Войти
Оптические свойства всех жидких и твердых материалов изменяются в зависимости от длины волны света, используемого для их измерения. Это изменение в зависимости от длины волны называется дисперсией оптических свойств. График, созданный путем нанесения интересующего оптического свойства по длине волны, на которой оно измеряется, называется кривой дисперсии.
Окрашивание дисперсией - это аналитический метод, используемый в световой микроскопии, который использует различия в кривой дисперсии показателя преломления неизвестного материала по сравнению со стандартным материалом с известной дисперсией. кривая для идентификации или характеристики этого неизвестного материала. Эти различия проявляются в цвете, когда две дисперсионные кривые пересекаются для некоторой видимой длины волны. Это метод оптического окрашивания, который не требует красителей и красителей для получения цвета. Его основное применение сегодня - подтверждение наличия асбеста в строительных материалах, но у него есть много других применений.
Существует пять основных оптических конфигураций микроскопа, используемых для дисперсионного окрашивания. У каждой конфигурации есть свои преимущества и недостатки. О первых двух из них, дисперсионном окрашивании по линии Беке и наклонном дисперсионном окрашивании, впервые сообщил в США Ф. Э. Райт в 1911 году на основе работы, выполненной О. Машке в Германии в 1870-х годах. Пятью конфигурациями дисперсионного окрашивания являются:
Все эти конфигурации имеют одинаковые требования к приготовлению образец для исследования. Во-первых, интересующее вещество должно находиться в тесном контакте с известным стандартным материалом. Другими словами, чистое твердое вещество должно быть помещено в эталонную жидкость, одна минеральная фаза должна находиться в тесном контакте с эталонной минеральной фазой или гомогенная жидкость должна содержать эталонное твердое вещество. В большинстве случаев твердое тело помещается в эталонную жидкость (называемую монтажной средой). Во-вторых, цвета дисперсии будут присутствовать только в том случае, если два материала имеют одинаковый показатель преломления для некоторой длины волны в видимом спектре (обозначаемый как λo), и у них очень разные кривые дисперсии для показателя преломления. Наконец, образец должен быть правильно помещен под покровное стекло, чтобы минимизировать любой другой оптический эффект, который может затруднить интерпретацию видимого цвета. Как только эти критерии будут выполнены, образец готов к исследованию.
Начальная конфигурация микроскопа для всех этих методов правильно отрегулирована Келеровское освещение. Для каждого метода требуются некоторые дополнительные настройки.
Метод по линии Бекке использует преимущество того факта, что частицы ведут себя в основном как линзы, поскольку они имеют тенденцию быть тоньше по краям, чем они находятся в центре. Если частица имеет более высокий показатель преломления, чем окружающая ее жидкость, тогда она ведет себя как выпуклая линза и фокусирует параллельный луч света на стороне, противоположной источнику света. В микроскоп это видно как яркое световое кольцо, линия Бекке, движущееся от края, когда частица выпадает из фокуса за счет увеличения расстояния между предметным столиком микроскопа и объективом. Если предметный столик перемещается ближе к объективу, частица ведет себя как увеличительное стекло, и изображение линии Бекке увеличивается и появляется вне частицы.
Это цветные линии Бекке стеклянной сферы, которые соответствуют показателю преломления монтажной среды на длине волны 589 нанометров. Требование для этого метода состоит в том, чтобы входящий луч света был как можно более параллельным. Для этого требуется закрытие диафрагмы конденсатора подкачки. Закрытие диафрагмы конденсатора подэтапа снижает разрешение частицы и увеличивает глубину резкости, на которой другие объекты могут мешать наблюдаемому эффекту. Для крупных частиц это не является существенным ограничением, но для мелких частиц это проблема.
При соблюдении условий окрашивания дисперсией (частица помещается в жидкость с соответствующим показателем преломления в видимом диапазоне длин волн, но с очень другим показателем преломления), тогда частица имеет высокий показатель преломления в красная часть спектра и более низкий показатель преломления в синей. Это связано с тем, что жидкости имеют более крутую кривую дисперсии, чем бесцветные твердые вещества. В результате, когда частица выпадает из фокуса, красные волны фокусируются внутрь. Для синих длин волн частица ведет себя как вогнутая линза, а синяя линия Бекке уходит в жидкость.
Цвет этих двух полос света будет варьироваться в зависимости от того, где частица и жидкость совпадают по показателю преломления, местоположению λo. Если совпадение находится рядом с синим концом спектра, тогда линия Беке, движущаяся внутрь частицы, будет содержать почти все видимые длины волн, кроме синего, и будет иметь вид бледно-желтого цвета. Выходящая линия Беке будет очень темно-синей. Если совпадение находится рядом с красным концом спектра, то линия Беке, движущаяся в частицу, будет иметь темно-красный цвет, а выходящая линия Беке будет бледно-синей. Если λo находится около середины видимой длины волны, то линия Бекке, движущаяся внутрь частицы, будет оранжевой, а линия Беке, выходящей наружу, будет небесно-голубой. Видимые цвета (см. Диаграмму 1) могут использоваться для очень точного определения показателя преломления неизвестного или подтверждения идентичности неизвестного, как в случае идентификации асбеста. Примеры этого типа дисперсионного окрашивания и цвета, показанные для различных значений λo, можно увидеть на http://microlabgallery.com/gallery-dsbecke.aspx. Наличие двух цветов помогает определить длину волны, на которой показатели преломления совпадают для двух материалов.
Диаграмма 1: Это цвета дисперсионного окрашивания, связанные с разными совпадающими длинами волн при использовании любого из методов, которые генерируют цветовую пару. Метод дисперсионного окрашивания по линии Беке в основном используется в качестве исследовательской техники. По мере того как поле частицы сканируется и точная фокусировка постоянно регулируется и отмечается вспышка цвета вокруг или внутри частицы, можно использовать один из других методов для повышения чувствительности при определении соответствующей длины волны. Для крупных частиц (более 25 микрометров в диаметре) цветные линии Беке могут быть достаточно отчетливыми, чтобы определить lo с необходимой точностью. Для очень крупных частиц (более 100 микрометров) это может быть лучший метод, поскольку он наименее чувствителен к другим типам оптических помех.
Окрашивание дисперсией при косом освещении является результатом преломления и выпуклой формы большинства частиц. При наклонном освещении луч света, освещающий образец, направляется под косым углом через образец. Это увеличивает разрешение структурных деталей частицы, которые ориентированы под прямым углом к падающему лучу света, в то же время жертвуя некоторой разрешающей способностью элементов, параллельных направлению луча. Благодаря такой ориентации луча становится очевидным относительный показатель преломления частицы и монтажной жидкости. Длины волн, для которых жидкость имеет более высокий показатель преломления, преломляются в переднюю линзу объектива со стороны частицы, ближайшей к стороне, с которой исходит свет. Если частица имеет более высокий показатель преломления для всех видимых длин волн, тогда эта сторона частицы темная. Сторона, наиболее удаленная от источника света, показывает все длины волн, для которых частица имеет более высокий показатель преломления. Эти эффекты видны при резком фокусе частицы. Это значительное преимущество перед методом линий Бекке, поскольку частица не должна расфокусироваться, чтобы видеть цвета, и, как правило, цвета более различимы, чем цвета дисперсии линии Беке. Цвета, наблюдаемые при этом типе дисперсионного окрашивания, примерно такие же, как и при использовании метода линии Бекке, показанного на диаграмме 1. Примеры этого типа дисперсионного окрашивания и цвета, показанные для различных значений λo, можно увидеть на microlabgallery.com сайт компании Becke` Line Dispersion Staining. Наличие двух цветов помогает определить длину волны, на которой показатели преломления совпадают для двух материалов.
Окрашивание дисперсией освещения темного поля является результатом того, что изображение частицы формируется только за счет преломленного света, в то время как весь прямой свет, падающий на образец, ориентирован на под таким углом, что он не попадает в переднюю линзу объектива.
Это цвет, отображаемый стеклянной сферой, которая соответствует показателю преломления монтажной среды на длине волны 589 нанометров при использовании окрашивания дисперсией темного поля. В результате фон становится черным. Все характеристики объектов в поле зрения, которые не соответствуют показателю преломления монтажной среды, отображаются как ярко-белые. Когда частица помещается в жидкость, которая соответствует ее показателю преломления где-то в видимом диапазоне длин волн, тогда частицы этих длин волн не преломляются частицей и не собираются объективом. Изображение объекта формируется всеми оставшимися длинами волн. Эти длины волн объединяются для получения единого цвета, который можно использовать, чтобы указать, какая полоса длин волн отсутствует (см. Диаграмму 2). Примеры этого типа дисперсионного окрашивания и цвета, показанные для различных значений λo, можно увидеть на сайте microlabgallery.com для Darkfield Dispersion Staining. Этот метод сложнее интерпретировать из-за одного цвета, чем из-за двух брекетинговых цветов, но он относительно точен вблизи центра видимого диапазона.
