В лабораторных исследованиях с применением атомно-силового микроскопа наиболее широко используются контактный и резонансный режимы, позволяющие получать сканы за сравнительно малые времена. С другой стороны, их минусом является сложность контроля силового воздействия, что может привести к необратимым изменениям в морфологии образца. В особенности это критично при сканировании мягких сред, например бактерий, клеток, полимеров. В контактном режиме такое взаимодействие обусловлено также наличием сил трения, управлять величиной которых при сканировании поверхности образца весьма затруднительно. В резонансном режиме влияние сил трения нивелируется за счет вертикального движения зонда, однако высокая добротность колебаний кантилевера не позволяет контролировать силу его воздействия при резких перепадах рельефа наблюдаемой поверхности. Для преодоления этих препятствий нами был разработан режим деликатного и бережного сканирования поверхности, приоритетом которого является лишь легкое прикосновение к ней. Назван был нами такой режим флирт модой.
И.В.Яминский1, 2, 3, д.ф.-м.н., проф. МГУ им. М.В. Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий, ORCID: 0000-0002-5115-8030
Д.В.Корнилов1, 2, инженер, ORCID:0000-0003-1989-668X
Аннотация. В лабораторных исследованиях с применением атомно-силового микроскопа наиболее широко используются контактный и резонансный режимы, позволяющие получать сканы за сравнительно малые времена. С другой стороны, их минусом является сложность контроля силового воздействия, что может привести к необратимым изменениям в морфологии образца. В особенности это критично при сканировании мягких сред, например бактерий, клеток, полимеров. В контактном режиме такое взаимодействие обусловлено также наличием сил трения, управлять величиной которых при сканировании поверхности образца весьма затруднительно. В резонансном режиме влияние сил трения нивелируется за счет вертикального движения зонда, однако высокая добротность колебаний кантилевера не позволяет контролировать силу его воздействия при резких перепадах рельефа наблюдаемой поверхности. Для преодоления этих препятствий нами был разработан режим деликатного и бережного сканирования поверхности, приоритетом которого является лишь легкое прикосновение к ней. Назван был нами такой режим флирт модой.
Ключевые слова: атомно-силовой микроскоп, ФемтоСкан Х, пьезоманипулятор, контактный и резонансный режим, флирт мода, сканирующая зондовая микроскопия
Для цитирования: И.В. Яминский, А.И. Ахметова, Д.В. Корнилов. Мода на флирт моду. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 3–4. С. 178–185. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.3–4.178.185
ВВЕДЕНИЕ
Название на английском языке – flirt mode. Флирт мода реализована в быстродействующем атомно-силовом микроскопе ФемтоСкан Х с использованием программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Причем осознанный выбор сделан именно на ПЛИС, а не на микроконтроллере. Анализ ситуации показывает, что сложность алгоритмов управления и передачи данных фактически навязывает использование процессора как центрального компонента блока управления сканирующего зондового микроскопа. Отсюда, казалось бы, следует очевидное решение – использовать микроконтроллер в качестве аппаратной платформы. Благодаря архитектуре, основанной на процессоре, легкости программирования и доступности микроконтроллеры нашли широкое применение в промышленности и производстве массовой продукции.
Однако микроконтроллер исполняет программу последовательно, в режиме "одна инструкция за один такт", и не может обрабатывать несколько сигнальных соединений сразу. Этот фактор вместе с необходимостью обслуживать большое количество устройств создает в системе на базе микроконтроллера "бутылочное горлышко", примером которого может служить необходимость запуска нескольких процессов, часть из которых может исполняться лишь по выполнении определенного условия, в то время как другая могла бы делать это параллельно, "на фоне". Необходимость последовательного исполнения приводит к уменьшению скорости работы системы, а значит и к ухудшению качества получаемых результатов при сканировании.
К счастью, для сложных задач, требующих высокой производительности, параллельности исполнения и многоканальности, а именно такой задачей является разработка системы контроля и обработки данных микроскопа, существуют программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Они позволяют непосредственно из логических ячеек (LUTs) на одном кристалле сформировать и процессор, осуществляющий реализацию высокоуровневых алгоритмов управления модулями микроскопа, и обработку данных, и низкоуровневые модули, необходимые для формирования управляющих сигналов ЦАП, АЦП, генератора частоты и прочих устройств. Такой подход разгружает центральный процессор, распараллеливает исполнение задач электроники микроскопа, а также позволяет сократить число внешних сигнальных соединений и компонентов в устройстве, повышая таким образом производительность системы. Также большая гибкость в программировании и отсутствие фиксированной системы команд, как в микроконтроллерах, позволяет с помощью ПЛИС осуществлять более сложную обработку сигналов, а возможность перепрошивки позволяет расширять систему без замены процессорного устройства, существенно экономя денежные средства. Таким образом, несмотря на более высокую стоимость и необходимость в более трудоемком процессе программирования, упомянутые выше положительные стороны делают систему на основе ПЛИС более оптимальным решением в долгосрочной перспективе.
Именно такой путь и был выбран нами вначале при разработке сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан Х" и в дальнейшем при реализации деликатного режима сканирования – флирт моды.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ФЛИРТ МОДЫ
В сканирующем зондовом микроскопе "ФемтоСкан Х" [1] для слежения за положением кантилевера при сканировании используется оптическая схема. Лазерный луч после отражения от поверхности кантилевера попадает на фотодиод, сигнал с которого соответствует изгибу кантилевера.
Рассмотрим сначала процесс подвода кантилевера к поверхности образца. В идеальном случае вначале, когда зонд находится вдали от образца, сигнал с фотодиода, соответствующий отклонению кантилевера (будем называть его deflection) остается постоянным (рис.1). Затем, при опускании кантилевера, в простейшем случае наблюдается пик или яма, соответствующая Ван-дер-Ваальсову взаимодействию между иглой и образцом. После сигнал начинает линейно расти с продольным изгибом кантилевера. Соответственно, при обратном ходе сигнал линейно падает, пока силы адгезии удерживают иглу у поверхности. Затем она отрывается, и сигнал отклонения снова выходит на стационарное значение.
В реальности картина выглядит несколько сложнее. Во-первых, в процессе подвода сигнал с фотодиода может флуктуировать из-за теплового движения кантилевера, шумов в электрической цепи или других факторов (рис.2). Во-вторых, наклонные части силовых кривых могут не совпадать из-за пластической деформации образца. В-третьих, при отрыве зонда от поверхности могут наблюдаться колебания, которые можно дополнительно анализировать, но можно и не обращать на них внимания, быстро поднимая зонд с целью экономии времени сканирования, и ждать некоторое время в верхней точке траектории, пока колебания не затухнут уже после отвода. Таким образом, режим сканирования нужно строить так, чтобы учесть все эти особенности.
Опишем процесс сканирования в флирт режиме (рис.3). Далее для удобства он будет описан в системе отсчета образца, то есть как будто бы перемещается зонд, однако необходимо помнить, что в сканирующем зондовом микроскопе "ФемтоСкан Х" на самом деле перемещается именно образец. Делается это для того, чтобы не возмущать прецизионную настройку лазерного луча. В начале сканирования зонд плавно подводится к первой точке на поверхности образца с помощью пьезоманипулятора (предполагается, что образец находится в диапазоне высот, доступных для пьезоманипулятора, и при этом перепад высот точек его поверхности в области сканирования не слишком велик и позволяет сканировать кадр лишь с помощью пьезоманипулятора). Для уменьшения влияния различных шумов сигнала с фотодиода при его измерении в процессе подвода используется усреднение по нескольким значениям.
При достижении сигналом с фотодиода заранее выбранного порогового значения регистрируется положение образца по вертикали. При этом мы можем остановиться в процессе подвода в любой момент, например при Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии или где-то раньше на кривой, если в системе действуют электростатические силы, а также можем контролировать задаваемый уровень силы взаимодействия зонд-образец, что, например, недостижимо в резонансном режиме, так как в нем кантилевер колеблется в условиях механического резонанса. Таким образом регистрируется первая точка поверхности, после чего зонд отводится на высоту h. При отводе можно анализировать колебания кантилевера, возникающие при отрыве зонда от поверхности. После отвода зонд смещается в плоскости X–Y к следующей позиции в кадре, с которой начнется новый подвод к образцу. При этом можно задать время ожидания в данной точке для того, чтобы колебания кантилевера успели затухнуть перед началом нового движения к поверхности. Итак, процесс подвод-отвод-смещение повторяется во всех следующих точках кадра, пока он не будет снят целиком.
Таким образом, по сравнению с контактным и резонансным режимами флирт мода обеспечивает более точный контроль сил воздействия на образец, так как оператор сам определяет, на какой части силовой кривой контакт зонда с образцом должен быть зафиксирован. Эта особенность разработанного режима крайне полезна для сканирования мягких объектов, например бактерий и клеток крови, чтобы избежать их деформаций и необратимых изменений в морфологии исследуемых объектов.
Упомянем некоторые аналоги разработанного режима. К ним можно отнести PeakForce Tapping™, в котором контакт с образцом отрабатывается петлей обратной связи, и ringing mode [2], в котором анализируются колебания кантилевера после отрыва. Из-за более сложной обработки данных время сканирования в этих режимах в среднем несколько больше, чем в флирт моде.
ПАРАМЕТРЫ ФЛИРТ МОДЫ
Рассмотрим специфичные для режима параметры сканирования (рис.4 и 5). Подробное описание параметров флирт моды приведен в табл.1.
СКАНИРОВАНИЕ В ФЛИРТ МОДЕ
Для демонстрации возможностей и преимуществ флирт моды был выбран образец кристаллов йода на поверхности слюды. Йод был выбран в качестве хрупкого материала для сравнения воздействия кантилевера в различных режимах. Сравнение проводилось для контактного режима и флирт моды. Для контактного режима были подобраны значения звеньев обратной связи, дающие наиболее качественный результат скана. По результатам сканирования видно, что в контактном режиме кристаллы были смещены зондом в процессе сканирования, в то время как в флирт режиме они остались на месте (рис.6).
Показательным критерием для оценки качества сканирования служит сигнал deflection. При идеальной обратной связи этот сигнал должен стремиться к нулю. Отклонения этого сигнала указывают на ошибки в цепи обратной связи. Величину сигнала обратной связи можно оценивать по таким параметрам, как размах значений и среднеквадратичное отклонение. Из сравнения данных рис.6с и 6d видно, что общий размах значений сигнала deflection для контактного режима примерно в 10 раз больше, чем для флирт моды. Сильно отличаются также и среднеквадратичные отклонения: в контактном режиме σ = 1,3 × 10–2 В, во флирт режиме σ = 3,5 × 10–3 В.
ВЫВОДЫ
В данной работе приведен лишь один из возможных наглядных примеров, когда флирт мода дает преимущество при исследовании объектов нанометрового размера. Основные достоинства флирт моды проявляются при изучении мягкой материи – живых клеток и тканей, полимерных гелей, желеобразных материалов и многих других различных систем и объектов.
В настоящей публикации представлен простейший вариант реализации флирт моды. Другие варианты ее исполнения могут дополнительно включать различные модуляционные методики, измерения на нескольких частотах, статистический анализ силовых кривых по совокупности параметров и многое другое.
Флирт мода, равно и как сама сканирующая зондовая микроскопия, находится в состоянии непрерывного усовершенствования. И, конечно, это не просто мода на флирт моду, а устойчивый интерес к ней и ее успешное применение в исследованиях живой природы.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, РФФИ, проект № 20-32-90036. Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям, проект № 71108, договор 0071108. Работа выполнена при содействии компании ООО "Эндор" (Москва).
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.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Filonov A., Savinov S., Sinitsyna O., Meshkov G., Yaminsky I. FemtoScan X is a new scanning probe microscope. NANOINDUSTRY. 2012. No. 3. PP. 48–49.
Dokukin M.E., Sokolov I. Nanoscale compositional mapping of cells, tissues, and polymers with ringing mode of atomic force microscopy. Scientific Reports. 2017. No. 7. P. 11828. https://doi.org/10.1038/s41598-017-12032-z