eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2024
А.И.Ахметова, А.Д.Терентьев, С.А.Сенотрусова, Т.О.Советников, Д.И.Яминский, В.В.Попов, И.В.Яминский
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК СРЕДСТВО МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ МИКРОСКОПИИ
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК СРЕДСТВО МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ МИКРОСКОПИИ
Просмотры: 535
DOI: 10.22184/1993-8578.2024.17.2.128.133
Визуализация биомедицинских образцов в их естественной среде в микро- и наномасштабе имеет решающее значение для изучения фундаментальных принципов функционирования биосистем со сложным взаимодействием. Для изучения динамических биологических процессов требуется микроскопическая система с множеством измерительных возможностей, высоким пространственным и временным разрешением, универсальными средами визуализации и возможностями локального манипулирования. Перспективными инструментами для этих задач являются сканирующая капиллярная микроскопия и микролинзовая микроскопия, однако корректная работа ни одной из этих методик невозможна без метрологического сопровождения. В данной работе демонстрируется возможность использования для этих целей образца дифракционной решетки.
Визуализация биомедицинских образцов в их естественной среде в микро- и наномасштабе имеет решающее значение для изучения фундаментальных принципов функционирования биосистем со сложным взаимодействием. Для изучения динамических биологических процессов требуется микроскопическая система с множеством измерительных возможностей, высоким пространственным и временным разрешением, универсальными средами визуализации и возможностями локального манипулирования. Перспективными инструментами для этих задач являются сканирующая капиллярная микроскопия и микролинзовая микроскопия, однако корректная работа ни одной из этих методик невозможна без метрологического сопровождения. В данной работе демонстрируется возможность использования для этих целей образца дифракционной решетки.
Теги: дифракционная решетка живые системы метрология микролинзовая микроскопия сканирующая капиллярная микроскопия
Получено: 4.03.2024 г. | Принято: 11.03.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.128.133
Научная статья
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК СРЕДСТВО МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ МИКРОСКОПИИ
А.И.Ахметова1, 2, к.ф.-м.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0002-5115-8030
А.Д.Терентьев1, 2, магистр, программист, ORCID: 0009-0009-1528-5284
С.А.Сенотрусова1, 2, магистр, инж., ORCID: 0000-0003-0960-8920
Т.О.Советников1, 2, магистр, вед. инж., ORCID: 0000-0001-6541-8932
Д.И.Яминский1, асп., ORCID: 0009-0009-6370-7496
В.В.Попов1, ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-1191-3860
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Визуализация биомедицинских образцов в их естественной среде в микро- и наномасштабе имеет решающее значение для изучения фундаментальных принципов функционирования биосистем со сложным взаимодействием. Для изучения динамических биологических процессов требуется микроскопическая система с множеством измерительных возможностей, высоким пространственным и временным разрешением, универсальными средами визуализации и возможностями локального манипулирования. Перспективными инструментами для этих задач являются сканирующая капиллярная микроскопия и микролинзовая микроскопия, однако корректная работа ни одной из этих методик невозможна без метрологического сопровождения. В данной работе демонстрируется возможность использования для этих целей образца дифракционной решетки.
Ключевые слова: сканирующая капиллярная микроскопия, микролинзовая микроскопия, метрология, дифракционная решетка, живые системы
Для цитирования: А.И. Ахметова, А.Д. Терентьев, С.А. Сенотрусова, Т.О. Советников, Д.И. Яминский, В.В. Попов, И.В. Яминский. Дифракционная решетка как средство метрологического сопровождения микроскопии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 2. С. 128–133. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.128.133.
