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3.3G : Microscopie à sonde à balayage - Biologie

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Objectifs d'apprentissage

  • Décrire les différents types de techniques de sonde à balayage et leurs avantages par rapport aux autres types de microscopie

Images 3D

La microscopie à sonde numérisée (SPM) produit des images hautement agrandies et tridimensionnelles d'échantillons en temps réel. SPM utilise une sonde délicate pour balayer la surface de l'échantillon, éliminant ainsi les limitations que l'on trouve en microscopie électronique et optique. SPM couvre plusieurs technologies connexes pour l'imagerie et la mesure de surfaces à une échelle fine, jusqu'au niveau des molécules et des groupes d'atomes.

Un balayage peut couvrir une distance de plus de 100 micromètres dans les directions x et y et de 4 micromètres dans la direction z. Les technologies SPM partagent le concept de balayage d'une pointe de sonde pointue avec un petit rayon de courbure sur la surface de l'objet. La pointe est montée sur un cantilever flexible, permettant à la pointe de suivre le profil de la surface. Lorsque la pointe se déplace à proximité de l'objet étudié, les forces d'interaction entre la pointe et la surface influencent le mouvement du porte-à-faux. Des capteurs sélectifs détectent ces mouvements. Différentes interactions peuvent être étudiées en fonction de la mécanique de la sonde.

Il existe trois techniques courantes de sonde à balayage : microscopie à force atomique (AFM) mesure la force d'interaction entre la pointe et la surface. La pointe peut être traînée sur la surface ou vibrer lorsqu'elle se déplace. La force d'interaction dépendra de la nature de l'échantillon, de la pointe de la sonde et de la distance qui les sépare. Smicroscopie à effet tunnel (STM) mesure un faible courant électrique s'écoulant entre la pointe et l'échantillon lorsqu'ils sont maintenus séparés. Microscopie optique à balayage en champ proche (NSOM) scanne un très petite source lumineuse très proche de l'échantillon. La détection de cette énergie lumineuse forme l'image.

Points clés

  • La microscopie à sonde numérisée a permis aux chercheurs de créer des images de surfaces à l'échelle nanométrique avec une sonde.
  • La sonde a une pointe extrêmement pointue qui interagit avec la surface de l'échantillon.
  • Il existe plusieurs variantes de la microscopie à sonde à balayage, dont la microscopie à force atomique, la microscopie à effet tunnel et la microscopie optique à balayage en champ proche sont les plus couramment utilisées.

Mots clés

  • micromètre: Une unité de mesure SI/MKS, la longueur d'un millionième de mètre. Symboles : µm, um, rm

3.3G : Microscopie à sonde à balayage - Biologie

Les premiers pionniers de la microscopie ont ouvert une fenêtre sur le monde invisible des micro-organismes. Mais la microscopie a continué à progresser dans les siècles qui ont suivi. En 1830, Joseph Jackson Lister a créé un microscope optique essentiellement moderne. Le vingtième siècle a vu le développement de microscopes utilisant la lumière non visible, comme la microscopie à fluorescence, qui utilise une source de lumière ultraviolette, et la microscopie électronique, qui utilise des faisceaux d'électrons à courte longueur d'onde. Ces progrès ont conduit à des améliorations majeures en termes de grossissement, de résolution et de contraste. En comparaison, les microscopes relativement rudimentaires de van Leeuwenhoek et de ses contemporains étaient bien moins puissants que les microscopes les plus basiques utilisés aujourd'hui. Dans cette section, nous examinerons le large éventail de technologies microscopiques modernes et les applications courantes pour chaque type de microscope.


Microscope à sonde à balayage (SPM)

Les microscope à sonde à balayage donne aux chercheurs des outils d'imagerie pour l'avenir car ces microscopes spécialisés fournissent un grossissement d'image élevé pour l'observation de spécimens de forme tridimensionnelle.

Cela rend non seulement des images améliorées, mais aussi les propriétés des échantillons, la réponse et la réaction ou la non-action lorsque les échantillons sont stimulés ou touchés.

Histoire

Travaillant dans un laboratoire de recherche IBM à Zurich, en Suisse, le Dr Gerd K. Binning et le Dr Heinrich Rohrer ont mené avec succès la première observation microscopique à effet tunnel au niveau atomique.

Rohrer et Binning ont reçu le prix Nobel de physique en 1986 pour leur travail consistant à faire passer la technologie des microscopes à sonde à balayage de la planche à dessin au laboratoire.

Technologie de sonde de balayage au niveau microscopique se trouve aujourd'hui dans les laboratoires académiques et industriels, y compris la physique, la biologie, la chimie et sont désormais des outils d'analyse standard pour la recherche et le développement.

Technologie SPM

La capacité d'observer un spécimen en trois dimensions, en temps réel et de manipuler des spécimens par l'application d'un courant électrique avec une interaction physique à l'aide de la pointe de la sonde a un potentiel incroyable pour la recherche.

L'observation d'un échantillon dans une variété d'environnements est la raison pour laquelle les microscopes à sonde à balayage, les SPM, sont si largement utilisés.

Les échantillons peuvent désormais être visualisés au niveau du nanomètre et au lieu d'ondes lumineuses ou d'électrons, les SPM utilisent une sonde délicate pour balayer la surface d'un échantillon, éliminant ainsi de nombreuses restrictions imposées par les ondes lumineuses ou l'imagerie électronique.

Comment fonctionne un microscope à sonde à balayage ?

Le traçage de la surface d'un spécimen se fait à l'aide d'une sonde pointue et chargée électriquement, un peu comme un vieux tourne-disque créait le son à travers une aiguille suivant les sillons d'un LP.

Contrairement à une aiguille de tourne-disque, la sonde SPM ne touche pas la surface mais trace l'échantillon à des nanomètres au-dessus de la surface.

De plus, la sonde peut être utilisée pour interagir avec un échantillon, ce qui permet aux chercheurs d'observer comment une substance attire ou diminue, répond aux courants électriques. Étant donné que la technologie SPM peut fonctionner dans une grande variété d'environnements, même les échantillons non conducteurs peuvent être manipulés et observés.

Le développement des microscopes à sonde à balayage a permis la création de microscopes spécialisés, notamment :

Microscopes à effet tunnel

Les microscopes à effet tunnel utiliser un fil piézoélectriquement chargé, un très petit espace entre le fil chargé et la surface et l'échantillon pour produire des images améliorées de l'échantillon.

Le fil chargé force l'énergie à travers le petit espace et sur l'échantillon où le courant rencontre la surface de l'échantillon et se désintègre.

Cette décroissance est mesurée et une image haute résolution est produite à partir des informations recueillies.

La microscopie à effet tunnel permet de produire une imagerie au niveau atomique et différents types d'informations peuvent être obtenus en modifiant l'environnement dans lequel l'échantillon est observé, tel qu'un environnement gazeux, un vide ou un environnement liquide.

Microscopie à force atomique

Microscopie à force atomique utilise un cantilever avec une sonde pointue qui balaye la surface de l'échantillon permettant une résolution que vous pouvez mesurer en fractions de nanomètre en d'autres termes "sentir" la surface d'un objet afin de produire une image visuelle.

La flexibilité de ces types de microscopes permet d'utiliser des instruments spécialisés supplémentaires, notamment le microscope optique à balayage en champ proche qui utilise des fibres optiques pour stimuler les échantillons.

Avantages de la technologie SPM

Microscopie à sonde à balayage fournit aux chercheurs une plus grande variété d'environnements d'observation de spécimens utilisant le même microscope et le même spécimen, réduisant ainsi le temps nécessaire pour préparer et étudier les spécimens.

Les sondes spécialisées, les améliorations et les modifications apportées aux instruments de sonde à balayage continuent de fournir des images d'échantillons plus rapides, plus efficaces et révélatrices avec un effort et une modification mineurs.

Inconvénients de la technologie SPM

Malheureusement, l'un des inconvénients des microscopes à sonde à balayage est que les images sont produites en noir et blanc ou en niveaux de gris, ce qui peut, dans certaines circonstances, exagérer la forme ou la taille réelle d'un spécimen.

Les ordinateurs sont utilisés pour compenser ces exagérations et produire des images couleur en temps réel qui fournissent aux chercheurs des informations en temps réel, y compris les interactions au sein des structures cellulaires, les réponses harmoniques et l'énergie magnétique.

Évolution technologique SPM

À mesure que les chercheurs continuent d'améliorer et d'étendre les capacités des microscopes à sonde à balayage, l'évolution technologique comprendra un meilleur équipement d'observation, une meilleure analyse des données et un équipement de traitement.

De plus, la micro-manipulation de molécules, d'ADN, d'échantillons biologiques et organiques à l'aide de ces instruments de précision produira une meilleure compréhension et de nouvelles méthodes pour :

Microscopes à sonde à balayage ont amélioré la recherche en microscopie à bien des égards, comme l'invention du microscope a amélioré le monde.

Au fur et à mesure que les GPS continuent d'évoluer, des instruments plus spécialisés seront développés, ouvrant de nouvelles voies pour la recherche et le développement. Ainsi, le domaine de la nanotechnologie deviendra d'autant plus fascinant.

Pour plus d'informations, veuillez suivre les liens ci-dessous.

Microscope à force atomique - utilise un porte-à-faux avec une sonde pointue qui balaye la surface de l'échantillon permettant une résolution que vous pouvez mesurer en fractions de nanomètre. C'est une résolution sérieuse !

Microscope à effet tunnel - est couramment utilisé dans la recherche fondamentale et industrielle offrant un profil tridimensionnel d'une surface en regardant les caractéristiques microscopiques à votre étonnement.

Nanonics Optometronic 4000 - Des entreprises telles que Nanonics ont ouvert la voie dans les technologies SPM et continuent de fournir aux chercheurs des systèmes avec un potentiel auparavant inimaginable. Découvrez ce mélange de systèmes des appareils les plus puissants et polyvalents disponibles.


Soumissions de résumés

Les organisateurs acceptent la soumission de résumés techniques pour des présentations orales ou par affiches à l'i(SPM) 2021 3 . Veuillez utiliser le modèle ci-joint pour préparer vos résumés d'une page :

La soumission des résumés pour l'ISPM3 2021 est ouverte !

Résumés attendus le 9 avril 2021

Les soumissions couvrant toutes les formes de techniques, d'instrumentation et d'application de GPS sont les bienvenues. Les domaines cibles spécifiques comprennent, sans s'y limiter :


Microscopies à sonde balayée en chimie

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3.3G : Microscopie à sonde à balayage - Biologie

Nanonics produit des sondes de résistance thermique Pt en porte-à-faux uniques. Cette sonde a toutes les capacités de la sonde AFM avec des capacités d'image de la variation de la température et de la conductivité thermique sur la surface de l'échantillon. La taille de la pointe nanomérique et le temps de réponse rapide permettent d'obtenir une cartographie AFM/thermique haute résolution.

Cliquez ici pour plus d'informations sur les sondes et comment commander

Il existe deux modes principaux de fonctionnement de la sonde résistive thermique :
  • Mode de contraste de température : Dans ce mode, l'élément résistif de la sonde résistive thermique Nanonics est utilisé comme thermomètre à résistance Pt. La température de la sonde thermique change lorsque la pointe balaie la surface en fonction de la température de surface. Le changement de la température du fil Pt entraîne un changement de sa résistance. Le courant traversant la sonde en mode contraste de température est réglé pour être suffisamment faible pour qu'aucun auto-échauffement de la sonde ne se produise.
  • Mode de contraste de conductivité thermique : En mode de contraste de conductivité thermique, l'élément résistif de la sonde résistive thermique Nanonics est utilisé comme élément chauffant résistif. Le courant constant traversant le fil Pt est important et donc la température de la sonde est beaucoup plus élevée qu'une température d'échantillon. Lorsque la sonde entre en contact avec l'échantillon, la chaleur s'écoule de la sonde vers l'échantillon, ce qui entraîne le refroidissement de la sonde.

Conception de la sonde

Une sonde en verre en porte-à-faux à double fil a été produite pour les mesures microthermiques, de résistivité et topographiques à sonde scannée. La structure possède de nombreuses propriétés potentiellement uniques pour la microscopie à sonde balayée et d'autres mesures nanotechnologiques. Une sonde à double fil de Pt a été fusionnée à l'extrémité et appliquée aux mesures de résistance thermique. Le fonctionnement de la sonde est basé sur la dépendance linéaire de la résistance Pt à la température.

Principales caractéristiques

HAUTE SENSIBILITÉ

La sonde résistive thermique a une sensibilité élevée et un temps de réponse de quelques microsecondes en raison de la taille nanométrique de la jonction thermique Pt.

POINTE THERMIQUE EXPOSÉE POUR L'INTÉGRATION OPTIQUE

Fournit un accès optique complet d'en haut et d'en bas pour une intégration complète avec les microscopes optiques, les spectromètres Raman et permet ainsi de combiner la caractérisation thermique avec la cartographie optique et spectrale.

CAPACITÉS MULTISONDES

La forme en porte-à-faux et la pointe exposée permettent d'amener les pointes de la sonde résistive thermique et de la sonde pour d'autres méthodes SPM (AFM, NSOM, conductrice et nanochauffage) à une distance nanométrique les unes par rapport aux autres. Les capacités multisondes permettent d'étudier les propriétés de transport de chaleur en fonction de l'action optique, électrique et autre au niveau nanométrique.


Nanonics félicite les lauréats du prix Nobel de chimie 2014 !

Toute l'équipe de Nanonics adresse ses plus sincères félicitations au Dr Eric Betzig et à ses co-récipiendaires, le professeur Stefan Hell et le professeur William Moerner, pour l'obtention du prix Nobel de chimie 2014 pour le développement de la microscopie à fluorescence en champ lointain à super-résolution. Le Dr Betzig a été initié à la quête de la résolution de la limite de diffraction d'Abbe en imagerie optique lors de ses études supérieures dans les années 1980 à l'Université Cornell sous la direction du professeur Aaron Lewis, fondateur de Nanonics qui avait lancé le domaine de l'optique en champ proche. L'optique de champ proche à Cornell, a définitivement dépassé cette limite de résolution optique grâce aux travaux de doctorat d'Alec Harootunian et Eric Betzig dans ce qui était à l'époque un nouveau domaine de la science de l'imagerie.

Quand Eric Betzig a rejoint le laboratoire, le professeur Lewis avait montré que la lumière était transmise avec une grande efficacité à travers des ouvertures aussi petites que 30 nm, au-delà de ce qui était classiquement prédit par les calculs de champ électromagnétique [A. Lewis, M. Isaacson, A. Harootunian et A. Murray, « Development of a 500ֵ Angstrom Spatial Resolution Light Microscope : Light is Efficiency Transmit through lambda/16 Diameter Apertures », Ultramicroscopy 13, 227 (1984)]. Ces ouvertures, qui laissaient même passer la lumière fluorescente, avaient été produites et caractérisées de manière vérifiable par les techniques émergentes de lithographie par faisceau d'électrons développées à l'époque à Cornell par le professeur Michael Isaacson.

Au cours de cette période, Alec Harootunian dans le laboratoire de Lewis a également développé le tirage thermique du verre pour les sondes optiques en champ proche qui est aujourd'hui largement utilisé et avec Eric Betzig a démontré la rupture de la limite de diffraction même pour l'imagerie de fluorescence [A. Harootunian, E. Betzig, M.S. Isaacson et A. Lewis, "Microscopie optique à balayage en champ proche à fluorescence à superrésolution (NSOM)", Appl. Phys. Lett. 49, 674 (1986)] atteignant une résolution de l'ordre de 100 nm.

Eric Betzig (à gauche), Alec Hartoonian (au centre) et le professeur Aaron Lewis (à droite) dans le laboratoire Lewis de l'Université Cornell, 1983.

Parallèlement à ce qui précède, Eric Betzig a réalisé la première simulation théorique de ce qui serait attendu dans le champ proche d'un microscope optique en champ proche [E. Betzig, A Harootunian, A. Lewis et M. Isaacson, "Near-Field Diffraction from a Slit: Implications for Superresolution Microscopy," Applied Optics 25, 1890 (1986)] et a été le premier auteur de l'article dans lequel le terme La microscopie optique à balayage en champ proche (NSOM) a été inventée [E. Betzig, A. Lewis, A. Harootunian, M. Isaacson et E. Kratschmer, "Microscopie optique à balayage en champ proche (NSOM): Développement et applications biophysiques", Biophys. J. 49, 269 (1986)]. Il a également fait partie des résultats commerciaux de cette recherche et est répertorié comme co-auteur dans l'un des premiers brevets en champ proche [Aaron Lewis, Michael Isaacson, Eric Betzig, and Alec Harootunian &ldquoNear-field scanning Optical Microscopy&rdquo (US 4917462A, 1990)].

Eric Betzig a été un membre important de l'équipe du laboratoire Lewis et a joué un rôle prépondérant dans l'optique de champ proche qui a dépassé la limite de diffraction en X, Y et Z dans tous les modes d'interaction de la lumière avec la matière, que ce soit la fluorescence, l'absorption, la collection ou l'illumination. De plus, l'optique en champ proche reste aujourd'hui la seule technique optique qui non seulement dépasse la limite de diffraction d'Abbe en 3 dimensions mais peut également fournir en parallèle la phase de l'onde optique tout en fournissant une corrélation complète des propriétés optiques d'un matériau avec sa structure 3D. . C'est également la seule technique capable d'imager des ondes évanescentes en champ proche qui sont perdues dans n'importe quelle image en champ lointain.

Nanonics&rsquo poursuit sa quête pour aborder pleinement les aspects de super-résolution et de phase de l'imagerie dans tous les régimes du spectre électromagnétique. C'est certainement le cas dans le champ proche mais, comme cela a été récemment montré, en concevant efficacement des systèmes optiques force atomique/champ proche pour une intégration optique transparente, les systèmes nanoniques permettent de repousser les limites de la science de l'imagerie en champ lointain. Un exemple de ceci est la confluence de l'interférence de phase de champ lointain avec la lumière émise par une source de champ proche placée avec une précision AFM à une position sur un échantillon. Cette avancée a maintenant permis de résoudre, de façon parallèle, la phase 3D en champ lointain d'un objet à l'aide d'une caméra CCD avec une acquisition de données rapide parallèle [Danielle R. Honigstein, Jacques Weinroth, Michael Werman, and Aaron Lewis, &ldquoNoniterative Exact Solution au problème de phase dans l'imagerie optique mise en œuvre avec la microscopie à sonde à balayage,&rdquo ACSNano doi.org/10.1021/nn203427z (2011)]. La technique a également un potentiel de super-résolution dans le champ lointain.

Chez Nanonics, nous sommes très fiers de notre travail continu initié à l'origine par Lewis d'abord à Cornell, puis à l'Université hébraïque de Jérusalem et bien sûr aussi à Nanonics où des microscopes à sonde numérisée de pointe ont été développés pour le NSOM transparent, y compris l'AFM multisonde pionnier/ Technologie NSOM. Grâce à cet engagement envers l'imagerie optique et structurelle à super-résolution, des centaines de laboratoires à travers le monde sont en mesure d'obtenir des informations structurellement corrélées en champ proche et en champ lointain dans des domaines tels que la photonique sur silicium, les matériaux à bande interdite photonique, la plasmonique, la science des matériaux organiques et inorganiques. , et plus récemment dans les matériaux biologiques [V. Dalal, M. Bhattacharya, D. Narang, P.K. Sharma & S. Mukhopadhyay "Imagerie de fluorescence à l'échelle nanométrique des fibrilles amyloïdes uniques". J. Phys. Chem. Lett. 3, 1783 (2012)]

Notre personnel dévoué et expérimenté continue de repousser les limites pour mettre sur le marché les instruments les plus précis, les plus sensibles et à la résolution la plus élevée. L'importance de cet effort est soulignée par l'attribution cette année du prix Nobel de chimie au Dr Betzig, un physicien qui a apporté d'énormes contributions dans ce domaine et pour qui les graines de telles recherches ont été semées par son expérience de troisième cycle à Cornell sous la direction du professeur. Lewis, le fondateur de Nanonics Imaging.


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3.3G : Microscopie à sonde à balayage - Biologie

Centre national biomédical
pour la technologie avancée de résonance de spin électronique

Notre recherche est financée par une subvention du National Institute of General Medical Sciences (NIGMS), qui fait partie des National Institutes of Health.


Détection par sonde balayée de la résonance de spin électronique à partir d'une sonde de spin au nitroxyde

Nous avons développé une approche qui étend l'applicabilité de la détection de gradient de force ultrasensible de résonance magnétique aux échantillons avec des temps de relaxation spin-réseau (T1) aussi courte qu'une seule période en porte-à-faux. Pour démontrer la généralité de l'approche, qui repose sur la détection de la fréquence ou de la phase en porte-à-faux, nous l'avons utilisée pour détecter la résonance de spin électronique à partir d'un T1 = sonde de spin au nitroxyde de 1 ms (cf. figure) dans un film mince à 4,2 K et 0,6 T. En utilisant un cantilever fabriqué sur mesure avec une pointe en nickel de 4 &mum de diamètre, nous obtenons une sensibilité de résonance magnétique de 410 magnétons de Bohr dans une bande passante de 1 Hz . Notre théorie pour cela prédit quantitativement à la fois la forme de la ligne et l'amplitude du décalage de fréquence observé en porte-à-faux en fonction du champ et de la séparation entre le porte-à-faux et l'échantillon. Un bon accord a été trouvé entre le nitroxyde T1est mesurée mécaniquement et inductivement, indiquant que l'aimant en porte-à-faux n'est pas une source appréciable de relaxation spin-réseau ici. Nous suggérons que la nouvelle approche présente un certain nombre d'avantages qui la rendent bien adaptée pour pousser la détection par résonance magnétique et l'imagerie des marqueurs de spin au nitroxyde dans une macromolécule individuelle à une sensibilité à un seul spin. Dans la figure ci-dessous, nous montrons le schéma de l'expérience de résonance de spin électronique de la sonde balayée. Un résonateur demi-onde microruban délivre un champ magnétique transversal, B1, oscillant à 17,7 GHz. Au centre du résonateur, le champ hyperfréquence oscille selon la direction x. Un champ de Zeeman longitudinal de magnitude B0

0:6 T est appliqué le long de l'axe z. Le porte-à-faux à haute compliance a son axe long le long de y et oscille dans la direction x. La pointe en nickel de 4 &mum de diamètre du cantilever a été apposée à la main. L'échantillon est un film de 230 nm d'épaisseur de TEMPAMINE 40 mM dans du polystyrène perdeutéré, recouvert de 20 nm d'or. Le film échantillon a été déposé par centrifugation sur une plaquette de quartz de 250 um d'épaisseur. Pour plus de clarté, l'échantillon et le substrat ne sont pas dessinés à l'échelle.


Un contrôleur en porte-à-faux entièrement numérique pour la microscopie MRFM et à sonde numérisée utilisant une conception combinée DSP/FPGA

SC Solutions, Sunnyvale, CA, Cornell University, Ithaca, NY et le US Army Research Laboratory, Adelphi, MD, ont travaillé conjointement pour développer un contrôleur en porte-à-faux entièrement numérique pour la microscopie à force de résonance magnétique (MRFM) à l'aide d'un processeur de signal numérique combiné (DSP )/ conception de réseau de portes programmables sur site (FPGA). L'un des avantages significatifs du contrôleur en porte-à-faux entièrement numérique était son absence de dérive thermique et sa flexibilité de réglage efficace. Le contrôleur comprenait un FPGA connecté via une interface à faible latence à une entrée et une sortie analogiques et un DSP avec des sorties analogiques supplémentaires. Les performances du contrôleur ont été démontrées lors d'études utilisant des microporte-à-faux en silicium ultrasensibles fabriqués à l'installation scientifique et technologique à l'échelle nanométrique de l'Université Cornell. Les résultats ont révélé que le contrôleur numérique MRFM fonctionnait sans avoir besoin de connaître la fréquence de résonance exacte du porte-à-faux.

Langue originaleAnglais (États-Unis)
Pages12-16
Nombre de pages5
Le volume40
Non8
Éditions spécialisées Laboratoire américain
État Publié - 1 avril 2008
Publié en externeOui