Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Ключевой элемент ближнепольного микроскопа – оптический зонд, субволновая диафрагма, удерживаемая на малом расстоянии от поверхности.
Рис.2. Картина дифракции, возникающая при фокусировании света объективом обычного оптического микроскопа. Изображение получено с помощью СБОМ (Интегра Солярис, НТ-МДТ), распределение интенсивности оптического сигнала кодировано псевдоцветом (шкала показана справа).
Рис.3. Нанолаборатория Интегра Солярис, НТ-МДТ.
Рис.4. Изображение меченых ФИТЦ антител в митохондриях, СБОМ (Интегра Солярис, НТ-МДТ).
Рис.5. TERS – усиление сигнала КР происходит в небольшой области пространства вблизи от кончика СЗМ зонда. На спектрах справа показано, что сигнал G-линии углеродных нанотрубок многократно усиливается при приближении зонда к образцу.
Рис.6. КР микроскопия углеродных нанотрубок. Слева – конфокальное КР изображение пучка нанотрубок, справа – TERS изображение того же пучка, сделанное в том же спектральном диапазоне (G-линия).
Данные получены в лаборатории Prof. G. de With (TUE, Голландия) коллективом авторов: Dr. S.Kharintsev, Dr. G. Hoffmann, Dr. J. Loos, а также Дорожкиным П., НТ-МДТ. Прибор – Интегра Спектра.
Рис.7. Пучок углеродных нанотрубок диаметром около 90 нм на TERS изображении (внизу) имеет практически такую же толщину, как и на АСМ изображении (вверху). Пространственное разрешение TERS-картирования также можно оценить на участках «ветвления» пучка. Данные получены коллективом авторов: J. Jao, R. Zenobi (ETH Zurich, Швейцария), G. Hoffman, J. Loos, (TUE, Голландия), а также Дорожкиным П., НТ-МДТ. Прибор – Интегра Спектра

Существует ли цвет в наномире?

Ключевые слова:  КР - микроскопия сверхвысокого разрешения, наноазбука, периодика, Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия

Автор(ы): Компания НТ МДТ

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

14 сентября 2007

(о возможностях оптических методов за пределом дифракции)

Еще со школьной скамьи мы знаем, что пространственное разрешение любого оптического метода ограничено дифракцией. Для видимого света, который и дарит нам привычную гамму цветов, предел разрешения составляет около 200 нм. Это та граница на шкале размеров, которая, словно река Лета, отделяет макро- и микромир ярких красок, от бесцветного наномира, в котором само понятие естественного спектра, казалось бы, теряет смысл.

Так было раньше, но развитие современных методов исследования позволило шагнуть далеко за предел дифракции. Сегодня оптические свойства вещества в видимом диапазоне длин волн можно изучать с пространственным разрешением в десятки нанометров. Рассмотрим только два подхода, которые стали возможны благодаря развитию сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).

Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ)

Дифракция не позволяет нам сфокусировать луч света в пятно меньше некоторого предела (около 200 нм для синего света). Но что будет, если мы заставим свет проходить через очень маленькое отверстие – с диаметром существенно меньше длины волны? Общечеловеческий здравый смысл подсказывает, что на большом удалении от такой маленькой диафрагмы мы получим очень слабый сигнал, кроме того, луч будет расширяться в силу все той же дифракции. Напротив, вблизи от диафрагмы вроде бы должна быть возможность получить достаточно узкий световой пучок. Идея сделать микроскоп, работающий на таком принципе, появилась еще в начале ХХ века. На самом деле теория СБОМ, то есть детальное описание того, что происходит со светом вблизи субволнового отверстия, далеко не так проста. Тем не менее, практические следствия из нее близки к тем, что подсказывает здравый смысл.

Если заставить свет пройти через диафрагму диаметром 50-100 нм и приблизить ее на расстояние несколько десятков нанометров к поверхности исследуемого образца, то, перемещая такой «источник света» по поверхности от точки к точке (и обладая достаточно чувствительным детектором), можно исследовать оптические свойства данного образца в локальной области, соответствующей размеру отверстия.

