eng
Выпуск #2/2023
А.И.Ахметова, О.В.Иванов, Н.Е.Максимова, Т.О.Советников, А.Д.Терентьев, И.В.Яминский
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ: НОВЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ФИЗИКИ, ХИМИИ, БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ: НОВЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ФИЗИКИ, ХИМИИ, БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ
Просмотры: 1013
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.88.94
С момента первой публикации по сканирующей зондовой микроскопии [1] прошел 41 год. За это время сканирующие зондовые микроскопы, позволяющие заглянуть в наномир, стали практическими инструментами физиков, химиков, биологов, медиков, производственников и учителей. Зондовые микроскопы образовали обширное семейство высокоточных и высокоинформативных приборов для наблюдения топографии, морфологии и широкого спектра физико-химических свойств изучаемых объектов. При этом выдавая детализацию получаемых данных на уровне долей нанометра с временным разрешением в миллисекунды. Остались ли нерешенные задачи? Конечно! Об их небольшой части, о задачах и проблемах в зондовой микроскопии ведется рассказ в этой статье.
С момента первой публикации по сканирующей зондовой микроскопии [1] прошел 41 год. За это время сканирующие зондовые микроскопы, позволяющие заглянуть в наномир, стали практическими инструментами физиков, химиков, биологов, медиков, производственников и учителей. Зондовые микроскопы образовали обширное семейство высокоточных и высокоинформативных приборов для наблюдения топографии, морфологии и широкого спектра физико-химических свойств изучаемых объектов. При этом выдавая детализацию получаемых данных на уровне долей нанометра с временным разрешением в миллисекунды. Остались ли нерешенные задачи? Конечно! Об их небольшой части, о задачах и проблемах в зондовой микроскопии ведется рассказ в этой статье.
Теги: bionanoscopy exchange interaction instrumentation noise and fluctuations physics of living systems scanning probe microscopy бионаноскопия обменное взаимодействие приборостроение сканирующая зондовая микроскопия физика живых систем шумы и флуктуации
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ: НОВЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ФИЗИКИ, ХИМИИ, БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ
А.И.Ахметова1, 2, мл. науч. сотр., вед. спец., ORCID: 0000-0002-5115-8030
О.В.Иванов1, 2, магистр, инженер, ORCID: 0000-0003-2765-2116
Н.Е.Максимова1, 2, магистр, программист, ORCID: 0000-0001-7385-6799
Т.О.Советников1, 2, магистр, инженер, ORCID: 0000-0001-6541-8932
А.Д.Терентьев1, 2, магистр, программист, ORCID: 0009-0009-1528-5284
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., профессор МГУ имени М.В. Ломоносова, генеральный директор Центра перспективных технологий, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. С момента первой публикации по сканирующей зондовой микроскопии [1] прошел 41 год. За это время сканирующие зондовые микроскопы, позволяющие заглянуть в наномир, стали практическими инструментами физиков, химиков, биологов, медиков, производственников и учителей. Зондовые микроскопы образовали обширное семейство высокоточных и высокоинформативных приборов для наблюдения топографии, морфологии и широкого спектра физико-химических свойств изучаемых объектов. При этом выдавая детализацию получаемых данных на уровне долей нанометра с временным разрешением в миллисекунды. Остались ли нерешенные задачи? Конечно! Об их небольшой части, о задачах и проблемах в зондовой микроскопии ведется рассказ в этой статье.
Ключевые слова: обменное взаимодействие, шумы и флуктуации, физика живых систем, сканирующая зондовая микроскопия, бионаноскопия, приборостроение
Для цитирования: А.И. Ахметова, О.В. Иванов, Н.Е. Максимова, Т.О. Советников, А.Д. Терентьев, И.В. Яминский. Теория и практика сканирующей зондовой микроскопии: новые решения для физики, химии, биологии и медицины. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 88–94. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.88.94.
