Hogyan nézhetünk meg egy nanoobjektumot optikai mikroszkópban?

Hogyan nézhetünk meg egy nanoobjektumot optikai mikroszkópban?

A. Yezhov
"Kvant" №2, 2010

Mint tudják, az ember körüli világra vonatkozó információk főbb része a látáson keresztül jut el. Az emberi szem kifinomult és tökéletes eszköz. Ez a természet által létrehozott eszköz fény – elektromágneses sugárzással működik, amelynek hullámhossza 400 és 760 nanométer között van. A személy által érzékelt szín az ibolyától a vörösig változik.

A látható fénynek megfelelő elektromágneses hullámok kölcsönhatásba lépnek az atomok és a szem molekuláinak elektronhéjjaival. Ennek az interakciónak az eredménye az ilyen kagyló elektronok állapotától függ. A fény felszívódhat, tükröződhet vagy szétszóródhat. Ami pontosan a fényhez kapcsolódott, sokat mondhat az atomokról és molekulákról, amelyekkel kölcsönhatásba lépett. Az atomok és molekulák mérettartománya 0,1 és tízméter között. Ez sokszor kisebb, mint a fény hullámhossza. Mindazonáltal nagyon fontos, hogy pontosan tárgyakat találjunk meg – nevezzük őket nanoobjektumoknak. Mit kell tenned erre? Először is meg fogunk vitatkozni, mit láthat az emberi szem.

Általában, amikor egy optikai eszköz felbontásáról beszélnek, két fogalmat használnak. Az egyik a szögfelbontás, a második a lineáris felbontás. Ezek a fogalmak összefüggenek egymással.Például az emberi szem számára a szögfelbontás kb. 1 ívperc. Ebben az esetben a szem megkülönböztethet két, egymástól 25-30 cm távolságra lévő objektumot, csak akkor, ha e tárgyak közötti távolság nagyobb, mint 0,075 mm. Ez teljesen összehasonlítható a hagyományos számítógépes szkenner felbontásával. Tény, hogy a 600 dpi felbontás azt jelenti, hogy a szkenner megkülönböztetheti a 0,042 mm távolságra elhelyezkedő pontokat egymástól.

Annak érdekében, hogy meg lehessen különböztetni az egymástól távolabb elhelyezkedő objektumokat, optikai mikroszkópot találtak fel – egy olyan eszköz, amely növeli a szem felbontó erejét. Ezek az eszközök másnak tűnnek (amint az az 1. ábrán látható), de ugyanazok a működési elvek. Egy optikai mikroszkóp lehetővé tette számunkra, hogy a felbontási határértéket mikrométertöredékekre toljuk. Már 100 évvel ezelőtt az optikai mikroszkópos vizsgálat lehetővé tette a mikron méretű tárgyak tanulmányozását. Ugyanakkor világossá vált, hogy a lencsék számának növelésével és minőségének javításával lehetetlen a felbontás további növekedését elérni. Az optikai mikroszkóp felbontását a fény sajátságai, vagyis a hullám jellege korlátozta.

Ábra. 1. Optikai mikroszkópok. Balra – mikroszkóp cég Carl zeiss 1906 a jobb oldalon – ugyanazon cég modern kutatómikroszkópja két videokamerával, amelyek a CCD tömbökön alapulnak. Kép: "Quant"

A múlt század végén megállapították, hogy az optikai mikroszkóp felbontása . Ebben a képletben λ a fény hullámhossza, és nbűn u – a mikroszkóp objektív numerikus nyílása, amely mind a mikroszkópot, mind az anyagot jellemzi, amely a vizsgálat tárgya és a legközelebbi mikroszkóp objektív között van. Sőt, a numerikus nyílás kifejezés magában foglalja a törésmutatót n az objektum és az objektív középpontja, valamint a szög u a lencse optikai tengelye és a tárgyakból származó legszélsőségesebb sugarak között, amelyek bejuthatnak ebbe az objektívbe. A vákuum törésmutatója egy. A levegőben ez a mutató nagyon közel van az egységhez, a vízben 1,33303, és speciális folyadékokban mikroszkópiában használják a maximális felbontást, n 1,78-ra emelkedik. Bármely szög ubűnérték u nem lehet több. Így az optikai mikroszkóp felbontása nem haladja meg a fény hullámhosszának frakcióit.

