VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V  PRAZEFakulta chemické technologie

Ústav skla a keramiky

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Vypracoval/a/: MARTINA ŘEHOŘOVÁ

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Jan Macháček, Ph.D.

Studijní program: Syntéza a výroba léčivStudijní obor: Syntéza a výroba léčiv

Rok: 2013

Mikroskopie porézní keramiky pro zářiče 137Cs

TUTO STRANU NAHRADIT ZADANÍM BAKALÁŘSKÉ PRÁCE

PROHLÁŠENÍ

Tato bakalářská práce byla vypracována na Ústavu skla a keramiky Vysoké školy chemicko-technologické v Praze v období únor-červenec 2013.

Prohlašuji, že jsem tuto práci vypracoval(a) samostatně. Veškeré literární prameny a informace, které jsem v práci využil(a), jsou uvedeny v seznamu použité literatury.

Byl(a) jsem seznámen(a) s tím, že se na moji práci vztahují práva a povinnosti vyplývající ze zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), zejména se skutečností, že Vysoká škola chemicko-technologická v Praze má právo na uzavření licenční smlouvy o užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona, a s tím, že pokud dojde k užití této práce mnou nebo bude poskytnuta licence o užití jinému subjektu, je Vysoká škola chemicko-technologická v Praze oprávněna ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, které na vytvoření díla vynaložila, a to podle okolností až do jejich skutečné výše.

Souhlasím se zveřejněním své práce podle zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách, ve znění pozdějších předpisů.

V Praze dne …………………

SOUHRN

SUMMARY

Summary in english

PODĚKOVÁNÍ

případné poděkování. Pokud není, stranu vynechat.

OBSAH

1. ÚVOD.........................................................................................................................2. LITERÁRNÍ ČÁST....................................................................................................

2.1 Keramické nosiče2.1.1 Složení a příprava keramických nosičů

2.2 Příprava vzorků pro mikroskopickou analýzu2.2.1 Nábrusy

2.2.1.1 Porozita2.2.1.2 Impregnace2.2.1.3 Řezání2.2.1.4 Broušení, leštění

2.2.2 Výbrusy2.3 Mikroskopie

2.3.1 Fluorescenční mikroskopie2.3.2 Skenovací elektronová mikroskopie

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST3.1 Další použité metody

3.1.1 Ultrazvukové čištění3.2 Použité chemikálie3.3 Použité přístroje

3.3.1 Aparatura na vakuovou impregnaci3.3.2 Rotační vývěva3.3.3 Manometr3.3.4 Kotoučová pila3.3.5 Kotouče na broušení a leštění3.3.6 Mikroskopy3.3.7 UV osvětlení

3.4 Příprava vzorků pro mikroskopii3.4.1 Značení vzorků3.4.2 Vakuová impregnace3.4.3 Řezání3.4.4 Broušení, leštění, čištění

4. VÝSLEDKY A DISKUZE.....................................................................................235. ZÁVĚR...................................................................................................................326. LITERATURA.......................................................................................................33

1. ÚVOD

Optická mikroskopie je jednou z analytických metod, které jsou používány pro

pozorování studium struktury materiálů. I přes to, že to není metoda nejnovější, je stále velmi

často používaná, protože poskytuje vizuální informaci, která pro člověka přirozená. Díky

různým podmínkámpokročilým technikám mikroskopování, které jsou vždy voleny s ohledem

na to, co je cílem práce a jaký materiál je předmětem analýzy, je možné dostat mnoho

kvalitativně různých zobrazení, např. využitím polarizovaného světla, interferenčního

kontrastu, fluorescence či temného polevýsledků.

Aby byly výsledky analýzy reprezentativní, je třeba vzorek nejprve upravit. Proces

úpravy zahrnuje řezání, broušení a leštění. [6] Chceme-li takto upravovat křehký, tedy vysoce

porézní materiál, je nutné ho nejprve zpevnit, aby během úpravy nedošlo k jeho

znehodnocení. [6] Zpevňování materiálu je prováděno metodou impregnace. Jako

impregnační médium se nejčastěji používají epoxydové pryskyřice. V některých případech lze

v rámci zefektivnění použít i impregnaci vakuovou. [6] Impregnace nemusí sloužit jen ke

zpevnění. Pokud je impregnační médium obarveno speciálním barvivem, lze této metody

využít i při barvení pórů a trhlin ve vzorkuů. [6]

Jeden z úkolů této práce je sestavení aparatury pro vakuovou impregnaci. Je třeba

sestavit takovou aparaturu, která vyhovuje požadavkům vzorků, které jsou velmi porézní a je

třeba je před samotnou impregnací dostatečně odvzdušnit.

Hlavními cílem práce je provedení mikroskopického rozboru porézní keramiky pro

zářiče 137 Csi. K tomu je třeba práce jsou:

-ověřit, zda distribuce póru záleží na rychlosti extruze, při které byly vzorky taženy

-určit celkovou porozitu a porovnat ji s již naměřenou hodnotou zdánlivé porozity

69,85% [1]

-zjistit, zda existuje rozdíl ve velikosti a tvaru pórů v závislosti na jejich poloze v

extrudovaném tělese.

Důležitým dílčím úkolem Jeden z úkolů této práce je sestavení aparatury pro

vakuovou impregnaci. Je třeba sestavit takovou aparaturu, která vyhovuje požadavkům

vzorků, které jsou velmi porézní a je třeba je před samotnou impregnací dostatečně

odvzdušnit.

2. LITERÁRNÍ ČÁST

2.1. Keramické nosiče

Předmětem této bakalářské práce je mikroskopie porézní keramiky pro zářiče 137Cs.

Tyto zářiče nalézají uplatnění především v medicíně, a to při radioterapeutické technice, která

se nazývá brachyterapie. Tato technika využívá záření na krátkou, až velmi krátkou

vzdálenost. Proto se zářiče aplikují buď přímo do nádoru, nebo do jeho těsné blízkosti. Tím se

do napadené tkáně dostane maximální dávka záření a zároveň se chrání okolní zdravá tkáň, a

tím i celý organismus. [2], [3]

Jako zdroj záření se používá radioaktivní izotop 137Cs. Cesium je měkký, stříbrno-

šedý kov. Cesium se a v přírodě se vyskytuje v minerálu pollucit jako izotop 133Cs. Všechny

ostatní izotopy jsou připravovány uměle. Izotop 137Cs se získává jako vedlejší produkt při

štěpení v jaderných reaktorech. Po chemickém oddělení z vyhořelého paliva se zpracovává do

formy krystalické soli dusičnanu cesného nebo chloridu cesného. 137Cs má poločas rozpadu

30,17 let. [1]

2.1.1. Složení a příprava keramiky pro zářiče 137 Cs

Podle stávající technologie je kKeramické těsto je připravováno z porcelánové hmoty

C 130, destilované vody a pórotvorného činidla. [1] Chemické složení porcelánové hmoty,

která byla poskytnuta firmou Eckert a Ziegler, bylo určeno pomocí rentgenové fluorescenční

spektrometrie v Centrálních laboratořích VŠCHT. Nejvíce je zastoupen oxid hlinitý a oxid

křemičitý. Silně zastoupeny jsou 4 fáze, jedná se o jílovou vysoce kaolinitickou směs se

zvýšeným obsahem čistého korundu a křemene. [17] V diplomové práci Lukáše Kulhavého

[1], která si kladla za cíl zlepšit vlastnosti keramických nosičů, byly [1] jJako pórotvorné

činidlo byly vybrány dva typy škrobů- bramborový a kukuřičný. [1]

Směs byla tažena a krájena na cca 1cm dlouhé válečky, které byly sušeny při teplotě

105°C do konstantní hmotnosti. Následoval výpal v peci při teplotě 700°C po dobu 120 min.

[1]

Sycení dusičnanem cesným se provádí ve specializovaném zařízení. Na nosič se kape

nasycený roztok CsNO3 dokud není zcela nasycen. Poté se přepálí v peci při 500°C. Proces se

opakuje do maximálního nasycení, po kterém následuje finální výpal při 1 200°C. Popis

sycení dusičnanem jde zde uveden jen pro ucelení popisu celého procesu přípravy zářičů 137Cs. [1]

V tabulce 1 je uvedeno složení a střední rychlost toku, při které byly vzorky taženy.

