مقاالت 21 www.ijlk.ir تخصصی فصلنامه ایران آزمایشگاهی دانش کلیدی واژههای مقدمه 8 پیاپی شماره 1393 زمستان 4 شماره دوم سال مشاهده توانایی عدم دلیل به اغلب مولکولی زیستشناسی و نانوفناوری در محققين بودهاند. محدود شدت به سهبعدي بهصورت بهويژه باال تفكيك توان با مولکولها و اتمها روبشي پروبي ميكروسكوپي از گونهاي )MRFM( تشدید نیروی میکروسکوپي حساسيت با را مغناطيسي تشديد تصويربرداري روش سهبعدي تصوير تهيه قابليت كه است برهمکنش MRFM در مينماید. تلفيق اتمي نيروي ميكروسكوپ باالي تفكيك توان و اتمهای هستههای اسپین و ميكرومگنت سوزن گرادیانی میدان بین نیروهای میشود. آشکارسازی نمونه سطح. تشدید نیروی میکروسکوپ اتمی نیروی میکروسکوپ ممان تشدید نویسندگان * 1 و 4 هادیان پروین 2 و 4 صادقحسني صديقه 3 و 4 خراشادیزاده مریم parvinhadian@gmail.com میکروسکوپ تشدید نیروی چکیده توصیف و تصوير تهيه برای قدرتمندی ابزار بهعنوان 5 تشدید مختلف روشهای اخیر دهه چند طول در زیستشناسی پزشکی علوم زمینه در شایانی پیشرفتهای ایجاد باعث و گرفتهاست قرار استفاده مورد مولکولی ساختار در آن دادن قرار با نمونه مولکولی ساختار تعیین 6 هسته مغناطیس تشدید روش در شدهاند. فیزیک و مواد علم شیمی تشدید تصویربرداری در ميشود. میسر مولکولی پیوندهای و اتمها پیرامون محیط بررسی و همگن میدان یک میآید. بهدست گرادیانی میدان یک در آن دادن قرار از موردنظر نمونه سهبعدی ساختار تجسم 7 داراي میشود برده کار به میکرومتری مقیاس در هنگاميکه اما است بیشمار تشدید روشهای قدرت اگرچه هستند. باال گرادیانی میدان و آشکارسازی روشهای نوع دلیل به پایین حساسیت ضعف ناج 1991 سال در نمودهاند. استفاده تشدید روشهای حساسیت بهبود براي متعددی روشهای از محققین
8 پیاپی شماره 1393 زمستان 4 شماره دوم سال ایران آزمایشگاهی دانش تخصصی فصلنامه www.ijlk.ir مقاالت 22 تشدید نیروی میکروسکوپ میدان ایجاد و اسپینها سیگنال مکانیکی آشکارسازی از استفاده با تا داد پیشنهاد واشنگتن دانشگاه از 8 سیدلس وي دهد. بهبود را تشدید روشهای جانبی تفکیک توان و حساسیت کوچک ذرات از استفاده با قوی در تصویر تهيه توانایی با 10 اتمی نیروی میکروسکوپي روش از ایدهآل ترکیبی که را 9 تشدید نیروی میکروسکوپ توسعه طوالنی تاریخ در اوجی نقطه میتوان را MRFM نمود. اختراع است طیفسنجی قدرت با MRI و نانومتر مقیاس براساس 2[. و ]1 دانست باال جانبی تفکیک توان و حساسیت با ممان آشکارسازی و تصویر تهيه برای دستگاهی را آن میتوان که نماید اعمال گرادیانی میدان یک در نیرویی میتواند ممان فیزیک بنیادین قوانین كمك به را رزونانس توانستند که بودند کسانی اولین همکارانش و 11 ایوان نمود. اندازهگیری مکانیکی بهصورت ساخت در AFM و MRI مهم بسیار فناوری دو شد اشاره که همانگونه ]3[. دهند تشخيص مکانیکی آشکارسازهای داشتهاند. موازی و مستقل بهطور را مالحظهای قابل پیشرفتهای اخیر دهه سه طول در روش دو هر هستند. دخیل MRFM است. دارا را AFM اتمی تفکیک توان با سهبعدی تصویر تهيه امكان و MRI تصویر تهيه قابلیت MRFM امروزه تشدید نیروی میکروسکوپي روش از نمايي 1: شكل اختیار در نمونه تخریب بدون و باال تفکیک توان با مواد از وسیعی طیف شیمیایی خواص از تصاویری است قادر روش این داده نمایش را الکترون تک اسپین روش این از استفاده با دستگاه سازندگان از یکی اخیرا دهد. قرار محققین 10 میکروسکوپ این حساسیت است(. پروتونها تک از قویتر برابر 600 تقریبا الکترون تک )سیگنالهای است سیگنال که دارد وجود گیرنده سيمپيچ یک MRI دستگاه در است. بیمارستانها در موجود MRI دستگاههای برابر بیلیون که میشود استفاده سوزنی از MRFM در ]4[. مینماید دریافت میدان در را هسته اسپین تشدید به مربوط را نمونه اسپین برهمکنش باال تفکیک توان با و مستقیم بهطور و کبالت( از آلیاژهایی یا )آهن دارد فرومغناطیس ویژگی جاذبه نیروهای نمودن وارد با اتمها هسته اسپینهای نمونه به فرومغناطیس سوزن شدن نزدیک با مینماید. آشکارسازی رفتن پایین و باال باعث و میگیرد صورت اسپینها بهوسيله بار چند عمل این میشوند. تيرك جزئی انحراف باعث دافعه یا نمونه سطح از سهبعدی تصاویر تا میشود اندازهگیری نوری( )فیبر تداخلسنج یک كمك به جابجایی این میشود. تيرك میگذارند. اختیار در را نوفه به سیگنال نسبت از باالیی مقادیر نرم تيركهای و باریک فرومغناطیس سوزنهای شود. تهیه نوفه منبع اولین 12 براونی حرکت دارد نمایی رابطه نمونه ذرات اندازه معکوس با نوفه به سیگنال نسبت که این به توجه با بهدلیل پایین خیلی دمای در MRFM عملکرد میکند. کار پایین دمای در دستگاه این معموال علت همین به بود. خواهد کوانتومی تداخلسنج قطعات پیشرفتهای با بود. خواهد مفید گرمایی اسپینی قطبش افزایش و ترمومکانیکی نوفه کاهش میشود استفاده تيرك( انحراف آشکارسازی روش نوع )برپایه تيرك حد از بیش گرمای از جلوگیری برای که 13 ابررسانا ]5[. داد انجام نیز 30mK حدود دماهای در میتوان را MRFM عملیات دلیل )به روشها سایر از استفاده با آن شناسایی که است پروتئینهایی ساختار تعیین MRFM کاربردهای از یکی برای است ممکن پیشرفته MRFMهای همچنین است محدود بسیار 14 درجا بهصورت پروتئینها( پیچخورده اتمی شکل 7[. و ]6 گيرند قرار استفاده مورد است اسپین بر مبتنی که آینده کوانتومی رایانههای در کوانتومی اطالعات دادن نشان در و AFM و MRI تصویربرداری سازوکار سپس شد خواهد اشاره اسپینی حرکتهای اصول به ابتدا مقاله این در گرفت. خواهد قرار بررسي مورد آن کاربردهای و تشدید نیروی میکروسکوپ عملکرد سازوکار انتها
www.ijlk.ir تخصصی فصلنامه ایران آزمایشگاهی دانش پايه اصول تشدید مقاالت 23 8 پیاپی شماره 1393 زمستان 4 شماره دوم سال حرکت از: عبارتند که دارد وجود اتم در حرکت نوع سه در الکترونها مداری حرکت خود محور حول الکترونها اسپینی کار اساس خود. محور حول هسته اسپینی حرکت و هسته اطراف )این است خاص هستههای اسپینی حرکت بر مبتنی MRFM هسته درون نوترونهای و پروتونها فردی اسپینهای از اسپین شدن مرتب با تشدید فعال هستههای میشود(. ناشی خارجی میدان یک جهت در آنها چرخش محور همراستایی و هک میدهد رخ دلیل این به همراستایی این میشوند. شناسایی فعال هستههای هستند. اسپینی یا زاویهای گشتاور دارای هستهها یک خودبهخود بهطور لذا دارند اسپین و بار تشدید میدان در میتوانند که مینمایند پیدا ممان )1( هیدروژن اتمهای هسته مثال بهعنوان شوند. مرتب خارجی سدیم )19( فلوئور )17( اکسیژن )15( نیتروژن )13( کربن )µ( ممان هستند. فعال )31( فسفر و )23( 15 ژیرومغناطیس نسبت ضریب به و )J( اسپین زاویهای ممان به اندازه بین رابطه بیانکننده ژیرومغناطیس )نسبت است وابسته )γ( 9[. و ]8 است( ممان و زاویهای حرکت μ = γ J )1( دارای هیدروژن هسته مثال بهعنوان کوانتومی نظریه بنابر پایین انرژی دارای هستههای است. پایین و باال انرژی حالت دو دارای هستههای و خارجی میدان با موازی را خود ممان خارجی میدان با موازي غير را خود ممان باال انرژی )2( معادله با حالت دو این بین انرژی اختالف مینمایند. مرتب است. 16 الرمور فرکانس همان یا تشديد فرکانس ωl میشود. بیان میدان اطراف در هستهها این تمام گشتاور حرکت )2( شکل میکند. حرکت فرفرهای مسیر یک روی خارجی میدهد. نشان را پایین و باال اسپینهای فرفرهای E = γ ħh = ħωl (2) ]7[ پایین و باال اسپینهای فرفرهای حرکت شکل 2 : تشدید نوساناتی معرض در شیء یک که میدهد رخ زمانی تشدید پدیده خودش طبیعی نوسانات فرکانس به نزدیک فرکانسی که گیرد قرار دارای که گیرد قرار نوساناتی معرض در هسته یک زمانیکه باشد. داشته نیروی از هسته این باشد خودش طبیعی فرکانس با مشابه نوسانی همان دارای دقیقا شده داده انرژی اگر و میآورد بهدست انرژی خارجی داد. خواهد رخ تشدید باشد هسته )الرمور( فرفرهای فرکانس هستهای تشدید براساس فیزیکی پدیده یک هستهای تشدید قوی میدان یک حضور در است. کوانتوم مکانیک این خواص علت به مشخصی عناصر هستههای انرژی الکترونها میشوند. شکافته کوانتیده تراز چند یا دو به ذرات میان انتقال و نقل میکنند. عمل هسته مشابه طریقی به نیز تابش جذب با میتواند حاصل شده القا انرژی ترازهای نقل مشابه درست شود. انجام مناسب بسامد با الکترو صورت مرئی یا فرابنفش تابش جذب با که الکترونی انتقال و برای کوانتومی ترازهای بین انرژی اختالف میپذیرد. ات 0/1 از گسترهای در تابش با که است مقداری اتمی هستههای انرژی اختالف عادی حالت در دارد. مطابقت مگاهرتز 100 100 حضور در اتمها زمانیکه اما است صفر هسته اسپین ترازهای بین شکافته 17 زیمان پدیده براساس میگیرند قرار میدان هستههای برخی که است آن تشدید نتایج از یکی شد. خواهند که میآورند بهدست کافی انرژی تشدید طریق از انرژی کم که است آن تشدید دیگر نتیجه گردند. ملحق پرانرژی تراز به هستههای مثال )بهعنوان هستهها گشتاورهای گشتاورهای تمام نتیجه در میشوند. همفاز یکدیگر با هیدروژن( میگیرند قرار فرفرهای مسیر روی یکسانی وضعیت در 3(. )شکل میشوند همفاز و ]8[ )پایین( همفاز و )باال( غیرهمفاز هستههای فرفرهای حرکت 3: شکل تشدید نیروی میکروسکوپ جمعیت خارجی میدان شدت و )T( گرمایی انرژی سطح پایین و باال اسپین حالت در هستهها جمعیت تعیینکننده عوامل سطح یک جمعیت 18 بولتزمن توزیع تابع براساس که هستند گرمایی تعادل در است. exp( Em/kBT( با متناسب انرژی
8 پیاپی شماره 1393 زمستان 4 شماره دوم سال www.ijlk.ir مقاالت 24 تشدید نیروی میکروسکوپ با هستههای تعداد از کمتر باال انرژی با هستههای تعداد همیشه انرژی فاقد پایین گرمایی انرژی با هستههای هستند. پایین انرژی گرمایی انرژی با هستههای لذا و است میدان با مخالفت برای الزم که هنگامی و دارند میدان با مخالفت برای را کافی انرژی باال انرژی کمتری هستههای یابد افزایش میدان شدت دارند. را کار این برای کافی تشدید تصویربرداری سهبعدی مورفولوژی تصاویر تهیه برای قدرتمند ابزاری MRI است بدن اعضای از میلیمتر( زیر تا میلیمتر تفکیک قدرت )با است. اعصاب علوم و پزشکی در فراوانی کاربردهای داراي که MRI سازوکار نظر از كه اتمهایی روش این با تصویربرداری در مورد باشند داشته وجود بدن اعضای در الزم مقدار به و بوده فعال نظر از اینکه عالوهبر هیدروژن اتم هسته هستند. نیاز )که آب مولکولهای در نیز و چربی مولکولهای در است فعال MRI دستگاه در دارد. وجود میدهد( تشکیل را بدن وزن 2 / 3 از: است عبارت که شود می استفاده میدان سه B ( o ( قوی و ثابت خارجی میدان 1. متغیر گرادیانی ضعیف میدان 2. )RF( 19 راديويي بسامد پالس از حاصل میدان 3..)B 1 ( الکترو و دائم مغناطیسکننده یک خارجی میدان مینماید همسو را هیدروژن هستههای اسپین که است یکنواخت با تصویر باشد بیشتر خارجی میدان قدرت هرچه در اسپین بیشتری تعداد زیرا میشود ایجاد باالتری کیفیت تشدید عمل اینکه برای مینمایند. مداخله تصویربرداری فرآیند میگیرد قرار استفاده مورد مشخصی بسامد با پالس دهد رخ بسامد محدوده در تشدید بسامد هیدروژن هستههای برای که وارد را مزبور پالس MRI دستگاه لذا شدهاست. واقع رادیویی بسامد در را انرژی هیدروژن هستههای میشود باعث و نموده میدان با موازي غير اسپینها و نموده جذب )الرمور( خاص اولیه حالت به اسپینها رادیویی بسامد قطع با گیرند. قرار که مینمایند تشعشع رادیویی بسامد با امواجی و بازگشته دریافت MRI دستگاه بدنه در موجود سیمپیچهای بهوسیله به اطالعات سپس میشود تبدیل الکتریکی جریان به و شده فوریه تبدیل و پردازش عملیات انجام از پس و منتقل رایانه میدان سه از رفته هم روی میشود. ایجاد مربوطه بافت از تصویر میشود: استفاده MRI تصویربرداری برای الکترو نام استاتیک میدان که یکنواخت و قوی بسیار میدان یک مجموع )در زمان با متغیر ضعیفتر میدان دارد و دارد نام گرادیان میدان که فضایی کدگذاری برای کیلوهرتز( تشدید برای )RF( رادیویی بسامد با ضعیف میدان هک اندازهگیری قابل سیگنالهای تولید و هیدروژن هستههای 11[. و ]10 دارد نام )RF( سيمپيچهای ایران آزمایشگاهی دانش تخصصی فصلنامه MRI تصویربرداری روش اتمهای هسته اسپینی حرکت بر مبتنی MRI سازوکار هیدورژن اتم در اینکه به توجه با است. بدن در موجود هیدورژن یا خالص اسپین یک هسته خود دارد وجود پروتون یک فقط قانون طبق است حرکت دارای چون و دارد زاویهای گشتاور پیدا گشتاور یک خودبهخود بهطور فاراده القا خارجی میدان در گرفتن قرار با نتیجه در و نموده اب موازی هیدروژن اتم هستههای برخی میکند. جهتگیری میدان با موازي غير هستهها از کمتری خیلی تعداد و میدان یک ایجاد خارجی میدان تأثیر میشوند. آنها خود میدان حول هیدروژن هستههای برای اضافی نوسان هیدروژن هستههای تشدید آنکه برای تقدیمی(. )حرکت است بهکار تقدیمی حرکت بسامد همان با )RF( پالس یک دهد رخ میشود هستهها تشدید سبب که را )RF( پالس اعمال میرود. هیدروژن هستههای تحریک عمل نتیجه در مینامند. تحریک میشوند منتقل باالتر انرژی تراز به و جذب را )RF( پالس انرژی از خارجی میدان با را خود راستایی هم نتیجه در میدان و هیدروژن هستههای بین که زاویهای به میدهند. دست طبق میگویند. 20 فلیپ زاویه میشود ایجاد خارجی این حرکت صفحه در گیرنده سيمپيچ یک اگر فاراده القای قانون وقتی میشود. القا سيمپيچ در ولتاژ گیرد قرار میدان سیگنال نماید قطع را سيمپيچ صفحه عرض میدان را فوریه یا )k( فضای نقاط سیگنال این میشود. تولید MR نهایی تصویر فضا این در فوریه تبدیل انجام با میدهد تشکیل توان شده انجام تالشهای تمام با و وجود این با میآید. بهدست زا بيشتر روش محدودیتهای بهوسیله MRI جانبی تفکیک مغناطیس آشکارسازی پایه بر MRI کار اساس نیست. 40 µm 3 دارد ضعیفی فیزیکی اثر هسته مغناطیس چون و است هسته سیستمهای لذا مینماید تولید کوچکتری نوفه سیگنال و آشکارسازی به قادر معمولی MRIهای در موجود آشکارسازی این وجود با بود. نخواهند میکرومتر زیر مقیاس در پدیده این برای MRI تفکیک توان کردن بهتر برای باالیی انگیزه چالشها MRFM روش از استفاده با نانومتری مقیاس در آن كارگيري به و سهبعدی تصویری بتوان است ممکن مقیاس این در دارد. وجود کمپلکسهای یا و انفرادی ماکرومولکولهای از نمونه تخریب بدون قادر را زیستشناسان میتواند روش این آورد. بهدست مولکولی قادر 21 ايكس پرتو آنالیز برای که نماید پروتئینهایی شناسایی به 11[. و ]10 نیستند شدن بلوری به )SPM( روبشی پروبی میکروسکوپ توسط 1982 سال در بار اولین روبشی پروبی میکروسکوپ زوریخ در 24 IBM شرکت در ) 23 روهرر و 22 )بنینگ دانشمند دو از مجموعهای برای کلی است عبارتی SPM شد. اختراع سوئیس روبش فیزیکی پروب یک از استفاده با را نمونه سطح که میکروسکوپها مقیاس در را نمونه سطح ویژگیهای از متفاوتی اطالعات و نموده 4(. )شکل میگذارند اختیار در آنگسترومی حتی یا و نانومتری
www.ijlk.ir فصلنامه تخصصی دانش آزمایشگاهی ایران مقاالت 25 سال دوم شماره 4 زمستان 1393 شماره پیاپی 8 شکل 4: نمايي از چگونگی روبش سطح نمونه بهوسيله سوزن 25 ]12[ SPM نمونه با استفاده از یک سوزن متصل به تیرک 26 )شكل 5( روبش شده و با اندازهگیری و پردازش سیگنال بهدست آمده از نقاط مختلف سطح روبش شده تصویر آن سطح تهیه میشود. توان تفکیک و بزرگنمایی SPM بهتر از میکروسکوپهای الکترونی متداول است و توانایی تهیه تصاویر سهبعدی از اتمها را نیز فراهم میآورد. به كمك این روش میتوان تصاویری از خواص الکتریکی مکانیکی و نوری سطح تهيه نمود. از مهمترین ویژگیهای این روش میکروسکوپی تهیه تصاویر سهبعدی )واقعی( از سطح نمونه با دقت آنگسترومی است. همچنین در این روش نمونه عالوه بر خالء در هوا و زیر سطح مایعات میتواند مورد تصویربرداری قرار گیرد. مزایایی که دقیقا نقاط ضعف روشهای میکروسکوپ الکترونی است و در نتیجه احتمال آسیبرسانی به نمونه در اثر خالء بسیار کمتر میشود. شکل 5: نمايي از تيرك به همراه سوزن ]12[. امروزه کاربرد این روش در کنار سایر دستگاههای پژوهشی در علوم متفاوت از جمله فیزیک شیمی زیستشناسی مواد پلیمر داروسازی بسیار گسترش یافته است ]12[. میکروسکوپ نیروی اتمی میکروسکوپ نیروی اتمی )AFM( یکی از انواع روشهای میکروسکوپی پروبی روبشی است که سطح نمونه را با استفاده از یک سوزن تیز به طول )2( میکرون روبش مینماید. سوزن در انتهای آزاد یک تيرك به طول حدود )100( تا )450( میکرون قرار دارد. زمانیکه سوزن به سطح نزدیک میشود نیروهای ضعیفی از جمله نیروهای واندروالسی nn( 0/1 10- وابسته به حالت کاری )AFM بین سوزن و سطح اعمال میشود و این نیرو باعث انحراف یا خمش تيرك شده و با حرکت سوزن بهصورت خطبهخط روی سطح نمونه و آشکارسازی میزان انحرافات تیرک تصویر موردنظر ایجاد میشود. میکروسکوپ نیروی اتمی برای مطالعه مواد هادی نیمههادی و عایق مورد استفاده قرار میگیرد. روشهای متفاوتی برای آشکارسازی ميزان انحراف تيرك در اثر نیروهای بین سوزن و سطح مورد استفاده قرار میگیرد. اغلب دستگاهها از روش انحراف پرتو لیزر استفاده مینمایند. یک پرتو نور لیزر به پشت تيرك تابیده میشود و انعکاس آن در اثر انحراف با استفاده از یک دیود نوری حساس به موقعیت 27 آشکار میشود. نمايي از دستگاه در شکل )6( نشان داده شدهاست. یک دیود نوری چهار قسمتی نه تنها انحراف معمول بلکه پیچش تيرك در اثر نیروهای جانبی اعمال شده روی سوزن را نیز اندازهگیری مینماید. شکل 6: نمايي از AFM و انحراف پرتو ليزر ]12[ در نوع دیگری از حسگر انحراف از یک تيرك بهعنوان آیینه تداخلسنج 28 لیزر نوري استفاده میشود و معموال این روش آشکارسازی در MRFM مورد استفاده قرار میگیرد. برتری مهم این روش سادگی کالیبراسیون آن با طول موج نور و فضای کوچک آن درصورت محدود بودن فضا )در آزمایشهای دمای پایین( است. حساسیت هر دو روش نوري به نوفه حرارتی تيرك محدود میشود. در روش دیگر از یک الکترود کمکی 29 در پشت تیرک بهصورت خازن استفاده میشود تا با انحراف تیرک و تغییر در ظرفیت خازنی بین تيرك و الکترود کمکی انحرافات تیرک آشکارسازی شود. سرعت اندازهگیری این روش بسیار زياد است. حسگرهای نیرو را میتوان با روشهای ساخت میکرو تولید نمود. مشکل این حسگر نیروی غیرقابل صرفنظر کردن بین تيرك و الکترود کمکی است. تيركهای خود حسگر 30 نیز دسته جالبی از حسگرهای انحراف را تشکیل میدهند. اغلب آنها با استفاده از یک الیه مقاومت پیزویی در پشت یک تيرك سیلیسيمي تولید شدهاند. اولین اندازهگیری با توان تفکیک اتمی با تيركهای مقاومت پیزویی انجام شدهاست ]12[. میکروسکوپ نیروی تشدید
شکل 7: حسگرهای انحراف برای میکروسکوپ نیروی اتمی ]12[ میکروسکوپ نیروی میکروسکوپ نیروی 31 حالت ویژهای از میکروسکوپ نیروی اتمي است كه از آن براي مشاهده و اندازهگيري توزيع ميدان مغناطيسي آشفته 32 روی سطح نمونه استفاده میشود. میکروسکوپ نیروی ابزار نیرومندی براي مشاهده و اندازهگيري نيروهاي مغناطيسي كوچك بین سوزن و سطح يا گراديان نيروي روی سطح نمونه است. اين دستگاه امکان تصويربرداری از سطوح مغناطيسي با توان تفکیک باال را بدون نیاز به آمادهسازی نمونه و یا نیاز به شرایط محیطی خاص فراهم مینماید. در این روش از يك سوزن مغناطيسي براي تصویربرداری استفاده میشود. سوزن فوق که با الیهای نازک از مواد فرو پوشیده شدهاست در نزدیکی سطح نمونه قرار میگیرد و با میدانهای آشفته اطراف سطح نمونه برهمکنش میدهد و نيروهاي مغناطيسي كوچك بین سوزن و سطح يا گراديان نيروي روی سطح نمونه را به تصویر میکشد. سوزن به يك تيرك كوچك متصل است. قدرت برهمکنش موضعی حرکت عمودی سوزن را در حین روبش سطح تغییر میدهد و مقدار نيرو به انحراف قابل اندازهگيري تبديل ميشود. برهمكنشهاي مغناطيسي سوزن نمونه به كمك آشكارساز ثبت شده و براي بازسازي ساختار مغناطيسي سطح نمونه و بهدست آوردن تصویر نیرو بهكار برده ميشود. به کمک MFM تصاوير نيرو )درحالت پایا ) 33 و گراديان نيروی روی سطح بهدست میآید. تصویر گراديان نيروی روی سطح بر اثر تغییر فرکانس رزونانس تیرک که بهوسیله میدانهای