Сentaur (HR) - комплексы, сочетающие сканирующие зондовые микроскопы, конфокальные микроскопы/спектрометры

Centaur – комплекс для научных исследований, сочетающий сканирующий зондовый микроскоп, конфокальный микроскоп/спектрометр, конфокальный лазерный микроскоп и оптический прямой и/или инвертированный микроскоп.

Centaur разработан для проведения комплексных научных исследований методами оптической микроскопии, спектроскопии и сканирующей зондовой микроскопии. Этот научно-исследовательский комплекс позволяет получать полные спектры комбинационного рассеяния и/или флюоресценции, конфокальные лазерные и конфокальные спектральные изображения (картирование поверхности), АСМ изображения.  Конструкция комплекса Centaur предполагает возможность работы как с отдельными методиками (например, с конфокальной лазерной микроскопией), так и проводить совмещение методик (включая совмещение полей сканирования - АСМ-Раман).


Описание комплекса Centaur

Основные конфигурации комплекса Centaur

Краткие характеристики

Некоторые результаты

Centaur I

модификация с инвертированным оптическим микроскопом и одинарным монохроматором

Centaur I - АСМ/Раман конфокальный лазерный микроскоп/спектрометр и конфокальный лазерный микроскоп

Centaur I HR

модификация с инвертированным оптическим микроскопом и монохроматором с двойной дисперсией

Centaur I HR - АСМ/Раман конфокальный лазерный микроскоп спектрометр

Centaur U

модификация с прямым оптическим микроскопом и одинарным монохроматором

Centaur U - АСМ/Раман конфокальный лазерный микроскоп/спектрометр и конфокальный лазерный микроскоп

Centaur U HR

модификация с прямым оптическим микроскопом и монохроматором с двойной дисперсией

Centaur U HR - АСМ/Раман конфокальный лазерный микроскоп спектрометр

 

Описание модулей комплекса Centaur:

Сканирующий зондовый микроскоп

Сканирующий зондовый микроскоп позволяет проводить исследования веществ и материалов методиками сканирующей зондовой микроскопии, такими как атомно-силовая микроскопия, туннельная сканирующая микроскопия, магнитносиловая микроскопия, сканирование зондом Кельвина и т.д. Благодаря совмещению двух сканеров в СЗМ модуле комплекса реализиованы два основных способа сканирования — сканирование зондом относительно неподвижной поверхности образца (сканирование СЗМ Certus) и сканирование образцом относительно неподвижного в плоскости XY зонда (сканирование основанием Ratis). В общем случае сканирующий зондовый микроcкоп предназначен для получения неоптических изображений поверхности (топографии) и распределения локальных характеристик по XYZ координатам.

Оптический микроскоп

Оптический микроскоп используется для работы с методиками классической оптической микроскопии для наблюдения участков объектов исследования, а так же позволяет наводить зонд сканирующего микроскопа на представляющие интерес участки образца для дальнейшего получения топографии и оптических (конфокальных) изображений с большим, чем у оптического микроскопа, разрешением. Оптический микроскоп оснащен видеокамерой для цифровой записи видео и статических изображений.

Конфокальный лазерный микроскоп

Конфокальный лазерный микроскоп предназначен для получения изображений с большим разрешением, чем традиционный оптический микроскоп, за счет повышения контрастности изображений путем использования апертуры в плоскости изображения, ограничивающией рассеянное излучения вне фокуса микроскопа. В комплексе Centaur лазерный конфокальный модуль может использоваться как самостоятельно, так и в совмещенных оптических и СЗМ методиках. В качестве детектора используется ФЭУ.

Спектральный конфокальный микроскоп/спектрометр

Спектральных конфокальный микроскоп/спектрометр разработан для получения спектров с участка образца, расположенного в фокусе микроскопа, и последующего построения спектральных изображений в ходе растрового сканирования участка поверхности. Это необходимо для получения спектральных изображений объектов, визуализации распределения веществ и объектов на поверхности или в объёме, определения состава изучаемой области образца. В качестве детектора в базовой комплектации используется ПЗС-матрица. Для разложения полезного сигнала в спектр используются одинарные монохроматоры (схема Черни-Тернера) или монохроматоры с двойной дисперсией (оптимизированная схема Черни-Тернера). Реализована функция панорамного спектра для получения спектров во всем доступном спектральном диапазоне.