Диаграмма 2: Это цвета окрашивания дисперсией, связанные с разными λo при использовании любого из методов, которые генерируют один цвет. Окрашивание дисперсией фазового контраста требует наличия фазового контраста Чтобы увидеть эффект, можно использовать объектив с соответствующим фазовым кольцом в конденсаторе подэтапа. Он использует тот факт, что лучи света, которые не сдвинуты по фазе из-за присутствия объекта, отделяются от сдвинутых по фазе лучей в задней фокальной плоскости объектива.
Это цвета, показанные стеклянной сферой, которая соответствует показателю преломления монтажной среды на длине волны 589 нанометров при использовании окрашивания дисперсией фазового контраста. Эти незатронутые лучи затем значительно уменьшаются по интенсивности. С «Положительным фазовым контрастом» частица кажется окрашенной в зависимости от длины волны, для которой монтажная среда имеет более высокий показатель преломления. Из-за физического размера фазовой пластинки и ее изображения на задней фокальной плоскости объектива, где она модифицируется, вокруг частицы образуется ореол. Этот ореол приобретает цвет комбинированных длин волн, для которых частица имеет более высокий показатель преломления. Цвета, наблюдаемые при этом типе окрашивания дисперсией, примерно такие же, как при использовании метода линии Бекке, показанного на диаграмме 1. Примеры этого типа окрашивания дисперсией и цвета, показанные для различных значений λo, можно увидеть в микролабаритной галерее . com, посвященный окрашиванию дисперсией фазового контраста. Наличие двух цветов помогает определить длину волны, на которой показатели преломления совпадают для двух материалов.
Окрашивание дисперсией для остановки объектива использует тот факт, что весь свет, не измененный присутствием частиц в поле зрения, фокусируется в задней фокальной плоскости объектива. Если диафрагма конденсатора подэтапа закрыта, то весь прямой свет фокусируется в небольшое изображение отверстия в диафрагме конденсатора подэтапа в задней фокальной плоскости объектива. Если в этом месте установлен непрозрачный упор, то весь прямой свет блокируется, и изображение частицы создается за счет длин волн, на которых частицы и закрепляющая жидкость не совпадают. Эти цвета в основном такие же, как цвета, наблюдаемые при окрашивании дисперсией темного поля. Двойное отверстие этого метода усиливает цветовой эффект, но также снижает разрешение частиц. В полях зрения, где частицы могут быть уложены друг на друга или очень близко друг к другу, может быть трудно быть уверенным, какая мелкая частица действительно дает цвет. Примеры этого типа дисперсионного окрашивания и цвета, показанные для различных значений λo, можно увидеть на сайте microlabgallery.com в разделе Objective Stop Dispersion Staining. Этот метод сложнее интерпретировать из-за одного цвета, чем из-за двух брекетинговых цветов, но он относительно точен вблизи центра видимого диапазона.
Исаак Ньютон продемонстрировал, что «белый» свет на самом деле состоит из множества разных «простых» цветов и что материалы имеют разные оптические свойства в зависимости от того, какой из простых цветов использовался для измерить их. Он продемонстрировал эти факты с помощью серии экспериментов с использованием одной или нескольких призм. Различие в оптических свойствах материалов в зависимости от «простых» или монохроматических цветов света называется дисперсией. Он также был первым, кто заметил, что разные материалы обладают разными дисперсионными свойствами. «Сернистые» жидкости (органические жидкости) имели более высокий показатель преломления , чем ожидалось, исходя из их удельного веса, и имели более крутую кривую дисперсии, чем большинство твердых веществ. Чтобы эти хорошо задокументированные наблюдения стали аналитическим методом, потребовалось чуть более двух столетий.
Первая статья, в которой описываются эффекты дисперсии, наблюдаемые в микроскоп, была написана в 1872 году О. Машке в Германии. В этой статье обсуждалось появление цветных линий Бекке, когда частица находилась в жидкости с соответствующим показателем преломления. До этой статьи эти цвета считались результатом линз микроскопа (хроматическая аберрация), а не результатом объекта, установленного на предметном стекле, и среды, в которой он был установлен. В 1884 и 1895 годах Кристиан Кристиансен опубликовал свои данные о первом аналитическом применении дисперсионных цветов, фильтре Кристиансена. Он обнаружил, что, поместив бесцветный прозрачный порошок во флакон с бесцветной органической жидкостью, он мог создать монохроматический свет из белого света, если бы жидкость и порошок имели одинаковый показатель преломления только для этой длины волны. Только на этой длине волны можно увидеть оптически однородную среду и пройти непосредственно через флакон. Волны других длин будут рассеиваться во всех направлениях частицами жидкости. Монохроматический свет можно было увидеть, если смотреть через пузырек по пути прямого луча света. При любом другом угле наблюдался бы дополнительный цвет этой длины волны. Если он выбрал жидкость, которая соответствовала показателю преломления порошка на далекой красной длине волны 700 нанометров, он мог бы создать любую другую длину волны, нагревая флакон, тем самым изменяя длину волны, на которой совпадают показатели преломления порошка и жидкости. Этот метод не работал ни с порошком, ни с жидкостью. Для получения оптимальных эффектов порошок и жидкость должны быть тщательно отобраны так, чтобы пересечение их дисперсионных кривых создавало как можно больший угол во всем диапазоне видимых длин волн. Кристиансен интересовался созданием монохроматических фильтров, а не развитием аналитической техники. Лишь в 1911 году Ф. Э. Райт сообщил об аналитическом потенциале эффектов дисперсии. Он заметил, что цветные линии Беке, отмеченные Машке, можно использовать для различения двух материалов с одинаковым показателем преломления, но разными кривыми дисперсии. Цвета также могут указывать на область спектра видимого света, для которой частица и жидкость, в которую она помещена, имеют совпадение показателя преломления. Райт также отметил, что при использовании косого проходящего освещения частица будет показывать эти цвета без необходимости проверять линию Бекке.
В технической литературе до 1948 г. не было дополнительных обсуждений эффектов дисперсии. В том же году С.К. Кроссмон, Н.Б. Додж и соавторы Р.К. Эммонс и Р.Н. Гейтс написали статьи об использовании эффектов дисперсии с помощью микроскопа для характеристики частицы. Кроссмон, кажется, ввел термин «дисперсионное окрашивание» для обозначения любой оптической техники, которая использовала «эффект Кристиансена» для получения цвета на изображении бесцветных частиц. Он продемонстрировал использование методов окрашивания методом линии Беке, косого освещения, темного поля и фазово-контрастной дисперсии. С того времени S.C. Crossmon и W.C. McCrone опубликовали многочисленные статьи об использовании методов окрашивания с остановкой дисперсии в задней фокальной плоскости. Ю. А. Черкасов опубликовал прекрасную статью по этой теме в 1958 году, а в 1960 году она была переведена на английский язык. С 1950 года написано более 100 статей о различных методах дисперсионного окрашивания и их применении, причем большинство из них - с 1960 года.
Несмотря на ранние работы над этой техникой, только в 1950-х годах она стала широко известной среди микроскопистов. В настоящее время он признан мощным инструментом для определения характеристик материалов и обнаружения загрязнителей низкого уровня. Он продемонстрировал чувствительность к загрязняющим частицам в порошках вплоть до миллионных долей.
Дисперсия показателя преломления является фундаментальным свойством вещества. Это можно рассматривать как результат относительной близости частот гармоник электронов внешней оболочки в соединении к частотам видимого света. Гармоническая частота связывающего электрона является результатом энергии этой связи. Если связь очень прочная, частота будет очень высокой. Чем выше частота, тем меньшее влияние на показатель преломления окажет разница в частотах от синего до красного. Для связей с относительно высокой энергией в большинстве неорганических твердых тел это означает, что их показатели преломления очень мало изменяются в видимом диапазоне частот. С другой стороны, показатели преломления органических соединений с их более низкой энергией связи значительно изменяются в видимом диапазоне. Эта разница в дисперсии лежит в основе эффекта Кристиансена и методов дисперсионного окрашивания.
Браун, К. М. и У. К. Маккроун, «Дисперсионное окрашивание», МИКРОСКОП, Vol. 13, с. 311 и т. 14, с. 39, 1963.
Черкасов Ю. А., «Применение« фокального скрининга »для измерения показателей преломления иммерсионным методом», Trans. Ивана Миттина, МЕЖДУНАРОДНЫЙ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЗОР, т. 2, pp. 218–235, 1960.
