СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ СТРУКТУР ПОСРЕДСТВОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЗОНДОВОЙ НАНОТОМОГРАФИИ
METHOD OF STUDYING THREE-DIMENSIONAL STRUCTURES BY MEANS OF SCANNING OPTICAL PROBE NANOTOMOGRAPHY

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для исследования образцов, например биоматериалов и изделий медицинского назначения, методами сканирующей зондовой микроскопии. В частности это может быть исследование внутренних пор зондом сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).
Известен способ исследования трехмерных структур, включающий срез трехмерной структуры ножом криотома и исследование двухмерной структуры зондом с острием сканирующего зондового микроскопа [1]. Недостаток этого способа заключается в ограниченной информативности измерения образцов, связанной с исследованием только его поверхности, что снижает его функциональные возможности.
Известен способ исследования трехмерных структур, включающий осуществление первого среза трехмерной структуры ножом и первое исследование первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа, второй срез трехмерной структуры ножом в соответствии с результатами первого исследования и второе исследование второй срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа [2]. Этот способ выбран нами в качестве прототипа.
Недостаток этого способа заключается в невозможности оперативно корректировать процесс зондовых измерений, а также в недостаточной информативности способа, что снижает его функциональные возможности.
Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей известного способа исследования трехмерных структур.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе исследования трехмерных структур посредством сканирующей оптической зондовой нанотомографии, включающим осуществление первого среза трехмерной структуры ножом и первое исследование первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа, второй срез трехмерной структуры ножом в соответствии с результатами первого исследования и второе исследование второй срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа, после первого среза трехмерной структуры ножом проводят первое оптическое исследование первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон, а второй срез трехмерной структуры осуществляют также по результатам первого оптического исследования первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон. Таким образом, второй срез трехмерной структуры осуществляют по результатам первого оптического исследования первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон и первого исследования первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа.
Существует вариант, в котором после второго среза трехмерной структуры ножом осуществляют второе оптическое исследование второй срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон, а второе исследование поверхности трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа осуществляют по результатам второго оптического исследования второй срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон.
Существует вариант, в котором проводят дополнительное оптическое исследование первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон (обозначено нами как третье оптическое исследование) одновременно с первым исследованием срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа.
Существует вариант, в котором проводят дополнительное оптическое исследование второй срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон (обозначено нами как четвертое оптическое исследование) одновременно со вторым исследованием поверхности трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа.
Существует вариант, в котором первое оптическое исследование
осуществляют с изменением угла наблюдения первой срезанной поверхности.
Существует вариант, в котором второе оптическое исследование
осуществляют с изменением угла наблюдения второй срезанной поверхности.
Существует вариант, в котором третье оптическое исследование
осуществляют с изменением угла наблюдения первой срезанной поверхности.
Существует вариант, в котором четвертое оптическое исследование
осуществляют с изменением угла наблюдения второй срезанной поверхности.
Существует вариант, в котором первую срезанную поверхность
образца трехмерной структуры и ее внутренние зоны подают первое лазерное излучение.
Существует вариант, в котором на вторую срезанную поверхность образца трехмерной структуры и ее внутренние зоны подают второе лазерное излучение.
Существует вариант, в котором на первую срезанную поверхность образца трехмерной структуры и ее внутренние зоны, а также на вторую срезанную поверхность образца трехмерной структуры и ее внутренние зоны подают, по меньшей мере, по два дополнительных лазерных излучения.
Существует вариант, в котором первое и второе оптическое исследование внутренних зон трехмерной структуры осуществляют после введения в них через капилляр жидкости с наночастицами.
Существует вариант, в котором в качестве наночастиц используют наночастицы золота.
Существует вариант, в котором в качестве наночастиц используют наночастицы золота с биологически активными веществами.
Существует вариант, в котором биологически активные вещества сопряжены с флуоресцентными маркерами.
На фиг. 1 изображено устройство для реализации способа.
На фиг. 2 изображен вариант использования способа при низких температурах.
На фиг. 3-4 представлены результаты исследований трехмерной структуры образца двухкомпонентного полимерного волокна предложенным способом.
