Master's Thesis

Design of the fluorescence microscope for carbon nanotubes spectroscopy

Final Thesis 5.84 MB

Author of thesis: Ing. Ján Borovský

Acad. year: 2013/2014

Supervisor: Ing. Jan Novotný, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Karel Novotný, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with design, implementation and testing of fluorescence microscope intended for carbon nanotubes spectroscopy. Theory of fluorescence resulting from solid state physics and atomic structure of nanotubes is briefly discussed. The basic idea, optical scheme and optical elements used in the fluorescence microscope are described based on requirements resulting from the theory. The thesis mentions the sample preparation procedure and measurements of its optical activity as well. Realized microscope is usable for fluorescence measurements within the supposed range of wavelengths as was proved by testing.

Keywords:

carbon nanotubes, characteristic fluorescence, microscope, near-infrared region

Date of defence

24.6.2014

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znakmkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Study field

Physical Engineering and Nanotechnology

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Novotný, Ph.D.

Autor práci o celkovém počtu 79 stran rozdělil do 5 kapitol, jimž předchází úvod a navazuje závěr, seznamy zkratek, obrázků a použité literatury. První dvě kapitoly představují teoretickou část práce. Zabývají se fyzikálními principy fluorescence a vysvětlují podstatu uhlíkových nanotrubiček a jejich fluorescenčních vlastností. V dalších kapitolách pak autor nejprve definuje požadavky na fluorescenční mikroskop a následně popisuje vlastní řešení zadané problematiky. Je zde rozebrán návrh mikroskopu z optického i konstrukčního hlediska a volba použitých komponent. Následuje kapitola popisující vzorky a jejich přípravu. Poslední kapitola je věnována testování mikroskopu. Takovéto členění práce považuji za logické a přehledné.

K obsahu jednotlivých částí nemám připomínek. Z teoretických kapitol je patrné, že autor se na tématiku dobře připravil a poznatky dokázal do textu vhodným způsobem promítnout. Míra zanoření do teorie dané problematiky je napříč podkapitolami vcelku vyvážená. Celkově je text čtivý, srozumitelný a jednotlivé části dobře navazují. Gramatické i syntaktické chyby jsem zaznamenal jen velmi sporadicky.

Během experimentálního řešení diplomové práce autor prokázal vysokou míru samostatnosti. Veškeré plánování a aktivity probíhaly zcela v jeho režii a velmi pružně reagoval na průběžné výsledky experimentů či objevené skutečnosti. Dokázal se vyrovnat se všemi aspekty řešené problematiky, počínaje testovacím měřením Ramanovou spektroskopií, dále optickým návrhem mikroskopu, volbou elektroniky detektoru, po samostatnou přípravu vzorků a realizaci fluorescenční spektroskopie.

Ačkoli ve stanoveném čase nebylo získáno fluorescenční spektrum samotných nanotrubiček, považuji hlavní cíle práce za splněné. Celkově bych činnost autora a úroveň jeho výstupu v podobě diplomové práce ohodnotil stupněm A.
Evaluation criteria Mark
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Karel Novotný, Ph.D.

První část práce se podrobně avšak adekvátně k řešené problematice věnuje oblasti interakce elektromagnetického záření s pevnými látkami, elektronovým přechodům a s nimi spojené absorpci a luminiscenci. Kapitola je nicméně primárně zaměřená na fluorescenci – což je z hlediska cílů diplomové práce pochopitelné. Přesto bych zde uvítal také podrobnější zmínku k Ramanově rozptylu, neboť tato technika byla v experimentální časti využita u vzorků uhlíkových nanotrubiček k ověření jejich optické aktivity. Další kapitola je věnována uhlíkovým nanotrubičkám, metodám jejich syntézy, jejich výjimečným vlastnostem a struktuře. Předností této části je vysvětlení vztahu mezi elektronovou strukturou a optickými vlastnostmi u metalických a polovodičových typů uhlíkových nanotrubiček. První dvě kapitoly lze tedy považovat na teoretickou část práce (ačkoliv práce takto není rozdělena). Tato část je napsána přehledně a srozumitelně, přiměřeně k řešenému tématu. Objevuje se zde řada matematických vztahů a odvození, u kterých nejsou uvedeny zdroje. Je zde několik chybných odkazů na obrázky (str. 34). Odkazy na konci vět jsou někdy před tečkou, někdy za tečkou, někdy je dokonce tečka mezi nimi ! (str. 31).
V další části se autor věnuje návrhu fluorescenčního mikroskopu. Na základě poznatků z literatury předpokládá využití fluorescence uhlíkových nanotrubiček v blízké infračervené oblasti (NIR) při excitaci vzorku laserovým záření v ultrafialové (Nd:YAG laser pulzní, na 4. harmonické frekvenci) nebo viditelné oblasti (diodou čerpaný Nd:YAG laser na 2. harmonické frekvenci, diodový laser 635 nm). Pro sestavení zařízení bylo využito 30 mm klecového systému od firmy Thorlabs. Pro testování funkčnosti sestavy byl zvolen vzorek nanotrubiček od firmy NanoIntegris, Inc. připravené metodou rozkladu oxidu uhelnatého ve vysokotlakém reaktoru a s průměry v rozmezí 0,8 – 1,2 nm. Podrobnější charakterizace vzorku by byla namístě, i když je možné, že informace od výrobce nebyly dostupné. U spektrofotometrického měření absorbance není uveden typ přístroje, na kterém bylo absorpční spektrum naměřeno u mapování rozložení nanotrubiček pomocí Ramanovy spektrometrie není uvedeno prostorové rozlišení (velikost ozařované plochy).
Samotný popis konstrukce zařízení včetně testování funkčnosti je prezentován přehlednou a názornou formu s využitím řady obrázků a nákresů. Student v práci prokázal schopnost tvůrčího přístupu k řešení praktické problematiky s využitím informací z odborné literatury a projevil značnou invenci při návrhu a realizaci nového zařízení. Z práce je zřejmé, že musel prokázat nejen značnou experimentální zručnost ale také dobrou orientaci při výběru vhodných komponent i přes to, že zkonstruované zařízení nevykazuje doposud dostatečnou citlivost pro plánovanou aplikaci. Dá se předpokládat, že po dalším zdokonalení (především vybavení citlivějším detektorem) bude zařízení schopno sloužit požadovanému úkolu – fluorescenční detekci uhlíkových nanotrubiček. Drobnou výtkou této práce tedy snad může být pouze fakt, že student při konstrukci poněkud podcenil náročnost detekce slabých signálů fluorescence v NIR oblasti a použití fotodiody jako detektoru v takovém zařízení se jeví jako neadekvátní.
Evaluation criteria Mark
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A

Grade proposed by reviewer: A