20. Өндірістегі биокатализ. Нанокатализаторлар.

Биокатализ (гр. «тіршілік» және «бұзылу») – тірі организмде өтетін химиялық реакциялардың ферменттер көмегімен көмегімен жылдамдатылуы. Биокатализ химиялық катализге қарағанда жоғары эффективті, спецификалық, және тірі организмге тән жайлы жағдайда жүзеге асады (қысым, температура, орта реакциялары). Өндірістегі биокатализдің маңызды ролі –органикалық қосылыстардың тотығу биотрансформация процесстері. Мысалы: шексіз көмірсутектерді эпоксидтің оптикалық изомерлерінің өндірісінде, электроникаға арналған сұйық кристаллдар. Биокатализдің ерекшелігі: фермент әсерінен организм қажеттілігіне қарай өз белсенділігін арттыра не кеміте алады. Тиімділігі: энергиясы мол аралық реакцияның болуында. Биокатализ ферменттердің полипептид тізбегіндегі жеке бөліктердің арасы химиялық осал байланыстармен жалғасып, орта жағдайы өзгергенде оның глобулярлық құрылымының жеңіл өзгеретіндігіне негізделген. Биокатализ тамақ өнеркәсібінде, медицинада, биохимияда, т.б өндіріс салаларында кеңінен қолданылады.

21.Электронды микроскоптар. Тарихы, түрлері, жұмыс принциптері, ажырату мүмкіншіліктері. Қазіргі күнгі электронды микроскоптардың конструкциялары

Алғашқы микроскопты XVII ғасырда ағылшын физигі Роберт Гук (1635-1703ж.) жасаған. Ол микроскоппен 1662 жылдан бастап зерттелетін заттың тек жүз есе үлкейтілген бейнесін ғана көруге мүмкіншілік берді. Электрондық микроскоптың ашылу тарихы.Электрондық микроскоп XIX ғасырдың соңы – XX ғ. Басындағы бірқатар физикалық ашылулардан кейін пайда бола бастады. 1897 ж. электронның ашылуы (Дж. Томсон),1926 ж. электрондардың толқындық қасиеттерінің анықталуы (К.Дэвиссон, Л.Бермер) және неміс ғалымы Х.Буштың электрондық сәулелерді фокустауға қабілетті магниттік линзаларды ойлап табуы 1930 ж. алғашқы электрондық микроскопты құрастырудың негізін қалады. 1931 ж. Р.Руденберг трансмиссиондық электрондық микроскопқа патент алды, ал 1932 ж. М.Кнолль мен Э.Руско қазіргі күні қолданылып жатқан электрондық микроскоптың прототипін құрастырды. 1986 ж. Э.Руско осы жұмысы үшін Нобель сыйлығын алды.1930ж.-1940ж. Сканерлік электрондық микроскоптар ойлап табылды. 1952 ж. Ч.Отли сканерлік электрондық микроскоптың қазіргі түрін құрастырды. 1930 жылдан бастап электрондық микроскоптар ғылыми зерттеулерде қолданыла бастады. Электрондық микроскоп зерттелетін нысанның өте үлкен өлшемін көруге мүмкіншілік беретін, фундаментальды ғылыми зерттеулер маңызды құрылғылардың бірі. Электрондық микроскоп жарық микроскопына қарағанда зерттелетін нысанды 100000 есе үлкейтіп көрсетеді. Қазіргі электрондық микроскоптардың көрсеткіштік қабілеттілігі 0,1-0,3 нм-ге дейін жетеді. Электрондық микроскоптың құрылысы жарық микроскопына ұқсас. Электондық микроскопта жарық беруші рольді электр тогымен қыздырылған вакуумда орналасқан вольфрам жібінен тарайтын электрондар ағыны атқарады. Электрондық микроскоптың бірнеше түрі бар:

1. Трансмиссионды немесе сәулеленушіэлектрондық микроскоп;2.Сканерлік немесе растрлық электрондық микроскоп ;3.Трансмиссионды сканерлік электрондық микроскоп;4.Растрлық туннельді электрондық микроскоп

Трансмиссионды электрондық микроскоп жарық микроскопына ұқсас келеді, бірақ үлгіні көруге жарық емес, электрондар шоғы пайдаланылады.Бұл микроскопта электрондық прожектор, конденсорлық линзалардың түрлері және проекционды жүйе болады. Электрондардың көзінің қызметін вольфрамнан жасалған қыздырылған катод атқарады. Электрондар күшті электрлік аймақта жылдам қозғалады. Мұндай аймақты көру үшін катодты 10000 В астында ұстайды.Құрылғының бұл бөлігі электрондық прожектор деп аталады. Электрондық микроскопта міндетті түрде вакуум болуы қажет. Себебі, электрондар алысқа кете алмайды, оттегі, азот, көмірқышқыл газы молекулаларымен кездессе, олар бөгеліп, өз жолын өзгертіп шашырап кетеді.

