eng
Выпуск #1/2020
И.В.Яминский, А.И.Ахметова, Г.Б.Мешков
Применение сканирующей зондовой и капиллярной микроскопии в международном сотрудничестве
Применение сканирующей зондовой и капиллярной микроскопии в международном сотрудничестве
Просмотры: 2775
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.1.16.20
Научное сотрудничество групп зондовой микроскопии МГУ имени М.В.Ломоносова и Технологического университета имени Шарифа (Тегеран) в рамках российско-иранского проекта оказалось крайне плодотворным. За три года проекта получены оригинальные результаты по локальной модификации поверхности в тонких пленках благодаря использованию сканирующей капиллярной микроскопии. Разработана установка комбинированной зондовой и капиллярной микроскопии.
Научное сотрудничество групп зондовой микроскопии МГУ имени М.В.Ломоносова и Технологического университета имени Шарифа (Тегеран) в рамках российско-иранского проекта оказалось крайне плодотворным. За три года проекта получены оригинальные результаты по локальной модификации поверхности в тонких пленках благодаря использованию сканирующей капиллярной микроскопии. Разработана установка комбинированной зондовой и капиллярной микроскопии.
Теги: capillary microscopy lithography local anode oxidizing nano-scale resolution scanning probe microscopy thin films капиллярная микроскопия литография локальное анодное окисление нанометровое разрешение сканирующая зондовая микроскопия тонкие пленки
Применение сканирующей зондовой и капиллярной микроскопии в международном сотрудничестве
The use of scanning probe and capillary microscopy in international collaboration
И.В.Яминский1, 2, 3, д.ф.-м.н., проф., генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий, (ORCID: 0000-0001-6363-8202), Г.Б.Мешков1, к.ф.-м.н., ст. науч. сотрудник, физический ф-т МГУ имени М.В.Ломоносова, (ORCID: 0000-0003-3930-3730) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminsky1, 2, 3, Doct. of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.I.Аkhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-6363-8202), G.B.Meshkov1, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of Physical Department of Lomonosov Moscow State University, (ORCID:0000-0003-3930-3730)
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.1.16.20
Получено: 10.01.2020 г.
Научное сотрудничество группы зондовой микроскопии МГУ имени М.В.Ломоносова и научной группы из Технологического университета имени Шарифа (Тегеран) в рамках российско-иранского проекта оказалось крайне плодотворным. За три года проекта были получены оригинальные результаты по локальной модификации поверхности в тонких пленках благодаря использованию сканирующей капиллярной микроскопии. Также была разработана установка для комбинированной зондовой и капиллярной микроскопии [1, 2].
The scientific collaboration of the probe microscopy group of Lomonosov Moscow State University and the scientific group from the Sharif University of Technology (Tehran) in the framework of the Russian-Iranian project was extremely fruitful. For three years of the project the original results on local surface modification in thin films due to the use of scanning capillary microscopy were obtained. Also, a device for combined probe and capillary microscopy has been developed [1, 2].
Нано- и микрокапилляры широко использовались в patch clamp и микроинъекциях. Именно в электрофизических измерений, проводимых с отдельными клетками, капилляры нашли свои первые применения. С тех пор нанофлюидные устройства на основе капилляров выступали в качестве зондов для локального электрохимического анализа, сканирующей капиллярной микроскопии, определения поверхностного заряда и манипуляций с нанолитровым объемом жидкости. Существующие работы по капиллярной микроскопии в основном посвящены преодолению ограничений метода: скорость сканирования еще относительно мала, получаемое разрешение не всегда достаточно для проведения сверхточных измерений [3, 4].
В работе [5] показано, что ионы с окислительно-восстановительным потенциалом могут удерживаться внутри капилляра за счет прикладываемого напряжения между электродом в капилляре и электродом в растворе, а затем доставляться импульсом в определенную область образца.
В работе [6] демонстрируется новая техника выполнения электрораспыления нанолитровых объемов образца, собранного с помощью двухканального капилляра, для проведения масс-спектрометрического анализа. Также можно провести измерения вязкоупругих свойств образца, воздействуя на него потоком жидкости из капилляра и детектируя изменение расстояния от кончика капилляра до образца [7].
Ранее нами было продемонстрировано, что с помощью капиллярной микроскопии можно измерить уровень перекиси водорода вблизи поверхности клетки [8]. Проведены эксперименты по химической нанолитографии, проведены измерения в режиме капиллярной микроскопии с помощью сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан Xi" [9].
В рамках третьего года выполнения проекта по инициации локальных химических реакций с помощью зондовой микроскопии нами были достигнуты следующие ключевые показатели.
Для проведения экспериментальных исследований разработана установка совмещенного атомно-силового и сканирующего капиллярного микроскопа, представленная на рис.1.
Проведены эксперименты по литографии методом химического воздействия и окисления со следующими материалами: титан, кремний, графит, графен, проводящие полимеры.
Осуществлена контролируемая локальная химическая реакция с участками поверхности атомарного масштаба неорганическими молекулами и макромолекулами. Оптимизированы методы нанолитографии для реализации химической реакции с использованием нанокластеров и наночастиц золота и серебра.
Определены зависимости размера локальной области химической реакции от параметров внешнего взаимодействия – амплитуды импульса приложенного напряжения между зондом и поверхностью, длительности импульса, скорости возрастания фронтов импульса, параметров окружающей среды.
Проведена контролируемая локальная химическая реакция и модификация в естественных средах – на воздухе и водной среде. Эксперименты в водной среде проводились в буферном растворе с помощью капиллярной микроскопии.
Для достижения ключевых показателей проекта была оптимизирована установка для сканирующей зондовой микроскопии, в частности, была доработана система обратной связи в сканирующем зондовом микроскопе.
Разработаны прецизионные системы сканирования для проведения химических реакций. Оптимизированы параметры импульсного воздействия для эффективной инициации локальной химической реакции.
Разработаны практические рекомендации по использованию локальных химических реакций при создании химических и биологических сенсоров, а также применению результатов проекта в наноиндустрии и наукоемких технологиях.
С помощью удаленного управления сканирующим зондовым микроскопом "ФемтоСкан" через интернет научным сотрудником, к.ф.-м.н. Г.Б.Мешковым был проведен дистанционный мастер-класс по обработке изображений и настройке параметров сканирования для иранской группы под руководством профессора Шарифского технологического университета (Тегеран) Reza Ejtehadi.
Дистанционное управление сканирующим зондовым микроскопом выполнено в программном обеспечении "ФемтоСкан Онлайн "в режиме многопользовательского интерфейса "мастер – клиент". Мастер определяет и устанавливает все параметры сканирования и измерений, при этом все получаемые экспериментальные данные синхронно поступают на компьютеры всех подключенных пользователей. Мастер может передать все свои права одному из клиентов, при этом клиент становится мастером, а мастер – клиентом. Для общения между участниками эксперимента в программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" интегрирована служба обмена сообщениями – встроенный чат. Это помогает эффективно проводить техническую поддержку, консультации и мастер-классы. При реализации длительных экспериментов становится возможно следить за процессом измерений и проводить коррекцию параметров эксперимента из разных мест: лаборатории, аудитории, из дома. В результате существенно повышается эффективность индивидуальной и коллективной работы.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-52-560001.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. Scanning probe microscopy in studies of thin films // Nanoindustry. 2019. T. 12. № 2. P. 128–130.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B., Salehi F. FemtoScan in Tehran // Nanoindustry. 2019. T. 12. № 1. P. 68–71.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. Scanning probe microscopy in studies of thin films // Nanoindustry. 2019. T. 12. № 2. P. 128–130.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B., Salehi F. FemtoScan in Tehran //| Nanoindustry. 2019. T. 12. № 1. P. 68–71.
Watanabe S., Kitazawa S., Sun L., Kodera N., Ando T. Development of high-speed ion conductance microscopy. Rev. Sci. Instrum. 2019, 90, 123704.
Simeonov S., Schäffer T.E. High-speed scanning ion conductance microscopy for sub-second topography imaging of live cells. Nanoscale, 2019, 11, 8579.
Chen B., Perry D., Page A., Kang M., Unwin P.R. Scanning Ion Conductance Microscopy: Quantitative Nanopipette Delivery−Substrate Electrode Collection Measurements and Mapping. Anal. Chem. 2019, 91, 2516−2524.
Saha-Shah A., Karty J.A., Baker L.A. Local collection, reaction and analysis with theta pipette emitters. Analyst, 2017, 142, 1512.
Rheinlaender J., Schäffer T.E. Mapping the creep compliance of living cells with scanning ion conductance microscopy reveals a subcellular correlation between stiffness and fluidity. Nanoscale, 2019, 11, 6982.
Actis P., Tokar S., Clausmeyer J., Babakinejad B., Mikhaleva S., Cornut R., Takahashi Y., Ainara L.C., 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., Klenermanid D., Rusakov D.A., Sviderskaya E.V., Korchev Y.E. Electrochemical nanoprobes for single-cell analysis. ACS Nano, 8(1):875–884, 2014.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B., Salehi F. Combined capillary and probe microscopy // Nanoindustry. 2018. 1 (80). P. 44–48.
The use of scanning probe and capillary microscopy in international collaboration
И.В.Яминский1, 2, 3, д.ф.-м.н., проф., генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий, (ORCID: 0000-0001-6363-8202), Г.Б.Мешков1, к.ф.-м.н., ст. науч. сотрудник, физический ф-т МГУ имени М.В.Ломоносова, (ORCID: 0000-0003-3930-3730) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminsky1, 2, 3, Doct. of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.I.Аkhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-6363-8202), G.B.Meshkov1, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of Physical Department of Lomonosov Moscow State University, (ORCID:0000-0003-3930-3730)
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.1.16.20
Получено: 10.01.2020 г.
Научное сотрудничество группы зондовой микроскопии МГУ имени М.В.Ломоносова и научной группы из Технологического университета имени Шарифа (Тегеран) в рамках российско-иранского проекта оказалось крайне плодотворным. За три года проекта были получены оригинальные результаты по локальной модификации поверхности в тонких пленках благодаря использованию сканирующей капиллярной микроскопии. Также была разработана установка для комбинированной зондовой и капиллярной микроскопии [1, 2].
The scientific collaboration of the probe microscopy group of Lomonosov Moscow State University and the scientific group from the Sharif University of Technology (Tehran) in the framework of the Russian-Iranian project was extremely fruitful. For three years of the project the original results on local surface modification in thin films due to the use of scanning capillary microscopy were obtained. Also, a device for combined probe and capillary microscopy has been developed [1, 2].
Нано- и микрокапилляры широко использовались в patch clamp и микроинъекциях. Именно в электрофизических измерений, проводимых с отдельными клетками, капилляры нашли свои первые применения. С тех пор нанофлюидные устройства на основе капилляров выступали в качестве зондов для локального электрохимического анализа, сканирующей капиллярной микроскопии, определения поверхностного заряда и манипуляций с нанолитровым объемом жидкости. Существующие работы по капиллярной микроскопии в основном посвящены преодолению ограничений метода: скорость сканирования еще относительно мала, получаемое разрешение не всегда достаточно для проведения сверхточных измерений [3, 4].
В работе [5] показано, что ионы с окислительно-восстановительным потенциалом могут удерживаться внутри капилляра за счет прикладываемого напряжения между электродом в капилляре и электродом в растворе, а затем доставляться импульсом в определенную область образца.
В работе [6] демонстрируется новая техника выполнения электрораспыления нанолитровых объемов образца, собранного с помощью двухканального капилляра, для проведения масс-спектрометрического анализа. Также можно провести измерения вязкоупругих свойств образца, воздействуя на него потоком жидкости из капилляра и детектируя изменение расстояния от кончика капилляра до образца [7].
Ранее нами было продемонстрировано, что с помощью капиллярной микроскопии можно измерить уровень перекиси водорода вблизи поверхности клетки [8]. Проведены эксперименты по химической нанолитографии, проведены измерения в режиме капиллярной микроскопии с помощью сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан Xi" [9].
В рамках третьего года выполнения проекта по инициации локальных химических реакций с помощью зондовой микроскопии нами были достигнуты следующие ключевые показатели.
Для проведения экспериментальных исследований разработана установка совмещенного атомно-силового и сканирующего капиллярного микроскопа, представленная на рис.1.
Проведены эксперименты по литографии методом химического воздействия и окисления со следующими материалами: титан, кремний, графит, графен, проводящие полимеры.
Осуществлена контролируемая локальная химическая реакция с участками поверхности атомарного масштаба неорганическими молекулами и макромолекулами. Оптимизированы методы нанолитографии для реализации химической реакции с использованием нанокластеров и наночастиц золота и серебра.
Определены зависимости размера локальной области химической реакции от параметров внешнего взаимодействия – амплитуды импульса приложенного напряжения между зондом и поверхностью, длительности импульса, скорости возрастания фронтов импульса, параметров окружающей среды.
Проведена контролируемая локальная химическая реакция и модификация в естественных средах – на воздухе и водной среде. Эксперименты в водной среде проводились в буферном растворе с помощью капиллярной микроскопии.
Для достижения ключевых показателей проекта была оптимизирована установка для сканирующей зондовой микроскопии, в частности, была доработана система обратной связи в сканирующем зондовом микроскопе.
Разработаны прецизионные системы сканирования для проведения химических реакций. Оптимизированы параметры импульсного воздействия для эффективной инициации локальной химической реакции.
Разработаны практические рекомендации по использованию локальных химических реакций при создании химических и биологических сенсоров, а также применению результатов проекта в наноиндустрии и наукоемких технологиях.
С помощью удаленного управления сканирующим зондовым микроскопом "ФемтоСкан" через интернет научным сотрудником, к.ф.-м.н. Г.Б.Мешковым был проведен дистанционный мастер-класс по обработке изображений и настройке параметров сканирования для иранской группы под руководством профессора Шарифского технологического университета (Тегеран) Reza Ejtehadi.
Дистанционное управление сканирующим зондовым микроскопом выполнено в программном обеспечении "ФемтоСкан Онлайн "в режиме многопользовательского интерфейса "мастер – клиент". Мастер определяет и устанавливает все параметры сканирования и измерений, при этом все получаемые экспериментальные данные синхронно поступают на компьютеры всех подключенных пользователей. Мастер может передать все свои права одному из клиентов, при этом клиент становится мастером, а мастер – клиентом. Для общения между участниками эксперимента в программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" интегрирована служба обмена сообщениями – встроенный чат. Это помогает эффективно проводить техническую поддержку, консультации и мастер-классы. При реализации длительных экспериментов становится возможно следить за процессом измерений и проводить коррекцию параметров эксперимента из разных мест: лаборатории, аудитории, из дома. В результате существенно повышается эффективность индивидуальной и коллективной работы.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-52-560001.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. Scanning probe microscopy in studies of thin films // Nanoindustry. 2019. T. 12. № 2. P. 128–130.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B., Salehi F. FemtoScan in Tehran // Nanoindustry. 2019. T. 12. № 1. P. 68–71.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. Scanning probe microscopy in studies of thin films // Nanoindustry. 2019. T. 12. № 2. P. 128–130.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B., Salehi F. FemtoScan in Tehran //| Nanoindustry. 2019. T. 12. № 1. P. 68–71.
Watanabe S., Kitazawa S., Sun L., Kodera N., Ando T. Development of high-speed ion conductance microscopy. Rev. Sci. Instrum. 2019, 90, 123704.
Simeonov S., Schäffer T.E. High-speed scanning ion conductance microscopy for sub-second topography imaging of live cells. Nanoscale, 2019, 11, 8579.
Chen B., Perry D., Page A., Kang M., Unwin P.R. Scanning Ion Conductance Microscopy: Quantitative Nanopipette Delivery−Substrate Electrode Collection Measurements and Mapping. Anal. Chem. 2019, 91, 2516−2524.
Saha-Shah A., Karty J.A., Baker L.A. Local collection, reaction and analysis with theta pipette emitters. Analyst, 2017, 142, 1512.
Rheinlaender J., Schäffer T.E. Mapping the creep compliance of living cells with scanning ion conductance microscopy reveals a subcellular correlation between stiffness and fluidity. Nanoscale, 2019, 11, 6982.
Actis P., Tokar S., Clausmeyer J., Babakinejad B., Mikhaleva S., Cornut R., Takahashi Y., Ainara L.C., 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., Klenermanid D., Rusakov D.A., Sviderskaya E.V., Korchev Y.E. Electrochemical nanoprobes for single-cell analysis. ACS Nano, 8(1):875–884, 2014.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B., Salehi F. Combined capillary and probe microscopy // Nanoindustry. 2018. 1 (80). P. 44–48.
Отзывы читателей
