Mikroszkópia és lokális kémiai analízis

Mikroszkópia és lokális kémiai analízis

Pozsgai Imre

Richter Gedeon R.T.

Magyar Mikroszkópos Konferencia, Balatonalmádi, 2005. máj. 26-28

Az előadás vázlata:I. A mikroszkópia és analitika összefonó-

dása az elektronmikroszkópia szemszögéből vizsgálva

II. Az összefonódás megközelítése a fénymikroszkópia oldaláról

III. A pásztázó tűszondás mikroszkópia módszerei közül a

- közelteres módszerek és a

- kémiai erő-mikroszkópia

I. Közelítés az elektronmikroszkópia oldaláról

Az elektronmikroszkópia befogadja az analitikai módszereket

• 1932-33, az első transzmissziós elektron-mikroszkóp, TEM (Knoll és Ruska). Ruska Nobel-díjat kapott érte 1986-ban.

• 1935, a pásztázás elvének leírása (Knoll), az első pásztázó elektronmikroszkóp SEM a kereskedelmi forgalomban 1965 (Cambridge Instruments)

• 1939 Az első analitikai módszer a TEM-ben, az elektrondiffrakció, Kossel és Möllenstedt

I. Közelítés az elektronmikroszkópia oldaláról

Analitikára alkalmas jelek elektron-besugárzáskor

• 1944 Hillier és Baker elektron-energia-veszteségi spektrumot vesznek fel.

Az eljárás újra-felfedezése Wittry, Ferrier és Cosslett, 1969.

• 1951. Castaing megépíti az első mikro-szondát, hullámhosszdiszperzív elektron-sugaras röntgen mikroanalízisre alkalmas berendezést.

• 1970-as évek eleje, energiadiszperzív mikroanalízis Si(Li) detektorral SEM-ben

• 1989 Spektrális képalkotás elektron energiaveszteségi spektrometriában EELS (Jeanguillaume és Colliex)

A jelen: Zeiss felbontási rekord (TEM) 0,08 nm (0,8 Angström)

Au diffrakció

Az atommodell, mint lépték

Carl Zeiss, Sub-Angstrom TEM, (SATEM)

EDS detektálási határ STEM-ben,David Williams (Lehigh Univ.)

Mn

MnMn

B

MI

23

Laterális felbontás kb. 1nm

Tömb anyagok vizsgálata

SEM felbontása: 0,5-0,6 nm (téremissziós katód, in-lense megoldás)

Detektálási határ:EDS (SEM-en) 0,1 tömeg %, (relatív)

10-15 g (abszolút) A mikroanalízis laterális felbontása: 1 m

nagyságrendű (TiL vonalával már 0,5 m-t is sikerült

elérni.)

Szupravezető röntgendetektorAz EDS kényelmére és a WDS felbontására

lenne szükség

1. Szupravezető mikrokaloriméter, T= 0,1K

(TES), Transition Edge Sensor, E= 3-7 eV

K.D. Irwin , 1969 J. Höhne 1998

Szupravezető röntgendetektor2. Szupravezető alagúteffektuson alapuló

spektrométer (E= 4 -15 eV)

(STJ) superconducting tunnel junction • Energiafelbontás: E

ahol „N” a detektálási folyamatok alapját képező gerjesztések száma

• A töltéshordozók gerjesztéséhez szükséges energia 10-3-10-5 eV (Cooper-párok bontása) ,

ezzel szemben a Si(Li) – nél 3,8 eV és

a Ge-ban 2,96 eV kell egy elektron-lyuk pár létrehozásához

NE

E 1~

Normál és szupravezető röntgendetektor összehasonlítása

Forrás: NIST Boulder USA

Alacsony hőmérséklet előállítása: hűtőközeg nélkül mechanikai úton 4K-ig, majd adiabatikus demagnetizációval

Mire jó? Nagy laterális felbontóképességű felületanalízis alacsony gyorsító feszültségen (pl. félvezető iparban)

Elektron-energiaveszteségi spektroszkópia (EELS)

Az EDS és EELS összevetése:– az EDS a karakterisztikus veszteségi folyamatoknak azon

részét detektálja, amely röntgen emisszióval végződik, az EELS mindet

– Könnyű elemekre inkább EELS, – Vastagabb mintákra inkább EDS– Az EELS energiafelbontása (0,1 eV nagyságrendű) miatt

nagyon sok járulékos információt ad az elem-összetételen kívül (legközelebbi atomok száma, polimorfia, kémiai kötés, elektronsávszerkezet stb.)

EELS-ről részletesebben Ferdinand Hofer tart előadást

1 AugerRtg

Kulcsfontosságú elemek a fejlődésben

• A forrás fényessége (termikus W, 105-106, téremissziós 108-109 A/cm2/sr. A fényesség fontos mind a felbontóképességben, mind pedig a detektálási határokban)

• Áttérés a soros detektálásról a párhuzamos detektálásra (EDS, EELS és a Fourier-transzformáció az infravörös-, Raman- és mágneses rezonancia vizsgálatokban)

• A pásztázás elvének alkalmazása (bármilyen minta-tulajdonság leképezhetővé vált)• Adattárolás és adatfeldolgozás

II. Közelítés a fénymikroszkópia oldaláról

Néhány mérföldkő:• 1613 Galileo Galilei távcsöve• 1675 Anton van Leeuwenhoek mikroszkópjával

300x-os nagyítást ér el, egysejtűeket vizsgál...• 1872 Ernst Abbe elmélete a képalkotásról• 1957 Marvin Minsky szabadalmaztatja a

konfokális elektronmikroszkópot• 1960 T. Maiman, az első lézer• 1982 Dieter Pohl és Aaron Lewis, az első

közelteres fénymikroszkóp, amely túllépi az Abbe-féle diffrakciós határt

A konvencionális fénymikroszkóp, felbontását a fény diffrakciója korlátozza

Ernst Abbe (1972) szerint a felbontás:

)sin(

61,0

unD

ahol - a fény hullámhossza,

n sin (u) - a numerikus apertura

Optimum: n sin(u)=1.4 D~ 0,43 ezért

Felbontóképesség: 130-250 nm (~/2 vagy optimális esetben ~/3)

A spektroszkópiai módszereket teszik alkalmassá a képalkotásra

A lézerek előnye: a nagy fényesség, kis divergencia, könnyű fókuszálhatóság és stabilitás

1.Lézer pásztázó mikroszkópia (fluoreszcens üzemmód)

- konfokális

- több-fotonos

2. Infravörös spektroszkópia és mikroszkópia

3. Raman spektroszkópia és mikroszkópia

Gerjesztési mechanizmusok

Konfokális lézer pásztázó mikroszkóp elve

Az elv kombinálható fluoreszcens, infravörös vagy Raman technikákkal

A laterális felbontás csak1,4x javul a nem konfokális-hoz képest

- Konfokális lézer pásztázó mikroszkópia

Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) == Laser Scanning Confocal Microscopy (LSCM)

- konfokális lézer fluoreszcens mikroszkópiát értenek alatta- biológiai mintákban a részleteket (pl. DNS, RNS, aminosavak, Ca-ionok stb.) fluoreszkáló festékek (fluorofórok, kromofórok) hozzáadásával teszik láthatóvá - éles képek, - optikai szeletelés és 3D rekonstrukció- elemi biológiai folyamatok megfigyelését teszi lehetővé

Macska látókérgének fluoreszcens vizsgálata

300 mForrás: Raid. Lab

Az agykéreg sejtjeit kalciumra érzékeny festékkel festették meg.

A megvilágítás infravörös fénnyel történt

Két-fotonos (lézer pásztázó) fluoreszcens mikroszkópia alapja

Két-fotonos fluoreszcens gerjesztés

Egy-fotonos

Forrás: Brad Amos, MRC, Cambridge

Miért?

Csak a fókuszban elég nagy az intenzitás a két-fotonos gerjesztéshez

Az abszorpció -függése…

Fluorofor nem abszorbeálja a gerjesztő sugarat a fókuszpont alatt

Nagy lokális felbontás konfokális blendék nélkül !

Femtoszekundumos (10-15s) lézer megvilágítás

Két-fotonos és konfokális (lézer pásztázó fluoreszcens) mikroszkópia

összehasonlítása

3 m-esminta-mélység

két-fotonos konfokálisForrás:

Wisconsin University

Két-fotonos és konfokális (lézer pásztázó fluoreszcens) mikroszkópia

összehasonlítása

m-esminta-mélység

két-fotonos konfokálisForrás:

Wisconsin University

Megjegyzések a konfokális és a több-fotonos fluoreszcens mikroszkópiához

A konfokális 40 m, a multifotonos 1 mm mintavastagságot tud átfogni. A multifotonos

egyenlőre nagyon drága. A felbontást a konfokálisban és a két-fotonosban is

az Abbé-képlet határozza meg. A diffrakció továbbra is korlát !

A fluoreszcens mikroszkópia analitikai hasznosságát több fluoreszcens festék egyidejű alkalmazásával növelik, amelyet több lézerforrás alkalmazásával egészítenek ki.

Konfokális ú.n. non-kontakt módszer, ezért sokkal gyorsabb, mint a később tárgyalandó konkurens a közelteres mikroszkópia (SNOM)

Infravörös spektroszkópia és mikroszkópia

Az analizálandó mintát folytonos IR sugárzással besugározva a minta elnyel ebből a sugárzásból a molekula-szerkezetének megfelelően. Nem tetszőlegesen, hanem kvantáltan!

A spektrumot mérhetjük transzmisszióban és reflexiós üzemmódban egyaránt.

A kapott spektrum az adott anyag ujjlenyomatszerű azonosítására alkalmas.

Kulcsszó: kovalens kötés (ionos kötésű anyagok átlátszóak az IR-re)

Raman-spektroszkópia• Monokromatikus fénnyel (ultraibolya, látható

vagy közeli infravörös tartományba eső lézer sugárral) besugározzuk az analizálandó mintát és az frekvencia-változással szóródott fényt használjuk anyagazonosításra.

• Miként az IR spektroszkópia, ez is alkalmas mennyiségi analízisre.

• Raman, (indiai fizikus) fizikai Nobel-díj 1930-ban a Raman-szórásért. Raman-spektroszkópia csak a lézer felfedezése után kezdődhetett.

Raman-szórás mechanizmusa• A beeső foton elnyelődik, energiája a

kristályrácsnak adódik át és a fonon emittál fotont.

• IR-aktívitás kritériuma: a molekula dipolmomentumának megváltozása a besugárzó fény hatására.

• Raman-aktívitás kritériuma: a molekula polarizálhatóságának megváltozása a besugárzó fény hatására.

• IR és Raman spektroszkópia egymást kiegészítő technikák.

Molekulaspektroszkópia a kémiai kötés szempontjából

Aszimmetrikus, poláros kötések IR-aktívak,

• O-H (víz mérése)• =C-H• C=O• C-Cl• C-O-C

• (C-)NO2

Szimmetrikus és homopoláros kötések

Raman-aktívak, pl.• C=C• C=C• C=S• C-Cl• O-O

A Raman-analízis előnye, hogy az anyagokat vizes oldatokban is lehet vizsgálni. (IR erősen abszorbeálódik a vízben)

Ujjlenyomat kombinált Raman és FTIR mikroszkóp alatt

Forrás: Jobin Yvon prospektusából

MDMA (Ecstasy)

III. Pásztázó tűszondás mikroszkópia Közelteres pásztázó fénymikroszkópia

Előbb mikroszkópia alakult ki, azután analitika.

Near-field Scanning Optical Microscopy, NSOM vagy SNOM), azonos Photon Scanning Tunneling Microscopy-val (PSTM)

Nanométeres apertura, nanométeres forrás- minta távolság, a felbontást a diffrakció nem korlátozza. Felbontás: kb. 50 nm fénnyel !

