Techniki mikroskopowe mikroskopia optyczna i fluorescencyjna, skaningowy mikroskop elektronowy i mikroskop sił atomowych

Transkrypt

1 Techniki mikroskopowe mikroskopia optyczna i fluorescencyjna, skaningowy mikroskop elektronowy i mikroskop sił atomowych Mariusz Kępczyński, p. 148, kepczyns@chemia.uj.edu.pl

2 Wstęp Plan wykładu mikroskopia optyczna podstawy mikroskopii mikroskopia fluorescencyjna zjawisko fluorescencji zastosowanie w badaniu warstw malarskich Strona internetowa : skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) mikroskop elektronowy zastosowanie w badaniu warstw malarskich mikroskopia sił atomowych (AFM) mikroskop AFM

3 Wstęp Mikroskopia jest procesem, który jest związany z szczegółowym badaniem obiektu poprzez obserwacje z zastosowaniem światła widzialnego, fluorescencji, podczerwieni, elektronów, promieni x Mikroskop Carl Zeiss (1879)

4 Wstęp Po co stosować mikroskopy? W celu tzw. uzbrojenia oka, czyli powiększenia obserwowanego obiektu. W ten sposób można zaobserwować szczegóły o rozmiarach nieosiągalnych dla gołego oka.

5 Wstęp Lupa Najprostszy przyrząd do powiększania obrazu stanowi go jedna soczewka wypukła. Obraz oglądanego obiektu powstaje w odległości dobrego widzenia d (przyjmuje się d = 250 mm). Powiększenie lupy m = d/f

6 Wstęp Lupa stosunkowo duży obszar obserwacji doskonały przyrząd do wstępnych oględzin, ustalenia metody badań oraz ich kolejności do powiększeń w trakcie prac konserwatorskich do badań spękań, ubytków, przemalowań,

7 Wstęp Mikroskop Składa się z dwóch elementów powiększających: obiektywu oraz okularu Powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia obiektywu i okularu

8 Mikroskopia optyczna EPI DIA

9 Mikroskopia optyczna Ważne pojęcia związane z mikroskopią optyczną apertura numeryczna rozdzielczość głębia pola jasność obrazu odległość robocza obiektywu pole widzenia

10 Mikroskopia optyczna apertura numeryczna (NA) jest wielkością charakteryzującą obiektywy i kondensery i wyraża się równaniem NA = n sin(α) gdzie: n współczynnik załamania światła ośrodka pomiędzy obiektywem a próbką α połowa wartości apretury kątowej obiektywu.

11 Mikroskopia optyczna rozdzielczość mikroskopu optycznego jest zdefiniowana jako najmniejszej odległości pomiędzy dwoma punktami w obrazie próbki, które ciągle mogą być rozróżnianie. d min = λ 2 NA gdzie λ długość fali światła użytego do obrazowania

12 Mikroskopia optyczna W badaniach dzieł sztuki stosuje się mikroskopy o różnych powiększeniach małe powiększenia do obserwacji bezpośrednio na obrazie (10 30 ) duże powiększenia do obserwacji próbek pobranych z obrazu (powyżej 100 konieczne pobranie próbki)

13 Mikroskopia fluorescencyjna Zjawisko fluorescencji

14 Mikroskopia fluorescencyjna

15 Mikroskopia fluorescencyjna Specyfikacje dla bloku filtrów Nikon UV-2A Filter dla fali wzbudzającej: nm EX Cut-on zwierciadło dichroiczne: 400 nm DM 400 Filtr zaporowy: 420 nm cut-on BA 420

16 Mikroskopia fluorescencyjna studia podyplomowe, 2008

17 Preparatyka przekrojów warstw malarskich Stratygrafia jest klasyczną metodą badania dawnych obrazów. Jest to jednak metoda inwazyjna, stosowana więc już po rozpoczęciu konserwacji. Wybiera się interesujące miejsca w obrazie - dla porównania takie, gdzie warstwa malarska jest jednoznaczna, i takie, które budzą wątpliwości. Pod mikroskopem skalpelem pobiera się wycinek o powierzchni 0,5-1 mm 2 i otrzymuje z tego miejsca przekrój przez wszystkie warstwy malarskie aż do zaprawy. Następnie można oglądać gęstość zawieszenia ziaren pigmentów w spoiwie, liczbę pigmentów w postaci ziaren, kombinacje pigmentów, sposób ich utarcia, liczbę warstw, itp.

18 Preparatyka przekrojów warstw malarskich Przygotowanie próbki Próbki z obiektu zabytkowego ekstrahuje się używając skalpela bądź wolframowych igieł pod mikroskopem stereoskopowym.

19 Preparatyka przekrojów warstw malarskich Mikrofragmenty są następnie umieszczane w żywicy poliestrowej, np. Serifix (Struers) bądź poliepoksydowej i polerowane mechanicznie w celu otrzymania przekrojów.

20 Analiza warstw malarskich - przykłady Przekrój warstw malarskich obserwowany w mikroskopii optycznej Ten sam przekrój obserwowany w mikroskopii fluorescencyjnej z użyciem bloku filtrowego UV-2A

21 Analiza warstw malarskich - przykłady Przekrój warstw malarskich obserwowany w mikroskopii optycznej Ten sam przekrój obserwowany w mikroskopii fluorescencyjnej z użyciem bloku filtrowego UV-2A studia podyplomowe, 2008

22 Skaningowa mikroskopia elektronowa Budowa mikroskopu elektronowego jest podobna do mikroskopu otycznego. Światło z zakresu widzialnego 400 do 700 nm- zostało zastąpione wiązką elektronów. Elektrony z działa elektronowego (filament) przyśpieszane są do energii 100 kv, czemu odpowiada długosc fali 3,7 pm. Obiektyw i okular zbudowane są z układów soczewek magnetycznych.