Received: 4.03.2024 | Accepted: 11.03.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.128.133
Original paper
DIFFRACTION GRATING AS A MEANS OF METROLOGICAL SUPPORT OF MICROSCOPY
A.I.Akhmetova1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Researcher, ORCID: 0000-0002-5115-8030
A.D.Terentev1, 2, Master, Progammer, ORCID: 0009-0009-1528-5284
S.A.Senotrusova1, 2, Master, Engineer, ORCID: 0000-0003-0960-8920
T.O.Sovetnikov1, 2, Master, Leading Engineer, ORCID: 0000-0001-6541-8932
D.I.Yaminsky1, Post Graduate, ORCID: 0009-0009-6370-7496
V.V.Popov1, Senior Researcher, ORCID: 0000-0003-1191-3860
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. Visualization of biomedical samples in their natural environment at micro- and nanoscale is crucial for studying fundamental principles of biosystems functioning with complex interactions. The study of dynamic biological processes requires a microscopic system with multiple measurement capabilities, high spatial and temporal resolution, versatile visualization environments and local manipulation options. Scanning capillary microscopy and microlens microscopy are promising tools for these tasks, but correct operation of either technique is impossible without metrological support. This paper demonstrates the possibility of using a diffraction grating sample for these purposes.
Keywords: scanning capillary microscopy, microlens microscopy, metrology, diffraction grating, living systems
For citation: A.I. Akhmetova, A.D. Terentev, S.A. Senotrusova, T.O. Sovetnikov, D.I. Yaminsky, V.V.Popov, I.V. Yaminsky. Diffraction grating as a means of metrological support of microscopy. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 2. PP. 128–133. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.128.133.
ВВЕДЕНИЕ
Методы микроскопии, имеющие отношение к биомедицинским исследованиям, включают оптическую микроскопию, (крио)электронную микроскопию и сканирующую зондовую микроскопию. Различные типы методов микроскопии имеют свои собственные возможности разрешения, условия проведения эксперимента: рабочую среду и этапы подготовки образца. В зависимости от задачи эксперимента могут быть выбраны соответствующие методы, но для каждого из вышеуказанных методов необходим эталон для калибровки и подбор условий измерений для оптимального разрешения.
Одним из таких эталонов может быть дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой регулярно расположенные щели или выступы, нанесенные на поверхность. Такой структурированный паттерн может иметь разный период и высоту выступов, что делает решетку идеальным калибровочным эталоном.
В данной работе с помощью дифракционных решеток с разными периодами оценивали точность атомно-силового, сканирующего капиллярного и оптического микролинзового микроскопа. Сканирование образца дифракционной решетки позволяет не только откалибровать масштабную шкалу в оптической микроскопии при использовании микролинз, но и осуществлять настройку определенных параметров сканирования в атомно-силовой микроскопии, подбирать индивидуальные параметры вытягивания капилляров для капиллярной микроскопии.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Образец – рельефная дифракционная решетка на металлизированном термопластике с известным периодом и размерами структур. В работе использовалась дифракционная решетка, полученная оттиском рельефа с никелевого штампа на термопластике, нанесенном на фотополимер. Термопластик нанесен на пленку ПЭТ 35 мкм.
Для преодоления ограничения в оптической микроскопии можно использовать микролинзы для существенного улучшения качества изображения [1, 2]. Для наблюдения увеличенного изображения в оптической микроскопии использовались микросферы из титаната бария, погруженные в силиконовое масло, а также микросферы полиметилакрилата (ПМА) на воздухе. Наблюдения проводились на оптическом микроскопе Zeiss Scope.A1 в режиме отраженного света. Использовались объективы Zeiss 50x/0,55 DIC, Zeiss 100x/0,75 DIC. Микролинзы располагаются сверху на поверхности образца.
Сканирующая капиллярная микроскопия выполнялась на микроскопе "ФемтоСкан Xi" и "ФемтоСкан Айон".
Атомно-силовая микроскопия выполнялась на многофункциональном микроскопе "ФемтоСкан".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Для оптических изображений дифракционной решетки с периодом 800 нм и шириной щелей 300 нм использовались два вида микролинз, выполненных из титаната бария в силиконовом масле и из полиметакрилата на воздухе.
Изображение с линзами титаната бария представлены на рис.1, увеличение составляет ~2,4, увеличение объектива 50х. На изображении хорошо различимы полосы, хотя центральная часть микролинзы выглядит слегка засвеченной.
