زیست‌نانوفناوری
کاربردها > ابزارها

این حوزه به گروه مختلفی از روش‌های تحقیقاتی همچون ابزارهای آزمایشگاهی (مانند تصویربرداری، تعیین ویژگی)، ابزارهای مبتنی بر پراش پرتو ایکس، سنتز از طریق خوگردهم آیی، ویژگی‌های خودگرهم آیی (برای مثال با به‌کارگیری MP-SPR , DPI، روش‌های DNA نوترکیب و غیره)، تئوری (ماشین‌های آماری، نانوماشین‌ها و غیره) و همچنین روش‌های محاسباتی تکیه دارد.
میکروسکوپ‌های الکترونی ابزاری نیرومند و دارای قابلیت‌های فراوانی برای تصویر برداری، آشکارسازی و ارائه اطلاعات مفید دربارهٔ پدیده‌های کوچک و بسیار کوچک هستند. این ابزارها با خانواده‌های متفاوت و عناوینی خاص مرتبط با اساس عملکردشان مطرح می‌شوند که از یک سو از لحاظ ساختار و اجزای داخلی قابل بررسی و ارزیابی اند و از سوی دیگر، از لحاظ روش‌های تحلیل و دریافت داده‌ها از نمونه قابل مقایسه و مطالعه هستند.
آماده‌سازی و نوع نمونه‌ها بر اساس ساختار و عملکرد پردازش اطلاعات از نمونه متفاوت است به‌طوریکه در بعضی از میکروسکوپ‌های الکترونی آماده‌سازی به دشواری و با شرایط خاص همراه است و در بعضی دیگر، روش‌های آماده‌سازی نمونه‌های زیست‌شناسی و غیر زیست‌شناسی متفاوت است. داده‌های حاصل از پردازش اطلاعات از نمونه‌ها، از یک منظر در ساخت و تولید ریز تراش‌ها، سامانه‌های متنوع الکترونی و الکترومکانیکی اهمیت خاص دارد و از منظر دیگر در به‌کارگیری نمونه‌های زیست‌شناسی (سلول‌ها، پروتین‌ها و…) برای طراحی و ساخت ریزتراشه‌های زیستی و سامانه‌های زیستی نانومتری نقش به سزایی را ایفا می‌کند.
میکروسکوپ‌های الکترونی ابزاری نیرومند و دارای قابلیت‌های فراوانی برای تصویر برداری، آشکارسازی و ارائه اطلاعات مفید دربارهٔ پدیده‌های کوچک و بسیار کوچک هستند. ابن ابزارها با خانواده‌های متفاوت و عناوینی خاص مرتبط با اساس عملکردشان مطرح می‌شوند که از یک سو از لحاظ ساختار و اجزای داخلی قابل بررسی و ارزیابی اند و از سوی دیگر، از لحاظ روش‌های تحلیل و دریافت داده‌ها از نمونه قابل مقایسه و مطالعه هستند.
در میکروسکوپ‌های الکترونی نمونه‌های زیست‌شناسی و غیر زیست‌شناسی در دو دسته مشخص و تفکیک شده مورد مطالعه قرار می‌گیرند. روش‌های آماده‌سازی نمونه، برای هر دسته متفاوت و بر اساس روش کار و پردازش داده‌ها توسط میکروسکوپ‌های الکترونی مبتنی است. آماده‌سازی نمونه در بعضی سامانه‌ها با اندودسازی نمونه با سایر عناصر شکل می‌گیرد و در بعضی دیگر با آبگیری و تثبیت همراه است. در هر صورت برای دستیابی به داده‌ها از نمونه‌های زیست‌شناسی و غیر زیست‌شناسی متناسب با روش‌های استاندارد و قابل استناد باشد تا از یک سو اطلاعات کامل و در حداقل خطا باشند و از سوی دیگر نمونه‌های با ارزش و زمان آماده‌سازی به هدر نرفته و کار با موفقیت به انجام رسد.
اگرچه، میکروسکوپ‌های الکترونی شباهت‌های اساسی با یکدیگر دارند ولی تفاوت‌های قابل ملاحظه آن‌ها باعث وجود گونه‌ها و خانواده‌های مختلف (میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی، تراگسیل، کاوشی) شده‌است. این تفاوت بر اساس نوع و روش دستیابی به اطلاعات همانند روش روبش، تراگسیل، کاوش است. علت وجود روش‌های متفاوت، بررسی و مطالعه بهتر و آسان‌تر و نیز هدفمند نمونه‌ها است.
فناوری در میکروسکوپ‌های الکترونی

پیش از ورود به مبحث آماده‌سازی نمونه، نگاهی کلی و گذرا بر اصول و روش کار میکروسکوپ‌های الکترونی اگرچه مختصر امری ضروری است. میکروسکوپ‌های الکترونی براساس ساختار و روش کار میکروسکوپ‌های نوری ساخته شده‌اند و از این‌رو دارای شباهت‌ها و تفاوت‌هایی با یکدیگرند. اولین مؤلفه قابل ارزیابی بین این دو گروه، نوع منبع است که در میکروسکوپ‌های الکترونی، الکترون پر انرژی و متمرکز برای دستیابی به تصویر و اطلاعات از نمونه به جای نور مورد استفاده قرار می‌گیرد. مولفه دیگر، عدسی‌های هستند که در میکروسکوپ‌های الکترونی، عدسی‌های الکترومغناطیسی با قابلیت تنظیم فاصله کانونی را دارند. با تغییر میزان جریان الکتریکی، میزان بزرگنمایی قابل کنترل است. این درحالی است که عدسی‌های شیشه‌ای در میکروسکوپ‌های نور با فاصله کانونی ثابت فاقد این توانایی است و در نتیجه اطلاعات قابل دسترسی محدودتری را در اختیار محققان از نمونه قرار می‌دهند.
میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی(SEM)

میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی قادرند سیگنال‌های حاصل از برخورد الکترون‌ها به نمونه (الکترون‌های ثانویه) را به تصویری با کاربردهای متنوعی تبدیل کنند. این دستگاه‌ها معمولاً جهت مطالعه ساختارهای سطحی یا نزدیک به سطح نمونه، تهیه تصاویر توپوگرافیک، تعیین ترکیب و تصاویر ترکیبی یا مطالعه کاتدولومینسانس استفاده می‌شود. تصاویر در این دستگاه از آن جهت که شبیه تصاویری است که انسان با چشم می‌بیند، خیلی راحت‌تر تفسیر می‌شوند.
معمولاً برای تهیه تصاویر بهینه در تحلیل میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی سطوح کاملاً پرداخته شده (پولیش) نیاز است. مسلماً کاهش میزان آمادگی سطوح موجب کاهش کنتراست و البته کاهش میزان کیفیت تصویر خواهد شد. از طرف دیگر نمونه‌ها غیر مسطح دشواری‌های بسیاری را در تحلیل در پی خواهند داشت. با این وجود، فضای بزرگی که در میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی برای قرار دادن نمونه‌ها وجود دارد کار با کنترل‌های مکانیکی را آسان می‌سازد.
میکروسکوپ‌های الکترونی تراگسیل (TEM)
میکروسکوپ‌های الکترونی تراگسیل با دریافت سیگنال‌های حاصل از برخورد پرتوی الکترونی به نمونه و عبور آن، داده‌های قابل استنادی فراهم می‌سازند. عبور الکترون از نمونه باعث آشکارسازی اطلاعات داخلی و ساختاری نمونه می‌شود از این‌رو نیاز به نمونه‌های خیلی نازک ضروری است. این دستگاه‌ها ابزارهایی مناسب جهت شناسایی ساختار مواد بلورین و مطالعات ریزساختاری تفصیلی مواد هستند که قادر به ارائه بزرگنمایی زیاد و دارای قدرت تفکیک‌پذیری بالایی هستند. این امر باعث به‌کارگیری این دستگاه‌ها در تحقیقات پیشرفته کانی‌شناسی، بلورشناسی، علم مواد شده‌است.

یکی از متداول‌ترین و مهم‌ترین روش‌های آماده‌سازی نمونه، اولترامیکروتومی است که روشی استاندارد در تهیه نمونه‌های بسیار نازک در زیست‌شناسی و همچنین بسیار مفید در آماده‌سازی نمونه‌ها برای میکروسکوپ‌های الکترونی تراگسیل است. در این روش برش‌های کمتر از ۱*۱ میلی‌متری با چاقوی الماسه انجام می‌شود. سپس برش‌ها را در یک مایع جمع‌آوری کرده و پیش از به‌کارگیری در دستگاه بر یک شبکه قرار می‌دهند. معمولاً نمونه‌های حاصله نیازی به آماده‌سازی دیگری ندارند هرچند که ضخامت آن‌ها بستگی به نوع اطلاعات مورد نظر دارد. این روش نیاز به مهارت فراوان دارد و باید توسط یک متخصص با تجربه انجام شود

میکروسکوپ‌های نیروی اتمی(AFM)
میکروسکوپ‌های الکترونی نیروی اتمی به دلیل قابلیت‌های منحصر به فرد آن توسط محققان " چشم نانو تکنولوژی " نامیده شده‌است میکروسکوپ نیروی اتمی بر اساس نیروی وان دروالسی بین اتمی بنا شده‌است. این دستگاه به کمک یک پروپ فوق‌العاده تیز، ویژگی‌های سطح نمونه را به وسیله نیروی برهم کنشی با اتم‌های سطح جسم، اندازه‌گیری می‌کند و با ثابت نگه داشتن مقدار نیرو در حالی که پروب سطح نمونه را می‌پیماید، امکان ایجاد نگاشت‌ها و تصاویر سه بعدی از سطح را فراهم می‌کند. داده‌ها و سیگنال‌های دریافتی در این دستگاه نماینگر اطلاعاتی در مورد ساختار مولکولی و ساختار اتمی نمونه است.
علاوه بر این، در میکروسکوپ‌های نیروی اتمی دو قابلیت مهم موجب افزایش و گسترش میزان به‌کارگیری آن در زمینه زیست‌شناسی و مهندسی پزشکی شده‌است. یکی محیط داخلی دستگاه است که نیازی به خلاء نداشته و هوا، گاز و حتی مایع نیز می‌تواند در آن محیط قرار گیرد. مسلماً، این امر به‌کارگیری نمونه‌های زیست‌شناسی (همانند سلول‌ها، پروتئین‌ها) به صورت زنده و فعال (حتی خارج از بدن جاندار) را امکان‌پذیر می‌کند (شکل ۵.)
قابلیت مهم دیگر دستگاه، عدم نیاز به اندودسازی نمونه‌ها است که موجب حذف مراحل سخت و دشوار آماده‌سازی نمونه می‌شود فرایند تصویربرداری از سیال برای این دستگاه مزیتی محسوب می‌شود که همراه با سایر امکانات دیگرش امکان مشاهده فرایندهای زیستی در زمان واقعی را میسر می‌سازد.