Środowiskowe Laboratorium Mikroskopii Katodoluminescencyjnej

Instytut Paleobiologii Polskiej Akademii Nauk
ul. Twarda 51/55, 00-818 Warszawa
tel. 22 697 8879; e-mail: stolacy@twarda.pan.pl
Kierownik: Jarosław Stolarski

Laboratorium prowadzi badania biominerałów jako źródła inspiracji dla nowych biokompatybilnych, nanokompozytowych materiałów funkcjonalnych.

Podstawowym instrumentem badawczym Środowiskowego Laboratorium Mikroskopii Katodolumienscencyjnej w Instytucie Paleobiologii PAN jest mikroskop katodoluminescencyjny HC5-LM z gorącą katodą firmy Lumic (http://www.lumic.de). Mikroskop sprzężony jest z systemem spektroskopowym UVVIS firmy Princeton Instruments (Acton Series SP-2356), oraz chłodzoną powietrzem, kolorową kamerą CCD KAPPA DX 40-285 CL. Konstrukcja urządzenia oparta jest na korpusie mikroskopu optycznego firmy OLYM PUS wyposażonego w trzy obiektywy achromatyczne (powiększenia 5x, 10x i 20x) oraz nasadki mono- oraz trinokularową. Najważniejszą modyfikacją mikroskopu jest stolik, który w przypadku HC5-LM tworzy stożkowa komora próżniowa opatrzona wieczkiem z okienkiem ze szkła ołowiowego. Próżnię o wartości < 10-5 mbar zapewnia system pomp próżniowych, tj. pompa rotacyjna i pompa turbomolekularna. W komorze próżniowej umieszczony jest właściwy stolik mikroskopowy poruszany zewnętrznymi śrubami regulacyjnymi oraz działo elektronowe znajdujące się u podstawy komory. Preparat przeznaczony do pomiarów to bardzo cienki, odkryty szlif petrograficzny (około 20 mikrometrów grubości), napylony kilkunanometrowej grubości powłoką węgla i umieszczony stroną odkrytą w kierunku podstawy stożka. Na tę powierzchnię kierowana jest wiązka elektronowa emitowana przez działo elektronowe z tzw. gorącą katodą (termokatodą). Termokatoda emituje elektrony pod wpływem nagrzania do wysokiej temperatury (emisja na drodze termojądrowej). W porównaniu do tradycyjnych mikroskopów katodoluminescencyjnych z zimną katodą, która emituje elektrony bez zewnętrznego podgrzewania, mikroskop z gorącą katodą daje dużo większe możliwości regulacji czystej wiązki elektronów (zimna katoda poza elektronami emituje też kationy).

Elektrony bombardujące powierzchnię próbki wzbudzają w niektórych materiałach emisję światła widzialnego, czyli wywołują ich luminescencję. Zjawisko to najczęściej ma związek z obecnością w próbce defektów strukturalnych lub substancji określanych jako aktywatory luminescencji. Na przykład w skałach lub biominerałach węglanowych, aktywatorem luminescencji jest mangan, który wymaga stosunkowo niskiej energii wiązki elektronów. Z kolei luminescencja kwarcu wymaga dużo wyższej energii wiązki. Możliwość regulacji mocy czystej wiązki elektronów pozwala na uzyskiwanie dużo wyższej jakości obrazów luminescencyjnych w porównaniu do mikroskopów z zimną katodą. Katodoluminescencja pozwala wykryć minimalną ilość aktywatorów w próbce, rzędu kilku ppm. Jest to więc idealna metoda do badania struktur które w trakcie wzrostu absorbowały pierwiastki śladowe lub pierwiastki ziem rzadkich z roztworów o minimalnych różnicach ich koncentracji. Jest to typowe dla wzrastających szkieletów organizmów (biominerałów), a także kolejnych etapów procesów diagenezy (przekształcania) pierwotnych struktur minerałów.

Publikacje, które ukazały się w oparciu o wyniki uzyskane w Laboratorium Mikroskopii Katodoluminescencyjnej

1. Katarzyna Frankowiak, Xingchen T. Wang, Daniel M. Sigman, Anne M. Gothmann, Marcelo V. Kitahara, Maciej Mazur, Anders Meibom and Jarosław Stolarski, "Photosymbiosis and the expansion of shallow-water corals", Sciences Advances, 2016, link
2. Przemysław Gorzelak, Tomasz Krzykawski, Jarosław Stolarski, "Diagenesis of echinoderm skeletons: Constraints on paleoseawater Mg/Ca reconstructions", Global and Planetary Change, 2016 link
3. Anna Maria Addamo, Agostina Vertino, Jaroslaw Stolarski, Ricardo García-Jiménez, Marco Taviani, and Annie Machordom, "Merging scleractinian genera: the overwhelming genetic similarity between solitary Desmophyllum and colonial Lophelia" , BMC Evolutionary Biology, 2016 link
4. Katarzyna Frankowiak, Sławomir Kret, Maciej Mazur, Anders Meibom, Marcelo V. Kitahara, Jarosław Stolarski, "Fine-Scale Skeletal Banding Can Distinguish Symbiotic from Asymbiotic Species among Modern and Fossil Scleractinian Corals", PLOS ONE, 2016, link
5. Anne M. Gothmann, Jarosław Stolarski, Jess F. Adkins, Blair Schoene, Kate J. Dennis, Daniel P. Schrag, Maciej Mazur, Michael L. Bender, Fossil corals as an archive of secular variations in seawater chemistry since the Mesozoic, Geochimica et Cosmochimica Acta, 160 (2015) 188–208, link
6. Gorzelak P. & Zamora S. Stereom microstructures of Cambrian echinoderms revealed by cathodoluminescence (CL). Palaeontologia Electronica. 2013; 16 (3): 32A, 1-17. link
7. Frankowiak K., Mazur M., Gothmann A., Stolarski J. Diagenetic alteration of the Triassic coral from aragonite-Konservat-Lagersätte in Alakir Çay, Turkey: Implications for geochemical measurements. Palaios. 2013; 28:333-342. link
8. Roberto Arrigoni, Yuko F. Kitano, Jaroslaw Stolarski, Bert W. Hoeksema, Hironobu Fukami,Fabrizio Stefani, Paolo Galli, Simone Montano, Elisa Castoldi and Francesca Benzoni, A phylogeny reconstruction of the Dendrophylliidae (Cnidaria, Scleractinia) based on molecular and micromorphological criteria, and its ecological implications, Zoologica Scripta Volume 43, Issue 6, pages 661–688, November 2014. (link)
9. Janiszewska, K., Jaroszewicz, J., Stolarski, J. Skeletal ontogeny in basal scleractinian micrabaciid corals. Journal of Morphology 2013; 274(3):243-257. link