 

Принципы, заложенные в конструкцию этого комлекса, позволяют проводить как независимые исследования топографии и спектральных характеристик поверхности с высоким разрешением, так и получать одновременно спектрально-топографические характеристики исследуемых объектов (Раман-СЗМ и Флюоресценция-СЗМ). Благодаря этому возможно сделать однозначное сопоставление топографии поверхности с её структурой и составом. Кроме того, в комплекс Centaur реализована функция получения полных спектров в каждой точке сканирования (FSI - Full Spectral Imaging, Chemical imaging), а не только интенсивность по строго выбранному  спектральному признаку как у приборов предыдущих поколений.

Сочетание спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния и сканирующей зондовой микроскопии (атомно-силовой микроскопии) в комплексе Centaur предназначено для проведения исследований в области физики, химии, биологии, междисциплинарных наук, таких как материаловедение, фармацевтика, биотехнологии и нанотехнологии. Это изучение состава, структуры и взаимодействия органических и неорганических веществ, особенностей структуры биологических клеток и микроэлектромеханических систем (MEMS) и многое другое.

 

Centaur совмещает в себе:

  • сканирующий зондовый микроскоп (атомно-силовой микроскоп в базовой комплектации) для получения топографии поверхности и других её характеристик;
  • традиционный прямой и/или инвертированный оптический микроскоп исследовательского класса для визуализации поверхности объекта исследований и совмещения методик исследования;
  • конфокальный лазерный микроскоп (конфокальная сканирующая лазерная микроскопия в отраженном свете, в качестве детектора используется ФЭУ);
  • конфокальный микроскоп комбинационного (рамановского) рассеяния (конфокальная спектральная микроскопия);
  • конфокальный флюоресцентный микроскоп (конфокальная спектральная микроскопия);
  • спектрометр комбинационного (рамановского) рассеяния (спектроскопия в точке);
  • спектрометр флюоресценции (спектроскопия в точке);

Реализованные на Centaur приложения:

  • сканирующая зондовая микроскопия (атомно-силовая микроскопия, магнитно-силовая микроскопия, сканирование зондом Кельвина и другие методики сканирующей зондовой микроскопии) для получения изображения поверхности с высоким разрешением и распределения характеристик поверхности (в зависимости от используемой методики). Использование двух сканеров позволяет провоидить сканирование и позиционирование как образцом, так и основанием;
  • сканирующая конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия) для визуализации распределения веществ или объектов на поверхности или в объеме образца;
  • спектроскопия комбинационного (рамановского) рассеяния для определения состава объекта исследования в точке. Включая функцию панорамного спектра;
  • сканирующая конфокальная микроскопия флюоресценции для визуализации распределения веществ или объектов на поверхности или в объёме образца;
  • флюоресцентная спектроскопия для определения состава объекта исследования. Включая функцию панорамного спектра;
  • конфокальная лазерная микроскопия для получения оптических изображений высокой контрастности для визуализации поверхности или слоёв в объёме образца. Включая получение послойных объёмных оптических изображений;
  • ближнепольная сканирующая микроскопия и спектроскопия для получения оптических и спектральных характеристик объектов с высоким разрешением;
  • усиленная рамановская спектроскопия (TERS - Tip-Enhanced Raman Scattering);
  • усиленная флуоресцентная спектроскопия (TEFS - Tip-Enhanced Fluorescent Spectroscopy);
  • традиционные методики оптической микроскопии. Включая получение послойных объёмных оптических изображений.

Области применения Centaur:

  • химия. Комбинация методов сканирующей зондовой микроскопии, оптической микроскопии, спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния или флюоресцентной спектроскопии позволяет проводить анализ состава и структуры органических и неорганических веществ, традиционных и композитных материалов, получать распределение в поверхности и/или объёме различных соединений и сопоставлять особенности морфологии образцов со спектральными данными;
  • физика. Исследование физических характеристик поверхности и приповерхностных слоёв веществ и материалов;
  • биология. Изучение тканей, клеток и их структур, биологических молекул и их взаимодействий. Исследования в области взаимодействия имплантатов с биологическими объектами;
  • междисциплинарные исследования. Исследования в области нанотехнологий, фармацевтики, материаловедения, минералогии, геологии, геммологии, криминалистики, анализа предметов искусства и многих других.