На рис.2 изображение дифракционной решетки визуализировали с помощью микросфер из полиметакрилата. Период решетки 800 нм, ширина щелей 300 нм. Увеличение составляет ~2.1. Увеличение объектива 100х.
При исследовании той же решетки на атомно-силовом микроскопе значение ширины полосы оказалось чуть завышено, так как в процессе сканирования кантилевер сглаживает резкие вертикальные переходы выступов и за счет этого возникает эффект уширения.
Дифракционная решетка с периодом 1,7 мкм и шириной полос 0,5 мкм была исследована на сканирующем капиллярном микроскопе "ФемтоСкан Xi" (рис.4). Использовался капилляр с диаметром отверстия около 60 нм, амплитуда колебаний и скорость сближения составляли 300 нм и 15 нм/мс соответственно.
Полученные по результатам измерений на СКМ период и ширина полос согласуются с заявленными значениями. Отдельно стоит отметить достигнутое более качественное отображение вертикальных стенок дифракционных полос в сравнении с АСМ-зондом, дающим уширение вертикальному рельефу.
Образец решетки с периодом 1,0 мкм и шириной полос 0,4 мкм использовался и в качестве калибровочной меры для метрологии микроскопа "ФемтоСкан Айон" (рис.5). Полученные снимки помогли откалибровать латеральный ход пьезоподвижки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методы визуализации, которые позволяют определять физико-химические и механические свойства с высоким временным и пространственным разрешением в жидкости, будут нужны всегда. Поэтому так актуально использовать для калибровки приборов различные эталоны, которые могут показать преимущество того или иного метода визуализации. Дифракционная решетка является хорошим эталоном как для оптической микроскопии, так и для зондовой микроскопии. Существенные достоинства дифракционной решетки обусловлены следующими факторами. Геометрический рельеф решетки привязан к длине волны света, формирующего паттерн решетки. В результате достигается высокая метрологическая точность решетки. Решетка сформирована на прозрачном пластике, что обеспечивает ее удобное использование при позиционировании зондового микроскопа на инвертированном оптическом микроскопе. Этим достигается возможность полноценного оптического наблюдения как самой решетки, так и образца, расположенного как в непосредственной близости с решеткой, так и на ней. Дополнительные немаловажные достоинства решетки – доступность и невысокая стоимость.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена по государственному заданию при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). ПО "ФемтоСкан Онлайн" предоставлено ООО НПП "Центр перспективных технологий", www.nanoscopy.ru.
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
Senotrusova S.A., Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. Super-resolution ability of microlenses for the study of biological objects. NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 3–4. PP. 168–176. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.
3-4.168.176
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Senotrusova S.A., Wang Z., Bing Y., Lukyanchuk B.S., Barmina E., Simakin A.V., Shafeev G.A. A new solution for bionanoscopy based on optical microlens technology. NANOINDUSTRY. 2021. Vol. 14. No. 5. PP. 292–297. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.5.292.297
Научная статья
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК СРЕДСТВО МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ МИКРОСКОПИИ
А.И.Ахметова1, 2, к.ф.-м.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0002-5115-8030
А.Д.Терентьев1, 2, магистр, программист, ORCID: 0009-0009-1528-5284
С.А.Сенотрусова1, 2, магистр, инж., ORCID: 0000-0003-0960-8920
Т.О.Советников1, 2, магистр, вед. инж., ORCID: 0000-0001-6541-8932
Д.И.Яминский1, асп., ORCID: 0009-0009-6370-7496
В.В.Попов1, ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-1191-3860
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Визуализация биомедицинских образцов в их естественной среде в микро- и наномасштабе имеет решающее значение для изучения фундаментальных принципов функционирования биосистем со сложным взаимодействием. Для изучения динамических биологических процессов требуется микроскопическая система с множеством измерительных возможностей, высоким пространственным и временным разрешением, универсальными средами визуализации и возможностями локального манипулирования. Перспективными инструментами для этих задач являются сканирующая капиллярная микроскопия и микролинзовая микроскопия, однако корректная работа ни одной из этих методик невозможна без метрологического сопровождения. В данной работе демонстрируется возможность использования для этих целей образца дифракционной решетки.
