CZ303424B6 - Kapalinová cela pro pozorování vzorku pomocí mikroskopie atomárních sil s vysokou rozlišovací schopností - Google Patents

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.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká řešení kapalinové cely mikroskopu atomárních sil, umožňující zobrazení studovaného předmětu s vysokým rozlišením, (z angl. atomic force microscopy, AFM).

Dosavadní stav techniky

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 eli20 minuje střižné síly na rozhraní vzorku a hrotu. Touto metodou je tzv. tapping mode (tm), nazývaný také jako sem i kontaktní 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 až 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.

Kapalinové cely používané v současnosti se často vyznačují svojí komplexní a komplikovanou stavbou, která sice umožňuje jejich univerzální použití, avšak v důsledku jejich 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 stup35 ňů 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. Nezaned40 batelná 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 vzorku je 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.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky do značné míry eliminuje upravená, zmenšená cela pro skenování vzorku v kapalině, s pevně připevněným vzorkem.

Námi navržená cela má zmenšené rozměiy, 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 minimalizovalo ný 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 rezonátorcm. Cela je ke skeneru připevněná buď mechanicky, pomocí napevno přichycené vhodné destičky, neboje přichycena magneticky pomocí magnetu integrovaného do cely anebo magnetu už dodávaného v rámci skeneru přístroje. Výroba cely je jednoduchá a je možné ji vyrobit z různých materiálů vhodných pro různé typy vzorků. Pro přesné polohování hrotu slouží rastr, kterýje 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.

Přehled obrázku na výkrese

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.

Příklady provedení

1) Kapalinová cela je zhotovená 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.

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, zeje 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.

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 i opatřeného příslušným závitem na jeho vnější straně je pak vyřešené připevnění nosiče 2 vzorku do kapalinové cely 4. Kroužek

I 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.

-2CZ 303424 B6

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.

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 vznikne uzavřená cela 4. Velikost a tvar čepičky závisí na konkrétním řešení držáku hrotu. 6) Příslušnou vhodnou úpravou spodního dílu cely 4 je možněji upevnit na mikroskopy různých výrobců, přičemž je tato cela 4 použitelná jak pro systém skenování vzorkem tak pro skenování hroío tem.

Průmyslová využitelnost

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.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kapalinová cela (4) pro pozorování vzorku pomocí mikroskopie atomárních sil s vysokou rozlišovací schopností, s pevně přichyceným nosičem (2) vzorku a možností přesného vizuálního polohování hrotu na základě integrovaného rastru, vyznačující se tím, že v ose cely (4) se nachází magnet (5) umožňující pevné přichycení ke skeneru, přičemž nosič (2) vzorku je

   30 pevně přichycen pomocí kroužku (1) opatřeného závitem, a současně se v ose cely (4), mezi nosičem (2) vzorku a celou (4), nachází elektronmikroskopická síťka (3) umožňující přesné vizuální polohování hrotu.