Általában úgy gondolják, hogy a felbontás a hullámhossz felénél van.

Ábra. 2. Ugyanaz a pontforrás képei, különböző lencsékkel ellátott lencsék segítségével – a bal oldali kép esetében kétszer akkora, mint a jobb oldali. A központi maximum intenzitása a kép minden részének teljes intenzitása kb. 85% -a. Kép: "Quant"

Egy objektum intenzitása, felbontása és nagyítása különböző dolog. Megteheti, hogy az egymástól 10 nm-en belül elhelyezkedő objektumok képkockáinak távolsága 1 mm legyen. Ez 100 000-szeres növekedésnek felel meg. Azonban annak megállapításához, hogy egy tárgy vagy kettő nem működik. Az a tény, hogy olyan tárgyak képei, amelyek méretei nagyon kicsiek a fény hullámhosszához képest, ugyanolyan formájúak és méretűek, függetlenül a tárgyak alakjától. Az ilyen objektumokat pontszerű objektumoknak nevezzük – méretük elhanyagolható. Ha egy ilyen objektum tárgya ragyog, az optikai mikroszkóp fényes és sötét gyűrűkkel körülvett világos kör alakjában ábrázolja. Továbbá az egyszerűség kedvéért megfontoljuk a fényforrásokat.Egy optikai mikroszkóppal kapott pontfényforrás jellemző képét a 2. ábra mutatja. A könnyű gyűrűk intenzitása jóval kisebb, mint a köré, és csökken a távolság a kép középpontjától. Leggyakrabban csak az első fényes gyűrűt látja. Az első sötét gyűrű átmérője . Az intenzitás-eloszlást ismertető függvényt pont-eloszlásnak nevezzük. Ez a funkció független a nagyítás mértékétől. A több pont objektumok képe csak körök és gyűrűk lesznek, amint az a 3. ábrából is látható. Az eredményül kapott kép nagyítható, de ha két szomszédos tárgy objektuma egyesül, akkor tovább merülnek össze. Az ilyen növekedést gyakran használják haszontalanoknak – a nagy képek egyszerűen homályosabbak lesznek. Egy példa a haszontalan növekedésre a 4. ábrán gyakran nevezik a diffrakciós határnak, és annyira híres, hogy az emlékművet az Ernst Abbe német optikai fizikusnak írták.

Ábra. 3. Pontforrás csoportok képei. Az 1. és 2. források sokkal nagyobb távolságra vannak d = λ/(n bűnu), a 3. és a 4. forrás – távolról d/ 2, és az 5 és 6 források – távolról jelentősen kevesebb d/ 2. Kép: "Quant"

Természetesen, az idő múlásával az optikai mikroszkópok számos olyan eszközt kezdtek el használni, amelyek lehetővé teszik a képek tárolását. Először a film kamerák és filmkamerák egészítették ki az emberi szemet, majd azokat a fényképezőgépeket, amelyek olyan digitális eszközökön alapulnak, amelyek az elektromos jelekbe eső fényt átalakítják. Ezek közül a leggyakoribbak a CCD-k (a CCD a töltéshez kapcsolt eszköz). A digitális fényképezőgépek képpontjainak száma tovább nő, de önmagában ez nem javíthatja az optikai mikroszkópok felbontását.

Ábra. 4. A két pontforrásból készített képek azonos lencsékkel, de különböző nagyítással. A pontforrások közötti távolság λ / (2n bűnu). Kép: "Quant"

Huszonöt évvel ezelőtt úgy tűnt, hogy a diffrakciós határvonal leküzdhetetlen volt, és annak érdekében, hogy olyan tárgyakat tanulmányozhasson, amelyek mérete többször kisebb, mint a fény hullámhossza, önmagában kell elvetni a fényt. Így jöttek létre az elektronikus és röntgen mikroszkópok alkotói.Az ilyen mikroszkópok számos előnye ellenére továbbra is fennmaradt a nano-objektumok vizsgálata. Sok oka volt ennek: a tárgyakkal való munka kényelme és egyszerűsége, a kép készítéséhez szükséges rövid idő, a minták színezésének ismert módszerei és még sok más. Végül sok éves kemény munka után optikai mikroszkóppal lehetett vizsgálni a nano-objektumokat. A legnagyobb előrelépés ezen a téren történt a fluoreszcens mikroszkópia területén. Természetesen senki sem szüntette meg a diffrakciós határértéket, de megkerülhette. Jelenleg vannak különböző optikai mikroszkópok, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy olyan tárgyakat mérjünk, amelyek mérete sokkal kisebb, mint a nagyon könnyű hullámhosszúság, amely képeket hoz létre ezekről az objektumokról. Mindezen eszközöket egy általános elv egységezi. Megpróbáljuk tisztázni, melyik.

