Що таке зонд в атомно-силовому мікроскопі.

Кувайцев Олександр В'ячеславович
Димитровградський інженерно-технологічний інститут філія національного дослідницького ядерного університету «МІФІ»
студент

Анотація
У статті описується принцип роботи зондового мікроскопа. Це принципово нова технологія, здатна вирішувати проблеми у таких різних галузях, як зв'язок, біотехнологія, мікроелектроніка та енергетика. Нанотехнології в мікроскопії дозволять значно зменшити обсяг споживання ресурсів і не вплинуть на навколишнє середовище, вони відіграватимуть провідну роль у житті людства, як, наприклад, комп'ютер став невід'ємною частиною життя людей.

Кувайцев Олександр Виячеславович
Димітровград Engineering and Technological Institute of National Research Nuclear University MEPHI
student

Abstract
Цей article describes the principle of a probe microscope. Це нова технологія, яка може вирішити проблеми в таких різних областях як комунікацій, biotechnology, microelectronics і energy. Nanotechnology в microscopy буде значною мірою зменшити consumption ресурсів і не отримувати pressure на навколишньому середовищі, вони будуть грати в управлінні роллю в людському житті, як для прикладу, комп'ютер стає як загальна частина людей.

Бібліографічне посилання на статтю:
Кувайцев А.В. Скануючі зондові мікроскопи: види та принцип роботи // Сучасні наукові дослідження та інновації. 2016. №10 [Електронний ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2016/10/72717 (дата звернення: 06.11.2024).

У 21-му столітті стрімко набирають популярність нанотехнології, які проникають у всі сфери нашого життя, але прогресу в них не було б без нових, експериментальних методів досліджень, одним із найбільш інформативних є метод скануючої зондової мікроскопії, яку винайшли та поширили нобелівські лауреати 1986 року. - Професор Генріх Рорер і доктор Герд Бінніг.

У світі відбулася справжня революція з появою методів візуалізації атомів. Стали з'являтися групи ентузіастів, котрі конструювали свої прилади. У результаті вийшло кілька успішних рішень для візуалізації результатів взаємодії зонда з поверхнею. Було створено технології виробництва зондів з необхідними параметрами.

Так що ж є зондовий мікроскоп? У першу чергу це безпосередньо зонд, який досліджує поверхню зразка, так само необхідна система переміщення зонда щодо зразка у двовимірному або тривимірному поданні (переміщається X-Y або X-Y-Z координатами). Все це доповнює реєструюча система, яка фіксує значення функції, яка залежить від відстані від зонда до зразка. Реєструюча система фіксує та запам'ятовує значення по одній з координат.

Основні типи скануючих зондових мікроскопів можна розділити на 3 групи:

1. Скануючий тунельний мікроскоп – призначений для вимірювання рельєфу провідних поверхонь з високою просторовою роздільною здатністю.
   У СТМ гостра металева голка проводиться над зразком на дуже малій відстані. При подачі на голку невеликого струму між нею та зразком виникає тунельний струм, величину якого фіксує реєструюча система.Голка проводиться над усією поверхнею зразка та фіксує найменші зміни тунельного струму, завдяки чому вимальовується карта рельєфу поверхні зразка. СТМ перший із класу скануючих зондових мікроскопів, інші були розроблені пізніше.
2. Скануючий атомно-силовий мікроскоп – використовується для побудови структури поверхні зразка з роздільною здатністю до атомарного. На відміну від СТМ за допомогою цього мікроскопа можна досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні. Через здатність не тільки сканувати, а й маніпулювати атомами, названий силовим.
3. Близькопольний оптичний мікроскоп – «удосконалений» оптичний мікроскоп, що забезпечує дозвіл краще ніж у звичайного оптичного. Підвищення дозволу БОМу було досягнуто шляхом уловлювання світла від об'єкта, що вивчається, на відстанях менших, ніж довжина хвилі. Якщо зонд мікроскопа забезпечений пристроєм для сканування просторового поля, такий мікроскоп називають скануючим оптичним мікроскопом ближнього поля. Такий мікроскоп дозволяє отримати зображення поверхонь і з дуже високою роздільною здатністю.