Преимущества Centaur :

  • совместная работа сканирующего основания Ratis (сканирующий пьезостолик) и сканирующей головки СЗМ Certus для проведения сканирования и позиционирования как зондом, так и образцом;
  • две независимые конфокальные схемы для получения лазерных конфокальных изображений и конфокальных (рамановских и флюоресцентных) конфокальных изображений;
  • использование ёмкостных датчиков для точного позиционирования и обеспечения высокой точности удержания и перемещения зонда или образца при сканировании. Высокая точность при операциях подвода/отвода и сканировании участков с различным разрешением и/или размерами;
  • функция автоматической фокусировки (автофокус) на поверхности или в объёме по оптическим изображениям и по интенсивности сигнала отраженного лазерного излучения благодаря использованию однокоординатной пьезоподвижки Vectus;
  • получение послойных 3D оптических и конфокальных оптических и спектральных изображений;
  • одновременное получение информации о топографии поверхности, спектральных и оптических характеристиках при использовании методик сканирования по разным каналам и при совмещении полей сканирования (СЗМ/Раман/конфокальная микроскопия);
  • получение спектра флюоресценции и/или комбинационного (рамановского) рассеяния с высоким спектральным разрешением в каждой точке поверхности сканирования;
  • использование методик традиционной оптической микроскопии для визуализации поверхности исследуемых образцов;
  • низкий уровень шумов за счет горизонтального расположения оптико-механического модуля;
  • конструкция СЗМ головки Certus и сканирующего пьезостолика Ratis разработана для работы с оптическим оборудованием, что позволяет проводить полную интеграцию с прямыми и/или инвертированными оптическими микроскопами для работы с прозрачными и непрозрачными образцами, устанавливать дополнительные объективы, детекторы и источники излучения;
  • получение панорамных спектров с использованием полного диапазона дифракционных решеток для получения полных спектров рамановского рассеяния и флюоресценции;
  • единый контроллер и программное обеспечение для полноценной совместной работы оборудования входящего в состав комплексов Centaur.

В состав Centaur входят:

  • сканирующая СЗМ головка Certus для осуществления методик сканирования зондом и позиционирования зонда;
  • сканирующее основание Ratis для работы с методиками сканирования образцом и позиционирования образца относительно зонда или лазерного пятна;
  • два независимых конфокальных модуля для лазерной конфокальной микроскопии (в качестве детектора используется ФЭУ) и спектральной конфокальной микроскопии/спектроскопии (в качестве детектора используется ПЗС матрица для научных исследований);
  • монохроматор или монохроматор с двойной дисперсией для получения спектров с высоким спектральным разрешеним;
  • источник лазерного излучения (твердотельный лазер с диодной накачкой - DPSS, для рамановской спектроскопии);
  • прямой (upright) оптический микроскоп исследовательского класса с набором объективов;
  • однокоординатная пьезоподвижка Vectus для автоматической или полуавтоматической фокусировки, оптического сканирования по оси Z;
  • механическая подвижка для объектива для грубой полуавтоматической фокусировки (управлеяемой с компьютера);
  • контроллер управления основными частями Centaur EG-3000;
  • рабочая станция (персональный компьютер);
  • единое программное обеспечение NSpec.

 

 

Основные конфигурации комплекса Centaur

Centaur I Centaur U Centaur I HR Centaur U HR Centaur I/U Centaur I/U HR
Микроскоп Инвертированный Прямой Инвертированный Прямой Инвертированный и прямой Инвертированный и прямой
Монохроматор Одинарный Одинарный С двойной дисперсией С двойной дисперсией Одинарный С двойной дисперсией
Детекторы ФЭУ, ПЗС ФЭУ, ПЗС ФЭУ, ПЗС ФЭУ, ПЗС ФЭУ, ПЗС ФЭУ, ПЗС

 

 

Некоторые технические характеристики комплексов Centaur:

Основные параметры
1 Основные модули
1.1 Модуль сканирующей зондовой микроскопии В базовой комплектации есть
1.2 Конфокальный лазерный модуль В базовой комплектации есть
1.3 Конфокальный спектральный модуль В базовой комплектации есть
1.4 Модуль источника лазерного излучения В базовой комплектации есть
1.5 Модуль оптической микроскопии В базовой комплектации есть
2 Модуль сканирующей зондовой микроскопии
2.1 Сканирование образцом Диапазон 100×100×15 µм
Обратная связь по трем осям
2.2 Сканирование основанием Диапазон 100×100×25 µм Обратная связь по трем осям
2.3 Диаметр апертуры сканеров для работы с оптическим оборудованием 40 мм Полный прямой доступ к области сканирования без использования оптических схем ослаблющих полезный сигнал как в схеме на просвет, так и в схеме на отражение
2.4 Доступ к области сканирования при боковой засветке и сборе излучений 90° Полный доступ к области сканирования без использования оптических схем ослаблющих полезный сигнал
2.5 Число осей по которым поддерживается обратная связь 7 осей в базовой комлектации, 9 в максимальной Поддерживается обратная связь как при сканировании образцом, так и при сканировании основанием.  Полная программная поддержка обратной связи по оси Z для удержания фокуса
2.6 Автокалибровка сканера Для всех сканеров. Автоматическая калибровка нелинейности и автоматическая настройка датчиков. В базовой комплектации
2.7 Автоматическая настройка дефлектометра АСМ В комплектации на заказ Необходимо уточнить в техническом задании
2.8 Моторизированная подвижка для образца и сканирующей головки В комплектации на заказ Необходимо уточнить в техническом задании
2.9 Функция быстрого сканирования В базовой комплектации Требует специализированных кантилеверов (с высокой резонансной частотой)
2.10 СЗМ методики Основной набор наиболее распространенных СЗМ методик Перечень необходимых методик необходимо уточнить в техническом задании
3 Конфокальный лазерный модуль
3.1 Независимая схема для конфокальной лазерной микроскопии В базовой комплектации есть
3.2 Способ получения конфокальности Моторизированная скрещенная щель Диапазон 1-1000 µм
3.3 Управление интенсивностью сигнала Нейтральный фильтр с переменной плотностью Диапазон от 0 до ослабления сигнала в 10000 раз
3.4 Фокусировка на входной опертуре детектора Моторизированный трехкоординатный объектив Полное управление с компьютера
3.5 Детектор ФЭУ (спектральный диапазон 300-1000 нм) В базовой комплектации. При необходимости допустима установка детектора с другими характеристиками
3.6 Разрешение латеральное Зависит от длины волны лазерного излучения и испльзуемого объектива. В общем случае ≈0.61×λ / N.A. (где λ - длина волны лазера, а N.A. - числовая апертура)
Т.е. для иммерсионного маслянного объектива с N.A.=1.3 и  λ=473 нм разрешение составит порядка 200 нм.
3.7 Разрешение по вертикали Зависит от длины волны лазерного излучения и испльзуемого объектива. В общем случае ≈λ (где λ - длина волны лазера) Т.е. для иммерсионного масляного объектива с N.A.=1.3 и  λ=473 нм разрешение составит порядка 500 нм.
3.9 Схема на отражение В базовой комплектации Рэлеевское рассеяние
3.10 Схема на просвет В комплектации на заказ Необходимо уточнить в техническом задании
3.11 Схема на сбор излучения боковым объективом
В комплектации на заказ Необходимо уточнить в техническом задании
3.14 Сканирование по XYZ Реализовано как сканирование образцом, так и сканирование зондом (использование засветки через оптическое волокно на СЗМ головке), сканирование с использованием однкоординатной подвижки по Z, или сканирующего основания, или сканирующей головки Получение конфокальный лазерных изображений по одной координате, двум и трем координатам (послойное сканирование)
3.15 Автоматическая фокусировка С использованием Z-подвижки для объектива, или сканирующего основания, или сканирующей головки
В базовой комплектации
3.16 Поддержание обратной связи по интенсивности С использованием Z-подвижки для объектива, или сканирующего основания, или сканирующей головки В базовой комплектации
4 Конфокальный спектральный модуль
