تحقیق بررسی ميكروسكوپهاي الكتروني و كاربرد آنها در علم پزشكي

تحقيق بررسي ميكروسكوپهاي الكتروني و كاربرد آنها در علم پزشكي در 33 صفحه ورد قابل ويرايش

مقدمه

پيدايش ميكروسكوپ‌هاي الكتروني عبوري (TEM) به صورت تجاري به سال 1940 بازمي‌گردد، اما از سال 1950 به بعد بود كه كاربردهاي گسترده‌اي در بررسي فلزات پيدا نمودند. مهم‌ترين عامل كاهنده در كاربرد TEM مطالعه فلزات در آن سال‌ها به مشكلات تهيه نمونه مربوط مي‌شد. اما امروزه با توجه به روش‌هاي گوناگون تهيه نمونه فلزات، اين نوع ميكروسكوپ‌ها جايگاه خاصي را در ميان متخصصين مواد و متالوژي براي خود ايجاد نموده و باعث بروز نقطه عطف بسياري از پژوهش‌ها و تحقيقات گشته، به آن‌ها سرعت فراواني داده‌اند. امروزه ميكروسكوپ الكتروني عبوري امكان مطالعه موارد متنوعي در مواد گوناگون نظير ويژگي‌هاي ريزساختاري مواد، صفحات و جهات بلوري، نابجايي‌ها، دوقلويي‌ها، عيوب انباشتگي، رسوب‌ها، آخال‌ها، مكانيزم‌هاي جوانه‌زني، رشدو انجماد، انواع فازها و تحولات فازي، بازيابي و تبلور مجدد، خستگي، شكست، خوردگي و … را فراهم آورده‌است. در كل قابليت‌هاي امروزي TEM را مي‌توان مرهون چهار پيشرفت زير دانست كه دوتاي آن‌ها در ساختمان دستگاه و دوتاي ديگر در نحوه تهيه نمونه حاصل شده‌اند:

- استفاده از چند عدسي جمع‌كننده

- پراش الكتروني سطح انتخابي

- نازك‌كردن نمونه‌ها براي تهيه نمونه‌هاي شفاف در برابر الكترون‌ها

- تهيه نمونه به روش ماسك‌برداري

در بررسي مواد، ميكروسكوپ الكتروني عبوري داراي سه مزيت اصلي ذيل است:

1- قابليت دسترسي به بزرگنمايي‌هاي بسيار بالا (حتي بيش از يك ميليون برابر) به دليل به‌كارگيري انرژي بالي الكترون‌ها و در نتيجه طول موج كمتر پرتوها.

2- قابليت مشاهد ساختمان داخلي فلزات و آلياژها به دليل قدرت عبور الكترون‌هاي پر انرژي از نمونه نازك.

3- قابليت بررسي سطوح انتخابي نمونه به دليل وجود حالت بررسي با پراش الكترون‌ها.

مقايسه TEM با OM

به طوور كلي ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) مشابه ميكروسكوپ نوري (OM) است با اين تفاوت كه در آن به جاي نور با طول موج حدود ? 5000 از الكترون‌هايي با طول موج حدود ? 05/0 براي روشن كردن نمونه استفاده مي‌شود. اين امر به ميكروسكوپ امكان مي‌دهد كه از نظر تئوري داراي قدرت تفكيك 105 با بهتر از ميكروسكوپ نوري گردد. اما در عمل به علت محدوديت‌هاي مربوط به طراحي عدسي‌ها و روش‌هاي نمونه‌گيري، قدرت تفكيك تنها به ? 2 مي‌رسد كه به نسبتي در حدود 1000 مرتبه از قدرت تفكيك ميكروسكوپ نوري بهتر است. در كارهاي روزمره قدرت تفكيك TEM حدود ? 10 است. قدرت تفكيك زياد ميكروسكوپ عبوري در مقايسه با ميكروسكوپ نوردي امكان كاربرد آن براي بررسي رزساختار فلزات را فراهم مي‌سازد. زيرا امكان مشاهدة اجزاي نمونه تا ابعاد اتمي را ميسر مي‌نمايد.

