eng
Выпуск #1/2016
И.Яминский
Сканирующая ион-проводящая микроскопия постепенно эволюционирует в сканирующую капиллярную микроскопию.
Сканирующая ион-проводящая микроскопия постепенно эволюционирует в сканирующую капиллярную микроскопию.
Просмотры: 5485
Сканирующая ион-проводящая микроскопия постепенно эволюционирует в сканирующую капиллярную микроскопию.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.63.1.76.79
DOI:10.22184/1993-8578.2016.63.1.76.79
Теги: cканирующая ион-проводящая микроскопия cканирующая капиллярная микроскопия scanning capillary microscopy scanning ion conductance microscopy scanning probe microsocpe зондовая микросокпия
3 февраля 1989 года в журнале "Science" вышла статья Пола Хансмы с соавторами "Сканирующий ион-проводящий микроскоп" [1]. За два дня до этого Хансма подал заявку на одноименный патент [2]. Сканирующий ион-проводящий микроскоп (рис.1.) стал еще одной удачной разновидностью приборов в семействе сканирующих зондовых микроскопов.
Сканирующий ион-проводящий микроскоп позволяет наблюдать объекты в жидкости (электролите) с микронным и нанометровым пространственным разрешением. Если сканирующий туннельный микроскоп работает с проводниками, то объекты ион-проводящего микроскопа могут быть как проводниками, так и диэлектриками. При сканировании в ион-проводящем микроскопе, в отличие от атомно-силового микроскопа, силовое воздействие на образец практически отсутствует.
Существенный прогресс в развитии и применении сканирующей ион-проводящей микроскопии произошел за последние десять-пятнадцать лет в связи с разработкой модуляционных методик [3–6] и особенно прыжкового режима ("хоппинг-моды", в английской терминологии – hopping mode) благодаря работам Юрия Корчева и соавторов [7, 8]. Именно при применении "хоппинг-моды" удалось в полной мере реализовать преимущества сканирующей ион-проводящей микроскопии. За счет контролируемого перемещения иглы по вертикали к образцу на расстояние в несколько микрон стало возможным детальное изучение шероховатых объектов, к которым относятся многие биологические системы. Применение перспективных моделей сигнальных процессоров и FPGA-микроконтроллеров в сочетании с быстродействующими операционными усилителями, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями позволило достичь деликатного сканирования шероховатых клеток, волокон и многих других биоструктур на высокой скорости, не вызывая их деформации (рис.2).
Зонд в виде кварцевого или стеклянного капилляра по сравнению с традиционным кантилевером имеет меньший угол схождения в вершине, а значит, и эффект уширения изображения проявляется в ион-проводящей микроскопии в существенно меньшей степени.
Возможности сканирующей ион-проводящей микроскопии значительно шире, чем просто наблюдение рельефа поверхности шероховатых объектов с низкой механической жесткостью. Использование многоканальных капилляров (рис.3) в качестве зонда позволяет проводить мультипараметрический анализ клеток. Химическая модификация одного или нескольких каналов капилляра превращает зонд в электрохимический наносенсор [10]. Капилляры с двумя или несколькими каналами дают также возможность реализовать направленный массоперенос веществ, биомакромолекул (пептидов, белков, нуклеиновых кислот и пр.) на поверхность биообъектов или внутрь их объема.
Можно прогнозировать дальнейшее широкое применение ион-проводящего микроскопа в биомедицинских приложениях (рис.4), тестировании лекарственных средств с использованием не культуры клеток, а всего лишь одной клетки [11, 12].
Вынесенный в заголовок термин "сканирующий капиллярный микроскоп" до этого момента не использовался для данной разновидности сканирующего зондового микроскопа, однако его целесообразно ввести. Капиллярный зонд может выполнять необычайно разнообразные функции – средства доставки, биосенсора, электрохимического сенсора, измерителя pH, тест системы для обнаружения ионов металлов. Сканирующий капиллярный микроскоп удачно вписывается в семейство сканирующих зондовых микроскопов – СЗМ, где центральная буква в аббревиатуре может обозначать тип зонда. Таким образом, сканирующая капиллярная микроскопия – СКМ – занимает свое уникальное место в методах зондовой микроскопии.
Настоящая работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 15-04-07678) и МОН (проект 02.G25.31.0135). Благодарность ЦМИТ "Нанотехнологии" за предоставление оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1.Hansma P.K., Drake B., Marti O., Gould S.A. and Prater C.B. Science 243, 641 (1989).
2.Hansma P., Drake B. Scanning Ion Conductance Microscope. United States Patent 4924091, Aug. 30, 1994.
3.Gorelik J., Shevchuk A.I., Frolenkov G.I., Diakonov I.A., Lab M.J., Kros C.J., Richardson G.P.,
Vodyanoy I., Edwards C.R.W., Klenerman D. et al. Dynamic assembly of surface structures in living cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 5819–5822.