Tabulka 1 Složení a vlastnosti keramických nosičů

porcelánová

hmota C130

bramborový

škrob

kukuřičný

škrob

destilovaná

voda

střední

rychlost toku

[m/s]

vzorek č. 1

C130/B/V-4

2 1,25 - 1,15 2,85e-4

vzorek č. 2

C130/B/V-4

2 1,25 - 1,15 6,94e-4

vzorek č. 3

C130/K/V-4

2 - 1,25 1,15 2,85e-4

vzorek č. 4

C130/K/V-4

2 - 1,25 1,15 6,94e-4

2.2. Příprava vzorků pro mikroskopickou analýzu obecně

Příprava kvalitního vzorku pro obrazovou analýzu je klíčová. Je tedy nezbytné se

věnovat všem krokům přípravy, které zahrnují řezání, impregnaci, broušení a leštění.

V každém kroku je nutné se přizpůsobit danému materiálu a účelu analýzy.

2.2.1. Příprava nábrusů

2.2.1.1. Porozita

Póry jsou typické znaky keramických materiálů, jejichž původ může být různý. [6]

Porozita tedy může být definována jako poměr objemu pórů k objemu vzorku. [4]

Porozita je základním fyzikálním parametrem potřebným k popisu struktury a chování

materiálu. V nejjednodušším případě je porozita vyjádřena jako tzv. celková porozita, jejíž

hodnota je sice nejsnáze měřitelná, ale použitelná jen při silně zjednodušeném pohledu.

Stanovuje se srovnáním hustoty suchého materiálu a hustoty vlastních částic suchého

materiálu. Pro komplexní informaci o materiálu jsou dále zjišťovány příbuzné parametry

například distribuce velikosti pórů, která má význam při popisu transportních dějů. Dále je

důležitá znalost objemu makropórů, které jsou přístupné pro vodu a vzduch. Objem

makropórů, tedy pórů větších než 50µm, charakterizuje pojem makroporozita. [5]

Je velice obtížné připravit neporézní materiál. Určitou porozitu, případně nerovnosti

povrchu, totiž vykazuje většina materiálů. Je známo, že fyzikální vlastnosti, jako například

pevnost a tepelná vodivost, závisí na struktuře pórů. Porozita je také jedním z faktorů

ovlivňující chemickou reaktivitu pevných látek a fyzikální interakce látek s plyny a

tekutinami. [4]

Podle přístupnosti externí tekutině lze póry klasifikovat na póry uzavřené, což jsou

takové, které jsou totálně izolované od svých sousedů. Druhou skupinou jsou póry otevřené,

které jsou pomocí kanálků propojené s vnějším povrchem částice. Pokud jsou póry otevřené

jen na jednom konci, nazývají se slepé. Pokud jsou ale otevřené na obou koncích, pak to jsou

póry průchozí. [4]

Podle tvaru lze póry dělit na cylindricky otevřené, slepé, baňkovité a trychtýřovité. [4]

2.2.1.2. Impregnace

Chceme-li posuzovat mikrostrukturu keramiky nebo keramického materiálu, je

žádoucí si opatřit co nejlepší obraz otevřených a uzavřených pórů v materiálu, protože

porozita a distribuce velikosti pórů poskytuje informace o vlastnostech daného materiálu. [6]

Póry mohou během broušení a leštění představovat problém. Mohou být spouštěčem

mechanického poškození vzorku, dále mohou být zaneseny nečistotami a tím zvyšovat riziko,

že po finální úpravě nebude porozita vzorku odpovídat porozitě skutečné. [6]

Z toho důvodu se pro vytvoření reprezentativního vzorku používá metody impregnace

syntetickou nízko viskózní pryskyřicí. Impregnace se většinou provádí po nařezání vzorku.

Pro velmi porézní materiály, které jsou tudíž velmi křehké, se impregnace provádí ještě před

řezáním. [6]

Ideálním impregnačním médiem je pryskyřice, a to kvůli její nízké viskozitě [6], dobré

adhezi ke vzorku [7] a nízké smrštivosti (cca 1obj%) [7]. Viskozita může být ještě snížena

přidání některých organických rozpouštědel. [7]

Ke kompletnímu zaplnění otevřených póru dochází pomocí kapilárních sil. U uzavřených

pórů dochází k impregnaci pouze na povrchu vzorku. Díky zaplněným pórům pryskyřicí

dochází k výraznému snížení rizika mechanického poškození vzorku. [6], [7]

Vakuová impregnace

Vakuová impregnace je jednoduchá a efektivní metoda impregnace, nejčastěji

epoxydovou pryskyřicí. [6]

Aparatura se skládá z vakuové nádoby a vývěvy. Vzorky jsou umístěny v malých

nádobkách, které jsou na dně vakuové nádoby. Pryskyřice je v samostatné nádobě. [6] Vzorky

by měly být odvzdušněny na tlak přibližně 1 000 - 1 500 Pa (10-15 mbar). Během impregnace

je vakuum zachováno, protože kdyby se tlak zvýšil, došlo by k rozmachu vzduchových

bublin, což by narušilo impregnační proces a snížilo účinnost. [6] Vzorky připravené

k impregnaci musí být suché, proto je vhodné nechat je vysušit v sušárně. Dále se před

samotnou impregnací doporučuje několik minut vzorky odvzdušňovat. [6]

Pryskyřice by měla být zbavena bublin, které vznikly při jejím míchání. Pryskyřice se

nalije na vzorky a vakuum je udržováno ještě 10-30 minut. Poté je vakuová nádoba

zavzdušněna. Atmosférický tlak tak zatlačí kapalnou pryskyřici do zbývajících pórů. Vzorky

jsou následně vyjmuty a ponechány na vzduchu dokud pryskyřice neztvrdne. Doba tvrdnutí

záleží na konkrétním typu použité pryskyřice, obvykle se pohybuje v rozmezí od 6 do 24

hodin. [6]

Některé pryskyřice mohou být, resp. jsou, míchány se speciálními barvivy. Při

pozorování světelným nebo polarizačním mikroskopem pak lze dosáhnout barevných efektů.

[6] Stejný efekt vykazují fluorescenční substance, které jsou ve spojení s filtračními sadami a

zdrojem záření základem fluorescenční mikroskopie. Výhoda barviv tedy spočívá ve

zviditelnění pórů, prasklin nebo trhlin a odděluje je od matrice. [6]

2.2.1.3 Řezání

Řezání se provádí na kotoučové pile s diamantovými zrny. Tak jako ve všech ostatních

bodech přípravy vzorku, je nutné nastavit parametry řezání pro každý materiál zvlášť. U

porézního materiálu může řezání předcházet impregnace, aby nedošlo k jeho destrukci. [6]

Parametry, které nejvíce ovlivňují proces řezání, jsou [6]:

- rychlost otáček

- přítlak na vzorek

-velikost diamantových zrn

-přítomnost chladícího a vlhčícího média

Jako chladící a vlhčící médium lze použít vodu, emulze, vodné roztoky nebo

nízkoviskózní minerální oleje. Alkoholy a minerální oleje se používají pro materiály, které

jsou citlivé na vodu, např. β-Al2O3, CaO, MgO, slinuté magnezity nebo cementové slínky. [6]

Provádět suché řezání nebo odsekávání vzorku se příliš nedoporučuje, protože může

velmi snadno dojít k poškození povrchu vzorku a výsledky mikroskopické analýzy by byly

chybné. Kapalina dále snižuje čas potřebný k řezání a také prodlužuje životnost kotouče. [6]

Kotouč se skládá z podpůrného disku, který je buď ocelový, nebo bronzový, a po

jehož obvodu je brusná vrstva diamantových zrn, jejichž velikost ovlivňuje kvalitu procesu.