Crossmon, G.C. «Микроскопическое распределение корунда среди его природных и искусственных ассоциатов», ANALYTICAL CHEMISTRY, Vol. 20, No. 10, 1948.
Crossmon, G.C., «Метод« дисперсионного окрашивания »для селективного окрашивания тканей». STAIN TECHNOLOGY, Vol. 24, pp. 61-65, 1949.
Кроссмон, Г.С., «Дисперсионная окрашивающая микроскопия в применении к промышленной гигиене», AMERICAN INDUSTRIAL HYGIENE QUARTERLY, Vol. 18, No. 4, pp. 341, 1957.
Crutcher, ER, «Роль световой микроскопии в аэрокосмических аналитических лабораториях», ТРУДЫ ДЕВЯТОГО СИМПОЗИУМА ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ КОСМИЧЕСКОГО МОДУЛЯ, 1977.
Крутчер, Е.Р., «Оптическая микроскопия: важный инструмент для распределения источников рецепторов твердых частиц», ПРОЦЕДУРЫ АССОЦИАЦИИ ПО КОНТРОЛЮ ЗА ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ВОЗДУХА, стр. 266–284, 1981.
Додж, Нельсон Б., «Темное поле» метод цветного погружения », АМЕРИКАНСКИЙ МИНЕРАЛОГ, т. 33, pp. 541–549, 1948
Emmons, R.C. и Р. М. Гейтс, «Использование цветов линий Беке в определении показателя преломления», AMERICAN MINERALOGIST, vol. 33, pp. 612–619, 1948
Hoidale, Glen B., «Цветовая идентификация прозрачных кристаллических частиц с помощью оптического микроскопа: обзор литературы по окрашиванию дисперсией», US ARMY MICROFICHE, AD 603 019, 1964.
Кольбек, Дж. А. и У. Т. Боллетер, «Микроскопическое определение степени нитрования нитроцеллюлозы с дисперсионным окрашиванием», JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE, том 12, № 1, стр. 131–135, 1968.
Ласковски, Томас Э.. и Дэвид М. Скотфорд, «Быстрое определение состава оливина в шлифе с использованием методологии дисперсионного окрашивания», AMERICAN MINERALOGIST, т. 65, pp. 401–403, 1980 (доступно в Интернете по адресу http://www.minsocam.org/ammin/AM65/AM65_401.pdf )
McCrone, Walter C., «Dispersion Staining», AMERICAN LABORATORY, декабрь 1983 г.
МакКрон, Уолтер С. и Джон Густав Делли, Атлас частиц, Ann Arbor Scientific Publishers, Inc., Анн-Арбор, Мичиган, 1973 г.
Newton, Isaac, OPTICKS, Dover Publications, переиздание 4-го издания книги Ньютона 1704 г., 1979
Шмидт, К.О., «Фазово-контрастная микроскопия и дисперсионное окрашивание», STAUB, Vol. 18, 1958.
Спейт, Ричард Г., «Альтернативная техника окрашивания дисперсией», МИКРОСКОП, том 25, 1977 г. Шмидт, К. 8., «Фазово-контрастная микроскопия в лаборатории частиц», Штауб, том 22, 1962.
Су, Шу-Чун, «Дисперсионное окрашивание - универсальное дополнение к методу линии Бекке для определения показателя преломления», GEOCHIMICA ET COSMOCHEMICA ACTA SUPPLEMENT, том 69, выпуск 10, приложение 1, Тезисы конференции Goldschmidt 2005., p.A727, 2005
США Агентство по охране окружающей среды (US-EPA), https://web.archive.org/web/20081217074149/http://www.epa.gov/NE/info/testmethods/pdfs/EPA_600R93116_bulk_asbestos_part1.pdf
Федеральное бюро расследований США (US-FBI), https://web.archive.org/web/20080723155043/http://www.fbi.gov/hq/lab/fsc/backissu/jan2005/standards /2005standards9.htm
Национальный институт охраны труда и здоровья США (US-NIOSH), https://web.archive.org/web/20081007161605/http://www.cdc.gov/niosh /nmam/pdfs/9002.pdf
Управление охраны труда и здоровья США (US-OSHA), https://www.osha.gov/dts/sltc/methods/inorganic/id191/id191.html # sec46
Райт Ф. Э., Методы петрографических и микроскопических исследований. Их относительная точность и сфера применения, Pub. № 158, Институт Карнеги, Вашингтон, 1911.