4.Gorelik J., Zhang Y., Shevchuk A.I., Frolenkov G.I., Sánchez D., Lab M.J., Vodyanoy I., Edwards C.R.W., Klenerman D.,
Korchev Y.E. The use of scanning ion conductance microscopy to image A6 cells. Mol. Cell Endocrinol. 2004, 217, 101–108.
5.Zhang Y., Gorelik J., Sanchez D., Shevchuk A., Lab M., Vodyanoy I., Klenerman D., Edwards C.,
Korchev Y. Scanning ion conductance microscopy reveals how a functional renal epithelial monolayer maintains its integrity. Kidney Int. 2005, 68, 1071–1077.
6.Mann S.A., Hoffmann G., Hengstenberg A.,
Schuhmann W., Dietzel I.D. Pulse-mode scanning ion conductance microscopy–A method to investigate cultured hippocampal cells. J. Neurosci. Methods 2002, 116, 113–117.
7.Novak P., Li C., Shevchuk A.I., Stepanyan R., Caldwell M., Hughes S., Smart T.G., Gorelik J.,
Ostanin V.P., Lab M.J. et al. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy. Nat. Methods 2009, 6, 279–281.
8.Shevchuk A.I., Novak P., Takahashi Y., Clark R., Miragoli M., Babakinedjad B., Gorelik J., Korchev Y., Klenerman D. Realizing the biological and biomedical potential of nanoscale imaging using pipette probe. Nanomedicine, Future Medicine Ltd, 2011, 6(3), 565-575.
9.Actis P., Tokar S., Clausmeyer J., Babakinejad B., Mikhaleva S., Cornut R., Takahashi Y., Cordoba A.L., Novak P., Shevchuck A.I., Dougan J.A., Kazarian S.G., Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Yaminsky I.V., Unwin P.R., Schuhmann W., Klenerman D., Rusakov D.A., Sviderskaya E.V. and Korchev Y.E.
Electrochemical Nanoprobes for Single-Cell Analysis // ACS Nano, 8(1), 875–884 (2014).
10.Bhargava A., Lin X., Novak P., Mehta K., Korchev Y., Delmar M., Gorelik J. Super RTesolution Scanning Patch Clamp Reveals Clustering of Functional Ion Channels in Adult Ventricular Myocyte. Circulation Research, 2013, 112, 1112–1120.
11.Макарова Е., Багров Д., Горелкин П., Ерофеев А., Яминский И. Наблюдение эритроцитов с помощью атомно-силовой и сканирующей ион-проводящей микроскопии // Наноиндустрия. 2015. № 2 (56). С. 42–47.
12.Макарова Е.С., Багров Д.В., Горелкин П.В., Ерофеев А.С., Яминский И.В. Визуализация эритроцитов методами атомно-силовой и сканирующей ион-проводящей микроскопии //
Медицина и высокие технологии. 2015.
№ 2. С. 42–45.
Сканирующий ион-проводящий микроскоп позволяет наблюдать объекты в жидкости (электролите) с микронным и нанометровым пространственным разрешением. Если сканирующий туннельный микроскоп работает с проводниками, то объекты ион-проводящего микроскопа могут быть как проводниками, так и диэлектриками. При сканировании в ион-проводящем микроскопе, в отличие от атомно-силового микроскопа, силовое воздействие на образец практически отсутствует.
Существенный прогресс в развитии и применении сканирующей ион-проводящей микроскопии произошел за последние десять-пятнадцать лет в связи с разработкой модуляционных методик [3–6] и особенно прыжкового режима ("хоппинг-моды", в английской терминологии – hopping mode) благодаря работам Юрия Корчева и соавторов [7, 8]. Именно при применении "хоппинг-моды" удалось в полной мере реализовать преимущества сканирующей ион-проводящей микроскопии. За счет контролируемого перемещения иглы по вертикали к образцу на расстояние в несколько микрон стало возможным детальное изучение шероховатых объектов, к которым относятся многие биологические системы. Применение перспективных моделей сигнальных процессоров и FPGA-микроконтроллеров в сочетании с быстродействующими операционными усилителями, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями позволило достичь деликатного сканирования шероховатых клеток, волокон и многих других биоструктур на высокой скорости, не вызывая их деформации (рис.2).
Зонд в виде кварцевого или стеклянного капилляра по сравнению с традиционным кантилевером имеет меньший угол схождения в вершине, а значит, и эффект уширения изображения проявляется в ион-проводящей микроскопии в существенно меньшей степени.
