Microscop cu sondă de scanare: aplicații și beneficii pentru sănătate

Termenul de microscop cu sondă de scanare acoperă o serie de microscopuri și tehnici de măsurare asociate care sunt utilizate pentru a analiza suprafețele. Ca atare, aceste tehnici se încadrează în fizica suprafeței și a interfeței. Microscoapele cu sondă de scanare se caracterizează prin trecerea unei sonde de măsurare pe o suprafață la o distanță mică.

Ce este un microscop cu sondă de scanare?

Termenul de microscop cu sondă de scanare acoperă o gamă de microscopuri și tehnicile lor de măsurare asociate care sunt utilizate pentru a analiza suprafețele. Microscopul sondei de scanare se referă la toate tipurile de microscopuri în care imaginea este formată ca urmare a interacțiunii dintre sondă și probă. Astfel, aceste metode diferă atât de microscopia optică, cât și de microscopia electronică de scanare. Aici nu sunt folosite nici lentile optice, nici electronice. În microscopul sondei de scanare, suprafața probei este scanată bucată cu bucată cu ajutorul unei sonde. În acest fel, se obțin valori măsurate pentru fiecare spot individual, care sunt în cele din urmă combinate pentru a produce o imagine digitală. Metoda sondei de scanare a fost dezvoltată și prezentată pentru prima dată de Rohrer și Binnig în 1981. Se bazează pe efectul de tunel care apare între un vârf metalic și o suprafață conductivă. Acest efect constituie baza tuturor tehnicilor de microscopie a sondei de scanare dezvoltate ulterior.

Forme, tipuri și stiluri

Există mai multe tipuri de microscopuri cu sondă de scanare, diferind în primul rând prin interacțiunea dintre sondă și probă. Punctul de plecare a fost microscopia de scanare prin tunel, care a permis mai întâi imagistica cu rezoluție atomică a suprafețelor conductoare electric în 1982. În anii următori, s-au dezvoltat numeroase alte tehnici de microscopie cu sondă de scanare. În microscopia de scanare prin tunel, se aplică o tensiune între suprafața probei și vârf. Curentul tunelului dintre eșantion și vârf este măsurat și nu trebuie să se atingă unul de celălalt. În 1984, microscopia optică în câmp apropiat a fost dezvoltată pentru prima dată. Aici, lumina este trimisă prin eșantion pornind de la o sondă. În microscopul de forță atomică, sonda este deviată prin intermediul forțelor atomice. De regulă, se folosesc așa-numitele forțe Van der Waals. Devierea sondei arată o relație proporțională cu forța, care este determinată în funcție de constanta arcului sondei. Microscopia cu forță atomică a fost dezvoltată în 1986. La început, microscopii cu forță atomică au funcționat pe baza unui vârf de tunel care acționează ca un detector. Acest vârf de tunel determină distanța reală între suprafața eșantionului și senzor. Tehnica folosește tensiunea tunelului care există între partea din spate a senzorului și vârful de detectare. În epoca modernă, această tehnică a fost în mare parte înlocuită de principiul detecției, unde detectarea se face folosind un fascicul laser care acționează ca un indicator de lumină. Acest lucru este, de asemenea, cunoscut sub numele de microscop cu forță laser. În plus, a fost dezvoltat un microscop cu forță magnetică în care forțele magnetice dintre sondă și probă servesc drept bază pentru determinarea valorilor măsurate. În 1986, a fost dezvoltat și microscopul termic de scanare, în care un mic senzor acționează ca o sondă de scanare. Există, de asemenea, un așa-numit microscop optic de scanare cu câmp apropiat, în care interacțiunea dintre sondă și probă constă din unde evanescente.

Structura și funcționarea

În principiu, toate tipurile de microscopuri cu sondă de scanare au în comun faptul că scanează suprafața probei într-o rețea. Acest lucru profită de interacțiunea dintre sonda microscopului și suprafața probei. Această interacțiune diferă în funcție de tipul microscopului de sondă de scanare. Sonda este imensă în comparație cu eșantionul examinat, dar capabil să detecteze caracteristicile minuscule ale suprafeței eșantionului. O deosebită relevanță în acest moment este cel mai important atom din vârful sondei. Folosind microscopia sondei de scanare, sunt posibile rezoluții de până la 10 picometri. Pentru comparație, dimensiunea atomilor este în intervalul de 100 de picometri. Precizia microscopilor luminoși este limitată de lungimea de undă a luminii. Din acest motiv, numai rezoluțiile de aproximativ 200 până la 300 nanometri sunt posibile cu acest tip de microscop. Aceasta corespunde la aproximativ jumătate din lungimea de undă a luminii. Prin urmare, un microscop electronic cu scanare folosește radiația electronică în loc de lumină. Prin creșterea energiei, lungimea de undă poate fi redusă în mod arbitrar în teorie. Cu toate acestea, o lungime de undă prea mică ar distruge proba.

Beneficii medicale și pentru sănătate

Folosind un microscop cu sondă de scanare, nu este posibilă doar scanarea suprafeței unei probe. În schimb, este, de asemenea, posibil să alegeți atomi individuali din eșantion și să îi așezați înapoi într-o locație prestabilită. De la începutul anilor 1980, dezvoltarea microscopiei sondei de scanare a progresat rapid. Noile posibilități de rezoluție îmbunătățită cu mult mai puțin de un micrometru au reprezentat o condiție prealabilă majoră pentru progresele în nanotștiințe, precum și în nanotehnologie. Această dezvoltare a avut loc mai ales din anii 1990. Pe baza metodelor de bază ale microscopiei cu sondă de scanare, în prezent se subdivizează numeroase alte sub-metode. Acestea folosesc diferite tipuri de interacțiuni între vârful sondei și suprafața eșantionului. Astfel, microscopii cu sondă de scanare joacă un rol esențial în domenii de cercetare precum nanochimia, nanobiologia, nanobiochimia și nanomedicina. Microscoapele cu sondă de scanare sunt chiar folosite pentru a explora alte planete, cum ar fi Marte. Microscoapele cu sondă de scanare utilizează o tehnică specială de poziționare bazată pe așa-numitul efect piezoelectric. Aparatul pentru deplasarea sondei este controlat de la un computer și permite o poziționare foarte precisă. Acest lucru permite scanarea suprafețelor probelor într-o manieră controlată, iar rezultatele măsurătorilor să fie asamblate într-o imagine cu rezoluție extrem de înaltă.