Mikroszkópia és lokális kémiai analízis

1. Mikroszkópia és lokális kémiai analízis Pozsgai Imre Richter Gedeon R.T. Magyar Mikroszkópos Konferencia, Balatonalmádi, 2005. máj. 26-28

2. Az előadás vázlata: I. A mikroszkópia és analitika összefonó-dása az elektronmikroszkópia szemszögéből vizsgálva II.Az összefonódás megközelítése a fénymikroszkópia oldaláról III. A pásztázótűszondásmikroszkópia módszerei közül a - közelteres módszerek és a - kémiai erő-mikroszkópia

3. 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

4. Analitikára alkalmas jelek elektron-besugárzáskor I.Közelítés az elektronmikroszkópia oldaláról

5. 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)

6. A jelen: Zeiss felbontási rekord (TEM) 0,08 nm (0,8 Angström) Az atommodell, mint lépték Au diffrakció

7. CarlZeiss, Sub-Angstrom TEM, (SATEM)

8. EDS detektálási határ STEM-ben,David Williams (Lehigh Univ.) Laterális felbontás kb. 1nm

9. 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 mm nagyságrendű (TiLa vonalával már 0,5 mm-t is sikerült elérni.)

10. Az EDS kényelmére és a WDS felbontására lenne szükség 1. Szupravezető mikrokaloriméter, T= 0,1K (TES), Transition Edge Sensor, DE= 3-7 eV Szupravezető röntgendetektor K.D. Irwin , 1969 J. Höhne 1998

11. Szupravezető röntgendetektor 2. Szupravezető alagúteffektuson alapuló spektrométer(DE= 4 -15 eV) (STJ) superconducting tunnel junction • Energiafelbontás: DE 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

12. 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)

13. 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

14. 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 párhuzamosdetektálásra (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

15. 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

16. A konvencionális fénymikroszkóp, felbontását a fény diffrakciója korlátozza Ernst Abbe (1972) szerint a felbontás: ahol l - a fény hullámhossza, n sin (u) - a numerikus apertura Optimum: n sin(u)=1.4  D~ 0,43 l, ezért Felbontóképesség: 130-250 nm (~l/2 vagy optimális esetben ~l/3)

17. 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

18. Gerjesztési mechanizmusok

19. Konfokális lézer pásztázó mikroszkóp elve Az elv kombinálható fluoreszcens, infravörös vagy Raman technikákkal A laterális felbontás csak1,4x javul a nem konfokális-hoz képest

20. - 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

21. Macska látókérgének fluoreszcens vizsgálata Az agykéreg sejtjeit kalciumra érzékeny festékkel festették meg. A megvilágítás infravörös fénnyel történt 300 mm Forrás: Raid. Lab

23. Két-fotonos (lézer pásztázó) fluoreszcens mikroszkópia alapja

24. Két-fotonos fluoreszcens gerjesztés Femtoszekundumos (10-15s) lézer megvilágítás Nagy lokális felbontás konfokális blendék nélkül ! Miért? Csak a fókuszban elég nagy az intenzitás a két-fotonos gerjesztéshez Az abszorpció l-függése… Fluorofor nem abszorbeálja a gerjesztő sugarat a fókuszpont alatt Egy-fotonos Forrás: Brad Amos, MRC, Cambridge

25. Két-fotonos és konfokális (lézer pásztázó fluoreszcens) mikroszkópia összehasonlítása 3 mm-esminta-mélység Forrás: Wisconsin University két-fotonos konfokális

26. Két-fotonos és konfokális (lézer pásztázó fluoreszcens) mikroszkópia összehasonlítása 55 mm-esminta-mélység Forrás: Wisconsin University konfokális két-fotonos

27. Megjegyzések a konfokális és a több-fotonos fluoreszcens mikroszkópiához A konfokális 40 mm, 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)

28. 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)

29. 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.

30. 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.

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

32. Ujjlenyomatkombinált Raman és FTIR mikroszkóp alatt MDMA (Ecstasy) Forrás: Jobin Yvon prospektusából

33. III. Pásztázó tűszondás mikroszkópiaKözelteres 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

34. Pásztázó tűszondás mikroszkópiaKözelteres 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

35. Kvantummechanikai alagút effektus 1973 Nobel-díj L. Esaki, I. Giaever, B. D. Josephson,

36. Foton alagút-effektus Forrás: Lineke van der Sneppen, Scanning near-field optical microscopy

37. A közelteres detektálás Forrás: G.A. Wurtz et al. Argonne National Laboratory

38. 4. Közelteres pásztázó mikroszkópia A minta felszínhez közeli tér: nem-terjedő, exponenciálisan gyengülő hullám. Lecsengési hossza a felszíntől kisebb, mint l. Távoli tér : tovaterjedő fényhullám Kontraszt-mechanizmus: az apertura dipolmomentumának kölcsönhatása a minta dipolmomentumával

39. 5. Közelteres pásztázó mikroszkópia(Near-field ScanningOptical Microscopy,) Fényforrás-minta távolság kisebb, mint 10 nm Forrás: NT-MDT Molecular Devices and Tools for NanoTechnology

40. Pásztázó, interferometriás, apertura nélküli mikroszkópia Scanning Interferometric Apertureless Microscopy (SIAM) A szórt elektromos tér megváltozását méri, szemben a szokásos SNOM-mal, ahol az intenzitásokat mérik Kontraszt-mechanizmus: dipol-dipol csatolás elméletén alapul Felbontás: 1nm F. Zenhausern et al. Science 1995 aug.25. Vol. 269 1083-1085

41. Olaj csillámon AFM SIAM F. Zenhausern et al. Science 1995 aug.25. Vol. 269 1083-1085

42. 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.

43. Kémiai erő-mikroszkópia Forrás. Nanocraft Company

44. Összefoglalás • 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. • A fejlődést a „gyorsuló idő” jellemzi: régen nagyon lassú volt, most nagyon gyors. • A biológia évszázadában valószínűleg a pásztázó lézerfluoreszcens mikroszkópia módszerei fognak a legtöbbet fejlődni, mert molekuláris szinten képesek az élő szervezet változásait nyomon követni. • A jövőt illetően a pásztázó tűszondás módszerek, köztük a közelteres mikroszkópia a „sötét ló”, amelynek a fejlődése szinte beláthatatlan távlatokat nyithat. • Végül számolnunk kell olyan új módszerek kialakulásával, amelyek alapjai jelenleg csak jelenség szintjén ismertek.