[6]

Běžné typy pil pracují buď jako nízkorychlostní nebo vysokorychlostní. Rozdělení je

v různých literaturách uvedeno rozdílně, my se budeme držet rozdělení dle Elssnera et al. [6]

Nízkorychlostní pily pracují do 1000 rpm, a jsou určeny především pro menší vzorky,

a to i pro nepravidelně tvarované. Použití tenkého kotouče při tomto typu řezání výrazně

redukuje ztráty materiálu a zvyšuje kvalitu povrchu po řezání. [6]

Vysokorychlostní pily, pracující v rozmezí od 1000 do 7600 rpm. Tyto pily jsou sice

výkonnější a čas řezání je kratší než u pil nízkorychlostních, ale zvyšují se ztráty a také riziko

poškození vzorku. [6]

Po řezání je nutné vzorky vyčistit a vysušit. Pro čištění je vodné použít ultrazvukovou

čističku. [6]

2.2.1.4. Broušení, leštění

Broušení

Během zpracování vzorku dochází k poškození povrchu. Zejména keramické

materiály jsou náchylné k lámání a praskání. Broušení nejen že napravuje škody způsobené

řezáním, ale také připravuje povrch pro obrazovou analýzu. [6]

Proces broušení má obvykle více stupňů, které se liší použitím různě drsných kotoučů.

Základním pravidlem u jakéhokoli typu broušení je fakt, že brusivo musí být tvrdší než

broušený materiál. [6]

Prvním krokem je broušení planární, neboli rovinné. Hlavním úkolem tohoto úvodního

procesu je zarovnat vzorek do roviny a odstranit nejvýraznější poškození po řezání - rýhy.

Proto se v této fázi používají kotouče nejdrsnější. [6] Na druhou stranu ale tyto kotouče

způsobují povrchové škody - škrábance, které se musí odstranit následným broušením na

jemnějších kotoučích. [7]

S klesající velikostí zrn se samozřejmě snižuje hloubka poškození materiálu a jeho

množství, které je odebíráno. Je ale třeba se vyvarovat jevu, kdy jsou brusná zrna

nedostatečně velká, a potom se míra odstranění materiálu může snížit až na nulu. [6]

Planární broušení je dokončeno tehdy, když je povrch vzorku zahlazen do roviny.

Rovinnému broušení je tedy nutné věnovat dostatečnou pozornost, neboť je to klíčový krok

při přípravě vzorků. Pokud nebude vzorek rovný, nebude obraz ve všech místech stejně ostrý.

Pro keramiku se jako brusivo nejčastěji používá diamant, a to kvůli jeho tvrdosti a

z toho plynoucí největší schopnosti odstranění materiálu. [6] Je možné ho použít jak ve formě

monokrystalické, tak polykrystalické, přičemž polykrystalická forma je lepší díky velkému

množství brusných hran. Volná zrna jsou obsažena v diamantových suspenzích a sprejích na

bázi vody, alkoholu a oleje, dále pak i v pastách. [7] Distribuce velikosti zrn by měla být co

nejužší, neboť hloubka škrábance je určena nejhrubším přítomným zrnem. [6] Jako další,

měkčí, brusiva lze uvést nitrid bóru (B4N), karbid bóru (B4C) nebo oxid křemičitý (SiO2). [6]

Jako brousící médium se používá voda, která odnáší odbroušený materiál a zároveň

ochlazuje vzorek. Pro materiály, které jsou citlivé na vodu, se dají použít oleje nebo alkoholy.

[6] V případě jemného materiálu nebo porézní keramiky může být praktičtější použít jako

médium olej, protože, na rozdíl od vody a alkoholů, snižuje riziko poškození broušeného

materiálu. [6]

Samotný proces broušení se dá provést manuálně nebo automaticky. U obou provedení

platí, že čím více roste rychlost rotace disku, tím více materiálu se odstraňuje až do dosažení

určité hodnoty rotace (250 rpm). Úměrně tomu se zvyšuje i míra poškození a poškrábání

vzorku. [6]

Je také nutné dát pozor, aby docházelo k rovnoměrnému odebírání materiálu. U

manuálního broušení je vinou lidského faktoru velmi těžké dosáhnout dokonale rovného

povrchu. Čas potřebný k broušení je závislý na stupni poškození a také na odporu samotného

materiálu. [7]

Největšího množství odstraněného materiálu se dosáhne použitím diamantových

brousících kotoučů. Jemnější a křehčí keramika může být broušena na kotoučích

s diamantovými suspenzemi nebo SiC papírem. Účinnost brusiva, tzn. schopnost odstranění

materiálu, klesá v tomto pořadí: polykrystalická diamantová suspenze, monokrystalická

diamantová suspenze, diamantové spreje, diamantové pasty, SiC papíry a Al2O3 suspenze. Pro

diamantové brusné kotouče je doporučená koncentrace diamantových zrn C50, což odpovídá

12,5% diamantových zrn z celkové brusné plochy. [6]

Leštění

Leštění je proces, který následuje po broušení. Úkolem leštidel je odstranit jemné

škrábance, které na vzorku zůstaly po broušení. Hranice mezi leštěním a broušením není

přesně definovaná, ale obecně se má za to, že brusiva s velikostí zrn menší než 10µm jsou již

leštidla. [6]

Nejčastějším typem leštění je leštění mechanické, kde dochází k leštění pomocí

volných zrn obsažených v leštidlech. Mechanické leštění lze provádět jak manuálně, tak

automaticky. Stejně jako u broušení, i zde velikost zrn a distribuce velikosti zrn ovlivňuje

kvalitu povrchu vzorku. Nejčastěji používaným leštidlem je diamant, a to ve formě past,

sprejů a suspenzí. Dále se užívají koloidní SiO2 nebo suspenze vody a Al2O3. [6]

Leštidla jsou nanášena na plátno, které je uchyceno na kovové nebo plastové desce.

[6]

2.2.2. Příprava výbrusu

Výbrus je broušením natolik zeslabený vzorek, že je průhledný a dovoluje

mikroskopické studium v procházejícím světle. Tloušťka výbrusů by se měla pohybovat

v rozmezí 20-35µm. [6]

Proces přípravy výbrusu zahrnuje 7-8 kroků, některé z nich jsou popsány výše, proto

zde nebudou podrobně popsány.

Pořadí prvních dvou kroků není přesně dané. Křehké nebo porézní vzorky vyžadují

impregnaci ještě před řezáním. U většiny ale proces začíná řezáním.

1. Řezání. Řezání je prováděno na kotoučové pile s diamantovými zrny. Aby byl povrch

co nejrovnější, je doporučeno provádět řezání při nízké rychlosti, rovnoměrném tlaku

a také je nezbytné chladit čepel a vzorek. K chlazení se používá voda nebo emulze

vody s olejem.

2. Impregnace. Impregnaci vyžadují křehké a porézní matriály. Impregnací se nemusí

vzorek jen zpevňovat, ale lze ji také využít k barvení vzorku. Nejvhodnějším

impregnačním médiem je epoxydová pryskyřice (viz 2.2.1.2). [6] V každém případě je

nutné, aby impregnační médium mělo vhodný index lomu, aby se dal vzorek dobře

odlišit optickými metodami. [7] Pokud je potřeba, lze impregnovat i vakuově.

3. Broušení. Cílem broušení je vytvoření rovného povrchu. V případě tvrdších materiálů

lze použít diamantový kotouč, který zrychlí fázi rovinného broušení. [6] Vzorek se

brousí na skleněném nebo železném kotouči, kde by velikost zrn neměla přesáhnut

hodnotu 35µm. [6]

4. Lepení vzorku na podložní sklíčko. Lepení je třeba provádět stejným médiem jako

impregnaci. Lepidlo musí být bezbarvé, rychleschnoucí, nízkoviskózní a index lomu

by se měl přibližovat hodnotě 1,535. [6] Vysušený vzorek je přilepen nabroušenou

stranou na podložní sklíčko. K přilepení stačí 1-2 kapky, které vytvoří vrstvu vysokou

1-4µm. Po aplikaci lepidla by měl být vzorek lehce přitlačen ke sklíčku, aby byly

eliminovány vzniklé bubliny. [6]

5. Řezání naleštěného vzorku. Vzhledem k tomu, že chceme dosáhnout velice tenké

vrstvy, je třeba přilepený vzorek uříznout na tloušťku 300-500µm. [6]

6. Broušení na požadovanou tloušťku. První fáze zahrnuje broušení na železném kotouči

do tloušťky cca 120µm. Velikost zrn brusiva by se měla pohybovat v rozmezí od 30

do 60µm. [6] Ve druhé fázi dojde ke snížení rychlosti broušení, a také k použití

jemnějšího brusiva (velikost zrn 9-30µm). V této fázi je nutné setrvat, dokud

nedosáhneme požadované tloušťky, což určíme pomocí mikroskopu. [6]

7. Přelepení krycím sklíčkem. Po očištění vodou a po vysušení lze přilepit sklíčko na

vzorek. Lepení je třeba provádět stejným způsobem jako v kroku 4. [6]

8. Leštění bez krycího skla. Pokud bude vzorek pozorován elektronovým mikroskopem

nebo mikrosondou, je třeba výbrus ještě naleštit. V případě mikrosondy lze leštění

provést pomocí suspenze vody a Al2O3. [6] Příprava vzorku pro analýzu elektronovým

mikroskopem je popsána v odstavci 2.3.2.

