Способ и устройство для пробоподготовки для просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии Российский патент 2023 года по МПК G01N1/28 H01J37/26 

Изобретение относится к микроскопии, а именно – к пробоподготовке аппаратом для пробоподготовки образцов и может использоваться для нанесения тонкодисперсных порошков на подложку для микроскопии.

Известное решение получения тонкодисперсного порошка в качестве препарата для электронно-микроскопического исследования [Jeanne Ayache et al. Sample Preparation Handbook for Transmission Electron Microscopy, Springer, 2010, p.258], заключается в том, что для диспергирования исследуемых частиц используют механическую, магнитную или ультразвуковую мешалку. Кроме того, для точного дозирования при нанесении суспензии, содержащей образец, на подложку для микроскопии используется микропипетка. Малые частицы образца находятся в виде взвеси в жидкости, адаптированной к специфике материала образца. Суспензию перемешивают с помощью мешалки для разделения агломерированных частиц и гомогенизации раствора. Сразу после перемешивания отбирается капля суспензии с помощью микропипетки и затем капля переносится на пленку, нанесенную на подложку для микроскопии. Образец является готовым после полного испарения жидкости. При использовании воды в качестве диспергирующей жидкости, высыхание (которое может длиться несколько часов) ускоряют, помещая подложку в сушильный шкаф или под действие инфракрасного излучения.

Недостатками известного решения являются агломерация и флокуляция микрочастиц образца, неравномерное распределение частиц по поверхности подложки. Частицы концентрируются на краях подложки, концентрация частиц сопровождается их флокуляцией и агломерацией. Также к недостаткам относится образование толстого слоя пленки жидкости и как следствие, которой происходит внесение ПАВ и вспомогательных компонентов в образец.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ приготовления электронно-микроскопических препаратов (SU №716086, МПК H01J 37/26, опубликовано 15.02.1980), включающий получение дисперсной суспензии (водной, спиртовой или иной) с помощью ультразвукового диспергатора, заключающийся в том, что из образца приготавливают водную или иную суспензию. На излучатель ультразвукового диспергатора с частотой 20-30 кГц, помещают пленку-подложку на электронно-микроскопической сеточке, включают диспергатор и наносят некоторое количество суспензии на пленку подложку. Далее суспензия замораживается непосредственно на излучателе с помощью жидкого азота, после чего диспергатор выключают и помещают замороженную суспензию в вакуумную морозильную камеру, где проводят сушку.

К недостаткам прототипа относится необходимость заморозки образца на конечном этапе приготовления порошкового препарата. При такой заморозке происходит кристаллизация воды, содержащейся в суспензии. Образование кристаллов льда может привести к необратимому разрушению структуры образца для микроскопии. Соответственно для выполнения исследований необходим способ заморозки, при котором подобные кристаллы не будут образовываться (витрификация).

Задача предлагаемого способа, заключается в обеспечении нанесения порошкообразных образцов на подложку для микроскопии с максимальным разделением частиц одной от другой и минимальным внесением в образец на подложке ПАВ и других вспомогательных веществ.

Технический результат заявляемого способа заключается в получении порошкообразных образцов на подложке для микроскопии с максимальным разделением частиц одной от другой и минимальным внесением в образец на подложке ПАВ и других вспомогательных веществ.

Указанный технический результат достигается тем, что из порошка образца приготовляют водную, спиртовую или иную суспензию. Полученную суспензию распыляют с помощью высокочастотного ультразвукового генератора аэрозоля. Получаемый аэрозоль из ультразвукового фонтана генератора аэрозоля переносится в ламинизирующую трубу, далее аэрозоль движется по трубе вниз, при этом снижается скорость потока аэрозоля и происходит выравнивание концентрации взвешенных частиц аэрозоля по сечению потока. Затем аэрозоль из ламинизирующей трубы подается на подложку для нанесения образца. После нанесения образца на подложку производится его сушка, заключающаяся в естественном испарении жидкой фазы при комнатной температуре, после которой нанесенный на подложку образец пригоден для проведения электронно-микроскопических и зондово-микроскопических исследований.

Перенос частиц на подложку осуществляется в мелкодисперсных каплях суспензии, где частицы образца в меньшей степени подвержены агломерации позволяет получать порошкообразные образцы на подложке для микроскопии с максимальным разделением частиц одной от другой и минимальным внесением в образец на подложке ПАВ и других вспомогательных веществ, что не следует явным образом из уровня техники и доказывает соответствие заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Использование предлагаемого способа позволяет повысить качество подготовленного препарата для просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии.

Из уровня техники также известны устройства для перевода суспензии в аэрозоль.

В частности, известно устройство по патенту (RU №2070062, МПК A61M 15/02, опубликовано 20.04.1993), содержащее корпус с крышкой и выходным патрубком, помещённые в корпусе, фокусирующий излучатель ультразвука, возбуждаемый генератором ультразвуковых колебаний, распылительную камеру с отверстиями для поступления извне воздуха, резервуар с согласующей жидкостью и кювету для распыливаемой жидкости, снабжен приспособлением для магнитогидродинамической активации аэрозоля, расположенным в области формирования и инерционного осаждения фонтана из крупных капель создаваемого сфокусированным ультразвуком.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ингаляторам, для индивидуального лечения, предназначенным для лечения и профилактики заболеваний верхних дыхательных путей и легких аэрозолями жидкими аэрозолями.

К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность использования для нанесения образцов для просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство по патенту (SU №1623663, МПК A61M 11/00, опубликовано 30.01.1991), содержащее высокочастотный генератор, фокусирующий излучатель ультразвука, распылительную камеру, отражатель гейзера, сосуд со связывающей жидкостью, воронкообразную крышку и кювету для медикаментов.

Устройство работает следующим образом. Генератор создает колебания высокой частоты, которые преобразуются фокусирующим излучателем в ультразвуковые колебания. Ультразвук фокусируется в фокальной области, где происходит распыление жидкости. Мелкий аэрозоль собирается в распылительной камере, крупные частицы отражаются отражателем и стекают через отверстие в крышке в кювету. Аэрозоль покидает распылительную камеры через выходное отверстие.

К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность использования для нанесения образцов для просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии.

Задачей изобретения является создание устройства пробоподготовки для просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии, обеспечивающее перевод суспензии с образцом в аэрозоль и последующий аэрозольный перенос суспензии с образцом на подложку. Устройство пробоподготовки образцов для просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии содержит высокочастотный генератор 1, фокусирующий излучатель 2, распылительную камеру с отверстием для поступления воздуха 3, кювету для пробы 4, соединительную трубку 5, ламинизирующую трубу 6, узел загрузки образца. Узел загрузки образца включает в себя горизонтальные направляющие 7, со скользящим на них столиком 8 для размещения подложки для нанесения образца 9, горизонтальные направляющие закреплены на основании 10. Ламинизирующая труба не доходит до основания на расстояние от 1 до 20 мм и имеет прорезь в нижней части для обеспечения введения столика с подложкой внутрь ламинизирующей трубы.

Устройство для пробоподготовки для просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии поясняется чертежами, где на фиг. 1, представлено схематическое изображение устройства, и работает следующим образом: генератор 1 создает колебания высокой частоты, которые преобразуются фокусирующим излучателем 2 в ультразвуковые колебания. Ультразвук фокусируется в фокальной области, где происходит распыление суспензии образца, находящейся в кювете для пробы 4. Потоком воздуха, создаваемым ультразвуковым фонтаном, аэрозоль переносится по соединительной трубке 5 в ламинизирующую трубу 6, опускаясь по которой снижается скорость потока аэрозоля и происходит выравнивание концентрации аэрозоля, попадает на подложку для нанесения образца 9, установленную на столике 8. Для размещения образца внутри ламинизирующей трубы, столик может перемещаться по направляющим 7, вводя и выводя подложку 9 за пределы ламинизирующей трубы. При осаждении аэрозоля на подложку для микроскопии происходит падение отдельных микрокапель суспензии без образования сплошного толстого слоя жидкости, что препятствует флокуляции и агломерации микрочастиц и происходит перенос в образец существенно меньшего количества ПАВ и других вспомогательных веществ.