1928 Edward Synge kigondolta

1971 R. Young elkészíti a STM ősét

1972 E. Ash és G. Nicholls megcsinálja a közelteres leképezést mikrohullámmal

Pásztázó tűszondás mikroszkópia Közelteres pásztázó fénymikroszkópia

1981 Heinrich Rohrer és Gerd Binnig pásztázó alagút mikroszkóp (STM)

1984 Dieter Pohl és Aaron Lewis megvalósítja a közelteres leképezést fénnyel (SNOM)

1986 Binnig és munkatársai, atomi erő mikroszkóp (AFM)

Pontforrások a SNOM-hoz: -fémmel bevont, elvékonyodó optikai szál, amelynek hegyén nincs bevonat,- piramidális AFM tű lyukkal a közepén,- világító anyaggal töltött, elvékonyított pipetta

Kvantummechanikai alagút effektus

1973 Nobel-díj

L. Esaki, I. Giaever, B. D. Josephson,

Foton alagút-effektus

Forrás: Lineke van der Sneppen, Scanning near-field optical microscopy

A közelteres detektálás

Forrás: G.A. Wurtz et al. Argonne National Laboratory

4. Közelteres pásztázó mikroszkópia

Kontraszt-mechanizmus:

az apertura dipolmomentumának kölcsönhatása a minta dipolmomentumával

A minta felszínhez közeli tér: nem-terjedő, exponenciálisan gyengülő hullám. Lecsengési hossza a felszíntől kisebb, mint .

Távoli tér : tovaterjedő fényhullám

5. Közelteres pásztázó mikroszkópia(Near-field Scanning Optical Microscopy,)

Fényforrás-minta távolság kisebb, mint 10 nm

Forrás: NT-MDT

Molecular Devices and Tools for NanoTechnology

Pásztázó, interferometriás, apertura nélküli mikroszkópia

Scanning Interferometric Apertureless Microscopy (SIAM)

Felbontás: 1nm

Kontraszt-mechanizmus:

dipol-dipol csatolás elméletén alapul

F. Zenhausern et al. Science 1995 aug.25. Vol. 269 1083-1085

A szórt elektromos tér megváltozását méri, szemben a szokásos SNOM-mal, ahol az intenzitásokat mérik

Olaj csillámon

AFM SIAMF. Zenhausern et al. Science 1995 aug.25. Vol. 269 1083-1085

Kémiai erő-mikroszkópia (Chemical Force Microscopy

• Az atom-erő mikroszkópiának (AFM) speciális esete a laterális erő mikroszkópia: a tű elmozdulását és a kar „elferdülését” 4 fénydetektorral mérik.

• A laterális erő mikroszkópia speciális esete a kémiai erő-mikroszkópia: a tűt olyan kémiai anyag mono-rétegével vonják be, amelyet a vizsgálandó felülettel reakcióba akarnak hozni és a kémiai kölcsönhatás következtében megváltozó adhéziós erőket mérik.

Kémiai erő-mikroszkópia

Forrás. Nanocraft Company

Összefoglalás1. A kutató elme egyre kisebb részletekre kíváncsi, majd a

részletek anyagát is szeretné ismerni, így a mikroszkópia és az analitika egymást erősítő fejlődése természetes folyamat.

2. A fejlődést a „gyorsuló idő” jellemzi: régen nagyon lassú volt, most nagyon gyors.

3. A biológia évszázadában valószínűleg a pásztázó lézer fluoreszcens mikroszkópia módszerei fognak a legtöbbet fejlődni, mert molekuláris szinten képesek az élő szervezet változásait nyomon követni.

4. A jövőt illetően a pásztázó tűszondás módszerek, köztük a közelteres mikroszkópia a „sötét ló”, amelynek a fejlődése szinte beláthatatlan távlatokat nyithat.

5. Végül számolnunk kell olyan új módszerek kialakulásával, amelyek alapjai jelenleg csak jelenség szintjén ismertek.