eng
Выпуск #5/2023
Д.И.Яминский, И.В.Яминский
СИСТЕМА НАНОПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
СИСТЕМА НАНОПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Просмотры: 571
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.266.270
Разработана двухступенчатая система нанопозиционирования по трем координатам X, Y и Z с точностью до 0,1 нм. Система нанопозиционирования предназначена для использования в сканирующей зондовой микроскопии, оптической микроскопии сверхвысокого разрешения и микролинзовой микроскопии. В статье рассмотрен пример построения сканирующего капиллярного микроскопа на основе разработанной системы прецизионных перемещений.
Разработана двухступенчатая система нанопозиционирования по трем координатам X, Y и Z с точностью до 0,1 нм. Система нанопозиционирования предназначена для использования в сканирующей зондовой микроскопии, оптической микроскопии сверхвысокого разрешения и микролинзовой микроскопии. В статье рассмотрен пример построения сканирующего капиллярного микроскопа на основе разработанной системы прецизионных перемещений.
Теги: nanocapillary nanodisplacements probe microscopy scanning capillary microscopy зондовая микроскопия нанокапилляр наноперемещения сканирующая капиллярная микроскопия
СИСТЕМА НАНОПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Д.И.Яминский1, аспирант, ORCID: 0009-0009-6370-7496
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф. МГУ имени М.В. Ломоносова, генеральный директор Центра перспективных технологий, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Разработана двухступенчатая система нанопозиционирования по трем координатам X, Y и Z с точностью до 0,1 нм. Система нанопозиционирования предназначена для использования в сканирующей зондовой микроскопии, оптической микроскопии сверхвысокого разрешения и микролинзовой микроскопии. В статье рассмотрен пример построения сканирующего капиллярного микроскопа на основе разработанной системы прецизионных перемещений.
Ключевые слова: наноперемещения, зондовая микроскопия, сканирующая капиллярная микроскопия, нанокапилляр
Для цитирования: Д.И. Яминский, И.В. Яминский. Система нанопозиционирования для физического эксперимента. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 5. С. 266–270. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.5.266.270
Received: 9.08.2023 | Accepted: 16.08.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.266.270
Original paper
NANOPOSITIONING SYSTEM FOR PHYSICAL EXPERIMENT
D.I.Yaminsky1, Post-graduate, ORCID: 0009-0009-6370-7496
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., General Director of Advanced Technologies Center, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. A two-stage nanopositioning system has been developed along three coordinates X, Y and Z with an accuracy of 0.1 nm. The nanopositioning system is intended for use in scanning probe microscopy, ultra-high resolution optical microscopy, and microlens microscopy. This paper considers an example of constructing a scanning capillary microscope based on the developed system of precision movements.
Keywords: nanodisplacements, probe microscopy, scanning capillary microscopy, nanocapillary
For citation: D.I. Yaminsky, I.V. Yaminsky. Nanopositioning system for physical experiment. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 5. PP. 266–270. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.266.270.
ВВЕДЕНИЕ
Компактная миниатюрная система наноперемещений востребована во многих приложениях физического эксперимента. Предложенное решение может быть успешно применено в сканирующей капиллярной (ион-проводящей [1, 2]) микроскопии. В этом случае исследуемый образец размещается на дне чашки Петри, будучи погруженным в солевой раствор. В качестве зонда выступает нанокапилляр с конусообразным окончанием и выходным отверстием около 30–50 нм. В сканирующем капиллярном микроскопе осуществляется регистрация ионного тока между двумя хлорсеребряными электродами. Один из них расположен в нанокапилляре, заполненном электролитом, а второй – в солевом растворе в чашке Петри. При приближении капилляра к поверхности образца ионный ток падает. Уменьшение ионного тока в нанокапилляре соответствует расположению нанокапилляра над поверхностью образца примерно на расстоянии, равном диаметру выходного отверстия нанокапилляра, то есть на расстоянии 30–50 нм.
Величина ионного тока через нанокапилляр зависит от следующих факторов:
геометрии нанокапилляра, определяется в основном диаметром выходного отверстия rо;
приложенного электрического напряжения U между двумя электродами. Часто это напряжение устанавливается равным 200 мВ;
удельного сопротивления ρ используемого электролита (раствора соли).
Рассмотрим простейшую геометрию нанокапилляра в виде верхней цилиндрической части длиной L с внутренним радиусом r и конической части, длиной Lo, с выходным отверстием радиусом rо (рис.1).