Ключевые слова: сканирующая капиллярная микроскопия, микролинзовая микроскопия, метрология, дифракционная решетка, живые системы
Для цитирования: А.И. Ахметова, А.Д. Терентьев, С.А. Сенотрусова, Т.О. Советников, Д.И. Яминский, В.В. Попов, И.В. Яминский. Дифракционная решетка как средство метрологического сопровождения микроскопии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 2. С. 128–133. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.128.133.
Received: 4.03.2024 | Accepted: 11.03.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.128.133
Original paper
DIFFRACTION GRATING AS A MEANS OF METROLOGICAL SUPPORT OF MICROSCOPY
A.I.Akhmetova1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Researcher, ORCID: 0000-0002-5115-8030
A.D.Terentev1, 2, Master, Progammer, ORCID: 0009-0009-1528-5284
S.A.Senotrusova1, 2, Master, Engineer, ORCID: 0000-0003-0960-8920
T.O.Sovetnikov1, 2, Master, Leading Engineer, ORCID: 0000-0001-6541-8932
D.I.Yaminsky1, Post Graduate, ORCID: 0009-0009-6370-7496
V.V.Popov1, Senior Researcher, ORCID: 0000-0003-1191-3860
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. Visualization of biomedical samples in their natural environment at micro- and nanoscale is crucial for studying fundamental principles of biosystems functioning with complex interactions. The study of dynamic biological processes requires a microscopic system with multiple measurement capabilities, high spatial and temporal resolution, versatile visualization environments and local manipulation options. Scanning capillary microscopy and microlens microscopy are promising tools for these tasks, but correct operation of either technique is impossible without metrological support. This paper demonstrates the possibility of using a diffraction grating sample for these purposes.
Keywords: scanning capillary microscopy, microlens microscopy, metrology, diffraction grating, living systems
For citation: A.I. Akhmetova, A.D. Terentev, S.A. Senotrusova, T.O. Sovetnikov, D.I. Yaminsky, V.V.Popov, I.V. Yaminsky. Diffraction grating as a means of metrological support of microscopy. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 2. PP. 128–133. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.128.133.
ВВЕДЕНИЕ
Методы микроскопии, имеющие отношение к биомедицинским исследованиям, включают оптическую микроскопию, (крио)электронную микроскопию и сканирующую зондовую микроскопию. Различные типы методов микроскопии имеют свои собственные возможности разрешения, условия проведения эксперимента: рабочую среду и этапы подготовки образца. В зависимости от задачи эксперимента могут быть выбраны соответствующие методы, но для каждого из вышеуказанных методов необходим эталон для калибровки и подбор условий измерений для оптимального разрешения.
Одним из таких эталонов может быть дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой регулярно расположенные щели или выступы, нанесенные на поверхность. Такой структурированный паттерн может иметь разный период и высоту выступов, что делает решетку идеальным калибровочным эталоном.
В данной работе с помощью дифракционных решеток с разными периодами оценивали точность атомно-силового, сканирующего капиллярного и оптического микролинзового микроскопа. Сканирование образца дифракционной решетки позволяет не только откалибровать масштабную шкалу в оптической микроскопии при использовании микролинз, но и осуществлять настройку определенных параметров сканирования в атомно-силовой микроскопии, подбирать индивидуальные параметры вытягивания капилляров для капиллярной микроскопии.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Образец – рельефная дифракционная решетка на металлизированном термопластике с известным периодом и размерами структур. В работе использовалась дифракционная решетка, полученная оттиском рельефа с никелевого штампа на термопластике, нанесенном на фотополимер. Термопластик нанесен на пленку ПЭТ 35 мкм.
Для преодоления ограничения в оптической микроскопии можно использовать микролинзы для существенного улучшения качества изображения [1, 2]. Для наблюдения увеличенного изображения в оптической микроскопии использовались микросферы из титаната бария, погруженные в силиконовое масло, а также микросферы полиметилакрилата (ПМА) на воздухе. Наблюдения проводились на оптическом микроскопе Zeiss Scope.A1 в режиме отраженного света. Использовались объективы Zeiss 50x/0,55 DIC, Zeiss 100x/0,75 DIC. Микролинзы располагаются сверху на поверхности образца.
Сканирующая капиллярная микроскопия выполнялась на микроскопе "ФемтоСкан Xi" и "ФемтоСкан Айон".
Атомно-силовая микроскопия выполнялась на многофункциональном микроскопе "ФемтоСкан".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Для оптических изображений дифракционной решетки с периодом 800 нм и шириной щелей 300 нм использовались два вида микролинз, выполненных из титаната бария в силиконовом масле и из полиметакрилата на воздухе.
Изображение с линзами титаната бария представлены на рис.1, увеличение составляет ~2,4, увеличение объектива 50х. На изображении хорошо различимы полосы, хотя центральная часть микролинзы выглядит слегка засвеченной.
На рис.2 изображение дифракционной решетки визуализировали с помощью микросфер из полиметакрилата. Период решетки 800 нм, ширина щелей 300 нм. Увеличение составляет ~2.1. Увеличение объектива 100х.
При исследовании той же решетки на атомно-силовом микроскопе значение ширины полосы оказалось чуть завышено, так как в процессе сканирования кантилевер сглаживает резкие вертикальные переходы выступов и за счет этого возникает эффект уширения.
Дифракционная решетка с периодом 1,7 мкм и шириной полос 0,5 мкм была исследована на сканирующем капиллярном микроскопе "ФемтоСкан Xi" (рис.4). Использовался капилляр с диаметром отверстия около 60 нм, амплитуда колебаний и скорость сближения составляли 300 нм и 15 нм/мс соответственно.
Полученные по результатам измерений на СКМ период и ширина полос согласуются с заявленными значениями. Отдельно стоит отметить достигнутое более качественное отображение вертикальных стенок дифракционных полос в сравнении с АСМ-зондом, дающим уширение вертикальному рельефу.
Образец решетки с периодом 1,0 мкм и шириной полос 0,4 мкм использовался и в качестве калибровочной меры для метрологии микроскопа "ФемтоСкан Айон" (рис.5). Полученные снимки помогли откалибровать латеральный ход пьезоподвижки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методы визуализации, которые позволяют определять физико-химические и механические свойства с высоким временным и пространственным разрешением в жидкости, будут нужны всегда. Поэтому так актуально использовать для калибровки приборов различные эталоны, которые могут показать преимущество того или иного метода визуализации. Дифракционная решетка является хорошим эталоном как для оптической микроскопии, так и для зондовой микроскопии. Существенные достоинства дифракционной решетки обусловлены следующими факторами. Геометрический рельеф решетки привязан к длине волны света, формирующего паттерн решетки. В результате достигается высокая метрологическая точность решетки. Решетка сформирована на прозрачном пластике, что обеспечивает ее удобное использование при позиционировании зондового микроскопа на инвертированном оптическом микроскопе. Этим достигается возможность полноценного оптического наблюдения как самой решетки, так и образца, расположенного как в непосредственной близости с решеткой, так и на ней. Дополнительные немаловажные достоинства решетки – доступность и невысокая стоимость.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена по государственному заданию при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). ПО "ФемтоСкан Онлайн" предоставлено ООО НПП "Центр перспективных технологий", www.nanoscopy.ru.
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
Senotrusova S.A., Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. Super-resolution ability of microlenses for the study of biological objects. NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 3–4. PP. 168–176. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.
3-4.168.176
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Senotrusova S.A., Wang Z., Bing Y., Lukyanchuk B.S., Barmina E., Simakin A.V., Shafeev G.A. A new solution for bionanoscopy based on optical microlens technology. NANOINDUSTRY. 2021. Vol. 14. No. 5. PP. 292–297. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.5.292.297
Отзывы читателей
