|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Mikroskop na plazmonach powierzchniowych. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Obserwacja obiektów o grubości angstremów za pomocą światła widzialnego jest zwykle niemożliwa. Istnieje jednak mikroskop, który pozwala to zrobić. Granica zdolności rozdzielczej mikroskopu wyznacza zjawisko dyfrakcji światła. Dyfrakcja to uginanie się fal wokół przeszkód. W szerszym znaczeniu, wszelkie odchylenia w propagacji fal od praw optyki geometrycznej. W przypadku mikroskopu dyfrakcja określa minimalną odległość między dwoma punktami świetlnymi, w których widzielibyśmy je w mikroskopie jako dwa, a nie jeden. Po niewielkich obliczeniach okazuje się, że minimalna odległość, na której mogą znajdować się dwa punkty świetlne, będzie rzędu połowy długości fali światła, przy której emitują. Zatem dla promieniowania o długości fali 630 nm można liczyć na rozdzielczość obiektów nie większych niż 315 nm. Ale na zjawisko dyfrakcji można spojrzeć pod innym kątem. Wiadomo, że światło to strumień fotonów, cząstek kwantowych. To mechanika kwantowa pomoże nam dowiedzieć się, jak uzyskać rozdzielczość znacznie przekraczającą granicę dyfrakcji. Faktem jest, że relacja niepewności łączy dwa wektory, pęd cząstki i jej wektor promienia. Jako S.I. Valyansky w „Soros Educational Journal”: „Teraz jeśli zadajemy sobie pytanie o niepewność w definicji pędu, to ustawiliśmy tę niepewność w definicji współrzędnej obiektu kwantowego, której nie możemy już zredukować. jakaś objętość w przestrzeni współrzędnych.Niech to będzie jakiś sześcian o znanej objętości, ale nikt nie zabrania nam go deformować bez zmiany jego objętości i tym samym naruszając ogólną relację niepewności, a my deformujemy ten sześcian w jakiś cienki naleśnik o dużej powierzchni , ale mała grubość. Jeżeli kwant porusza się w kierunku równoległym do płaszczyzny tego naleśnika, to ze względu na dużą niepewność jego lokalizacji w płaszczyźnie naleśnika, możliwe jest uzyskanie wystarczająco dużej pewności rzutowania pędu na tę płaszczyznę. Jednocześnie uzyskujemy dostatecznie dużą lokalizację kwantu w kierunku prostopadłym do tej płaszczyzny, ale dużą niepewność rzutowania pędu na ten kierunek. Zatem dokładność wyznaczenia kierunku ruchu kwantowego w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny naleśnika jest bezpośrednio związana z grubością tego naleśnika. Innymi słowy, im cieńszą objętość włożymy do naleśnika, tym dokładniej będziemy mogli zmierzyć kierunek ruchu kwantowego w płaszczyźnie naleśnika. Okazuje się więc, że możemy dokładnie wyznaczyć jeden z rzutów wektora promienia i jeden z rzutów pędu. Tylko te rzuty są wzajemnie prostopadłe. Ale jak teorię zastosować w praktyce? Wszakże, aby pracować z dużymi strumieniami kwantów zlokalizowanych w cienkiej warstwie, konieczne jest, aby w tej cienkiej warstwie rozchodziły się one dość dobrze, gdyż chcemy, aby obszar ich lokalizacji w kierunku prostopadłym do ich ruchu był wymiary nanometrowe.
Tu na ratunek przychodzą plazmony. Plazmony to quasi-cząstki (kwanty) powstające w wyniku drgań elektronów przewodzących względem jonów. W przypadku ciał stałych, takich jak metale, są to drgania elektronów przewodzących względem rdzenia jonowego kryształu. Nazywa się je quasi-cząstkami, aby odróżnić je od prawdziwych cząstek kwantowych - elektronów, protonów, neutronów itp. Ich różnica polega na tym, że jeśli podgrzejesz metal tak, aby zamienił się w gaz swoich pierwotnych atomów, to tam nie będzie plazmonów. Istnieją tylko wtedy, gdy istnieje metal jako całość.
