Режимы работы сканирующих зондовых микроскопов

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является сравнимо новым способом исследования объектов с высочайшим 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 итоге чего их изобретение было названо сканирующим туннельным микроскопом (СТМ). С возникновением атомно-силового микроскопа (АСМ) в 1986 г. область внедрения СЗМ существенно расширилась и АСМ занял крепкие фаворитные позиции в исследовании с атомным разрешением параметров непроводящих поверхностей. Способ стал так симпатичным, что через 5 лет с момента открытия микроскопа уже существовали 22 его главные варианты, которые были разработаны для решения широкого диапазона задач материаловедения. До сего времени атомно-силовая микроскопия по темпам развития и информативности получаемых данных значительно опережает другие способы электрической микроскопии и рентгеноструктурного анализа вещества.

Главным многофункциональным элементом хоть какого сканирующего зондового микроскопа является зонд. В атомно-силовом микроскопе зонд представляет собой гибкую консольную опору, на свободном конце которой находится микроострие. Такая система именуется кантилевером, который определяет главные характеристики АСМ. В самом ординарном случае АСМ припоминает обыденный граммофон, который производит скольжение иглы по грампластинке и воссоздает ее рельеф в виде модулированного звукового сигнала. В атомно-силовом микроскопе кантилевер построчно сканирует поверхность эталона ультратонкой иглой (рис 7.1).

Рис. 7.1. Схема атомно-силового микроскопа.

В итоге межатомного взаимодействия острия иглы с поверхностью эластичная опора кантилевера деформируется, что в самом ординарном случае служит полезным сигналом. Для того чтоб минимизировать конфигурации силы извива кантилевера в процессе сканирования, употребляют систему оборотной связи, благодаря которой эталон отводится от острия, если сила превосходит определенное значение и, напротив, в случае уменьшения силы оборотная связь с внедрением пьезоманипулятора (рис. 7.1) позволяет стабилизировать ее значение. Таковой режим сканирования именуется режимом неизменной силы. Сигналы отличия кантилевера и системы оборотной связи записываются в цифровом виде в двумерный массив точек, который потом обрабатывается в специализированных графических редакторах.

На фоне бессчетных модификаций АСМ, позволяющих определять адгезионные, упругие, контактные электронные (кельвин-микроскопия), проводящие, электрические и другие характеристики поверхности выделяют главные три режима сканирования образцов: контактный, прерывающегося контакта и бесконтактный (рис. 7.2.).

Рис. 7.2. Главные режимы сканирования атомно-силового микроскопа

Способ прерывающегося контакта состоит в том, что в кантилевере возбуждаются колебания, а именно на его своей частоте. После того, как кантилевер начинает вести взаимодействие с поверхностью, у него уменьшаться амплитуда колебаний и происходит смещение резонансной частоты. Зависимо от того, что конкретно выбирается в качестве полезной инфы – изменение амплитуды либо частоты физического сигнала вероятны два режима работы микроскопа в прерывающемся контакте. Описанный режим именуется прерывающимся контактом (tapping mode) и используется при сканировании объектов с пониженной жесткостью, потому что 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 либо магнитного профиля поверхности. В этом случае процесс сканирования состоит из последующей последовательности: кантилевер в контактном режиме сканирования проходит одну строчку, при всем этом микроскоп запоминает рельеф поверхности, потом кантилевер начинает двигаться в оборотном направлении, находясь на той же строке при сохранении неизменного зазора меж кантилевером и поверхностью. Во время оборотного прохода локальные электрические поля эталона оказывают силовое воздействие на намагниченный кантилевер. Таким макаром, в момент получения искомого профиля поверхности отсутствует межатомное взаимодействие зонда с прототипом.

Одним из приложений АСМ является способ силовой спектроскопии, который позволяет определять силы хим связей в единичных молекулах биополимеров. Основное отличие обозначенного способа от контактного способа заключается в том, что меж иглой зонда и поверхностью эталона помещается исследуемый биополимерный комплекс, связанный с поверхностью и острием кантилевера через линкеры хим связями. При относительном движении поверхности и кантилевера объект начинает деформироваться и силы деформации в каждый момент времени определяются по величине извива балки кантилевера (рис. 7.3.).

Рис. 7.3. Схема работы АСМ в режиме силовой спектроскопии

При помощи способа силовой спектроскопии может быть исследование энергии внутренних молекулярных либо межмолекулярных связей, к примеру, меж антителом и антигеном, 2-мя белками либо молекулами ДНК.