奈米技術/光學方法
| 導航 |
|---|
| << 上一頁：奈米視覺 |
| >< 主頁：奈米技術 |
| >> 下一頁：電子顯微鏡 |
由於阿貝衍射極限，使用顯微鏡觀察亞波長結構很困難。恩斯特·阿貝在1873年發現，波長為λ的光在折射率為n的介質中傳播並以角度φ匯聚到一個點，將形成半徑為
分母nsinφ稱為數值孔徑 (NA)，在現代光學中可以達到約1.4，因此阿貝極限大約為d=λ/2。對於大約500nm的綠光，阿貝極限為250nm，這與大多數奈米結構或尺寸約為1μm的生物細胞相比很大，其內部細胞器要小得多。為了提高解析度，可以使用更短的波長，例如紫外線和X射線顯微鏡。這些技術提供了極佳的解析度，但價格昂貴，在生物樣品中缺乏對比度，並且還容易損壞樣品。
光線以與您觀察方向相同的方向傳送到樣品 - 除非樣品吸收光線，否則大多數物體看起來都很亮。
光線以一定角度朝向樣品，該角度與您的觀察方向不同，您只能看到散射的光線。這使得大多數影像看起來很暗，只有邊緣和彎曲的表面會亮起來。
共聚焦雷射掃描顯微鏡是一種可以從光學顯微鏡獲得更好解析度和三維成像的技術。可以在Paddock, Biotechniques 1999中找到一篇綜述。
使用高數值孔徑物鏡也會產生非常淺的焦深，因此在傳統顯微鏡中，影像將因焦點上方或下方的結構而變得模糊。解決此問題的一種方法是使用共聚焦顯微鏡，或者更好的是雷射掃描共聚焦顯微鏡 (LSCM)。使用雷射作為光源可以更好地控制照明，尤其是在樣品中使用熒游標記時。使用1.4 NA物鏡的理論解析度可以達到140nm（橫向）和230nm（垂直）[1]，而參考文獻[2]中引用的解析度為0.5×0.5×1μm。LSCM中的影像透過在2D或3D中掃描樣品並在PC上記錄每個空間點的訊號來生成，然後PC生成影像。
X射線顯微鏡使用X射線進行成像，其波長比可見光短得多，因此可以提供更高的空間解析度並使用不同的對比度機制。X射線顯微鏡可以以接近10奈米的亞微米解析度表徵材料。X射線顯微鏡可以使用實驗室X射線源和電子加速器產生的同步輻射。使用同步輻射的X射線顯微鏡提供了最大的靈敏度和功率，但不幸的是，它們相當龐大且昂貴。X射線顯微鏡通常分為兩個重疊的範圍，稱為軟X射線顯微鏡（100eV - 2keV）和硬X射線顯微鏡（1keV-40keV）。所有X射線都能穿透材料，能量越高的X射線穿透能力越強。因此，軟X射線顯微鏡為小型樣品提供了最佳對比度。硬X射線確實能夠幾乎毫無阻礙地穿過人體等物體，因此在您想用X射線顯微鏡觀察的許多生物樣品中對比度也相當差。儘管如此，硬X射線顯微鏡可以透過相襯或使用掃描探針X射線顯微鏡，透過檢測熒光或散射的X射線來進行成像。儘管存在侷限性，但X射線顯微鏡是一種強大的技術，在某些情況下可以提供任何其他方法都無法實現的材料或樣品表徵。
鑑定奈米材料中存在的官能團是奈米科學和奈米技術研究中的常見需求。在其他工具中，FT-IR 因其多功能性、相對易用性和可用作定量工具的能力而在研究人員中廣受歡迎。
化學鍵中的原子始終處於振動狀態。這種振動可以類比於一個由兩個質量塊連線到彈簧上的系統。振動頻率取決於質量塊的重量和連線彈簧的彈性係數。同樣地，取決於構成鍵的原子的質量和鍵的結合力，頻率也會有所不同。由於鍵具有不同形狀和大小以及不同強度的原子，因此每種鍵中每種原子的組合都具有獨特的諧振頻率。這種自然頻率位於紅外區域，因此可以設計使用紅外光譜的方法來分析鍵的振動。
當與鍵的諧振頻率相同的紅外輻射照射到鍵上時，由於紅外輻射能量的增加傳遞，鍵的振動會被放大。當給材料提供一系列紅外頻率時，它只會吸收與樣品中存在的鍵的自然頻率相對應的紅外頻率。其他頻率不會被吸收，可以使用紅外光譜儀進行分析，該儀器可以告訴你樣品吸收了哪些頻率。這提供了關於樣品中存在的官能團的重要資訊。這正是傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）的工作原理。
由於FT-IR可用於獲取有關奈米材料中存在的官能團的資訊。這在某些情況下特別有用，例如當人們試圖對奈米材料進行表面改性以提高親和力、反應性或相容性時。分析奈米材料的FT-IR譜圖將告訴你存在哪些官能團，然後可以根據存在的官能團確定合適的表面改性策略。此外，它還可以用於表徵表面改性是否已經發生，因為如果反應成功，應該會出現新的官能團。識別奈米材料中存在的官能團是奈米科學和奈米技術研究中的一個常見要求。在其他工具中，FT-IR由於其多功能性、相對易用性和可用作定量工具的能力，在研究人員中獲得了廣泛的普及。
化學鍵中的原子始終處於振動狀態。這種振動可以類比於一個由兩個質量塊連線到彈簧上的系統。振動頻率取決於質量塊的重量和連線彈簧的彈性係數。同樣地，取決於構成鍵的原子的質量和鍵的結合力，頻率也會有所不同。由於鍵具有不同形狀和大小以及不同強度的原子，因此每種鍵中每種原子的組合都具有獨特的諧振頻率。這種自然頻率位於紅外區域，因此可以設計使用紅外光譜的方法來分析鍵的振動。
當與鍵的諧振頻率相同的紅外輻射照射到鍵上時，由於紅外輻射能量的增加傳遞，鍵的振動會被放大。當給材料提供一系列紅外頻率時，它只會吸收與樣品中存在的鍵的自然頻率相對應的紅外頻率。其他頻率不會被吸收，可以使用紅外光譜儀進行分析，該儀器可以告訴你樣品吸收了哪些頻率。這提供了關於樣品中存在的官能團的重要資訊。這正是傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）的工作原理。
由於FT-IR可用於獲取有關奈米材料中存在的官能團的資訊。這在某些情況下特別有用，例如當人們試圖對奈米材料進行表面改性以提高親和力、反應性或相容性時。分析奈米材料的FT-IR譜圖將告訴你存在哪些官能團，然後可以根據存在的官能團確定合適的表面改性策略。此外，它還可以用於表徵表面改性是否已經發生，因為如果反應成功，應該會出現新的官能團。
另請參閱有關編輯本書的說明 奈米技術/關於#如何貢獻。
- ↑ 共聚焦雷射掃描顯微鏡，Paddock SW，Biotechniques，第 27 卷 (5)：992 年 11 月 1999 年
- ↑ 一種用於光譜細胞成像的新型紫外-可見共聚焦雷射掃描顯微光譜熒光計，Favard C，Valisa P，Egret-Charlier M，Sharonov S，Herben C，Manfait M，Da Silva E，Vigny P，Biospectroscopy，第 5 卷 (2)：101-115 1999 年