4.1 Независимая схема для конфокальной микроскопии/спектросокопии
В базовой комплектации есть
4.2 Способ получения конфокальности Моторизированная скрещенная щель Диапазон 1-1000 µм
4.3 Управление интенсивностью сигнала Нейтральный фильтр с переменной плотностью Диапазон от 0 до ослабления сигнала в 10000 раз
4.4 Фокусировка на входной опертуре детектора Моторизированный трехкоординатный объектив Полное управление с компьютера
4.5 Детектор ПЗС-матраца со спектральным диапазоном 200-1000 нм, максимальным квантовым выходом 95% (550 нм) и числом пикселей 1024×127 и охлаждением до -100°С в базовой комплектации
Матрицы с большим числом пикселей (1024×265) или другого типа (EMCCD для быстрого сканирования) в комплектации на заказ. Так же на заказ устанавливается дополнительный детектор на второй порт монохроматора
4.6 Разрешение латеральное Зависит от длины волны лазерного излучения и испльзуемого объектива. В общем случае ≈0.61×λ / N.A. (где λ - длина волны лазера, а N.A. - числовая апертура) Т.е. для иммерсионного маслянного объектива с N.A.=1.3 и  λ=473 нм разрешение составит порядка 200 нм.
4.7 Разрешение по вертикали Зависит от длины волны лазерного излучения и испльзуемого объектива. В общем случае ≈λ (где λ - длина волны лазера) Т.е. для иммерсионного масляного объектива с N.A.=1.3 и  λ=473 нм разрешение составит порядка 500 нм.
4.8 Функция панорамного спектра Для всех монохроматоров В базовой комплектации
4.9 Схема на отражение В базовой комплектации
4.10 Схема на просвет В комплектации на заказ Необходимо уточнить в техническом задании
4.11 Схема на сбор излучения боковым объективом
В комплектации на заказ Необходимо уточнить в техническом задании
4.12 Метод отсекания излучения на длине волны возбуждающего излучения Краевые режекторные фильтры во всех комплектациях, без фильтров в модификациях HR Фильтры устанавливаются в соответствии с установленными источниками лазерного излучения
4.13 Монохроматор для комплексов Centaur Фокусное расстояние 266 мм, 4 дифракционных решетки (спектральное разрешение до 0.22 нм при использовании решетки 1200 лин/мм, блеск 600 нм, диапазон 400-870 нм) Возможно использование другого монохроматора и другого набора решеток
4.14 Монохроматор для комплексов Centaur HR
Фокусное расстояние 833 мм, 3 пары дифракционных решеток (спектральное разрешение до 0.012 нм при использовании решетки 2400 лин/мм, блеск 225 нм, диапазон 190-600 нм) Возможно использование другого монохроматора и другого набора решеток
4.15 Монохроматоры с Эшелле-решетками Используется монохроматор Эшелле, разрешение до 0.007 нм В комплектации на заказ
4.16 Сканирование по XYZ Реализовано как сканирование образцом, так и сканирование зондом (использование засветки через оптическое волокно на СЗМ головке), сканирование с использованием однкоординатной подвижки по Z, или сканирующего основания, или сканирующей головки Получение конфокальный лазерных изображений по одной координате, двум и трем координатам (послойное сканирование)
4.17 Автоматическая фокусировка С использованием Z-подвижки для объектива, или сканирующего основания, или сканирующей головки В базовой комплектации
4.18 Поддержание обратной связи по интенсивности С использованием Z-подвижки для объектива, или сканирующего основания, или сканирующей головки В базовой комплектации
4.19 Функция FSI (Full Spectral Imaging) Функция получения полноспектральных изображений во всём доступном диапазоне (Chemical imaging, спектральная микроскопия) В базовой комплектации. Включая подфункцию получения гиперспектральных изображений
5
Модуль источника лазерного излучения
5.1 Источник лазерного излучение по умолчинию 473 нм, DPSS, 50 mW 532 нм, DPSS, 50 mW
5.2 Установка нескольких источников лазерного излучения В комплектации на заказ 3 лазера в максимальной комплектации
6 Модуль оптической микроскопии
6.1 Прямой микроскоп В моделях U Предназначен для исследований на отражение любых образцов. Подсветка на отражение
6.2 Инвертированный микроскоп В моделях I Предназначен для исследований на отражение прозрачных образцов. Подсветка на просвет. Допускает исследования непрозрачных образцов без совмещения методик
6.3 Прямой и инвертированный микроскоп В моделях I/U Предназначен для исследования любых образцов. Подсветка через объективы. 4PI микроскопия в комплектации на заказ и другие подобные методики.
6.4 Пьезо Z-подвижка для объектива В базовой комплекации 2 Z-подвижки в случае моделей I/U
6.5 Функция автофокуса В базовой комплектации по оптическому изображению и по интенсивности лазерного сигнала Все модели
6.6 Механическая подвижка для объектива Диапазон 100 мм, полностью управляется с компьютера Модели U и I/U
6.7 Видеокамера Во всех моделях. На заказ устанавливаются камеры с выбранными характеристиками 2 камеры в случае моделей I/U
6.8 Флюоресцентный модуль В комплектации на заказ Возможна установка на все модели
7 Автоматизация
7.1 Автоматизация Z-подвижки В базовой комплектации Включая автофокус
7.2 Автоматизация пинхолов (скрещенных щелей для осуществления конфокальности) В базовой комплектации
7.3 Автоматизация встроенных объективов В базовой комплектации
7.4 Автоматизация фильтров В базовой комплектации
7.5 Автоматизация смены лазеров В комплектациях для нескольких лазеров
7.6 Автоматизация смены решеток В базовой комплектации
7.7 Автоматизация переключения между установленными на монохроматор детекторами В базовой комплектации
7.8 Автоматизация калибровки сканеров В базовой комплектации
7.9 Автоматизация подвижек для образцов В комплектации на заказ
7.10 Автоматизация настройки регистрирующей системы АСМ В комплектации на заказ
7.11 Функция панорамного спектра В базовой комплектации
7.12 Автоматизация поляризаторов В базовой комплектации
8 Программное обеспечение
8.1 Полное управление комплексом В базовой комплектации
8.2 Основные инструменты для обработки и анализа СЗМ, конфокальных и конфокальных спектральных изображений, спектров В базовой комплектации
8.3 Импорт файлов В форматы ASCII, Gwyddion, Grams.
8.4 Обновление На весь срок службы комплекса
9 Совмещенные методики
9.1 Совмещение АСМ/Раман при одновременном сканировании по одному полю В базовой комплектации
9.2 Совмещение АСМ/Флюоресценция при одновременном сканировании по одному полю В базовой комплектации
9.3 Совмещение АСМ/Раман/Лазерный конфокал при одновременном сканировании по одному полю В базовой комплектации
9.4 Совмещение АСМ/Лазерный конфокал при одновременном сканировании по одному полю В базовой комплектации
9.5 TERS В базовой комплектации Требует специализированных зондов
9.6 TEFS В базовой комплектации Требует специализированных зондов
9.7 SNOM/NSOM методики При использовании зондов с апертурой в базовой комлпектации (на отражение и на просвет), при использовани комплектации на заказ с оптическим волокном на отражение и на просвет. Методики с боковым сбором/подсветкой в комплектации на заказ SNOM/NSOM методики требуют специализированных зондов

 

 

Демонстрация получения спектральной информации из изображения участка поверхности, содержащего углеродные нанотрубки.

 

 

Углеродные нанотрубки на поверхности стекла. Конфокальное рамановское (КР) изображение. Один слой сканирования.

Размер изображения 25х25 μм. 100х100 точек. Время накопления в точке 0,05 секунды.

На видео отображается полученное изображение и базовые операции по выделению нанотрубок на поверхности.

Изображения получены с помощью комплекса Centaur в режиме конфокального рамановского микроскопа.

Образец представлен профессором Неволиным В.К. (МИЭТ) www.nanotube.ru

 

Демонстрация получения спектральной информации из изображения участка поверхности, содержащего углеродные нанотрубки.

 

Углеродные нанотрубки на поверхности стекла. Конфокальное рамановское (КР) изображение. Один слой сканирования.

Размер изображения 15,7х16,7 μм. 100х100 точек. Время накопления в точке 0,4 секунды.

На видео отображается полученное изображение и базовые операции по выделению нанотрубок на поверхности.

Изображения получены с помощью комплекса Centaur в режиме конфокального рамановского микроскопа.

 

 

Демонстрация получения спектральной информации с тестовой кремниевой решетки.