Экспресс-метод определения радиуса закругления зонда атомно-силового микроскопа

Тугоплавкие, термостойкие и механически прочные инородные кристаллы ИМС в алюминии и сплавах на его основе являются нежелательными. Поэтому целесообразна разработка эффективных методов рафинирования алюминия от тугоплавких интерметаллических соединений. Также целесообразно проводить рафинирование с целью последующего ис-

пользования металлов-примесей, особенно таких, как цирконий, титан и ванадий.

Полученные результаты по термодинамической устойчивости и сродству соединений к алюминию могут быть полезны для решения инженерных задач механической прочности, электропроводности и других свойств изделий из технического алюминия.

Библиографический список

1. Агеев Н.В. Справочник двойных металлических систем: / под общ. ред. Н.В.Агеева. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1959. Т.1. 670 с.

2. Баталин Г.И., Белобородова Е.А., Казимиров Е.А. Термодинамика и строение жидких сплавов на основе алюминия. М.: Металлургия, 1983. 160 с.

3. Карапетьянц М.Х., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. М.: Химия, 1968. 472 с.

4. Морачевский А.Г., Сладков И.Б. Термодинамические расчёты в металлургии. М.: Металлургия, 1985. 136 с.

5. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов: справочник / пер. с англ.; под ред. И.И.Новикова. М.: Гос. научно-техн. изд-во лит-ры по чёрной и цветной металлургии, 1962. Т.1. 668 с.

6. Шанк Ф.А. Структуры двойных сплавов: справочник. 2-е изд., доп. / пер. с англ.; ред. пер. И.И. Новиков, И.Л. Рогель-берг. М.: Металлургия, 1973. 760 с.

7. Kai Grjotheim Molten Salt Technology: Theory and Application / Kai Grjotheim, Zhuxian Qiu - Northeast University of Technology Press, China, 1991. 435 p.

8. Gurvich L.V. Thermodynamic properties of individual substances: Handbook.: Vol. 3, Elements B, Al Ga, In, Tl, Be, Mg, Ca, Sr, Ba and their compounds. Part two / Editor and senior author prof. L.V. Gurvich. - Florida: CRC Press, Inc., 1994. 380 p.

9. Knacke O. Thermo-chemical properties of inorganic substances / O. Knacke, O. Kubaschewski, K. Hesselmann -Berlin: Bookbinding: Luderitz & Bauer, 1991. 302 p.

10. Stanley I. Sandler. Chemical and engineering thermodynamics / Stanley I. Sandler. 3rd. ed. - NY.: John Wiley & Sons, Inc., 1999. 183 p.

УДК 549.086

ЭКСПРЕСС-МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИУСА ЗАКРУГЛЕНИЯ ЗОНДА АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА

© И.К. Петрушенко1, М.Ю. Юрьев2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Предлагается экспресс-метод определения радиуса закругления зонда атомно-силового микроскопа. В данном методе анализ зонда осуществляется с помощью эталонного образца, состоящего из молекул ДНК. По данным атомно-силовой микроскопии получен ряд значений радиуса закругления зонда. Показано, что данные величины находятся в хорошем соответствии с их паспортными значениями. Сделан вывод о применимости данного метода в качестве экспресс-метода для определения качества зонда непосредственно перед проведением измерений.

Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: атомно-силовой микроскоп; ДНК; полуконтактный режим; экспресс-метод.

EXPRESS METHOD TO DETERMINE PROBE CURVATURE RADIUS OF ATOMIC FORCE MICROSCOPE I.K. Petrushenko, M.Yu. Yuryev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074

The authors propose an express method aimed at determining the probe curvature radius of an atomic force microscope. According to this method the probe is analyzed by means of a standard sample consisting of DNA molecules. Using atomic force microscopy a series of values of probe curvature radius has been obtained. These values are shown to be in good accordance with their certified values. A conclusion is made on the applicability of the method to check probe's quality immediately before measurements. 3 figures. 1 table. 10 sources.

Key words: atomic force microscope; DNA; tapping mode; express method.