اطراف سطح ایجاد میشود و به فاصله نمونه تا سوزن وابسته است بهدست میآید. بهطور کلی تصاویر MFM تغییرات سهبعدی نیروهای روی سطح نمونه را نشان میدهند. دادههای را میتوان با هر یک از حالتهای تغییر در دامنه فرکانس و یا فاز ارتعاش تیرک ثبت نمود. بزرگی نیروی ایجاد شده 10 12- N تا 10-9 است.]13[ میکروسکوپ نیروی تشدید روش میکروسکوپ نیروی تشدید بر پایه اندازهگیری مکانیکی نیروهای بسیار کوچک )آتونیوتن( 34 بین سال دوم شماره 4 زمستان 1393 شماره پیاپی 8 دانش آزمایشگاهی ایران فصلنامه تخصصی اسپینهاي هسته نمونه و سوزن استوار است. در واقع MRFM مشابه MFM است با این تفاوت اساسی که در میکروسکوپ نیروی تشدید میدان بسامد راديويي بهکار گرفته میشود تا مغناطیسپذیری نمونه با استفاده از روشهای تشدید دستکاری شود. در این روش تيرك به همراه سوزن میکرو به نزدیکی سطح نمونه آورده میشود. نیروی )F( )معادله 3( از طرف ممان نمونه به سوزن اعمال میشود. F= -(m. )B (3) www.ijlk.ir میکروسکوپ نیروی تشدید در این معادله: )M( ممان نمونه و )B ( گرادیان میدان سوزن میکرومغناطیس است. این نیرو موجب انحراف تيرك خواهد شد. روشهای آشکارسازی خاص و حساس مانند روشهای تداخلسنج نوری و مقاومت پیزویی 35 این نیرو را که کوچکتر از 10 16- N است اندازهگیری مینمایند. شكل )8( نمايي از تيرك و ميدان بسامد راديويي اطراف آن را نشان ميدهد. شکل 8: نمایی از تیرک و میدان بسامد رادیویی دستگاه میکروسکوپ نیروی تشدید تشدیدکننده میکرومکانیک قلب میکروسکوپ نیروی تشدید حسگر نیرویی مرتعشکننده آن یا همان تيرك است. تيركهای مورد استفاده در MFRM دارای طولی معادل 300-500 µm عرض 20 µm و ضخامت 0/5 µm هستند و معموال از Si یا Si 3 N 4 ساخته میشوند. یک میکرومغناطیس بهعنوان سوزن به انتهای تيرك متصل میشود. مواد مختلفی نظير فلزات واسطه Co Fe و Ni و یا آلیاژی از خاکهای نادر مانند SmCo 5 یا Sm 2 Co 17 برای ساخت سوزن MRFM مورد استفاده قرار میگیرند. سوزنهای ساخته شده از خاکهای نادر طی دو مرحله تولید میشوند. ابتدا ذرات کوچکی از آلیاژ موردنظر در حضور میدان به تيرك چسبانده میشود تا ممان سوزن در جهت مناسب قرار گیرد سپس سوزن با استفاده از روش آسیاب پرتو یونی متمرکز 36 شکل میگیرد. با این روش میتوان سوزنهایی را با میدان گرادیانی بیش از 1- Tm 10 5 ایجاد نمود )شکل 9( ]9[. 26 مقاالت
www.ijlk.ir تخصصی فصلنامه ایران آزمایشگاهی دانش ]9[ FIB روش با شده ساخته سوزن 9: شکل مقاالت 27 8 پیاپی شماره 1393 زمستان 4 شماره دوم سال را گرادیانی یا غیرهمگن میدان موردنظر سوزن کردن جفت میشود: استفاده منظور دو به که نمود خواهد ایجاد جانبی نواحی تعریف و مرتعش تيرك با نمونه میدان میگیرد. قرار تشدید تحت که نمونه مکان تغییر آشکارسازهای در نوری فیبر تداخلسنجی پایه بر نوری تداخلسنجی نور میگیرد. قرار استفاده مورد MRFM دستگاههای بیشتر در تيرك پشت در تا میشود تابانده نوری فیبر سر یک از لیزر و نوری فیبر انتهای بین فضای شود. منتشر )δ( با برابر فاصلهای ایجاد را تداخلحفره تيرك پشت در نور منعکسکننده سطح حفره در تداخل زوایای تغییر باعث تيرك حرکتهای میکند. و نوری فیبر داخل به شده تابیده پرتوی نتیجه در و شده تداخل نمود خواهند تداخل فیبر داخل به تيرك پشت از بازتابیده پرتوی سطوح انعکاس تنظیم با میتوان را روش این حساسیت 10(. )شکل نمود. بهینه فلزی پوششهای با تداخلکننده انتهای بین فاصله δ نوری. فیبر تداخلسنج از نمايي 10: شکل ]9[ است تيرك و نوری فیبر عموما نوری فیبر تداخلسنج از استفاده با آشکارسازی اگرچه که دارند وجود نیز دیگری روشهای میگیرد قرار استفاده مورد مقاومت روشهای جمله از هستند. بیشتری مزیتهای دارای ]9[. است نور به حساس نمونههای برای کاربرد قابلیت که پیزویی رادیویی بسامد با میدان نوری دیود تشدید نیروی میکروسکوپ نیازهای اساسیترین از یکی تغییر برای )RF( میدان یک حضور نیروی سیگنال کیفیت واقع