Устройство для реализации предложенного способа содержит платформу 1, на которой на первых направляющих 2 установлена первая подвижная по координате X каретка 3 с пьезосканером 4, содержащим фланец 5, в котором закреплен первый держатель 6 зонда 7, имеющего чувствительный элемент 8. Первая подвижная каретка 3 может быть сопряжена с первым приводом 9. Чувствительный элемент 8 может быть установлен с возможностью взаимодействия с образцом 10, закрепленным во втором держателе 11, размещенным на механизме поворота 12, установленном на второй подвижной координатам Y или Y, Z каретке 13. При этом вторая подвижная каретка 13 может быть установлена на вторых направляющих 14, расположенных на платформе 1. Вторая подвижная каретка 13 может быть сопряжена со вторым приводом 15. На платформе 1 на третьих направляющих 16 установлена третья подвижная каретка 17 с ножом 18, сопряженная с третьим приводом 19. Элементы 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 представляют собой сканирующий зондовый микроскоп (см. подробно в [2, 3], который может быть подключен к первому блоку управления 22. Это подключение показано условно. Второй блок управления 23 может быть соединен с механизмом поворота 12, вторым приводом 15 и третьим приводом 19. Элементы с 10 по 23 за исключением блока 22 входят в состав микротома. Блоки 22 и 23 могут быть объединены в один блок (не показано).
В качестве зонда 7 может использоваться кварцевый резонатор с чувствительным элементом (см. подробно в [4]). В качестве чувствительного элемента 8 могут использоваться заостренные иглы, описанные в [5], а также нитевидные кристаллы, технология получения которых описаны в [6]. В качестве первых направляющих 2 и вторых направляющих 14 можно использовать линейные направляющие, описанные в [2], либо две линейные направляющие, установленные одна на другой. Вторые направляющие 14 и второй привод 15 показаны условно и могут быть выполнены аналогично описанным в [1]. Тем не менее следует заметить, что в серийно выпускаемых микротомах и криотомах часто элементы 14, 15 и 16 представляют собой шарнирную конструкцию, описанную, например, в [8].
Механизм поворота 12 может иметь шарнирное исполнение (см., например [9], либо быть выполненным на сферической опоре, как на фиг.1, и закрепляться вручную, например, с использованием накидного элемента или стопорного винта (не показаны).
Третья подвижная каретка 17 может осуществлять перемещения по координатам X, Y, а также вращение вокруг оси 24. Это может быть двухкоординатный стол на основе двух линейных направляющих с поворотным механизмом. Двухкоординатное перемещение может быть механизированным, а вращение осуществляться вручную и закрепляться накидным элементом или стопорным винтом (не показаны). Координатные столы, осуществляющие все описанные перемещения, подробно описаны в [10, 11, 12]. Микротом и криотом, обеспечивающие срез образца 10 и формирование гладкой поверхности 25, описаны также в [1, 13].
В качестве образца 10 может использоваться образец пористой трехмерной структуры с характерным размером пор от 1 нм до нескольких сотен мкм, выполненной на основе биоматериалов или полимеров. В качестве образца 10 может также использоваться образец непористой трехмерной структуры, выполненной на основе биоматериалов или полимеров. Учитывая также, что неровность среза образца 10 практически всегда находится в диапазоне нескольких нанометров, то, по сути, любая измеряемая поверхность может рассматриваться как трехмерная структура.
Поверхность 25 образца 10 оптически сопряжена с оптическим блоком 30, имеющим первый модуль изменения угла 31 и первый модуль перемещения 32 в плоскости координат YZ.
Поверхность 25 образца 10 также оптически сопряжена с первым источником лазерного излучения 33, имеющим второй модуль изменения угла 34 и второй модуль перемещения 35 в плоскости координат YZ.
Поверхность 25 образца 10 также оптически сопряжена со вторым источником лазерного излучения 36, имеющим третий модуль изменения угла 37 и третий модуль перемещения 38 в плоскости координат YZ.
В качестве оптического блока 30 можно использовать оптический микроскоп с горизонтальным расположением оптической оси, в качестве которого может быть использована оптическая система Optem 70XL [14].
В качестве первого источника лазерного излучения 33 можно использовать, например, лазерный модуль с длиной волны излучения 635 нм Thorlabs LDM 635 [15].
В качестве второго источника лазерного излучения 36 можно использовать например, лазерный модуль с длиной волны излучения 405 нм Thorlabs LDM 405 [16].
В качестве первого модуля изменения угла 31, второго модуля изменения угла 34 и третьего модуля изменения угла 37 можно использовать приводы, описанные в [17, 18].
В качестве первого модуля перемещения 32, второго модуля перемещения 35 и третьего модуля перемещения 38 можно использовать модули, описанные в [19].
В варианте использования способа при низких температурах, например, посредством криотома (фиг. 2) платформа 1 с первыми средствами перемещения 40 зонда 7, вторыми средствами перемещения 41 образца 10 и третьими средствами перемещения 42 ножа 18 расположена внутри камеры 45, соединенной с источником хладагента 46.
Реализация способа осуществляется следующим образом. Закрепляют зонд 7 (фиг. 1) в первом держателе 6. Закрепляют образец 10 во втором держателе 11. Используя подвижку образца 10 относительно ножа 18, осуществляют срез образца 10 и формирование гладкой поверхности 25 образца 10. Используя первый привод 9, подводят чувствительный элемент 8 к поверхности 25 образца 10. Используя пьезосканер 4, осуществляют сканирование поверхности 25 и измерение ее характеристик. Подробно работу СЗМ см. в [1, 2, 3, 13].
В результате первого оптического исследования посредством оптического блока 30 выявляют оптические неоднородности, которыми могут быть обусловлены неровностями поверхности, гетерогенностью химического состава или структурными неоднородностями образца. При этом зона оптического наблюдения может на порядки превосходить зоны зондовых измерений, что упрощает выбор глубины второго среза и выбор области первых зондовых исследований.
В результате второго оптического исследования проще выбирать требуемую зону для вторых зондовых исследований.
Первое оптическое исследование и второе оптическое исследование, осуществляемое с изменением угла наблюдения поверхности 25 позволяет более детально и точно определять оптические неоднородности, что упрощает последующие зондовые исследования посредством более детальных оптических исследований трехмерных структур.
Лазерные излучения могут подаваться на срезанную исследуемую поверхность образца как до, так и во время проведения исследований.
В результате воздействия лазерного излучения на трехмерные структуры так же может происходить изменение морфологии белковых микроструктур [20] на поверхности 25 в результате кросс-линкинга белковых молекул, а так же полимеризация структур на поверхности 25 [21, 22].
Так же в результате воздействия лазерного излучения может возбуждаться локальная флуоресценция флуоресцентных молекул или наночастиц на поверхности 25, что позволяет выполнять анализ химического состава и распределения наночастиц на поверхности 25 в корреляции с зондовыми измерениями той же области, и получать дополнительную информацию об исследуемых трехмерных структурах [23], что расширяет функциональные возможности способа.
Подача на поверхность 25 первого и второго лазерных излучений одновременно позволяет выполнять оптические исследования в режиме флуоресцентной микроскопии на основе подавления спонтанного испускания, что повышает разрешение оптических исследований. [24].
В одном из вариантов исследование трехмерной структуры осуществляют после введения в них через капилляр жидкости с наночастицами. Для этого может использоваться микропипетка. В качестве наночастиц можно использовать наночастицы с размерами 2-100 нм, например полупроводниковые нанокристаллы или наночастицы золота с биологически активными веществами. В качестве биологически активных веществ могут использоваться, например, моноклональные антитела против антигенов тяжелой цепи клатрина [25] и кавеолина-1 [26] сопряженные с флуоресцентными маркерами, например Alexa Fluor 647, которые могут быть закреплены на наночастицах [27].
В качестве примера реализации способа представлено исследование трехмерной структуры двухкомпонентного полимерного волокна на основе ядра из алифатического полиэстера с добавкой жидкокристаллического ароматического полиэстера. Данное волокно характеризуется наличием микропузырей, возникающих вблизи его оси. Исследуемое волокно заливалось в эпоксидную смолу и закреплялось в держателе образца микротома, после чего выполнялся срез волокна ножом микротома и формирование поверхности 25. Затем выполнялось первое оптическое исследование поверхности 25 при помощи оптического микроскопа для локализации области среза волокна и установления наличия полостей, возникающих при срезе микропузырей. Затем выполнялось измерение участка поверхности 25 размером 90×90 мкм с помощью чувствительного элемента сканирующего зондового микроскопа в соответствии с результатами первого оптического исследования. При наличии на сканируемом участке поверхности полостей, возникающих за счет среза микропузырей, скорость сканирования чувствительного элемента сканирующего зондового микроскопа уменьшалась для того, чтобы минимизировать возможные повреждения зонда. Если установленная при помощи первого оптического исследования глубина полости превышала 5 мкм, выполнялся дополнительный второй срез поверхности ножом микротома. Затем проводилось дополнительное исследование поверхности и внутренних зон трехмерной структуры чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа. В качестве чувствительного элемента сканирующего зондового микроскопа использовался зонд, чувствительный элемент которого выполнен в виде линейной вольфрамовой иглы, закрепленной на кварцевом резонаторе. Подобные зонды описаны в [28]. Описанный цикл оптических исследований и исследований поверхности с помощью чувствительного элемента зондового микроскопа был повторен 22 раза. В результате исследования были получены 22 последовательных изображения срезов волокна 50 и выполнена трехмерная реконструкция структуры волокон, включающая в себя структуры микропузырей 51. Примеры единичного изображения поверхности, полученного в режиме сканирующего зондового микроскопа и трехмерной реконструкции, объединяющей 22 полученных изображения представлены на Фиг. 3 и Фиг. 4 соответственно. Трехмерная морфология и взаимосвязанность системы микропузырей в волокне имеют ключевое значение для предсказания возможности эффективного газотранспорта в данном волокне.
То, что после первого среза трехмерной структуры ножом проводят первое оптическое исследование первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон, а второй срез трехмерной структуры осуществляют также по результатам первого оптического исследования первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон позволяет оптимизировать толщину второго среза благодаря оценки размеров неоднородности первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон, что расширяет функциональные возможности способа.
То, что после второго среза трехмерной структуры ножом осуществляют второе оптическое исследование второй срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон, а второе исследование поверхности трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа осуществляют по результатам второго оптического исследования второй срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон позволяет выбирать области зондовых исследований на стадии оптических исследований, что ускоряет процесс и расширяет функциональные возможности способа.
Оптические исследования срезанных поверхностей образца до зондовых исследований позволяет выделять аномальные неровности срезанной поверхности и выбирать режимы зондовых исследований минимизирующие повреждения чувствительного элемента 8.
То, что проводят третье оптическое исследование первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон одновременно с первым исследованием срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа позволяет в процессе зондовых исследований выявлять неоднородности первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон, корректировать процесс зондовых исследований благодаря выбору оптимальных режимов и скорости сканирования и ускорять его. Это расширяет функциональные возможности способа.
То, что проводят четвертое оптическое исследование второй срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон одновременно со вторым исследованием поверхности трехмерной структуры и ее внутренних зон зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа позволяет в процессе зондовых исследований выявлять неоднородности первой срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон, корректировать процесс зондовых исследований и ускорять его. Это расширяет функциональные возможности способа.
Оптические исследования срезанных поверхностей образца в процессе зондовых исследований позволяет выявлять нарушения поверхности 25 зондом 7 в процессе зондовых исследований и оперативно корректировать режимы и скорости сканирования и ускорять его.
То, что первое оптическое исследование осуществляют с изменением угла наблюдения первой срезанной поверхности позволяет более точно измерять неоднородности срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон.
То, что второе оптическое исследование осуществляют с изменением угла наблюдения второй срезанной поверхности позволяет более точно измерять неоднородности срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон.
То, что третье оптическое исследование осуществляют с изменением угла наблюдения первой срезанной поверхности позволяет более точно измерять неоднородности срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон.
То, что четвертое оптическое исследование осуществляют с изменением угла наблюдения второй срезанной поверхности позволяет более точно измерять неоднородности срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон.
То, что на первую срезанную поверхность образца трехмерной структуры и ее внутренние зоны подают первое лазерное излучение позволяет выполнять оптические исследования трехмерных структур в режиме флуоресцентной микроскопии. Это расширяет функциональные возможности способа.
То, что на вторую срезанную поверхность образца трехмерной структуры и ее внутренние зоны подают второе лазерное излучение позволяет выполнять оптические исследования трехмерных структур в режиме флуоресцентной микроскопии. Это расширяет функциональные возможности способа.
То, что на первую срезанную поверхность образца трехмерной структуры и ее внутренние зоны, а также на вторую срезанную поверхность образца трехмерной структуры и ее внутренние зоны подают, по меньшей мере, по два дополнительных лазерных излучения позволяет выполнять оптические исследования трехмерных структур в режиме флуоресцентной микроскопии на основе подавления спонтанного испускания, характеризующейся повышенным разрешением. Это расширяет функциональные возможности способа.
То, что первое и второе оптическое исследование внутренних зон трехмерной структуры осуществляют после введения в них через капилляр жидкости с наночастицами позволяет более точно измерять неоднородности срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон.
То, что в качестве наночастиц используют наночастицы золота позволяет более точно измерять неоднородности срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон.
То, что в качестве наночастиц используют наночастицы золота с биологически активными веществами позволяет более точно измерять неоднородности распределения биологических молекул на срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон. Это расширяет функциональные возможности способа.
То, что биологически активные вещества сопряжены с флуоресцентными маркерами позволяет более точно измерять неоднородности распределения биологических молекул на срезанной поверхности образца трехмерной структуры и ее внутренних зон. Это расширяет функциональные возможности способа.
Литература
1. Патент RU 2389032, 2010.
2. Патент RU 2545471, 2015.
3. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 2009. - 144 с.
4. Патент RU 2208763, 2003.
5. Патент RU 2358239, 2009.
6. Публикация Microsc. Microanal. Microstruct., 3 (1992), с. 313-331.
7. Патент RU 2152103, 2000.
8. Патент RU 2233490, 2015.
9. Патент US 4950909, 1990.
10. Патент RU 2377620, 2009.
11. Патент RU 2242054, 2004.
12. Патент RU 2306621,2001.
13. Патент RU 2427846, 2011.
14. http.//www.labtek.net/Optem.htm
15. https://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=LDM635
16. https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=LDM405
17. Патент RU 2448626, 2013.
18. Патент RU 2488126, 2013.
19. Патент RU 2498321, 2013.
20. S Turunen, E , К Terzaki, J Viitanen, С Fotakis, M  and M Farsari, Picoand femtosecond laser-induced crosslinking of protein microstructures: evaluation of processability and bioactivity, Biofabrication, 3, 045002 (2011).
21. C. Decker, Laser-Induced Polymerization, Materials for Microlithography. Chapter 9, p. 207-223, ACS Symposium Series, Vol. 266 (1984).
22. M.T. Raimondi, S.M. Eaton, M.M. Nava, M. Lagana, G. Cerullo, R. Osellame, Two-photon laser polymerization: from fundamentals to biomedical application in tissue engineering and regenerative medicine, J Appl Biomater Function Mater 2012; 10(1): 56-66
23. К.E. Mochalov, A.E. Efimov, A. Bobrovsky, I.I. Agapov, A.A. Chistyakov, V.A. Oleinikov, A. Sukhanova, I. Nabiev, "Combined Scanning Probe Nanotomography and Optical Microspectroscopy: A Correlative Technique for 3D Characterization of Nanomaterials," ACS Nano 7(10), 8953 (2013).
24. C. Alonso, An Overview of Stimulated Emission Depletion (STED) Microscopy and Applications, J Biomol Tech. 2013 May; 24(Suppl): S4.
25. https://www.cellsignal.com/products/primary-antibodies/clathrin-heavy-chain-d3c6-xp-rabbit-mab/4796
26. https://www.cellsignal.com/products/primary-antibodies/caveolin-1-d46g3-xp-rabbit-mab/3267
27. L.P. Fernando P.K. Kandel, J. Yu, J. McNeill, P.C. Ackroyd, K.A. Christensen, Mechanism of Cellular Uptake of Highly Fluorescent Conjugated Polymer Nanoparticles, Biomacromolecules, 2010, 11(10), pp 2675-2682.
28. N.B. Matsko, J. Wagner, A. Efimov, I. Haynl, S. Mitsche, W. Czapek, B. Matsko, W. Grogger, F. Hofer, Self-Sensing and - Actuating Probes for Tapping Mode AFM Measurements of Soft Polymers at a Wide Range of Temperatures, Journal of Modem Physics, 2011, 2, p. 72-78.