|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Mikroskop auf Oberflächenplasmonen. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Es ist normalerweise unmöglich, Objekte mit einer Dicke von Angström mit sichtbarem Licht zu beobachten. Es gibt jedoch ein Mikroskop, mit dem Sie dies tun können. Die Grenze des Auflösungsvermögens eines Mikroskops setzt das Phänomen der Lichtbeugung. Beugung ist das Biegen von Wellen um Hindernisse herum. Im weiteren Sinne jede Abweichung der Ausbreitung von Wellen von den Gesetzen der geometrischen Optik. Im Fall eines Mikroskops bestimmt die Beugung den Mindestabstand zwischen zwei leuchtenden Punkten, bei dem wir sie in einem Mikroskop als zwei und nicht als einen sehen würden. Nach ein wenig Berechnung stellt sich heraus, dass der minimale Abstand, in dem zwei leuchtende Punkte lokalisiert werden können, in der Größenordnung der halben Lichtwellenlänge liegt, mit der sie emittieren. So kann man bei Strahlung mit einer Wellenlänge von 630 nm mit der Auflösung von Objekten bis zu einer Größe von 315 nm rechnen. Aber das Phänomen der Beugung kann aus einem anderen Blickwinkel betrachtet werden. Es ist bekannt, dass Licht ein Strom von Photonen, Quantenteilchen, ist. Es ist die Quantenmechanik, die uns helfen wird, herauszufinden, wie wir eine Auflösung erreichen können, die weit über die Beugungsgrenze hinausgeht. Tatsache ist, dass die Unschärferelation zwei Vektoren verbindet, den Impuls eines Teilchens und seinen Radiusvektor. Als S.I. Valyansky im „Soros Educational Journal“: „Wenn wir nun nach einer Unsicherheit in der Definition des Impulses fragen, dann haben wir diese Unsicherheit in die Definition der Koordinate eines Quantenobjekts gesetzt, die wir nicht mehr reduzieren können. Das ergibt uns ein Volumen im Koordinatenraum, sei ein Würfel mit bekanntem Volumen, aber niemand verbietet uns, ihn zu verformen, ohne sein Volumen zu ändern und dabei die allgemeine Unschärferelation zu verletzen, und wir verformen diesen Würfel in einen dünnen Pfannkuchen mit einem großen Bereich, aber eine geringe Dicke. Bewegt sich das Quant in einer Richtung parallel zur Ebene dieses Pfannkuchens, so ist es aufgrund der großen Unsicherheit seiner Lokalisierung in der Ebene des Pfannkuchens möglich, eine hinreichend große Sicherheit in der Projektion des Impulses auf diese Ebene zu erhalten. Gleichzeitig erhalten wir eine ausreichend hohe Lokalisierung des Quants in der Richtung senkrecht zu dieser Ebene, aber eine große Unsicherheit in der Projektion des Impulses auf diese Richtung. Somit steht die Genauigkeit der Bestimmung der Richtung der Quantenbewegung in einer Ebene parallel zur Ebene des Pfannkuchens in direktem Zusammenhang mit der Dicke dieses Pfannkuchens. Mit anderen Worten, je dünner wir unser Volumen zu einem Pfannkuchen rollen, desto genauer können wir die Richtung der Quantenbewegung in der Ebene des Pfannkuchens messen. Es stellt sich also heraus, dass wir eine der Projektionen des Radiusvektors und eine der Projektionen des Impulses genau bestimmen können. Nur diese Vorsprünge stehen senkrecht zueinander. Doch wie lässt sich die Theorie in die Praxis umsetzen? Um mit großen Quantenflüssen arbeiten zu können, die in einer dünnen Schicht lokalisiert sind, ist es schließlich notwendig, dass sie sich in dieser dünnen Schicht ziemlich gut ausbreiten, da wir den Bereich ihrer Lokalisierung in der Richtung senkrecht zu ihrer Bewegung machen möchten Nanometerdimensionen.
Hier kommen Plasmonen zur Rettung. Plasmonen sind Quasiteilchen (Quanten), die aus Schwingungen von Leitungselektronen relativ zu Ionen resultieren. Bei Festkörpern wie Metallen sind dies Schwingungen von Leitungselektronen relativ zum ionischen Kern des Kristalls. Sie werden Quasiteilchen genannt, um sie von echten Quantenteilchen zu unterscheiden - Elektronen, Protonen, Neutronen usw. Ihr Unterschied besteht darin, dass, wenn Sie das Metall so erhitzen, dass es sich in ein Gas seiner ursprünglichen Atome verwandelt, dann dort werden keine Plasmonen sein. Sie existieren nur, wenn Metall als Ganzes vorhanden ist.