در است. نمونه مغناطیسپذیری میدان حساسیت به وابسته تيرك بهوسيله شده آشکارسازی ایجاد البته است. نمونه کردن مغناطیس در H( 1 ( مشکل MRFM دستگاه برای استاندارد )RF( میدان نيروي میکروسکوپ در نمونه نگهداري محل در نمونه زيرا است ماکروویو حفره یا )RF( سیمپیچ در آن دادن قرار و گرفته قرار اتمي یا میکرونوار به حتیاالمکان باید نمونه است غیرممکن تقریبا نزدیک مینماید ایجاد را میدان که میکروسیمپیچ باشد. تشدید نیروی میکروسکوپ تصویربرداری روش داده نمایش )11( شکل در MRFM دستگاه از نمايي نمونه به سوزن همراه به مرتعش تيرك شدهاست. بسامد با میدان تولیدکننده سیمپیچ میشود. نزدیک در موجود اتمهای نوع به وابسته تصویر( راست )سمت رادیویی میشود. )MRI مانند )دقیقا اسپینها جهت تغییر باعث نمونه منطقهای در نمونه هستههای اسپین و سوزن بین برهمکنش و باال با که میگیرد صورت تشدیدبرش بهنام شکل کاسهای میشود. جابهجا مرتعش تيرك رفتن پایین ]14[ تشدید نیروی میکروسکوپ دستگاه اصول 11: شکل )RF( میدان حضور در هسته اسپین جهتگیری میدان تشدید برش منطقه حرکت با لذا و نموده تغییر ای جاذبه بهصورت متناوب بهطور اسپینها و سوزن بین هستههای شناسایی هدف اگر مثال بهعنوان مینماید. بروز دافعه هیدروژن رادیویی بسامد روی سیمپیچ تنظیم با باشد هیدروژن قرار تشدید مورد مربوطه فرکانس در مذکور هستههای اسپین تشدید برش تشکیل و سوزن شدن نزدیک با میگیرد. ایجاد باعث ترتیب به سوزن اسپین مخالف و موافق اسپینهای سیگنال تشدید برش حرکت با لذا و شده جاذبه و دافعه نیروهای این میشود. آشکارسازی نیز هستهها سایر اسپین برهمکنش ارتعاش بسامد در جزئی تغییرات ایجاد باعث متناوب بهطور نیروها این نوری فیبر تداخلسنج دستگاه از استفاده با که میشود تيرك اسپینهای که است آن دیگر نکته میگردد. آشکارسازی سیگنالها هک درحالی گرفته قرار قویتری میدان تحت سوزن به نزدیکتر مینمایند احساس را ضعیفتری میدان دورتر هستههای یا اسپینها برش منطقه ضخامت نتیجه در است. مشکلتر آنها آشکارسازی لذا تشدید نیروی میکروسکوپ
سال دوم شماره 4 زمستان 1393 شماره پیاپی 8 www.ijlk.ir مقاالت 28 میکروسکوپ نیروی تشدید تشدید نقش اساسی را ایفا مینماید بهطوری که هر چه این منطقه نازکتر باشد تعداد اسپینهای بیشتری در شرایط میدان یکنواخت قرار میگیرند و سیگنال آشکارسازی را بهبود میبخشند. میدان با گرادیان قویتر باعث ایجاد منطقه برش 37 تشدید نازکتر میشود. ضخامت منطقه برش تشدید با معادله بالش 38 توصیف میشود ]14 و 15[. MRFM محدودیتهای مهمترین عامل محدودکننده توان تفکیک MRFM نوفه حرارتي تيرك است که حساسیت را محدود مینماید و باعث ایجاد نوفه در نیرو نیز خواهد شد. برای کاهش نوفه حرارتي میتوان از تيركهای نرم با بسامد تشديد و عامل )Q( باال استفاده نمود تا مقدار اتالف سیگنال کاهش یافته و میزان سیگنال به نوفه افزایش یابد. خنک کردن دستگاه تا كمتر از 100 mk حساسیت به نیرو را بهبود میدهد و همچنين باعث افزايش تعداد اسپینهای پالریزه مطابق معادله بولتزمن شده که موجب افزایش سیگنال خواهد شد. از دیگر عوامل محدودکننده توان تفکیک سیستم آشکارسازی حرکت تيرك است. با بزرگتر کردن سطح تيرك میزان انعکاس نور به داخل فیبر نوری افزایش مییابد در نتیجه باید تيركی با اندازه بهینه تهیه شود تا عالوهبر سطح با ضریب انعکاس باال بهمنظور آشکارسازی بهتر نازک و نرم نیز باشد تا حساسیت بیشتری نسبت به نیرو داشته باشد. در نتیجه بهوسيله MRFM میتوان تصویر و ساختار شیمیایی نمونههای بیولوژیکی چون ذرات ویروس پروتئینها و سایر کمپلکسهای مولکولی را تعیین نمود ]15[. پی نوشت نتیجهگیری دانش آزمایشگاهی ایران فصلنامه تخصصی دستگاه MRI که در پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد قابلیت تصویربرداری از گروههای اسپینی پروتونها را در صورتی که حداقل یک تریلیون اسپین پروتون حضور داشته باشد دارد. درحالی که دستگاه MRFM سیگنالهای بسیار