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 II. Az összefonódás megközelítése a fénymikroszkópia oldaláról

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) Az atommodell, mint lépték Au diffrakció

Carl Zeiss, Sub-Angstrom TEM, (SATEM)

EDS detektálási határ STEM-ben, David Williams (Lehigh Univ.) 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 mm nagyságrendű (TiLa vonalával már 0,5 mm-t is sikerült elérni.)

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

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

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

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: 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)

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

Két-fotonos (lézer pásztázó) fluoreszcens mikroszkópia alapja

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

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

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

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)

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=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 MDMA (Ecstasy) Forrás: Jobin Yvon prospektusából

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 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

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) 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

Olaj csillámon AFM SIAM F. 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

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 lézer fluoreszcens 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.