eng
Выпуск #7-8/2022
И.В.Яминский, Д.А.Иванов, А.И.Ахметова, Н.Е.Максимова, А.П.Мельников, А.Ф.Ахкямова
ИЗМЕРЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ С ПОМОЩЬЮ СОВМЕЩЕННОЙ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ И НАНОКАЛОРИМЕТРИИ
ИЗМЕРЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ С ПОМОЩЬЮ СОВМЕЩЕННОЙ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ И НАНОКАЛОРИМЕТРИИ
Просмотры: 577
Получено: 3.11.2022 г. | Принято: 7.11.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.418.425
Научная статья
ИЗМЕРЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ С ПОМОЩЬЮ СОВМЕЩЕННОЙ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ И НАНОКАЛОРИМЕТРИИ
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., профессор МГУ имени М.В. Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Д.А.Иванов1, 3, 4, к.ф.-м.н., зав. лабораторией, ORCID: 0000-0002-5905-2652
А.И.Ахметова1, 2, инженер НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий, ORCID: 0000-0002-5115-8030
Н.Е.Максимова1, студент, ORCID: 0000-0001-7385-6799
А.П.Мельников1, к.ф.-м.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0003-2277-9644
А.Ф.Ахкямова1, 3, мл. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-0177-7818
Аннотация. Исследования зависимости характеристик объектов от температуры является актуальным и важным направлением в биомедицине и материаловедении. Известно, что температура может вызывать изменения молекулярной структуры биомакромолекул (нуклеиновых кислот, белков, липидов) и, в том числе, влиять на их функциональность. Реакция белков на изменение температурных условий может быть самой различной. Например, некоторые белки обладают высокой термостабильностью, в то время как другие могут разворачиваться или даже денатурировать при умеренной температуре. С помощью зондовой микроскопии изменения объектов исследования можно визуализировать, а также регистрировать зависимость таких параметров, как жесткость, упругость, сопротивляемость внешнему воздействию от температуры.
Ключевые слова: биомедицина, зондовая микроскопия, атомно-силовая микроскопия, ФемтоСкан, нанокалориметрия
Для цитирования: И.В. Яминский, Д.А. Иванов, А.И. Ахметова, Н.Е. Максимова, А.П. Мельников, А.Ф. Ахкямова. Измерение структуры и теплофизических характеристик образцов с помощью совмещенной атомно-силовой микроскопии и нанокалориметрии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7–8. С. 418–425. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.418.425
Received: 3.11.2022 | Accepted: 7.11.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.418.425
Original paper
MEASUREMENT OF THE STRUCTURE AND THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF THE SAMPLES BY COMBINED ATOMIC FORCE MICROSCOPY AND NANOCALORIMETRY
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
D.A.Ivanov1, 3, 4, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-5905-2652
A.I.Akhmetova1, 2, Engineer of A.N. Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center, ORCID: 0000-0002-5115-8030
N.E.Maksimova1, Student, ORCID: 0000-0001-7385-6799
A.P.Melnikov1, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Researcher, ORCID: 0000-0003-2277-9644
A.F.Akhkiamova1, 3, Junior Researcher, ORCID: 0000-0003-0177-7818
Abstract. Studies of the dependence of object characteristics on temperature are the relevant and important area in biomedicine and materials science. It is known that temperature can cause changes in the molecular structure of biomacromolecules (nucleic acids, proteins, lipids), including their functionality. The response of proteins on temperature conditions changes can be very different. For example, some proteins are highly thermostable while others can unfold or even denature at moderate temperatures. Using probe microscopy, the changes in research objects can be visualised and the dependence of parameters such as stiffness, elasticity and resistance to external influences on temperature can be recorded.
Keywords: biomedicine, probe microscopy, atomic force microscopy, FemtoScan, nano calorimetry
For citation: I.V. Yaminsky, D.A. Ivanov, A.I. Akhmetova, N.E. Maksimova, A.P. Melnikov, A.F. Akhkiamova. Measurement of the structure and thermophysical characteristics of the samples by combined atomic force microscopy and nanocalorimetry. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7–8. PP. 418–425. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.418.425
ВВЕДЕНИЕ
Сканирующая зондовая микроскопия находит самые широкие применения в медицинской диагностике, вирусологии, микробиологии, биофизике, материаловедении и во многих других производственных, технологических и исследовательских приложениях.