Примером применения способа и устройства для его реализации может служить приготовление образцов сферического наноразмерного диоксида кремния для изучения его морфологии с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Для этого готовилась 2,5% водная суспензия сферического наноразмерного диоксида кремния (пыль рукавных фильтров кремниевого производства). Суспензия подвергалась обработке ультразвуком при помощи ультразвукового лабораторного диспергатора в течении 3 минут. Далее образец наносился на подложку(предметный столик сканирующего электронного микроскопа) с помощью предложенного устройства реализующего предложенный способ. Время экспозиции (нахождения подложки в ламинизирющей трубе) составляло 10 с. После чего образец сушился при комнатной температуре в течении 5 минут. Изображения образца, полученные с помощью СЭМ JEOL JIB-4500, представлены на фиг. 2.

На фиг. 3 представлены изображения образца подготовленные известным способом. Для этого готовилась 2,5% водная суспензия сферического наноразмерного диоксида кремния (пыль рукавных фильтров кремниевого производства). Суспензия подвергалась обработке ультразвуком при помощи ультразвукового лабораторного диспергатора в течении 3 минут. После чего капля суспензии переносилась на подложку с помощью микродозатора и сушилась при комнатной температуре в течение 5 часов. Изображения образца, подготовленного известным способом, полученные с помощью СЭМ JEOL JIB-4500, представлены на фигуре 3.

Проведенные исследования на экспериментальной установке позволяют произвести сопоставление результатов применения известного способа и соответствующего ему устройства и предложенного способа и устройства.

Сравнение фиг. 2 и 3 демонстрируют хорошее разделение частиц образца на подложке для препарата, приготовленного по предложенному способу (фиг.2). В то же время на фигуре 3 показано, что при подготовке образца известным способом происходит интенсивная агломерация частиц и их сильно неоднородное распределение по поверхности подложки.

Таким образом, предложенное устройство, реализующее предложенный способ, выполняет поставленную задачу по пробоподготовке порошкообразных образцов для исследования методами просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии.

Таким образом, предложенный способ и устройство по пробоподготовке порошкообразных образцов для исследования методами просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии демонстрирует меньшую агломерацию частиц по сравнению с известным способом, меньшее количество переносимого на подложку с образцом ПАВ и других вспомогательных веществ, а также позволяет увеличить концентрацию ПАВ других вспомогательных веществ при приготовлении суспензии по сравнению с известным решением.

Группа изобретений относится к пробоподготовке образцов с возможностью нанесения тонкодисперсных порошков на подложку для микроскопии. Способ приготовления электронно-микроскопических и зондово-микроскопических препаратов включает получение дисперсной суспензии, распыление ее вертикально вверх с помощью высокочастотного ультразвукового генератора аэрозоля и изменение направления потока на противоположное при подаче его по ламинизирующей трубе на подложку для нанесения пробы с последующей сушкой на воздухе при комнатной температуре. Также представлено устройство для пробоподготовки для просвечивающей электронной микроскопии и зондовой микроскопии. Достигается упрощение и повышение надежности пробоподготовки при нанесении порошкообразных образцов на подложку. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ приготовления электронно-микроскопических и зондово-микроскопических препаратов, включающий получение дисперсной суспензии, распыление ее вертикально вверх с помощью высокочастотного ультразвукового генератора аэрозоля и изменение направления потока на противоположное при подаче его по ламинизирующей трубе на подложку для нанесения пробы с последующей сушкой на воздухе при комнатной температуре.

2. Устройство для пробоподготовки для просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и зондовой микроскопии, содержащее основание с размещенным в нем кожухом, внутри которого последовательно снизу вверх размещены генератор колебаний высокой частоты, фокусирующий излучатель для преобразования колебаний высокой частоты в ультразвуковые колебания и распылительная камера с отверстием для поступления воздуха извне, внутри которой размещена кювета для пробы распыливаемой жидкости, при этом распылительная камера сверху соединена с не доходящей до основания ламинизирующей трубой, в нижней части которой размещен подвижный столик с размещенной на нем подложкой для нанесения пробы в виде аэрозоля.