканирования (x, y) берется из канала Z-пьезопривода.


Метод латеральных сил

Кроме рельефа поверхности в контактном режиме сканирования можно получить информацию о трибологических свойствах поверхности в нанометровом масштабе, используя канал регистрации латеральной силы, действующей на зонд в процессе сканирования (Lateral Force Microscopy, LFM).

При использовании метода латеральных сил исследуются силы трения между поверхностью и скользящим по ней зондом. Принцип работы зондового датчика при этом подобен принципу работы АСМ-датчика, где изображение рельефа формируется путем регистрации разностного сигнала между верхним и нижним секторами фотодетектора (T–B). Для получения карты распределения латеральных сил выделяется разностный сигнал левого и правого секторов фотодетектора (L–R). Действующая в процессе сканирования на зонд со стороны поверхности образца латеральная сила трения равна

,

где Nсила реакции, действующая на зонд со стороны образца,

 — локальный коэффициент трения.


Кантилевер испытывает деформацию кручения в вертикальной плоскости, что приводит к разбалансировке освещенности левого и правого секторов фотодетектора (Рис.  8 -3). Чем больше коэффициент трения  между зондом и участком поверхности, которого непосредственно касается зонд, тем больше торсионный изгиб кантилевера и тем больше разностный сигнал L–R. Таким образом, участки с большим коэффициентом трения на СЗМ изображении выглядят светлыми, а с меньшим — темными. Обычно канал измерения латеральных сил включается одновременно с исследованием рельефа, сигнал от всех секторов фотодетектора регистрируется одновременно.


На Рис.  8 -4 показано изображение рельефа поверхности (а) и карта распределения сил трения (б) на поверхности буккального эпителиоцита здорового донора. В данном случае метод латеральных сил позволил выявить наличие бактерий на шероховатой поверхности эпителиальной клетки.



Рис. 8 3. Схема работы датчика латеральных сил




Рис. 8 4. Рельеф участка поверхности буккального эпителиоцита (слева)
и изображение сил трения (справа).
На правом рисунке четко идентифицируются бактериальные клетки


Метод модуляции силы

Одновременно с регистрацией рельефа поверхности можно получить информацию и о микротвердости поверхности образца в нанометровом масштабе.

В этом методе на Z-пьезопривод (сканер) кроме постоянного напряжения, обеспечивающего перемещение зонда по вертикали и отслеживание топографии, подается переменная составляющая частотой около 5 кГц, значительно меньшей собственной резонансной частоты кантилевера, так что зонд совершает колебания по вертикали с амплитудой 2-20 А (зонд как бы пробует поверхность под ним на податливость).

На зонд, таким образом, действует переменная сила, пропорциональная упругости материала образца, приводящая к изгибу кантилевера относительно равновесного положения и к возникновению переменной составляющей разностного сигнала T-B. Эта переменная составляющая выделяется, детектируется и подается в канал Z-Modulation, из которого формируется изображение карты микротвердости поверхности.



Рис. 8 5. Изменение изгибов кантилевера при работе по методу модуляции силы:
ав случае мягкого образца; бв случае твердого образца.


Если поверхность образца мягкая, зонд проникает в образец без затруднений. В этом случае Z-перемещения сканера и зонда будут иметь примерно одинаковую амплитуду, так что разностный сигнал на фотодиоде окажется мал (Рис.  8 -5 а). При сканировании поверхности твердого образца зонд будет испытывать сопротивление при внедрении в образец и кантилевер при этом будет сильно выгибаться, что приведет к увеличению разностного сигнала на фотодиоде (Рис.  8 -5 б). Таким образом, изменение твердости поверхности вызовет изменение амплитуды сигнала с фотодиода. Большей амплитуде будет соответствовать более твердая поверхность (светлые участки), а меньшей амплитуде - более мягкая поверхность (темные участки). Таким образом, по карте микротвердости можно различить контраст, обусловленный разным фазовым составом приповерхностного слоя образца (Рис.  8 -6).



Рис. 8 6. Схема изменения амплитуды сигнала с фотодиода (степени изгибов кантилевера)
в зависимости от упругих свойств поверхности образца



Рис. 8 7. Рельеф поверхности (слева) и карта микротвердости (справа)
участка поверхности буккального эпителиоцита


Следует отметить, что в данной методике амплитуда модуляции по Z мала, так что зонд колеблется внутри области сил отталкивания. Это позволяет одновременно реализовать контактный метод АСМ для исследования рельефа поверхности образца и получать карту распределение микротвердости поверхности образца. На Рис.  8 -7 показаны изображение рельефа поверхности (а) и карта распределения твердости в нанометровом масштабе (б) участка поверхности эпителиальной клетки щеки здорового донора.

  1   2

Похожие:

Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconОтчет по лабораторной работе должен содержать введение, отражающее цель работы, экспериментальную часть со схемой установки, расчетную часть и выводы.
Для каждой лабораторной работы приведены перечень теоретических вопросов для сдачи коллоквиумов и перечень вопросов для сдачи отчетов....
Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconКонтрольная работа №1 а теперь предлагаем контрольные вопросы, на которые ты должен ответить и ответы прислать нам
А теперь предлагаем контрольные вопросы, на которые ты должен ответить и ответы прислать нам
Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconРефератов по курсу «Безопасность жизнедеятельности»
Реферат должен включать теоретическую часть и пример опасной ситуации из сми с оценкой эффективности поведения ответственных лиц,...
Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconОтчет по лабораторной работе по дисциплине «Информационные технологии»
Отчет по лабораторной работе 12 с., 2 части, 4 рис., 4 таб., 2 источника, 2 прил
Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconМетодические указания для выполнения курсовой работы
Экономика предприятия включает в себя две части: теоретическую и практическую. Теоретическую часть студент выполняет самостоятельно...
Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconКонтрольные вопросы к лабораторной работе №13
Закон Пуазейля. График распределения давления вдоль сосуда с постоянным диаметром просвета
Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconЯ. Я. Логвинович вопросы и ответы
Эта книга представляют собой вторую часть книги "Вопросы и ответы", являющуюся логическим продолжением первой части. Она содержит...
Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconМетодические указания по лабораторным работам по физике (раздел «Оптика») для студентов специальности 050100 «Педагогическое образование» технико-экономического факультета
Методические указания содержат рекомендации по организации, подготовке и выполнению лабораторных работ по физике, требования к оформлению...
Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconКонтрольные вопросы к лабораторной работе№1
Чем отличается разрядно-последовательная обработка кодов от разрядно-параллельной
Отчет по лабораторной работе должен включать: Теоретическую часть (ответы на контрольные вопросы) iconКонтрольные работы по дисциплине «моделирование систем»
Для ответов на контрольные вопросы можно использовать книгу «моделирование систем» Б. Я. Советов, С. А. Яковлев. Там есть ответы...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница