Біологічні та фізичні методи аналізу в біотехнології

Провести Вимірювання граней від зображення, що аналізується (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести Вимірювання поворотом (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести Віднімання фону від зображення, що аналізується (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести роботу із зображенням за допомогою функції «Поліноміальний фон» (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести роботу із зображенням за допомогою функції «Обертання дуги» (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести дослідження Кривизни (зберегти зображення та додати його до звіту).

Оформлення звіту результатів роботи

Скласти звіт у форматі Word. У звіті навести всі значення та зображення, що отримані в ході проведення роботи. Порівняти зміни на зображеннях із вихідним зображенням.

Зробити відповідні висновки.

Контрольні питання

1. Які базові дії є в пакеті Gwyddion при обробці зображень?

2. Які методи Вирівнювання є основними?

3. У чому полягає основна відмінність при обробці типами вирівнювання?

4. Суть функції Кривизни, основне що можна за допомогою неї отримати?

Лабораторна робота 6. Застосування методу підбору фільтрів для видалення шумів із зображення, застосовуючи програму gwyddion

Мета роботи - освоїти основи застосування методу підбору фільтрів для видалення шумів із зображення, застосовуючи програму Gwyddion

Теоретичні відомості

Інструмент основні фільтри дозволяє застосувати до вашого зображення декілька простих фільтрів. Це може бути вельми корисно для видалення шуму з даних; проте реально виміряні дані змінюються в процесі, і потрібна особлива акуратність щоб не видалити із зображення важливі деталі.

Інструмент «Основні фільтри»

Фільтр «середнє» - бере середнє значення в околі фільтрованого значення і підставляє як значення (Рис. 18).

Рис.18. Ілюстрація роботи в панелі «Середнє значення»

Фільтр «серединне» - бере серединне значення в околиці фільтрованого значення і підставляє як значення (Рис. 19 )

Рис.19. Ілюстрація роботи в панелі «Фільтр серединне»

Фільтр вибіркового видалення шуму - перевіряє, чи немає значення екстремумом в околиці. Якщо так, то замінює значення наступним найбільшим (найменшим) значенням (Рис.20).

Рис.20. Ілюстрація роботи в панелі «Середнє значення»

Фільтр Кувахари - фільтр згладжування, що зберігає грані (Рис. 21).

Рис.21. Ілюстрація роботи в панелі «Фільтри»

Гауссовий фільтр - згладжуючий фільтр, параметр розміру визначає повну ширину на половинній висоті кривої гауса. Співвідношення між повною шириною на половинній висоті і :

Ці фільтри застосовуватимуться до всього зображення. Але можна застосувати фільтр до окремої області вибравши її мишею. Це може бути корисно для корекції погано проміряних областей в хорошому зображенні. Щоб знову застосувати фільтр до всього зображення, просто клацніть мишею в будь-якому місці вікна зображення.

Більш того, в Gwyddion є ще функції видалення шуму, такі як видалення шуму дискретним вейвлет-перетворенням і фільтрація БПФ. Дивитеся розширене редагування даних для додаткової інформації.

Якщо потрібно просто видалити деякі значення на даних СЗМ, які очевидно невірні, можна також спробувати модулі Маска випадного і видалити дані під маскою.

Згортка

Обробка даних > Интегральніе перетворення > Фільтр згортки.

Рис.22. Ілюстрація роботи в панелі «Інтегральне перетворення»

Згортка з довільним ядром до 99 можуть вироблятися за допомогою модуля Фільтр згортки.

Текстове поле де дільник є загальний множник, на який діляться всі коефіцієнти перед вживанням фільтру.

Це дозволяє використовувати ненормалізовані коефіцієнти, які нерідко краще виглядають. Нормалізація також може бути розрахована автоматично коли встановлений галочку на відмітці - автоматично.

Якщо сума коефіцієнтів ненульова, це робить фільтр таким, що зберігає суму, тобто вона є множником, який нормалізує суму коефіцієнтів до одиниці. Коли сума коефіцієнтів дорівнює нулю, автоматичний чинник просто стає рівним 1.

Оскільки багато фільтрів, що використовуються, проявляють різні форми симетрії, коефіцієнти можуть бути автоматично доповнені відповідно до вибраного типа симетрії (парні, непарні). Доповнення відбувається при натисненні Enter в полі введення коефіцієнта.

Відразу після установки доступний лише приклад фільтру Identity (тотожність, він не дуже корисний, оскільки нічого не робить). цей фільтр не може бути змінений, щоб створити новий використовуйте кнопку Новий на вкладці Попередня установка.

Робота з зображеннями у пакеті Gwyddion

Файл відкрити та проаналізувати у програмному пакеті Gwyddion, що містить спеціальний модуль обробки та аналізу - «Базові дії» та «Інтерполяція». Кожне зображення являє собою двомірний масив даних.

Обробка здійснюється у програмі Gwyddion. Для аналізу зображень у програмі передбачений спеціальний модуль обробки. Для початку роботи загружаємо фай з будь-яким розширенням. Іншими словами ми проводимо імпортування даних. На даному етапі проводиться фіксування реальних фізичних розмірів. Так, як спочатку у верхньому вікні фіксується роздільна здатність зображення, яку потрібно представити у розмірах (наприклад ).

Для цього необхідно:

1. Запустити програму Gwyddion

2. З головного меню дістати вкладку «Файл» > «Відкрити файл»> «Імпортувати BMP (JPG та ін.)».

3. Завантажити файл з розширенням *. BMP (або інше).

4. У лівій частині екрану знаходиться вікно зі списком конкретних зображень - фреймів.. Для роботи з конкретним фреймом необхідно обрати його зі списку за допомогою миші.

5. На вкладці «Імпортувати BMP» фіксувати значення горизонтальних та вертикальних розмірів роздільної здатності для вибраного малюнку.

Обладнання

Комп'ютер з файлами, що містять експериментальні дані та встановленою програмою Gwyddion.

Порядок і рекомендації щодо виконання роботи

Відкрити програму Gwyddion у режимі перегляду файлів.

Обрати файли, що підлягають аналізу.

Роздивитися та зберегти вихідне зображення.

Завантажити зображень для аналізу у Gwyddion.

Провести роботу із зображенням за допомогою функції «Основні фільтри» - Фільтр «середнє» (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести роботу із зображенням допомогою функції «Основні фільтри» - Фільтр «серединне» (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести роботу із зображенням допомогою функції «Основні фільтри» - Фільтр вибіркового видалення шуму (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести роботу із зображенням допомогою функції «Основні фільтри» - Фільтр Кувахари (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести роботу із зображенням допомогою функції «Основні фільтри» - Гауссовий фільтр (зберегти зображення та додати його до звіту).

Провести Згортку від зображення, що аналізується (зберегти зображення та додати його до звіту).

Оформлення звіту результатів роботи

Скласти звіт у форматі Word. У звіті навести всі значення та зображення, що отримані в ході проведення роботи. Порівняти зміни на зображеннях із вихідним зображенням.

Зробити відповідні висновки.

Контрольні питання

Який інструмент відповідає є в пакеті Gwyddion за фільтри?

Які види фільтрів є основними?

У чому полягає основна відмінність при обробці «Основними фільтрами»?

Суть функції Згортка?

Лабораторна робота № 7. Дослідження поверхні графітового електроду, що покритий біологічною плівкою за допомогою електронного растрового мікроскопа РЕМ-103

Мета роботи - ознайомитись з будовою електронного растрового мікроскопа РЕМ-103, навчитися отримувати мікроелектронні фотографії поверхні на прикладі графітового електроду, що покритий біологічною плівкою при різних збільшеннях, оцінити розміри об'єктів.

Теоретичні відомості

Сучасні оптичні мікроскопи, що використовують світлові промені, представляють собою досконалі прилади, які дозволяють отримувати великі збільшення. Проте підвищення кратності оптичного мікроскопу обмежене його роздільною здатністю. Роздільна здатність є основною характеристикою якості будь-якого мікроскопа і визначається відстанню, на якій два сусідні елементи зразка ще можна бачити роздільно.

Для сучасного оптичного мікроскопа з використанням ультрафіолетового світла з довжиною хвилі л = 3000 ? роздільна здатність складає 0,2 мкм. Тому дослідження субмікронних елементів зразка за допомогою оптичного мікроскопа неможливе.

В електронному мікроскопі, на відміну від оптичного, для отримання зображення об'єкта використовують потік швидких електронів. Джерелом електронів служить металевий катод (зазвичай вольфрам), з якого після його нагрівання в результаті термоелектронної емісії випромінюються електрони. Прискорення електронів здійснюється за допомогою великого електричного поля між анодом і катодом. Фокусування електронних пучків, їх відхилення в будь-якому напрямку проводять за допомогою неоднорідних електричних і магнітних полів, що створюються “електронними лінзами”.

Необхідною умовою руху електронів у вигляді пучка на велику відстань є створення на їх шляху вакууму, оскільки в цьому випадку середня довжина вільного пробігу електронів між зіткненнями з газовими молекулами буде значно перевищувати відстань, на яку вони повинні бути переміщені. Для цього в робочій камері достатньо підтримувати вакуум на рівні 10-4 Па.

В залежності від виду електронних лінз електронні мікроскопи діляться на магнітні, електростатичні і комбіновані.

По характеру досліджень об'єктів електронні мікроскопи розділяються на просвічуючі, відбивальні, емісійні, растрові, тіньові і дзеркальні.

В даній лабораторній роботі використовується растровий електронний мікроскоп.

Растровий електронний мікроскоп є універсальним приладом, який дозволяє досліджувати і аналізувати мікроструктурні характеристики твердих тіл з роздільною здатністю від 50 до 300 ?.

Велика глибина фокусу, що властива растровому електронному мікроскопу, дозволяє здійснювати стереоспостереження тривимірних об'єктів і отримувати кількісні характеристики топографії поверхні. Такі властивості мікроскопа дають більш повну інформацію про зразок.

В основі роботи растрового електронного мікроскопа лежить принцип сканування досліджуваної поверхні тонким електронним пучком (зондом), положенням якого керують за допомогою електромагнітних полів. Це сканування аналогічно процесу розгортки в телевізійних кінескопах. Електронний зонд послідовно проходить по поверхні досліджуваного зразка і дає інформацію про різні властивості мікроучастків об'єкту.

При взаємодії електронного пучка з об'єктом виникає декілька видів випромінювання - вторинні і відбиті електрони, електрони, що пройшли крізь об'єкт (якщо він тонкий), рентгенівське випромінювання. Будь-яке з цих випромінювань може реєструватись відповідним детектором.

Растровий електронний мікроскоп РЕМ-103

Застосування

Електронний растровий мікроскоп РЭМ-103 призначений для отримання інформації о топографії поверхні, електронних характеристиках, мікроструктурі, дефектах кристалічної структури досліджуваного об'єкту.

Основні технічні дані та характеристики

При роботі на РЕМ-103 температура оточуючого повітря повинна складати от 10 до 35єС, відносна вологість повітря - до 60%.

Живлення мікроскопу здійснюється від сіті 3-х фазного змінного струму напруженням 220 ±22 В, частота 50±1 Гц.

Граничний залишковій тиск в колонні мікроскопа складає 6,7•10-4 Па (5•10-6 мм. рт. ст.).

Вакуумна система утворює вакуум до 6,7•10-4 Па (5•10-6 мм. рт. ст.) через 30 хвилин після включення.

Діапазон збільшення мікроскопа - 10х - 300000 х .

Будова і робота мікроскопа

Растровий мікроскоп РЕМ-103 складається з наступних частин: колони, вакуумної системи, пристрою електроживлення, блоку електроніки.

В колонні мікроскопа розташована електронно-оптична система мікроскопа (рис. 23), яка складається з джерела електронів - електронної пушки (1), польових діафрагм (2), системи магнітних лінз (3); конденсорної лінзи (4), апертурної діафрагми (5), об'єктивної лінзи (6).

Вакуумна система, що складається з форвакуумного та високовакуумного насосів, забезпечує в колонні мікроскопа вакуум потрібної глибини.

Пучок електронів емітується з катода електронної пушки (1) і прискорюється електричним полем напруженістю 1-50 кВ, що прикладається між катодом електронної пушки (1) і анодом (8). Польові діафрагми (2) і магнітні лінзи (короткі котушки) (3) “відрізають” від променя електрони з великими кутами розсіяння і фокусують пучок. За допомогою конденсорної (4) та об'єктивної (6) лінз електронний зонд відображається в площині досліджуваного зразка (7). Апертурна діафрагма (5) визначає розмір плями електронного зонда на зразку.

Вторинні електрони, що випромінюються зразком (7) при бомбардуванні електронним пучком, потрапляють на фотоелектронний помножувач (ФЕП) (9), після якого підсилений сигнал передається для аналізу до блока електроніки (10). Результуюча картина поверхні зразка спостерігається на моніторі комп'ютера.

1 - електронна пушка, 2 - польові діафрагми, 3 - магнітні лінзи, 4 - конденсорна лінза, 5 - апертурна діафрагма, 6 - об`єктивна лінза, 7 - зразок, 8 - анод, 9 - ФЕП, 10 - блок електроніки

Рис. 23. Блок-схема РЕМ-103

Порядок виконання роботи

Ознайомитися з будовою та принципом роботи електронного растрового мікроскопа РЕМ-103.

Обрати об'єкт дослідження з характерними особливостями рельєфу - графітовий електрод, що покритий біологічною плівкою.

Виділити досліджувану область на зразку.

Отримати фотографії зображень виділеної області при різних збільшеннях.

Оформлення звіту результатів роботи

Скласти звіт у форматі Word. Результати оформити у вигляді таблиці наступного виду

Провести аналіз отриманих зображень зразка - провести оцінку довжини L, ширини d.

Зробити відповідні висновки.

Контрольні питання

Який параметр визначає якість мікроскопу?

Чому неможна використовувати оптичний мікроскоп для дослідження об'єктів субмікронних розмірів?

Які величини роздільної здатності оптичного і електронного мікроскопів?

Чому необхідною умовою створення електронного променя в електронному мікроскопі є створення вакууму в колонні мікроскопа?

Що таке середня довжина вільного пробігу електронів?

Якої глибини вакуум повинен бути в колонні електронного мікроскопа?

Які складові входять до електронно-оптичної системи растрового електронного мікроскопа РЕМ-103?

Яким чином відбувається отримання зображення в растровому електронному мікроскопі РЕМ-103?

Чим відрізняються зображення, отримані на оптичному і електронному мікроскопах?

Рекомендована література

1. Petr Klapetek, David NeЎcas, Christopher Anderson. Руководство пользователя Gwyddion. - 2009 р. - 121 с.

2. Л. Энгель, Г. Клингель. Растровая электронная микроскопия. Справочник. - М:, «Металлургия», - 1986, - 200 с.

3. Основи сканирующей силовой микроскопии. www.ntmdt.com/spm-basics

Размещено на Allbest.ru