Amint már említettük a felbontás diffrakciós határértékéről, nyilvánvaló, hogy nem nehéz látni egy pontforrást. Ha ennek a forrásnak elegendő intenzitása van, a kép jól látható lesz.A kép alakját és méretét – ahogy már említettük – az optikai rendszer tulajdonságai határozzák meg. Ebben az esetben, ha ismeri az optikai rendszer tulajdonságait és biztos abban, hogy az objektum egy pont, akkor pontosan meghatározhatja az objektum helyét. Az ilyen objektumok koordinátáinak meghatározása pontossága igen magas. Ennek egy példája látható az 5. ábrán. A pont-objektum koordinátái pontosan meghatározhatók, annál intenzívebben világítanak. A múlt század 80-as évek elején optikai mikroszkóppal 10-20 nanométeres pontossággal tudták meghatározni az egyes világító molekulák helyzetét. A pontforrás koordinátáinak ilyen pontos meghatározásához szükséges feltétel a magány. Az ehhez legközelebbi másik pontforrást olyan helyen kell elhelyezni, hogy a kutató tudja, hogy a feldolgozott kép egy forrásnak felel meg. Világos, hogy ez a távolság l meg kell felelnie az állapotnak . Ebben az esetben a képelemzés nagyon pontos adatokat szolgáltat a forrás helyzetéről.

Ábra. 5. A pontforrás helyzetének szekvenciális meghatározása sokkal nagyobb, mint a λ / (2n bűnu).A piros kereszt jelzi a forrás aktuális pozícióját, és a kék szín jelzi a forrás irányát, amely három pozícióra épül. A kék kör mérete megegyezik a forrás helyzetének meghatározásával. Kép: "Quant"

A legtöbb objektum, amely sokkal kisebb, mint egy optikai mikroszkóp felbontása, pontforrások gyűjteményének tekinthető. Az ilyen készletben lévő fényforrások egymástól sokkal kisebb távolságra vannak elkülönítve . Ha ezek a források egyszerre ragyognak, lehetetlen pontosan megmondani, hogy pontosan hol helyezkednek el. Azonban, ha sikerül ezek forrásait ragyogni, akkor mindegyikük helyzetét nagy pontossággal lehet meghatározni. Ha ez a pontosság meghaladja a források közötti távolságot, akkor mindegyikük pozíciójának ismeretében megtudhatja, milyen viszonya van. Ez azt jelenti, hogy információt kaptak az objektum alakjáról és méretéről, amely pontforrások csoportjaként jelenik meg. Más szavakkal, ebben az esetben a diffrakciós határnál kisebb méretű tárgyat optikai mikroszkóppal lehet megnézni!

Így a legfontosabb pont a nanoobjektum különböző részeihez való információ megszerzése egymástól függetlenül. Ennek három fő módja van.

Az eljárások első csoportja szándékosan okozza az objektum egyik vagy másik részének ragyogását. A leghíresebb ilyen módszerek középtávú pásztázó optikai mikroszkópia. Tekintsük részletesebben.

Ha alaposan megvizsgálja a diffrakciós határértékre vonatkozó feltételeket, akkor azt találja, hogy az objektumoktól a lencsékig tartó távolságok sokkal hosszabbak, mint a fény hullámhossza. A hullámhosszhoz képest kisebb és kisebb távolságoknál a kép más. A fényhullám elektromágneses mezőjébe eső tárgy közelében minden olyan elektromágneses mező váltakozik, amelynek frekvenciája megegyezik a fényhullám mezőváltozásának frekvenciájával. A fényhullámtól eltérően ez a mező gyorsan elhalványodik, amikor elhalad a nanoobjektumtól. Az a távolság, amelyen az intenzitás csökken, például e idő, hasonló az objektum méretéhez. Így az optikai frekvencia elektromágneses mezője a tér térfogatában összpontosul, amelynek mérete jóval kisebb, mint a fény hullámhossza.Minden olyan tárgy, amely ebbe a területbe esik, valahogy kölcsönhatásba fog lépni a koncentrált mezővel. Ha az objektum, amellyel a mezőkoncentrációt végrehajtják, egymást követően a vizsgált nanoobjektum mentén bármely úton haladnak, és a rendszer által kibocsátott fényt rögzítik, akkor az ezen az úton lévő egyes pontokból kép készíthető. Természetesen minden egyes pontnál a kép úgy fog kinézni, mint a 2. ábrán látható, de a felbontás meghatározza, hogy mennyire koncentrált a mező. És ezt viszont az a tárgy nagysága határozza meg, amellyel ez a terület összpontosul.

