Techniki mikroskopowe

Techniki mikroskopowe

Metody badań strukturalnych ciała stałego

dr inż. Magdalena Król

Mikrostruktura

• Struktura – przestrzenne rozmieszczenie cząstek materii (atomów, jonów, cząsteczek) oraz zespół relacji między nimi, charakterystyczny dla danego układu jako całości.

• Mikrostruktura – termin określający wewnętrzną strukturę materiałów, tj.

przestrzenne rozmieszczenie faz oraz występujących w nich defektów struktury krystalicznej. W uproszczeniu - budowa materiału widoczna pod mikroskopem.

• Tekstura – występowanie uprzywilejowanej orientacji ziarn w materiale lub sposób przestrzennego rozmieszczenia składników w skale

(uporządkowanie składników i stopień wypełnienia przez nie przestrzeni).

Mikroskopia

• Mikroskop – stgr. μικρός (mikros) – „mały” i σκοπέω (skopeo) – „patrzeć”

• 1590 – Hans i Zachariasz Janssen (powiększenie 10×)

• XVII wiek – Antoni van Leeuwenhoek (udoskonalenie konstrukcji i rozwinięcie produkcji)

– 1882 rok – Robert Koch odkrył z pomocą mikroskopu bakterie gruźlicy;

– 1910 rok – Thomas Hunt Morgan udowodnił, że chromosomy są nośnikami genów.

• 1931 – Ernst Ruska i Maks Knoll (konstrukcja pierwszego mikroskopu elektronowego)

– obserwacja organelli komórkowych;

– rewolucja krzemowa w półprzewodnikach.

• 1982 – Gerd Binnig i Heinrich Rohrer (konstrukcja mikroskopu STM

– obserwacja struktur złożonych z pojedynczych atomów. Mikroskop firmy Carl Zeiss (1879)

Mikroskopia optyczna

mikroskopia

rodzaj promieniowania

ultradźwiękowa optyczna elektronowa

jonowa

metoda obrazowania

holograficzna skaningowa

Mikroskopia optyczna

• Mikroskop optyczny – rodzaj mikroskopu, w którym do generowania powiększonego obrazu badanego przedmiotu jest wykorzystywane światło przechodzące przez specjalny układ optyczny składający się z zestawu soczewek optycznych.

• Zastosowanie:

– w biologii, np. do obserwacji drobnoustrojów i budowy tkanek i komórek (mikrobiologia, histologia, cytologia);

– w chemii i fizyce, np. w krystalografii lub metalografii;

– w geologii – do obserwacji budowy skał (mineralogia).

• Najlepsze mikroskopy optyczne, działające z użyciem spolaryzowanego promieniowania ultrafioletowego, osiągają maksymalne powiększenie do około 3500×. Mikroskopy, w których stosowane jest światło widzialne, osiągają maksymalne powiększenia rzędu 1500×.

Budowa mikroskopu optycznego

Budowa mikroskopu optycznego

• część optyczna:

– źródło światła – (dawniej zwierciadło, obecnie najczęściej żarówka halogenowa), które służy do naświetlania badanego obiektu.

– kondensor – koncentruje światło formując z niego stożek,

– okular – służy do powiększenia obrazu tworzonego przez obiektyw mikroskopu, – obiektywy – zbierają światło pochodzące od przedmiotu i tworzą jego powiększony

obraz pośredni;

• część mechaniczna:

– tubus – służy do formowania powiększonego obrazu pośredniego, – śruba makrometryczna – służy do wstępnej regulacji ostrości, – śruba mikrometryczna – służy do precyzyjnego ustalenia ostrości, – „rewolwer” – umożliwia prostą zmianę obiektywu,

– stolik przedmiotowy – umieszcza się na nim preparat.

Zasada działania

Powiększenie mikroskopu

Całkowite powiększenie mikroskopu 𝑃𝑐: 𝑃_𝑐= 𝑃_𝑜𝑏∙ 𝑃_𝑜𝑘

𝑃_𝑜𝑏=_𝑓^𝑡

𝑜𝑏 oraz 𝑃_𝑜𝑘=_𝑓^𝑑

𝑜𝑘 gdzie:

𝑡 – długość optyczna tubusu mikroskopu 𝑑 – odległość najlepszego widzenia 𝑓_𝑜𝑏 – ogniskowa obiektywu 𝑓_𝑜𝑘 – ogniskowa okularu

𝑑 = λ 2𝐴𝑜𝑏

gdzie:

λ – najmniejsza odległość pomiędzy dwoma obiektami przedmiotu, które w obrazie mikroskopowym mogą być jeszcze rozróżniane jako oddzielne

𝐴_𝑜𝑏 – apertura obiektywu (opisuje możliwość efektywnego wykorzystania obiektywu dla uzyskania obrazu o możliwie największej ilości szczegółów

𝐴_𝑜𝑏= 𝑛 ∙ sin𝛼 gdzie:

𝑛 – współczynnik załamania światła

𝛼 – kąt pomiędzy główną osią optyczną obiektywu a najbardziej skrajnym promieniem wpadającym do obiektywu po ugięciu na preparacie

Zdolność rozdzielcza mikroskopu

𝑑

𝛼

Promieniowanie elektromagnetyczne

D. Wierzuchowska, „Elementy fizyki jądrowej” http://slideplayer.pl/

Metody badań

• Maksymalna ilość informacji przy obserwacjach mikroskopowych zależy nie tylko od zdolności rozdzielczej mikroskopu, ale również od dostatecznie dużego kontrastu pomiędzy interesującymi szczegółami powierzchni.

Zwiększenia kontrastu można dokonać podczas przygotowywania preparatu.

• Obserwacji można dokonywać:

– w jasnym polu widzenia;

– w ciemnym polu widzenia;

– w świetle spolaryzowanym;

– z kontrastem fazowym i interferencyjnym;

– przy podwyższonych i obniżonych temperaturach.

Metody badań

Mikroskop konfokalny

• Mikroskop konfokalny – mikroskop, w którym źródłem światła jest laser.

• Umożliwia:

– dokonywanie tzw. przekrojów optycznych preparatu, analizuje bowiem światło pochodzące z jednej jego płaszczyzny, eliminując światło docierające z warstw położonych wyżej lub niżej;

– otrzymanie obrazu o lepszej rozdzielczości i kontraście;

– analizę przekrojów optycznych w czasie ciągłym położonych na powierzchni lub w głębi preparatu;

– konstrukcję trójwymiarowych obrazów badanych obiektów.

Mikroskop konfokalny

Mikroskopia fluorescencyjna

• Mikroskop fluorescencyjny – mikroskop świetlny, którego działanie oparte jest na zjawisku fluorescencji i fosforescencji, zamiast/lub razem ze zjawiskami odbicia i absorpcji światła (co jest wykorzystane w klasycznym mikroskopie optycznym).

Mikroskopia fluorescencyjna

Widok pojedynczego neuronu http://www.britannica.com Embrion myszy

http://www.bionity.com/

Mikroskopia elektronowa

• Mikroskop elektronowy – mikroskop wykorzystujący do obrazowania wiązkę elektronów. Mikroskop elektronowy pozwala badać strukturę materii na poziomie atomowym. Im większa energia elektronów tym krótsza ich fala, a tym samym większa rozdzielczość mikroskopu.

• Mikroskopy elektronowe można podzielić na zwykłe oraz skaningowe mikroskopy elektronowe. W mikroskopach zwykłych jednocześnie analizowany jest duży obszar powierzchni preparatu i tworzony jest jego obraz. W mikroskopach skaningowych w danym momencie analizowany jest niewielki obszar, który jest traktowany jako punkt. Tworzenie obrazu następuje poprzez zebranie informacji z kolejno analizowanych punktów.

