Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István 1. Bevezetés TÁMOP C-12/1/KONV projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

1. Bevezetés Elmélet – A mikroszkópiás módszerek alapelvei. – Történeti áttekintés – Osztályozás – Alkalmazási területek Gyakorlat – A képi információ kezelése Segédanyagok

A mikroszkópiás módszer alapelvei

A mikroszkópiás képalkotás A mikroszkópia valamilyen képalkotási eljárást jelent, amelynek célja a szabad-szemmel nem látható mérettartományú struktúrák megjelenítése. A mikroszkópos képalkotást az egyéb mérési módszerektől a képi megjelenítés, a térbeli elrendezés megőrzése, illetve használata különbözeti meg. A mikroszkópiás kép megjelenítése révén a mikrovilág makroszkopikus lenyomatát állítjuk elő, ami lehetővé teszi, hogy részeseivé legyünk a mikrovilág történéseinek.

A mikroszkópiás leképezés A képalkotási módok – A minta lokális jellemzői mint szórócentrumok módosítják a leképező részecske nyalábot. A szórási folyamat során keletkező nyaláb térbeli intenzitás és fázis információi alapján rekonstruálható a szórócentrumok jellege és eloszlása. – A minta és a próba közti lokális kölcsönhatás vizsgálatával és a próba pozíciójának módosításásával megvalósított méréssorozat alapján állítjuk elő a minta képét – A leképező tér inhomogenitását és a minta és a leképező tér közti nem-linearitás kölcsönhatást kihasználva lokalizáljuk a detektált információt.

A leképezés általános leírása A leképezés egy térosztásos kommunikációs csatornaként is értelmezhető. Az általános leképezést jellemző mennyiségek – PSF (Point Spread Function) egy pont képének megfelelő eloszlás a képtérben – OTF (Optical Transfer Function) Képátviteli függény: egy periódikus térbeli frekvencia képének amplitudóját és fázisát megadó függvény – Lineáris leképezés esetén a két leírás egyenértékű

Optikai átviteli függvény Felbontási határ Térbeli frekvencia: periódus/méter Interaktív animáció

Térbeli frekvencia jellemzése A tárgyat periódikus hullámok összegeként állítjuk elő Interaktív animáció

Fourier transzformáció Egy hullámot a fázisa és az amplitudója jellemzi, ezt a komplex számot rendeljük a reciptok tér megfelelő pontjához. Interaktív animáció

Az OTF és a PSF kapcsolata Interaktív animáció

A digitális képi információ A mikroszkópos képalkotás eredményeként előálló információ eleve digitális információként jelenik meg, vagy digitális információvá alakítható. A mikroszkópiás képeket digitalizált formában alkalmazzuk, számítógépes képfeldolgozási módszerek segítségével. A mikroszkópiás kép megjelenítése, manipulálása, feldolgozása a képfeldolgozási módszerek ismeretét igényli.

A mintavételezés A mintavételezés történhet időben soros vagy párhuzamos módon. A párhuzamos leképezés esetén is szerepet játszhat a kamera „shutter” viselkedése egy gyors folyamat esetén.

A digitális kép tartalma A kép pixelei mintavételezett mérést reprezentálnak, amelyek közt térbeli szomszédsági kapcsolat van. – A pixel nem egy kis négyzet a képen, a mintavételezés eredményét egy ponthoz rendeljük – A térbeli viszonyok eltérhetnek a mátrix indexek által meghatározott pozíciótól (pl hexagonális detektor elrendezés) – A képelemekhez geometriai méretskála rendelhető, ezt az információt a kép általában nem tartalmazza, a kalibrálást külön kell elvégezni,.

A digitális mikroszkópiás adat Kép vagy képsorozat (idő, illetve leképezési paraméter alapján) A legkisebb képelem a pixel (voxel) egy helyre vonatkozó skalár vagy vektor adatokat tartalmaz A kép a pixelek n dimenziós mátrixa, ahol n a kép dimenziója (1,2,3,4) A pixelek által hordozott adatok valamilyen megjelenítési eljárás eredményeként válnak megtekinthetővé két vagy három dimenziós kép vagy film formájában.

A mikroszkópia mint virtuális valóság A mikroszkópiás leképezés kétirányú volta lehetővé teheti a mikrovilág manipulálását. A megfigyelhetőség és manipulálhatóság révén a mikro és nanovilágban megvalósítható egy korlátozott távjelenlét. Mivel a mikrovilágot a makrovilágba beágyazottan szemléljük, a leképezés és a megfigyelés megváltoztatja a struktúrák jellegét. Az atomi feloldású mikroszkópiában megvalósított atomi leképezés klasszikus objektumként vizualizálja az atomokat.

A mikrovilág leképeződése távjelenlétként Érzékelés szenzor 2 szenzor 1 Szenzor interfész Beavatkozás Manipulátor interfész Manipulátor 2 Manipulátor 1 Én és közvetlen környezetem Manipulátor szenzor Hatékony környezet- modell Hatékony környezet- modell A figyelem szűrője Mikrovilág Makrovilág

Történeti áttekintés

Optikai mikroszkópia Az első mikroszkóp egyetlen lencse segítségével virtuális nagyított képet állított elő. 1 mikron : Leeuwenhoek c.c.1600 Abbe határt ad a felbontásra Több fokozatú mikroszkópok: – 220 nm körül (1800 – as évektől) Richard Zsigmondy 1903 Ultramikroszkóp Fritz Zernika 1932 Fáziskontraszt mikroszkóp 1978 Thomas and Christof Clemens: Szuperfelbontású pásztázó lézer mikroszkóp elve – 20 nm / 3D

Röntgen-diffrakció Debay 1930 diffrakció kristályrácsokon Atomi felbontás a reciprok térben Kristályosítva bonyolult szerkezetű molekulák felépítése is feltárható (DNS 1953 Watson és Krick) A diffrakciós kép a nyaláb amplitúdóját rögzíti, a szerkezet rekonstruálása a fázis meghatározását is igényli. A diffrakciós leképezés elektronokkal és más részecskékkel is megvalósítható.