اين قدرت تفكيك مسلماً بدون زحمت و صرف وقت قابل دستيابي نيست، اما به‌هر حال در دسترس متالورژيست‌ها قرار دارد. بزرگنمايي زياد نيز براي استفاده كامل از قدرت تفكيك ميكروسكوپ ضروري است. با وجود اين حتي با بزرگنمايي‌هاي حدود 1000 نيز نتايج TEM به مراتب روشن‌تر از نتايج ميكروسكوپ نوري است. پرتوي روشن‌كننده در TEM الكترون و در OM، امواج نوري مركب است. يك عدسي الكتروني ساده قادر است بزرگنمايي را حدود 50 تا 200 برابر افزايش دهد.

اجزاي ميكروسكوپ الكتروني عبوري TEM Parts

در شكل اجزاي اصلي يك ميكروسكوپ الكتروني عبوري نشان داده شده‌است. اين طرح بنا به مورد كاربرد، به منظور به‌كارگيري انواع اثرات متقابل الكترون و نمونه اصلاح يا ترميم‌شده و به تجهيزات كمكي و ويژه مجهز مي‌گردد. همان‌طور كه مشاهده مي‌شود از اجزاي اصلي يك دستگاه TEM، مي‌توان تفنگ الكتروني، عدسي جمع‌كننده، رديف‌كننده پرتو، نگهدارنده نمونه، عدسي شيئي، عدسي تصويري، سيستم‌هاي ازبين برنده آلودگي، پرده فلورسنت و دوربين عكاسي را برشمرد. كل سيستم در خلاء حداقل 4-10 تور قرار دارد تا مسير آزاد طولاني براي الكترون‌ها موجود باشد. در شكل (3) نيز مسير حركت پرتوهاي الكتروني نشان داده شده‌است.

تفنگ الكتروني Electron Gun

سيستم روشن‌كننده در TEM شامل يك تفنگ الكتروني است كه از يك رشته (فيلامنت) گرم (عمدتاً از جنس تنگستن) متصل به پتاسيم الكتريكي بالا كه با يك محفظه قطبي به نام استوانه و هنلت (Wehnelt ) احاطه مي‌شود، تشكيل شده‌است. پايين‌تر از اين قسمت يك آند متصل به زمين قرار گرفته كه در وسط آن سوراخي براي عبور الكترون‌ها به طرف پايين ستون تعبيه شده‌است. ولتاژهاي شتا‌ب‌دهنده به‌كار رفته در دو گروه عمده قرار مي‌گيرند. ميكروسكوپ‌هاي معمولي از ولتاژهاي 20 تا 120 كيلووات استفاده مي‌نمايند. تعداد ولتاژ انتخاب‌شده در اين فاصله معين بوده و معمولاً با گام‌هاي 20 كيلوولتي است. در گروه ديگري از ميكروسكوپ‌ها (مرسوم به ميكروسكوپ‌هاي ولتاژ بالا) از ولتاژهاي 200 تا 1000 كيلوولت نيز استفاده مي‌شود.

شايان ذكر است كه تمام انواع ذكرشده به‌صورت تجاري در دسترس بوده و قيمت متناسب با ولتاژ شتاب‌دهنده تعيين مي‌گردد. جريان كلي تفنگ الكتروني در حدود A m 100 است. اما تنها كسري آن موجب تشكيل تصوير نهايي شده و بقيه آن توسط دريچه‌هاي گوناگون ستون ميكروسكوپ جذب مي‌گردد. هنگامي‌كه به بزرگنمايي بالاتري نياز است، از تفنگ الكتروني قوي‌تري استفاده مي‌شود. عدسي Lens در ميكروسكوپ‌هاي الكتروني از عدسي‌هاي خاصي استفاده مي‌شود. عمده اين عدسي‌ها در دو گروه عدسي‌هاي مغناطيسي (سيم‌پيچ مغناطيسي با هسته آهني) و عدسي‌هاي الكترواستاتيكي طبقه‌بندي شده‌اند. عدسي‌هاي نوع دوم داراي مزيت يكنواختي زمينه هستند ولي با اين وجود بيشتر از اعوجاج حوزه الكتريكي در اثر آلودگي تأثير مي‌پذيرند. به همين جهت تاكنون نتوانسته‌اند جاي عدسي‌هاي مغناطيسي را بگيرند.

