eng
Выпуск #4/2016
А.Ахметова, Г.Мешков, О.Синицына, И.Яминский
Метрологическое обеспечение в бионаноскопии
Метрологическое обеспечение в бионаноскопии
Просмотры: 4515
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) успешно переходит из научно-исследовательской области в сектор реальных производственных технологий. В связи с этим существенно повышается роль метрологического сопровождения инструментария СЗМ.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.36.39
DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.36.39
Теги: bionanoscopy metrology scanning probe microscopy standardization бионаноскопия метрология сканирующая зондовая микроскопия стандартизация
В 2012 году при поддержке Метрологического центра "РОСНАНО" авторами разработан эталон высоты для сканирующей зондовой микроскопии на основе вируса табачной мозаики, расположенного на поверхности высокоориентированного пиролитического графита [4]. Вирус табачной мозаики служит эталоном в 17 нм. Эта величина чуть меньше, чем известное значение диаметра вируса в 18 нм, полученное по данным просвечивающей электронной микроскопии. Разница в наблюдаемых значениях может быть обусловлена двумя факторами. Во-первых, при адсорбции вируса на графите может происходить уплощение частицы, что приводит к уменьшению наблюдаемой в атомно-силовой микроскоп высоты. Во-вторых, в просвечивающем электронном микроскопе наблюдается поперечный размер вируса (диаметр), увеличение которого может быть также вызвано адгезионными (поверхностными) силами со стороны подложки.
Размер в биологии имеет ключевое значение. Так, например, биоспецифическое взаимодействие обусловлено в существенной степени геометрией контакта между антигеном и антителом. Вместе с тем, пока метрология нанометрового масштаба разработана очень слабо. Применяемые в настоящее время статические решетки, представляющие собой искусственно созданные на поверхности структуры с заданным профилем, обеспечивают точность измерений около 2 нм. Такие решетки, изготовленные из кремния и других материалов, подвержены деградации, загрязнениям поверхности, износу. Кроме того, они достаточно дороги, и, что очень существенно, не позволяют калибровать зондовый микроскоп непосредственно в процессе измерения, например, биологических объектов.
Нами было предложено простое, но вместе с тем очень эффективное решение измерительной меры – эталона нанометра [5–7]. К безусловным достоинствам такой меры относится удобная шкала – ровно один нанометр. Привязка измерительной нанометровой меры к эталону метра осуществляется с помощью интерферометра. Измерительная мера защищена патентом, который передан в общенародное безвозмездное пользование [8].
Измерительная мера (эталон) нанометра изготавливается из пьезокерамической пластины толщиной 0,5–2 мм. На торцах пластины формируются электроды. При приложении напряжения U к электродам за счет обратного пьезоэффекта происходит изменение толщины пластинки на величину:
Z = d33 U,
где d33 – пьезоэлектрический модуль. Такой эталон обеспечивает точность на уровне 0,001 нм (d33 – около 2 ∙ 10–10 м/В, U – около 5 В).
При использовании измерительной меры в атомно-силовом микроскопе на изображении появляются вертикальные полосы высотой в 1 нм (рис.2). Шириной этих полос можно управлять, изменяя частоту напряжения, прикладываемого к электродам измерительной меры.
Для использования в микроскопии данный эталон выполнен в металлическом корпусе (рис.3), при этом на величину в один нанометр перемещается верхняя крышка корпуса.
Калибровку микроскопа можно проводить и в режиме сканирования. Тогда на "прямоугольный" перепад высот будет накладываться реальный рельеф образца. Во многих случаях регулярный прямоугольный рельеф можно легко отличить от реального рельефа образца.
Эталон нанометра несложно изготовить своими силами в лаборатории зондовой микроскопии. Для этого потребуется пластина пьезокерамики, которую можно приобрести за 10–100 руб., и генератор прямоугольного напряжения с частотой в единицы гигагерц и амплитудой около 5 В.
Представленная на рис.3 динамическая измерительная мера (эталон нанометра) создана для выполнения калибровки вертикальной шкалы Z сканирующего атомно-силового микроскопа.