На зображенні (рис. 1) показано найпростішу схему роботи зондового мікроскопа.

Рисунок 1. – Схема роботи зондового мікроскопа

Його робота заснована на взаємодії поверхні зразка із зондом, це може бути кантилевер, голка або оптичний зонд. При малій відстані між зондом і об'єктом дослідження дії сил взаємодії, такі як відштовхування тяжіння і т.д., і прояв ефектів, таких як тунелювання електронів, можна зафіксувати за допомогою засобів реєстрації. Для детектування цих сил використовуються дуже чутливі сенсори, здатні вловити найменші зміни.П'єзрубки або плоскопаралельні сканери використовуються як система розгортки по координатах для отримання растрового зображення.

До основних технічних складнощів при створенні зондувальних мікроскопів, що сканують, можна віднести:

1. Забезпечення механічної цілісності
2. Детектори повинні мати максимальну чутливість
3. Кінець зонда повинен мати мінімальні розміри
4. Створення системи розгортки
5. Забезпечення плавності зонда

У більшості випадків отримане скануючим зондовим мікроскопом зображення погано піддається розшифровці через спотворення при отриманні результатів. Як правило, необхідна додаткова математична обробка. Для цього використовується спеціалізоване ПЗ.

В даний час скануюча зондова та електронна мікроскопія використовуються як доповнюють один одного методи дослідження через ряд фізичних і технічних особливостей. За минулі роки застосування зондової мікроскопії дозволило отримати унікальні наукові дослідження у галузях фізики, хімії та біології. Перші мікроскопи були лише приладами – індикаторами, що допомагають у дослідженнях, а сучасні зразки це повноцінні робочі станції, що включають до 50 різних методик дослідження.

Головним завданням цієї передової техніки є отримання наукових результатів, але застосування можливостей цих приладів практично потребує високої кваліфікації від фахівця.

1. Скануючий зондовий мікроскоп. [Електронний ресурс]. URL: https://ua.wikipedia.org/wiki/Скануючий_зондовий_мікроскоп (дата звернення 23.10.2016).
2. Скануючий атомно-силовий мікроскоп. [Електронний ресурс]. URL: https://ua.wikipedia.org/wiki/Скануючий_атомно-силовий_мікроскоп (дата звернення 23.10.2016).
3. Скануючий тунельний мікроскоп.[Електронний ресурс]. URL: https://ua.wikipedia.org/wiki/Скануючий_тунельний_мікроскоп (дата звернення 23.10.2016).
4. Скануюча зондова мікроскопія біополімерів / За редакцією І. В. Ямінського, - М.: Науковий світ, 1997, - 86 с.
5. Миронов У. Основи скануючої зондової мікроскопії / У. Миронов, – М.: Техносфера, 2004, – 143 з.
6. Риков С. А. Сканувальна зондова мікроскопія напівпровідникових матеріалів / С. А. Риков, - СПБ: Наука, 2001, - 53 с.

© Якщо ви виявили порушення авторських або суміжних прав, будь ласка, негайно повідомте нам про це електронною поштою або через форму зворотнього зв'язку.

Зв'язок із автором (коментарі/рецензії до статті)

Залишити коментар

Ви повинні авторизуватись, щоб залишити коментар.

Якщо Ви ще не зареєстровані на сайті, Вам необхідно зареєструватися:

2024. Електронний науково-практичний журнал «Сучасні наукові дослідження та інновації».

Сканувальні зондові мікроскопи: атомно-силовий та капілярний

У лабораторному корпусі А на другому поверсі можна знайти чотири кімнати, заповнені мікроскопами — це лабораторія професора кафедри фізики полімерів та кристалів Ігоря Володимировича Ямінського. Тут можна знайти капілярні та атомно-силові мікроскопи, у тому числі один із перших, зроблених у Росії.

Офіційна назва: атомно-силовий мікроскоп, а точніше – скануючий зондовий мікроскоп. Ця назва поєднує в собі різні види мікроскопії: атомно-силову (АСМ), тунельну, магнітно-силову, електросилову, резистивну, п'єзоелектричну, ближнього поля та багато інших видів.В обсязі нанометрів ці методи дозволяють вивчати практично всі фізичні властивості матеріалів (механічні, топографічні, електричні та магнітні властивості).

Також можна вивчати і хімічні властивості - реакції, що відбуваються локально на поверхні (наприклад, на поверхні зразка, при подачі на кінчик зонда електричної напруги). Як приклад такої реакції можна навести локальне анодне окиснення. Ми працюємо з локальним анодним окисленням графіту, титану та кремнію. Виходить метод запису інформації з точністю порядку нанометрів. Можна навіть зробити малюнки з такою точністю за трьома координатами — виходить двомірна і навіть тривимірна картинка.

Наш прилад називається багатофункціональний скануючий зондовий мікроскоп ФемтоСкан, і ми називаємо його просто ФемтоСкан. Фемто - це приставка, що позначає 10 мінус 15 ступеня. Хороший, правильний мікроскоп - це той, який дозволяє вивчати відстані в 10^(-15) метра, струми в 10^(-15) ампер, і прикладати силу до зразка, що вивчається, порядку 10^(-15) ньютонів. А якщо робити на базі скануючого мікроскопа ємнісної, то точність має бути 10^-15 фарад.

Тобто правильно побудований мікроскоп повинен мати ось таку чутливість, 10^(-15). Іноді такий мікроскоп називають наномікроскопом - це тотожно фемтоскану, тому що мікро - це 10 (-6), нано - 10 (-9), а разом виходить 10 (-15).

Мал. 1. Скануючий атомно-силовий мікроскоп ФемтоСкан працює у звичайних лабораторних умовах. Пара хвилин та мікроскоп налаштований, зразок встановлений.

Як і у більшості приладів: механіка, електроніка та програмне забезпечення.Все, крім використовуваного комп'ютера, робимо самі, це наша власна технологія, російська. Механіку починали робити у механічних майстернях фізфаку. Схемотехніка електроніки теж цілком оригінальна.

Якщо говорити про мікромеханіку, то є дві ключові речі. Перша — кантилевер, балка, закріплена з одного боку. Можна навести аналогію у вигляді розвідних мостів у Санкт-Петербурзі, які також закріплені з одного боку — кантилеверні мости. У літака крило — теж кантилевер. У фігурному катанні теж є елемент, коли фігуристка вигинається назад, і виходить така собі подоба катилевера.

У нашому випадку кантилевер - пружна балка довжиною приблизно 100-250 мікронів, шириною 35 мікронів і товщиною порядку одиниць мікронів. На вільному кінці балки знаходиться гостра голка, зонд. Бажано робити так, щоб на закінчення голки був один атом, тобто, щоб поверхня сканувалася за допомогою одного єдиного атома.

Мал. 2. Вимірювальна головка високошвидкісного атомно-силового мікроскопа ФемтоСкан Х. Лазерний промінь налаштований на кінчик кантилевера — червона пляма у центрі кадру.

Друга важлива річ – це модуль переміщення зразка. Ми більше любимо сканувати зразком при нерухомому кантилевері, хоча можна і навпаки. Це дозволяє досягти вищої точності, оскільки оптична система мікроскопа у разі нерухома. Для переміщення зразка ми використовуємо п'єзокерамічний маніпулятор. У простому випадку це може бути спеціальна трубка, яка переміщує зразок за 3 координатами, або, наприклад, можна використовувати планарний п'єзосканер.У дуже точних сканерів переміщення можуть бути в діапазоні від 1 мкм до 10-150 мкм у площині і 1-40 мкм по висоті - в цьому діапазоні розмірів ми можемо сканувати поверхню зразка.

Мал. 3. Загальний вигляд механічної системи високошвидкісного атомно-силового мікроскопа ФемтоСкан Х: вимірювальна голівка вгорі, система сканування внизу.

Ми часто говоримо про аналогію між грамофонним програвачем та атомно-силовим мікроскопом. У них багато спільного: є голка, яка ковзає по поверхні та відстежує рельєф, а далі за допомогою перетворювача можна запустити програвання звуку. Ми теж можемо послухати, як звучать різні поверхні — з гарним музичним слухом вдається навіть відрізнити просто шорстку поверхню від кристалічних ґрат, наприклад. За допомогою цього можна отримувати додаткову інформацію про об'єкт та якість сканування.

Ми самі написали всі програми, які використовуємо на комп'ютері, але сам мікроскоп має ще внутрішній комп'ютер. Тут може бути два варіанти.

Спочатку ми робили мікроскопи на цифровому сигнальному процесорі компанії Analog Devices – це приблизно такий самий мікропроцесор, який встановлюється у мобільні телефони. Керувати мікроскопом безпосередньо з комп'ютера погано, тому що комп'ютер дає тимчасові затримки, а нам потрібно в реальному часі отримувати сигнал. Це дозволяє зробити сигнальний процесор - на ньому була "побудована" друга модель нашого мікроскопа ФемтоСкан.

Зараз ми перейшли на програмування логічних інтегральних схем (ПЛІС) — набір окремих логічних блоків, які ми апаратно програмуємо, щоб швидко знімати та обробляти інформацію, формувати сигнали, що управляють.Зараз ми працюємо на кристалі із тактовою частотою 100 МГц, обробка сигналів йде на 1 МГц. Виходить така швидка електроніка, яка дозволяє отримувати кадри великого розміру - це може бути 1000 на 1000 або 2000 на 2000 пікселів, зображення виходить детальне. Коли голка швидко їде поверхнею, ми можемо відстежувати найдрібніші елементи, аж до положення кожного атома.

Мал. 4. Програмне забезпечення для управління мікроскопа та отримання даних – ключовий елемент мікроскопа. На робочому місці студент кафедри фізики полімерів та кристалів Андрій Ужегов.

ПЛІС дають надзвичайну гнучкість у створенні правильних алгоритмів. У мене на фізичному факультеті захистив бакалаврську роботу Корнілов Дмитро Володимирович — його робота мала назву «Програмні алгоритми високошвидкісного скануючого зондового мікроскопа». Він реалізував програмним чином новий режим сканування, коли голка відводиться від зразка, а потім падає вниз на постійній або змінній швидкості. Таким методом дуже точно визначається момент торкання, причому це може бути або безпосередньо момент торкання, або сильніший торкання (вибираємо самі, щоб не було сильної руйнівної дії, як правило). Після цього голка відсувається назад, зсувається координатою XY. Виходить таке сканування, ніби йдемо на зразок голкою швейної машинки. Таким чином, можна сканувати м'які поверхні, бачити деталі та відростки на поверхні бактерій, і навіть подвійну спіраль ДНК. У цьому методі падає швидкість сканування, але зростає роздільна здатність. Назвали ми його «флірт-мода», бо відбувається такий легкий, делікатний, ніжний дотик, але він не псує зразка.

Зворотний зв'язок у мікроскопі реалізований або через сигнальний процесор, або через ПЛІС. Ми повинні дуже точно визначати положення кантилевера, з точністю приблизно в 100 разів менше, ніж розмір найменшого атома водню. Це реалізується за допомогою оптичної схеми: на поверхню кантилевера прямує лазерний промінь, який відбивається на фотодетекторі. Зазвичай у нас працює трансформатор переміщень — переміщення кантилевера складає нанометри, а плями на фотодіоді — мікрометри у 1000 разів більші. Такий трансформатор переміщень чутливий та зручний у налаштуванні.

Підсумкова схема виходить така: направляємо лазерний пучок на кінчик кантилевера, ловимо відбите світло, за рахунок зворотного зв'язку рухаємо зразок так, щоб кантилевер був в тому самому положенні. Так отримуємо чутливість по координаті Z тисячні частки нанометрів.

Водночас ми уважно дивимося, що є на ринку, обираємо найкращу елементну базу — заощаджувати на цьому не можна. Але, з іншого боку, електроніку ми будуємо як Lego, можемо побудувати все, як нам хочеться. Ми завжди працювали в умовах обмеженого бюджету, тому він також відіграє певну роль. По швидкодії у нас виходить краще, ніж у кращих плат LabView і, крім того, невідомо, що буде з цими платами LabView через 5-10 років.