W dalszej części zainteresują nas kwanty pola elektromagnetycznego związane z oscylacjami ładunków powierzchniowych przy braku pola wzbudzającego. Analogicznie do zwykłych plazmonów wprowadza się quasicząstki - plazmony powierzchniowe (SP). Obszar ich lokalizacji znajduje się w pobliżu styku, gdzie zlokalizowane są ładunki powierzchniowe. W 1902 roku amerykański optyk Robert Wood odkrył zmianę natężenia wiązki światła ugiętego przez siatkę. Była to pierwsza eksperymentalna obserwacja plazmonów powierzchniowych w zakresie optycznym. Ale zostało to zrozumiane dopiero w 1941 roku, kiedy włoski fizyk teoretyk Hugo Fano zdołał wyjaśnić anomalie Wooda. I dopiero pod koniec lat 1960. Andreas Otto zastosował idee opracowane w pracach niemieckiego fizyka do fal elektromagnetycznych w zakresie optycznym. Sformułował warunki, w jakich można wzbudzać fale PP na gładkich powierzchniach i wskazał sposób ich wzbudzenia w zakresie długości fal optycznych. W ten sposób otworzyła się droga do eksperymentalnych badań plazmonów powierzchniowych w zakresie optycznym. W 1971 roku, trzy lata po opublikowaniu pracy Otto, Erwin Kretschmann zaproponował inny schemat wzbudzania plazmonów powierzchniowych w zakresie optycznym. W geometrii Kretschmanna cienka warstwa przewodząca, na której powierzchni wzbudzane są plazmony powierzchniowe, nakładana jest bezpośrednio na pryzmat, którym są one wzbudzane. W 1988 Wolfgang Knohl i Benno Rothenhäusler zaproponowali zastosowanie plazmonów powierzchniowych do mikroskopii. Zademonstrowali działający model mikroskopu, w którym plazmony powierzchniowe wzbudzano zgodnie ze schematem Kretschmanna, aby zbadać specjalnie wykonaną siatkę o znanych parametrach. Wyniki były tak imponujące, że wkrótce to nowe urządzenie zaczęło być wykorzystywane w fizyce, chemii, biologii i technologii. Wielu badaczy zwróciło się do tego instrumentu ze względu na jego prostą konstrukcję i wysoką rozdzielczość.
Konstrukcja mikroskopu plazmonowego powierzchni opiera się na schemacie wzbudzania plazmonów powierzchniowych metodą Kretschmanna. SI. Valyansky: „Cienka warstwa metalu osadza się na przeciwprostokątnej powierzchni prostokątnego trójkątnego pryzmatu. Jest oświetlona od strony pryzmatu monochromatycznym liniowo spolaryzowanym światłem z rozbieżnością o rząd wielkości mniejszą niż połowa szerokości krzywej rezonansowej dla tej folii wektor polaryzacji leży w płaszczyźnie padania światła - tak zwanego światła spolaryzowanego P. Światło odbite od folii trafia na fotomatrycę, z której sygnał jest przetwarzany przez komputer. rozdzielczość w płaszczyźnie kliszy mamy kilka mikronów. Dlatego pomiędzy pryzmatem a fotomatrycą w ścieżce światła umieszczamy lunetę, rozszerzając wiązkę tak, że światło pochodzące z mikronowej powierzchni kliszy uchwyciło kilka elementy fotomatrycy. To jeden z prostych schematów powierzchniowego mikroskopu plazmonowego, ale nie jest to jedyny. Istnieje wiele ich modyfikacji, wygodnych do rozwiązywania konkretnych problemów. Jak działa plazmonowy mikroskop powierzchniowy? Warunki rezonansowego wzbudzenia plazmonów powierzchniowych zależą nie tylko od właściwości warstewki metalowej, na której powierzchni są one wzbudzane, ale także od właściwości dielektrycznych ośrodka, z którym ta warstewka graniczy. Każda cienka warstwa na powierzchni metalu może być reprezentowana jako lokalna zmiana właściwości dielektrycznych środowiska. A to od razu wpływa na stan wzbudzenia rezonansowego w tym miejscu plazmonów powierzchniowych. Innymi słowy, krzywa rezonansowa jest w tym miejscu przesunięta względem krzywej dla czystej folii o obszar dużych kątów. Oznacza to, że jeśli ustawimy nasz mikroskop pod kątem odpowiadającym optymalnemu wzbudzeniu plazmonów powierzchniowych dla czystej folii metalowej, to w tych miejscach, w których będzie mierzony obiekt, natężenie odbitego światła będzie większe, a im większa będzie grubszy ten fragment." Mikroskop nie reaguje na grubość, ale na zmiany parametru zależnego od