میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی (MRFM)

در مقاله قبلی با عنوان «مقدمه‌ای بر میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی (MRFM)» به بررسی اصول و مبانی میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی (MRFM) پرداخته شد. گفته شد محققين در نانوفناوری و زیست‌شناسی مولکولی، اغلب به دلیل عدم توانایی مشاهده اتم‌ها و مولکول‌ها با توان تفكيك بالا به‌ويژه به‌صورت سه‌بعدي، به شدت محدود بوده‌اند. میکروسکوپي نیروی تشدید مغناطیسی (MRFM)، گونه‌اي از ميكروسكوپي پروبي روبشي است كه قابليت تهيه تصوير سه‌بعدي روش تصويربرداري تشديد مغناطيسي را با حساسيت و توان تفكيك بالاي ميكروسكوپ نيروي اتمي تلفيق مي‌نماید. در MRFM، برهم‌کنش نیروهای بین میدان مغناطیسی گرادیانی سوزن ميكرومگنت و اسپین هسته‌های اتم‌های سطح نمونه، آشکارسازی می‌شود.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:

نتیجه‌گیری

در طول چند دهه اخیر، روش‌های مختلف تشدید مغناطیسی به‌عنوان ابزار قدرتمندی برای تهيه تصوير و توصیف ساختار مولکولی مورد استفاده قرار گرفته ‌است و باعث ایجاد پیشرفت‌های شایانی در زمینه علوم پزشکی، زیست‌شناسی، شیمی، علم مواد و فیزیک شده‌اند. در روش تشدید مغناطیس هسته تعیین ساختار مولکولی نمونه با قرار دادن آن در یک میدان مغناطیسی همگن و بررسی محیط پیرامون اتم‌ها و پیوندهای مولکولی میسر مي‌شود. در تصویربرداری تشدید مغناطیسی تجسم ساختار سه‌بعدی نمونه موردنظر، از قرار دادن آن در یک میدان مغناطیسی گرادیانی به‌دست می‌آید. اگرچه قدرت روش‌های تشدید مغناطیسی بی‌شمار است اما هنگامي‌که در مقیاس میکرومتری به کار برده می‌شود، داراي ضعف حساسیت پایین به دلیل نوع روش‌های آشکارسازی و میدان مغناطیسی گرادیانی بالا هستند.

دو فناوری بسیار مهم MRI و AFM در ساخت MRFM دخیل هستند. هر دو روش در طول سه دهه اخیر، پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای را به‌طور مستقل و موازی داشته‌اند. امروزه MRFM قابلیت تهيه تصویر مغناطیسی MRI و امكان تهيه تصویر سه‌بعدی با توان تفکیک اتمی AFM را دارا است.

میکروسکوپ پروبی روبشی اولین بار در سال 1982 توسط دو دانشمند (بنینگ و روهرر) در شرکت IBM در زوریخ سوئیس اختراع شد. SPM عبارتی است کلی، برای مجموعه‌ای از میکروسکوپ‌ها که سطح نمونه را با استفاده از یک پروب فیزیکی روبش نموده و اطلاعات متفاوتی از ویژگی‌های سطح نمونه را در مقیاس نانومتری و یا حتی آنگسترومی در اختیار می‌گذارد (شکل 1).

نمونه با استفاده از یک سوزن متصل به تیرک (شكل 2) 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 مغناطیسی، 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 علاوه بر خلاء، در هوا و زیر سطح مایعات می‌تواند مورد تصویربرداری قرار گیرد. مزایایی که دقیقاً نقاط ضعف روش‌های میکروسکوپ الکترونی است و در نتیجه احتمال آسیب‌رسانی به نمونه در اثر خلاء بسیار کمتر می‌شود.

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 (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 10- 0/1 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، آشکار می‌شود. نمايي از دستگاه در شکل (3) 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.

در نوع دیگری از حسگر انحراف، از یک تيرك به‌عنوان آیینه تداخل‌سنج لیزر نوري، استفاده می‌شود و معمولاً 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 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 نیز دسته جالبی از حسگرهای انحراف را تشکیل می‌دهند. اغلب آن‌ها با استفاده از یک لایه مقاومت پیزویی در پشت یک تيرك سیلیسيمي، تولید شده‌اند. اولین اندازه‌گیری با توان تفکیک اتمی، با تيرك‌های مقاومت پیزویی انجام شده‌است [12].

میکروسکوپ نیروی مغناطیسی حالت ویژه‌ای از میکروسکوپ نیروی اتمي است كه از آن براي مشاهده و اندازه‌گيري توزيع ميدان مغناطيسي آشفته روی سطح نمونه، استفاده می‌شود. میکروسکوپ نیروی مغناطیسی ابزار نیرومندی براي مشاهده و اندازه‌گيري نيروهاي مغناطيسي كوچك بین سوزن و سطح، يا گراديان نيروي مغناطیسی روی سطح نمونه است. اين دستگاه امکان تصويربرداری از سطوح مغناطيسي با توان تفکیک بالا 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 لایه‌ای نازک از مواد فرومغناطیسی پوشیده شده‌است، در نزدیکی سطح نمونه قرار می‌گیرد و با میدان‌های مغناطیسی آشفته‌ اطراف سطح نمونه، برهم‌کنش می‌دهد و نيروهاي مغناطيسي كوچك بین سوزن و سطح يا گراديان نيروي مغناطیسی روی سطح نمونه را به تصویر می‌کشد. سوزن به يك تيرك كوچك متصل است. قدرت برهم‌کنش مغناطیسی 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) و گراديان نيروی روی سطح به‌دست می‌آید. تصویر گراديان نيروی روی سطح، بر اثر تغییر فرکانس رزونانس تیرک که به‌وسیله‌ میدان‌های مغناطیسی اطراف سطح ایجاد می‌شود و به فاصله نمونه تا سوزن وابسته است، به‌دست می‌آید. به‌طور کلی، تصاویر MFM تغییرات سه‌بعدی نیروهای مغناطیسی روی سطح نمونه را نشان می‌دهند. داده‌های مغناطیسی را می‌توان با هر یک از حالت‌های تغییر در دامنه، فرکانس و یا فاز ارتعاش تیرک، ثبت نمود. بزرگی نیروی مغناطیسی ایجاد شده ^12- 10 تا ^9-10 N است [13].

روش میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی بر پایه اندازه‌گیری مکانیکی نیروهای مغناطیسی بسیار کوچک (آتونیوتن) بین اسپین‌هاي هسته نمونه، و سوزن مغناطیسی استوار است. در واقع MRFM مشابه MFM است با این تفاوت اساسی که در میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی میدان بسامد راديويي به‌کار گرفته می‌شود تا مغناطیس‌پذیری نمونه با استفاده از روش‌های تشدید مغناطیسی دستکاری شود. در این روش، تيرك به همراه سوزن میکرومغناطیسی به نزدیکی سطح نمونه آورده می‌شود. نیروی (F) (معادله 1) از طرف ممان مغناطیسی نمونه به سوزن اعمال می‌شود.

(1)                                   F= -(m.∇)B

در این معادله: (M) ممان مغناطیسی نمونه و ( B∇) گرادیان میدان مغناطیسی سوزن میکرومغناطیس است. این نیرو موجب انحراف تيرك خواهد شد. روش‌های آشکارسازی خاص و حساس مانند روش‌های تداخل‌سنج نوری و مقاومت پیزویی، این نیرو را که کوچکتر از ^16-N 10 است، اندازه‌گیری می‌نمایند.شكل (5) نمايي از تيرك و ميدان بسامد راديويي اطراف آن را نشان مي‌دهد.

قلب میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی، حسگر نیرویی مرتعش‌کننده آن یا همان تيرك است. تيرك‌های مورد استفاده در MFRM دارای طولی معادل mm 500-300، عرض 20mm و ضخامت 0/5mm هستند و معمولاً از Si یا Si₃N₄ ساخته می‌شوند. یک میکرومغناطیس به‌عنوان سوزن به انتهای تيرك متصل می‌شود. مواد مغناطیسی مختلفی نظير فلزات واسطه Co، Fe و Ni و یا آلیاژی از خاک‌های نادر مانند SmCo₅ یا Sm₂Co₁₇ 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 مغناطیسی به تيرك چسبانده می‌شود تا ممان مغناطیسی سوزن در جهت مناسب قرار گیرد، سپس سوزن با استفاده از روش آسیاب پرتو یونی متمرکز شکل می‌گیرد. با این روش می‌توان سوزن‌هایی را با میدان گرادیانی بیش از Tm^-1 10⁵ ایجاد نمود (شکل 6) [9].

سوزن موردنظر، میدان مغناطیسی غیرهمگن یا گرادیانی را ایجاد خواهد نمود که به دو منظور استفاده می‌شود: جفت کردن میدان مغناطیسی نمونه با تيرك مرتعش و تعریف نواحی جانبی نمونه که تحت تشدید مغناطیسی قرار می‌گیرد.

تداخل‌سنجی نوری بر پایه تداخل‌سنجی فیبر نوری در بیشتر دستگاه‌های MRFM مورد استفاده قرار می‌گیرد. نور لیزر از یک سر فیبر نوری تابانده می‌شود تا در پشت تيرك، در فاصله‌ای برابر با (d) منتشر شود. فضای بین انتهای فیبر نوری و سطح منعکس‌کننده نور در پشت تيرك «حفره تداخل» را ایجاد می‌نماید. حرکت‌های تيرك، باعث تغییر زوایای تداخل در حفره تداخل شده و در نتیجه پرتوی تابیده شده به داخل فیبر نوری و پرتوی بازتابیده از پشت تيرك به داخل فیبر، تداخل خواهند نمود (شکل 7). حساسیت این روش را می‌توان با تنظیم انعکاس سطوح تداخل‌کننده با پوشش‌های فلزی، بهینه نمود.

اگرچه آشکارسازی با استفاده از تداخل‌سنج فیبر نوری عموماً مورد استفاده قرار می‌گیرد، روش‌های دیگری نیز وجود دارند که دارای مزیت‌های بیشتری هستند. از جمله، روش‌های مقاومت پیزویی که قابلیت کاربرد برای نمونه‌های حساس به نور است [9].

یکی از اساسی‌ترین نیازهای میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی، حضور یک میدان مغناطیسی (rf) برای تغییر مغناطیس‌پذیری نمونه است. در واقع کیفیت سیگنال نیروی آشکارسازی شده به‌وسيله تيرك، وابسته به حساسیت میدان مغناطیسی (H₁) در مغناطیس کردن نمونه است. البته ایجاد میدان مغناطیسی (rf) استاندارد برای دستگاه MRFM مشکل است؛ زيرا نمونه در محل نگهداري نمونه در میکروسکوپ نيروي اتمي قرار گرفته و قرار دادن آن در سیم‌پیچ (rf) یا حفره ماکروویو تقریباً غیرممکن است، نمونه باید حتی‌الامکان به میکرونوار یا میکروسیم‌پیچ که میدان مغناطیسی را ایجاد می‌نماید، نزدیک باشد.

نمايي از دستگاه MRFM در شکل (8) نمایش داده شده‌است. تيرك مرتعش به همراه سوزن مغناطیسی به نمونه نزدیک می‌شود. سیم‌پیچ تولیدکننده میدان مغناطیسی با بسامد رادیویی (سمت راست تصویر) وابسته به نوع اتم‌های موجود در نمونه، باعث تغییر جهت اسپین‌ها (دقیقاً مانند MRI)، می‌شود. برهم‌کنش بین سوزن و اسپین هسته‌های نمونه، در منطقه‌ای کاسه‌ای شکل به‌نام «برش تشدید» صورت می‌گیرد که با بالا و پایین رفتن تيرك مرتعش، جابه‌جا می‌شود.

جهت‌گیری اسپین هسته در حضور میدان مغناطیسی (rf) تغییر نموده و لذا با حرکت منطقه برش تشدید، میدان مغناطیسی بین سوزن مغناطیسی و اسپین‌ها به‌طور متناوب به‌صورت جاذبه یا دافعه بروز می‌نماید. به‌عنوان مثال، اگر هدف، شناسایی هسته‌های هیدروژن باشد، با تنظیم سیم‌پیچ، روی بسامد رادیویی هیدروژن، اسپین هسته‌های مذکور در فرکانس مربوطه مورد تشدید قرار می‌گیرد. با نزدیک شدن سوزن مغناطیسی و تشکیل برش تشدید، اسپین‌های موافق و مخالف اسپین سوزن، به ترتیب باعث ایجاد نیروهای دافعه و جاذبه شده و لذا با حرکت برش تشدید، سیگنال برهم‌کنش اسپین سایر هسته‌ها نیز آشکارسازی می‌شود. این نیروها به‌طور متناوب باعث ایجاد تغییرات جزئی در بسامد ارتعاش تيرك می‌شود که با استفاده از دستگاه تداخل‌سنج فیبر نوری، این سیگنال‌ها آشکارسازی می‌شود. نکته دیگر آن است که اسپین‌های نزدیک‌تر به سوزن، تحت میدان قوی‌تری قرار گرفته، درحالی‌ که اسپین‌ها یا هسته‌های دورتر، میدان ضعیف‌تری را احساس می‌نمایند، لذا آشکارسازی آن‌ها مشکل‌تر است. در نتیجه، ضخامت منطقه برش 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 مغناطیسی با گرادیان قوی‌تر، باعث ایجاد منطقه برش تشدید نازک‌تر می‌شود. ضخامت منطقه برش تشدید با معادله بلاش توصیف می‌شود [15 ،14].

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) بالا استفاده نمود تا مقدار اتلاف سیگنال، کاهش یافته و میزان سیگنال به نوفه افزایش یابد.
خنک کردن دستگاه تا كمتر از 100mK حساسیت به نیرو را بهبود می‌دهد و همچنين باعث افزايش تعداد اسپین‌های پلاریزه مطابق معادله بولتسمن 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 علاوه‌بر سطح، با ضریب انعکاس بالا 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].

میکروسکوپ پروبی روبشی یا SPM عبارتی است کلی، برای مجموعه‌ای از میکروسکوپ‌ها از جمله  میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ نیروی الکتروستاتیک و میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی که سطح نمونه را با استفاده از یک پروب فیزیکی روبش نموده و اطلاعات متفاوتی از ویژگی‌های سطح نمونه را در مقیاس نانومتری و یا حتی آنگسترومی در اختیار می‌گذارد. روش میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی بر پایه اندازه‌گیری مکانیکی نیروهای مغناطیسی بسیار کوچک (آتونیوتن) بین اسپین‌هاي هسته نمونه، و سوزن مغناطیسی استوار است. در واقع MRFM مشابه MFM است با این تفاوت اساسی که در میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی میدان بسامد راديويي به‌کار گرفته می‌شود تا مغناطیس‌پذیری نمونه با استفاده از روش‌های تشدید مغناطیسی دستکاری شود.