Для калибровки горизонтальной шкалы микроскопа предложены латеральные измерительные меры, которые обеспечивают перемещение образца по координатам Х и Y. Чтобы зафиксировать перемещение образца по горизонтали идеально ровный образец не подходит, поэтому мы предлагаем использовать поверхность высокоориентированного пиролитического графита. Перемещение образца в нанометровом диапазоне можно наблюдать по сдвигу ступени на графите (рис.4). Это решение защищено двумя патентами [9, 10].
Аккуратная калибровка сканирующих зондовых микроскопов востребована при наблюдении объектов в диапазоне 10–100 нм. К этому диапазону относятся многие вирусы растений, животных и человека. Так, типичный размер вируса гриппа А – около 100 нм.
Наша искренняя благодарность Министерству образования и науки за финансовую поддержку (проект 02.G25.31.0135), Фонду содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (проект 16315), РОСНАНО за эффективную помощь.
Литература
1.Dubrovin E.V., Drygin Yu.F., Novikov V.K., Yaminsky I.V. Atomic force microscopy as a tool of inspection of viral infection, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2007. Vol. 3. Issue 2, P. 128–131.
2.Потемкин А. Если нет точного нанометрового эталона, то нет и индустрии нанотехнологий // Наноиндустрия. 2016. № 3(65). Р. 8–12.
3.Яминский И., Филонов А., Синицына О., Мешков Г. Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" // Наноиндустрия. 2016. № 2(64). С. 42–46.
4.Yaminsky I., Filonov A., Sinitsyna O., Meshkov G. FemtoScan Online Software // Nanoindustry. 2016. N 2(64). Р. 42–46.
5.Государственный стандартный образец № ГСО 10299-2013 "СО диаметра вируса табачной мозаики на подложке из высокоориентированного пиролитического графита (ГСО ВТМ-ВОПГ-ЦПТ)" Свидетельство № 3366.
6.Яминский И.В. Линейка длиной в один нанометр // Квант. 2009. № 4. 4–6.
7.Мешков Г., Синицына О., Яминский Д., Яминский И. Динамическая измерительная мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 6(36). Р. 40–43.
8.Голубев С., Захарьин В., Мешков Г., Токунов Ю., Яминский Д., Яминский И. Калибровка зондовых микроскопов. Динамическая мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 8(38). С. 42–46.
9.Яминский Д.И., Яминский И.В. Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Патент на изобретение № 2386989.
10.Мешков Г.Б., Яминский Д.И., Яминский И.В. Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Патент на изобретение № 2538029.
11.Мешков Г.Б., Яминский Д.И., Яминский И.В., Оленин А.В. Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Патент на изобретение № 2538024.
Размер в биологии имеет ключевое значение. Так, например, биоспецифическое взаимодействие обусловлено в существенной степени геометрией контакта между антигеном и антителом. Вместе с тем, пока метрология нанометрового масштаба разработана очень слабо. Применяемые в настоящее время статические решетки, представляющие собой искусственно созданные на поверхности структуры с заданным профилем, обеспечивают точность измерений около 2 нм. Такие решетки, изготовленные из кремния и других материалов, подвержены деградации, загрязнениям поверхности, износу. Кроме того, они достаточно дороги, и, что очень существенно, не позволяют калибровать зондовый микроскоп непосредственно в процессе измерения, например, биологических объектов.
Нами было предложено простое, но вместе с тем очень эффективное решение измерительной меры – эталона нанометра [5–7]. К безусловным достоинствам такой меры относится удобная шкала – ровно один нанометр. Привязка измерительной нанометровой меры к эталону метра осуществляется с помощью интерферометра. Измерительная мера защищена патентом, который передан в общенародное безвозмездное пользование [8].
Измерительная мера (эталон) нанометра изготавливается из пьезокерамической пластины толщиной 0,5–2 мм. На торцах пластины формируются электроды. При приложении напряжения U к электродам за счет обратного пьезоэффекта происходит изменение толщины пластинки на величину:
Z = d33 U,
где d33 – пьезоэлектрический модуль. Такой эталон обеспечивает точность на уровне 0,001 нм (d33 – около 2 ∙ 10–10 м/В, U – около 5 В).
При использовании измерительной меры в атомно-силовом микроскопе на изображении появляются вертикальные полосы высотой в 1 нм (рис.2). Шириной этих полос можно управлять, изменяя частоту напряжения, прикладываемого к электродам измерительной меры.
Для использования в микроскопии данный эталон выполнен в металлическом корпусе (рис.3), при этом на величину в один нанометр перемещается верхняя крышка корпуса.
Калибровку микроскопа можно проводить и в режиме сканирования. Тогда на "прямоугольный" перепад высот будет накладываться реальный рельеф образца. Во многих случаях регулярный прямоугольный рельеф можно легко отличить от реального рельефа образца.
Эталон нанометра несложно изготовить своими силами в лаборатории зондовой микроскопии. Для этого потребуется пластина пьезокерамики, которую можно приобрести за 10–100 руб., и генератор прямоугольного напряжения с частотой в единицы гигагерц и амплитудой около 5 В.
Представленная на рис.3 динамическая измерительная мера (эталон нанометра) создана для выполнения калибровки вертикальной шкалы Z сканирующего атомно-силового микроскопа.
Для калибровки горизонтальной шкалы микроскопа предложены латеральные измерительные меры, которые обеспечивают перемещение образца по координатам Х и Y. Чтобы зафиксировать перемещение образца по горизонтали идеально ровный образец не подходит, поэтому мы предлагаем использовать поверхность высокоориентированного пиролитического графита. Перемещение образца в нанометровом диапазоне можно наблюдать по сдвигу ступени на графите (рис.4). Это решение защищено двумя патентами [9, 10].
Аккуратная калибровка сканирующих зондовых микроскопов востребована при наблюдении объектов в диапазоне 10–100 нм. К этому диапазону относятся многие вирусы растений, животных и человека. Так, типичный размер вируса гриппа А – около 100 нм.
Наша искренняя благодарность Министерству образования и науки за финансовую поддержку (проект 02.G25.31.0135), Фонду содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (проект 16315), РОСНАНО за эффективную помощь.
Литература
1.Dubrovin E.V., Drygin Yu.F., Novikov V.K., Yaminsky I.V. Atomic force microscopy as a tool of inspection of viral infection, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2007. Vol. 3. Issue 2, P. 128–131.
2.Потемкин А. Если нет точного нанометрового эталона, то нет и индустрии нанотехнологий // Наноиндустрия. 2016. № 3(65). Р. 8–12.
3.Яминский И., Филонов А., Синицына О., Мешков Г. Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" // Наноиндустрия. 2016. № 2(64). С. 42–46.
4.Yaminsky I., Filonov A., Sinitsyna O., Meshkov G. FemtoScan Online Software // Nanoindustry. 2016. N 2(64). Р. 42–46.
5.Государственный стандартный образец № ГСО 10299-2013 "СО диаметра вируса табачной мозаики на подложке из высокоориентированного пиролитического графита (ГСО ВТМ-ВОПГ-ЦПТ)" Свидетельство № 3366.
6.Яминский И.В. Линейка длиной в один нанометр // Квант. 2009. № 4. 4–6.
7.Мешков Г., Синицына О., Яминский Д., Яминский И. Динамическая измерительная мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 6(36). Р. 40–43.
8.Голубев С., Захарьин В., Мешков Г., Токунов Ю., Яминский Д., Яминский И. Калибровка зондовых микроскопов. Динамическая мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 8(38). С. 42–46.
9.Яминский Д.И., Яминский И.В. Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Патент на изобретение № 2386989.
10.Мешков Г.Б., Яминский Д.И., Яминский И.В. Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Патент на изобретение № 2538029.
11.Мешков Г.Б., Яминский Д.И., Яминский И.В., Оленин А.В. Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Патент на изобретение № 2538024.
Отзывы читателей