2.3 Mikroskopie

MikroskopHlavními částmi mikroskopu jsou dvě soustavy spojných čoček- objektiv a okulár.

Objektiv je nejdůležitější z hlediska kvality obrazu. Vytváří skutečný, zvětšený a převrácený

obraz. Mechanická část spojující objektiv a okulár se nazývá tubus. Obraz vytvořený

objektivem je pozorován okulárem jako jednoduchou lupou. Vzniká tedy obraz zvětšený,

převrácený a neskutečný. [10] Další částí mikroskopu je kondenzor. Kondenzor je optický

systém zajišťující světlo na pozorovaný objekt, poskytuje tedy dokonalé osvětlení vzorku.

[10]

2.3.1 Fluorescenční mikroskopie

FluorescenceLuminiscence je jev, kdy látka vysílá do okolí světlo. Dělí se na elektroluminiscenci,

fotoluminiscenci, radioluminiscenci, bioluminiscenci a chemiluminiscenci. Pro nás je zásadní

fluorescence, což je druh fotoluminiscence, tzn., že k luminiscenci dochází po ozáření. [8]

Některé látky, fluorofory, jsou schopny po ozáření (excitaci) absorbovat světlo určité vlnové

délky a následně vyzařovat (emitovat) světlo o delší vlnové délce. Vyzařování emisního světla

trvá krátkou dobu a po zhasnutí excitačního záření emise téměř okamžitě zhasíná (asi za 100

pikosekund). [8]

Celý děj začíná tak, že světlo, resp. fotony, nesoucí určitou energii, předají tuto energii

elektronům v molekule. Pro tuto energii platí, že čím je vlnová délka kratší, tím je energie

vyšší, protože čím je délka vlny kratší, tím rychleji fotony kmitají a tím mají vyšší energii. Po

přenosu energie dochází k excitaci elektronů, elektrony se přesouvají do vyšší energetické

hladiny, a pohybují se ve větší vzdálenosti od jádra. Excitovaný elektron obsahuje energii

„navíc“, která má tendenci se uvolnit, když je elektron přitažen jádrem zpět na nižší

energetickou hladinu (orbital). Energie se uvolní v podobě fotonu, který je vyzářen. Tomuto

jevu říkáme fluorescence (Obr. 2) [8]. Při přeměně energie dochází ke ztrátám-část energie se

uvolní do okolí ve formě tepla, a proto má vyzářený foton nižší energii a emitované záření má

delší vlnovou délku. [8]

Obr 1 Ilustrace vzniku fluorescence [8]

Fluorofory se dělí na přírodní, což jsou látky vykazující autoluminiscenci, neboli

primární fluorescenci. Příkladem přírodního fluoroforu je chlorofyl, dále pak celulóza nebo

keratin. [9] Naopak látky, které nedisponují autoluminiscencí je nutno obarvit

fluorescenčními barvivy a vytvořit sekundární fluorescenci. [9]

Existuje celá řada fluoroforů pokrývající celé spektrum viditelného světla s přesahy do

ultrafialového a infračerveného spektra. Mezi nejčastěji používaná barviva patří GFP-zelený

fluorescenční protein, fluorescein a, speciálně pro fluorescenční mikroskopii vyvinutá,

barviva Cy3 (Obr 2), Cy5 a Alexa 568 (Obr 3). Tato speciální barviva jsou vysoce fotostabilní

a mají vysokou účinnost fluorescence. Z chemického hlediska jsou za nejlepší fluorofory

považovány velké molekuly, obsahující velké množství elektronů, které lze snadno a

koordinovaně excitovat a které se také rychle vracejí zpět do nižší energetické hladiny. Jsou to

proto většinou polyaromatické uhlovodíky nebo heterocykly, s elektrony konjugovanými

v plochých „mracích“ nad a pod rovinou ploché molekuly. [8], [9]

Barviva, která jsou speciálně vyvinutá pro účely fluorescenční mikroskopie, jsou

vysoce fotostabilní a mají vysokou účinnost fluorescence. [8] Z chemického hlediska jsou za

nejlepší fluorofory považovány velké molekuly, obsahující velké množství elektronů, které

lze snadno a koordinovaně excitovat, a které se také rychle vracejí zpět do nižší energetické

hladiny. Jsou to proto většinou polyaromatické uhlovodíky nebo heterocykly. [8]

Fluorescenční mikroskop

Fluorescenční mikroskop se od klasického mikroskopu liší pouze silným zdrojem

světla, který je nezbytný pro ozáření vzorku, a soustavou filtrů. [10]

Zdroj světla musí emitovat dostatečně intenzivní ultrafialové a viditelné záření.

Nejčastěji se používají vysokotlaké rtuťové výbojky, xenonové výbojky nebo

halogenovéidové žárovky. [11] Z důvodu použití ultrafialového záření je nutná ochrana očí,

např. UV filtry.

Prvním typem filtru je filtr excitační, který propouští pouze světlo, které je potřebné

k excitaci fluoroforu, ostatní světlo pohlcuje. K oddělení excitačního a fluorescenčního

(emitovaného) světla slouží dichroické zrcadlo. [11] Následuje bariérový (emisní) filtr.

Emisní filtr propouští pouze fluorescenční (emitované) světlo a tím poskytuje černé pozadí

k fluorescenčnímu obrazu. Dále umožnuje nechat projít pouze část fluorescenčního spektra.

[11] Vhodná kombinace dichroického zrcadla, emisního a excitačního filtru je nezbytná pro

úspěšné pozorování pomocí fluorescenčního mikroskopu.

Podle umístění zdroje světla rozlišujeme dva základní typy fluorescenčních

mikroskopů. Prvním typem je mikroskop trans-fluorescenční, kde je osvětlení vzorku

umístěné z druhé strany, než je objektiv. Světlo tedy prochází excitačním filtrem a na preparát

dopadá ze spodu, tzn., že zástinový kondenzor odráží světlo tak, že dopadá na preparát z boku

a excitační světlo tak prochází mimo objektiv, takže do objektivu se dostane pouze emitovaná

fluorescence. [8]

Druhým typem je epi-fluorescenční mikroskop, kde dochází k osvětlení vzorku přes

objektiv. Emisní světlo se vrací zpět do objektivu, a proto je nutné použít dichroické zrcadlo,

které odráží excitované světlo do objektivu a propouští emisní světlo do okuláru. Tento druhý

typ je používán častěji. [8]

Největší výhodou fluorescenčních mikroskopů je možnost vidět objekty pouhým okem

neviditelné, aniž by došlo ke zničení vzorku. [12] Další výhodou je specifita. Fluorescenční

excitační a emisní spektra jsou často charakteristikou molekulární struktury. Různé molekuly

vykazují různá excitační a emisní spektra, což může být selektivně použito pro analýzu

vzorku. [12] Detekce fluorescence může být provedena i v případě, že je přítomno malé

množství fluoreskujících molekul. Fluorescence poskytuje kvantitativní měření, protože

emitovaná fluorescence je přímo úměrná kvantovému výtěžku fluoroforu. [12] Díky

vysokému prostorovému rozlišení se tato metoda dá použít i pro sloučeniny, jejichž rozměry

jsou pod limitem, který je potřebný k analýze pomocí světelného mikroskopu. [12]

2.3.2 Skenovací elektronová mikroskopie

Elektronový mikroskop je dalším optickým přístrojem, určeným k pozorování povrchů

nejrůznějších objektů. Díky poskytnutí komplexní informace o mikrostruktuře se elektronové

mikroskopie využívá především ve výzkumu materiálů a v biologických aplikacích. [14] Na

rozdíl od světelného mikroskopu má elektronový mikroskop vyšší rozlišovací schopnosti, a

tím dosahuje mnohonásobně vyššího efektivního zvětšení. Dalším rozdílem je fakt, že

fFotony jsou zde nahrazeny elektrony a skleněné čočky čočkami elektromagnetickými. [14]

Po dopadu elektronového svazku, který je tvořen primárními elektrony, na místo na

vzorku, emituje vzorek sekundární elektrony a, odražené elektrony, které jsou detekovány. [6]

Elektrony s vysokou energií se na obrázku projeví jako světlá místa, naopak elektrony

s nízkou energií se budou zobrazovat jako místa tmavá. [6]

Sekundární elektrony většinou tvoří obraz, který zobrazuje topografii povrchu.