przenikalności i grubości mierzonego obiektu. Głównym elementem całego urządzenia jest cienka folia metalowa. Rozdzielczość całego urządzenia zależy od prawidłowego doboru jego grubości i jakości. Wzbudzenie plazmonów powierzchniowych następuje nie pod pewnym kątem padania, ale pod pewnymi kątami. Jeśli pamiętamy, że zbiór kątów odpowiada zbiorowi pędów fotonowych, wszystko staje się jasne. Powodem tego jest skończony czas życia plazmonów powierzchniowych. Rozdzielczość mikroskopu będzie tym lepsza, im dłużej PP będzie mógł się rozprzestrzeniać. Jeśli jego prędkość propagacji jest stała, to w krótszym okresie życia rozprzestrzeni się na krótszą odległość. I jasne jest, że z powodu absorpcji i rozpraszania przez chropowatość folii metalowej długość ścieżki może się tylko zmniejszyć. Jednak nie tylko powierzchnia folii odpowiada za żywotność plazmonów powierzchniowych, ale także jej właściwości objętościowe. Stała dielektryczna metalu ma zarówno część rzeczywistą, jak i urojoną. Ze względu na obecność tych ostatnich energia elektromagnetyczna jest pochłaniana i odpowiednio skraca się żywotność plazmonów powierzchniowych. Dlatego, aby zwiększyć rozdzielczość mikroskopu, konieczne jest pobranie metalu o minimalnej wartości urojonej przenikalności. Srebro to taki metal. Niekorzystnym aspektem jest jednak to, że warstewka srebra szybko ulega degradacji, utleniając się w ciągu około tygodnia. Ale tę trudność przezwyciężono, opracowując metodę ochrony powierzchni srebrnej folii. Jeśli metalowa folia jest cienka, to bliska granica pryzmatu doprowadzi do tego, że bardziej opłacalne będzie rozpadanie się plazmonów powierzchniowych i przekształcenie ich w promieniowanie masowe niż pozostanie wzbudzeniem powierzchniowym, czyli jego żywotność będzie krótka. Z tego samego powodu ułamek energii zużywany na wytwarzanie plazmonów powierzchniowych będzie niewielki. Oczywiście, jeśli grubość folii metalowej jest zbyt duża, wówczas praktycznie cała energia ekscytującej fali elektromagnetycznej zostanie pochłonięta w objętości folii, nie docierając do jej powierzchni. A film będzie działał jak lustro. Oczywiście istnieje optymalna grubość, którą należy określić. Efekt ten jest szeroko stosowany jako metoda badania różnych warstw przejściowych i cienkich warstw. To jest jego główny obszar zastosowania. Mikroskop został pierwotnie zaprojektowany do obserwacji organizacji błon zorientowanych monomolekularnie w momencie ich powstawania na powierzchni cieczy oraz podczas ich przenoszenia na podłoża stałe. Kolejnym obszarem zastosowań jest biologia, bezpośrednia obserwacja obiektów biologicznych. W tym przypadku istotna jest nie tyle wysoka rozdzielczość mikroskopu pod względem grubości, ile wysoka rozdzielczość obiektów, których strukturę wewnętrzną określają elementy o niewielkich zmianach przenikalności. Zwykle biolodzy wstrzykują płyn kontrastowy, aby obserwować swoje obiekty, po czym można je obserwować. Mikroskop plazmowy pozwala na ich obserwację bez tych sztuczek. Za pomocą takiego mikroskopu można np. odróżnić granicę między cytoplazmą a ścianą komórkową w środowisku wodnym. Mikroskop - czujnik oparty na rezonansie PP - może służyć do rejestracji kinetyki reakcji chemicznych i biochemicznych, do kontroli wielkości kompleksów powstających na powierzchni. Autor: Musskiy S.A.
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Turbodoładowana karta graficzna GeForce RTX 3070 Ti Turbo ▪ Satelita do tworzenia sztucznych opadów gwiazd ▪ Składanie mebli bez narzędzi ▪ Wydajne pionowe systemy solarne na parkingi
▪ sekcja witryny A potem pojawił się wynalazca (TRIZ). Wybór artykułu ▪ artykuł Teraz odpuść. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Kiedy koty zostały oswojone? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Inżynier dźwięku. Opis pracy ▪ artykuł Naprawa napędu lusterek bocznych. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł Korektor graficzny w LA3607. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony