Nagyfeloldású Mikroszkópia
Dr. Szabó István
1. Bevezetés
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt
„Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"
1. Bevezetés
•Elmélet
–A mikroszkópiás módszerek alapelvei.
–Történeti áttekintés
–Osztályozás
–Alkalmazási területek
•Gyakorlat
–A képi információ kezelése
•Segédanyagok
A mikroszkópiás módszer alapelvei
A mikroszkópiás képalkotás
•A mikroszkópia valamilyen képalkotási eljárást jelent,amelynek célja a szabad-szemmel nem láthatómérettartományú struktúrák megjelenítése.
•A mikroszkópos képalkotást az egyéb mérésimódszerektől a képi megjelenítés, a térbeli elrendezésmegőrzése, illetve használata különbözeti meg.
•A mikroszkópiás kép megjelenítése révén a mikrovilágmakroszkopikus lenyomatát állítjuk elő, ami lehetővéteszi, hogy részeseivé legyünk a mikrovilágtörténéseinek.
A mikroszkópiás leképezés
•A képalkotási módok
–A minta lokális jellemzői mint szórócentrumokmódosítják a leképező részecske nyalábot. A szórásifolyamat során keletkező nyaláb térbeli intenzitás ésfázis információi alapján rekonstruálható aszórócentrumok jellege és eloszlása.
–A minta és a próba közti lokális kölcsönhatásvizsgálatával és a próba pozíciójának módosításásávalmegvalósított méréssorozat alapján állítjuk elő aminta képét
–A leképező tér inhomogenitását és a minta és aleképező tér közti nem-linearitás kölcsönhatástkihasználva lokalizáljuk a detektált információt.
A leképezés általános leírása
•A leképezés egy térosztásos kommunikációscsatornaként is értelmezhető.
•Az általános leképezést jellemző mennyiségek
–PSF (Point Spread Function) egy pont képénekmegfelelő eloszlás a képtérben
–OTF (Optical Transfer Function) Képátvitelifüggény: egy periódikus térbeli frekvencia képénekamplitudóját és fázisát megadó függvény
–Lineáris leképezés esetén a két leírás egyenértékű
Optikai átviteli függvény
Felbontási határ
Térbeli frekvencia:
periódus/méter
Interaktív animáció
Térbeli frekvencia jellemzése
A tárgyat periódikus hullámok összegeként állítjuk elő
Interaktív animáció
Fourier transzformáció
Egy hullámot a fázisa és az amplitudója jellemzi, ezt a komplex számot
rendeljük a reciptok tér megfelelő pontjához.
Interaktív animáció
Az OTF és a PSF kapcsolata
Interaktív animáció
A digitális képi információ
•A mikroszkópos képalkotás eredményekéntelőálló információ eleve digitális információkéntjelenik meg, vagy digitális információváalakítható.
•A mikroszkópiás képeket digitalizált formábanalkalmazzuk, számítógépes képfeldolgozásimódszerek segítségével.
•A mikroszkópiás kép megjelenítése, manipulálása,feldolgozása a képfeldolgozási módszerekismeretét igényli.
A mintavételezés
•A mintavételezés történhet időben soros vagypárhuzamos módon.
•A párhuzamos leképezés esetén is szerepetjátszhat a kamera „shutter” viselkedése egygyors folyamat esetén.
A digitális kép tartalma
•A kép pixelei mintavételezett méréstreprezentálnak, amelyek közt térbeliszomszédsági kapcsolat van.
–A pixel nem egy kis négyzet a képen, a mintavételezéseredményét egy ponthoz rendeljük
–A térbeli viszonyok eltérhetnek a mátrix indexek általmeghatározott pozíciótól (pl hexagonális detektorelrendezés)
–A képelemekhez geometriai méretskála rendelhető,ezt az információt a kép általában nem tartalmazza, akalibrálást külön kell elvégezni,.
