معرفی چند میکروسکوپ نانو

در امر فناوری نانو ابزار و تجهیزات نقش مهمی را ایفا می کنند چرا که بدون ابزار مسلما فعالیت در حوزه نانو امری غیرممکن است. در گذشته به علت ضعف فناوری و نیز نبودن وسایل اندازه گیری و آنالیز بسیاری از محققان حتی نمی دانستند که تحقیقی که انجام می دهند در حوزه فناوری نانو است. مثالی از این مورد را می توان در شیشه های رنگی کلیسا ها پیدا کرد که مربوط به چند صد سال قبل است و امروزه محققان با کمک ابزارهای بررسی و آنالیز به این امر پی برده اند که در ساخت این شیشه ها فناوری نانو بکار رفته است.
در این سری از مقالات سعی می شود تا تجهیزات و ابزارهای مورد استفاده در این فناوری برای محققان و علاقمندان به تحقیق در این حوزه معرفی شود. در این مقاله به معرفی میکروسکوپ پیمایشگر تونلی می‌پردازیم که جدیدا توسط آقای دکتر صابر در مرکز تحقیقات علوم و تکنولوژی در پزشکی ساخته و ارائه شده است.

شکل 1) نمایی از NAMA-STM ساخته شود توسط محقق ایرانی

میکروسکوپ پیمایشگر تونلی (Scanning Tunneling Microscopy) که به طور اختصار به آن STM گفته می شود برای بررسی و تصویربرداری از سطوح صلب و فلزی که الکتریسیته را عبور می دهند بکار می رود. این میکروسکوپ نتیجه تحقیقات Russell Young و همکارانش در فاصله 1965-1971 در مرکز تحقیقات ملی است.
در این میکروسکوپ از نوعی جریان الکتریسیته (جریان تونلی) استفاده می شود که علت نامگذاری آن است. زمانی که نوک میکروسکوپ در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری آن حرکت می‌کند جریان برقرار می شود (شکل 2).

شکل 2) نوک قلم STM آنقدر تیز و باریک است که به راحتی در بین اتم ها بالا و پایین می رود

نوک قلم بر روی یک تیوب فیزوالکتریک قرار دارد. زمانی که ولتاژ به الکترودهای متصل به این تیوب داده می شود با اندک تنظیماتی می توان جریان ثابت تونلی ایجاد کرد و در هنگام اسکن، نوک را در فاصله ثابتی از نمونه سطح قرار داد. حرکت تیوب فیزوالکتریک ثبت می شود و به صورت یک تصویر به نمایش در می آید. با استفاده از میکروسکوپ پیمایشگر تونلی می توان اتمهای منفرد روی سطح نمونه را به صورت سه بعدی مشاهده کرد. از این تکنیک برای اجسامی مانند مواد رسانا و مولکول های DNA استفاده می شود (شکل3).

شکل 3) نمای شماتیک از نحوه کارکرد STM

مزیت این نوع تصویربرداری این است که نیاز نیست با کار در خلاء انجام شود (در اکثر موارد از خلاء برای جلوگیری از آلوده شده نمونه استفاده می شود) بلکه می توان از آن برای آنالیز اجسام در هوا یا مایعات نیز استفاده کرد. شکل 4 نمایی از سطح فلز مس را نشان می دهد که توسط M. F. Crommie, C. P. Lutz, and D. M. Eigler در مرکز تحقیقات IBM گرفته شده است. این محققان توانستند با وضعیت دهی به اتمها از نمونه تصویربرداری کردند.

شکل 4) تصویر گرفته شده از سطح نمونه مس در IBM

میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی که به آن Scanning Elecron Microscope یا به اختصار SEM گویند یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری نانو است که با کمک بمباران الکترونی تصاویر اجسامی به کوچکی 10 نانومتر را برای مطالعه تهیه می کند. ساخت SEM سبب شد تا محققان بتوانند نمونه های بزرگتر را به سادگی و با وضوح بیشتر مطالعه کنند. بمباران نمونه سبب می شود تا از نمونه الکترونهایی به سمت صفحه دارای بار مثبت رها شود که این الکترون ها در آنجا تبدیل به سیگنال می شوند. حرکت پرتو بر روی نمونه مجموعه ای از سیگنال ها را فراهم می کند که بر این اساس میکروسکوپ می تواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحه کامپیوتر نمایش دهد. SEM اطلاعات زیر را در خصوص نمونه در اختیار میگذارد:
- توپوگرافی نمونه: خصوصیات سطوح
- مورفولوژی: شکل ، اندازه و نحوه قرارگیری ذرات در سطح جسم
- ترکیب: اجزایی که نمونه را می سازند

چگونه SEM کار می کند؟
SEM وسیله ای است که به کمک آن می توان تصویر بزرگتر از نمونه را با کمک الکترون های (به جای نور) خلق کرد. پرتویی از الکترون ها با کمک تفنگ الکترونی میکروسکوپ تولید می شود.