Возможности сканирующей ион-проводящей микроскопии значительно шире, чем просто наблюдение рельефа поверхности шероховатых объектов с низкой механической жесткостью. Использование многоканальных капилляров (рис.3) в качестве зонда позволяет проводить мультипараметрический анализ клеток. Химическая модификация одного или нескольких каналов капилляра превращает зонд в электрохимический наносенсор [10]. Капилляры с двумя или несколькими каналами дают также возможность реализовать направленный массоперенос веществ, биомакромолекул (пептидов, белков, нуклеиновых кислот и пр.) на поверхность биообъектов или внутрь их объема.
Можно прогнозировать дальнейшее широкое применение ион-проводящего микроскопа в биомедицинских приложениях (рис.4), тестировании лекарственных средств с использованием не культуры клеток, а всего лишь одной клетки [11, 12].
Вынесенный в заголовок термин "сканирующий капиллярный микроскоп" до этого момента не использовался для данной разновидности сканирующего зондового микроскопа, однако его целесообразно ввести. Капиллярный зонд может выполнять необычайно разнообразные функции – средства доставки, биосенсора, электрохимического сенсора, измерителя pH, тест системы для обнаружения ионов металлов. Сканирующий капиллярный микроскоп удачно вписывается в семейство сканирующих зондовых микроскопов – СЗМ, где центральная буква в аббревиатуре может обозначать тип зонда. Таким образом, сканирующая капиллярная микроскопия – СКМ – занимает свое уникальное место в методах зондовой микроскопии.
Настоящая работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 15-04-07678) и МОН (проект 02.G25.31.0135). Благодарность ЦМИТ "Нанотехнологии" за предоставление оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1.Hansma P.K., Drake B., Marti O., Gould S.A. and Prater C.B. Science 243, 641 (1989).
2.Hansma P., Drake B. Scanning Ion Conductance Microscope. United States Patent 4924091, Aug. 30, 1994.
3.Gorelik J., Shevchuk A.I., Frolenkov G.I., Diakonov I.A., Lab M.J., Kros C.J., Richardson G.P.,
Vodyanoy I., Edwards C.R.W., Klenerman D. et al. Dynamic assembly of surface structures in living cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 5819–5822.
4.Gorelik J., Zhang Y., Shevchuk A.I., Frolenkov G.I., Sánchez D., Lab M.J., Vodyanoy I., Edwards C.R.W., Klenerman D.,
Korchev Y.E. The use of scanning ion conductance microscopy to image A6 cells. Mol. Cell Endocrinol. 2004, 217, 101–108.
5.Zhang Y., Gorelik J., Sanchez D., Shevchuk A., Lab M., Vodyanoy I., Klenerman D., Edwards C.,
Korchev Y. Scanning ion conductance microscopy reveals how a functional renal epithelial monolayer maintains its integrity. Kidney Int. 2005, 68, 1071–1077.
6.Mann S.A., Hoffmann G., Hengstenberg A.,
Schuhmann W., Dietzel I.D. Pulse-mode scanning ion conductance microscopy–A method to investigate cultured hippocampal cells. J. Neurosci. Methods 2002, 116, 113–117.
7.Novak P., Li C., Shevchuk A.I., Stepanyan R., Caldwell M., Hughes S., Smart T.G., Gorelik J.,
Ostanin V.P., Lab M.J. et al. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy. Nat. Methods 2009, 6, 279–281.
8.Shevchuk A.I., Novak P., Takahashi Y., Clark R., Miragoli M., Babakinedjad B., Gorelik J., Korchev Y., Klenerman D. Realizing the biological and biomedical potential of nanoscale imaging using pipette probe. Nanomedicine, Future Medicine Ltd, 2011, 6(3), 565-575.
9.Actis P., Tokar S., Clausmeyer J., Babakinejad B., Mikhaleva S., Cornut R., Takahashi Y., Cordoba A.L., Novak P., Shevchuck A.I., Dougan J.A., Kazarian S.G., Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Yaminsky I.V., Unwin P.R., Schuhmann W., Klenerman D., Rusakov D.A., Sviderskaya E.V. and Korchev Y.E.
Electrochemical Nanoprobes for Single-Cell Analysis // ACS Nano, 8(1), 875–884 (2014).
10.Bhargava A., Lin X., Novak P., Mehta K., Korchev Y., Delmar M., Gorelik J. Super RTesolution Scanning Patch Clamp Reveals Clustering of Functional Ion Channels in Adult Ventricular Myocyte. Circulation Research, 2013, 112, 1112–1120.
11.Макарова Е., Багров Д., Горелкин П., Ерофеев А., Яминский И. Наблюдение эритроцитов с помощью атомно-силовой и сканирующей ион-проводящей микроскопии // Наноиндустрия. 2015. № 2 (56). С. 42–47.
12.Макарова Е.С., Багров Д.В., Горелкин П.В., Ерофеев А.С., Яминский И.В. Визуализация эритроцитов методами атомно-силовой и сканирующей ион-проводящей микроскопии //
Медицина и высокие технологии. 2015.
№ 2. С. 42–45.
Отзывы читателей
