Способ ультралокального оптического нагрева и устройство для его реализации
METHOD FOR ULTRALOCAL OPTICAL HEATING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к области ультралокального термического воздействия на исследуемый объект, а именно - контролируемого нагрева наноалмазным нагревателем, и может быть использовано в биомедицине, биотехнологиях, а также в инженерии широкого спектра наноразмерных систем, в том числе и химических нанореакторов нового типа.
Уровень техники
Температура - физический параметр, широко используемый в биофизических и физиологических исследованиях. Между тем достоверный ультралокальный нагрев и контроль этого важного параметра является значительной проблемой. При этом введение температуры в разряд достоверно контролируемых параметров наноразмерных систем, в том числе и компартментов живой клетки является важным направлением в медицине и других областях науки, поскольку осуществление ультралокального оптического нагрева позволяет термически воздействовать на процессы, протекающие в микро/нанообъемах жидких и газовых сред, в живых тканях и клетках. Существуют различные объекты, температура которых подлежит локальному контролю в связи с наличием температурных перепадов внутри исследуемого объекта. Например, известно, что клетка из-за своей сложной внутренней структуры имеет локальные тепловые очаги, попеременно возникающие, или угасающие. Температурные перепады между разными частями клетки или между самой клеткой и ее ближайшим окружением не могут не влиять на клеточную физиологию, следовательно разработка методов локального и ультралокального контролируемого нагрева в наноразмерных масштабах, характерных для отдельных клеточных компартментов, является крайне актуальной задачей современных научных исследований и промышленных технологий.
,
Известно устройство ультралокального нагрева, раскрытое в документе [1], которое представляет собой гибридный термометр-нагреватель, в котором термометром служили люминесцирующие алмазные наночастицы (АНЧ) с центрами «азот-вакансия» (NV), а в качестве нагревателя использовались золотые наностержни (далее - ЗНС). Такой гибридный термометр-нагреватель конструировался следующим образом. Сначала АНЧ ковалентно покрывались полиэтиленимином с помощью карбодиимидной химии - [2] а затем поверхность АНЧ покрывалась золотыми наностержнями путем электростатических взаимодействий в водном растворе между АНЧ и ЗНС. Средний размер алмазных наночастиц составлял 10 нм, а золотые наностержни имели 1 нм в диаметре и 16 нм в длину. С помощью электронного сканирующего микроскопа было установлено, что отдельные алмазные частицы содержали на своей поверхности различное количество наностержней (вплоть до 5 шт.). Клетки инкубировали большим количеством гибридных наночастиц в культуральной среде, поглощение частиц происходило путем эндоцитоза [3]. Положение гибридных наночастиц в клетке определяли с помощью оптического микроскопа по свечению NV центров в АНЧ. Локальный нагрев отдельной наночастицы осуществляли фокусировкой лазерного излучения на длине волны 594 нм на выбранную наночастицу. Температуру нагрева гибридной наночастицы контролировали по спектральному положению бесфононной линии люминесценции NV центров в алмазной наночастице. Алмазные наночастицы предварительно по температуре не калибровались, использовалось известное из научно-технической литературы среднее значение сдвига линии при изменении Т на 1°С - 0.015 nm/°C.
К недостаткам указанного устройства локального нагрева можно отнести следующие:
- отсутствие предварительной калибровки по температуре отдельных алмазных наночастиц при работе с большим ансамблем гибридных наночастиц;
- эффективность нагрева ЗНС сильно зависит от его ориентации, а при увеличении температуры нагрева на 15°С происходит еще и деформация стержней. Все это приводит к невозможности точного нагрева до заданной температуры в связи с невозможностью достоверного контроля температуры нагревателя в процессе локального нагрева среды;
- точность определения положения нагревателя в исследуемой среде ограничена поперечным размером сфокусированного лазерного луча (обычно на уровне 200-30 нм);
- невозможность работы в газообразной среде (требуется жидкая среда, либо подложка).
.
Известно устройство ультралокального нагрева, раскрытое в документе [4], представляющее собой гибридный термометр-нагреватель, в котором термометром служили люминесцирующие алмазные наночастицы (АНЧ) с центрами «азот-вакансия» (NV), а в качестве нагревателя использовался хорошо поглощающий свет полимер полидофамин (далее - ПДА). Такой гибридный термометр-нагреватель конструировался следующим образом. Молекулы дофамина полимеризовались на поверхности алмазных наночастиц в Трис-HCl-буферном растворе. Получались гибридные наночастицы, состоящие из алмазного ядра со средним размером 10 нм и внешней оболочки ПДА толщиной около 5 нм. Клетки инкубировали большим количеством гибридных наночастиц в культуральной среде, поглощение частиц происходило путем эндоцитоза [5] Положение гибридных наночастиц в клетке определяли с помощью оптического микроскопа по свечению NV центров в АНЧ. Локальный нагрев отдельной наночастицы осуществляли фокусировкой лазерного излучения на длине волны 532 нм на выбранную наночастицу. Лазерное излучение поглощалось оболочкой ПДА и нагревало ее, одновременно это излучение возбуждало люминесценцию NV центров в АНЧ, которая использовалась для квантового измерения температуры нагревателя. Квантовое измерение температуры основано на определении зависящей от температуры энергии перехода между электронными спиновыми состояниями NV центров в нулевом магнитном поле с помощью сигнала флуоресценции этих центров [6].
Недостатки указанного в [4] устройства нагрева заключаются в следующем:
- отсутствует предварительная калибровка по температуре отдельных наночастиц при работе с большим ансамблем гибридных наночастиц. В этом случае при использовании квантового метода определения температуры отдельного нагревателя в процессе его нагрева погрешность в определении температуры может достигать 3-5°С, как следует из [7].
- сильное поглощение полимера затрудняет измерение температуры по слабому сигналу люминесценции алмазной наночастицы, вследствие чего использование такого нагревателя возможно только при высоких мощностях лазера, т.е. при больших температурах нагрева, более 10°С;
- точность определения положения нагревателя в исследуемой среде ограничена поперечным размером сфокусированного лазерного луча (обычно на уровне 200-30°нм);
- невозможность работы в газообразной среде (требуется жидкая среда, либо подложка);
- для определения температуры нагревателя используется СВЧ-излучение, хорошо поглощаемое жидкими средами, что может приводить к дополнительному неконтролируемому нагреву исследуемой среды.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство локального оптического нагрева, раскрытое в источнике сведений [8]. Данное устройство содержит агрегат алюминиевых наночастиц, имеющий микронные размеры и размещенный в стеклянном капилляре в виде микропипетки, установленном в микроманипуляторе, который выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения микропипетки, источник лазерного излучения и блок регистрации люминесценции. Излучение лазерного источника фокусируется на микропипетку с алюминиевыми частицами, которая предварительно помещается в исследуемую среду или среду, в которой располагается исследуемый образец.
2
Известен способ локального оптического нагрева, раскрытый в документе [9], в котором осуществляется воздействие оптического лазерного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне на водную среду. Длина волны лазерного излучения выбирается такой, чтобы она попадала в полосу эффективного поглощения среды, и при этом обеспечивалась локальность нагрева среды в сечении сфокусированного лазерного пучка на уровне ~1 мкм. В известном способе локального оптического нагрева воды используется длина волны возбуждения равная 1455 нм. Излучение фокусируется в водную среду, локально нагревая объем воды микрометровых размеров вблизи исследуемого образца (живой клетки).
Однако данный способ локального оптического нагрева обладает следующими недостатками:
- вместо объемной локальности нагрева имеет место двумерная локальность, т.е. нагревается столб водной среды в области фокусировки лазерного пучка, где плотность мощности излучения максимальна. Таким образом, известный способ локального оптического нагрева реализуется лишь в направлениях, перпендикулярных оси распространения лазерного излучения;
- ввиду нагрева протяженного столба жидкой среды возникают диффузионные потоки, приводящие к перемешиванию слоев среды с различной температурой. В результате создаваемые нагревателем градиенты температур оказываются нестационарными и невоспроизводимыми;
- указанный способ локального оптического нагрева не является универсальным, поскольку для каждой среды необходим лазерный источник, излучающий на длине волны, которая попадает в полосу ее эффективного поглощения, что требует столько источников, сколько сред подлежит исследованию.
Указанные недостатки значительно усложняют осуществление известного способа и применение его в реальных системах.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ локального оптического нагрева, известный из [8], который основан на воздействии лазерного излучения на алюминиевые наночастицы, закрепленные в торце стеклянного капилляра, размещенного в исследуемой среде, при этом лазерное излучение эффективно поглощается алюминиевыми наночастицами, закрепленными в стеклянном капилляре, и осуществляют локальный нагрев исследуемой среды с помощью наночастиц.
Основным недостатком способа и устройства локального оптического нагрева, известных из [8], является отсутствие возможности достоверного контроля температуры исследуемой среды. Появляется необходимость использования другой независимой, внешней системы контроля температуры теплового источника, например, нанотермометра для получения данных о зависимости температуры агломерата алюминиевых частиц от мощности лазерного излучения. При этом точность определения положения стеклянного капилляра в исследуемой среде ограничена микронными размерами наночастиц (обычно на уровне более 100 нм);
Таким образом проблемой оптического нагрева в известных способах и средствах является отсутствие возможности точного (по температурному значению) и прецизионного (по пространственному расположению) ультралокального нагрева заданной точки исследуемой среды и достоверного контроля температуры такого нагрева.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства ультралокального оптического нагрева, которые обеспечивали бы возможность нагрева и достоверного контроля температуры нагрева в заданной точке исследуемой среды.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений, является повышение точности ультралокального оптического нагрева в заданной точке исследуемой среды.
Технический результат достигается тем, что в известном способе оптического нагрева, основанном на воздействии лазерного излучения на наночастицы, закрепленные в торце стеклянного капилляра, размещенного в исследуемой среде, в качестве наночастицы выбирают поликристаллическую алмазную наночастицу, межкристаллитные границы которой содержат аморфный углерод, а в объеме алмазной наночастицы содержатся люминесцирующие примесные центры,осуществляютдвухстадийную калибровку алмазной частицы, при которой на первой стадии калибровки лазерным излучением возбуждают люминесценцию примесных центров алмазной наночастицы, закрепленной в стеклянном капилляре, размещенном в термостате, и проводят измерения для построения кривой зависимости спектрального положения максимума бесфононной линии люминесценции примесных центров от заданной температуры, а на второй стадии калибровки алмазную частицу, закрепленную в стеклянном капилляре, размещают в исследуемой среде, осуществляют измерения для построения кривой зависимости температуры нагрева алмазной наночастицы от мощности лазерного излучения, а после калибровки располагают стеклянный капилляр с алмазной частицей в заданной точке исследуемой среды,и воздействуют на алмазную частицу лазерным излучением с мощностью, соответствующей заданной температуре локального нагрева, c учетом данных второй калибровочной кривой.
Оптимально на поверхность алмазной частицы предварительно нанести слой металла, толщиной не более 2 нм, причем в качестве металла предпочтительно выбрать серебро или золото, или алюминий.
В одном из вариантов способа алмазную частицу целесообразно предварительно нагреть до 90 - 1000°С в вакууме в течение 5-3 минут.
Предпочтительно выбирать алмазную частицу с SiV-центрами.
Оптимально, чтобы алмазная частица имела нанометровый размер от 5 до 100 нм.
Целесообразно на первой стадии калибровки возбуждение люминесценции SiV-центров в алмазной частице осуществлять лазерным излучением с длиной волны <738 нм и мощностью <1 мВт, а на второй стадии калибровки выбирать мощность > 1 мВт.
Технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для локального оптического нагрева, содержащем наночастицу, размещенную в стеклянном капилляре, установленном в микроманипуляторе, выполненным с возможностью возвратно-поступательного перемещения, источник лазерного излучения и блок регистрации люминесценции, в торце стеклянного капилляра размещена поликристаллическая алмазная частица, содержащая аморфный углерод на межкристаллитных границах, которая оптически связана с источником лазерного излучения и блоком регистрации люминесценции, при этом алмазная частица содержит, по меньшей мере, один люминесцирующий примесный центр, а стеклянный капилляр выполнен с возможностью установки в заданной точке исследуемой среды для ультралокального нагрева.
Предпочтительно выполнить источник лазерного излучения в виде оптически соединенных и установленных последовательно лазера, зеркала, линзы и диафрагмы, связанной с оптоволокном, введенным в стеклянный капилляр.
Блок регистрации люминесценции предпочтительно содержит оптически соединенные и установленные последовательно объектив,светофильтр, дифракционную решетку, линзу и фотодетектор, при этом алмазная частица расположена в фокусе объектива.
Микроманипулятор может быть выполнен с возможностью осуществления возвратно- поступательного движения в трех взаимно-перпендикулярных направлениях.
Алмазная частица может иметь нанометровый размер в диапазоне 5 - 100 нм.
Алмазная частица может содержать слой металла на поверхности, толщиной не более 2 нм, причем в качестве металла предпочтительно выбрать серебро или золото, или алюминий.
Стеклянный капилляр может быть выполнен из боросиликатного стекла.
Совокупность существенных признаков заявляемой группы изобретений неизвестна из уровня техники.
В уровне техники также отсутствуют сведения об ульралокальном оптическом нагреве с использованием поликристаллической алмазной наночастицы, содержащей аморфный углерод на ее межкристаллитных границах. Аморфный углерод на межкристаллитных границах, в отличие от упорядоченного углерода в объеме алмазных кристаллитов, хорошо поглощает излучение видимого спектра [10], что позволяет расширить диапазон температур локального нагрева в заданной точке в заявляемом изобретении с высокой точностью.
Повышение точности ультралокального оптического нагрева исследуемой среды основано на совмещении свойств измерителя температуры и нагревателя в одной алмазной частице, подлежащей двухэтапной калибровке, что позволяет достоверно и с малой погрешностью, не более 0.5°С, контролировать температуру ультралокального нагрева в заданной точке исследуемой среды.
Заявляемая группа изобретений поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение устройства локального оптического нагрева, где представлены:
1 - алмазная частица; 2 - стеклянный капилляр; 3 - исследуемая среда; 4 - микроманипулятор; 5 - оптоволокно; 6 - диафрагма; 7 - линза; 8 - зеркало; 9 - лазерный источник; 1 - оптический объектив; 11 - диафрагма блока регистрации; 12 - дифракционная решетка; 13 - линза блока регистрации; 14 - фотодетектор.
0
На фиг. 2 показана бесфононная линия спектра люминесценции SiV-центров, где пунктирной линией указана длина волны, соответствующая максимальной интенсивности бесфононной линии I, а область аппроксимации бесфононной линии выделена черным цветом.
На фиг. 3 изображена первая калибровочная кривая, устанавливающая зависимость между спектральным положением максимума бесфононной линии люминесценции SiV-центров и температурой.
На фиг. 4 изображена вторая калибровочная кривая, устанавливающая зависимость температуры нагрева алмазной частицы от мощности лазерного излучения.
На фиг. 5 представлена калибровочная кривая, устанавливающая зависимость температуры нагрева алюминиевых частиц от мощности лазерного излучения, характеризующая прототип.
Осуществление предпочтительных вариантов изобретений
Способ и устройство оптического ультралокального нагрева могут быть реализованы следующим образом.
Устройство ультралокального нагрева, реализующее заявляемый способ, содержит стеклянный капилляр 2, в котором размещена алмазная частица 1, в качестве которой выбирают поликристаллическую, содержащую аморфный углерод на межкристаллитных границах алмазную частицу нанометрового размера, предпочтительно, размером 50-100 нм. Алмазная частица содержит люминесцентные центры окраски «кремний-вакансия» (SiV) в предпочтительном варианте, лазерный источник 9, оптически связанный с последовательно установленными зеркалом 8, линзой 7, диафрагмой 6. Диафрагма 6 оптически связана с одним концом оптоволокна 5, которое проходит через стеклянный капилляр в направлении алмазной частицы 1, расположенной в торце стеклянного капилляра 2. Стеклянный капилляр 2 устанавливается в микроманипуляторе 4, выполненным с возможностью возвратно-поступательного перемещения стеклянного капилляра 2 при его размещении в жидкой, гелеобразной или газообразной среде 3 для ультралокального нагрева. Алмазная частица 1 оптически связана с блоком регистрации люминесценции, который содержит последовательно установленные объектив 10, выполненный без иммерсии или водно-иммерсионнымв случае работы в водной среде, светофильтр 11, дифракционную решетку 12, линзу 13, фотодетектор 14, выполненный, например, в виде чувствительной ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрицы.
Заявляемый способ ультралокального оптического нагрева реализуется с помощью указанного устройства следующим образом.
Алмазную частицу 1 встраивают во внутренний канал предпочтительно стеклянного капилляра 2 следующим образом. На подложку наносят каплю дистиллированной воды объемом, например, 5 мкл. Механически перемешивают алмазные кристаллы до образования водной суспензии наноалмазов. К поверхности капли по нормали подводят стеклянный капилляр, во внутренний канал которого под действием капиллярных сил втягивается столб воды с алмазными наночастицами. При этом, выбирают стеклянный капилляр, содержащий только одну наночастицу.
Предпочтительно выбирать алмазные частицы содержащие, по меньшей мере один SiV-центр, бесфононная линия люминесценции которого чувствительна к температурным изменениям.
Возможна реализация вариантов способа, в которых поверхность алмазной частицы предварительно модифицируют.
Модификация поверхности алмазной частицы 1 осуществляется нижеперечисленными способами, не ограничивающими и другие варианты модификации.
В одном из вариантов реализации способа алмазные частицы помещают в вакуумную камеру с температурой около 90 - 1000°С, где они находятся от 5 до 3 минут до образования тонкого, поглощающего (не более 50% излучения) графитового слоя на поверхности частицы.
В другом варианте способа на алмазные частицы наносят тонкий слой металла, (например, золото, или серебро, или алюминий). Толщина слоя выбирается такой, чтобы поглощалось не более 50% излучения.
В указанных вариантах поглощающий слой (графита или металла) не оказывает заметного влияния на точность определения температуры нагревателя, но его толщины достаточно, чтобы обеспечить нагрев в широком интервале температур (20-100°С) при небольшой мощности лазерного излучения (до 10 мВт).
Формирование дополнительного поглощающего слоя на поверхности наноалмаза требуется для снижения требований к предельной мощности лазера, используемого в нагревателе, что делает менее критичным выбор лазеров, позволяя использовать более дешевые лазеры, и уменьшает возможное влияние рассеянного лазерного излучения на исследуемую среду.
Немодифицированная или модифицированная в разных вариантах выполнения одним из выше представленных способов алмазная частица предварительно двустадийно калибруется. На первой стадии алмазная частица 1, размещенная в стеклянном капилляре 2, или вне его помещается в термостат, на нее направляется сфокусированное лазерное излучение с целью возбуждения люминесценции SiV-центров и проводятся измерения зависимости спектрального положения максимума бесфононной линии люминесценции SiV-центров от температуры при ее постепенном увеличении в термостате при низкой мощности возбуждения (<1 мВт), когда нагревом частицы излучением можно пренебречь.
Стеклянный капилляр 2 с алмазной частицей 1 закрепляется в гнезде на головке (на чертеже не показаны) пьезоэлектрического микроманипулятора (далее - ММ) 4 и жестко фиксируется затяжным винтом (на чертеже не показан). Блок управления ММ, состоящий из джойстика, контроллера перемещения и программного обеспечения (на чертеже не показаны), позволяет осуществлять прецизионное позиционирование капилляра в заданной точке исследуемой среды 3.
Излучение подается от непрерывного или импульсного источника лазерного излучения 9, которое, отражаясь от зеркала 8, проходит через линзу 7, в фокальной плоскости которой располагается диафрагма 6 (отверстие диафрагмы располагается в точке фокуса линзы 7 на оптической оси), и попадает в оптическое волокно 5, один конец которого подведен к алмазной частице 1 через стеклянный капилляр 2. Вышедшее из оптического волокна 5 лазерное излучение накачки, распространяясь вдоль оси капилляра, как по волноводу, возбуждает люминесценцию SiV-центров в алмазной частице 1, которая собираетсяоптическим объективом 1°и направляется им на дифракционную решетку 12, осуществляющую разложение люминесцентного сигнала в спектр. Чувствительный фотодетектор 14 регистрирует спектр люминесценции (далее - СЛ) SiV-центров. Из полученного спектра извлекается спектральное положение максимума бесфононной линии люминесценции, процедура определения которого (далее - ПОМ) состоит в следующем.
1) С целью получения откорректированного спектра люминесценции (далее - ОСЛ), - из СЛ вычитается фоновый спектр, зарегистрированный в том же спектральном диапазоне и в той же точке пространства, в отсутствии люминесценции SiV-центров (при отведении алмазной наночастицы в сторону от лазерного излучения).
2) Для ОСЛ в спектральном диапазоне от 73°нм до 75°нм определяется значение максимальной интенсивности бесфононной линии люминесценции (фиг. 2).
3) Из дальнейшей аппроксимации исключается длинноволновая часть спектра, лежащая ниже уровня интенсивности  (на фиг. 2 часть кривой в сером цвете справа от максимального значения ). Выполнение данной операции необходимо для исключения влияния длинноволнового фононного крыла люминесценции SiV-центров, которое приводит к ее искажению.
2
4) Из дальнейшей аппроксимации исключается коротковолновая часть спектра, лежащая ниже уровня интенсивности . Выполнение данного действия необходимо для исключения возможного влияния дополнительных источников люминесценции, излучающих на длине волны <738 нм (например, небольшая широкополосная люминесценция, связанная с sp-фазой углерода на поверхности алмаза (на фиг. 2 часть кривой в сером цвете слева от максимального значения ).
.
Io
5) Полученный в результате выполнения действий согласно перечисленным в пунктах 1-4 спектр (черная область кривой на фиг. 2) аппроксимируется кривой лоренцевой формы [11]Из параметров аппроксимации извлекается λ - спектральное положение максимума бесфононной линии люминесценции SiV-центров, выраженное в нанометрах.
Возбуждение люминесценции SiV-центров в алмазной частице осуществляют лазерным излучением с длиной волны в диапазоне 450-738 нм и мощностью < 1 мВт в предпочтительных вариантах. В этом диапазоне длин волн наблюдается наибольшая интенсивность люминесценции SiV центров, как следует из [12]. Низкая мощностьнеобходима для исключения нагрева алмазной частицы излучением в процессе проведения первого этапа калибровки.
Io
Io
3
На первом этапе строят экспериментальную калибровочную кривую зависимости величины спектрального сдвига положения максимума бесфононной линии люминесценции SiV-центров, содержащихся в алмазной частице нанометрового размера, от температуры. Для этих целей алмазная частица 1 в стеклянном капилляре 2 помещается в термостат, температура в котором может поддерживаться на заданном уровне с точностью до 0.1°С. При ступенчатом увеличении температуры с шагом 10°С, например, в диапазоне 22 -152°С на каждом шаге температура в термостате фиксируется на время измерения спектра люминесценции алмазной наночастицы 1 и определения спектрального положения максимума бесфононной линии люминесценции SiV-центров в соответствии с ПОМ. Полученная зависимость положения максимума бесфононной линии λ (измеренная в нм) от температуры Т показана точками на Фиг. 3. Эта ступенчатая зависимость аппроксимируется гладкой кривой (Фиг. 3) с использованием известной кубической зависимости λ~Т [13] и представляет собой калибровочную кривую.
На втором этапе калибровки алмазная частица 1 помещается в исследуемую среду для нагрева 3, где под действием более высокой мощности (предпочтительно > 1 мВт) лазерного излучения по сравнению с первым этапом калибровки, алмазная частица 1 нагревается до некоторой температуры. Устанавливается несколько значений мощности лазерного излучения и для каждого из них измеряется спектр SiV-люминесценции алмазной наночастицы 1 и определяется спектральное положение максимума бесфононной линии люминесценции SiV-центров в соответствии с ПОМ. Для каждого измеренного положения максимума определяется соответствующая температура из первой калибровочной кривой (фиг. 3). Таким образом для нескольких значений мощности лазерного излучения (Р) устанавливается соответствие между этой мощностью и температурой Т алмазной частицы, нагреваемой этим излучением. Несколько установленных значений Т(Р) откладывается на графике Фиг 4. (5 черных точек). Через них по методу наименьших квадратов проводится прямая линия, которая и является второй калибровочной кривой, представляющей кривую зависимости температуры от мощности излучения в одном из вариантов реализации с использованием, например, модифицированной алмазной частицы.
После калибровки стеклянный капилляр 2 с алмазной частицей 1 располагают в заданной точке исследуемой средыи воздействуют на алмазную частицу лазерным излучением с мощностью, соответствующей заданной температуре локального нагрева. Соответствие между мощностью и температурой определяется второй калибровочной кривой (фиг.4).
Пространственное разрешение по температуре нагревателя определяется размерами наноалмаза, которые могут достигать единиц нанометров, как следует из [14]. Точность позиционирования определяется техническими характеристиками микроманипулятора, а именно разрешением и воспроизводимостью, которые также могут достигать единиц нанометров.
Заявляемый способ локального оптического нагрева поясняется следующими примерами конкретного выполнения.
Пример 1
100
10
10
10
Проводили экспериментальные исследования локального нагрева водных объемов с помощью устройства по прототипу, включающего стеклянный капилляр с алюминиевыми частицами. Для реализации этого устройства использовалась водная суспензия частиц алюминия размером 0.1 мкм с концентрацией 5 мг/мл. Стеклянный капилляр кратковременно вводился в суспензию до образования агрегата частиц диаметром около 1 мкм на его торце. Размер контролировался в оптическом микроскопе. Затем капилляр с алюминиевыми частицами опускался в дюймовую чашку Петри, заполненной 2 мл дистиллированной воды. Нагрев агрегата алюминиевых наночастиц осуществлялся лазерным лучом на длине волны 473 нм. Излучение накачки направлялось на вход водно-иммерсионного объектива x63 (NA=0.9), который фокусировался на агрегате наночастиц в торце капилляра. Калибровка нагревателя проводилась следующим образом. Включали лазер и начинали плавно увеличивать мощность лазерного излучения. При появлении пузырьков вблизи нагревателя, т.е. закипании воды, фиксировалась мощность лазера накачки Р,которая обеспечиваетнагрев алюминиевой частицы до 100°С. На калибровочном графике, (фиг. 5)отмечали первую точку - соответствующую мощности излучения Р и температуре нагревателя 10°С. Затем отмечали вторую точку - соответствующую нулевой мощности излучения и комнатной температуре нагревателя (22°С). Прямая, проведенная через две отмеченные точки, представляла калибровочную зависимость Р (Т) мощности излучения от температуры алюминиевых частиц. В приведенном примере при первом включении лазера и увеличении его мощности вода закипала при P = 4.3 мВт, на основании этого результата строилась калибровочная зависимость Р(Т) (обозначена цифрой 1 на Фиг 5). При втором включении лазера и увеличении его мощности определялась P = 4.7 мВт и снова строилась калибровочная зависимость Р(Т) (обозначена цифрой 2 на Фиг. 5). По температурному отклонению (вертикальный отрезок между кривыми 1 и 2 на Фиг. 5) между двумя калибровочными зависимостями в точке P= 4.3 мВт находим, что ошибка в определения температуры нагревателя может достигать 8°С.
Пример 2
Алмазные наночастицы были синтезированы методом газофазного осаждения (CVD методом) в микроволновом реакторе в газовой смеси метан-водород с добавлением газа силана, необходимого для формирования центров «кремний-вакансия» (SiV) в процессе синтеза. Применялся режим спонтанного зарождения алмазных наночастиц, В таком режиме синтезированные алмазные наночастицы имели преимущественно поликристаллическую структуру. Затем выбирали наночастицы алмаза, содержащие центры SiV, переводили их в водную суспензию, из которой под действием капиллярных сил во внутренний канал стеклянного капилляра втягивался столб воды с одной алмазной наночастицей, которая за счет хорошей адгезии алмаза к стеклу прилипала к торцу стеклянного микрокапилляра. Микрокапилляр с алмазной наночастицей размещали в термостате. Для возбуждения люминесценции и нагрева наночастицы использовали лазерное излучение на длине волны 473 нм, которое фокусировали на алмазную наночастицу через объектив x5°(NA=0.55). Предварительно определяли мощность возбуждающего излучения, не приводящую к сдвигу бесфононной линии SiV-люминесценции, а, следовательно, и к нагреву наночастицы. Измеренное значение мощности использовалось для первой стадии калибровки алмазной наночастицы в термостате, температура в котором стабилизировалось на заранее заданном уровне с точностью до 0.1°C. Температура в камере термостата менялась с шагом 1°C. На каждом шаге записывался спектр SiV-люминесценции (см. фиг. 2) и определялось спектральное положение максимума бесфононной линии путем аппроксимации кривой Лоренцевой формы по методу Левенберга-Марквадта [11]. Строилась зависимость спектрального положения максимума бесфононной линии от установившейся в термостате температуры, которая и являлась первой калибровочной кривой (фиг. 3).
На следующем этапе измерялась вторая калибровочная кривая - зависимость температуры алмазной наночастицы от мощности лазерного излучения на длине волны 473 нм. Для этого алмазная наночастица помещалась в водную среду, находящуюся при комнатной температуре (22°C). На каждом шаге увеличения мощности лазерного излучения записывался спектр SiV-люминесценции и по описанному выше алгоритму определялось положение максимума бесфононной линии и соответствующая этому положению температура нагрева алмазной частицы (фиг. 3). Строилась вторая калибровочная кривая - зависимость температуры алмазной частицы от мощности лазерного излучения (фиг. 4).
Затем стеклянный капилляр с алмазной наночастицей закреплялся в микроманипуляторе и вводился в чашку Петри с физиологическим раствором, содержащем живые клетки HeLa, при комнатной температуре. Алмазная наночастица нагревалась излучением лазерного источника на длине волны 473 нм мощностью 2.5 мВт. Согласно второй калибровочной кривой, это соответствует температуре нагрева алмазной частицы до 5°C. Для проверки правильности установления температуры алмазной наночастицы с помощью системы регистрации люминесценции определяли сдвиг положения максимума бесфононной линии SiV-центров и согласно первой калибровочной кривой, находили значение температурыалмазной частицы50.2°C.
Вывод: Предлагаемый способ ультралокального оптического нагрева позволяет устанавливать температуру алмазной частицы в водной среде с точностью 0.2°C.
Пример 3.
Экспериментальные исследования проводились аналогично примеру 2. Но возбуждение люминесценции SiV-центров и нагрев алмазной частицы осуществлялись лазерным излучением на длине волны 67 нм. Измерялась вторая калибровочная кривая - зависимость температуры алмазной наночастицы от мощности лазерного излучения на длине волны 67 нм. Согласно измеренной зависимости, для нагрева алмазной наночастицы до 28°C потребовалось повышение мощности излучения до 5 мВт. Для проверки правильности установления температуры нагревателя с помощью системы регистрации люминесценции определяли сдвиг положения максимума бесфононной линии SiV-центров при нагреве алмазной наночастицы излучением мощностью 5 мВт и согласно первой калибровочной кривой (Фиг 3), находили значение температуры нагревателя, которая составила 28.1°C.
Пример 4.
Экспериментальные исследования проводились аналогично примеру 2. Но используемая в качестве нагревателя алмазная наночастица дополнительно модифицировалась путем отжига в вакуумной камере при температуре 90°C в течении 2°мин. Измерялась зависимость температуры модифицированной алмазной наночастицы от мощности лазерного излучения на длине волны 473 нм. Согласно установленной зависимости, для нагрева алмазной наночастицы до 60°C требовалось повышение мощности излучения до 3 мВт. При такой же мощности излучения до модификации наночастица нагревалась слабее, до 5°C, что свидетельствует об увеличении поглощательной способности наночастицы после ее модификации. Для проверки правильности установления температуры нагревателя с помощью системы регистрации люминесценции определяли сдвиг положения максимума бесфононной линии SiV-центров при нагреве алмазной наночастицы излучением мощностью 3 мВт и согласно первой калибровочной кривой, находили значение температуры нагревателя - 59.6°C.
Основное преимущество настоящего способа ультралокального оптического нагрева состоит в использовании одной немодифицированной поликристаллической алмазной частицы или в других вариантах - модифицированной (покрытой тонким графитоподобным или металлическим слоем частицы), встроенной в стеклянный капилляр и содержащей термочувствительные SiV-центры для точного (с погрешностью <0.5°С) оптического контроля температуры нагрева, и возможности прецизионного ультралокального нагрева любой заданной точки исследуемой среды.
Заявляемый способ ультралокального оптического нагрева может найти широкое применение в качестве прецизионного прибора, позволяющего обеспечивать контролируемое наведение температурных градиентов в биологических исследованиях, а также в инженерии широкого спектра наноразмерных систем, в том числе и в химических нанореакторах нового типа.
Перечень источников сведений
[1] Tsai, P. C., Epperla, C. P., Huang, J. S., Chen, O. Y., Wu, C. C., & Chang, H. C. Measuring nanoscale thermostability of cell membranes with single gold-diamond nanohybrids. Angewandte Chemie International Edition, 56(11), 3025-3030, 2017.
[2] Chang, C. K., Wu, C. C., Wang, Y. S., & Chang, H. C. Selective extraction and enrichment of multiphosphorylated peptides using polyarginine-coated diamond nanoparticles. Analytical chemistry, 80(10), 3791-3797, 2008.
[3] Epperla, C. P., Mohan, N., Chang, C. W., Chen, C. C., & Chang, H. C. Nanodiamond-mediated intercellular transport of proteins through membrane tunneling nanotubes. Small, 11(45), 6097-6105, 2015.
[4] Fujiwara, M., Sun, S., Dohms, A., Nishimura, Y., Suto, K., Takezawa, Y., Oshimi, K., Zhao, L., Sadzak, N., Umehara, Y., Teki, Y., Komatsu, N., Benson, O., Shikano, Y., & Kage-Nakadai, E. Real-time nanodiamond thermometry probing in vivo thermogenic responses. Science advances, 6(37), eaba9636, 2020.
[5] Sotoma, S., Zhong, C., Kah, J. C. Y., Yamashita, H., Plakhotnik, T., Harada, Y., & Suzuki, M. In situ measurements of intracellular thermal conductivity using heater-thermometer hybrid diamond nanosensors. Science advances, 7(3), eabd7888, 2021.
[6] Mukherjee, S., Ghosh, R. N., & Maxfield, F. R. Endocytosis. Physiological reviews, 1997.
[7] Maurer, P. C., Noh, H. J., Kucsko, G., Lukin, M. D., Park, H., & Minako, K. U. B. O. U.S. Patent No. 10,436,650. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office, 2019.
[8] Zeeb, V., Suzuki, M., & Ishiwata, S. I. A novel method of thermal activation and temperature measurement in the microscopic region around single living cells. Journal of neuroscience methods, 139(1), 69-77, 2004.
[9] Oyama, K., Zeeb, V., Kawamura, Y., Arai, T., Gotoh, M., Itoh, H., Itabashi, T., Suzuki, M., & Ishiwata, S. I. Triggering of high-speed neurite outgrowth using an optical microheater. Scientific reports, 5(1), 1-11, 2015.
[10] Robertson, J. Amorphous carbon. Advances in physics, 35(4), 317-374, 1986.
[11] Гилл, Ф., Мюррей, У., & Райт, М. Практическая оптимизация. Мир. с. 188, 1985.
[12] Häußler, S., Thiering, G., Dietrich, A., Waasem, N., Teraji, T., Isoya, J., Iwasaki, T., Hatano, M., Jelezko, F., Gali, A., & Kubanek, A. Photoluminescence excitation spectroscopy of SiV- and GeV- color center in diamond. New Journal of Physics, 19(6), 063036, 2017.
[13] Jahnke, K. D., Sipahigil, A., Binder, J. M., Doherty, M. W., Metsch, M., Rogers, L. J., Manson, N. B., Lukin, M. D., & Jelezko, F. (2015). Electron-phonon processes of the silicon-vacancy centre in diamond. New Journal of Physics, 17(4), 043011.
[14] Vlasov, I. I., Shiryaev, A. A., Rendler, T., Steinert, S., Lee, S. Y., Antonov, D., Vörös, M, Jelezko, F., Fisenko, A. V., Semjonova, L. F., Biskupek, J., Kaiser, U., Lebedev, O. I., Sildos, I., Hemmer, P. R., Konov, V. I., Gali, A., & Wrachtrup, J. Molecular-sized fluorescent nanodiamonds. Nature nanotechnology, V. 9, p. 54-58, 2014.