Режимы работы сканирующих зондовых микроскопов

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является сравнительно новым методом исследования объектов с высоким пространственным разрешением. Первым зондовым микроскопом стало изобретение швейцарских ученых Герхарда Биннига и Хайнриха Рорера, предложивших 1981 г. использовать эффект туннелирования электронов для визуализации атомарной структуры проводящей поверхности графита, в результате чего их изобретение было названо сканирующим туннельным микроскопом (СТМ). С появлением атомно-силового микроскопа (АСМ) в 1986 г. область применения СЗМ значительно расширилась и АСМ занял прочные лидирующие позиции в исследовании с атомным разрешением свойств непроводящих поверхностей. Метод стал настолько привлекательным, что через пять лет с момента открытия микроскопа уже существовали 22 его основные вариации, которые были разработаны для решения широкого спектра задач материаловедения. До сих пор атомно-силовая микроскопия по темпам развития и информативности получаемых данных существенно опережает альтернативные методы электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа вещества.

Основным функциональным элементом любого сканирующего зондового микроскопа является зонд. В атомно-силовом микроскопе зонд представляет собой гибкую консольную балку, на свободном конце которой находится микроострие. Такая система называется кантилевером, который определяет основные свойства АСМ. В самом простом случае АСМ напоминает обычный граммофон, который осуществляет скольжение иглы по грампластинке и воссоздает ее рельеф в виде модулированного звукового сигнала. В атомно-силовом микроскопе кантилевер построчно сканирует поверхность образца ультратонкой иглой (рис 7.1).

 

 

Рисунок 7.1. Схема атомно-силового микроскопа

В результате межатомного взаимодействия острия иглы с поверхностью гибкая балка кантилевера деформируется, что в самом простом случае служит полезным сигналом. Для того чтобы минимизировать изменения силы изгиба кантилевера в процессе сканирования, используют систему обратной связи, благодаря которой образец отводится от острия, если сила превышает определенное значение и, наоборот, в случае уменьшения силы обратная связь с использованием пьезоманипулятора (Рисунок 7.1) позволяет стабилизировать ее значение. Такой режим сканирования называется режимом постоянной силы. Сигналы отклонения кантилевера и системы обратной связи записываются в цифровом виде в двумерный массив точек, который впоследствии обрабатывается в специализированных графических редакторах.

На фоне многочисленных модификаций АСМ, позволяющих измерять адгезионные, упругие, контактные электрические (кельвин-микроскопия), проводящие, электромагнитные и другие свойства поверхности выделяют основные три режима сканирования образцов: контактный, прерывистого контакта и бесконтактный (Рисунок 7.2.).

 

Рисунок 7.2. Основные режимы сканирования атомно-силового микроскопа

Метод прерывистого контакта заключается в том, что в кантилевере возбуждаются колебания, в частности на его собственной частоте. После того, как кантилевер начинает взаимодействовать с поверхностью, у него уменьшаться амплитуда колебаний и происходит смещение резонансной частоты. В зависимости от того, что именно выбирается в качестве полезной информации – изменение амплитуды или частоты физического сигнала возможны два режима работы микроскопа в прерывистом контакте. Описанный режим называется прерывистым контактом (tapping mode) и применяется при сканировании объектов с пониженной жесткостью, так как в данной моде исключен фактор адгезионных и капиллярных сил, приводящих к искажениям при сканировании биополимеров и бактериальных клеток. Бесконтактный режим сканирования применяется в атомно-силовой микроскопии при исследовании электростатического или магнитного профиля поверхности. В данном случае процесс сканирования состоит из следующей последовательности: кантилевер в контактном режиме сканирования проходит одну строку, при этом микроскоп запоминает рельеф поверхности, затем кантилевер начинает двигаться в обратном направлении, находясь на той же строке при сохранении постоянного зазора между кантилевером и поверхностью. Во время обратного прохода локальные электромагнитные поля образца оказывают силовое воздействие на намагниченный кантилевер. Таким образом, в момент получения искомого профиля поверхности отсутствует межатомное взаимодействие зонда с образцом.

Одним из приложений АСМ является метод силовой спектроскопии, который позволяет определять силы химических связей в единичных молекулах биополимеров. Основное отличие указанного метода от контактного метода состоит в том, что между иглой зонда и поверхностью образца помещается исследуемый биополимерный комплекс, связанный с поверхностью и острием кантилевера через линкеры химическими связями. При относительном движении поверхности и кантилевера объект начинает деформироваться и силы деформациив каждый момент времени определяются по величине изгиба балки кантилевера (Рисунок 7.3.).

 

Рисунок 7.3. Схема работы АСМ в режиме силовой спектроскопии

С помощью метода силовой спектроскопии возможно исследование энергии внутренних молекулярных или межмолекулярных связей, например, между антителом и антигеном, двумя белками или молекулами ДНК.

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: