eng
Выпуск #6/2018
И.Яминский, А.Ахметова, Г.Мешков
ПО "Фемтоскан онлайн" и визуализация нанообъектов в микроскопии высокого разрешения
ПО "Фемтоскан онлайн" и визуализация нанообъектов в микроскопии высокого разрешения
Просмотры: 3681
Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" осуществляет обработку экспериментальных данных микроскопии высокого разрешения (зондовой, электронной и оптической микроскопии) с помощью оригинальных методик.
УДК 004.932; ВАК 05.11.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.6.414.416
УДК 004.932; ВАК 05.11.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.6.414.416
Теги: atomic force microscopy multifunctional femtoscan scanning microscope online-software scanning capillary microscopy атомно-силовая микроскопия сканирующая капиллярная микроскопия сканирующий микроскоп фемтоскан
Электронная микроскопия значительно повлияла на многие области науки и техники благодаря беспрецедентному атомному и молекулярному разрешению. Тем не менее получение изображений биологических и других чувствительных образцов ограничено из-за повреждения образца, вызванного пучком электронов, необходимых для визуализации. Доза облучения, полученная образцом при визуализации с помощью электронного микроскопа, работающего в типичных условиях, сопоставима с облучением от 10-мегатонной водородной бомбы, взорвавшейся на расстоянии примерно 30 м [1].
Оптические микроскопы обладают определенными уникальными преимуществами (неинвазивное получение изображений в реальном времени, большая площадь кадра), но их разрешение ограничено дифракционным пределом. И хотя появились разработки, позволяющие добиться нанометрового разрешения с помощью оптики [2], эти технологии пока в полной мере коммерчески недоступны.
Атомно-силовая микроскопия (AСM) и сканирующая ион-проводящая микроскопия (СИПМ) являются превосходными методами, широко используемыми для визуализации топографии живых клеток с высоким разрешением. В сочетании с бесконтактной визуализацией топографии поверхности СИПМ представляет собой мощный инструмент с субклеточным разрешением для изучения широкого спектра физиологических процессов, связанных с переносом ионов. СИПМ использует нанокапилляр, заполненный электролитом, для сканирования поверхности образца в растворе. Расстояние между зондом и образцом зависит от ионного тока, создаваемого между электродом внутри капилляра и электродом в растворе.
С помощью двухканальных нанокапилляров возможно одновременное измерение ионного тока и сканирование образца: один канал обеспечивает традиционное управление обратной связью по ионному току, а по второму каналу измеряются изменения в потенциале. В частности, в работе [3] было обнаружено, что фаза чувствительна к локальным проводящим путям и может использоваться для количественной оценки сопротивления одиночной нанопоры. В работе [4] с помощью СИПМ были обнаружены открывающие и закрывающие движения небольшой поры (около 500 нм), которую трудно визуализировать методами флуоресценции.
С помощью многофункционального сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан" и сканирующего капиллярного микроскопа авторами статьи были решены следующие задачи:
• проведена модификация поверхностей покрытий и тонких пленок в жидких средах с помощью капиллярной доставки веществ;
• реализованы прецизионные системы перемещения нанокапилляров;
• проведено метрологическое обеспечение технологии изготовления капилляров, содержащих 1–7 каналов;
• выполнены эксперименты по нанолитографии покрытий и органических пленок с помощью атомно-силовой микроскопии;
• в экспериментах по сканирующей капиллярной микроскопии и нанолитографии осуществлено создание литографического рисунка с характерным размером 30–50 нм;
• проведена оценка энергетического взаимодействия зонда и поверхности, а также капилляра и поверхности органической пленки.
При решении перечисленных задач было использовано оригинальное программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" [5, 6].
Для метрологической проверки изготовленных нанокапилляров с помощью пуллера P-2000 (Sutter Instrument) предложено использовать контрольный образец поверхности DVD- или Blue-Ray-диска. Для этого образец размещается на дне чашки Петри, заполненной физиологическим раствором (0,9% раствор хлорида натрия в воде). По характеру получаемого изображения (см. рисунок) можно судить о качестве зонда [7]. Для этого применяется функция восстановления формы зонда по полученному изображению. Измеренное значение диаметра капилляра для изображения поверхности составляет примерно 90 нм. Косвенным образом диаметр отверстия нанокапилляра можно определить по величине тока между хлорсеребряным электродом, расположенным внутри капилляра, и электродом в чашке Петри. При этом проведенная оценка совпадает с точностью до 5% со значением в 90 нм.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 17-52-560001.
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES
1. Grubb D.T. Review radiation-damage and electron-microscopy of organic polymers. J. Mater. Sci. 1974. No. 9. P. 1715–1736.
2. Krivitsky L.A., Wang J.J., Wang Z., Luk’yanchuk B. Locomotion of microspheres for super-resolution imaging. Sci. Rep. 2013. No. 3. P. 3501.
3. Zhou L., Zhou Yi, Shi W., Baker L.A. Alternating Current Potentiometric Scanning Ion Conductance Microscopy (AC-PSICM). J. Phys. Chem. C. 2015. No. 119. P. 14392−14399.
4. Nashimoto Y., Takahashi Y., Ida H., et al. Nanoscale imaging of an unlabeled secretory protein in living cells using scanning ion conductance microscopy. J. Analytical Chemistry. 2015. No. 87 (5). P. 2542–2545.
5. Filonov A., Yaminsky I., Akhmetova A., Meshkov G. FemtoScan Online! Why it? NANOINDUSTRY. 2018. No. 84 (5). P. 339–342.
6. Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. FemtoScan Online Software. NANOINDUSTRY. 2016. No. 2 (64). P. 42–46.
7. Yaminsky I., Akhmetova A., Meshkov G., Salehi F. Combined capillary and probe microscopy. NANOINDUSTRY. 2018. No. 1 (80). P. 44–48.
Оптические микроскопы обладают определенными уникальными преимуществами (неинвазивное получение изображений в реальном времени, большая площадь кадра), но их разрешение ограничено дифракционным пределом. И хотя появились разработки, позволяющие добиться нанометрового разрешения с помощью оптики [2], эти технологии пока в полной мере коммерчески недоступны.
Атомно-силовая микроскопия (AСM) и сканирующая ион-проводящая микроскопия (СИПМ) являются превосходными методами, широко используемыми для визуализации топографии живых клеток с высоким разрешением. В сочетании с бесконтактной визуализацией топографии поверхности СИПМ представляет собой мощный инструмент с субклеточным разрешением для изучения широкого спектра физиологических процессов, связанных с переносом ионов. СИПМ использует нанокапилляр, заполненный электролитом, для сканирования поверхности образца в растворе. Расстояние между зондом и образцом зависит от ионного тока, создаваемого между электродом внутри капилляра и электродом в растворе.
С помощью двухканальных нанокапилляров возможно одновременное измерение ионного тока и сканирование образца: один канал обеспечивает традиционное управление обратной связью по ионному току, а по второму каналу измеряются изменения в потенциале. В частности, в работе [3] было обнаружено, что фаза чувствительна к локальным проводящим путям и может использоваться для количественной оценки сопротивления одиночной нанопоры. В работе [4] с помощью СИПМ были обнаружены открывающие и закрывающие движения небольшой поры (около 500 нм), которую трудно визуализировать методами флуоресценции.
С помощью многофункционального сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан" и сканирующего капиллярного микроскопа авторами статьи были решены следующие задачи:
• проведена модификация поверхностей покрытий и тонких пленок в жидких средах с помощью капиллярной доставки веществ;
• реализованы прецизионные системы перемещения нанокапилляров;
• проведено метрологическое обеспечение технологии изготовления капилляров, содержащих 1–7 каналов;
• выполнены эксперименты по нанолитографии покрытий и органических пленок с помощью атомно-силовой микроскопии;
• в экспериментах по сканирующей капиллярной микроскопии и нанолитографии осуществлено создание литографического рисунка с характерным размером 30–50 нм;
• проведена оценка энергетического взаимодействия зонда и поверхности, а также капилляра и поверхности органической пленки.
При решении перечисленных задач было использовано оригинальное программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" [5, 6].
Для метрологической проверки изготовленных нанокапилляров с помощью пуллера P-2000 (Sutter Instrument) предложено использовать контрольный образец поверхности DVD- или Blue-Ray-диска. Для этого образец размещается на дне чашки Петри, заполненной физиологическим раствором (0,9% раствор хлорида натрия в воде). По характеру получаемого изображения (см. рисунок) можно судить о качестве зонда [7]. Для этого применяется функция восстановления формы зонда по полученному изображению. Измеренное значение диаметра капилляра для изображения поверхности составляет примерно 90 нм. Косвенным образом диаметр отверстия нанокапилляра можно определить по величине тока между хлорсеребряным электродом, расположенным внутри капилляра, и электродом в чашке Петри. При этом проведенная оценка совпадает с точностью до 5% со значением в 90 нм.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 17-52-560001.
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES
1. Grubb D.T. Review radiation-damage and electron-microscopy of organic polymers. J. Mater. Sci. 1974. No. 9. P. 1715–1736.
2. Krivitsky L.A., Wang J.J., Wang Z., Luk’yanchuk B. Locomotion of microspheres for super-resolution imaging. Sci. Rep. 2013. No. 3. P. 3501.
3. Zhou L., Zhou Yi, Shi W., Baker L.A. Alternating Current Potentiometric Scanning Ion Conductance Microscopy (AC-PSICM). J. Phys. Chem. C. 2015. No. 119. P. 14392−14399.
4. Nashimoto Y., Takahashi Y., Ida H., et al. Nanoscale imaging of an unlabeled secretory protein in living cells using scanning ion conductance microscopy. J. Analytical Chemistry. 2015. No. 87 (5). P. 2542–2545.
5. Filonov A., Yaminsky I., Akhmetova A., Meshkov G. FemtoScan Online! Why it? NANOINDUSTRY. 2018. No. 84 (5). P. 339–342.
6. Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. FemtoScan Online Software. NANOINDUSTRY. 2016. No. 2 (64). P. 42–46.
7. Yaminsky I., Akhmetova A., Meshkov G., Salehi F. Combined capillary and probe microscopy. NANOINDUSTRY. 2018. No. 1 (80). P. 44–48.
Отзывы читателей