Электрондық микроскопта электрондар ағыны электрондық пушканың вольфрамдық катодында пайда болып, жоғарғы және төменгі электромагниттік линзаларда фокусталады. Электрондар сақиналық тесік және сканерлік катушка арқылы өтіп, зерттелетін үлгі проекторлық линзада фокусталады. Барлық процесс вакуумда жүреді. Ауа насос арқылы шығып отырады. Электр сәулесінің нысан бойынша өтуін бағыттайтын сканерлеуші катушканың жұмысын компьютер басқарады.Зерттелетін үлгі ауа камерасына қажет жағдайда орналастырылады.Зерттелетін нысанның суреті электрондардың фиксациясы нәтижесінде көрінеді. Электрондардың жылжымалы ауысып қозғалуы нысанның беткі формасымен реттеліп отырады. Электрондар детектордың флуоросцентті нысанына барып соғылады. Алынған сурет компьютер дисплейіне шығады.

Сканерлік электрондық микроскоп ғылыми зерттеулерде трансмиссионды электронды микроскопты толықтырып тұратын микроскоп. Сканерлік электрондық микроскопта электрлік линзалар өте кішкентай өлшемді дақтарды көруге мүмкіншілік береді. Дақ диаметрін 0,2нм аспайтындай өлшемге келтіруге болады. Трансмиссионды сканерлік электрондық микроскопта детектор болмайды. Сканерлік туннельдік электрондық микроскопта электрлік линзаның орнына магниттік линза болады. Жарықтандырушы электрондық микроскоп – ультра жіңішке үлгідегі суретке электрондық шоқтың әрекеттесуі нәтижесінде немесе үлгідегі затты магнитті линзалармен үлкейту арқылы және флуорсценциялы қалқада тіркеумен жүзеге асатын жабдық. Жарықтандырушы электрондық микроскопты ең алғаш неміс инженері Макс Кнолл және Эрнст Русскпен 1931 жылы 9 наурызда ойлап тапқан. Бірінші практикалық электрондық микроскопты Альберт Пребус және Дж. Хиллиер Торонто университетінде 1938 жылы құрастырып шығарған.Жарықтандырушы электрондық микроскоп - әр түрлі материалдар дың құрылымын талдау үшін тиімді қолданып жатыр: Металлдарды, балқымаларды, керамиканы, полимерлерді, нанотрубкаларды, наноқұрылымдарды, фуллерендерді, көп қабатты нәзік қабыршақтарды, әр түрлі биологиялық объекттерді зерттеуге мүмкіндік береді. ПЭМ – де жарықталыну жүйесі электрондық шоқтан және екі линзалы конденсатордан тұрады. Конденсатор сәулелену ағынының интенсивтілігін қадағалайды. Электрондық атқылаушы катодтан,( W немесе LaB₆ қызған сым), тесігі бар пластинкасы бар анодтан тұрады. Анодпен катод арасында үдемелі кернеуі бар өте күшті электрлік өрісі бар. Жылдамдығы өскен сайын толқын ұзындығы кемиді, сондай – ақ электронның массасы өзгереді(l=h/mv, l=h(2meU)^-1/2). Ал бұл дегеніміз оптикалық жүйенің рұқсат етілген дифракциялық шегінің артады деген сөз. Үдемелі кернеудің артуы электронның енгіш қасиетін арттырады. Анод тесігі арқылы өткен электрон шоғы конденсаторға және юстировкалаушы конденсаторға өтеді.Онда ең соңғы рет зерттелетін объектіге электрон шоғы түседі.Электрон объектіден өткеннен соң шашырайды. Оның фокусталуы және экранда бірінші бейнені алу линзалар жүйесі арқылы іске асады. (объективті, аралық және т.б.) Аппретуралық диафрагма зерттелетін объектіден өткен электрондардың арасынан ең күшті шашырағанын, не болмаса мүлде шашырамағанды, не аз шашыраған электронды таңдауға мүмкіндік береді.Оны алатын суреттен байқауға болады. Сурет фотопластинкаға немесе фотопленкаға түсіріледі. Қазірде сандық фотокамера және сандық видеокамералар қолданылады. Жарықтандырғыш электронды микросокоптың құрылысы: 1- катод,2- фокусталушы электрод,3- анод, 4- бірінші конденсор, 5- бірінші конденсордың диафрагмасы ,6 - екінші конденсор,7- екінші конденсордың диафрагмасы ,8- екінші конденсордың стигматоры 9- юстировканың корректоры,10- зерттелуші объект ,11- объектілердің орны,12- объективті линза,13- апертурлық диафрагма 14- объективті линзаның стигматоры ,15- секторлы диафрагма ,16- аралық линзаның стигматоры ,17- аралық линза ,18- көз бақылауындағы диафрагма ,19 –проекциялық линза ,20– бақыланатын экран. Растрлық электрондық микроскоп (РЭМ) — үлгінің бетіндегі суретті, сонымен қатар құрамы туралы информацияны алуға арналған жоғары (0,4 нанометрге дейін) кеңістіктік рұқсаты бар электронды микроскоп класына жататын қондырғы. Зерттелетін заттың электрондық шоқтарының әсерлесу принципына негізделген. Бұл микроскоп электрондық микроскоптың бір түрі, зерттелетін бетті барлап байқау үшін оны фокусталған электр шоғы арқылы сканерлейді. Суретті қарау үшін әр түрлі сигналдарды детектірлеуді пайдаланады, екінші электрондармен қоса, теріс электондар, рентгендік сәуле шығару және үлгі арқылы өтетін ток қолданылады. Алынатын сигналдың екі өлшемді картасы және беттік жақтың бейнесі болады. Сканирлеуші электрондық микроскоп биік кеңістіктің (0,4 нм дейін) рұқсатымен объектінің бет жағының бейнесін алу үшін қолайлы және құрамы туралы ақпарат береді. Электрондық шоқтардың зерттелетін объектімен өзара әсерлесуіне негізделген. Қазіргі уақытта сканирлейтін электрондық микроскоп үлкен диапозонда 10 краттан 1000000 кратка дейін үлкейтеді. Ол оптикалық микроскопқа қарағанда 500 есе жақсы үлкейтеді. Сканирлейтін электрондық микроскопта электрон шоғы үлгіге бағытталады. Екеуінің әсерлесуі нәтижесінде әлсіз электрондар туындайды. Олар детекторге бағытталады, әр соқтығысуда электрлік сигналдар детектірден шығарда пайда болады. Электрлік белгінің қарқындылығы үлгінің табиғатына байланысты болады. Сомен электрон шоғы арқыла сканирлеуде қараған аймақтың бедерінің картасын алуға болады. Электрондық зеңбіректе жұқа электрондық зонд туындайды, олар электрон көзі болып табылады. Олар электрондық линзалармен фокусталады. Сканирлейтін катушкалар зондтарды екі бағытқа ауытқытады, үлгінің бетін зонд көмегімен сканирлейді. Электрон көздері, электр линзалары және ауытқыту катушкалары электрон бағаналарын құрайды. Сканирлейтін электрондық микроскопты физикада, электроникада, фармацевтикада, медецинада, биологияда және материалтануда қолданады. Оның басты функциясы – зерттелетін үлгінің үлкейтілген бейнесін алу немесе әр түрлi сигналдарда тіркелетін үлгiнiң бейнелерi.