Именно так устроен сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ). Роль отверстия (субволновой диафрагмы) обычно выполняет оптоволокно, один конец которого заострен и покрыт тонким слоем метала, везде, кроме небольшой области на самом кончике острия (диаметр «незапыленной» области как раз составляет 50-100 нм). С другого конца в такой световод поступает свет от лазера (Рис.1).

На рисунке 1 показана схема, реализованная в нанолаборатории Интегра Солярис (Рис.2, 3). В ней удержание апертуры на нужном расстоянии от поверхности осуществляется благодаря поперечно-силовым взаимодействиям. Амплитуда вынужденных колебаний кончика оптоволокна резко уменьшается в непосредственной близости от поверхности (еще до того как острие коснулось образца). Этот параметр (амплитуда колебаний) регистрируется кварцевым резонансным датчиком и используется в качестве сигнала обратной связи, на основании которого пьезоэлементы поднимают оптический зонд над поверхностью (когда амплитуда колебаний уменьшается слишком сильно) или, напротив, приближают его к ней (при увеличении амплитуды). При такой схеме одновременно с построением оптического изображения автоматически получается карта рельефа поверхности. Разновидности СБОМ, дающие различную оптическую информацию (о пропускании/поглощении , об отражении, о люминесценции), представлены на сайте НТ-МДТ в виде анимированных схем.

С помощью СБОМ можно изучать оптические явления с пространственным разрешением 30-50 нм. На рисунке 2 видно, как выглядит сама картина дифракции при фокусировании света 100-кратным объективом в обычном световом микроскопе. Искусственная гамма цветов в данном случае помогает лучше понять характеристики объекта: переход от зеленого к красному здесь – это половина высоты пика интенсивности сигнала, т.е. размеры красного пятна показывают реальную разрешающую способность данной оптической системы (оптического микроскопа).

Отличительной особенностью СБОМ является принципиальная необходимость работать с очень слабыми сигналами. При прохождении через субволновую апертуру интенсивность оптического сигнала снижается на 4-5 порядков. Того, что остается, оказывается вполне достаточно при наличии чувствительного детектора, если мы имеем дело с высоко прозрачными объектами, яркой флуоресценцией (Рис.4) или с хорошо отражающими поверхностями. Однако многие спектроскопические методы оказываются недоступны для СБОМ. Например, спектроскопия комбинационного рассеяния сама по себе основана на регистрации слабых сигналов (примерно один фотон на 10 миллионов несет информацию, пригодную для КР спектроскопии). Поэтому совмещение КР микроскопии и СБОМ для спектральных измерений за дифракционным пределом оказывается невозможным.

КР микроскопия сверхвысокого разрешения

В конце прошлого (ХХ) столетия было обнаружено удивительное явление – наноразмерные неровности на поверхности некоторых металлов (в частности, золота и серебра) могут на несколько порядков увеличивать частоту комбинационного рассеяния (см. например, СОЖ, т.7, №7, 2001, стр. 109-116). Этот феномен лег в основу множества научных публикаций, в которых по спектрам КР обнаруживали сверхмалые количества вещества (вплоть до единичных молекул). Surface Enhanced Raman Scattering или SERS – так в англоязычной литературе стали обозначать явления в которых для получения гигантского усиления КР используются специальные шероховатые подложки с серебряным или золотым покрытием.

Таким образом, SERS позволяет решить проблему слабых сигналов в спектроскопии КР. Однако такая схема обнаружения веществ не решает проблему пространственного разрешения. Очевидно, что если около одной наноразмерной шероховатости – скажем, наночастицы серебра, – окажутся две одинаковые молекулы, мы в принципе не сможем разрешить их, т.е. увидеть как два отдельных источника сигнала, и, тем более, измерить расстояние между ними, если это расстояние будет меньше предела дифракции.