Недавние наблюдения с помощью атомно-силового микроскопа показали, что вирус SARS-CoV-2 можно инактивировать нагреванием, при этом время воздействия для полной инактивации зависит от достигнутой температуры (например, более 45 мин при 329 К или менее 5 мин при 373 К) [1]. В работе [2] использовали атомно-силовую микроскопию (АСМ) для изучения структурной стабильности отдельных вирусоподобных частиц SARS-CoV-2 при различных температурах. Было показано, что даже умеренное повышение температуры приводит к резкому нарушению структурной стабильности вируса, особенно при воздействии тепла в сухом состоянии.
В работе [3] исследовали олигомерные пленки холестерического циклосилоксана, на поверхности которых с помощью АСМ наблюдали фокальные конические домены с двойной спиралью. In situ исследование зависимости топографии пленок от температуры показало, что формированием рельефа поверхности можно эффективно управлять, варьируя режимы термической обработки. Было показано, что полученные структуры можно замораживать, охлаждая пленки ниже температуры стеклования.
В лаборатории зондовой микроскопии физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова используется наиболее технологически совершенное оборудование Научно-производственного предприятия "Центр перспективных технологий" для проведения температурных экспериментов с помощью зондовой микроскопии: атомно-силовой микроскоп "ФемтоСкан" позволяет осуществлять сканирование в более чем 100 различных режимах. За счет компактности и простоты управления прибор используется не только в передовых научных проектах, но и в центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" для образовательных и исследовательских целей.
С помощью "ФемтоСкан Крио" можно изменять температуру внутри рабочей камеры в диапазоне 4,2–300 K. Точность поддержания температуры – 0,05 K (рис.1).
Быстродействующая зондовая микроскопия реализована на базе "ФемтоСкан Х" [4]. Совмещенный с оптической микроскопией "ФемтоСкан Xi" позволяет проводить измерения в режимах атомно-силовой и сканирующей капиллярной микроскопии [5] (рис.2).
Наблюдение объектов с помощью микроскопов серии "ФемтоСкан" при температурах в диапазоне от комнатной до 100 oС реализуется с помощью компактного нагревательного столика. Следует отметить, что в сканирующую зондовую микроскопию успешно интегрируют многие другие физико-химические методы. Например, на базе сканирующего зондового микроскопа реализован режим атомных весов для определения массы микро- и наночастиц.
Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" используется не только для управления всеми режима микроскопии, но и для многофункциональной обработки экспериментальных данных. "ФемтоСкан Онлайн" позволяет легко интегрировать в микроскоп новые режимы измерений.
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей работе представлено описание совмещенного режима атомно-силовой микроскопии и нанокалориметрии или сверхбыстрой чип-калориметрии.
Нанокалориметрия – это сверхбыстрая калориметрия на чипе на основе нитрида кремния. Методика основана на использовании тонкой нитрид-кремниевой свободной мембраны, изменение температуры реализуется путем пропускания электрического тока через резистивные нагревательные элементы. Серия последовательно соединенных термопар, размещенных по периметру активной области нанокалориметрического сенсора, позволяет измерять температуру в процессе эксперимента, даже в условиях использования высоких скоростей нагрева и охлаждения в диапазоне от 100 до 1 000 000 К/с [6–10]. Это позволяет успешно применять их для исследования микроскопических объемов образцов массой от нескольких сотен пикограммов до нескольких сотен нанограммов.
В данной работе представлен совмещенный АСМ на базе микроскопа "ФемтоСкан" с нанокалориметром (рис.3), созданным на базе лаборатории инженерного материаловедения факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ им. М.В. Ломоносова, который позволяет проводить характеризацию образцов с массой порядка нанограмма.
Главным преимуществом прибора по сравнению с дифференциальной сканирующей калориметрией является возможность проведения экспериментов в режиме DC (в экспериментах с постоянными скоростями нагрева и охлаждения) с высокими скоростями нагрева (до 105 К/с). Основные характеристики прибора представлены в табл.1. Благодаря данным особенностям прибора становится возможным количественный термический анализ образцов тонких пленок, полимерных волокон и порошковых материалов.
В режиме быстрого нагрева могут быть получены экспериментальные нанокалориметрические профили нагрева и последующего охлаждения для оценки массы исследованного образца. На рис.4 представлена нанокалориметрическая кривая, полученная в ходе нагрева и охлаждения образца поли(триметилен терефталата) со скоростью 1000 К/с с целью расчета массы исследуемого образца. Разница между базовыми линиями нагрева и охлаждения соответствует:
ΔP = 2Cpβ,
где ΔP – мощность; Cp – теплоемкость образца; β – скорость нагрева/охлаждения.
Таким образом, из установленного значения теплоемкости образца можно вычислить массу образца, используя табличные значения удельной теплоемкости материала.
На рис.5 показаны нанокалориметрические кривые для частицы индия при разных скоростях нагрева в диапазоне от 250 до 7000 К/с. Начало пика плавления каждой кривой позволяет установить временную константу отклика нанокалориметрического сенсора и в дальнейшем нормировать полученные экспериментальные данные с учетом вычисленного для каждой скорости нагрева характерного температурного сдвига.
Для проведения исследований на "Нанокалориметре" используются коммерческие MEMS-сенсоры серии XEN-39392, изготовленные компанией XENSOR Integration (Нидерланды) (рис.6). На мембране находятся также электроды, которые играют роль нагревательных элементов и термопар.
Возможность варьирования конструктивных особенностей сенсоров, например размера активной зоны или скоростей нагрева, открывает широкий спектр возможностей для исследования различных материалов. При этом открываются новые перспективы в исследовании полимерных систем и особенностей их кристаллизации, изучении особенностей поведения металлов в аморфных состояниях, полупроводниковых систем, в изучении процессов деградации и старения лекарственных препаратов и высокоэнергетических материалов. Кроме того, благодаря относительной прозрачности мембраны из нитрида кремния как для видимого, так и для рентгеновского диапазона становится возможным совмещение данного прибора с другими экспериментальными методами.
Стоит отметить, что из-за низкой теплопроводности мембраны из нитрида кремния во время процессов нагрева вокруг активной зоны нанокалориметрического сенсора образуется сфера нагретого воздуха, которая и является основным проводником тепла от нагревательных элементов к образцу. Небольшой размер данной сферы служит значительным преимуществом при совмещении "Нанокалориметра" с другими методами физико-химического анализа [11–18]. Благодаря данным конструктивным особенностям прибора появляется возможность совмещения его с АСМ без использования дорогостоящих температурных столиков и специальных температурных АСМ-головок, а также дает возможность проведения высокотемпературных in situ экспериментов.
ВЫВОДЫ
Совместное применение методов атомно-силовой микроскопии с другими физико-химическими методами не только существенно расширяет информативность микроскопии, но и самих физико-химических методов. Визуальное наблюдение процессов в трехмерном виде, измерение локальных механических свойств объектов, запись детального видеоряда изображений с высоким пространственным и временным разрешением существенно упрощают рациональную интерпретацию экспериментальных данных при реализации экспериментальных исследований.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№ 19-29-12049/21) и РНФ (№ 22-73-00081).
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.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Martí D., Torras J., Bertran O. et al. Temperature effect on the SARS-CoV-2: A molecular dynamics study of the spike homotrimeric glycoprotein. Computational and Structural Biotechnology Journal, 19 (2021) PP. 1848–1862. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2021.03.037
Sharma A., Preece B., Swann H., Fan X., McKenney R.J., Ori-McKenney K.M., Saffarian S., Vershinin M.D. Structural stability of SARS-CoV-2 virus like particles degrades with temperature, Biochem. Biophys. Res. Commun. 534 (2021). PP. 343–346, https://doi.org/10.1016/j.bbrc. 2020.11.080
Sinitsyna O.V., Bobrovsky A.Y., Meshkov G.B., Yaminsky I.V., Shibaev V.P. Surface relief changes in cholesteric cyclosiloxane oligomer films at different temperatures. Journal of Physical Chemistry B 119, 39 (2015), PP. 12708–12713. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b06643
Филонов А., Савинов С., Синицына О., Мешков Г., Яминский И. ФемтоСкан Х – новый сканирующий зондовый микроскоп. Наноиндустрия, 2012 (3). С. 48–49.
Akhmetova A.I., Gukasov V.M., Rybakov Y.L., Yaminsky I.V. High-speed scanning probe microscopy in biomedicine. Bio-Medical Engineering. 2021 54(6): PP. 434–437. http://dx.doi.org/10.1007/s10527-021-10056-4
Merzlyakov M. Method of rapid (100 000 K s−1) controlled cooling and heating of thin samples, Thermochim Acta, 442, 2006. PP. 52–60.
Lopeandìa A.F., Rodrìguez-Viejo J. Size-dependent melting and supercooling of Ge nanoparticles embedded in a SiO2 thin film, Thermochim Acta, 2007. 461, pp. 82–87.
Minakov A.A., van Herwaarden A.W., Wien W., Wurm A., Schick C. Advanced nonadiabatic ultrafast nanocalorimetry and superheating phenomenon in linear polymers, Thermochim Acta, 2007. 461, pp. 96–106.
Ahrenberg M., Shoifet E., Whitaker K.R., Huth H., Ediger M.D., Schick C. Differential alternating current chip calorimeter for in situ investigation of vapor-deposited thin films, Rev Sci Instrum, 2012. 83:033902.
Minakov A.A., Schick C. Ultrafast thermal processing and nanocalorimetry at heating and cooling rates up to 1 MK/s, Rev Sci Instrum, 2007. 78:073902.
Bersenev E.A., Maryasevskaya A.V., Komov E.V., Anokhin D.V., Ivanov D.A. Exploring the Complexation of Counterion in Novel Family of Polyelectrolytes with Unexpected Solubility Behaviour, Key Eng Mat, 2020. 869, pp. 61–68. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.869.61
Van Drongelen M., Meijer-Vissers T., Cavallo D., Portale G., Androsch R. Microfocus wide-angle X-ray scattering of polymers crystallized in a fast scanning chip calorimeter, Thermochim Acta, 2013. 563, pp. 33–37. https://doi.org/10.1016/j.tca.2013.04.007
Baeten D., Mathot V.B.F., Pijpers T.F.J., Verkinderen O., Portale G., Puyvelde P., Goderis B. Simultaneous synchrotron WAXD and fast scanning (Chip) Calorimetry: on the Isothermal crystallization of HDPE and PA11 at high supercoolings and cooling rates up to 200 °C s–1, Macromol Rapid Commun, 2015. 36, pp. 1184–1191. https://doi.org/10.1002/marc. 201500081
Melnikov A.P., Rosenthal M., I D.A. What thermal analysis can tell us about melting of semicrystalline polymers: Exploring the general validity of the technique. ACS macro letters, 2018. 7(12): pp. 1426–1431. https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.8b00754
Melnikov A.P., Rosenthal M., Rodygin A.I., Doblas D., Anokhin D.V., Burghammer M., Ivanov D.A. Re-exploring the double-melting behavior of semirigid-chain polymers with an in-situ combination of synchrotron nano-focus x-ray scattering and nanocalorimetry. European Polymer Journal, 2016. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2015.12.031
Rosenthal M., Melnikov A.P., Manfred B., Ivanov D.A. Reorganization of semicrystalline polymers on heating: Analyzing common misconceptions in the interpretation of calorimetric data. European Polymer Journal, 2017. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2017.06.036
Rosenthal M., Doblas D., Hernandez J.J., Odarchenko Y.I., Burghammer M., Emanuela D.C., Spitzer D., Antipov A.E., Aldoshin L.S., Ivanov D.A. High-resolution thermal imaging with a combination of nano-focus x-ray diffraction and ultra-fast chip calorimetry. Journal of Synchrotron Radiation, 2014. 21(1): pp. 223–228. https://doi.org/10.1107/S1600577513024892
Rosenthal M., Melnikov A.P., Rychkov A.A., Doblas D., Anokhin D.V., Burghammer M., Ivanov D.A. Design of an in situ Setup Combining Nanocalorimetry and Nano- or Micro-focus X-Ray Scattering to Address Fast Structure Formation Processes. Springer International Publishing Switzerland, 2016. https://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-31329-0_9
Научная статья
ИЗМЕРЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ С ПОМОЩЬЮ СОВМЕЩЕННОЙ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ И НАНОКАЛОРИМЕТРИИ
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., профессор МГУ имени М.В. Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Д.А.Иванов1, 3, 4, к.ф.-м.н., зав. лабораторией, ORCID: 0000-0002-5905-2652
А.И.Ахметова1, 2, инженер НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий, ORCID: 0000-0002-5115-8030
Н.Е.Максимова1, студент, ORCID: 0000-0001-7385-6799
А.П.Мельников1, к.ф.-м.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0003-2277-9644
А.Ф.Ахкямова1, 3, мл. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-0177-7818
Аннотация. Исследования зависимости характеристик объектов от температуры является актуальным и важным направлением в биомедицине и материаловедении. Известно, что температура может вызывать изменения молекулярной структуры биомакромолекул (нуклеиновых кислот, белков, липидов) и, в том числе, влиять на их функциональность. Реакция белков на изменение температурных условий может быть самой различной. Например, некоторые белки обладают высокой термостабильностью, в то время как другие могут разворачиваться или даже денатурировать при умеренной температуре. С помощью зондовой микроскопии изменения объектов исследования можно визуализировать, а также регистрировать зависимость таких параметров, как жесткость, упругость, сопротивляемость внешнему воздействию от температуры.
Ключевые слова: биомедицина, зондовая микроскопия, атомно-силовая микроскопия, ФемтоСкан, нанокалориметрия
Для цитирования: И.В. Яминский, Д.А. Иванов, А.И. Ахметова, Н.Е. Максимова, А.П. Мельников, А.Ф. Ахкямова. Измерение структуры и теплофизических характеристик образцов с помощью совмещенной атомно-силовой микроскопии и нанокалориметрии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7–8. С. 418–425. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.418.425
Received: 3.11.2022 | Accepted: 7.11.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.418.425
Original paper
MEASUREMENT OF THE STRUCTURE AND THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF THE SAMPLES BY COMBINED ATOMIC FORCE MICROSCOPY AND NANOCALORIMETRY
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
D.A.Ivanov1, 3, 4, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-5905-2652
A.I.Akhmetova1, 2, Engineer of A.N. Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center, ORCID: 0000-0002-5115-8030
N.E.Maksimova1, Student, ORCID: 0000-0001-7385-6799
A.P.Melnikov1, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Researcher, ORCID: 0000-0003-2277-9644
A.F.Akhkiamova1, 3, Junior Researcher, ORCID: 0000-0003-0177-7818
Abstract. Studies of the dependence of object characteristics on temperature are the relevant and important area in biomedicine and materials science. It is known that temperature can cause changes in the molecular structure of biomacromolecules (nucleic acids, proteins, lipids), including their functionality. The response of proteins on temperature conditions changes can be very different. For example, some proteins are highly thermostable while others can unfold or even denature at moderate temperatures. Using probe microscopy, the changes in research objects can be visualised and the dependence of parameters such as stiffness, elasticity and resistance to external influences on temperature can be recorded.
Keywords: biomedicine, probe microscopy, atomic force microscopy, FemtoScan, nano calorimetry
For citation: I.V. Yaminsky, D.A. Ivanov, A.I. Akhmetova, N.E. Maksimova, A.P. Melnikov, A.F. Akhkiamova. Measurement of the structure and thermophysical characteristics of the samples by combined atomic force microscopy and nanocalorimetry. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7–8. PP. 418–425. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.418.425
ВВЕДЕНИЕ
Сканирующая зондовая микроскопия находит самые широкие применения в медицинской диагностике, вирусологии, микробиологии, биофизике, материаловедении и во многих других производственных, технологических и исследовательских приложениях.
Недавние наблюдения с помощью атомно-силового микроскопа показали, что вирус SARS-CoV-2 можно инактивировать нагреванием, при этом время воздействия для полной инактивации зависит от достигнутой температуры (например, более 45 мин при 329 К или менее 5 мин при 373 К) [1]. В работе [2] использовали атомно-силовую микроскопию (АСМ) для изучения структурной стабильности отдельных вирусоподобных частиц SARS-CoV-2 при различных температурах. Было показано, что даже умеренное повышение температуры приводит к резкому нарушению структурной стабильности вируса, особенно при воздействии тепла в сухом состоянии.
В работе [3] исследовали олигомерные пленки холестерического циклосилоксана, на поверхности которых с помощью АСМ наблюдали фокальные конические домены с двойной спиралью. In situ исследование зависимости топографии пленок от температуры показало, что формированием рельефа поверхности можно эффективно управлять, варьируя режимы термической обработки. Было показано, что полученные структуры можно замораживать, охлаждая пленки ниже температуры стеклования.
В лаборатории зондовой микроскопии физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова используется наиболее технологически совершенное оборудование Научно-производственного предприятия "Центр перспективных технологий" для проведения температурных экспериментов с помощью зондовой микроскопии: атомно-силовой микроскоп "ФемтоСкан" позволяет осуществлять сканирование в более чем 100 различных режимах. За счет компактности и простоты управления прибор используется не только в передовых научных проектах, но и в центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" для образовательных и исследовательских целей.
С помощью "ФемтоСкан Крио" можно изменять температуру внутри рабочей камеры в диапазоне 4,2–300 K. Точность поддержания температуры – 0,05 K (рис.1).
Быстродействующая зондовая микроскопия реализована на базе "ФемтоСкан Х" [4]. Совмещенный с оптической микроскопией "ФемтоСкан Xi" позволяет проводить измерения в режимах атомно-силовой и сканирующей капиллярной микроскопии [5] (рис.2).
Наблюдение объектов с помощью микроскопов серии "ФемтоСкан" при температурах в диапазоне от комнатной до 100 oС реализуется с помощью компактного нагревательного столика. Следует отметить, что в сканирующую зондовую микроскопию успешно интегрируют многие другие физико-химические методы. Например, на базе сканирующего зондового микроскопа реализован режим атомных весов для определения массы микро- и наночастиц.
Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" используется не только для управления всеми режима микроскопии, но и для многофункциональной обработки экспериментальных данных. "ФемтоСкан Онлайн" позволяет легко интегрировать в микроскоп новые режимы измерений.
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей работе представлено описание совмещенного режима атомно-силовой микроскопии и нанокалориметрии или сверхбыстрой чип-калориметрии.
Нанокалориметрия – это сверхбыстрая калориметрия на чипе на основе нитрида кремния. Методика основана на использовании тонкой нитрид-кремниевой свободной мембраны, изменение температуры реализуется путем пропускания электрического тока через резистивные нагревательные элементы. Серия последовательно соединенных термопар, размещенных по периметру активной области нанокалориметрического сенсора, позволяет измерять температуру в процессе эксперимента, даже в условиях использования высоких скоростей нагрева и охлаждения в диапазоне от 100 до 1 000 000 К/с [6–10]. Это позволяет успешно применять их для исследования микроскопических объемов образцов массой от нескольких сотен пикограммов до нескольких сотен нанограммов.
В данной работе представлен совмещенный АСМ на базе микроскопа "ФемтоСкан" с нанокалориметром (рис.3), созданным на базе лаборатории инженерного материаловедения факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ им. М.В. Ломоносова, который позволяет проводить характеризацию образцов с массой порядка нанограмма.
Главным преимуществом прибора по сравнению с дифференциальной сканирующей калориметрией является возможность проведения экспериментов в режиме DC (в экспериментах с постоянными скоростями нагрева и охлаждения) с высокими скоростями нагрева (до 105 К/с). Основные характеристики прибора представлены в табл.1. Благодаря данным особенностям прибора становится возможным количественный термический анализ образцов тонких пленок, полимерных волокон и порошковых материалов.