A digitális mikroszkópiás adat
•Kép vagy képsorozat (idő, illetve leképezésiparaméter alapján)
•A legkisebb képelem a pixel (voxel) egy helyrevonatkozó skalár vagy vektor adatokat tartalmaz
•A kép a pixelek n dimenziós mátrixa, ahol n a képdimenziója (1,2,3,4)
•A pixelek által hordozott adatok valamilyenmegjelenítési eljárás eredményeként válnakmegtekinthetővé két vagy három dimenziós képvagy film formájában.
A mikroszkópia mint virtuális valóság
•A mikroszkópiás leképezés kétirányú voltalehetővé teheti a mikrovilág manipulálását.
•A megfigyelhetőség és manipulálhatóság révén amikro és nanovilágban megvalósítható egykorlátozott távjelenlét.
•Mivel a mikrovilágot a makrovilágbabeágyazottan szemléljük, a leképezés és amegfigyelés megváltoztatja a struktúrák jellegét.
•Az atomi feloldású mikroszkópiábanmegvalósított atomi leképezés klasszikusobjektumként vizualizálja az atomokat.
A mikrovilág leképeződése távjelenlétként
Érzékelés
szenzor2
szenzor1
Szenzor
interfész
Beavatkozás
Manipulátor
interfész
Manipulátor2
Manipulátor1
Én és közvetlen környezetem
Manipulátor
szenzor
Hatékonykörnyezet-
modell
Hatékonykörnyezet-
modell
A figyelem szűrője
Mikrovilág
Makrovilág
Történeti áttekintés
Optikai mikroszkópia
•Az első mikroszkóp egyetlen lencsesegítségével virtuális nagyított képet állítottelő.
•1 mikron : Leeuwenhoek c.c.1600
•Abbe határt ad a felbontásra
•Több fokozatú mikroszkópok:
–220 nm körül (1800 – as évektől)
•Richard Zsigmondy 1903 Ultramikroszkóp
•Fritz Zernika 1932 Fáziskontraszt mikroszkóp
•1978 Thomas and Christof Clemens:Szuperfelbontású pásztázó lézer mikroszkópelve
–20 nm / 3D
Röntgen-diffrakció
•Debay 1930 diffrakció kristályrácsokon
•Atomi felbontás a reciprok térben
•Kristályosítva bonyolult szerkezetű molekulákfelépítése is feltárható (DNS 1953 Watson ésKrick)
•A diffrakciós kép a nyaláb amplitúdóját rögzíti, aszerkezet rekonstruálása a fázis meghatározását isigényli.
•A diffrakciós leképezés elektronokkal és másrészecskékkel is megvalósítható.
Térion mikroszkóp és atompróba
•Müller 1936 : FEM
•Müller 1951 : FIM
–Atomi felbontás
•Atompróba : AP
–Atomok leválasztása a tűhegyéről éstömegspetrometria
•3D AP : képalkotástömegspektrometriávala leváló atomoksegítésével.
Töltött
W csúcs
Ar ion
Ionizációs
helyek
vetülete
Elektron mikroszkópia
•Ruska 1933
–Elektron hullám tulajdonságait kihasználva, elektrosztatikus ésmágneses lencsékkel leképező mikroszkópia
–Transzmissziós és Pásztázó módszer
•Scherzer 1936
–tétele a hengerszimmetrikus lencsékről, korlát a lencsehibakorrekcióra
– felbontási határ 100 elektron hullámhossz
•Gábor Dénes 1937
– a holografikus elv felismerése az elektronmikroszkópfelbontásának javítására (elmélet, optikai alkalmazás)
•Aberráció korrekció nem hengeres lencsékkel 1990 -
Pásztázó alagútmikroszkóp
•Rohrer és Binnig 1981 (IBM)
•Lokális próba módszer – topográf szerű
–Alagútáram erős lokalizációcsak a tű és a mintalegközelebbi atomja közt folyik
•Pásztázás és pozícionálás nanométerespontossággal
•Visszacsatolás és rezgés csillapítás
•Atomi felbontás készen megvásárolhatóeszközökből felépített rendszerrel
Atomi erő mikroszkóp
•Binnig- Quate-Gerber 1986
•A pásztázó alagút mikroszkóp elvének továbbfejlesztésenem vezető minták vizsgálatára
•A minta és a tű közti kölcsönhatásból származó erőfelhasználása a leképezéshez
•Kontaktus, érintő kontaktusos és kontaktus mentesleképezés
•Statikus és rezgő próbával végezhető mérés
•Sokféle erőhatás alkalmazható a képalkotás során
•Direkt atomi feloldás speciális technikákkal érhető el.