پرتوی الکترونی در خلاء به صورت عمودی از میکروسکوپ عبور می کند. سپس با عبور از میدان های الکترومغناطیسی و لنزهای ویژه به صورت متمرکز به نمونه تابانده می شوند. به محض برخورد پرتو با نمونه، الکترون ها و اشعه های ایکش از نمونه خارج می شوند.

سپس آشکارسازها پرتوهای ایکس، الکترونهای اولیه و الکترونهای ناشی از برخورد الکترونهای اولیه با جسم را جمع آوری می کنند و آنها را به سیگنال مبدل کرده به صفحه نمایش (مانند صفحه تلویزیون) منتقل می کنند و به این طریق تصویر نهایی تهیه می شود.

آماده سازی نمونه
قبل از هر کار باید آب از نمونه جدا شود چرا که آب در خلاء تبخیر می شود. تمامی فلزات رسانا هستند لذا نیازی به آماده سازی آنها برای تهیه تصویر با SEM نیست. موادی که جزء دسته فلزات نیستند باید به وسیله یک لایه نازک رسانا پوشانده شوند. این کار به کمک ابزاری به نام پوشش دهنده انجام می شود که برای این کار از میدان الکتریکی و گاز آرگون استفاده می شود. برای این کار نمونه در یک محفظه ای که خلاء قرار داده می شود و گاز آرگون و میدان مغناطیسی سبب می شوند که الکترون از آرگون جدا شده و سبب شوند تا اتمها بار مثبت داشته باشند. یونهای آرگون توسط فویل طلای دارای بار منفی جذب میشوند. یونهای آرگون به اتمهای طلا ی سطح فویل طلا برخورد می کنند. این اتمهای طلا روی سطح نمونه قرار می گیرند و سبب ایجاد یک پوشش رسانا از طلا بر سطح نمونه می شوند.

اساس عملکرد میکروسکوپ انتقال الکترونی (Transmission Electron Microscope) که به اختصار به آن TEM گویند مشابه میکروسکوپ های نوری است با این تفاوت که بجای پرتوی نور در آن از پرتوی الکترون استفاده می شود. آنچه که می توان با کمک میکروسکوپ نوری مشاهده کرده بسیار محدود است در حالی که با استفاده از الکترونها بجای نور، این محدودیت از بین می‌رود. وضوح تصویر در TEM هزار برابر بیشتر از یک میکروسکوپ نوری است.
با استفاده از TEM می توان جسمی به اندازه چند انگستروم (10 -10 متر) را مشاهده کرد. برای مثال می‌توانید اجزای موجود در یک سلول یا مواد مختلف در ابعادی نزدیک به اتم را مشاهده کنید. برای بزرگنمایی TEM ابزار مناسبی است که هم در تحقیقات پزشکی، بیولوژیکی و هم در تحقیقات مرتبط با مواد قابل استفاده است.
در واقع TEM نوعی پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو است که در آن پرتویی از الکترون ها از تصویر عبور داده می شود. الکترون هایی که از جسم عبور می کنند به پرده فسفرسانس برخورد کرده سبب ایجاد تصویر از جسم بر روی پرده می شوند. قسمت های تاریک تر بیانگر این امر هستند که الکترون های کمتری از این قسمت جسم عبور کرده اند (این بخش از نمونه چگالی بیشتری دارد) و نواحی روشن تر مکانهایی هستند که الکترون از آنها عبور کرده است (بخش های کم چگال تر).
وضوح این میکروسکوپ 2/0 نانومتر است که در حد اتم است (بیشتر اتم ها ابعادی تقریبا برابر 2/0 نانومتر دارند). با این نوع میکروسکوپ حتی می توان نحوه قرار گرفتن اتمها در یک ماده را بررسی کرد.
استفاده از این میکروسکوپ گران و وقت گیر است چرا که نمونه باید در ابتدا به شیوه ای خاص آماده شود لذا تنها در مواردی خاص از میکروسکوپ انتقال الکترونی استفاده نمایند. از این میکروسکوپ جهت تحلیل و آنالیز ریخت شناسی، ساختار کریستالی (نحوه قرارگیری اتمها در شبکه کریستالی) و ترکیب نمونه ها استفاده می شود.