22)Атомды-күш микроскопының құрылысымен жұмысының принципі.Атомды-күшті микроскоптың жұмыс істеу принципі зерттелетін үлгі мен зонд бетінің арасындағы күштік әрекеттесуге негізделген. Зонд ретінде кантилевер деп аталатын серпімді консольдің ұшында орналасқан наноразмерлі өткір ұш (острие) қолданылады. Бет жақтан зондқа әрекет ететін күш, консольдің майысуына әкеледі. Өткір ұштың астында көтеріңкіліктің не төмендіктің пайда болуы зондқа әсер ететін күштің өзгерісіне алып келеді, демек, кантилевердің майысу өлшемінің өзгерісіне де алып келеді. Сол арқылы, майысу өлшемін тіркеу арқылы, бет рельефі туралы қорытынды жасауға болады. Зонд және үлгі арасында Ван-дер-Ваальс күштері жүреді. Алғашында ол күштер тартылыс күштері ал кейін біраз жақындаған соң (зонд пен үлгі) тебіліс күштеріне ауысады. Контилевер және үлгі бетінің арасындағы күштердің сипатына қарай атомды-күштік микроскоптың жұмыс істеу режимдері 3-ке бөлінеді:Контактілі(англ. contact mode);«Жартылайконтактілі» (англ. semi-contact mode или tapping mode); Контактілі емес (англ. non-contact mode). Атомды-күштік микроскоптың контактілі жұмыс режимі: Контилевердің өткір ұшы үлгі және бетпен тікелей контактіде (байланыста) болады. Сканирлеу, қайтымды байланыс жүйесі кантилевердің тұрақты майысу өлшемімен байланысып тұрғанда тұрақты күш режимінде орындалады. Атомды-күштік микроскоптың «жартылайконтактілі» жұмыс режимі: Жартылайконтактілі жұмыс режимінде де кантилевердің ауытқуы туындайды. Ауытқудың төменгі жартылай периодында кантилевер үлгінің бетін жанап өтеді. Мұндай әдіс толық контактілі және толық контактілі емес жұмыс режимдерінің аралық әдісі болып табылады. Атомды-күштік микроскоптың артықшылықтары мен кемшіліктері. Артықшылықтары (растрлы электронды микроскоппен салыстырғанда):Беттің шынайы үшөлшемді бейнесін береді;Ток өткізбейтін беттерді де зерттей алады;Ауада немесе сұйықта жұмыс істей алады;Рұқсат етуі жоғары.Кемшіліктері:Сканирлеу өрісінің размерінің кіші болуы;Бейненің сапасы зондтың қисықтық радиусына тәуелді(егер зондты дұрыс таңдамасақ, бейне анық, сапалы болып шықпайды);Үлгі бетін сканирлеуге көп уақыт жұмсайды.