1 Петрушенко Игорь Константинович, кандидат химических наук, ведущий инженер отдела лазерной физики и нанотехнологий ФТИ, доцент кафедры квантовой физики и нанотехнологий, тел.: 89021718345, e-mail: igor.petrushenko@istu.edu Petrushenko Igor, Candidate of Chemistry, Leading Engineer of the Department of Laser Physics and Nanotechnologies of Physico-Technical Institute, Associate Professor of the Department of Quantum Physics and Nanotechnologies, tel.: 89021718345, e-mail: igor.petrushenko@istu.edu

2Юрьев Михаил Юрьевич, студент, тел.: 89248296358, e-mail: mixailyu2012@yandex.ru Yuryev Mikhail, Student, tel.: 89248296358, e-mail: mixailyu2012@yandex.ru

Введение. Изобретенные в 1982 году сканирующие зондовые микроскопы являются мощным инструментом для исследования твердых тел в вакууме, на воздухе или в жидкости с атомарным разрешением. Первый атомно-силовой микроскоп (АСМ) был создан в 1986 году [1]. Вскоре появилось большое число статей, раскрывающих уникальные свойства АСМ для получения изображений в микро- и нано-масштабе. Среди них можно выделить работы, посвященные исследованию различных биомолекул, например ДНК. Сначала подобные исследования выполнялись с использованием контактной методики, малопригодной для исследования биообъектов из-за разрушающего характера действия. С изобретением полуконтактной методики в 1994 году значительно увеличилось количество работ по изучению биологических материалов, был опубликован ряд статей по этой тематике [2-5]. Достаточно большое число работ было направлено на получение экспериментальных данных, касающихся линейных размеров молекулы ДНК. Был подтвержден теоретический диаметр молекулы ДНК - 2.4 нм, предсказанный Уотсоном и Криком [6].

Однако использование стандартных зондов с большими радиусами закругления (>2 нм) существенно влияет на результаты измерений размеров объектов. Вследствие использования таких зондов происходит «уширение» линейных размеров молекулы на получаемом изображении. Также качество получаемых изображений ухудшается из-за загрязнения зондов. Более того, даже зонды из одной партии могут отличаться по качеству заточки [2].

Становится очевидным, что необходимо периодически проверять радиус закругления зонда АСМ для получения статистически значимых результатов измерений. Одна из методик проверки - непосредственное наблюдение зонда в просвечивающем электронном микроскопе - достаточно дорога для повседневного использования.

В данной работе нами был проведен анализ радиуса закругления зонда для АСМ с помощью эталонного образца из молекул ДНК, полученные величины радиусов закругления зонда были сопоставлены с их паспортными значениями.

Методы и приборы. Образец ДНК (DNA01 (ЗАО «НТ-МДТ»)), состоящий из молекул ДНК (pGem7zf+ (Plasmid)), нанесенных на поверхность слюды, был использован без предварительной обработки. Изображения были получены на воздухе при температуре 24°С, относительной влажности 30% на ACM микроскопе Ntegra Prima (ЗАО «НТ-МДТ») в полуконтактном режиме с использованием зондов серии NSG01 [7].

Результаты и обсуждения. Следуя модели Engel et.al. (рис.1), радиус закругления зонда (большего, чем диаметр исследуемого объекта сферической формы) можно оценить по формуле [8]:

ражении с помощью зонда радиуса R; R - искомый радиус зонда.

S = 2 RD + — ^ R = S2-D2 V 4 4D

D \

Ч:................1

Рис.1. Геометрическая модель для оценки радиуса зонда: D - реальный диаметр исследуемого объекта; Б - кажущийся диаметр исследуемого объекта;

R - искомый радиус зонда. Круг малого диаметра -модель исследуемой молекулы; круг большого диаметра, изображенный пунктиром, - модель острия зонда; кривая пунктирная линия - траектория движения зонда

В данной статье величина О принимается равной 2.4 нм (диаметр молекулы ДНК), величина Б определяется как полуширина полосы, соответствующей ДНК на профиле поперечного сечения АСМ изображения. На рис. 2 приведено изображение топографии поверхности образца ДНК.

Для повышения точности расчета нами были получены семь профилей поперечного сечения изображения образца ДНК (рис.3), определены значения параметра S, а также проведена их статистическая обработка.

где О - реальный диаметр исследуемого объекта; Б -кажущийся диаметр исследуемого объекта при отоб-

Рис.2. Полуконтактное АСМ изображение топографии

поверхности образца молекул ДНК, осажденных на слюде. Размер изображения 1 мкм2. Прямые черточки над 1-7 обозначают положения, в которых определялся поперечный профиль поверхности

Величины, определенные по данным АСМ-микроскопии, а также рассчитанные статистические величины сведены в таблицу, где St - полуширина полосы, соответствующей молекуле ДНК, полученная из данных рис. 3, i=1-7; S - среднее арифметическое

значение S , где S =1 ^S , i=1-7, n=7;

7

Рис.3. Срезы поперечного профиля поверхности эталонного образца

е = S - S -

случайное отклонение,

i=1-7;

Результаты измерений толщины молекулы ДНК

а2 =

1

-£е,.2 - среднеквадратичное откло-

Un -1) t

нение; t - коэффициент Стьюдента для n=7 измерений

АО t 2

и доверительной вероятности 0.95; AS0 = —=а -

yin

случайная погрешность среднего арифметического.