Térion mikroszkóp és atompróba Müller 1936 : FEM Müller 1951 : FIM – Atomi felbontás Atompróba : AP – Atomok leválasztása a tű hegyéről és tömegspetrometria 3D AP : képalkotás tömegspektrometriával a leváló atomok segítésével. Töltött W csúcs Ar ion Ionizációs helyek vetülete

Elektron mikroszkópia Ruska 1933 – Elektron hullám tulajdonságait kihasználva, elektrosztatikus és mágneses lencsékkel leképező mikroszkópia – Transzmissziós és Pásztázó módszer Scherzer 1936 – tétele a hengerszimmetrikus lencsékről, korlát a lencsehiba korrekcióra – felbontási határ 100 elektron hullámhossz Gábor Dénes 1937 – a holografikus elv felismerése az elektronmikroszkóp felbontásának javítására (elmélet, optikai alkalmazás) Aberráció korrekció nem hengeres lencsékkel

Pásztázó alagútmikroszkóp Rohrer és Binnig 1981 (IBM) Lokális próba módszer – topográf szerű – Alagútáram erős lokalizációcsak a tű és a minta legközelebbi atomja közt folyik Pásztázás és pozícionálás nanométeres pontossággal Visszacsatolás és rezgés csillapítás Atomi felbontás készen megvásárolható eszközökből felépített rendszerrel

Atomi erő mikroszkóp Binnig- Quate-Gerber 1986 A pásztázó alagút mikroszkóp elvének továbbfejlesztése nem vezető minták vizsgálatára A minta és a tű közti kölcsönhatásból származó erő felhasználása a leképezéshez Kontaktus, érintő kontaktusos és kontaktus mentes leképezés Statikus és rezgő próbával végezhető mérés Sokféle erőhatás alkalmazható a képalkotás során Direkt atomi feloldás speciális technikákkal érhető el.

Osztályozás

Képalkotó módszerek csoportosítása PárhuzamosSoros FotonokMikroszkópSzkenner ElektronokTranszmissziós elektron mikroszkóp Pásztázó elektron mikroszkóp, AtomokTérion mikroszkópPásztázó próba mikroszkóp A leképezés során a képelemek egyidejűleg, vagy időben egymás után állíthatók elő. A leképezéshez használt, a vizsgált objektummal kölcsönható anyagi objektum típusa A kölcsönhatás jellege alapján további altípusok és kombinált leképezési módszerek valósíthatók meg.

Mikroszkóp típusok Fénymikroszkóp (UV, látható, IR) Raman Elektron (SEM, TEM) Röntgen Térion mikroszkóp Közeli tér pásztázó mikroszkóp (STM, AFM, MFM, SNOM)

Alkalmazási területek

Alkalmazások Orvostudomány Biológia Anyagtudomány Kémia Nanotechnológia Geológia Bolygókutatás …………

Alkalmazási területek Az egyes alkalmazási területek speciális követelményeket támasztanak a mikroszkópiás eljárásokkal szemben: – A vizsgálandó minta típusa – A preparáció módja – A vizsgált struktúrák jellege, mérete – Időbeli felbontás igénye

Vizsgálati lehetőségek Szerkezetvizsgálat Mikrostruktúra Kölcsönhatás Dinamika Méretskála –> szükséges felbontás cale/ cale/

A képi információ kezelése Gyakorlati feladatok

A képi információ tárolása Informatikai kérdések – File formátum: Kép és meta adatok – Szabványos formátumok – Egyedi cégfüggő formátumok – Nyílt forráskódú rendszerek – Konvertáló programok – Archiválás, tömörítés – Kép állományok beolvasása és módosítása

Szabványos kép formátumok kezelése FIJI (IMAGEJ) letöltése – Nyilvános, bővíthető, makró programozható képfeldolgozó program Mintaképek betöltése, ismerkedés a program funkcióival Képformátumok – 8,16,32 bit, lebegőpontos színes és fekte-fehér – TIFF, PNG, GIF, JPEG, BMP, DICOM, FITS, raw – Képcsomagok (képsorozat egy ablakban) – Egyszerre több kép megnyitható

Ellenőrző kérdések

1.Mi a mikroszkópia célkitűzése ? 2.Milyen mikroszkópiás módszereket ismer? 3.Milyen információt hordoz a digitális kép? 4.Milyen képformátumokat ismer? 5.Kinek a nevéhez köthető az egyes mikroszkópiás módszerek felfedezése? 6.Milyen sorrendben alakultak ki az egyes mikroszkópiás technikák ? 7.Milyen fő alkalmazási területei vannak a mikroszkópiának? 8.Mit ír le a pontkiterjedési függvény? 9.Mivel jellemezhető a mikroszkóp frekvencia átvitele? 10.Mi a kapcsolat az optikai átviteli fügvény és a pontkiterjedési függvény között?

Segédanyagok

Kiegészítő olvasmányok G. Binnig, C.F. Quate: „Atomic Force Microscope” 1986 PRL v56 p931

Programok FIJI (IMAGEJ) – OMERO – Virtual Microscope –

Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István KÖSZÖNÖM A FIGYELMET ! TÁMOP C-12/1/KONV projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"