Мал. 5. Надія Максимова - випускниця кафедри загальної ядерної фізики програмує "мозки" скануючого зондового мікроскопа - ПЛІС Spartan6. В результаті мікроскоп працює швидко, точно та стабільно.

Я сказав би, що це дуже нетривіальне питання.Є стандартна модель: гравітаційна, електромагнітна, сильна, слабка взаємодія. Коли зонд тисне на поверхню, виходить реакція опори. А яка це взаємодія? Сила взаємодії між тілами — якої взаємодії належить? Ні до якого це не є взаємодія, це заборона Паулі. Ми не провалюємося крізь підлогу, бо є заборона Паулі.

З одного боку, це не є взаємодією як такою, але з іншого боку є сила, енергія, тобто величини, властиві взаємодії. Сам Фейнман говорив, що заборона Паулі є найзагадковішою річю квантової механіки. Це забезпечує стабільність всього нашого світу, якщо раптом заборона пропаде, то все почне руйнуватися.

Сила пружності має характер обмінної взаємодії. Тобто вимірюється сила взаємодії між атомами на кінчику голки та атомами, що знаходяться під ним. Ось там є колективна взаємодія, тому що цю взаємодію ми можемо розраховувати, наприклад, потенціалом Леннарда-Джонса. На невеликих відстанях — сила тяжіння (Ван-дер-Ваальса), із суто електромагнітною природою. А сила відштовхування йде через принцип заборони Паулі. Пружні властивості можемо вивчати, можемо переміщати молекули, атоми у малюнки – як хочемо.

Якщо мікроскоп такого типу зібраний правильно, він працюватиме на фундаментальному фізичному межі. Тобто дозвіл мікроскопа обмежують теплові коливання кантилевера та зразка. Дозвіл XYZ обмежує ще точність підтримки сили. Тому правильно зібрані мікроскопи показують приблизно однакові картинки атомної структури зразків.

Є лише багато нюансів у різних приладів: наскільки зручно і легко ставити зразок, наскільки зрозуміло ПЗ, скільки сил треба витратити, щоб освоїти цей прилад, наскільки він надійний (ламається чи ні). Спочатку треба поставити кантилевер, зразок, налаштувати систему, запустити сканування. Далі робота чисто з комп'ютером. Має бути гарна графіка. Наше П О стає світовим стандартом. Його використовують практично у всіх індустріальних країнах. Наприклад, у медичному центрі Небраска близько 45 ліцензій, хоча вони мають практично всі мікроскопи, які виготовлені у різних країнах. Написав П студент фізфаку (зараз вже не студент, а співробітник) Філонов Олександр та науковий співробітник Савінов Сергій Валентинович. Зараз над розвитком програмного забезпечення працюють два студенти фізичного факультету та одна нещодавня випускниця фізфаку.

Мал. 6. Правильна підготовка та нанесення зразків – гарант відмінних зображень, які будуть отримані на мікроскопі.

Колись давно взяли основний напрямок біологічний. З одного боку, це складно організована частина матерії, з іншого боку — часто добре структуровані об'єкти.

Серед великих напрямів була робота з кафедрою вірусології, академіком Атабековим Йосипом Григоровичем – ми дивилися вірусні частки. Нас цікавить не лише зовнішній вигляд вірусів, а й їхня механічна стійкість — це новий напрямок у біології, який цікавиться, що є головним у стійкості? Наприклад, є вірус тютюнової мозаїки (паличка 18 нм у діаметрі, 300 нм у довжину). Щоб вона інфікувала рослину, вона має звільнити РНК зі своєї білкової оболонки.Ми активно вивчали цей механізм та виявили роль кінцевих білків у цьому процесі.

Другий напрямок — бактеріальні клітини, їхня морфологія, поверхня, перетворення (зі звичайної форми в суперечки) механічна жорсткість бактерій, їхня адгезія до різних поверхонь. Зараз активно працюємо над тим, щоб визначати резистентність бактерій до антибіотиків. На базі зондової мікроскопії будуємо прилади для швидкого виявлення вірусів і патогенних бактерій.

Останнім часом активно працюємо над вивченням клітин рослин, пухлинних клітин, візуалізацією клітин та вимірюванням механічної жорсткості практично у природних умовах. Іншого способу таких досліджень, крім АСМ, зараз немає.

В даний час у рамках Міждисциплінарної науково-освітньої школи МДУ «Молекулярні технології живих систем та синтетична біологія» ми активно працюємо з кафедрою вірусології біологічного факультету, науковою групою професорів Карпової О. В. та Нікітіна Н. А. та реалізуємо спільно з ними проект під назвою «3D-візуалізації віріонів, структурно модифікованих та вірусоподібних частинок вірусів рослин методами біонаноскопії». У п'ятому номері журналу "Наноіндустрія" виходить наша спільна публікація про спостереження вірусу тютюнової мозаїки "3D візуалізація та характеризування вірусів рослин методами біонаноскопії". Це початок великого проекту.

Деталі структури поверхні вірусних частинок та варіації їх локальних властивостей (пружності, стабільності, геометричних параметрів нанорельєфу, гідрофобності/гідрофільності та ін.) будуть вперше визначені з нанометровим просторовим та мілісекундним тимчасовим дозволом у динаміці у процесі їх життєвого циклу.Істотно, що методи, що додаються - зондова і мікролінзова мікроскопія - дозволяють проводити візуалізацію об'єктів живої природи без використання додаткових реагентів, барвників і міток. Інформація, отримана під час виконання проекту, дозволить успішно застосовувати вірусоподібні частки у фармакології. Отримані дані також дадуть додатковий матеріал для каталогізації вірусів рослин, що є у колекції кафедри вірусології біологічного факультету МДУ.

Завдяки виконанню проекту будуть отримані нові дані про віруси рослин та властивості вірусоподібних частинок, які можуть бути використані для подальшого розвитку їх як інструментів нових біомедичних технологій.

Можна використовувати мікроскоп як тунельний мікроскоп, що сканує. Провідна голка підноситься до поверхні, між ними виникає тунельний струм на відстані близько 1 нм, який потім підтримується за допомогою зворотного зв'язку.

Спочатку вчені зробили скануючий тунельний мікроскоп, потім близькопольний, і в 1986 атомно-силовий, щоб виміряти сили в тунельному мікроскопі. Тунельний мікроскоп працює переважно у вакуумі.

За допомогою такого мікроскопа не можна подивитися на алюміній, тому що на його поверхні є тонка оксидна плівка, що не проводить. Вода також може заважати в тунельному мікроскопі. Але можна дивитись, наприклад, золото, графіт.

Режими роботи мікроскопа універсальні, можна використовувати різних приладах, але переваги видно на біологічних об'єктах.

Ми зробили повне керування через Інтернет. Зростання бактерій, білкових кристалів (лізоцим), все, що в еволюції вимагає тривалого спостереження — дозволяє здійснювати наша реалізація.

З іншого боку, це зручно для навчання студентів, я можу стежити за кількома приладами, порадити виправити щось у режимі сканування тощо. Ще можна дистанційно подати, наприклад, потоки повітря, працювати з рідинними осередками.

Якщо говорити про граничні характеристики, то вони мають бути однаковими (визначаються фундаментальними речами).

Наше ПЗ зручніше, в тому числі, для обробки. Ми маємо мікроскопи в ЦКП фізфаку, там проходять заняття для школярів (отримують зображення атомів на поверхні графіту, пітів на DVD дисках, бактеріальних клітин, молекул блоксополімерів тощо).

1985 року на фізичному факультеті було зроблено перший тунельний мікроскоп (у Росії). 1987 року ми зробили більш-менш серійний тунельний мікроскоп Скан-8.

Мал. 7. Скануючий тунельний мікроскоп Скан-7 - попередник серійної версії Скан-8, що випускаються в 1987-1993 роках.

З 1985-1990 було багато компаній, які робили тунельні мікроскопи, після перебудови залишилися майже дві: ми і NT-MDT. З 1987 по 1990 рік ми всім розповідали, як робити мікроскопи. Але в результаті мікроскопи вийшли NT-MDT, близько 15% Росія тримала на світовому ринку. Ще у світі є Bruker (основний гравець), Omicron, Park Systems. 1987 року виникла Digital Instruments. За 10 років вони стали однією з сильних компаній, що рухалися одночасно з нами. У нас є закордонні поставки, до Італії та Ірану, наприклад.