Received: 16.03.2023 | Accepted: 20.03.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.88.94
Original paper
THEORY AND PRACTICE OF SCANNING PROBE MICROSCOPY: NEW SOLUTIONS
FOR PHYSICS, CHEMISTRY, BIOLOGY AND MEDICINE
A.I.Akhmetova1, 2, Junior Researcher, Leading Specialist, ORCID: 0000-0002-5115-8030
O.V.Ivanov1, 2, Master, Engineer, ORCID: 0000-0003-2765-2116
N.E.Maksimova1, 2, Master, Programmer, ORCID: 0000-0001-7385-6799
T.O.Sovetnikov1, 2, Master, Engineer, ORCID: 0000-0001-6541-8932
A.D.Terentiev1, 2, Master, Programmer, ORCID: 0009-0009-1528-5284
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., General Director of Advanced Technologies Center, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. 41 years have passed since the first scanning probe microscopy publication [1]. During this time, scanning probe microscopes, which make it possible to look into the nanoworld, have become practical tools for physicists, chemists, biologists, doctors, industrialists and teachers. Probe microscopes have formed an extensive family of high-precision and highly informative instruments for observing topography, morphology, and a wide range of physicochemical properties of studied objects. At the same time, detailing of the data obtained is at the level of nanometer with milliseconds time resolution. Are there any unresolved issues? Certainly! Our story is about a small part of them, about the tasks and problems in probe microscopy.
Keywords: exchange interaction, noise and fluctuations, physics of living systems, scanning probe microscopy, bionanoscopy, instrumentation
For citation: A.I. Akhmetova, O.V. Ivanov, N.E. Maximova, T.O. Sovetnikov, A.D. Terentiev, I.V. Yaminsky. Theory and practice of scanning probe microscopy: new solutions for physics, chemistry, biology and medicine. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 88–94. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.88.94.
ВВЕДЕНИЕ
Сканирующая зондовая микроскопия успешно продвигается по пути развития теоретических основ физики поверхности, структуры и локальных свойств наноструктур, в том числе живой материи – биомакромолекул, вирусов, бактерий и клеток (рис.1, 2). За последние четыре десятилетия накоплен большой теоретический и экспериментальный материал. Вместе с тем остается ряд нерешенных вопросов. Среди них следует перечислить следующие проблемы.
В сканирующей туннельной микроскопии нет полной теоретической модели шумов, проявляющихся в туннельном зазоре [2]. Например, интенсивность токового шума для подложки из золота оказывается выше, чем для графита. Кстати, если бы в природе не было бы шумов, флуктуаций и возмущений, то видимо вся физика свелась бы просто к математике с точными конечными результатами. Но это не так, поэтому все гораздо разнообразнее, интереснее и увлекательнее.
В атомно-силовой микроскопии нет точного количественного анализа основного взаимодействия, протекающего между зондом и поверхностью образца. Это взаимодействие, характеризующееся появлением реакции опоры и упругой силы, обусловлено квантово-механическим запретом – принципом Паули [3]. Зонд не проваливается сквозь образец, поскольку в одной точке пространства не могут находиться два электрона с одинаковым полным набором квантовых чисел. По этой же причине мы спокойно ходим по полу верхних этажей зданий, не проваливаясь вниз. Теоретический подход может сформулировать протокол эксперимента для прецизионного измерения характера этого взаимодействия, называющегося обменным.
В сканирующей капиллярной микроскопии есть задачи расчета величины ионного тока в тонких капиллярах при наличии внутри капилляра биомакромолекул с учетом состояния поверхности биомакромолекул и внутренней поверхности капилляра. В настоящий момент очень важной задачей является теоретический расчет конфигурации измерительной системы сканирующего зондового микроскопа для обеспечения максимальной скорости и точности проводимых измерений. Существующие решения позволяют повысить скорость лишь за счет снижения качества получаемых изображений и данных.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Развитие физических основ, теории и методов сканирующей зондовой микроскопии для различных приложений остается востребованной задачей. К успешным приложениям зондовой микроскопии относятся области биологии и медицины. Здесь важна не только 3D-визуализация объектов с нанометровым пространственным разрешением, но и определение их локальных физических и электрохимических свойств. Среди механических свойств – это жесткость, механическая прочность, стабильность, фрикционные свойства и пр. Важна также информация об адгезивных свойствах поверхности, величине поверхностного заряда, склонности к агрегации, реакционной способности и прочих параметрах.
У нашей группы имеется многолетний опыт развития методов сканирующей зондовой микроскопии, наблюдения и анализа различных объектов (рис.3), в том числе наиболее сложных и структурированных образцов живой материи – нуклеиновых кислот, белков, липидов, вирусов (рис.4), бактерий (рис.5) и живых клеток. Во всех этих случаях в ходе наблюдения проводился теоретический расчет, фильтрация, обработка, рациональная интерпретация и последующий анализ данных.
Для успешного развития любого научного начинания необходима системная работа по привлечению молодых исследователей – студентов и аспирантов к активному научному творчеству. На физическом факультете нами создан Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" для привлечения к креативному научному труду активной молодежи, начиная со школьной скамьи. В этом году мы стали инициаторами и кураторами научного направления олимпиады "Робофест" по сканирующей зондовой микроскопии эритроцитов.
Молодые участники нашей группы часто вносили свой существенный вклад в развитие теории и практики сканирующей зондовой микроскопии. Правда, это происходило только в том случае, если мы с необходимым терпением, заботой, настойчивостью и вниманием оказывали им необходимую помощь для быстрого и эффективного освоения новой для них области знаний. Например, благодаря привлечению студента 2 курса физического факультета Александра Филонова к интенсивной научной работе был создан уникальный программный пакет по управлению сканирующим зондовым микроскопом и обработке наблюдаемых данных "ФемтоСкан Онлайн", который стал де-факто стандартом программного продукта по обработке, анализу и построению изображений в микроскопии сверхвысокого разрешения, включая зондовую, электронную и оптическую микроскопию [4, 5].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Студенты группы принимают активное участие в теоретическом моделировании протекающих процессов при взаимодействии зонд-образец. Проводят необходимые теоретические расчеты для оптимизации измерений на основе программируемых логических интегральных микросхем, в том числе, для увеличения скорости измерений [6]. В настоящее время студенты приступили к изучению и применению нейронных сетей и искусственного интеллекта как для управления режимами сбора данных, так и последующей обработки изображений. Среди последних достижений – поиск и выделение на полученном изображении характерных частиц, например, макромолекул, везикул, вирусов или бактериальных клеток.
В задачах по модернизации сканирующих зондовых микроскопов остро стоит вопрос дальнейшего проведения теоретического анализа и расчета основных факторов, препятствующих повышению чувствительности, точности и скорости проведения измерений. Часть этих факторов носит непреодолимый характер, обусловленный тепловым шумом, дробовым шумом вследствие дискретности заряда, низкочастотным (1/f) фликкер-шумом, квантовыми шумами. Другие возмущающие воздействия носят устранимый характер и бывают обусловлены различными техническими параметрами (плохо оптимизированной электроникой, неоптимальными техническими решениями и др.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ниже нами сформулированы задачи, решение которых имеет как научный, так и практический интерес. Среди этих задач:
Теоретический расчет характера воздействия и энергии возбуждающего сигнала со стороны зонда на поверхность образца для удаления одного атома из кристаллической решетки графита, экспериментальная проверка проведенного расчета.
Теоретическая оценка предельной фундаментальной чувствительности туннельного, атомно-силового и капиллярного микроскопов. Разработка метрологического сопровождения зондовой микроскопии.
Развитие теоретического подхода для расчета силового взаимодействия зонд-образец в приближении обменного взаимодействия (запрета Паули).
Теоретическая оценка спектра колебаний мембраны живой бактериальной клетки. Моделирование воздействия различных антибиотиков на жизненный цикл клетки и характера затухания подвижности мембраны клетки под действием антибиотика. Проведение натурных экспериментов.
Разработка теоретических моделей для оценки механической упругости клеток (фибробластов, остеобластов и др.) высших организмов и построения карты распределения жесткости по поверхности клетки.
Теоретическая оценка результатов нанолитографии и доставки реагентов в заданную область, осуществленных с помощью сканирующей капиллярной микроскопии.
Расчет теоретических моделей перспективных электрохимических и биологических сенсоров с применением многоканальных капилляров. Теоретическая оценка взаимного влияния сигналов с различных каналов.
Разработка образовательных программ для школьников и студентов в области теории и практики сканирующей зондовой микроскопии.
Другие работы, полезность выполнения которых обнаружится при решении сформулированных выше задач.
Важнейшая задача – это осуществление образовательной и обучающей деятельности, в основном направленной на привлечение студентов к изучению живой материи методами сканирующей зондовой микроскопии. Эта работа может проводиться как в рамках традиционных лекционных курсов и практических занятий лабораторного практикума, так и в проектной работе новых форм обучения зондовой микроскопии. Такая просветительская работа проводится нами в мастерских Центра молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии", в ходе работы Лаборатории зондовой микроскопии в рамках проектных школ МГУ "Вернадский" и в конкурсной программе олимпиады "Робофест".
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность правительству Москвы и Фонду "Московский инновационный кластер" за поддержку ЦМИТ "Нанотехнологии".
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
Binnig G., Rohrer H., Gerber C., Weibel E. Tunneling through a Controllable Vacuum Gap. Appl. Phys. Lett. 1982. V. 40. P. 178.
Ge J., Ovadia M., Hoffman J.E. Achieving low noise in scanning tunneling spectroscopy. Rev. Sci. Instrum. 2019. Vol. 90. P. 101401. https://doi.org/10.1063/1.5111989
Pauli W. On the connection between the occupation of groups of electrons in an atom and the complex structure of spectra (Received January 16, 1925) in Wolfgang Pauli Proceedings of Quantum Theory: Quantum Theory. General principles of wave mechanics. Articles 1920–1928. M.: Nauka, 1975. PP. 645–660.
Filonov A.S., Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online! Why he? NANOINDUSTRY, 2018. Vol. 84(5), PP. 339–342. http://dx.doi.org/10.22184/1993-8578.2018.
84.5.336.342
Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. FemtoScan Online software. NANOINDUSTRY, 2016. Vol. 2. PP. 42–46.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Maksimova N.E. Software for scanning probe microscopy of bacterial cells. Medicine and high technologies, 2022. Vol. 4. PP. 5–6. http://dx.doi.org/10.34219/2306-3645-2022-12-4-5-8
А.И.Ахметова1, 2, мл. науч. сотр., вед. спец., ORCID: 0000-0002-5115-8030
О.В.Иванов1, 2, магистр, инженер, ORCID: 0000-0003-2765-2116
Н.Е.Максимова1, 2, магистр, программист, ORCID: 0000-0001-7385-6799
Т.О.Советников1, 2, магистр, инженер, ORCID: 0000-0001-6541-8932
А.Д.Терентьев1, 2, магистр, программист, ORCID: 0009-0009-1528-5284
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., профессор МГУ имени М.В. Ломоносова, генеральный директор Центра перспективных технологий, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. С момента первой публикации по сканирующей зондовой микроскопии [1] прошел 41 год. За это время сканирующие зондовые микроскопы, позволяющие заглянуть в наномир, стали практическими инструментами физиков, химиков, биологов, медиков, производственников и учителей. Зондовые микроскопы образовали обширное семейство высокоточных и высокоинформативных приборов для наблюдения топографии, морфологии и широкого спектра физико-химических свойств изучаемых объектов. При этом выдавая детализацию получаемых данных на уровне долей нанометра с временным разрешением в миллисекунды. Остались ли нерешенные задачи? Конечно! Об их небольшой части, о задачах и проблемах в зондовой микроскопии ведется рассказ в этой статье.
Ключевые слова: обменное взаимодействие, шумы и флуктуации, физика живых систем, сканирующая зондовая микроскопия, бионаноскопия, приборостроение
Для цитирования: А.И. Ахметова, О.В. Иванов, Н.Е. Максимова, Т.О. Советников, А.Д. Терентьев, И.В. Яминский. Теория и практика сканирующей зондовой микроскопии: новые решения для физики, химии, биологии и медицины. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 88–94. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.88.94.
Received: 16.03.2023 | Accepted: 20.03.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.88.94
Original paper
THEORY AND PRACTICE OF SCANNING PROBE MICROSCOPY: NEW SOLUTIONS
FOR PHYSICS, CHEMISTRY, BIOLOGY AND MEDICINE
A.I.Akhmetova1, 2, Junior Researcher, Leading Specialist, ORCID: 0000-0002-5115-8030
O.V.Ivanov1, 2, Master, Engineer, ORCID: 0000-0003-2765-2116
N.E.Maksimova1, 2, Master, Programmer, ORCID: 0000-0001-7385-6799
T.O.Sovetnikov1, 2, Master, Engineer, ORCID: 0000-0001-6541-8932
A.D.Terentiev1, 2, Master, Programmer, ORCID: 0009-0009-1528-5284
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., General Director of Advanced Technologies Center, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. 41 years have passed since the first scanning probe microscopy publication [1]. During this time, scanning probe microscopes, which make it possible to look into the nanoworld, have become practical tools for physicists, chemists, biologists, doctors, industrialists and teachers. Probe microscopes have formed an extensive family of high-precision and highly informative instruments for observing topography, morphology, and a wide range of physicochemical properties of studied objects. At the same time, detailing of the data obtained is at the level of nanometer with milliseconds time resolution. Are there any unresolved issues? Certainly! Our story is about a small part of them, about the tasks and problems in probe microscopy.
Keywords: exchange interaction, noise and fluctuations, physics of living systems, scanning probe microscopy, bionanoscopy, instrumentation
For citation: A.I. Akhmetova, O.V. Ivanov, N.E. Maximova, T.O. Sovetnikov, A.D. Terentiev, I.V. Yaminsky. Theory and practice of scanning probe microscopy: new solutions for physics, chemistry, biology and medicine. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 88–94. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.88.94.
ВВЕДЕНИЕ
Сканирующая зондовая микроскопия успешно продвигается по пути развития теоретических основ физики поверхности, структуры и локальных свойств наноструктур, в том числе живой материи – биомакромолекул, вирусов, бактерий и клеток (рис.1, 2). За последние четыре десятилетия накоплен большой теоретический и экспериментальный материал. Вместе с тем остается ряд нерешенных вопросов. Среди них следует перечислить следующие проблемы.
В сканирующей туннельной микроскопии нет полной теоретической модели шумов, проявляющихся в туннельном зазоре [2]. Например, интенсивность токового шума для подложки из золота оказывается выше, чем для графита. Кстати, если бы в природе не было бы шумов, флуктуаций и возмущений, то видимо вся физика свелась бы просто к математике с точными конечными результатами. Но это не так, поэтому все гораздо разнообразнее, интереснее и увлекательнее.
В атомно-силовой микроскопии нет точного количественного анализа основного взаимодействия, протекающего между зондом и поверхностью образца. Это взаимодействие, характеризующееся появлением реакции опоры и упругой силы, обусловлено квантово-механическим запретом – принципом Паули [3]. Зонд не проваливается сквозь образец, поскольку в одной точке пространства не могут находиться два электрона с одинаковым полным набором квантовых чисел. По этой же причине мы спокойно ходим по полу верхних этажей зданий, не проваливаясь вниз. Теоретический подход может сформулировать протокол эксперимента для прецизионного измерения характера этого взаимодействия, называющегося обменным.
В сканирующей капиллярной микроскопии есть задачи расчета величины ионного тока в тонких капиллярах при наличии внутри капилляра биомакромолекул с учетом состояния поверхности биомакромолекул и внутренней поверхности капилляра. В настоящий момент очень важной задачей является теоретический расчет конфигурации измерительной системы сканирующего зондового микроскопа для обеспечения максимальной скорости и точности проводимых измерений. Существующие решения позволяют повысить скорость лишь за счет снижения качества получаемых изображений и данных.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Развитие физических основ, теории и методов сканирующей зондовой микроскопии для различных приложений остается востребованной задачей. К успешным приложениям зондовой микроскопии относятся области биологии и медицины. Здесь важна не только 3D-визуализация объектов с нанометровым пространственным разрешением, но и определение их локальных физических и электрохимических свойств. Среди механических свойств – это жесткость, механическая прочность, стабильность, фрикционные свойства и пр. Важна также информация об адгезивных свойствах поверхности, величине поверхностного заряда, склонности к агрегации, реакционной способности и прочих параметрах.
У нашей группы имеется многолетний опыт развития методов сканирующей зондовой микроскопии, наблюдения и анализа различных объектов (рис.3), в том числе наиболее сложных и структурированных образцов живой материи – нуклеиновых кислот, белков, липидов, вирусов (рис.4), бактерий (рис.5) и живых клеток. Во всех этих случаях в ходе наблюдения проводился теоретический расчет, фильтрация, обработка, рациональная интерпретация и последующий анализ данных.
Для успешного развития любого научного начинания необходима системная работа по привлечению молодых исследователей – студентов и аспирантов к активному научному творчеству. На физическом факультете нами создан Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" для привлечения к креативному научному труду активной молодежи, начиная со школьной скамьи. В этом году мы стали инициаторами и кураторами научного направления олимпиады "Робофест" по сканирующей зондовой микроскопии эритроцитов.
Молодые участники нашей группы часто вносили свой существенный вклад в развитие теории и практики сканирующей зондовой микроскопии. Правда, это происходило только в том случае, если мы с необходимым терпением, заботой, настойчивостью и вниманием оказывали им необходимую помощь для быстрого и эффективного освоения новой для них области знаний. Например, благодаря привлечению студента 2 курса физического факультета Александра Филонова к интенсивной научной работе был создан уникальный программный пакет по управлению сканирующим зондовым микроскопом и обработке наблюдаемых данных "ФемтоСкан Онлайн", который стал де-факто стандартом программного продукта по обработке, анализу и построению изображений в микроскопии сверхвысокого разрешения, включая зондовую, электронную и оптическую микроскопию [4, 5].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Студенты группы принимают активное участие в теоретическом моделировании протекающих процессов при взаимодействии зонд-образец. Проводят необходимые теоретические расчеты для оптимизации измерений на основе программируемых логических интегральных микросхем, в том числе, для увеличения скорости измерений [6]. В настоящее время студенты приступили к изучению и применению нейронных сетей и искусственного интеллекта как для управления режимами сбора данных, так и последующей обработки изображений. Среди последних достижений – поиск и выделение на полученном изображении характерных частиц, например, макромолекул, везикул, вирусов или бактериальных клеток.