به‌خاطر محدوديت‌هاي موجود در طراحي، عدسي‌هاي ميكروسكوپ TEM روزنه‌هايي به مراتب كوچكتر از روزنه‌هاي عدسي‌هاي شيشه‌اي ميكروسكوپ را تشكيل مي‌دهد. يك عدسي شيئي مغناطيسي نمونه با فاصله كانوني mm5/2 (m 2500) و روزنه شيئي m 50 داراي نيم‌زاوية پذيرش(Acceptance Half-Angle) در حدود 3- 10×5 راديان است، در حاليكه نيم‌زاوية پذيرش براي يك عدسي شيئي نوري خوب حدود راديان (‍°‎60) مي‌باشد. بازده كم عدسي الكتروني تا حدي توسط عمق نفوذ بيشتر حوزه آن و عمق تمركز بالا جبران مي‌شود.

اكثر ميكروسكوپ‌هاي TEM پيشرفته داراي 4 تا 6 عدسي مي‌باشند. عدسي جمع‌كننده پرتوي الكتروني را روي نمونه متمركز مي‌نمايد. عدسي شيئي اولين تصوير بزرگ‌شده را ايجاد مي‌كند. اين تصوير مجدداً توسط عدسي تصويري بزرگ‌شده و تصوير نهايي را كه معمولاً قابل رويت است روي صفحة فلورسنت تشكيل مي‌دهد. براي ثبت تصوير، صفحة فلورسنت برداشته شده و به‌جاي آن يك صفحة فتوگرافيك يا فيلم قرار داده‌مي‌شود. تمام آنچه كه يك ميكروسكوپ نوري قادر به تفكيك آن مي‌باشد با بزرگنمايي 500 قابل مشاهده است. بزرگنمايي بالاتر مشاهدة جزييات را آسان‌تر مي‌كند اما قدرت تفكيك را افزايش نمي‌دهد. براي استفاده كامل از قدرت تفكيك ميكروسكوپ الكتروني، بزرگنمايي تا 200000 يا بيشتر مورد نياز است. اين بزرگنمايي‌ها با استفاده از دو عدسي بدست‌ نمي‌آيند. بنابراين از بزرگنمايي سه مرحله‌اي استفاده مي‌شود. براي اين‌كار يك عدسي مياني در بين عدسي‌هاي شيئي و تصويري قرار مي‌دهند.

براي عدسي شيئي معمولاً از يك بزرگنمايي ثابت استفاده مي‌شود كه مقدار آن متناسب با موقعيت نمونه و فاصله كانوني است. عدسي تصويري نيز داراي بزرگنمايي‌هاي مشخصي مي‌باشد. بزرگنمايي‌هاي بين اين حدود را مي‌توان با تنظيم شدت جريان در عدسي مياني بدست آورد. مقدار لازم بزرگنمايي بسته به نوع نمونه است، اما مرسوم آن است كه براي تسهيل مقايسه تصاوير در بررسي يك نمونه از تعداد معيني بزرگنمايي ثابت استفاده گردد. به‌عنوان مثال در ماسك‌برداري صورت‌گرفته از نمونه‌هاي فولادي، بزرگنمايي‌هاي ثابت 2000، 5000، 10000 و 25000 را به‌كار مي‌برند. همچنين صفحات فتوگرافيك را مي‌توان تا 5 بار بدون هيچ‌گونه اشكالي بزرگ كرد.

عدسي جمع‌كننده Condenser Lens

نازك كردن شيميايي Chemical Thinning

روشي كه در آن مي‌توان حداقل تخريب‌ها را در يك نمونه بدست‌آورد، پرداخت‌كردن شيميايي است. با استفاده از اين روش، برخي عيوب شناخته شده در مراحل مكانيكي آماده سازي نمونه تا حدودي از بين مي‌رود، اما به‌دست آوردن سطوح موازي در نمونه مشكل به‌نظر مي‌رسد. ماشين‌هايي كه در آن با استفاده از فرآيندهاي شيميايي مي‌توان ضخامت را كنترل نمود، در دسترس هستند. در اين دستگاه‌ها هر دو سطح نمونه همزمان با يك محلول خوردنده پرداخت مي‌شوند. اگر ماده نمونه زياد باشد، كل نمونه در محلول غوطه‌ور شده و هيچ تلاشي براي جلوگيري از خوردگي لبه‌ها صورت نمي‌گيرد. به عبارت ديگر نمونه به اندازه كافي خورده شده و پراخت مي‌شود. بنابراين با به‌كارگيري اين روش نيازي به تهيه نمونه‌هاي اوليه بسيار كوچك نيست.

نازك‌كردن نهايي نمونه Final Thinning

پرداخت الكتريكي Electropolishing پرداخت الكتريكي يا الكتروپوليش اغلب براي رساندن ضخامت نمونه به ضخامت نهايي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. عمليات پرداخت الكتريكي در يك سلول حاوي الكتروليت كه در آن نمونه در حالت آند قرار دارد، با اعمال يك پتانسيل مناسب براي حل‌كردن مقدار كنترل‌شده‌اي از نمونه، انجام مي‌شود. اين عمل تا ايجاد يك سوراخ در نمونه ادامه مي‌يابد. محدودة عبور الكترون در ‏TEM ، نوار باريكي در محيط همين سوراخ است. سلول پرداخت الكترويكي در واقع با حذف برجستگي‌ها و نامنظمي‌ها بسيار ريز سطح نمونه، آنرا پرداخت مي‌نمايد. اين امر باعث صاف‌شدن سطح و در نهايت نازك‌شدن يكنواخت، كامل و سريع نمونه مي‌شوند. پرداخت الكتريكي در واقع روشي عكس فرآيند آبكاري الكتريكي است. در اين روش، قطعه مورد پرداخت، آند قرار داده مي‌شود و لذا گرايش به حل‌شدن در الكتروليت دارد. الكتروليت و چگالي جريان طوري كنترل مي‌شوند كه اكسيژن آزاد‌شده در آند، نقاط برجسته قطعه را اكسيد نمايد. فلز اكسيد شده در الكتروليت حل‌شده و در نتيجه سطحي صيقلي مانند صيقل كاري مكانيكي بدست مي‌آيد.

در محلول الكتروليت سلول معمولاً يك عامل اكسيدكننده و يك معرف حضور دارند كه باعث ايجاد يك لايه چسبناك، غليظ و پايدار بر روي نمونه مي‌شوند. پرداخت‌كاري نرم با حل شدن نمونه همراه بوده و همان‌طوري كه در شكل نشان داده شده‌است، با طول مسير نفوذ از فيلم چسبناك تا الكتروليت كنترل مي‌شود. هرچه نقاط سطح نمونه به سطح آزاد الكتروليت نزديك‌ترد باشند، عمليات حل‌شدن نسبت به محيط اصراف سريع‌تر صورت مي‌گيرد. بدين ترتيب يك سطح نرم به‌دست مي‌آيد كه از روشنايي و براقي آن قابل تشخيص است. از آن‌جا كه مي‌بايست لايه چسبناك نازك نگه‌داشته‌شود، لازم است كه الكتروليت محتوي يك ماده حل‌كننده لايه چسبناك، يك عامل اكسيدكننده و يك تشكيل‌دهنده لايه باشد. گاهي يك نوع معرف مي‌تواند به هر سه‌گونه رفتار نموده و الكتروليت را ساده نمايد. يكي از اين معرف‌ها محلول رقيق اسيد پركلريك )4 (HCLO در اتانول مي‌باشد كه يك عامل پرداخت‌كننده مرسوم است. هرچندگاهي الكتروليت‌هاي پيچيده‌اي با بيش از 3 الي 4 جزء نيز مشاهد مي‌شود. در چنين مواردي يك عامل اكسيدكننده نظير اسيد پركلريك

)4 (HCLO يا اسيد نيتريك )3 (HNO، يك تشكيل‌دهنده لايه مانند اسيد فسفريك

)4 SO 2 (H براي حل‌كردن اكسيدها و نيز يك رقيق‌كننده‌اي كه مي‌تواند غليظ هم باشد مثل گليسرول براي كنترل‌كردن سرعت واكنش، حضور دارد. تركيب الكتروليت يا تغييرات اوليه پتانسيل كاربردي تعيين مي‌شود. از طرف ديگر پتانسيل پايين با اچ شدن نمونه و پتانسيل بالا به سوراخ شدن و عدم پرداخت‌كاري منجر مي‌گردد. بديهي است مي‌بايست از هر دو گونه شرايط مذكور دوري جست. شرايط صحيح عملكرد با مطالعه منحني عملي ولتاژ – جريان قابل تشخيص است. پرداخت‌‌كاري بهينه در منطقه فلات منحني رخ مي‌دهد. هرچند يك پتانسيواستات براي اندازه مقدار واقعي منحني ولتاژ – جريان مورد نياز است. به دليل وجود مشكلات بسيار در حصول شرايط پايدار، تحقيقات خبره كمتري براي رم منحني‌هاي تجربي انجام شده‌است. در مجموع تحقيقات انجام‌شده مبين شروع فرآيند با پتانسيل توصيه شده‌است. فراتر رفتن پتانسيل، باعث اچ شدن و فروتر رفتن آن منجر به حفره‌دار شدن نمونه خواهد گشت.