عملکرد میکروسکوپ:
با کمک یک منبع نور در بالای میکروسکوپ ، الکترون ها گسیل و منتشر می شوند. الکترون ها از تیوب خلاء میکروسکوپ عبور می کنند. در میکروسکوپ های نوری از عدسی های شیشه ای برای متمرکز کردن نور استفاده می شود در حالی که در TEM از عدسی های الکترومغناطیسی استفاده می شود تا الکترون های را جمع و متمرکز ساخته به صورت یک پرتوی باریک گسیل نماید. این پرتوی الکترونی از نمونه عبور داده می شود. بسته به چگالی مواد، الکترون ها ممکن است از بخش هایی از جسم بگذرند و به صفحه فلورسانس برخورد نمایند و تصویر سایه مانندی از نمونه ایجاد کنند که میزان تیرگی بخش های مختلف جسم به چگالی مواد در ان بخش ها وابسته است. هر چه جسم کم چگال تر باشد تصویر تیره تر خواهد بود. این تصویر می توان مستقیما توسط اوپراتور مطالعه شود و یا با کمک یک دوربین تصویر برداری شود.

آماده سازی نمونه:
همانطور که در بالا اشاره شد، آماده کردن نمونه نیز به دقت خاصی دارد که در ادامه به نحوه آماده سازی نمونه برای مطالعه آن با TEM اشاره می شود.
در TEM، نمونه ای که می خواهید بررسی کنید باید چگالی آن به حتی باشد که اجازه دهد تا الکترونها تا حدی از آن عبور کنند. راه های مختلفی برای تهیه این نوع نمونه وجود دارد. می توانید برش های بسیار نازک از نمونه مدنظر تهیه کنید و آن را در یک پلاستیک فیکس و ثابت نمایند یا اینکه آنرا منجمد کنید. روش دیگر تهیه نمونه ایزوله کردن نمونه و مطالعه محلولی از مولکول ها یا ویروس های مورد نظر با کمک TEM است.
همچنین می توان نمونه را با روش های مختلف رنگ کرد و با استفاده از مارکر گذاری آنرا مطالعه کرد. برای مثال، فلزات سنگین رنگ شده مانند اورانیوم و سرب الکترون های را به خوبی متفرق می کنند و کنتراست نمونه را در زیر میکروسکوپ بهبود می بخشند. در ادامه روش تهیه دو نمونه برای مطالعه آنها با TEM آورده شده است:
1. تهیه برش با کمک مواد در برگیرنده: مواد زیستی شامل مقادیر آب می باشند. به علت این برای استفاده از TEM باید کار در خلاء انجام شود لازم است تا آب به گونه ای تبخیر و یا جداسازی شود (با کمک الکل یا استون) و در نهایت نمونه فیکس و ثابت می شود. حال نمونه در پلاستیکی محصور می شود (به شکل یک بلوک پلاستیکی سخت) و سپس برشهای نازکی از آن به کمک چاقوی الماس مربوط به دستگاه اولترامیکروتوم (برای ایجاد برش های بسیار ظریف) تهیه می شود که تنها 50-100 نانومتر ضخامت دارند. برش های تهیه شده روی یک توری مسی قرار داده می شوند و با کمک فلزات سنگین رنگ می شوند. حال نمونه بافت آماده مطالعه با کمک پرتوی الکترونی TEM می باشد.

2. تهیه نمونه به روش رنگ کردن: در این روش از مواد ایزوله (که می توانند برای مطالعه باکتری ها و یا مولکول های ایزوله استفاده شوند) استفاده می شود به این طریق که ابتدا محلول محتوای باکتری روی توری ریخته و با پلاستیک پوشانده می شود. محلول نمکی یک فلز سنگین (مانند اورانیوم یا سرب) به آنها اضافه می شود. محلول نمکی فلز با مواد ترکیب نمی شود اما هاله ای را اطراف آن بر روی توری تشکیل می دهد. نمونه به صورت یک تصویر منفی در هنگامی که با کمک TEM مورد مطالعه قرار می گیرد نمایان می شود.