Odražené elektrony spíše zvýrazňují fázový kontrast. Protože mají nízkou energii (jsou

odraženy z oblastí, které jsou téměř rovnoběžné s elektronovým svazkem), objevují se

většinou jako světlá místa ve výsledném obrazu. [6]

Elektronový mikroskop

Zdroje elektronů se dají rozdělit na termoemisní a autoemisní. [14] Termoemisní zdroje

fungují na základě zahřátí vlákna, kde dojde k úniku elektronů, po průchodu elektrického

proudu. Často se používá vlákno wolframové nebo krystal LaB6 (hexaborid lanthanu). [14]

U druhého typu dochází k autoemisi, která je vyvolaná silným elektrickým proudem.

Elektrony emituje studené wolframové vlákno vyleptané do hrotu, kolem kterého je elektrické

pole. Proti hrotu je umístěna elektroda s kladným napětím, která zajišťuje vytrhávání

elektronů z povrchu hrotu. [14]

Čočky jsou elektromagnetické, a to ve formě prstenců z velmi čistého, měkkého železa

zasazeného v cívkách. Jsou schopny pracovat jen ve vakuu. [14]

K detekci sekundárních i odražených elektronů se používá Everart-Thornleyův detektor.

Pro detekci odražených elektronů lze vyžít také Polovodičový detektor. [14]

Vzorky, které jsou určeny pro analýzu pomocí skenovací elektronové mikroskopie,

musí být suché a bez cizorodých částic. Dále musí být stabilní ve vakuu a při ozáření svazkem

elektronů, také by nemělo docházet k jeho nabíjení. [14]

K nabíjení povrchu vzorku dochází, pokud je preparát elektricky nevodivý. [14] Aby se

tomuto negativnímu jevu zabránilo, je preparát pokryt tenkou (cca 20nm) vrstvou kovu, která

odvede přebytečný náboj. [6] Tomuto procesu se říká pokovování a lze ho uskutečnit

vakuovým napařování, iontovým naprašováním nebo impregnací. Z kovů se nejčastěji

používá zlato, platina nebo uhlík. [6]

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

3.1 Další použité metody

3.1.1 Ultrazvukové čištění

Během přípravy vzorku pro mikroskopickou analýzu docházelo ke znečištění povrchu.

Nečastějšími nečistotami byly zbytky brusiva a leštící suspenze Al2O3. Vzhledem k tomu, že

povrch vzorku musel být co nejčistší, byla na vyčistění použita metoda ultrazvukového

čištění.

Čištění pomocí vysokofrekvenčních zvukových vln je založeno na principu kavitace,

což je mechanické narušování povrchu prudkým nárazem kapaliny na předmět. [16]

Vzorek určený k čištění byl vložen do kádinky s vodou, která byla umístěna ve vodní

lázni.

3.2 Použité chemikálie

Při procesu vakuové impregnace byly použity následující chemikálie

-epoxydová pryskyřice, EpoFix Resin

-tvrdidlo, EpoFix Hardener

-fluorescenční barvivo, EpoDye

Všechny uvedené chemikálie jsou od firmy Struers.

Další použité chemikálie:

-aceton

-isopropylalkohol

Na výrobu formiček byl použit univerzální kaučuk, Lukopren N 1522, forma byla napuštěna

roztokem technického benzínu a parafínu.

3.3 Použité přístroje

3.3.1 Aparatura na vakuovou impregnaci

Celá aparatura se skládá z olejové rotační vývěvy, manometru, exikátoru, trojcestného

ventilu, nádoby na pryskyřici a Hofmanovy hadicové tlačky se závitem. Uvedené části

aparatury jsou spojeny hadicemi. Vzhledem k tomu, že bylo nutné samotný vzorek před

zalitím pryskyřicí poměrně dlouho odvzdušňovat, byl zvolen typ konstrukce s nádobou

s pryskyřicí mimo impregnační nádobu.

Aby byl možné vzorky nejprve odvzdušnit, a pak teprve zakapat pryskyřicí, bylo víko

exikátoru provrtáno sklářskými dílnami VŠCHT. Do tohoto otvoru bylo umístěno těsnění,

kterým procházela hadička, která sloužila jako přívod pryskyřice. Na této hadici byla

připevněna Hofmanova hadicová tlačka se závitem, díky níž se dávkovala pryskyřice do

nádobek se vzorky.

V exikátoru je stolek, na který jsou umisťovány nádobky se vzorky. Díky

magnetickému otočnému mechanismu je možno impregnovat několik vzorků najednou.

Na víko exikátoru je připevněn trojcestný ventil, který je napojený na zdroj vakua-

rotační olejovou vývěvu.

Sestavená aparatura je vidět na obrázcích 4-7.

Obr 4 Hofmanova hadicová tlačka se závitem Obr 5 Otvor pro dávkování pryskyřice

Obr 6 Pohled na část aparatury Obr 7 Magnetický otočný mechanismus

3.3.2 Rotační vývěvaJako zdroj vakua byla k aparatuře připojena rotační olejová vývěva VR1,5/12, naplněná

olejem High vakuum oil Grade od firmy Edwards. Na rotační vývěvu je napojen filtr proti

úniku par. Pro ověření kvality dosaženého vakua a pro kontrolu těsnosti systému bylo

provedeno pět pokusných měření. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2 Hodnoty vakua dosažené rotační vývěvou

měření τ [min] p [mV]p

[mbar] p [Pa]I 7,45 32 0,26 26II 10 34 0,24 24III 5 37 0,20 20IV 4 38 0,20 20V 4 39 0,20 20

3.3.3 ManometrTlak v aparatuře byl měřen pomocí manometru. Hodnoty byly odečítány v mV.

Pomocí přiloženého grafu a tabulky byly hodnoty převáděny na jednotky mbar.

3.3.4 Kotoučová pilaNa řezání vzorků byla použita kotoučová pila od firmy Struers, Accutom-2. Tento typ

pily má maximální výkon 1 800 otáček za minutu. Pila je vybavena přívodem chladícího

média-vody. Kromě nastavení otáček lze nastavit i přítlak na vzorek.

3.3.5 Kotouče na broušení a leštěníNa broušení a leštění byly použity celkem čtyři druhy kotoučů. Na broušení byly

použity tři kotouče s vázaným zrnem. Planární broušení bylo realizováno na kotouči 32/22,

jemnější broušení na kotouči 10/7 a broušení nejjemnější na kotouči 5/3.

Pro závěrečné leštění byl použit tkaninový kotouč, na kterém byla vytvořena suspenze

z vody a leštiva-Al2O3.

3.3.6 MikroskopyPro kontrolu kvality povrchu a tloušťky preparátu při broušení byly použity

mikroskopy Amplival a DNP 714.

Na pozorování v procházejícím světle byl použit mikroskop Nikon ECLIPSE E400

POL, na snímání obrazu pak kamera Nikon DS-U2/L2 USB. Vše bylo zpracováno pomocí

softwaru NIS-elements.

U pozorování při UV osvětlení byla použita makrooptika od firmy Navitar. Kamera a

software byly stejné jako u pozorování v procházejícím světle.

3.3.7 UV OsvětleníV prvním kroku bylo třeba určit nejvhodnější zdroj světla na vybuzení fluorescence.

Proměřena byla jedna trojice spekter (závislost intenzity záření na vlnové délce) a tři dvojice

spekter (spektrometrem Ocean Optics SD2000, software Lucia Forensic). Vždy bylo změřeno

spektrum samostatného zdroje a poté spektrum záření po průchodu pryskyřicí obsahující

fluorescenční barvivo. V případě UV-LED diody bylo provedeno jedno měření při přímém

osvětlení pryskyřice a jedno při osvětlení z boku, což mělo vliv na relativní intenzitu

vybuzené fluorescence. Dostupnými zdroji záření byly – halogenová, deuteriová a nízkotlaká

rtuťová výbojka a UV-LED typ LED 5MM UV 4000uW/30°. Naměřená spektra jsou vidět na

obrázcích 8-11.