Im Folgenden werden wir uns für elektromagnetische Feldquanten interessieren, die mit Oszillationen von Oberflächenladungen in Abwesenheit eines anregenden Feldes verbunden sind. In Analogie zu gewöhnlichen Plasmonen werden Quasiteilchen eingeführt - Oberflächenplasmonen (SP). Der Bereich ihrer Lokalisierung befindet sich in der Nähe der Grenzfläche, wo Oberflächenladungen lokalisiert sind. 1902 entdeckte der amerikanische Optiker Robert Wood eine Veränderung der Intensität eines Lichtstrahls, der von einem Gitter gebeugt wurde. Dies war die erste experimentelle Beobachtung von Oberflächenplasmonen im optischen Bereich. Dies wurde jedoch erst 1941 verstanden, als es dem italienischen theoretischen Physiker Hugo Fano gelang, Woods Anomalien zu erklären. Und erst Ende der 1960er-Jahre wandte Andreas Otto die in den Arbeiten des deutschen Physikers entwickelten Ideen auf elektromagnetische Wellen im optischen Bereich an. Er formulierte Bedingungen, unter denen es möglich ist, PP-Wellen auf glatten Oberflächen anzuregen, und zeigte eine Methode zu ihrer Anregung im optischen Wellenlängenbereich auf. Damit war der Weg für die experimentelle Untersuchung von Oberflächenplasmonen im optischen Bereich geebnet. 1971, drei Jahre nach der Veröffentlichung von Ottos Arbeit, schlug Erwin Kretschmann ein anderes Schema zur Anregung von Oberflächenplasmonen im optischen Bereich vor. Bei der Kretschmann-Geometrie wird direkt auf dem Prisma, mit dem sie angeregt werden, ein dünner leitender Film abgeschieden, auf dessen Oberfläche Oberflächenplasmonen angeregt werden. 1988 schlugen Wolfgang Knohl und Benno Rothenhäusler die Verwendung von Oberflächenplasmonen für die Mikroskopie vor. Sie demonstrierten ein Arbeitsmodell eines Mikroskops, in dem Oberflächenplasmonen nach dem Kretschmann-Schema angeregt wurden, um ein speziell angefertigtes Gitter mit bekannten Parametern zu untersuchen. Die Ergebnisse waren so beeindruckend, dass dieses neue Gerät bald in Physik, Chemie, Biologie und Technik eingesetzt wurde. Viele Forscher haben sich wegen seines einfachen Designs und seiner hohen Auflösung diesem Instrument zugewandt.
Das Design des Oberflächenplasmonenmikroskops basiert auf dem Schema der Anregung von Oberflächenplasmonen nach der Kretschmann-Methode. S.I. Valyansky: „Ein dünner Metallfilm wird auf der Hypotenusenfläche eines rechteckigen dreieckigen Prismas abgeschieden. Er wird von der Seite des Prismas mit monochromatischem, linear polarisiertem Licht mit einer Divergenz beleuchtet, die um eine Größenordnung kleiner ist als die halbe Breite der Resonanzkurve für diesen Film.Außerdem liegt der Polarisationsvektor in der Einfallsebene des Lichts –das sogenannte P-polarisierte Licht.Das vom Film reflektierte Licht trifft auf die Photomatrix,deren Signal vom Computer verarbeitet wird.Wir erinnern uns daran die Auflösung in der Ebene des Films haben wir einige Mikrometer. Daher wird ein Teleskop zwischen dem Prisma und der Photomatrix im Lichtweg platziert, das den Strahl erweitert, so dass das Licht aus dem Mikrometerbereich des Films kommt, erfasst mehrere Elemente der Photomatrix. Dies ist eines der einfachen Schemata eines Oberflächenplasmonenmikroskops, aber bei weitem nicht das einzige. Es gibt eine große Anzahl ihrer Modifikationen, die zur Lösung spezifischer Probleme geeignet sind. Wie funktioniert ein Oberflächenplasmonenmikroskop? Die Bedingungen für die resonante Anregung von Oberflächenplasmonen hängen nicht nur von den Eigenschaften des Metallfilms ab, auf dessen Oberfläche sie angeregt werden, sondern auch von den dielektrischen Eigenschaften des Mediums, an das dieser Film grenzt. Jeder dünne Film auf einer Metalloberfläche kann als lokale Änderung der dielektrischen Eigenschaften der Umgebung dargestellt werden. Und dies wirkt sich unmittelbar auf den Zustand der resonanten Erregung an diesem Ort der Oberflächenplasmonen aus. Mit anderen Worten ist die Resonanzkurve an dieser Stelle gegenüber der Kurve für einen reinen Film in den Bereich großer Winkel verschoben. Das heißt, wenn wir unser Mikroskop auf einen Winkel einstellen, der der optimalen Anregung von Oberflächenplasmonen für einen reinen Metallfilm entspricht, dann wird an den Stellen, an denen sich das Messobjekt befinden wird, die Intensität des reflektierten Lichts größer sein, und je größer die dicker dieses Fragment. Das Mikroskop reagiert nicht auf die Dicke, sondern auf Änderungen eines Parameters, der von der Dielektrizitätskonstante und der