– mikroskop transmisyjny (TEM – Transmission Electron Microscopy) – mikroskop refleksyjny

– mikroskop skaningowy (SEM – Scanning Electron Microscopy) – mikroskop emisyjny

mikroskopu elektronowego

𝑑 = λ 2𝐴_𝑜𝑏

Wiązce elektronów poruszających się z prędkością 𝑣 można przypisać falę o długości (zasada de Broglie’a):

λ = ℎ 𝑚 ∙ 𝑣

Zakładając, że energia kinetyczna elektronu wynosi:

𝐸_𝑘=𝑚 ∙ 𝑣²

2 = 𝑒 ∙ 𝑈

można policzyć, że:

λ =12,25 𝑈

Oddziaływanie wiązki elektronów z powierzchnią próbki

PRÓBKA wiązka elektronów pierwotnych elektrony

Augera

elektrony wstecznie rozproszone

elektrony wtórne

katodoluminescencja charakterystyczne

promieniowanie rentgenowskie

Transmisyjny mikroskop elektronowy

• Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM) – rejestrowane są elektrony przechodzące przez próbkę. Próbką w takim mikroskopie musi być cienka płytka o grubości rzędu setek nanometrów. Przygotowanie takiej próbki jest trudne i znacznie ogranicza zastosowania mikroskopu.

• Otrzymywane informacje:

– obraz powierzchni,

– ilościowy i jakościowy skład chemiczny, – topografia powierzchni.

Transmisyjny mikroskop elektronowy

Tkanka zawierająca wirusa ospy https://commons.wikimedia.org/

Mezoporowaty mordenit doi: 10.1039/c3gc40161h

Budowa TEM

Skaningowy mikroskop elektronowy

• Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) – rodzaj mikroskopu elektronowego umożliwiający obserwację topografii materiału. Wiązką pierwotną w tej metodzie badawczej jest wiązka elektronów.

• Otrzymywane informacje:

– topografia powierzchni,

– badania jakościowe i ilościowe składu chemicznego, – pomiary mikrotwardości,

– badanie minerałów i półprzewodnikow (katodoluminescencja), – orientacje monokryształów i polikryształów (dyfrakcja).

Oddziaływanie elektron-próbka

• elektrony odbite (BSE) – rozproszone wstecznie w wyniku sprężystego oddziaływania przez atomy próbki,

• elektrony wtórne (SE) – rozproszone niesprężyście (najistotniejszy sygnał – topografia powierzchni),

• elektrony absorbowane (AE),

• katodoluminescencja (CL),

• charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie (WDS lub EDS).

https://pl.wikipedia.org/

Budowa SEM

Różnice między SEM a TEM

Pokrój kryształów

• Na podstawie obserwacji mikroskopowych można opisać i usystematyzować zewnętrzne kształty kryształów – określa się je

porównując wymiary kryształu w trzech prostopadłych do siebie kierunkach.

izometryczny

Pokrój kryształów

• izometryczny (a ≈ b ≈ c)

• tabliczkowy (a ≠ b ≠ c)

• płytkowy (a ≈ b > c)

• słupowy (a ≈ b < c)

• pręcikowy

• igiełkowy

• włóknisty

• blaszkowy

• łuseczkowy

kwarc pokrój słupkowy gips

pokrój płytkowy fluoryt

pokrój izometryczny

topaz pokrój tabliczkowy

Słowniczek

• Kryształ – ciało stałe o uporządkowanej budowie wewnętrznej atomów, jonów, cząsteczek tworzących sieć krystaliczną.

• Krystalit – część ciała stałego o budowie uporządkowanej (monokryształ), ograniczone przypadkowymi dowolnymi powierzchniami, a nie płaskimi ścianami.

• Aglomerat – skupisko czy zbiór słabo powiązanych cząstek lub agregatów.

• Ziarno – cząstka materiału sypkiego dająca się wyodrębnić metodami nieniszczącymi (np. na sicie).

Dziękuję za uwagę!