Osztályozás
Képalkotó módszerek csoportosítása
Párhuzamos
Soros
Fotonok
Mikroszkóp
Szkenner
Elektronok
Transzmissziós elektronmikroszkóp
Pásztázó elektronmikroszkóp,
Atomok
Térion mikroszkóp
Pásztázó próbamikroszkóp
•A leképezés során a képelemek egyidejűleg, vagy időben egymás után állíthatók elő.
•A leképezéshez használt, a vizsgált objektummal kölcsönható anyagi objektum típusa
A kölcsönhatás jellege alapján további altípusok és kombinált leképezési módszerek
valósíthatók meg.
Mikroszkóp típusok
•Fénymikroszkóp (UV, látható, IR)
•Raman
•Elektron (SEM, TEM)
•Röntgen
•Térion mikroszkóp
•Közeli tér pásztázó mikroszkóp (STM, AFM,MFM, SNOM)
Alkalmazási területek
Alkalmazások
•Orvostudomány
•Biológia
•Anyagtudomány
•Kémia
•Nanotechnológia
•Geológia
•Bolygókutatás
•…………
Alkalmazási területek
•Az egyes alkalmazási területek speciáliskövetelményeket támasztanak a mikroszkópiáseljárásokkal szemben:
–A vizsgálandó minta típusa
–A preparáció módja
–A vizsgált struktúrák jellege, mérete
–Időbeli felbontás igénye
Vizsgálati lehetőségek
•Szerkezetvizsgálat
•Mikrostruktúra
•Kölcsönhatás
•Dinamika
Méretskála –> szükséges felbontás
A képi információ kezelése Gyakorlati feladatok
A képi információ tárolása
•Informatikai kérdések
–File formátum: Kép és meta adatok
–Szabványos formátumok
–Egyedi cégfüggő formátumok
–Nyílt forráskódú rendszerek
–Konvertáló programok
–Archiválás, tömörítés
–Kép állományok beolvasása és módosítása
Szabványos kép formátumok kezelése
•FIJI (IMAGEJ) letöltése
–Nyilvános, bővíthető, makró programozhatóképfeldolgozó program
•Mintaképek betöltése, ismerkedés a programfunkcióival
•Képformátumok
–8,16,32 bit, lebegőpontos színes és fekte-fehér
–TIFF, PNG, GIF, JPEG, BMP, DICOM, FITS, raw
–Képcsomagok (képsorozat egy ablakban)
–Egyszerre több kép megnyitható
Ellenőrző kérdések
Ellenőrző kérdések
1.Mi a mikroszkópia célkitűzése ?
2.Milyen mikroszkópiás módszereket ismer?
3.Milyen információt hordoz a digitális kép?
4.Milyen képformátumokat ismer?
5.Kinek a nevéhez köthető az egyes mikroszkópiás módszerekfelfedezése?
6.Milyen sorrendben alakultak ki az egyes mikroszkópiás technikák ?
7.Milyen fő alkalmazási területei vannak a mikroszkópiának?
8.Mit ír le a pontkiterjedési függvény?
9.Mivel jellemezhető a mikroszkóp frekvencia átvitele?
10.Mi a kapcsolat az optikai átviteli fügvény és a pontkiterjedésifüggvény között?
Segédanyagok
Kiegészítő olvasmányok
•G. Binnig, C.F. Quate: „Atomic ForceMicroscope” 1986 PRL v56 p931
Programok
•FIJI (IMAGEJ)
•OMERO
•Virtual Microscope
Nagyfeloldású Mikroszkópia
Dr. Szabó István
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET !
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt
„Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"