분산 염색

Dispersion staining

모든 액체 및 고체 물질의 광학 특성은 그것들을 측정하는 데 사용되는 빛의 파장의 함수로 변화합니다.파장의 함수로서의 이러한 변화를 광학 특성의 분산이라고 합니다.대상 광학적 특성을 측정 파장에 따라 플롯하여 생성된 그래프를 분산 곡선이라고 합니다.

분산염색은 광현미경 연구에 사용되는 분석기법으로, 알려진 분산곡선이 있는 표준물질에 대한 미지의 물질의 굴절률의 분산곡선의 차이를 이용하여 미지의 물질을 식별하거나 특징짓습니다.이러한 차이는 두 개의 분산 곡선이 일부 가시 파장 동안 교차할 때 색상으로 나타납니다.이는 광학 염색 기술로 얼룩이나 염료가 필요하지 않습니다.현재는[1][2][3] 건축 자재의 석면 유무를 확인하기 위해 주로 사용되고 있지만, 그 밖에도 많은 [4][5][6][7][8][9]용도가 있습니다.

종류들

분산 염색에 사용되는 현미경에는 5가지 기본적인 광학 구성이 있습니다.각 구성에는 장점과 단점이 있습니다.이 중 첫 번째 두 가지인 베케 선 분산 염색과 사선 분산 염색은 1911년 F. E. 라이트에 의해 미국에서 O의 작업을 바탕으로 처음 보고되었습니다.1870년대 [10]독일의 마슈케.5가지 분산 염색 설정은 다음과 같습니다.

  1. 유색 베케 선분산염색(Maschke[11], 1872; Wright, 1911)
  2. 경사 조명 분산 염색(Write, 1911년)
  3. 다크필드 분산 염색(Crossmon, 1948년)
  4. 위상 대비 분산 염색(Crossmon, 1949년)
  5. 목적 스톱 분산 염색[14](Cherkasov, 1958년)

이러한 구성은 모두 검사할 샘플을 준비하기 위한 동일한 요구 사항을 가지고 있습니다.첫째, 관심 물질은 알려진 기준 물질과 밀접하게 접촉해야 한다.즉, 깨끗한 고형물은 기준액에 장착해야 하며, 1개의 광물상은 기준광물상에 밀접하게 접촉해야 하며, 또는 균질한 액체는 기준고형물을 포함해야 한다.대부분의 용도에는 기준액(장착 매체라고 함)에 장착된 고체가 포함됩니다.둘째, 두 물질이 가시 스펙트럼의 일부 파장(θo라 함)에 대해 굴절률이 같고 굴절률에 대해 분산 곡선이 매우 다른 경우에만 분산 색상이 나타난다.마지막으로, 샘플은 보이는 색상의 해석을 복잡하게 할 수 있는 다른 광학 효과를 최소화하기 위해 커버 슬립 아래에 적절히 장착해야 합니다.이러한 기준이 충족되면 샘플을 검사할 수 있습니다.

이러한 모든 방법에 대한 현미경의 시작 구성은 쾰러 조명을 적절하게 조정합니다.각 방법에 대해 몇 가지 추가 조정이 필요합니다.

Becke' 라인 분산 염색

Becke' Line 방식은 입자가 중심보다 가장자리가 얇아지는 경향이 있기 때문에 기본적으로 렌즈와 같은 행동을 한다는 사실을 이용합니다.입자가 주위의 액체보다 굴절률이 높으면 볼록렌즈로 동작하며 광원 반대편에 평행광선을 집중시킨다.현미경을 통해 보면 밝은 빛의 고리인 베케선이 현미경 단계와 물체 사이의 거리를 늘려 입자가 초점이 맞지 않게 떨어지면서 가장자리에서 이동하는 것으로 보인다.이 단계를 물체에 가깝게 움직이면 입자가 돋보기처럼 행동하고 베케 라인의 이미지가 확대돼 입자 바깥에 나타난다.

