Techniki mikroskopowe

Transkrypt

1 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). 1

2 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 Ernst Ruska i Maks Knoll (konstrukcja pierwszego mikroskopu elektronowego) obserwacja organelli komórkowych; rewolucja krzemowa w półprzewodnikach Gerd Binnig i Heinrich Rohrer (konstrukcja mikroskopu STM obserwacja struktur złożonych z pojedynczych atomów. Mikroskop firmy Carl Zeiss (1879) Mikroskopia optyczna ultradźwiękowa rodzaj promieniowania optyczna elektronowa mikroskopia jonowa holograficzna metoda obrazowania skaningowa transmisyjna 2

3 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 Mikroskopy, w których stosowane jest światło widzialne, osiągają maksymalne powiększenia rzędu Budowa mikroskopu optycznego 3

4 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 4

5 Powiększenie mikroskopu Całkowite powiększenie mikroskopu P c : P ob = P c = P ob P ok t oraz P f ok = d ob f ok gdzie: t długość optyczna tubusu mikroskopu d odległość najlepszego widzenia f ob ogniskowa obiektywu f ok ogniskowa okularu Zdolność rozdzielcza mikroskopu d = λ 2A ob gdzie: λ najmniejsza odległość pomiędzy dwoma obiektami przedmiotu, które w obrazie mikroskopowym mogą być jeszcze rozróżniane d jako oddzielne A ob apertura obiektywu (opisuje możliwość efektywnego wykorzystania obiektywu dla uzyskania obrazu o możliwie największej ilości szczegółów α gdzie: A ob = n sinα n współczynnik załamania światła α kąt pomiędzy główną osią optyczną obiektywu a najbardziej skrajnym promieniem wpadającym do obiektywu po ugięciu na preparacie 5

6 Promieniowanie elektromagnetyczne D. Wierzuchowska, Elementy fizyki jądrowej 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. 6

7 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. 7

8 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). 8

9 Mikroskopia fluorescencyjna Embrion myszy Widok pojedynczego neuronu 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 9

10 wiązka elektronów pierwotnych Zdolność rozdzielcza 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: m v2 E k = = e U 2 można policzyć, że: λ = 12,25 U Oddziaływanie wiązki elektronów z powierzchnią próbki elektrony Augera elektrony wstecznie rozproszone elektrony wtórne charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie katodoluminescencja PRÓBKA elektrony rozproszone elastycznie elektrony nieugięte rozproszone elektrony rozproszone nieelastycznie 10

11 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 Mezoporowaty mordenit doi: /c3gc40161h 11

12 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). 12

13 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). Budowa SEM 13

14 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 płytkowy igiełkowaty kolumnowy blaszkowy 14

15 Pokrój kryształów izometryczny (a b c) płytkowy (a b > c) blaszkowy łuseczkowy tabliczkowy (a b c) słupowy (a b < c) pręcikowy igiełkowy włóknisty fluoryt pokrój izometryczny topaz pokrój tabliczkowy gips pokrój płytkowy kwarc pokrój słupkowy 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). 15

16 Dziękuję za uwagę! 16