ضعیفتر از اسپین تک الکترون را هم آشکار میکند. همچنین تحقیقات تصویربرداری یکبعدی با این دستگاه با دقت 25 nm ميسر است که تقریبا 40 برابر بیشتر از بهترین میکروسکوپهای متعارف MRI است. تحقیقات بهمنظور افزایش حساسیت دقت سرعت و همچنین قابلیت نشان دادن پروتونهای منفرد و دیگر هستهها نظير کربن )13( ادامه دارد تا بتوان از این روش برای تشخیص ساختمانهای مولکولی استفاده نمود. یکی از کاربردهای MRFM تعیین ساختار بهصورت درجا برای پروتئینهایی است که شناسایی آنها با استفاده از سایر روشها مانند پراش پرتو ایکس و یا شبیهسازی رایانهای بهدلیل شکل اتمی پیچخورده پروتئینها بسیار محدود است. همچنین مدلهاي پيشرفته MRFM ممکن است در آینده برای نشان دادن اطالعات کوانتومی در رایانههای کوانتومی آتی که مبتنی بر اسپین است مورد استفاده قرار گیرد. 1. كارشناس ارشد شيمي تجزيه - پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی ایران آزمایشگاه نانوتکنولوژی 2. كارشناس ارشد شيمي تجزيه - پژوهشگاه صنعت نفت مركز تحقيقات نانوفناوري 3. كارشناس ارشد فيزيك - دانشگاه بیرجند دانشکده علوم گروه فیزیک آزمایشگاه مغناطیس و ابررسانایی 4. عضو کارگروه تخصصی SPM شبکه آزمایشگاهی فناورینانو 5. Magnetic Resonance 6. Nuclear Magnetic Resonance(NMR) 7. Magnetic Resonance Imaging(MRI) 8. John Sidles 9. Magnetic Resonance Force Microscopy(MRFM) 10. Atomic Force Microscopy(AFM) 11. Ivan 12.Brownian motion 13. Superconducting quantum interference device (SQUID) 14. In situ 15. Gyromagnetic 16. Larmor 17. Zeeman 18. Boltzman 19. Radio Frequency 20. Flip angle(fa) 21. X-ray 22. Bening 23. Rohrer 24. International Business Machines Corporation (IBM) 25.Tip 26.Cantilever 27. Position sensitive photodiode(psd) 28. Interferometer 29. Counter electrode 30. Self sensing 31. Piezoresistive 32. magnetic force microscope (MFM) 33. Stray 34. Static 35. Attonewton 36. Focused Ion Beam(FIB) 37. Resonant slice 38. Bloch
www.ijlk.ir 8 پیاپی شماره 1393 زمستان 4 شماره دوم سال تخصصی فصلنامه ایران آزمایشگاهی دانش مراجع [1] Sidles, J.A. (1991) Applied Physics Letters, Noninductive detection of single-proton magnetic resonance, 58, 2854-6. [2] D. Rugar, R. Budakian, H. J. Mamin & B. W. Chui, Single spin detection by magnetic resonance force microscopy, NATURE (2004), VOL 430. [3] S. Codd, J.D. Seymour Book of Magnetic Resonance Microscopy, 2008, page 62. [4] http://www.e-radiography.net/mrict/basic_mr.pdf. [5] A. Vinante, G. Wijts, O. Usenko, L. Schinkelshoek, (2011) naturecommunications, 1581, 2011. [6] C. L. Degen, M. Poggio, H. J. Mamin, C. T. Rettner, and D. Rugar, Nanoscale magnetic resonance imaging, PNAS (2009), Vol 106, no 5, 1313-17. [7] http://en.wikipedia.org/wiki/magnetic_resonance_force_microscopy. غیاسی. ح. توسط شده ترجمه پروتون تا تصویر از MRI کتاب ]8[ [9] P. Chris Hammel and Denis V. Pelekhov, Handbook of The Magnetic Resonance Force Microscope, Ohio State University, Columbus, OH, USA. [10] http://danestanihayephysics.blogfa.com/post/17. [11] http://www.centralclubs.com/mri-t14903.html. انتشارات تهران سیفی ا. نجبا م. مرعشی پ. الماسی م. ذوالفقاری ع. سوزن نوک روی آزمایشگاهی روبشی پروبی میکروسکوپ کتاب ]12[ 1385. نور پیک 1390 اسفند 173 شماره فناورینانو ماهنامه محسننیا م. افضلی ج. صادقحسنی ص. )MFM( نیروی میکروسکوپ ]13[ 28. تا 24 صفحات [14] A. Suter, Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 45 (2004) 239 274. [15] http://courses.washington.edu/goodall/mrfm/qse_faq.html. مقاالت 29 تشدید نیروی میکروسکوپ