Теоретические основы современных методов микроскопии

1. Теоретические основы современных методов микроскопии Авторы-составители: Надеждин С.В., Федорова М.З., Буржинская Т.Г. Специальность 020101.65.03 – Химия со специализацией Химия наноструктурных материалов

2. Одним из ведущих направлений современной химии является изучение состава, структурных свойств соединений и различных химических композиций. В последние годы широкое распространение получили методы электронной, зондовой сканирующей и конфокальной микроскопии, имеющие программное обеспечение для управления процессами визуализации и обработки полученных результатов. В предлагаемое пособие включены материалы, закрепляющие знания студентов по неорганической химии и кристаллохимии, а также формирующие практические навыки работы с аппаратно-программными комплексами. Курс «Теоретические основы современных методов микроскопии» нацелен на подготовку высококвалифицированных специалистов в области наукоемких технологий для учреждений химического профиля.

3. Основной целью курса является формирование знаний по основным современным методам микроскопии при изучении образцов различной химической природы. Задачи курса • обобщение знаний по составу и структуре объектов исследования; • изучение теоретических основ и правил работы на современных микроскопах; • приобретение практических навыков изучения строения объектов с использованием аппаратно – программного обеспечения современных микроскопов.

4. А Б На сегодняшний день в химии основными методами изучения различных по природе образцов являются оптическая (А), электронная (Б) и сканирующая зондовая микроскопия (В). Б В

5. Содержание дисциплины Оптическая микроскопия Теоретический материал Исследование образцов с помощью аппаратно-программных комплексов оптических микроскопов. Аппаратно-программные комплексы включают: анализатор изображений «ВидеоТест-Металл»; анализатор изображений ВидеоТесТ - Мастер (Структура); анализатор изображений «ВидеоТест-Размер». Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия. Принцип конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. AOTF – акустико-оптический настраиваемый фильтр, AOBS – акустооптический светотделитель, SP-Detector – датчик спектрального фотометра.

6. Практический материал Анализ изображения при помощи аппаратно - программного комплекса «ВидеоТест-Размер». Изучение коллагеновых фибрилл при помощи конфокального лазерного сканирующего микроскопа.

7. Электронная микроскопия Теоретический материал Исследования особенностей образцов при помощи растровой электронной микроскопии (РЭМ). Основные этапы подготовки образцов для РЭМ: высушивание переходом критической точки; замораживание-высушивание (лиофилизация). Исследование элементного состава образцов при помощи рентгеновского микроанализа на электронных микроскопах. Физические основы процесса возбуждения характеристического рентгеновского излучения в объекте.

8. Практический материал Изучение микроструктур глинистых пород при помощи растрового электронного микроскопа. Определение весового и молярного содержания элементов в слюде при помощи рентгеновского микроанализа на растровом электронном микроскопе.

9. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) Теоретический материал. Исследование образцов при помощи атомно-силовой микроскопии с учетом свойств зонда. Влияние адсорбционного слоя поверхности образца на взаимодействие с СЗМ зондом. Практический материал. Изучение волокон хризотил асбеста при помощи атомно-силового микроскопа. Редактирование изображения.

10. ПРАКТИЧЕСКИЙ БЛОК РАЗДЕЛ 1. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ Занятие 1. Анализ изображения при помощи аппаратно - программного комплекса «ВидеоТест-Размер» Цель работы: формирование знаний и умений по использованию аппаратно - программного комплекса «ВидеоТест-Размер» в кристаллохимических исследованиях. Задачи: • Провести преобразование изображения, для улучшения визуализации интересующих деталей, используя фильтры редактора изображения ВидеоТест-Размер 5.0;

11. совершенствовать навыки проведения микрокрис-таллоскопических исследований; • измерить геометрические параметры кристаллического осадка фосфата магния-аммония MgNH4PO4; • определить форму кристаллов; • подготовить данные для дальнейшей статистической обработки.

12. Занятие 2. Изучение коллагеновых фибрилл при помощи конфокального лазерного сканирующего микроскопа Цель: формирование знаний об использовании лазерных конфокальных микроскопов в исследовании биополимеров. Задачи: • изучение принципа работы конфокального лазерного сканирующего микроскопа; • овладение навыками работы и подготовки образцов для конфокальной микроскопии с использованием аминофлуоресцеина.

13. РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ Занятие 1. Изучение микроструктур глинистых пород при помощи растрового электронного микроскопа Цель: формирование знаний об использовании растрового электронного микроскопа при исследовании неорганических материалов. Задачи: • изучение принципа работы растрового электронного микроскопа; • овладение навыками работы и подготовки неорганического материала для растровой электронной микроскопии; • исследование микроструктур глинистых пород.

14. Занятие 2. Определение весового и молярного содержания элементов в слюде при помощи рентгеновского микроанализа на растровом электронном микроскопе Цель: формирование знаний об использовании рентгеновского микроанализа в изучении породообразующих минералов. Задачи: • изучение принципа работы приставки рентгеновского микроанализа; • овладение навыками работы и подготовки неорганического материала для рентгеновского микроанализа.