23 Skaningowa mikroskopia elektronowa Lampa Źródło Filament Soczewka kondensera Próbka Soczewka obiektywu Obraz pośredni Soczewka projektora Mikroskop optyczny Ekran obserwacyjny Mikroskop elektronowy

24 Skaningowa mikroskopia elektronowa

25 Skaningowa mikroskopia elektronowa Skaningowy mikroskop elektronowy z detektorem EDS (Energy Dispersive X- Ray Spectroscopy) pozwala na identyfikację składu pierwiastkowego badanego materiału dla wszystkich pierwiastków o liczbie atomowej większej niż bor. Większość pierwiastków jest wykrywana przy stężeniach rzędu 0,1%. SEM-EDS to badanie umożliwiające analizę każdego ziarenka i ich rozkład w pobranej próbce. Służy do identyfikacji związków nieorganicznych w obrazie (głównie pigmentów). Substancje organiczne (barwniki organiczne, spoiwa werniksy) pozwala określić chromatografia gazowa - w tym przypadku analizie podlegają widma gazów będących efektem spalania próbki.

26 Skaningowa mikroskopia elektronowa Mapy rentgenowskie Promieniowanie rentgenowskie daje obraz o znacznie gorszej jakości niż obraz elektronowy. Jednym z powodów jest duży obszar oddziaływania, z którego pochodzi rejestrowane promieniowanie rentgenowskie, co powoduje słabszą rozdzielczość Na ogół obrazy rentgenowskie są prezentowane jako mapy. Wiązka analityczna skanuje analizowany obszar punkt po punkcie. Spektrometr jest ustawiany tak, aby rejestrował punkt na analizowanym obszarze, gdy wykryje impuls rentgenowski o energii charakterystycznej dla danego pierwiastka. W ten sposób powstaje mapa odwzorowująca rozmieszczenie tego pierwiastka w badanym obszarze. Nowoczesne systemy EDS potrafią utworzyć mapy w odcieniach szarości, pokazujące względną intensywność impulsu w każdym punkcie, wymaga to jednak zastosowania wystarczająco długiego czasu postoju wiązki w każdym punkcie analitycznym. Podczas jednego przebiegu wiązki analitycznej można zarejestrować mapy rozkładu dla kilkunastu pierwiastków.

27 Skaningowa mikroskopia elektronowa - przykład S. Roascio, A. Zucchiatti, P. Prati, A. Cagnana Study of the pigments in medieval polychrome architectural elements of Veneto-Byzantine style, Journal of Cultural Heritage 3 (2002) Próbki były sortowane pod mikroskopem optycznym w celu wybrania odpowiedniego fragmentu koloru. Następnie były naklejane na aluminiowe dyski przy użyciu taśmy węglowej.

28 Skaningowa mikroskopia elektronowa Fig. 8. (a) The SEM image of our red paint fragment showing several regular craters on the surface. (b) Encircled is a grain of pigment in the same sample whose EDS spectrum shows the presence of high amounts of Fe. Czerwona farba wykazuje osobliwy aspekt o rozmiarach mikoroskopowych (Fig. 8a) duże kratery, powstałe prawdopodobnie w wyniku odparowania kropelek wody lub powstanie CO 2 w wyniku wypłukiwania węglanu wapnia.

29 Skaningowa mikroskopia elektronowa Widmo EDS powiększenia ziarna barwnika (Fig. 8b) wskazuje na dużą zawartość Fe 2 O 3 co można oczekiwać dla ochry czerwonej. Brak rtęci oraz niewielka ilość ołowiu wskazuje na nieobecność cynobru (HgS) lub minii ołowiowej (Pb 3 O 4 ) w próbce. The SEM/EDS spectrum of the pigment grain encircled in the SEM image of Fig. 8 right. Ochra naturalny pigment składający się z glinokrzemianów o ogólnym wzorze mal 2 O 3 nsio 2 oraz do 40% uwodnionych tlenków żelaza.

30 Skaningowa mikroskopia elektronowa R. J.H. Clark, Pigment Identification on Medieval Manuscripts by Raman Microscopy, Journal of Molecular Structure 347 (1995)

31 Skaningowa mikroskopia sił (AFM) Dioda laserowa Dźwignia z ostrzem pomiarowym Skaner Próbka Digital Instruments piezoelektryczny

32 Skaningowa mikroskopia sił (AFM) Zdjęcia z mikroskopu SEM tipów używanych w mikroskopii AFM

33 Literatura 1. Z. Rozłucka, M. Roznerska, J. Arszyńska, Mikroskopia Fluorescencyjna. Zastosowanie w badaniu budowy i procesów konserwacji malarstwa sztalugowego, Toruń S. Roascio, A. Zucchiatti, P. Prati, A. Cagnana, Study of the pigments in medieval polychrome architectural elements of Veneto-Byzantine style, Journal of Cultural Heritage 3 (2002) R. J.H. Clark, Pigment Identification on Medieval Manuscripts by Raman Microscopy, Journal of Molecular Structure 347 (1995)