Для великих мікроскопів з поганою жорсткістю потрібне шумозаглушення. А ми зробили жорстку механіку, достатньо підставки з поролону, немає шумів. Невелике наведення може йти, якщо говорити голосно. Але якщо не шуміти, то все гаразд.

Російська копієчка використовується для встановлення зразка за рахунок примагнічування до мікроманіпулятора. Це можна зробити швидко, але можна зробити взагалі без варіанта магніту.

Кантилевери ми купуємо (роблять їх у Зеленограді, або купуємо у Bruker). Спочатку скануємо на великій області, потім розглядаємо невелику ділянку докладніше. Якщо зразок брудний, кантилевер може зіпсуватися за рахунок налипання цього бруду.

Останнім часом ми зробили найшвидшу у світі електроніку та ПЗ, але нас поки що затримує за швидкістю механіка. Для швидшого сканування кантилевер повинен бути дуже маленьким, а в такому разі складніше сфокусувати світло на ньому. З іншого боку, у нашої "флірт-моди" (у різних компаній - це Peak Force, Tapping mode, Jumping mode, Hopping mode) зі зворотним зв'язком швидкість в 3 рази швидше Peak Force у Bruker, а силовий вплив при скануванні однаковий. Основні підкладки, щоб дивитися зразки - графіт та слюда. Ґрати на слюді та атоми на графіті наш прилад може розрізнити, оскільки шумів немає. Спостерігати атоми в наш мікроскоп можна було ще 1987 року.

Студенти, аспіранти. Є багато приладів, які відрізняються за швидкістю сканування, для великих і малих полів.

Є два швидкі мікроскопи в ЦКП фізфаку. Тут, наприклад, мікроскоп для роботи з біологічними зразками рідини. Він поєднаний із інвертованим мікроскопом.

У нас тренування – це розглядати металеві виступи («пеньки»), які надав нам Борис Альбертович Логінов, співробітник МІЕТ. Потрібно спочатку вчитися спостерігати прості об'єкти, а потім переходити до біологічних. З такими об'єктами за недосвідченості виникають проблеми при пробопідготовці.

Мал. 8.Багатофункціональним скануючим зондовим мікроскопом ФемтоСкан управляє аспірант кафедри біофізики Михайло Анісімов. Мета досліджень - побачити структуру внутрішньоклітинних мікротрубочок.

Так, якщо видно, що людина розуміє основи роботи, ми її навчаємо і зазвичай через день можна вже працювати. Можна приходити зі своїми зразками, одержувати дані, публікувати статті. Окрім лабораторій МДУ, співпрацюємо з інститутом Гамалії, центром Чумакова — з вірусів та вакцин (вірус грипу), Інститутом вірусології, Imperial college (капілярний мікроскоп) та багатьма іншими російськими та міжнародними центрами.

Капілярний мікроскоп ще називають іон-провідним. Він є різновидом скануючого зондового мікроскопа і використовується насамперед вивчення живих біологічних систем. Таке застосування пояснюється рядом його ключових переваг перед іншими методами зондової мікроскопії: можливістю дослідження об'єктів без силового впливу в природному середовищі – солоній воді – і без складної пробопідготовки.

У ході сканування ми як би «водимо» поверхнею зразка найтоншим капіляром, у ході відбувається вимірювання величини струму, яка використовується для отримання сигналу зворотного зв'язку. Сканування має відбуватися у провідному, електролітичному середовищі — наприклад, у фізрозчині. Такі умови є природними для біологічних зразків.

Мал. 9. Прототип скануючого капілярного мікроскопа, поєднаного з інвертованим оптичним мікроскопом. Можна спостерігати мережі живих нейронів.І не лише! Також і багато інших біологічних зразків.