15. РАЗДЕЛ 3. СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ Занятие 1. Изучение волокон хризотил асбеста при помощи атомно-силового микроскопа Цель: формирование знаний об использовании атомно-силовых микроскопов в химических исследованиях. Задачи: • изучение принципа работы атомно-силовых микроскопов; • овладение навыками работы и подготовки органических волокон для атомно-силовой микроскопии.

16. Вопросы к зачету • Правила работы и уход за оптическими микроскопами. • Настройка светового поля. • Система ввода. Работа с фото- и видеокамерами. • Программы анализа изображений фирмы «ВидеоТест». • Особенности работы с конфокальным лазерным сканирующим микроскопом. • Возможности и область применения в химии растровых электронных микроскопов. • Методы фиксации и подготовки образцов для сканирующей электронной микроскопии. • Рентгеновский микроанализ: сущность метода и возможность применения в изучении химических объектов. • Техника безопасности и подготовка образцов для рентгеновского микроанализа. • Использование сканирующей зондовой микроскопии в химических исследованиях. • Методы исследования в оптической микроскопии.

17. Устройство и принцип работы конфокального лазерного сканирующего микроскопа. • Модификации и модели конфокальных лазерных сканирующих микроскопов. • Устройство и принцип работы просвечивающего электронного микроскопа. • Устройство и принцип работы растрового сканирующего электронного микроскопа. • Модификации, модели просвечивающих и растровых сканирующих электронных микроскопов. • Оборудование и установки для подготовки образцов к просвечивающей электронной микроскопии. • Физико-технические основы спектрального рентгеновского микроанализа. • Устройство и принцип работы атомно-силового микроскопа. • Методы АСМ. • Основные этапы подготовки образцов к атомно-силовой микроскопии. • Факторы и артефакты в сканирующей зондовой микроскопии, качество изображения.

18. ЛИТЕРАТУРА • Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., лифшин Э. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. М.: Мир, 1984. Т.1. – 303 с. • Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., лифшин Э. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. М.: Мир, 1984. Т.2. – 348 с. • Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия. –М.: Университет. Книжный дом, 2005- 325 с. • Егорова О.В. Техническая микроскопия. М.: Техносфера, 2007. – 360 с. • Карпов Ю.А. Методы пробоотбора и пробоподготовки. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003.- 243 с. • Кларк Э. Р., Эберхардт К.Н. Микроскопические методы исследования материалов. М.: Техносфера, 2007. – 376 с. • Лежнев Э.И., Попова И.И., Кузьмина С.В., Слащев С.М. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия: принципы, устройство, применение (часть 1) // Научное приборостроение. -2001. – Т. 11. №2. – С. 3-20. • Лежнев Э.И., Попова И.И., Кузьмина С.В., Слащев С.М. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия: принципы, устройство, применение (часть 2) // Научное приборостроение. -2001. – Т. 11. №3. – С. 26-42. • Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Новгород. 2004. 114 с.

19. Основы кристаллохимии: Учебное пособие для студентов обучающихся по спец. 011000 "Химия", 032300 "Химия": В 3 ч.. Ч. 1. Кристаллография: структуры и симметрии кристаллов; Авт.-сост.: А.А. Смоликов, М.А. Трубицын; БелГУ. - Белгород: БелГУ, 2003.- 64 с. • Осипов В.И., Соколов В.Н. Румянцева Н.А. Микроструктура глинистых пород. М.: «Недра», 1989.-211с. • Основы аналитической химии. Практическое руководство: Учебное пособие для вузов/ В.И. Фадеева, Т.Н. Шеховцова, В.М. Иванов и др.; Под. ред. Ю.А. Золотова.-М.: Высш. шк., 2001.-463с. • Руководство пользователя NanoEducator. ЗАО «НТ-МДТ». М., 2006. 81 с. • Чупроунов Е.В., Хохлов А.Ф., Фадеев Н.А. Кристаллография.- М.: Издательство физико-химической литературы, 2000.-142 с.

20. Белоусова О.Н., Михина В.В. Общий курс петрографии. М.: «Недра»-1972.-344с. • Батаев А.А., Батаев В.А., Тушинский Л.И., Которов С.А., Буторин Д.Е., Суханов Д.А., Батаева З.Б., Смирнов А.И., Плохов А.В. Физические методы контроля материалов: Учебное пособие/Под. ред. А.А. Батаева. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – 103с. • Карупу В.Я. Электронная микроскопия. – К.: «Вища школа», 1984. – 208 с. • Родыгин А. И Структурные диаграммы — Томск, 1980. — 76 с. • Сергеева Н Е Введение в электронную микроскопию минералов — М. Изд-во Моск ун-та, 1977. —144 с. • Reed S.J.B. Electron microprobe analysis and scanning electron microscopy in geology. University of Cambridge. – 2005. – 189 p.

21. http://www.edax.com • http://www.zeiss.com • http://www.fei.com • http://www.jeoluk.com • http://www.nanofactory.com • http://www.ntmdt.com • http://www.leica-microsystems.com • http://www.probes.com • http://fluo-microscopy.ru • http://www.nanonewsnet.ru • http://www.pacificnanotech.com • http://www.jeol.com • http://www.olympus-europa.com • http://www.nikon-instruments.com