Полное сопротивление R внутренней части капилляра, заполненной электролитом, составит величину:
R = ρL/(πr2) + ρLo/(πrro). (1)
Для капилляра удачной формы справедливы следующие величины:
r = 0,25 мм; L = 40 мм
ro = 25 нм; Lo = 10 мм.
Вследствие существенного различия между r и ro (r/ro = 10000) первым слагаемым в величине сопротивления R можно пренебречь. Тогда получаем приближенную формулу:
R = ρLo/(πrro). (2)
Эту формулу можно преобразовать, используя угол между вертикалью и образующей конуса нанокапилляра α, поскольку отношение r/Lo практически равняется тангенсу угла α (tgα):
R = ρ/(πrotgα). (3)
Рассмотрим случай заполнения капилляра физиологическим раствором. Физиологический раствор – это водный раствор хлорида натрия (NaCl) с массовой долей ω(NaCl) ≈ 0,9%. Удельное сопротивление физиологического раствора ρ = 120 Ом∙см при температуре в 20 оС. Для капилляра с длиной конической части 10 мм начальным радиусом в 0,25 мм и радиусом выходного отверстия в 25 нм сопротивление составляет R = 300 МОм.
Таким образом, величина ионного тока при напряжении между электродами в 200 мВ составит:
I = U/R = 0,67 нА. (4)
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для приготовления нанокапилляра используется стеклянная заготовка – трубочка длиной 100 мм с наружным диаметром 1 мм и внутренним диаметром 0,5 мм. Из одной заготовки получается два равноценных нанокапилляра. Нанокапилляр изготавливается на пуллере P-1000 или P-2000 компании Sutter. В открытом доступе имеется прекрасно написанное компанией Adair Oesterle руководство по вытягиванию нанокапилляров – Pipette Cookbook 2018 P-97 & P-1000 Micropipette Pullers, Ref F, Sutter Instrument Company (108 с.).
В сканирующем капиллярном микроскопе нанокапилляр совершает вертикальное перемещение вверх и вниз в диапазоне десятков микрон. Такое перемещение позволяет наблюдать живые клетки, в том числе нейронные сети, перепад по высоте которых может составлять десяток микрон. Образец в чашке Петри размещается в держатель системы нанопозиционирования.
Система нанопозиционирования имеет две ступени (рис.2). Первая из них выполнена с использованием линейных направляющих и шаговых двигателей. Диапазон перемещений по осям Х и Y – 12 мм. Минимальный шаг варьируется в пределах от 0,16 до 2,5 мкм.
На первой механической ступени располагается трехкоординатная пьезокерамическая платформа со следующими характеристиками:
диапазон движения по осям X и Y: 50 × 50 мкм;
разрешение по осям X и Y: 0,05 нм;
резонансная частота по оси X: 3000 Гц;
резонансная частота по оси Y: 2000 Гц.
Для перемещения нанокапилляра можно использовать линейный пьезоманипулятор с диапазоном движения в 30 мкм и точностью в 0,03 нм, либо ступень Z в составе трехкоординатного пьезоманипулятора XYZ. Для оптического контроля образца и положения нанокапилляра в систему нанопозиционирования внедрен оптический микроскоп с автоматизированной фокусировкой.
ВЫВОДЫ
Разработанная система является эффективным инструментом для исследования биологических объектов методами зондовой, оптической и микролинзовой микроскопии без использования меток, что является крайне актуальным для биологии и биомедицины [3, 4].
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа Яминского И.В. по определению технических параметров системы нанопозиционирования выполнена при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). Авторы благодарят магистра физического факультета Т.О.Советникова за подготовку рисунков и мастера по точным и специальным приборам химического факультета А.Н.Прохорова за изготовление макета 1 ступени системы нанопозиционирования.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Hansma P.K., Drake B., Marti O., Gould S.A., Prater C.B. The Scanning Ion-Conductance Microscope. Science, 1989, 243, 641. https://doi.org/10.1126/science.2464851
Novak P., Li C., Shevchuk A., et al. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy. Nat Methods. 2009, 6, 279–281. https://doi.org/10.1038/nmeth.1306
Sovetnikov T.O., Akhmetova A.I., Gukasov V.M., Evtushenko G.S., Rybakov Yu.L., Yaminskii I.V. Scanning probe microscopy in assessing blood cells roughness. Bio-Medical Engineering, 2023. https://doi.org/10.1007/s10527-023-10253-3
Akhmetova A.I., Sovetnikov T.O., Tikhomirova M.A., Gukasov V.M., Rybakov Yu.L., Shimanovskii N.L., Yaminsky I.V. Scanning capillary microscopy in the study of the effect of cytotoxic agents on the biomechanical and physicochemical properties of tumor cells. Pharmaceutical Chemistry Journal, 2022. https://doi.org/10.1007/s11094-022-02770-4
Д.И.Яминский1, аспирант, ORCID: 0009-0009-6370-7496
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф. МГУ имени М.В. Ломоносова, генеральный директор Центра перспективных технологий, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Разработана двухступенчатая система нанопозиционирования по трем координатам X, Y и Z с точностью до 0,1 нм. Система нанопозиционирования предназначена для использования в сканирующей зондовой микроскопии, оптической микроскопии сверхвысокого разрешения и микролинзовой микроскопии. В статье рассмотрен пример построения сканирующего капиллярного микроскопа на основе разработанной системы прецизионных перемещений.
Ключевые слова: наноперемещения, зондовая микроскопия, сканирующая капиллярная микроскопия, нанокапилляр
Для цитирования: Д.И. Яминский, И.В. Яминский. Система нанопозиционирования для физического эксперимента. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 5. С. 266–270. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.5.266.270
Received: 9.08.2023 | Accepted: 16.08.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.266.270
Original paper
NANOPOSITIONING SYSTEM FOR PHYSICAL EXPERIMENT
D.I.Yaminsky1, Post-graduate, ORCID: 0009-0009-6370-7496
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., General Director of Advanced Technologies Center, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. A two-stage nanopositioning system has been developed along three coordinates X, Y and Z with an accuracy of 0.1 nm. The nanopositioning system is intended for use in scanning probe microscopy, ultra-high resolution optical microscopy, and microlens microscopy. This paper considers an example of constructing a scanning capillary microscope based on the developed system of precision movements.
Keywords: nanodisplacements, probe microscopy, scanning capillary microscopy, nanocapillary
For citation: D.I. Yaminsky, I.V. Yaminsky. Nanopositioning system for physical experiment. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 5. PP. 266–270. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.266.270.
ВВЕДЕНИЕ
Компактная миниатюрная система наноперемещений востребована во многих приложениях физического эксперимента. Предложенное решение может быть успешно применено в сканирующей капиллярной (ион-проводящей [1, 2]) микроскопии. В этом случае исследуемый образец размещается на дне чашки Петри, будучи погруженным в солевой раствор. В качестве зонда выступает нанокапилляр с конусообразным окончанием и выходным отверстием около 30–50 нм. В сканирующем капиллярном микроскопе осуществляется регистрация ионного тока между двумя хлорсеребряными электродами. Один из них расположен в нанокапилляре, заполненном электролитом, а второй – в солевом растворе в чашке Петри. При приближении капилляра к поверхности образца ионный ток падает. Уменьшение ионного тока в нанокапилляре соответствует расположению нанокапилляра над поверхностью образца примерно на расстоянии, равном диаметру выходного отверстия нанокапилляра, то есть на расстоянии 30–50 нм.
Величина ионного тока через нанокапилляр зависит от следующих факторов:
геометрии нанокапилляра, определяется в основном диаметром выходного отверстия rо;
приложенного электрического напряжения U между двумя электродами. Часто это напряжение устанавливается равным 200 мВ;
удельного сопротивления ρ используемого электролита (раствора соли).
Рассмотрим простейшую геометрию нанокапилляра в виде верхней цилиндрической части длиной L с внутренним радиусом r и конической части, длиной Lo, с выходным отверстием радиусом rо (рис.1).
Полное сопротивление R внутренней части капилляра, заполненной электролитом, составит величину:
R = ρL/(πr2) + ρLo/(πrro). (1)
Для капилляра удачной формы справедливы следующие величины:
r = 0,25 мм; L = 40 мм
ro = 25 нм; Lo = 10 мм.
Вследствие существенного различия между r и ro (r/ro = 10000) первым слагаемым в величине сопротивления R можно пренебречь. Тогда получаем приближенную формулу:
R = ρLo/(πrro). (2)
Эту формулу можно преобразовать, используя угол между вертикалью и образующей конуса нанокапилляра α, поскольку отношение r/Lo практически равняется тангенсу угла α (tgα):
R = ρ/(πrotgα). (3)
Рассмотрим случай заполнения капилляра физиологическим раствором. Физиологический раствор – это водный раствор хлорида натрия (NaCl) с массовой долей ω(NaCl) ≈ 0,9%. Удельное сопротивление физиологического раствора ρ = 120 Ом∙см при температуре в 20 оС. Для капилляра с длиной конической части 10 мм начальным радиусом в 0,25 мм и радиусом выходного отверстия в 25 нм сопротивление составляет R = 300 МОм.
Таким образом, величина ионного тока при напряжении между электродами в 200 мВ составит:
I = U/R = 0,67 нА. (4)
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для приготовления нанокапилляра используется стеклянная заготовка – трубочка длиной 100 мм с наружным диаметром 1 мм и внутренним диаметром 0,5 мм. Из одной заготовки получается два равноценных нанокапилляра. Нанокапилляр изготавливается на пуллере P-1000 или P-2000 компании Sutter. В открытом доступе имеется прекрасно написанное компанией Adair Oesterle руководство по вытягиванию нанокапилляров – Pipette Cookbook 2018 P-97 & P-1000 Micropipette Pullers, Ref F, Sutter Instrument Company (108 с.).
В сканирующем капиллярном микроскопе нанокапилляр совершает вертикальное перемещение вверх и вниз в диапазоне десятков микрон. Такое перемещение позволяет наблюдать живые клетки, в том числе нейронные сети, перепад по высоте которых может составлять десяток микрон. Образец в чашке Петри размещается в держатель системы нанопозиционирования.
Система нанопозиционирования имеет две ступени (рис.2). Первая из них выполнена с использованием линейных направляющих и шаговых двигателей. Диапазон перемещений по осям Х и Y – 12 мм. Минимальный шаг варьируется в пределах от 0,16 до 2,5 мкм.
На первой механической ступени располагается трехкоординатная пьезокерамическая платформа со следующими характеристиками:
диапазон движения по осям X и Y: 50 × 50 мкм;
разрешение по осям X и Y: 0,05 нм;
резонансная частота по оси X: 3000 Гц;
резонансная частота по оси Y: 2000 Гц.
Для перемещения нанокапилляра можно использовать линейный пьезоманипулятор с диапазоном движения в 30 мкм и точностью в 0,03 нм, либо ступень Z в составе трехкоординатного пьезоманипулятора XYZ. Для оптического контроля образца и положения нанокапилляра в систему нанопозиционирования внедрен оптический микроскоп с автоматизированной фокусировкой.
ВЫВОДЫ
Разработанная система является эффективным инструментом для исследования биологических объектов методами зондовой, оптической и микролинзовой микроскопии без использования меток, что является крайне актуальным для биологии и биомедицины [3, 4].
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа Яминского И.В. по определению технических параметров системы нанопозиционирования выполнена при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). Авторы благодарят магистра физического факультета Т.О.Советникова за подготовку рисунков и мастера по точным и специальным приборам химического факультета А.Н.Прохорова за изготовление макета 1 ступени системы нанопозиционирования.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Hansma P.K., Drake B., Marti O., Gould S.A., Prater C.B. The Scanning Ion-Conductance Microscope. Science, 1989, 243, 641. https://doi.org/10.1126/science.2464851
Novak P., Li C., Shevchuk A., et al. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy. Nat Methods. 2009, 6, 279–281. https://doi.org/10.1038/nmeth.1306
Sovetnikov T.O., Akhmetova A.I., Gukasov V.M., Evtushenko G.S., Rybakov Yu.L., Yaminskii I.V. Scanning probe microscopy in assessing blood cells roughness. Bio-Medical Engineering, 2023. https://doi.org/10.1007/s10527-023-10253-3
Akhmetova A.I., Sovetnikov T.O., Tikhomirova M.A., Gukasov V.M., Rybakov Yu.L., Shimanovskii N.L., Yaminsky I.V. Scanning capillary microscopy in the study of the effect of cytotoxic agents on the biomechanical and physicochemical properties of tumor cells. Pharmaceutical Chemistry Journal, 2022. https://doi.org/10.1007/s11094-022-02770-4
Отзывы читателей