589나노미터의 파장에서 부착 매체의 굴절률과 일치하는 유리구체의 유색 베케선이다.

이 방법의 요건은 입사광선이 가능한 한 평행해야 한다는 것입니다.이를 위해서는 하위 단계 콘덴서 조리개를 닫아야 합니다.하위 단계 콘덴서 조리개를 닫으면 입자의 분해능이 감소하고 다른 물체가 보이는 효과를 방해할 수 있는 자기장 깊이가 증가합니다.큰 입자의 경우 이는 큰 제한이 아니지만 작은 입자의 경우 문제가 됩니다.

분산염색조건(입자는 가시파장 범위에서는 굴절률이 일치하지만 굴절률이 매우 다른 액체에 장착됨)이 충족되면 스펙트럼의 빨간색 부분은 굴절률이 높고 파란색 부분은 굴절률이 낮다.이것은 액체가 무색 고체보다 더 가파른 분산 곡선을 갖는 경향이 있기 때문입니다.그 결과, 입자가 초점으로부터 떨어지면, 적색 파장은 안쪽으로 집속된다.파란색 파장은 입자가 오목렌즈처럼 작용하고 파란색 베케선은 액체 속으로 이동한다.

이 두 빛의 띠의 색상은 입자와 액체가 굴절률에서 일치하는 위치, 즉 µo의 위치에 따라 달라집니다.일치하는 부분이 스펙트럼의 파란색 끝 부근에 있으면 입자로 이동하는 베케 선은 파란색을 제외한 거의 모든 가시 파장을 포함하고 옅은 노란색으로 나타납니다.베케 라인이 이탈하면 매우 짙은 파란색으로 보일 것이다.스펙트럼의 적색 끝 부근에서 일치하면 입자로 이동하는 베케 라인은 진한 빨간색으로, 나가는 베케 라인은 연한 파란색으로 나타난다.αo가 가시 파장의 중간 부근에 있으면 입자로 들어가는 베케선은 주황색이고 나가는 베케선은 하늘색이다.보이는 색상(그림 1 참조)은 석면 식별의 경우처럼 미지의 굴절률을 매우 정밀하게 결정하거나 미지의 정체를 확인하는 데 사용할 수 있다.이런 종류의 분산염색 및 다양한 λO에 대해 표시되는 색상의 예는 http://microlabgallery.com/gallery-dsbecke.aspx 에서 확인할 수 있습니다.두 가지 색상이 있으면 두 재료의 굴절률이 일치하는 파장을 구분하는 데 도움이 됩니다.

그림 1: 색상 쌍을 생성하는 방법 중 하나를 사용할 때 서로 다른 일치하는 파장과 관련된 분산 염색 색상입니다.

Becke' Line 분산 염색 방법은 주로 탐색 기법으로 사용됩니다.입자장이 주사되어 미세초점이 항상 조정되고 입자 주변 또는 입자 내 색상의 섬광이 주목되며, 다른 방법 중 하나를 사용하여 일치 파장을 결정할 때 감도를 향상시킬 수 있다.큰 입자(지름 25마이크로미터 이상)의 경우, 필요한 정밀도로 lo를 결정하기에 충분한 색상의 Becke' 라인이 있을 수 있다.매우 큰 입자(100마이크로미터 이상)의 경우 다른 유형의 광학 간섭에 가장 민감하지 않기 때문에 이 방법이 가장 좋습니다.

사선 조명 분산 염색

경사 조명 분산 얼룩은 대부분의 입자의 굴절과 볼록한 형상의 결과입니다.비스듬한 조명에서는 샘플을 비추는 빛의 빔이 샘플을 통과하는 비스듬한 각도로 향합니다.이로 인해 입사 광선에 대해 직각으로 방향을 잡은 입자 내 구조 상세 분해능이 향상되고 광선의 방향에 평행한 특징의 분해능이 일부 희생됩니다.빔의 이 방향에 의해 입자와 실장액의 상대 굴절률이 명확해집니다.액체가 높은 굴절률을 갖는 파장은 빛이 나오는 쪽에서 가장 가까운 입자의 측면에서 물체의 전면 렌즈로 굴절됩니다.입자가 모든 가시 파장에 대해 더 높은 굴절률을 갖는다면 입자의 이쪽이 어둡습니다.빛의 근원에서 가장 먼 쪽은 입자가 굴절률이 높은 모든 파장을 나타냅니다.이러한 효과는 입자의 초점이 날카롭게 맞춰질 때 나타난다.이는 입자가 디포커스(defocus)를 하지 않아도 색을 볼 수 있고 일반적으로 베케 선분산색보다 색상이 더 뚜렷하기 때문에 베케 선분산법에 비해 큰 장점이다.이러한 분산염색에서 볼 수 있는 색상은 표 1의 Becke' Line 방식과 거의 같다.이러한 분산 염색의 예와 다른 µo에 대해 표시된 색상은 microlabgallery.com의 Becke' Line Distribution Staining 사이트에서 확인할 수 있습니다.두 가지 색상이 있으면 두 재료의 굴절률이 일치하는 파장을 구분하는 데 도움이 됩니다.

다크필드 조명 분산 염색

주요 기사:암시야 현미경법

다크필드 조명 분산 염색은 시료에 직접 입사하는 모든 빛이 대상물의 전면 렌즈를 놓치는 각도로 방향을 잡으면서 굴절되는 빛에 의해서만 입자의 이미지가 형성되는 결과입니다.

이는 다크필드 분산염색을 사용할 때 589나노미터 파장에서 장착매체의 굴절률과 일치하는 유리구체로 나타나는 색이다.

그 결과 배경이 검은색입니다.장착 매체의 굴절률과 일치하지 않는 시야 내 물체의 특징은 모두 밝은 흰색으로 나타납니다.입자가 눈에 보이는 파장의 어딘가에 굴절률과 일치하는 액체에 장착될 때, 그 파장은 입자에 의해 굴절되지 않고 물체에 의해 수집되지 않는다.그 물체의 이미지는 남아있는 모든 파장에 의해 형성된다.이러한 파장이 결합되어 단일 색상을 생성하며, 이는 누락된 파장의 대역을 나타내는 데 사용할 수 있습니다(그림 2 참조).이러한 분산 염색의 예와 다양한 µo에 대해 표시되는 색상은 microlabgallery.com의 Darkfield 분산 염색 사이트에서 확인할 수 있습니다.이 방법은 두 가지 색상보다는 단일 색상 때문에 해석이 더 어렵지만 가시 범위 중앙 부근에서는 비교적 정확합니다.

그림 2: 단일 색상을 생성하는 방법 중 하나를 사용할 때 서로 다른 oO와 관련된 분산 염색 색상입니다.

위상 대비 분산 염색

주요 기사:위상 대비 현미경법

위상 대비 분산 염색은 효과를 보기 위해 서브스테이지 콘덴서 내의 적절한 위상환과의 위상 대비 목표를 사용해야 합니다.물체의 존재에 의해 위상이 어긋나지 않는 광선이 물체의 배면 초점 평면에서 위상이 어긋난 광선과 분리되는 것을 이용한다.

상조영 분산염색을 사용할 때 589나노미터의 파장에서 실장매체의 굴절률과 일치하는 유리구체로 나타나는 색상이다.