Dicke des zu messenden Objekts abhängt. Das Hauptelement des gesamten Geräts ist ein dünner Metallfilm. Die Auflösung des gesamten Geräts hängt von der richtigen Wahl seiner Dicke und Qualität ab. Die Anregung von Oberflächenplasmonen erfolgt nicht unter einem bestimmten Einfallswinkel, sondern unter einer Reihe von Winkeln. Wenn wir uns daran erinnern, dass die Menge der Winkel der Menge der Photonenimpulse entspricht, wird alles klar. Der Grund dafür ist die endliche Lebensdauer von Oberflächenplasmonen. Die Auflösung des Mikroskops wird umso besser, je länger sich das PP ausbreiten kann. Wenn seine Ausbreitungsgeschwindigkeit festgelegt ist, wird es sich in einer kürzeren Lebensdauer über eine kürzere Entfernung ausbreiten. Und es ist klar, dass aufgrund von Absorption und Streuung durch die Rauheit des Metallfilms die Weglänge nur abnehmen kann. Für die Lebensdauer von Oberflächenplasmonen ist jedoch nicht nur die Filmoberfläche verantwortlich, sondern auch deren Bulk-Eigenschaften. Die Dielektrizitätskonstante eines Metalls hat einen Real- und einen Imaginärteil. Aufgrund des Vorhandenseins des letzteren wird elektromagnetische Energie absorbiert und dementsprechend nimmt die Lebensdauer von Oberflächenplasmonen ab. Um die Auflösung des Mikroskops zu erhöhen, ist es daher erforderlich, ein Metall mit einem Mindestwert der imaginären Permittivität zu verwenden. Silber ist so ein Metall. Ein ungünstiger Aspekt ist jedoch, dass der Silberfilm schnell abgebaut wird und in etwa einer Woche oxidiert. Aber diese Schwierigkeit wurde überwunden, indem ein Verfahren zum Schutz der Oberfläche des Silberfilms entwickelt wurde. Wenn der Metallfilm dünn ist, führt die enge Begrenzung des Prismas dazu, dass es für Oberflächenplasmonen rentabler ist, zu zerfallen und sich in Massenstrahlung umzuwandeln, als an der Oberfläche angeregt zu bleiben, dh seine Lebensdauer wird kurz sein. Aus dem gleichen Grund wird der Energieanteil, der in die Erzeugung von Oberflächenplasmonen einfließt, gering sein. Wenn die Dicke des Metallfilms zu groß ist, wird offensichtlich fast die gesamte Energie der anregenden elektromagnetischen Welle im Volumen des Films absorbiert und erreicht nicht seine Oberfläche. Und der Film wird wie ein Spiegel funktionieren. Natürlich gibt es eine optimale Dicke, die bestimmt werden muss. Dieser Effekt wird häufig als Methode zur Untersuchung verschiedener Übergangsschichten und dünner Filme verwendet. Dies ist sein Haupteinsatzgebiet. Das Mikroskop wurde ursprünglich entwickelt, um die Organisation monomolekular orientierter Filme im Moment ihrer Bildung auf der Oberfläche einer Flüssigkeit und während ihrer Übertragung auf feste Substrate zu beobachten. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Biologie, die direkte Beobachtung biologischer Objekte. Dabei kommt es nicht so sehr auf die hohe Auflösung des Mikroskops in der Dicke an, sondern auf die hohe Auflösung von Objekten, deren innere Struktur durch Elemente mit kleinen Änderungen der Permittivität bestimmt wird. Normalerweise injizieren Biologen Kontrastmittel, um ihre Objekte zu beobachten, wonach sie beobachtet werden können. Mit einem Plasmamikroskop können Sie sie ohne diese Tricks beobachten. Mit einem solchen Mikroskop kann man beispielsweise in einem wässrigen Medium die Grenze zwischen Zytoplasma und Zellwand erkennen. Ein Mikroskop – ein auf PP-Resonanz basierender Sensor – kann verwendet werden, um die Kinetik chemischer und biochemischer Reaktionen zu messen und die Größe der auf der Oberfläche gebildeten Komplexe zu kontrollieren. Autor: Musskiy S.A.
Maschine zum Ausdünnen von Blumen im Garten
02.05.2024 Fortschrittliches Infrarot-Mikroskop
02.05.2024 Luftfalle für Insekten
01.05.2024
▪ Milch wird von Mikroben produziert ▪ Sicherer Kernbrennstoff auf Basis von Thorium ▪ Budget-Chip für Jelly Bean von Broadcom ▪ LMP8100 Verstärker mit programmierbarer Verstärkung
▪ Abschnitt der Website Grundlagen des sicheren Lebens (OBZhD). Artikelauswahl ▪ Artikel Sie wissen nicht, was sie tun. Populärer Ausdruck ▪ Artikel Anwendung einer Bettpfanne. Gesundheitspflege ▪ Artikel Elektrikerwerkzeug. Verzeichnis ▪ Artikel Quarzoszillatoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Startseite | Bibliothek | Artikel | Sitemap | Site-Überprüfungen
www.diagramm.com.ua |
Wir empfehlen interessante Artikel Abschnitt 
Siehe andere Artikel Abschnitt 
Neueste Nachrichten aus Wissenschaft und Technik, neue Elektronik:
Alle Sprachen dieser Seite