eng
Выпуск #2/2023
А.Д.Терентьев, И.В.Яминский
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
Просмотры: 891
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.140.143
Сканирующая зондовая микроскопия дает информацию об изучаемых объектах с точностью до десятых и сотых долей нанометра при временном разрешении в миллисекунды и выше. Оснащение зондового микроскопа дополнительными периферийными датчиками для измерения температуры и влажности является полезной опцией. При изучении живых клеток необходимо контролировать и поддерживать концентрацию углекислого газа. Для этого необходимы компактные и удобные датчики углекислого газа с соответствующим программным интерфейсом, ориентированным на пользователя. При контролируемом перемещении образца, особенно при использовании больших полей обзора, важными аксессуарами становятся концевые датчики. Они позволят не выходить за рамки выбранной области исследования объекта наблюдения. В настоящей статье описано простое решение по эффективному использованию датчиков температуры, влажности, концентрации СО2 и перемещений.
Сканирующая зондовая микроскопия дает информацию об изучаемых объектах с точностью до десятых и сотых долей нанометра при временном разрешении в миллисекунды и выше. Оснащение зондового микроскопа дополнительными периферийными датчиками для измерения температуры и влажности является полезной опцией. При изучении живых клеток необходимо контролировать и поддерживать концентрацию углекислого газа. Для этого необходимы компактные и удобные датчики углекислого газа с соответствующим программным интерфейсом, ориентированным на пользователя. При контролируемом перемещении образца, особенно при использовании больших полей обзора, важными аксессуарами становятся концевые датчики. Они позволят не выходить за рамки выбранной области исследования объекта наблюдения. В настоящей статье описано простое решение по эффективному использованию датчиков температуры, влажности, концентрации СО2 и перемещений.
Теги: bionanoscopy carbon dioxide humidity instrumentation physics of living systems scanning probe microscopy temperature бионаноскопия влажность приборостроение сканирующая зондовая микроскопия температура углекислый газ физика живых систем
Получено: 16.03.2023 г. | Принято: 20.03.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.140.143
Научная статья
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ДАТЧИКИ
ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
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. Сканирующая зондовая микроскопия дает информацию об изучаемых объектах с точностью до десятых и сотых долей нанометра при временном разрешении в миллисекунды и выше. Оснащение зондового микроскопа дополнительными периферийными датчиками для измерения температуры и влажности является полезной опцией. При изучении живых клеток необходимо контролировать и поддерживать концентрацию углекислого газа. Для этого необходимы компактные и удобные датчики углекислого газа с соответствующим программным интерфейсом, ориентированным на пользователя. При контролируемом перемещении образца, особенно при использовании больших полей обзора, важными аксессуарами становятся концевые датчики. Они позволят не выходить за рамки выбранной области исследования объекта наблюдения. В настоящей статье описано простое решение по эффективному использованию датчиков температуры, влажности, концентрации СО2 и перемещений.
Ключевые слова: физика живых систем, сканирующая зондовая микроскопия, бионаноскопия, приборостроение, температура, влажность, углекислый газ
Для цитирования: А.Д. Терентьев, И.В. Яминский. Периферийные датчики для сканирующей зондовой микроскопии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 140–143. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.140.143.
Received: 16.03.2023 | Accepted: 20.03.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.140.143
Original paper
PERIPHERAL SENSORS FOR SCANNING PROBE MICROSCOPY
A.D.Terentev1, 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. Scanning probe microscopy provides information about the studied objects with an accuracy of tenths and hundredths of a nanometer with a time resolution of milliseconds and higher. Equipping the probe microscope with additional peripheral sensors for measuring temperature and humidity is a useful option. When studying living cells, it is necessary to control and maintain the concentration of carbon dioxide. This requires compact and user-friendly carbon dioxide sensors with an appropriate user-oriented software interface. If sample movements are controlled, especially when using large fields of view, limit sensors become important accessories. They will allow not going beyond the selected area of study of the observed object. This paper describes a simple solution for the efficient use of sensors that measure temperature, humidity, CO2 concentration and movement.
Keywords: physics of living systems, scanning probe microscopy, bionanoscopy, instrumentation, temperature, humidity, carbon dioxide
For citation: A.D. Terentev, I.V. Yaminsky. Peripheral sensors for scanning probe microscopy. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 140–143. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.140.143.
ВВЕДЕНИЕ
Для изучения биологических систем с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии требуется хорошо контролировать условия проведения эксперимента: температуру и влажность окружающей атмосферы, концентрацию различных газов и т.п [1, 2]. К примеру, для изучения живых клеток необходимо создать внутри бокса с изучаемым материалом атмосферу с 5%-ной концентрацией CO2 и температурой 36 °C. Специально для этого была разработана программа для мониторинга данных условий с использованием микроконтроллера в качестве управляющего элемента и периферии высокочувствительных датчиков.
АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ РЕШЕНИЯ
В качестве основы было решено использовать плату Arduino. Во-первых, она достаточно легко программируется и, во-вторых, позволяет без лишней обвязки подключить к микроконтроллеру множество управляемых устройств. Так как многие датчики работают с 3,3-В аппаратной логикой, выбор пал на Arduino MKR Zero. В данной плате установлен микроконтроллер фирмы Microchip (Atmel) ATSAMD21G1 с вычислительным ядром ARM Cortex M0. Ядро является 32-разрядным, что позволяет выполнять вычисления с четырехбайтовыми данными всего за один такт. В совокупности с относительно высокой тактовой частотой (48 МГц) и большими объемами Flash- и SRAM-памяти (256 Кб и 32 Кб соответственно) данный микроконтроллер является мощным вычислительным инструментом и способен быстро принимать входящие данные, легко их обрабатывать и оперативно передавать следующему устройству. Кроме того, общение с управляемыми (например, датчиками) и управляющим (например, компьютером) устройствами осуществляется на данной плате с использованием следующих интерфейсов: UART/Serial, I2C, SPI. Все это делает плату Arduino MKR Zero наиболее предпочтительной и актуальной для решения возложенной на нее задачи – осуществления точного контроля условий проведения эксперимента в реальном времени.
В качестве датчика температуры и влажности используется датчик модели DHT22. Данный датчик поддерживает 3,3-В логику и позволяет измерять влажность в диапазоне 0–100% с разрешением 0,1% и точностью ± 2% и температуру в диапазоне –40–80 °C с разрешением 0,1 °C и точностью ±0.5 °C. Период между измерениями датчика составляет 2 с. Подключается датчик в любой цифровой пин платы. Считывание значений производится с использованием библиотеки DHT sensor library.
Для измерения концентрации углекислого газа применяются два датчика: один из них находится внутри системы, другой – снаружи. Наружный датчик необходим для контроля допустимого уровня концентрации CO2 возле экспериментатора, чтобы предупредить неожиданную утечку газа из бокса, поскольку повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере способна нанести серьезный вред здоровью человека. Для этой цели был выбран датчик углекислого газа модели MH-Z19c фирмы Winsen. Диапазон измерений – от 0 до 5000 ppm с точностью ± 50 ppm + 5% от считываемого значения. Диапазон не очень широкий, всего 0,5%, но его вполне достаточно.
Второй датчик той же фирмы модели MH-410D является индустриальным и предоставляет диапазон измерений уже от 0 до 5% при той же точности. Именно он будет находиться внутри исследуемой системы. Оба датчика требуют питания напряжением в 5 В и поддерживают 3,3-В логику общения с платой. Кроме того, показания с обоих датчиков могут сниматься как ШИМ-сигнал с пина Vout, так и по интерфейсу UART при подключении к пинам RX и TX. Поскольку плата Arduino MKR Zero поддерживает всего один дополнительный канал Serial (основной используется для общения платы с компьютером), то в реализованной нами системе с внутреннего датчика считывался ШИМ-сигнал, а наружный был подключен к каналу Serial. Для обработки сигналов были разработаны собственные библиотеки MHZ419C и MH410D.
Также в рамках данной системы осуществляется контроль управления прецизионной системой перемещения образца при помощи оптических концевых датчиков.
Написанная для Arduino программа осуществляет считывание и обработку сигналов датчиков и дальнейшую их отправку на компьютер. Для отображения параметров на компьютере был разработан специальный плагин (рис.1) с использованием фреймворка Qt на языке C++. С помощью плагина выполняется соединение с платой по интерфейсу UART и отображение данных в виде графиков величин (температуры, влажности, концентрации углекислого газа внутри и снаружи изучаемой системы) от времени.
ВЫВОДЫ
Для прецизионной системы перемещения образца по координатам X и Y было разработано программное обеспечение, позволяющее проводить считывание сигналов с концевых датчиков и осуществлять управление шаговыми двигателями. Кроме того, с помощью программного обеспечения можно контролировать перемещение образца в диапазоне 0–12 мм с точностью до единиц микрона (рис.2).
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям, проект № 71108, договор 0071108. Авторы благодарны компании ООО "Эндор" (Москва) за содействие в выполнении работы.
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
Sovetnikov T.O., Akhmetova A.I., Gukasov V.M., Evtushenko G.S., Rybakov Yu.L., Yaminskii I.V. Scanning probe microscopy in assessing blood cells roughness. Bio-Medical Engineering, 2023. http://dx.doi.org/10.1007/s10527-023-10253-3
Akhmetova A.I., Sovetnikov T.O., Tikhomirova M.A., Gukasov V.M., Rybakov Yu.L., Shimanovskii N.L., Yaminsky I.V. Scanning capillary microscopy in the study of the effect of cytotoxic agents on the biomechanical and physicochemical properties of tumor cells. Pharmaceutical Chemistry Journal, 2022. http://dx.doi.org/10.1007/s11094-022-02770-4
Научная статья
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ДАТЧИКИ
ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
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. Сканирующая зондовая микроскопия дает информацию об изучаемых объектах с точностью до десятых и сотых долей нанометра при временном разрешении в миллисекунды и выше. Оснащение зондового микроскопа дополнительными периферийными датчиками для измерения температуры и влажности является полезной опцией. При изучении живых клеток необходимо контролировать и поддерживать концентрацию углекислого газа. Для этого необходимы компактные и удобные датчики углекислого газа с соответствующим программным интерфейсом, ориентированным на пользователя. При контролируемом перемещении образца, особенно при использовании больших полей обзора, важными аксессуарами становятся концевые датчики. Они позволят не выходить за рамки выбранной области исследования объекта наблюдения. В настоящей статье описано простое решение по эффективному использованию датчиков температуры, влажности, концентрации СО2 и перемещений.
Ключевые слова: физика живых систем, сканирующая зондовая микроскопия, бионаноскопия, приборостроение, температура, влажность, углекислый газ
Для цитирования: А.Д. Терентьев, И.В. Яминский. Периферийные датчики для сканирующей зондовой микроскопии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 140–143. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.140.143.
Received: 16.03.2023 | Accepted: 20.03.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.140.143
Original paper
PERIPHERAL SENSORS FOR SCANNING PROBE MICROSCOPY
A.D.Terentev1, 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. Scanning probe microscopy provides information about the studied objects with an accuracy of tenths and hundredths of a nanometer with a time resolution of milliseconds and higher. Equipping the probe microscope with additional peripheral sensors for measuring temperature and humidity is a useful option. When studying living cells, it is necessary to control and maintain the concentration of carbon dioxide. This requires compact and user-friendly carbon dioxide sensors with an appropriate user-oriented software interface. If sample movements are controlled, especially when using large fields of view, limit sensors become important accessories. They will allow not going beyond the selected area of study of the observed object. This paper describes a simple solution for the efficient use of sensors that measure temperature, humidity, CO2 concentration and movement.
Keywords: physics of living systems, scanning probe microscopy, bionanoscopy, instrumentation, temperature, humidity, carbon dioxide
For citation: A.D. Terentev, I.V. Yaminsky. Peripheral sensors for scanning probe microscopy. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 140–143. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.140.143.
ВВЕДЕНИЕ
Для изучения биологических систем с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии требуется хорошо контролировать условия проведения эксперимента: температуру и влажность окружающей атмосферы, концентрацию различных газов и т.п [1, 2]. К примеру, для изучения живых клеток необходимо создать внутри бокса с изучаемым материалом атмосферу с 5%-ной концентрацией CO2 и температурой 36 °C. Специально для этого была разработана программа для мониторинга данных условий с использованием микроконтроллера в качестве управляющего элемента и периферии высокочувствительных датчиков.
АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ РЕШЕНИЯ
В качестве основы было решено использовать плату Arduino. Во-первых, она достаточно легко программируется и, во-вторых, позволяет без лишней обвязки подключить к микроконтроллеру множество управляемых устройств. Так как многие датчики работают с 3,3-В аппаратной логикой, выбор пал на Arduino MKR Zero. В данной плате установлен микроконтроллер фирмы Microchip (Atmel) ATSAMD21G1 с вычислительным ядром ARM Cortex M0. Ядро является 32-разрядным, что позволяет выполнять вычисления с четырехбайтовыми данными всего за один такт. В совокупности с относительно высокой тактовой частотой (48 МГц) и большими объемами Flash- и SRAM-памяти (256 Кб и 32 Кб соответственно) данный микроконтроллер является мощным вычислительным инструментом и способен быстро принимать входящие данные, легко их обрабатывать и оперативно передавать следующему устройству. Кроме того, общение с управляемыми (например, датчиками) и управляющим (например, компьютером) устройствами осуществляется на данной плате с использованием следующих интерфейсов: UART/Serial, I2C, SPI. Все это делает плату Arduino MKR Zero наиболее предпочтительной и актуальной для решения возложенной на нее задачи – осуществления точного контроля условий проведения эксперимента в реальном времени.
В качестве датчика температуры и влажности используется датчик модели DHT22. Данный датчик поддерживает 3,3-В логику и позволяет измерять влажность в диапазоне 0–100% с разрешением 0,1% и точностью ± 2% и температуру в диапазоне –40–80 °C с разрешением 0,1 °C и точностью ±0.5 °C. Период между измерениями датчика составляет 2 с. Подключается датчик в любой цифровой пин платы. Считывание значений производится с использованием библиотеки DHT sensor library.
Для измерения концентрации углекислого газа применяются два датчика: один из них находится внутри системы, другой – снаружи. Наружный датчик необходим для контроля допустимого уровня концентрации CO2 возле экспериментатора, чтобы предупредить неожиданную утечку газа из бокса, поскольку повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере способна нанести серьезный вред здоровью человека. Для этой цели был выбран датчик углекислого газа модели MH-Z19c фирмы Winsen. Диапазон измерений – от 0 до 5000 ppm с точностью ± 50 ppm + 5% от считываемого значения. Диапазон не очень широкий, всего 0,5%, но его вполне достаточно.
Второй датчик той же фирмы модели MH-410D является индустриальным и предоставляет диапазон измерений уже от 0 до 5% при той же точности. Именно он будет находиться внутри исследуемой системы. Оба датчика требуют питания напряжением в 5 В и поддерживают 3,3-В логику общения с платой. Кроме того, показания с обоих датчиков могут сниматься как ШИМ-сигнал с пина Vout, так и по интерфейсу UART при подключении к пинам RX и TX. Поскольку плата Arduino MKR Zero поддерживает всего один дополнительный канал Serial (основной используется для общения платы с компьютером), то в реализованной нами системе с внутреннего датчика считывался ШИМ-сигнал, а наружный был подключен к каналу Serial. Для обработки сигналов были разработаны собственные библиотеки MHZ419C и MH410D.
Также в рамках данной системы осуществляется контроль управления прецизионной системой перемещения образца при помощи оптических концевых датчиков.
Написанная для Arduino программа осуществляет считывание и обработку сигналов датчиков и дальнейшую их отправку на компьютер. Для отображения параметров на компьютере был разработан специальный плагин (рис.1) с использованием фреймворка Qt на языке C++. С помощью плагина выполняется соединение с платой по интерфейсу UART и отображение данных в виде графиков величин (температуры, влажности, концентрации углекислого газа внутри и снаружи изучаемой системы) от времени.
ВЫВОДЫ
Для прецизионной системы перемещения образца по координатам X и Y было разработано программное обеспечение, позволяющее проводить считывание сигналов с концевых датчиков и осуществлять управление шаговыми двигателями. Кроме того, с помощью программного обеспечения можно контролировать перемещение образца в диапазоне 0–12 мм с точностью до единиц микрона (рис.2).
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям, проект № 71108, договор 0071108. Авторы благодарны компании ООО "Эндор" (Москва) за содействие в выполнении работы.
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
Sovetnikov T.O., Akhmetova A.I., Gukasov V.M., Evtushenko G.S., Rybakov Yu.L., Yaminskii I.V. Scanning probe microscopy in assessing blood cells roughness. Bio-Medical Engineering, 2023. http://dx.doi.org/10.1007/s10527-023-10253-3
Akhmetova A.I., Sovetnikov T.O., Tikhomirova M.A., Gukasov V.M., Rybakov Yu.L., Shimanovskii N.L., Yaminsky I.V. Scanning capillary microscopy in the study of the effect of cytotoxic agents on the biomechanical and physicochemical properties of tumor cells. Pharmaceutical Chemistry Journal, 2022. http://dx.doi.org/10.1007/s11094-022-02770-4
Отзывы читателей