Obr 8 Spektrum halogenové výbojky

Obr 9 Spektrum deuteriové výbojky

Obr 10 Spektrum nízkotlaké rtuťové výbojky

Vę660ob660cný

Vę660ob660cný

Vę661ob661cný

Vę661ob661cný

Vę662ob662cný

Vę662ob662cný

Vę658ob658cnýVę661ob661cnýVę664ob664cnýVę667ob667cnýVę669ob669cnýVę672ob672cný

E=f(λ)

halogenová výbojkahalogenová výbojka + pryskyřice

λ[nm]

E [arb. unit]

Vę660ob660cný

Vę660ob660cný

Vę661ob661cný

Vę661ob661cný

Vę662ob662cný

Vę662ob662cnýVę657ob657cný

Vę662ob662cný

Vę668ob668cný

Vę673ob673cný

E=f(λ)

deuteriová výbojkadeuteriová výbojka + pryskyřice

λ[nm]

E [arb. unit]

Vę660ob660cný

Vę660ob660cný

Vę661ob661cný

Vę661ob661cný

Vę662ob662cný

Vę662ob662cnýVę660ob660cný

Vę660ob660cnýVę660ob660cnýVę660ob660cnýVę661ob661cnýVę661ob661cný

E=f(λ)

nízkotlaká rtuťová výbojkanízkotlaká rtuťová výbojka + pryskyřice

λ[nm]

E [arb. unit]

Obr 11 Spektrum UV-LED5MM UV 4000uW/30°

Z naměřených spekter je vidět, že nejvhodnějším zdrojem záření pro vybuzení fluorescence je

nízkotlaká rtuťová výbojka. Její fluorescenční pík je dobře patrný- fluorescence má hodnotu

vlnových délek cca 480-666 nm, o nízké intenzitě. Případně se dá použít i UV LED. Pro

mikroskopii v procházejícím UV světle byla nakonec použita nízkotlaká rtuťová výbojka od

firmy Ultra-Lum. Uspořádání použité aparatury je vidět na obrázku 12.

Vzorek musí být položen na lampu podložním sklíčkem nahoru, aby nedošlo k

absorpci UV záření ještě před vybuzením fluorescence. Ochranu před unikajícím UV zářením

zajišťuje černý papír.

Obr 12 Uspořádání aparatury pro pozorování v UV procházejícím světle

3.4 Příprava vzorků pro mikroskopii

Vę660ob660cný

Vę660ob660cný

Vę661ob661cný

Vę661ob661cný

Vę662ob662cný

Vę662ob662cnýVę658ob658cný

Vę661ob661cný

Vę664ob664cný

Vę667ob667cný

E = f(λ)

UV-LEDUV-LED + vzorekUV-LED + vzorek přímo

λ[nm]

E [arb. unit]

3.4.1 Značení vzorkůVzorky použité při analýze byly poskytnuty Ing. Lukášem Kulhavým.

Jako pórotvorné činidlo byly použity bramborový a kukuřičný škrob. Vzorky č. 1 a 2

jsou ze stejného keramického těsta, stejně tak vzorky č. 3 a 4.

Vzorky jsou označeny následovně:

Vzorek č. 1: C130/B/V-4, tažen při nižší rychlosti

Vzorek č. 2: C130/B/V-4, tažen při vyšší rychlosti

Vzorek č. 3: C130/K/V-4, tažen při nižší rychlosti

Vzorek č. 4: C130/K/V-4, tažen při vyšší rychlosti

3.4.2 Vakuová impregnaceVakuová impregnace byla prováděna na výše popsané aparatuře.

Ještě před samotným zahájením bylo třeba opatřit nádoby, do kterých by se vložil

vzorek a následně by byl v těchto nádobách zalit pryskyřicí. Po neúspěšném hledání

vhodných nádobek bylo rozhodnuto, že se budou vyrábět přímo v laboratoři. K jejich výrobě

byl použit univerzální kaučuk, Lukopren N 1522, a ručně vyráběna dřevěná forma. Po

smíchání pasty s katalyzátorem v poměru 50:1 byla směs nalita do formiček, kde byla

ponechána do druhého dne. Aby kaučuk nepřilnul ke dřevěné formě, byla forma ještě před

zalitím natřena roztokem technického benzínu a parafínu.

Před samotnou impregnací byl ještě několikrát kontrolně změřen tlak v exikátoru bez

vzorků. Hodnoty tlaku se pohybovaly v rozmezí od 40 do 50 Pa. I přes to, že tyto hodnoty

jsou vyšší, než hodnoty v tabulce 2, stále jsou to hodnoty lepší, respektive nižší, než je

doporučováno v literatuře. [6]

Po uzavření všech ventilů bylo možné přistoupit k vakuaci. Nejprve byly

odvzdušňovány vzorky, a to po dobu 39 minut. Poté byla namíchána impregnační směs. Směs

byla namíchána v poměru 15 objemových dílů pryskyřice ku 2 objemovým dílům tvrdidla.

Fluorescenční barvivo bylo naváženo v poměru 5 gramů barviva na 1 litr pryskyřice.

Vzhledem k tomu, že namíchaná směs má omezenou trvanlivost, je nezbytné ji míchat až po

odvzdušnění vzorků.

Pryskyřice byla díky podtlaku vtahována do exikátoru, jako regulační ventil sloužila

tlačka umístěná na hadici. Při míchání vzniklo v impregnační směsi velké množství

vzduchových bublin. Proto se pryskyřice musela dávkovat pomalu a bylo nutné vždy vyčkat,

až se hladina v nádobkách uklidní, teprve poté bylo možné pokračovat v plnění.

K dokonalému zklidnění hladiny ale stejně nedošlo, a to z důvodu zbylého vzduchu ve

vzorku. I přes dlouhé odvzdušňování, nebyl vzorek odvzdušněn dokonale. To mělo také za

následek lehké snížení vakua, tzn. zvýšení tlaku v systému.

Po dokončení zalévání, které trvalo 8 minut, byly ještě zalité vzorky odvzdušňovány

do ustálení (nikoliv však do klidu) hladiny pryskyřice.

Po 55 minutách byl systém přes trojcestný ventil propojen s atmosférou. Zalité vzorky

byly ponechány na vzduchu do druhého dne.

3.4.3 ŘezáníŘezání vzorků bylo prováděno na kotoučové pile s vázanými diamantovými zrny,

Accutom-2. Jako chladící médium byla použita voda.

Proces řezání lze ovlivnit dvěma parametry- nastavením přítlaku a počtem otáček za

minutu (rpm).

Konkrétní hodnoty obou parametrů jsou uvedeny v tabulce 3. Je zde také uveden čas

řezání.

Tabulka 3 Hodnoty parametrů při řezání vzorků

vzorek rpm p [bar] p [kPa] τ [min]1 1 400 1,15 115 62 1 600 1,20 120 43 1 600 1,15-1,20 115-120 44 1 500 1,20 120 4,5

3.4.4 Broušení, leštění, čištěníÚprava nábrusů, resp. výbrusů byla provedena v několika krocích.

Broušení zahrnovalo použití tří různých kotoučů s vázanými zrny. Na nejhrubším

kotouči 32/22 byly vzorky broušeny nejdéle, v řádech desítek minut. Následoval kotouč se

zrnitostí 10/7 a nakonec nejjemnější kotouč 5/3. Broušení na jemnějších kotoučích se

pohybovalo již jen v minutách. K odstranění škrábanců a k dosažení optického lesku

následovalo u nábrusů leštění na kotouči potaženém tkaninou. Jako leštidlo byla použita

suspenze Al2O3 a vody. Voda zároveň sloužila jako chladící médium, a to jak při přípravě

nábrusů, tak i při přípravě výbrusů.

V průběhu broušení byla kvalita povrchu kontrolována optickými mikroskopy.

Nábrusy byly pozorovány v odrážejícím světle, výbrusy pak v procházejícím. Po odstranění

defektů z předcházejícího kroku byl vyměněn kotouč za jemnější. Při přechodu mezi

jednotlivými kroky byl vzorek vždy očištěn vodou. Na závěr byly vzorky vyčištěny

v ultrazvukové čističce.

Při přípravě výbrusů byl krok leštění vynechán. Vzorek byl nabroušenou stranou

přilepen k podložnímu sklu. Jako fixátor byla použita směs pryskyřice EpoFix Resin a

tvrdidla EpoFix Hardener-již použita při vakuové impregnaci. Po ztvrdnutí byly vzorky

uříznuty při přítlaku 100 kPa a při 1 600 otáčkách za minutu na kotoučové pile s pevně

vázanými diamantovými zrny. Vzhledem k tomu, že na pile nelze dosáhnout požadované

tloušťky 20-35 µm [6], bylo nutné výbrusy hodně zbrousit. Ještě před použitím brusných

kotoučů byly vzorky zbroušeny pomocí brusného papíru. Teprve poté byly použity kotouče

32/22, 10/7 a 5/3.

Krok lepení krycího sklíčka byl vynechán. Sklo pohlcuje UV světlo, což je v tomto

případě nežádoucí.

4. VÝSLEDKY A DISKUZE

Studiem fyzikálně-chemických vlastností keramických nosičů se zabývalo již

několik prací. Nejnovější výsledky měření jsou popsány v diplomové práci Ing.

Lukáše Kulhavého. Pro tuto práci stěžejní výsledky jsou popsány níže, některé i za

pomoci převzatých grafů.

Měřením zdánlivé porozity bylo dosaženo dvou hodnot. Porozita vzorků č. 1 a

2 byla stanovena na 7069, 85%, pro vzorky č. 3 a 4 na 67,09%. [1] Zdánlivá porozita

byla měřena pomocí kritériía hutnosti. [1]

Dále lze říci, že vzorky obsahující bramborový škrob mají obecně lepší

fyzikálně-chemické vlastnosti. [1] Obrázek 13 graficky znázorňuje závislost

nasákavosti na smykové rychlosti při extruzi v kapilárním viskozimetru. Je jasně vidět,

že vzorky s bramborovým škrobem mají vyšší nasákavost, než vzorky se škrobem

kukuřičným, a to díky mnohonásobně větší velikosti škrobových zrn. Velikost zrna

bramborového škrobu se pohybuje okolo 50 µm, kdežto u kukuřičného škrobu se

velikost pohybuje okolo 14 µm. [1]

Logicky by se dalo vyvodit, že díky větším zrnům budou vzorky s

bramborovým škrobem méně pevné, než vzorky s kukuřičným škrobem. Jak je ale

vidět na obrázku 14, opak je pravdou. Vysvětlení toho jevu je jedním z úkolů této

práce.

Obr 13 Závislost nasákavosti na smykové rychlosti. Převzato z [1]

Obr 14 Závislost pevnosti na smykové rychlosti. Převzato z [1]

Další fyzikálně-chemickou vlastností je rychlostní profil, tedy závislost

rychlosti na průměru kapiláry. Graficky znázorněná závislost je uvedena obrázku 15.

Obr 15 Závislost rychlosti na průměru kapiláry. Převzato z [1]

Z grafu je patrné, že se rychlostní profil dělí na dvě zóny. Zóna u stěny a zóna

s pístovým tokem. Graf uvádí, že zóna u stěny je široká cca 1mm. V této oblasti, tedy

cca 1 mm od kraje, se rychlost toku blíží nule. Na základě těchto faktů se předpokládá,

že v zóně s pístovým tokem bude koncentrace trhlin vyšší, než v zónách u stěn. Aby

mohl být tento předpoklad potvrzen, je třeba vzorky podrobit obrazové analýze (viz

níže).

Během procesu přípravy, především při extruzi vzorků, došlo ke vzniku

defektů. Tyto defekty, trhliny, jsou důležitým faktorem, který ovlivňuje fyzikálně-

chemické vlastnosti vzorků. K pozorování trhlin byly připraveny nábrusy vzorků.

Všechny nábrusy vzorků byly pozorovány v dopadajícím viditelném světle.

Obr 16 Nábrus vzorku č. 1 Obr 17 Nábrus vzorku č. 2

Obr18 Nábrus vzorku č. 1

Obr 20 Nábrus vzorku č. 3 Obr 21 Nábrus vzorku č. 4

Obr 22 Nábrus vzorku č. 3 Obr 23 Nábrus vzorku č. 4

Na všech snímcích jsou dobře patrné vertikálně orientované trhliny. Pokud bylo

keramické těsto homogenní, jsou tyto trhliny způsobeny smykovou deformací. Z fotografií je

patrné, že distribuce vertikálních trhlin závisí jen na množství škrobu a teplotě výpalu, nikoli

však na rychlosti extruze.

Na základě výše uvedených fotografií lze dále tvrdit, že systém trhlin je všude stejný,

a to i na vrstvě 1 mm od kraje. Zóna s pístovým tokem a zóna u stěny je okometricky stejná.

Nelze proto tvrdit, že v zóně s pístovým tokem je koncentrace vertikálních trhlin vyšší.

Také platí, že povaha pórů je ve všech místech vzorku stejná.

Výše popsaná problematika vyšší nasákavosti a zároveň vyšší pevnosti vzorků

obsahující bramborový škrob, může být vysvětlena pomocí obrázků 24 a 25. Na obrázku 24 je

vzorek obsahující bramborový škrob. Na obrázku 25 je vzorek obsahující škrob kukuřičný.

Oba vzorky byly pozorovány v dopadajícím viditelném světle. Při porovnání obou

fotografií se zdá, že nižší homogenita vzorků s kukuřičným škrobem, která vznikla při extruzi,

způsobuje nižší pevnost vzorků obsahující kukuřičný škrob.

+FOTKA: stolek 3-1

Obr 24 Výbrus vzorku č. 1 v dopadajícím viditelném světle.

Porozita byla určována u vzorku č. 1, a to při dvou typech osvětlení - v dopadajícím

viditelném světle a v UV procházejícím světle. Vzorky obsahující kukuřičný škrob nejsou

vhodné pro obrazovou analýzu.

Vzhledem k tomu, že osvětlení vzorku nebylo homogenní (dobře viditelné na obrázku

26), bylo třeba najít takové místo, kde osvětlení homogenní bylo. Na obrázku 26 je také dobře

vidět, že bylo použito osvětlení kruhové. Díky tomuto faktoru byl výsledný měřící rámeček,

tedy plocha, na které probíhala kvantifikace, relativně malý. Aby mohlo být provedeno

stanovení porozity, bylo třeba fotografie upravit. Jedním z kroků bylo nalezení oblasti

s homogenním osvětlením a vymezení měřícího rámečku. Dále bylo provedeno prahování a

přepnutí do pozorování v zeleném kanálu.

Prahování musí být pro všechny

fotografie stejné. Práh jsem určila tak,

aby byl odlišen pór od matrice.

Pozorování v zeleném kanálu je

vhodné kvůli shodnosti vlnových

délek zeleného světla a fluorescence.

Proto je kontrast při použití UV světla

lepší, než při použití světla dopadajícího.

Primární (dopadající) světlo

přispívá jen k modré složce a nikoli k zelené.

Na obrázku 26 je zachycen vzorek upravený pro obrazovou analýzu.

Obr 26 Výbrus vzorku č. 1 pozorovaný v dopadajícím světle upravený pro obrazovou analýzu.

Výsledky obrazové analýzy jsou uvedeny v tabulkách 4 a 5. Tabulka 4 obsahuje

hodnoty analýzy vzorku, který byl pozorován v dopadajícím viditelném světle. Hodnoty byly

získány v různých částech vzorku. Aritmetický průměr těchto hodnot je výsledná hodnota

porozity ve vzorku č. 1, tedy ve vzorku obsahující bramborový škrob.

Tabulka 4 Hodnoty naměřené Tabulka 5

na vzorku č. 1 pozorovaném v dopadajícím

viditelném světle

vzorek část plochy 1-1 0,60

1-2 0,53 1-3 0,57 1-4 0,62

průměr 0,51050510, 5 %

Výsledné hodnoty porozity jsou 50,5%

pro vzorek pozorovaný v dopadajícím viditelném světle a 59,3% pro vzorek pozorovaný

v UV procházejícím světle. Obě hodnoty se výrazně liší od hodnoty zdánlivé porozity, určené

pomocí kritéria hutnosti, která je 69,85%. [1] Vysvětlením

této odchylky je fakt, že díky nízké teplotě výpalu (700°C) [1],

vznikly mikropóry, které nejsme schopni obrazovou analýzou

zachytit.

Pro detailnější pozorování mikrostruktury byly snímány

fotografie výbrusů. Výbrusy byly pozorovány pří

procházejícím, viditelném světle při desetinásobném zvětšení. Pro dosažení lepšího kontrastu

mezi póry a matricí byly použity zkřížené polarizátory s λ-kompenzátorem.

vzorek část plochy 1-1 0,54 1-2 0,59 1-3 0,60 1-4 0,64

průměr 0,592559, 3 %

Obr 27 Výbrus vzorku č. 1 Obr 28 Výbrus vzorku č. 2

Obr 29 Výbrus vzorku č. 3 Obr 30 Výbrus vzorku č. 4

Na

všech výše uvedených fotografiích představují

tmavá místa matrici, světlá pak póry, trhliny, ale také krystaly z porcelánové hmoty C130.

Nejsme schopni jednoznačně rozlišit jen póry, a proto tyto fotografie nejsou vhodné pro

obrazovou analýzu. Ostatní barvy reprezentují anizotropní částice.

Z těchto fotografií je dobře vidět rozdíl mezi velikostí škrobových zrn. Na obrázku 27

jsou vidět dvě vzduchové bubliny, které ve vzorku zůstaly i přes to, že byl vzorek poměrně

dlouho odvzdušňován. Obrázky 28, 29 a 30 zachycují trhliny a velké množství anizotropních

částic.

Kvantifikace pórů vzorku č. 4 obsahujícího kukuřičný škrob byla provedena pomocí

fotografií ze skenovacího elektronového mikroskopu, a to při dvou různých zvětšení.

Fotografie byly pořízeny prof. RNDr. Ondrejem Gedeonem, Ph.D.

Před samotnou kvantifikací bylo třeba fotografie upravit. Snímky z elektronového

mikroskopu vždy obsahují šum, k jehož odstranění byl použit mediánový filtr. Tento filtr je

velmi účinný, a pokud je potřeba, lze tento filtr použít i několikrát za sebou. Mediánový filtr

nahrazuje hodnotu úrovně šedi daného pixelu mediánem úrovní šedi pixelů v jeho okolí

vymezeném maskou. [18] Prahování bylo provedeno tak, aby byl odlišen pór od matrice. Na

závěr byl do snímku umístěn měřící rámeček. Takto upravené fotografie jsou vidět na

obrázcích 31 a 33.

Porozitu lze také určit statisticky. Vytvořením sítě je získán určitý počet bodů. Ideální

síť je tak řídká síť, ve které leží v jednom póru jen jeden bod. Po úpravě zbydou na snímku

jen body, které leží uvnitř póru. Porozita je určena poměrem bodů v pórech k celkovému

počtu bodů v síti. Směrodatná odchylka je dána převrácenou hodnotou druhé odmocniny

z počtu bodů, které jsou uvnitř pórů. [19]

Vzorek č. 4 byl vyfocen při dvou zvětšeních. U obou zvětšení byla provedena

kvantifikace pórů statistickou metodou. Fotky upravené pro kvantifikaci statistickou metodou

jsou uvedeny na obrázcích 32 a 34. Výsledné hodnoty jsou uvedeny v tabulce 6.

Tabulka 6 Hodnoty získané statistickou metodou

zvětšenípočet

bodů v síti

počet bodů v pórech

porozita [%]

směrodatná odchylka

[%]

1 000 000 88 45 51,14 14,91

250 000 408 169 41,42 7,69

U vzorku pozorovaného při větším (1 000 000) zvětšení, byly od sebe body vzdáleny

10 µm. U vzorku, který byl pozorován při menším (250 000) zvětšení, byla vzdálenost mezi

body rovna 20 µm. Hodnota porozity vzorku č. 4 při větším zvětšení byla stanovena na

51% ± 15% a hodnota porozity vzorku č. 4 při menším zvětšení byla stanovena na 41% ± 8%.

Mohlo by se zdát, že jsou tyto dvě hodnoty odlišné, ale vzhledem k jejich odchylkám, se

intervaly obou hodnot protínají, proto lze tvrdit, že tyto dvě hodnoty jsou téměř totožné. I přes

to se ale obě hodnoty liší od hodnoty zdánlivé porozity, určené pomocí kritéria hutnosti, která

je 67,09%. [1] Vysvětlením této odchylky je fakt, že díky nízké teplotě výpalu (700°C) [1],

vznikly mikropóry, které nejsme schopni obrazovou analýzou zachytit, ani při takto velkém

zvětšení.

Pro srovnání jsou v tabulce 7 uvedeny hodnoty získané statisticky a hodnoty porozity

určené částí plochy.

Tabulka 7 Porovnání hodnot porozity získaných různými metodami

zvětšenístatistická metoda

část plochy

1 000 00051% ± 15% 49%

250 000 41% ± 8% 41%

Obr 31 Upravená fotografie vzorku č. 4 Obr 32 Upravená fotografie vzorku č. 4

při zvětšení 1 000 000 pro určení části plochy při zvětšení 1 000 000 pro statistickou

metodu

Obr 33 Upravená fotografie vzorku č. 4 Obr 34 Upravená fotografie vzorku č. 4

při zvětšení 250 000 pro určení části plochy při zvětšení 250 000 pro statistickou

metodu

5. ZÁVĚR

6. LITERATURA

[1] Kulhavý, L. Příprava porézní keramiky pro zářiče 137Cs. Diplomová práce, VŠCHT

Praha, 2013

[2] Petera, J. Moderní radioterapeutické metody. V. díl, Brachyterapie. 1. vydání. Brno:

Institut pro další vzdělávání pracovníků ve zdravotnictví, 1998

[3] Švec, J. Radioaktivita a ionizující záření; SNTL: Praha, 2005

[4] Pechoušek, M. Měření plochy povrchu pevných látek a určování její porozity metodou

sorpce plynu, katedra experimentální fyziky, Univerzita Palackého v Olomouci

[5] www.vscht.cz./uchop/CDmartin/5-fyzikalnechem/1.html

[6] Elssner, G.; Hoven, H.; Kiessler, G.; Wellner, P.; Ceramics and Ceramic Composites:

Materialographic Preparation. 1ed; Elsevier Science Inc.: New York, USA, 1999

[7] Bartuška, M. Příprava preparátů. In Technická mineralogie, VŠCHT v Čs. redakci VN

MON: Praha 1987

[8] H. Sehadová, Fluorescenční a konfokální mikroskopie. Biologické centrum AVČR, České

Budějovice, 2011

[9] http://www1.lf1.cuni.cz/~zfisar/fluorescence/Default.htm

[10] www.med.muni.cz/biofyz/files/vlzl/lectures/mikroskopie-finx.ppt

[11] http://www.chempoint.cz/fluorescencni-mikroskopie

[12] Herman, B. Fluorescence microscopy. 2ed., Springler-Verlog in association with Bios

Sientific publishers: USA, Canada, 2001

[13] http://www.operon.com/products/custom_oligos/modifications/fluorescentdyes.aspx

[14] Šafářová, K. Skenovací elektronová mikroskopie, Centrum pro výzkum materiálů,

Olomouc

[15] www.paru.cas.cz/lem/book/Podkap/7.0.html

[16] http://www.sharpertek.com/ultrasonic-cleaner-info-ultrasonic-cleaner-expert-answers--

faq-.html

[17] Lee, V. A. Příprava neaktivních keramik pro zářiče 137Cs. Diplomová práce, VŠCHT

Praha, 2012

[18] Hejtmánek, V.; Čapek, P.; Brabec, L.; Zikánová, A.; Kočiřík, M., Určování

mikrostrukturních deskriptorů z digitálních snímků pórovitých látek. Chemické listy 2009,

103 (6), 496-502.

[19] Russ, John C. The Image processing handbook, 5th ed., CRC Taylor and Francis Group,

2007