В режиме быстрого нагрева могут быть получены экспериментальные нанокалориметрические профили нагрева и последующего охлаждения для оценки массы исследованного образца. На рис.4 представлена нанокалориметрическая кривая, полученная в ходе нагрева и охлаждения образца поли(триметилен терефталата) со скоростью 1000 К/с с целью расчета массы исследуемого образца. Разница между базовыми линиями нагрева и охлаждения соответствует:
ΔP = 2Cpβ,
где ΔP – мощность; Cp – теплоемкость образца; β – скорость нагрева/охлаждения.
Таким образом, из установленного значения теплоемкости образца можно вычислить массу образца, используя табличные значения удельной теплоемкости материала.
На рис.5 показаны нанокалориметрические кривые для частицы индия при разных скоростях нагрева в диапазоне от 250 до 7000 К/с. Начало пика плавления каждой кривой позволяет установить временную константу отклика нанокалориметрического сенсора и в дальнейшем нормировать полученные экспериментальные данные с учетом вычисленного для каждой скорости нагрева характерного температурного сдвига.
Для проведения исследований на "Нанокалориметре" используются коммерческие MEMS-сенсоры серии XEN-39392, изготовленные компанией XENSOR Integration (Нидерланды) (рис.6). На мембране находятся также электроды, которые играют роль нагревательных элементов и термопар.
Возможность варьирования конструктивных особенностей сенсоров, например размера активной зоны или скоростей нагрева, открывает широкий спектр возможностей для исследования различных материалов. При этом открываются новые перспективы в исследовании полимерных систем и особенностей их кристаллизации, изучении особенностей поведения металлов в аморфных состояниях, полупроводниковых систем, в изучении процессов деградации и старения лекарственных препаратов и высокоэнергетических материалов. Кроме того, благодаря относительной прозрачности мембраны из нитрида кремния как для видимого, так и для рентгеновского диапазона становится возможным совмещение данного прибора с другими экспериментальными методами.
Стоит отметить, что из-за низкой теплопроводности мембраны из нитрида кремния во время процессов нагрева вокруг активной зоны нанокалориметрического сенсора образуется сфера нагретого воздуха, которая и является основным проводником тепла от нагревательных элементов к образцу. Небольшой размер данной сферы служит значительным преимуществом при совмещении "Нанокалориметра" с другими методами физико-химического анализа [11–18]. Благодаря данным конструктивным особенностям прибора появляется возможность совмещения его с АСМ без использования дорогостоящих температурных столиков и специальных температурных АСМ-головок, а также дает возможность проведения высокотемпературных in situ экспериментов.
ВЫВОДЫ
Совместное применение методов атомно-силовой микроскопии с другими физико-химическими методами не только существенно расширяет информативность микроскопии, но и самих физико-химических методов. Визуальное наблюдение процессов в трехмерном виде, измерение локальных механических свойств объектов, запись детального видеоряда изображений с высоким пространственным и временным разрешением существенно упрощают рациональную интерпретацию экспериментальных данных при реализации экспериментальных исследований.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№ 19-29-12049/21) и РНФ (№ 22-73-00081).
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.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Martí D., Torras J., Bertran O. et al. Temperature effect on the SARS-CoV-2: A molecular dynamics study of the spike homotrimeric glycoprotein. Computational and Structural Biotechnology Journal, 19 (2021) PP. 1848–1862. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2021.03.037
Sharma A., Preece B., Swann H., Fan X., McKenney R.J., Ori-McKenney K.M., Saffarian S., Vershinin M.D. Structural stability of SARS-CoV-2 virus like particles degrades with temperature, Biochem. Biophys. Res. Commun. 534 (2021). PP. 343–346, https://doi.org/10.1016/j.bbrc. 2020.11.080
Sinitsyna O.V., Bobrovsky A.Y., Meshkov G.B., Yaminsky I.V., Shibaev V.P. Surface relief changes in cholesteric cyclosiloxane oligomer films at different temperatures. Journal of Physical Chemistry B 119, 39 (2015), PP. 12708–12713. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b06643
Филонов А., Савинов С., Синицына О., Мешков Г., Яминский И. ФемтоСкан Х – новый сканирующий зондовый микроскоп. Наноиндустрия, 2012 (3). С. 48–49.
Akhmetova A.I., Gukasov V.M., Rybakov Y.L., Yaminsky I.V. High-speed scanning probe microscopy in biomedicine. Bio-Medical Engineering. 2021 54(6): PP. 434–437. http://dx.doi.org/10.1007/s10527-021-10056-4
Merzlyakov M. Method of rapid (100 000 K s−1) controlled cooling and heating of thin samples, Thermochim Acta, 442, 2006. PP. 52–60.
Lopeandìa A.F., Rodrìguez-Viejo J. Size-dependent melting and supercooling of Ge nanoparticles embedded in a SiO2 thin film, Thermochim Acta, 2007. 461, pp. 82–87.
Minakov A.A., van Herwaarden A.W., Wien W., Wurm A., Schick C. Advanced nonadiabatic ultrafast nanocalorimetry and superheating phenomenon in linear polymers, Thermochim Acta, 2007. 461, pp. 96–106.
Ahrenberg M., Shoifet E., Whitaker K.R., Huth H., Ediger M.D., Schick C. Differential alternating current chip calorimeter for in situ investigation of vapor-deposited thin films, Rev Sci Instrum, 2012. 83:033902.
Minakov A.A., Schick C. Ultrafast thermal processing and nanocalorimetry at heating and cooling rates up to 1 MK/s, Rev Sci Instrum, 2007. 78:073902.
Bersenev E.A., Maryasevskaya A.V., Komov E.V., Anokhin D.V., Ivanov D.A. Exploring the Complexation of Counterion in Novel Family of Polyelectrolytes with Unexpected Solubility Behaviour, Key Eng Mat, 2020. 869, pp. 61–68. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.869.61
Van Drongelen M., Meijer-Vissers T., Cavallo D., Portale G., Androsch R. Microfocus wide-angle X-ray scattering of polymers crystallized in a fast scanning chip calorimeter, Thermochim Acta, 2013. 563, pp. 33–37. https://doi.org/10.1016/j.tca.2013.04.007
Baeten D., Mathot V.B.F., Pijpers T.F.J., Verkinderen O., Portale G., Puyvelde P., Goderis B. Simultaneous synchrotron WAXD and fast scanning (Chip) Calorimetry: on the Isothermal crystallization of HDPE and PA11 at high supercoolings and cooling rates up to 200 °C s–1, Macromol Rapid Commun, 2015. 36, pp. 1184–1191. https://doi.org/10.1002/marc. 201500081
Melnikov A.P., Rosenthal M., I D.A. What thermal analysis can tell us about melting of semicrystalline polymers: Exploring the general validity of the technique. ACS macro letters, 2018. 7(12): pp. 1426–1431. https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.8b00754
Melnikov A.P., Rosenthal M., Rodygin A.I., Doblas D., Anokhin D.V., Burghammer M., Ivanov D.A. Re-exploring the double-melting behavior of semirigid-chain polymers with an in-situ combination of synchrotron nano-focus x-ray scattering and nanocalorimetry. European Polymer Journal, 2016. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2015.12.031
Rosenthal M., Melnikov A.P., Manfred B., Ivanov D.A. Reorganization of semicrystalline polymers on heating: Analyzing common misconceptions in the interpretation of calorimetric data. European Polymer Journal, 2017. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2017.06.036
Rosenthal M., Doblas D., Hernandez J.J., Odarchenko Y.I., Burghammer M., Emanuela D.C., Spitzer D., Antipov A.E., Aldoshin L.S., Ivanov D.A. High-resolution thermal imaging with a combination of nano-focus x-ray diffraction and ultra-fast chip calorimetry. Journal of Synchrotron Radiation, 2014. 21(1): pp. 223–228. https://doi.org/10.1107/S1600577513024892
Rosenthal M., Melnikov A.P., Rychkov A.A., Doblas D., Anokhin D.V., Burghammer M., Ivanov D.A. Design of an in situ Setup Combining Nanocalorimetry and Nano- or Micro-focus X-Ray Scattering to Address Fast Structure Formation Processes. Springer International Publishing Switzerland, 2016. https://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-31329-0_9
Отзывы читателей