A mező ilyen koncentrációjának legáltalánosabb módja egy nagyon kis lyuk létrehozása a fém képernyőn. Tipikusan ez a lyuk egy hegyes szálas bevonatú fémszál végén helyezkedik el (a szálat gyakran optikai szálaknak nevezik, és széles körben használják nagy távolságú adatátvitelre). Most lehetséges 30-100 nm-es átmérőjű lyukakat készíteni. A felbontás nagyságrendileg megegyezik.Az ezen elveken működő eszközöket near-field scanning optikai mikroszkópoknak nevezik. 25 évvel ezelőtt jelentek meg.

A módszer második csoportjának lényege a következő. Ahelyett, hogy a szomszédos nanoobjektumokat egymás után ragyogná, olyan tárgyakat használhat, amelyek különböző színekben ragyognak. Ebben az esetben olyan fényszűrők használatával, amelyek egy adott színt sugároznak, meghatározhatja az egyes objektumok helyzetét, majd létrehozhat egy képet. Ez nagyon hasonlít az 5. ábrán láthatóhoz, csak a három kép színei lesznek különbözőek.

Az utolsó olyan módszerek csoportja, amelyek lehetővé teszik a diffrakciós határ leterítését és a nanoobjektumok megfontolását, maguk a fényes tárgyak tulajdonságait használják. Vannak olyan források, amelyek "bekapcsolva" és "kikapcsolva" lehetnek egy speciálisan kiválasztott fény segítségével. Az ilyen kapcsolások statisztikailag előfordulnak. Más szóval, ha sok kapcsolható nano-objektum van, akkor a fény hullámhossza és intenzitása kiválasztásával csak néhányat lehet "kikapcsolni". A fennmaradó objektumok továbbra is ragyognak, és kaphat egy képet tőlük.Ezután be kell kapcsolni az összes forrást, és újra "kikapcsolni" néhányat. A fennmaradó "mellékelt" források halmaza eltér az első bekapcsolt állapottól. Ha ezt az eljárást többször megismételjük, nagy mennyiségű képet kaphatunk egymástól. Egy ilyen készlet elemzésével megállapíthatjuk, hogy az összes forrás nagy hányada nagyon nagy pontossággal helyezkedik el, jóval a diffrakciós határ fölött. Az így kapott szuper-felbontás példáját a 6. ábra mutatja be.

Ábra. 6. A hagyományos mikroszkóppal készített kép összehasonlítása (a bal oldalon) és az optikai szupravódás egyik módszere (a jobb oldalon). A jobb oldali oldal 2,5 mikronosnak felel meg. Ez körülbelül 10-12-szer nagyobb, mint a λ / (2n bűn u) a használt lencséhez és a fény hullámhosszához. A jobb oldali ábrázolással látható területet a bal oldali ábrán egy négyzet kiemeli. Kép: "Quant" "border = 0>Ábra. 6. A hagyományos mikroszkóppal készített kép összehasonlítása (a bal oldalon) és az optikai szupravódás egyik módszere (a jobb oldalon). A jobb oldali oldal 2,5 mikronosnak felel meg.Ez körülbelül 10-12-szer nagyobb, mint a λ / (2n bűnu) a használt lencséhez és a fény hullámhosszához. A jobb oldali ábrázolással látható területet a bal oldali ábrán egy négyzet kiemeli. Kép: "Quant"

Jelenleg a szuperszolíbilis optikai mikroszkópia gyorsan fejlődik. Feltételezhető, hogy az elkövetkező években ez a terület egyre több kutatót fog vonzani, és azt akarom hinni, hogy köztük lesz a cikk olvasói.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: