CZ2011479A3

CZ2011479A3 - Liquid cell for investigation of a sample using atomic force microscopy of high resolving power

Info

Publication number: CZ2011479A3
Application number: CZ20110479A
Authority: CZ
Inventors: Füzik@Tibor; Ulbrich@Pavel; Ruml@Tomáš
Original assignee: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2012-09-05
Also published as: CZ303424B6

Abstract

Kapalinová cela pro pozorování vzorku pomocí mikroskopie atomárních sil, umožnující dosažení vysokého rozlišení, je mechanická soucástka, která reší mnohé nedostatky kapalinových cel používaných pro tyto úcely v soucasnosti. Podstata vynálezu spocívá v tom, že malá velikost kapalinové cely (4) zamezuje vyparování kapaliny a urychluje teplotní stabilizaci systému s minimálními objemovými zmenami, pricemž pevné uchycení nosice (2) se vzorkem pomocí kroužku (1) opatreného závitem zabranuje nežádoucím oscilacím vzorku zpusobeným rozechvením hrotu piezoakustickým rezonátorem mikroskopu. Presné umístení AFM hrotu na stanovené místo je usnadnené vytvorením rastru pod prusvitným nosicem vzorku pomocí sítky (3) používané pro elektronovou mikroskopii.The atomic force microscopy liquid cell sample cell, allowing for high resolution, is a mechanical component that solves many of the fluid cell deficiencies currently used for these purposes. The essence of the invention is that the small size of the liquid cell (4) prevents evaporation of the liquid and accelerates the temperature stabilization of the system with minimal volume changes, while the fixed attachment of the sample carrier (2) with the threaded ring (1) prevents undesirable oscillations of the sample caused by the tip of the tip a piezoacoustic resonator of a microscope. Accurate positioning of the AFM tip at a predetermined location is facilitated by creating a grid under the translucent sample carrier using a screen (3) used for electron microscopy.

Description

Vynález se týká řešení kapalinové cely mikroskopu atomárních sil, umožňující zobrazení studovaného předmětu s vysokým rozlišením, (z angl. atomic force microscopy, AFM),The invention relates to the solution of a liquid cell of an atomic force microscope, enabling the imaging of a studied object in high resolution, (from the English atomic force microscopy, AFM),

Dosavadní stav technikyState of the art

Mikroskopie atomárních sil je zobrazovací metodou, jejímž principem je skenování povrchu velmi jemnou jehlou (hrotem), přičemž se zaznamenává trajektorie hrotu v ose a tímto se vytváří matice topografie vzorku. Skenování vzorku může podle typu vzorku probíhat v různém prostředí, jako například ve vzduchu, vakuu nebo v kapalině. Zobrazování vzorku v kapalině se využívá zejména při studiu biologických materiálů a jejich jemné struktury. Díky tomu, že biologické vzorky jsou většinou měkkého charakteru, může být jejich povrch snadno poškozen skenujícím hrotem. Proto je k jejich zobrazení nutné používat takovou metodu skenování, která úspěšně eliminuje střižné síly na rozhraní vzorku a hrotu. Touto metodou je tzv. tapping mode (tm), nazývaný také jako semikontaktní režim skenování vzorku, přičemž pomocí piezo krystalu dochází k akustickému rozechvívání hrotu na jeho rezonanční frekvenci. Protože kapalina má mnohem vyšší hustotu a viskozitu než vzduch, rezonanční frekvence hrotu se nachází nejčastěji v oblasti mezi 7-15 kHz. Jelikož se zvukové vlny v kapalině velmi dobře šíří, dochází při rozechvívání hrotu nejen k jeho rezonanci, ale i k rezonanci celého prostředí, ve kterém se hrot nachází, tedy včetně kapalinové cely, ve které je umístěný pozorovaný vzorek.Atomic force microscopy is an imaging method whose principle is to scan the surface with a very fine needle (tip), recording the trajectory of the tip in the axis and thus creating a matrix of the topography of the sample. Depending on the type of sample, the sample can be scanned in different environments, such as air, vacuum or liquid. Imaging of a sample in a liquid is used mainly in the study of biological materials and their fine structure. Due to the fact that biological samples are mostly soft in nature, their surface can be easily damaged by a scanning tip. Therefore, it is necessary to use a scanning method that successfully eliminates shear forces at the sample-tip interface to display them. This method is the so-called tapping mode (tm), also called the semi-contact mode of scanning the sample, while the piezo crystal acoustically vibrates the tip at its resonant frequency. Because the liquid has a much higher density and viscosity than air, the resonant frequency of the tip is most often in the range between 7-15 kHz. Since the sound waves in the liquid propagate very well, when the tip vibrates, it resonates not only, but also the whole environment in which the tip is located, including the liquid cell in which the observed sample is located.

Kapalinové cely používané v současnosti se často vyznačují svojí komplexní a komplikovanou stavbou, která sice umožňuje jejich univerzální použití, avšak v důsledku jejích konstrukce a vibrací vyvolaných piezoakustickým držákem hrotu dochází k výraznému snížení kvality obrazu a tím i ke snížení rozlišovací schopnosti mikroskopu. Typickým příkladem jsou kapalinové cely, které jsou na skener mikroskopu připevněny mechanicky a do kterých je magneticky přichycený kovový nosič se vzorkem (většinou mikroskopické krycí sklíčko nebo kousek slídy), přičemž je vzorek k nosiči připevněný pomocí kovových pružin. V tomto případě vzniká více stupňů volnosti mezi skenovaným povrchem a skenerem. Dalším problémem tohoto uspořádání cely je nadměrná velikost a objem cely (často 1 ml a více), z důvodu možné adaptace cely na různé typy vzorků. V tomto případě pak dochází při otevřené cele k vypařování kapaliny a tím i k teplotním nestabilitám v průběhu skenování vzorku. Protože se v dnešní době používají zlatém pokovené hroty, je tento efekt ještě umocněný bimetalickým ohýbáním raménka hrotu. Nezanedbatelná je i hmotnost vlastní cely, která je obvykle vyrobená z kovu, přičemž hmotnost vzorku (vlastní vzorek nanesený na výše zmiňované sklíčko) představuje pouze nepatrný zlomek hmotnosti celé cely. Skener ovšem v případě použití metody skenování vzorkem pohybuje celou kapalinovou celou, jejíž setrvačnost je kvůli její vyšší hmotnosti nezanedbatelná. Jelikož se pomocí AFM v kapalině analyzují většinou biologické vzorky, může být nezanedbatelným faktorem ovlivňujícím metodu i materiál, ze kterého je cela vyrobená. Pro mnoho aplikací je kovová cela vhodným řešením, ovšem pro některé aplikace může být tento materiál nevhodný z důvodu možnosti různých chemických reakcí mezi materiálem cely a vzorkem nebo kapalinou v níž je vzorek do cely aplikován. Dalším problémem při analýze vzorkuje přesné polohování hrotu a možnost návratu na konkrétní přesné místo na vzorku, pokud je například nutné vyměnit hrot v průběhu skenování vzorku (například z důvodu kontaminace hrotu). Většinou se tento problém řeší pomocí aplikace vizuální značky (například vodě odolnou fixou nakreslený bod), ale i v tomto případě nelze hrot vrátit na zcela přesné místo z důvodu velikosti značky.The liquid cells used today are often characterized by their complex and complicated construction, which allows their universal use, but due to their construction and vibrations caused by the piezoacoustic tip holder, the image quality is significantly reduced and thus the microscope's resolution is reduced. A typical example is liquid cells which are mechanically attached to a microscope scanner and to which a metal sample carrier (usually a microscope cover slip or a piece of mica) is magnetically attached, the sample being attached to the carrier by metal springs. In this case, there is more degrees of freedom between the scanned surface and the scanner. Another problem with this cell arrangement is the excessive size and volume of the cell (often 1 ml or more), due to the possible adaptation of the cell to different types of samples. In this case, when the cell is open, the liquid evaporates and thus the thermal instabilities during the scanning of the sample. Because gold-plated spikes are used today, this effect is exacerbated by the bimetallic bending of the spike arm. The weight of the cell itself, which is usually made of metal, is also not negligible, while the weight of the sample (the sample itself applied to the above-mentioned slide) represents only a small fraction of the weight of the cell as a whole. However, when using the sample scanning method, the scanner moves the entire liquid cell, the inertia of which is not negligible due to its higher weight. As most biological samples are analyzed in the liquid using AFM, the material from which the cell is made can be a significant factor influencing the method. For many applications, a metal cell is a suitable solution, but for some applications this material may be unsuitable due to the possibility of different chemical reactions between the cell material and the sample or the liquid in which the sample is applied to the cell. Another problem with sample analysis is the precise positioning of the tip and the ability to return to a specific exact location on the sample if, for example, the tip needs to be replaced during sample scanning (for example due to tip contamination). Usually, this problem is solved by applying a visual marker (such as a water-resistant marker drawn point), but even in this case, the tip cannot be returned to a very precise location due to the size of the marker.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Výše uvedené nedostatky do značné míry eliminuje upravená, zmenšená cela pro skenování vzorku v kapalině, s pevně připevněným vzorkem.The above drawbacks are largely eliminated by a modified, reduced cell for scanning the sample in liquid, with the sample firmly attached.

Námi navržená cela má zmenšené rozměry, které zároveň umožňují použití standardizovaných sklíček pro aplikaci vzorku, používaných ve světelné mikroskopii (sklíčka o průměru 12 mm), případně slídové povrchy vyřezané do příslušného tvaru a velikosti. Objem cely je minimalizovaný snížením bočních okrajů cely, které jsou však stále dostatečné k tomu, aby se zabránilo vylití kapaliny a potenciálnímu poškození skeneru unikající kapalinou. Sklíčko s aplikovaným vzorkem je v cele pevně přichycené, čímž nedochází k jeho rezonanci v důsledku vybuzení piezoakustickým rezonátorem. Cela je ke skeneru připevněná buď mechanicky, pomocí napevno přichycené vhodné destičky, nebo je přichycena magneticky pomocí magnetu integrovaného do cely anebo magnetu už dodávaného v rámci skeneru přístroje. Výroba cely je jednoduchá a je možněji vyrobit z různých materiálů vhodných pro různé typy vzorků. Pro přesné polohování hrotu slouží rastr, který je vytvořený pomocí měděné elektronmikroskopické síťky, umístěné pod sklíčko, na které se nanáší vzorek. Jemný, čtvercový nebo hexagonální rastr síťky umožňuje umístění hrotu s přesností na několik mikrometrů, pomocí optického mikroskopu zobrazujícího polohu hrotu.The cell designed by us has reduced dimensions, which also allow the use of standardized slides for sample application, used in light microscopy (slides with a diameter of 12 mm), or mica surfaces cut to the appropriate shape and size. The cell volume is minimized by lowering the side edges of the cell, which, however, are still sufficient to prevent liquid spillage and potential damage to the scanner by escaping liquid. The slide with the applied sample is firmly attached in the cell, which does not resonate it due to excitation by a piezoacoustic resonator. The cell is attached to the scanner either mechanically, by means of a suitable plate fixed, or it is attached magnetically by means of a magnet integrated into the cell or a magnet already supplied within the scanner of the device. The production of the cell is simple and it is possible to produce from different materials suitable for different types of samples. For precise positioning of the tip, a raster is used, which is created by means of a copper electron microscopic mesh, placed under the slide, on which the sample is applied. The fine, square or hexagonal grid of the mesh allows the tip to be placed with an accuracy of a few micrometers, using an optical microscope showing the position of the tip.

• 3 Přehled obrázku na výkrese• 3 Overview of the figure in the drawing

Vynález je blíže vysvětlený pomocí výkresu, na kterém je znázorněna cela a její jednotlivé komponenty. Obrázky č. 1 a č. 2 reprezentují axonometrický pohled na celu.The invention is explained in more detail with the aid of the drawing, in which the cell and its individual components are shown. Figures No. 1 and No. 2 represent an axonometric view of the cell.

Příklady provedení:Examples of design:

1) Kapalinová cela je zhotovena z vlastní hlavní části cely 4, vyrobené z nerezové oceli nebo jiného kovového materiálu, ze spodu je do ní vsazený (nejlépe neodymový) magnet 5, který slouží k přichycení cely 4 ke skeneru, anebo k držáku kapalinové cely v mikroskopu. Do samotné cely 4 je vložená elektronmikroskopická síťka 3, která je překrytá nosičem 2 vzorku, což může být například sklíčko nebo slída. V případě použití nosiče 2 vzorku z neprůhledného materiálu se elektronmikroskopická síťka 3 do cely 4 nevkládá. Upevnění nosiče 2 vzorku do cely 4 je možné například pomocí vhodného lepidla, které odolává prostředí, ve kterém probíhá skenování vzorku.1) The liquid cell is made of its own main part of the cell 4, made of stainless steel or other metal material, from below is inserted (preferably neodymium) magnet 5, which serves to attach the cell 4 to the scanner or to the liquid cell holder in microscope. An electron microscopic mesh 3 is inserted into the cell 4 itself, which is covered by a sample carrier 2, which can be, for example, a slide or mica. In the case of using a sample carrier 2 made of an opaque material, the electron microscope mesh 3 is not inserted into the cell 4. The attachment of the sample carrier 2 to the cell 4 is possible, for example, by means of a suitable adhesive which resists the environment in which the sample is being scanned.

2) Cela 4 je zhotovená ze skla, přičemž do její spodní části je vsazený magnet 5 pro její přichycení na skener anebo k držáku kapalinové cely v mikroskopu. V případě, že je vnitřní plocha cely 4 dostatečně hladká, může se tato plocha použít přímo k aplikaci (imobilizaci) vzorku, bez nutnosti vložení nosiče 2 vzorku. Je ovšem nutné vnitřní povrch cely 4 dokonale vyčistit vhodným prostředkem. Stejně tak je ale možné do cely 4 pomocí lepidla vlepit nosič 2 (sklíčko, slída, nebo jiný inertní průhledný materiál) vzorku. Ten je možné, stejně jako v případě 1) podložit elektronmikroskopickou síťkou 3.2) The cell 4 is made of glass, while in its lower part a magnet 5 is inserted for its attachment to the scanner or to the holder of the liquid cell in the microscope. If the inner surface of the cell 4 is sufficiently smooth, this surface can be used directly for the application (immobilization) of the sample, without the need to insert the sample carrier 2. However, it is necessary to thoroughly clean the inner surface of the cell 4 with a suitable agent. However, it is also possible to glue the sample carrier 2 (slide, mica, or other inert transparent material) into the cell 4 using glue. This can, as in the case of 1), be supported by an electron microscopic mesh 3.

3) Cela 4 je zhotovená podobně jako v bodě 1) z vhodného kovového materiálu, přičemž do její vnitřní strany je vyřezaný závit 6. Pomocí kroužku 1 opatřeného příslušným závitem na jeho vnější straně je pak vyřešené připevnění nosiče 2 vzorku do kapalinové cely 4. Kroužek 1 může být vyrobený z kovového nerezového materiálu, nebo v případě skenování vzorku citlivého na přítomnost kovu z jiného vhodného materiálu, například pevného inertního plastu, který se vzorkem a kapalinou, ve které probíhá skenování, chemicky neinteraguje.3) The cell 4 is made similarly to point 1) from a suitable metal material, while a thread 6 is cut into its inner side. 1 may be made of a metallic stainless steel material, or in the case of scanning a metal-sensitive sample from another suitable material, such as a solid inert plastic, which does not chemically interact with the sample and the scanning liquid.

4) Cela 4 je zhotovená z odolného plastu. Vnitřní strana cely 4 je opatřena závitem 6 pro upevnění kroužku 1. Nosič 2 vzorku může být do cely 4 připevněn buď jeho vlepením pomocí vhodného lepidla, nebo podobně jako v případě v bodu 3) pomocí upevňovacího kroužku 1.4) Cell 4 is made of durable plastic. The inner side of the cell 4 is provided with a thread 6 for fixing the ring 1. The sample carrier 2 can be fixed to the cell 4 either by gluing it with a suitable glue or, as in point 3) by means of a fixing ring 1.

5) Cely 4 uvedené v bodech 1) - 4) mohou být opatřené těsnící čepičkou vyrobenou z jemné silikonové gumy, která zajišťuje utěsnění mezi držákem hrotu a celou 4, čím vznikne5) The cells 4 mentioned in points 1) - 4) can be provided with a sealing cap made of fine silicone rubber, which ensures a seal between the tip holder and the whole 4, thus creating

- 4 * uzavřená cela 4. Velikost a tvar čepičky závisí na konkrétním řešení držáku hrotu.- 4 * closed cell 4. The size and shape of the cap depends on the specific solution of the tip holder.

6) Příslušnou vhodnou úpravou spodního dílu cely 4 je možné ji upevnit na mikroskopy různých výrobců, přičemž je tato cela 4 použitelná jak pro systém skenováni vzorkem tak pro skenování hrotem.6) By appropriate modification of the lower part of the cell 4, it can be mounted on microscopes of various manufacturers, this cell 4 being usable both for the sample scanning system and for the tip scanning.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Kapalinovou celu, dle vynálezu, lze využít ve všech skenovacích mikroskopech v laboratorním i průmyslovém měřítku, které lze použít pro skenování v kapalině. Účelem je zvýšení kvality a rozlišení skenovaných obrázků, nezávisle na tom, zda se jedná o metody skenování vzorkem nebo skenování hrotem nebo jejich kombinaci.The liquid cell according to the invention can be used in all scanning microscopes on a laboratory and industrial scale, which can be used for liquid scanning. The purpose is to increase the quality and resolution of scanned images, whether they are sample or tip scanning methods or a combination of both.

• 5 - . .• 5 -. .

’ ¹ * ' i I < l <' ¹ *' i I <l <

Patentové nárokyPatent claims

Claims

Patent claims

A Liquid cell (4) for use in atomic network microscopy (with a fixed sample carrier (2) and the possibility of precise visual positioning of the tip on the basis of an integrated raster, characterized in that in the axis of the cell (4) there is a magnet (5) allowing firm attachment to the scanner. (2) the sample is firmly attached by means of a threaded ring (1), and at the same time an electron microscopic mesh (3) is located in the axis of the cell (4), between the sample carrier (2) and the cell (4) allowing precise visual positioning of the tip.