Як зонд у капілярному мікроскопі використовується, що не дивно, скляний капіляр, діаметр отвору в якому має нанометровий масштаб і зазвичай становить від кількох десятків до кількох сотень нанометрів. Досліджуваний об'єкт розміщується у чашці Петрі під капіляром. Капіляр і середовище із зразком заповнюються електролітом, всередину капіляра поміщають хлор-срібний електрод (срібний дріт, покритий хлоридом срібла), другий електрод поміщається в чашку Петрі з досліджуваним зразком. При створенні різниці потенціалів між електродами протікає іонний струм (звідси виникає друга назва мікроскопа, іон-провідний) величиною одиниці наноампер. Коли кінчик капіляра наближається до поверхні зразка, струм падає на частки відсотка. Завдяки можливостям високоточного підсилювача струму, цей сигнал можна зареєструвати, акуратно позиціонуючи капіляр над поверхнею і отримуючи інформацію про висоту зразка в даній точці.

Повторюючи процес підведення-відведення до різних точок зразка, на кшталт роботи «флірт моди» в атомно-силовому мікроскопі, ми отримуємо повну карту його поверхні.

Роздільна здатність капілярного мікроскопа визначається діаметром кінця голки (можливо близько десятків нанометрів), голки ми робимо самі зі спеціальних заготовок. У порівнянні з АСМ у капілярному мікроскопі немає взаємодії із зразком, тому що голка його не стосується. Але й роздільна здатність у капілярного мікроскопа менше, ніж у АСМ. Можна варіювати діаметр капіляра, підбирати різні швидкості сканування та величини роздільної здатності.

Мал. 10. Підготовка до вимірювання на скануючому капілярному мікроскопі — оператор переміщує зразок для вибору об'єкта, що цікавить.

Установка капілярного збирається на базі інвертованого оптичного мікроскопа, що дає можливість спостерігати зразок, що досліджується, і в оптиці і дозволяє зручно позиціонувати зонд при виборі області сканування. Завдяки цьому можна також поєднати вимірювання на капілярному мікроскопі з оптичними методами досліджень (флуоресцентною, конфокальною та ін. методами мікроскопії), що часто застосовуються в біології.

Схема самого мікроскопа має багато спільного з АСМ, в ній задіяні: високовольтний підсилювач, що подає сигнал на п'єзокерамічні переміщення, що переміщають зразок; високочутливий підсилювач іонного струму, що створює різницю потенціалів між електродами і вимірює величину поточного іонного струму (у цьому випадку він замінює оптичну систему реєстрації положення АСМ-зонда - кантилевера) і блок управління, «електронні мізки» мікроскопа, що керують процесом вимірювань і передає результати на комп'ютер .

Сьогодні ми створюємо такий мікроскоп власними руками – розробляємо електроніку та високочутливу систему реєстрації струму, збираємо механіку та нарешті об'єднуємо всі компоненти на базі власного ПЗ.

Мал. 11. Робоча область капілярного мікроскопа. Світлодіод висвітлює тримач капіляра, закріплений на механічній та п'єзопорушках. Поруч із тримачем капіляра можна розглянути дроти, що з'єднують високоточний підсилювач струму та хлор-срібні електроди.

Капілярний мікроскоп може використовуватися для аналізу цілого ряду параметрів поверхні зразка і процесів, що проходять поблизу неї. Можна отримувати дані не тільки про топографію, а й про механічні властивості живої матерії, вимірювати розподіл заряду на поверхні клітини, реєструвати хімічні маркери, що випускаються нею.

Завдяки можливості вивчення живих систем у природному середовищі можна безпосередньо дослідити їх життєвий цикл, наприклад, відстежувати рух клітини та зчитування нею зовнішніх умов середовища. Великий інтерес становлять методи спрямованої доставки речовин до досліджуваного зразка та нанесення на нього/підкладку нанорозмірних дво- та тривимірних структур. Подібні методики дозволяють вивчати реакцію біосистем на зовнішній вплив, перетворюючи зонд мікроскопа на новий варіант біосенсора.

Прикладами таких додатків може бути вивчення відгуку клітинної системи на терапевтичний вплив; нанесення на поверхню клітини рецепторного шару потрібного вигляду; доставка антитіл, білків, вірусів, ДНК на поверхню або всередину клітини та багато інших.

Наша лабораторія завжди рада студентам, які бажають взяти участь у дослідженнях та розробках! Домовитись про зустріч чи звернутись із запитанням можна до Тимофія Радникова, магістранта нашої групи.