Вопросы для повторения
Дайте краткую характеристику контактным методам АСМ и их модификациям.
В чем отличие и особенности бесконтактного и «полуконтактного» методов.
Что представляет собой метод динамической литографии.
Тема 4.3 Факторы, влияющие на сзм - изображение
Цели и задачи изучения темы
Цель: формирование знаний о факторах, влияющих на изображение, полученное методом сканирующей зондовой микроскопии.
Задачи:
изучение характеристик зондов, определяющих качество получаемого изображения;
оценка возможностей изучения биологических объектов в фиксированном и нативном состоянии.
На разрешение микроскопа большое влияние оказывают геометрические параметры зонда. Максимальная разрешающая способность СЗМ по каждой из осей X, Y, Z определяется различными факторами:
разрешение по оси Z ограничивается: чувствительностью оптической системы регистрации изгибов кантилевера, амплитудой колебаний зонда относительно поверхности образца.
максимальное разрешение в плоскости XY определяется, прежде всего, точностью позиционирования зонда.
Важное значение имеют геометрические характеристики острия зонда. При сканировании атомарно-плоских поверхностей разрешение ограничивается размером атома на самом кончике зонда.
При выявлении сравнительно больших деталей рельефа качество изображений определяется геометрическими параметрами острия. Из них критическими являются: радиус закругления кончика зонда R и отношение диаметра основания зонда к его высоте L/W .
Рис. 61. Схема геометрических параметров зонда.
Влияние свойств зонда. В атомно-силовом микроскопе сила взаимодействия зонд-образец измеряется по изгибу упругого кантилевера. Наиболее важными характеристиками кантилевера являются силовая константа (коэффициент жесткости) и резонансная частота. Силовая константа определяет величину силы взаимодействия между зондом и образцом при их непосредственном контакте, а также материалом, из которого изготовлен кантилевер и его формой. Для контактного метода используются очень мягкие кантилеверы с малой силовой константой. Жесткие кантилеверы (с большим значением силовой константы) для полуконтактного метода работы имеют большую резонансную частоту, чем мягкие. Резонансная частота зависит от размеров и материала кантилевера. Кантилеверы, используемые для АСМ, имеют резонансную частоту в диапазоне 15÷500 кГц.
Влияние адсорбционного слоя на поверхности образца на взаимодействие с СЗМ зондом. На воздухе поверхность образца всегда покрыта тонким слоем адсорбированных атомов. Этот слой состоит из воды и других компонентов воздуха, а также следов веществ, с которыми образец находился в контакте в процессе изготовления, загрязнений и т.п. Толщина слоя может меняться в пределах 2÷50 нм в зависимость от многих обстоятельств, например, от влажности воздуха. При соприкосновении кончика зонда с адсорбционным слоем возникает сильная притягивающая компонента силы вследствие капиллярного притяжения. Эффект капиллярного притяжения также очень сильно проявляется при отведении иглы от образца. Часто капиллярные силы в этом случае настолько крепко удерживают зонд вблизи поверхности, что скорее можно сломать кантилевер, чем оторвать зонд от образца (говорят, что образец "клейкий").
Рис. 62. Взаимодействие зонда с образцом.
Форма кончика зонда также оказывает сильное влияние на характер взаимодействия зонда и адсорбционного слоя. Силы капиллярного взаимодействия сильнее проявляются в случае использования зондов с большим радиусом закругления R и малым отношением L/W. Напротив, острые зонды с малым R испытывают меньшее влияние капиллярных сил вследствие меньшей площади контакта с адсорбционным слоем, и их легче оторвать от поверхности.
Материал образца также оказывает большое влияние на характер сил взаимодействия между зондом и поверхностью. Так, разные материалы имеют разные константы адсорбции и, следовательно, разную склонность к образованию адсорбционного слоя. Кроме того, некоторые материалы склонны накапливать статическое электричество, которое может оказывать значительное влияние на взаимодействие между иглой и поверхностью и существенно затруднять ACМ измерения.
Основные этапы подготовки биологических образцов для АСМ:
Предфиксирование – «очистка» поверхности подлежащей изучению. Все используемые промывочные жидкости должны соответствовать составу, плотности, рН и температурным требованиям предъявляемым к клеткам данного типа.
Фиксация – сохранение прижизненной морфологии биологического объекта. Применяют следующие вещества: метанол (от 3 до 10 мин); этиловый спирт 96% (от 10 до 30 мин); раствор формалина 10 – 20 %; ацетон; раствор глютаральдегида 1 - 3%.
Обезвоживание – помещение объектов в растворы этанола или ацетона.
Высушивание – на воздухе при комнатной температуре, в струе теплого воздуха или азота.
Для биологии важным моментом является изучение биологических объектов в нативном состоянии. Наиболее удобной конструкцией для работы с биологическими образцами обладает измерительная головка (ИГ), которая позволяет использовать стандартную чашку Петри в качестве жидкостной ячейки открытого типа.
ИГ SMENA позволяет также проводить измерения в капле жидкости и в жидкостной ячейке закрытого типа. СЗМ работает в жидкости только с использование закрытой ячейки. Переход от измерений на воздухе к измерениям в жидкости с ИГ SMENA производится заменой магнитного держателя зонда.
Рис. 63. Схематический вид сканирования в капле жидкости.