이 영향을 받지 않는 광선의 강도는 현저하게 감소한다."양상 대비"를 사용하면 장착 매체가 굴절률이 높은 기여 파장에서 입자가 착색됩니다.위상판의 물리적인 크기 및 그 상이 수정되는 대상물의 후면 초점면에 있기 때문에 입자 주위에 후광이 형성된다.이 후광은 입자가 굴절률이 높은 결합 파장의 색을 띠게 됩니다.이러한 분산염색에서 볼 수 있는 색상은 표 1의 Becke' Line 방식과 거의 같다.이러한 분산 염색의 예와 다양한 µo에 대해 표시되는 색상은 microlabgallery.com 사이트에서 확인할 수 있습니다.두 가지 색상이 있으면 두 재료의 굴절률이 일치하는 파장을 구분하는 데 도움이 됩니다.

목표 정지 분산 염색

목적 정지 분산 염색은 시야에 입자의 존재에 의해 변경되지 않은 모든 빛이 목적의 후면 초점 평면에 집중된다는 사실을 이용한다.서브스테이지 콘덴서 조리개가 닫히면 모든 직접광은 서브스테이지 콘덴서 조리개 구멍의 작은 이미지로 대상물의 후면 초점 평면에 집속됩니다.그 위치에 불투명 스톱이 있으면 모든 직접광을 차단하고 입자와 실장액이 일치하지 않는 파장으로 입자의 화상을 형성한다.이러한 색상은 기본적으로 다크필드 분산 염색 사용 시 나타나는 색상과 동일합니다.이 방법의 이중 개구부는 색 효과를 향상시키지만 입자의 분해능도 희생시킵니다.입자가 쌓이거나 매우 근접한 시야에서는 실제로 어떤 작은 입자가 색을 생성하는지 확인하기 어려울 수 있습니다.이러한 분산 염색의 예와 다양한 µo에 대해 표시된 색상은 microlabgallery.com 사이트에서 Objective Stop Distribution Staining에 대해 확인할 수 있습니다.이 방법은 두 가지 색상보다는 단일 색상 때문에 해석이 더 어렵지만 가시 범위 중앙 부근에서는 비교적 정확합니다.

역사적 발전

아이작 뉴턴은 "하얀" 빛은 실제로 많은 다른 "단순한" 색들로 구성되었고 물질들은 그것들을 측정하기 위해 사용되는 단순한 색들에 따라 다른 광학 특성을 가지고 있다는 것을 증명했습니다.그는 하나 이상의 [15]프리즘을 이용한 일련의 실험을 통해 이러한 사실을 증명했다.빛의 "단순" 또는 단색 색상의 함수로서의 재료의 광학 특성 차이는 분산이라고 불립니다.그는 또한 물질마다 분산 특성이 다르다는 것을 처음으로 주목한 사람이기도 했다."황" 액체(유기 액체)는 비중으로 인해 예상보다 높은 굴절률을 보였으며 대부분의 고체보다 더 가파른 분산 곡선을 보였다.이러한 잘 문서화된 관찰이 분석 기법이 되기까지는 불과 2세기 이상이 걸릴 것이다.

현미경을 통해 본 분산 효과를 기록한 최초의 논문은 1872년 O에 의해 작성되었다.독일의 [16]마슈케.이 논문은 입자가 굴절률에 맞는 액체 속에 있을 때 색상의 베케 선이 나타나는 현상을 연구했다.이 논문 이전에는 이러한 색상은 현미경 렌즈(색수차)의 결과로 생각되었으며 슬라이드 장착 피사체 및 장착 매체의 결과가 아니었다.1884년과 1895년에 Christiansen은 분산 색상의 첫 번째 분석적 응용인 Christiansen 필터에 대한 데이터를 발표했습니다.그는 무색 유기 액체의 병에 무색 투명 분말을 넣음으로써 액체와 가루가 그 파장만큼 굴절률이 같다면 백색 빛에서 단색 빛을 낼 수 있다는 것을 발견했다.이 파장만이 광학적으로 균일한 미디어를 보고 바이알을 직접 통과합니다.다른 파장은 액체 속의 입자에 의해 모든 방향으로 산란될 것이다.단색 빛은 직접 광선의 경로를 따라 바이알을 통해 볼 수 있었다.다른 각도에서 그 파장의 보색은 관찰될 것이다.원적색 700나노 파장의 분말 굴절률에 맞는 액체를 선택하면 바이알을 가열해 다른 파장을 만들어 분말과 액체의 굴절률이 일치하는 파장을 바꿀 수 있다.이 기술은 어떤 가루나 액체에도 효과가 없었습니다.최적의 효과를 얻으려면 분말과 액체를 신중하게 선택해야 하며, 분산 곡선의 교차점이 가시 파장의 전체 범위에 걸쳐 가능한 한 큰 각도를 형성해야 했습니다.Christiansen의 관심은 분석 기술의 개발이 아니라 단색 필터의 생성에 있었다.1911년이 되어서야 F. E.[17] 라이트에 의해 분산 효과의 분석 잠재력이 보고되었습니다.그는 매슈케가 언급한 색상의 베케 선을 이용해 굴절률은 같지만 분산 곡선이 다른 두 물질을 구별할 수 있다고 말했다.또한 색상은 입자와 입자가 장착된 액체가 굴절률이 일치한 가시광선 스펙트럼의 영역을 나타낼 수 있다.라이트는 또 비스듬히 투과된 조명을 사용하면 베케 라인을 조사할 필요 없이 입자가 이러한 색을 나타낼 수 있다고 말했다.

기술 문헌은 1948년까지 분산 효과에 대한 추가적인 논의가 거의 없었다.그 해에 S. C. 크로스몬, N. B. 닷지, 그리고 공동 저자인 R. C. 에몬스와 R. N. 게이츠는 모두 [18][19][20]입자를 특징짓기 위해 현미경을 통한 분산 효과의 사용에 관한 논문을 썼다.크로스몬은 "크리스천 효과"를 사용하여 무색 [21]입자의 이미지에서 색을 내는 광학 기술로 "분산 염색"이라는 용어를 만든 것으로 보인다.그는 베케 라인, 사선 조명, 다크필드, 위상 대비 분산 염색법을 시연했다.S. C. Crossmon과 W. C. McCrone은 그 이후로 객관적인 역초점 평면 정지 분산 염색 기술의 사용에 관한 수많은 논문을 발표했다.Yu. A. Cherkasov는 1958년에 이 주제에 대한 훌륭한 논문을 발표했고 [22]1960년에 영어로 번역되었다.분산 염색의 다양한 방법과 그 적용에 관한 100개가 넘는 논문이 1950년 이후, 그리고 1960년 이후 대부분에 대해 쓰여졌습니다.

이 기술에 대한 초기 연구에도 불구하고, 1950년대에 이르러서야 현미경 과학자들 사이에서 널리 알려지게 되었다.이것은 현재 재료의 특성화 및 저준위 오염물질 검출에 있어 강력한 도구로 인식되고 있습니다.그것은 분말의 입자 오염물질에 대한 민감도를 PPM까지 증명했다.

굴절률의 분산은 물질의 기본적인 특성이다.이는 화합물 내 외부 껍질 전자의 고조파 주파수와 가시광선 주파수의 상대적 근접성의 결과로 생각될 수 있다.결합 전자의 고조파 주파수는 결합 에너지의 결과입니다.결합이 매우 강하면 주파수가 매우 높아집니다.주파수가 높을수록 파란색에서 빨간색까지의 주파수 차이가 굴절률에 미치는 영향은 줄어듭니다.대부분의 무기 고체에서 상대적으로 높은 에너지 결합의 경우, 이는 가시적인 주파수 범위에 걸쳐 굴절률이 거의 변하지 않음을 의미합니다.반면 유기화합물의 굴절률은 낮은 결합에너지와 함께 가시 범위에 따라 크게 변화한다.분산의 차이는 크리스티안센 효과와 분산 염색법의 기초가 된다.

주 및 참고 자료

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