НТ-МДТ оказалась первой компанией, которая соединила вместе оптический микроскоп/спектроскоп КР и сканирующий зондовый микроскоп и на базе этого сочетания сделала коммерческий прибор для КР микроскопии за пределом дифракции (Интегра Спектра). Принцип его работы показан на схеме (Рис.5). В качестве наноразмерно-шероховатой поверхности выступает кончик СЗМ зонда со специальным металлическим покрытием. Такой зонд помещается в определенную область в фокусе светового пучка. Свет фокусируется мощным оптическим микроскопом, причем, благодаря включению конфокальной схемы, пространственное разрешение оптической части приближается к предельно возможному. Когда освещенное острие зонда приближается к поверхности образца, оно начинает усиливать комбинационное рассеяние в поверхностном слое вещества. Перемещая образец и регистрируя сигнал КР в каждой точке поверхности, можно построить карту распределения спектральных свойств в образце. Явления, в которых гигантское усиление КР осуществляется с помощью специального острия, в английской литературе получили обозначение TERS – Tip Enhanced Raman Scattering (разработчики НТ-МДТ были первыми, кто сделал коммерчески доступный прибор для работы с TERS, однако научных работ по этой тематике опубликовано уже немало).

Сигнал КР вблизи от острия намного сильнее, чем во всех остальных участках светового пятна, поэтому пространственное разрешение такого картирования определяется областью локального усиления КР сигнала, а она составляет несколько десятков нанометров. На рисунках 6 - 7 приведены изображения пучка углеродных нанатрубок – одно получено в режиме конфокальной КР микроскопии (для картирования взята G-линия), а второе – в режиме TERS. На TERS изображении виден «призрак» обычного конфокального изображения – это сигнал из остальной части светового пятна (яркая линия – это сигнал из-под иглы).

Таким образом, исследуя образец специальным зондом, точно спозиционированным в фокусе светового пучка, можно локализовать сигнал КР с разрешением несколько десятков нанометров. Это открывает огромные возможности практически во всех областях науки, где КР спектроскопия используется, как источник информации о веществе. Американский журнал «Research and Development», который проводит ежегодный конкурс в области научных разработок, ориентируясь, прежде всего, на перспективность заложенной в основу идеи, назвал в 2006 году нанолабораторию Интегра Спектра (NTEGRA Spectra) одной из 100 лучших разработок.

Если спектр КР – это своего рода «цветовая подпись», специфичная для данного типа молекул, то TERS – это способ идентифицировать «по цвету» сверхмалые количества вещества (вплоть до единичных молекул). Продолжая образный ряд, можно сказать, что и TERS (Интегра Спектра) и СБОМ (Интегра Солярис) дают возможность различать цвета далеко за пределом дифракции. Поэтому на вопрос, поставленный в заглавии данной статьи, отвечаем положительно: цвета у нанообъектов не только существуют, но и доступны для наблюдения!


В статье использованы материалы: НТ МДТ


Средний балл: 9.8 (голосов 4)

 


Комментарии
Чижов А. В., 16 сентября 2007 08:52 
Что такое "КР" простому читателю стоит только догадываться. У автора-то это слово уже приелось...
Ибо четкой строчки с расшифровкой я так и не усмотрел.
Гудилин Евгений Алексеевич, 16 сентября 2007 10:32 
КР - комбинационное рассеяние или Раман-спектроскопия. ОЧЕНЬ полезный спектроскопический метод анализа. Дополнителен к ИК (Инфра-красной спектроскопии) и может работать с непрозрачными неорганическими веществами (потому что работает на "флюоресценцию" - неупругое отражение лазерного пучка).
Чернышов Иван Юрьевич, 04 января 2009 19:41 
Ссылаетесь на флюорессенцию, но нам - школьникам (6-8 класса) непонятно как это происходит. Умоляем подсказать, где можно посмотреть материал по этому поводу, чтобы можно было понять, что написано...
Флюоресценция (а также часто "флуоресценция", хотя попробуйте так произнести... В русском языке есть такая буква "Ю" в отличиe от многих иностранных, и почему бы ее не использовать)
Возвращаясь-таки от этимологии к самому явлению:
Вот и вот, и Википедию потом посмотрите.
Хадиев Азат Равилевич, 24 января 2011 01:40 

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Cтранные лица микромира
Cтранные лица микромира

Наносистемы: физика, химия, математика (2024, Т. 15, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume15/15-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 4)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-4
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2023 году
коллектив авторов
30 мая - 01 июня пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.