روش پنجره The Window Technique

آخرين مرحله نازك‌كردن نمونه از صفحات حدود m m 125 به ضخامتي نهايي تلاش‌هاي تحقيقي فراواني را به خود جذب‌ نموده‌است. در اين ميان متغييرهايي چون شكل هندسي آند و كاتد، پايداري ولتاژ، دماي محلول و تلاطم الكتروليت همگن مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. رساندن نمونه به ضخامت‌هايي در حدود و رقم مذكور با روش‌هايي چون نازك‌كردن شيميايي، پرداخت الكتريكي، كوبيدن، استفاده از جرقه و ماشين‌كاري، با به‌كارگيري ظرايف و نكاتي امكان‌پذير است. ابتدايي‌‌ترين روش پراخت الكتريكي كه با نام “ روش پنجره “ شناخته شده است، توسط Bollman (1965) ارايه شد. اين روش بر سرعت گوناگون خوردگي مناطق مختلف سطح تكيه دارد. نمونه اوليه مورد استفاده در اين روش مربعي با ابعاد 2×1 سانتي‌متر بوده، توسط گيره‌اي شبيه موچين در الكتروليت آويزان است. به منظور حفاظت در برابر حمله محلول، نمونه با يك لاك مقاوم به اسيد پوشش شده‌است درون وان الكتروليت مواد به ارتفاع كافي حضور داشته و همزن مغناطيسي موجود تلاطم و گردش مناسب محلول را ايجاد مي‌نمايد. نمونه به قطب مثبت (آند) متصل است. كاتد نيز ورقه‌هايي از همان جنس نمونه يا موادي خنثي نظير پلاتين يا فولاد ضدزنگ مي‌باشد. موچين نگهدارند نمونه حتي مي‌تواند با دست‌نگه‌داشته‌شده و با غوطه‌ور شدن نمونه در محلول، جريان برقرار گردد. در هر حال پس از برقراري جريان الكتريكي در داخل الكتروليت، نمونه آرام‌آرام خورد شده و به سمت ايجاد بخش‌هايي گلويي شكل حركت مي‌كند. به دليل شفاف بودن ظرف و محلول الكتروليت، رويت فرآيند پرداخت الكتريكي و خورد‌ه‌شدن نمونه

دايماً امكان‌پذير خواهد بود. پس از سوراخ‌شدن اين قسمت گلويي‌شده، نمونه مورد نظر براي TEM آماده خواهد بود. در نهايت چيزي كه از نمونه باقي مي‌ماند، شبيه پنجره است و نامگذاري اين روش نيز به همين دليل مي‌باشد. در خاتمه نمونه به دست‌آمده را به منظور حذف مواد الكتروليت از روي آن در يك ظرف آزمايشگاهي حاوي حلال فروبرده و سپس شستشو مي‌دهند. آن‌چه كه Bollman در سال 1956 ابداع نمود، استفاده از دو كاتد در دو طرف نمونه بود. او كاتدهايي را فاصله يك‌ ميلي‌متري نمونه‌هايي كه لبه‌هاي آن لاك شده بود قرار داد. بدين ترتيب سوراخ‌شدن در مركز نمونه آغاز مي‌شد. در حالي كه عمليات پرداخت‌كاري در حال انجام بود، او فاصله كاتدها از نمونه را افزايش داده و به حدود يك سانتي‌متر مي‌رساند. بدين ترتيب عمل سوراخ شدن در فصل مشترك لاك – فلز نيز آغاز مي‌گشت. فرآيند پرداخت‌كاري تا زماني‌كه دو سوراخ مذكور به يكديگر مي‌رسيدند ادامه مي‌يافت . بدين ترتيب با بريدن نمونه، دو نمونه زبانه‌اي شكل و نازك براي انجام آزمايش بدست مي‌آمد.