В задачах по модернизации сканирующих зондовых микроскопов остро стоит вопрос дальнейшего проведения теоретического анализа и расчета основных факторов, препятствующих повышению чувствительности, точности и скорости проведения измерений. Часть этих факторов носит непреодолимый характер, обусловленный тепловым шумом, дробовым шумом вследствие дискретности заряда, низкочастотным (1/f) фликкер-шумом, квантовыми шумами. Другие возмущающие воздействия носят устранимый характер и бывают обусловлены различными техническими параметрами (плохо оптимизированной электроникой, неоптимальными техническими решениями и др.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ниже нами сформулированы задачи, решение которых имеет как научный, так и практический интерес. Среди этих задач:
Теоретический расчет характера воздействия и энергии возбуждающего сигнала со стороны зонда на поверхность образца для удаления одного атома из кристаллической решетки графита, экспериментальная проверка проведенного расчета.
Теоретическая оценка предельной фундаментальной чувствительности туннельного, атомно-силового и капиллярного микроскопов. Разработка метрологического сопровождения зондовой микроскопии.
Развитие теоретического подхода для расчета силового взаимодействия зонд-образец в приближении обменного взаимодействия (запрета Паули).
Теоретическая оценка спектра колебаний мембраны живой бактериальной клетки. Моделирование воздействия различных антибиотиков на жизненный цикл клетки и характера затухания подвижности мембраны клетки под действием антибиотика. Проведение натурных экспериментов.
Разработка теоретических моделей для оценки механической упругости клеток (фибробластов, остеобластов и др.) высших организмов и построения карты распределения жесткости по поверхности клетки.
Теоретическая оценка результатов нанолитографии и доставки реагентов в заданную область, осуществленных с помощью сканирующей капиллярной микроскопии.
Расчет теоретических моделей перспективных электрохимических и биологических сенсоров с применением многоканальных капилляров. Теоретическая оценка взаимного влияния сигналов с различных каналов.
Разработка образовательных программ для школьников и студентов в области теории и практики сканирующей зондовой микроскопии.
Другие работы, полезность выполнения которых обнаружится при решении сформулированных выше задач.
Важнейшая задача – это осуществление образовательной и обучающей деятельности, в основном направленной на привлечение студентов к изучению живой материи методами сканирующей зондовой микроскопии. Эта работа может проводиться как в рамках традиционных лекционных курсов и практических занятий лабораторного практикума, так и в проектной работе новых форм обучения зондовой микроскопии. Такая просветительская работа проводится нами в мастерских Центра молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии", в ходе работы Лаборатории зондовой микроскопии в рамках проектных школ МГУ "Вернадский" и в конкурсной программе олимпиады "Робофест".
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность правительству Москвы и Фонду "Московский инновационный кластер" за поддержку ЦМИТ "Нанотехнологии".
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
Binnig G., Rohrer H., Gerber C., Weibel E. Tunneling through a Controllable Vacuum Gap. Appl. Phys. Lett. 1982. V. 40. P. 178.
Ge J., Ovadia M., Hoffman J.E. Achieving low noise in scanning tunneling spectroscopy. Rev. Sci. Instrum. 2019. Vol. 90. P. 101401. https://doi.org/10.1063/1.5111989
Pauli W. On the connection between the occupation of groups of electrons in an atom and the complex structure of spectra (Received January 16, 1925) in Wolfgang Pauli Proceedings of Quantum Theory: Quantum Theory. General principles of wave mechanics. Articles 1920–1928. M.: Nauka, 1975. PP. 645–660.
Filonov A.S., Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online! Why he? NANOINDUSTRY, 2018. Vol. 84(5), PP. 339–342. http://dx.doi.org/10.22184/1993-8578.2018.
84.5.336.342
Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. FemtoScan Online software. NANOINDUSTRY, 2016. Vol. 2. PP. 42–46.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Maksimova N.E. Software for scanning probe microscopy of bacterial cells. Medicine and high technologies, 2022. Vol. 4. PP. 5–6. http://dx.doi.org/10.34219/2306-3645-2022-12-4-5-8
Отзывы читателей