Таким образом, согласно данным таблицы, S = 10.1 ± 0.3 .

Значение величины R было определено по формуле (1):

S2 - D2 102 - 2.42

№ п/п S,, нм S, нм е, нм ег2, нм2 а2, нм t AS0, нм

1 10.0 -0.1 0.01

2 10.5 0.4 0.16

3 10.1 0 0

4 9.6 10.1 -0.5 0.25 0.126 2.4 0.33

5 10.4 0.3 0.09

6 9.7 0.4 0.16

7 10.1 0 0

R =

4D

4 х 2.4

10.0.

Погрешность AR определяли по формуле AR = .

dR

м AS° =

S

— xAS0 2D 0

где S = 10.1, Д50 = 0.33 и Б = 2.4 нм. В результате значение радиуса Р зонда с учетом погрешности составляет 10± 0.63 нм.

Согласно паспортным данным, средний радиус закругления зонда серии ^С-01 равен 6 нм, причем производителем гарантируются значения радиуса закругления зонда менее 10 нм (для серии ^С-01) [7]. По результатам вычислений видно, что радиус закругления, рассчитанный по формуле (1), находится в хорошем согласии с паспортными данными. Следовательно, способ оценки, описанный в данной статье, применим как экспресс-метод для быстрого анализа

качества зонда непосредственно перед началом основных измерений.

Заключение. В данной работе предложен метод для быстрого исследования качества заточки зонда атомно-силового микроскопа. Особенностями разработанной методики оценки являются ее хорошая точность (по полуколичественной оценке), а также быстрота ее проведения. Для проверки не требуется никаких дополнительных приспособлений, кроме эталонного образца. Рекомендуется проводить данную оценку перед началом любых измерений на АСМ, а также в случаях появления артефактов в течение проведения серии измерений.

Библиографический список

1. G. Binnig, C. F. Quate, and C. Gerber. Atomic force microscope // Phys. Rev. Lett. 1986. Vol. 56. P.930-933.

2. D. L. Sedin, K. L. Rowlen. Influence of tip size on AFM roughness measurements // Applied Surface Science. 2001, Vol. 182 . P.40-48.

3. J. Vesenka, T. Marsh, E. Henderson, and C. Vellandi. The diameter of duplex and

4. quadruplex DNA measured by scanning probe microscopy // Scanning Microscopy. 1998. Vol. 12, No.2. P.329-342.

5. 4) Y. Lyubchenko, L. Shlyakhtenko, R. Harrington, P. Odent, and S. Lindsayt.

6. Atomic force microscopy of long DNA: imaging in air and under water // Biophysics 1993. Vol. 90. P.2137-2140.

7. Z. Liu, Z. Li, H. Zhou, G. Wei, Y. Song, and L. Wang. Imaging DNA Molecules on Mica Surface by Atomic Force Microsco-

py in Air and in Liquid // Microscopy research and technique. 2005. Vol. 66. Р.179-185.

8. J. Watson, F. Crick. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid // Nature. 1953. Vol. 171 (4356). Р.737-738.

9. NSG01 series specification [Электронный ресурс] // NT-MDT official website: [сайт]. [2013]. URL: http://ntmdt-tips.com/text/general-information (дата обращения: 28.01.2013).

10. A. Engel, C.A. Schoenenberger, D.J. Muller. High resolution imaging of native biological sample surfaces using scanning probe microscopy // Curr. Opin. Struct. Biol. 1997. Vol. 7. Р. 279.

УДК 628.16.087

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИОННОГО ПРОЦЕССА НА ОСНОВАНИИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© Е.Г. Филатова1, Е.В. Кудрявцева2, А.А. Соболева3

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлена разработанная авторами математическая модель электрокоагуляционного процесса с алюминиевыми анодами, связывающая остаточную концентрацию ионов никеля в растворе с внешними параметрами -кислотностью среды, плотностью тока, расходом воды и временем. Математическая модель разработана на основе экспериментальных данных, полученных при проведении опытно-промышленных испытаний электрокоагу-ляционной технологии очистки сточных вод на модельном электрокоагуляторе. Проверка модели показала, что в целом полученное многопараметрическое уравнение достоверно и точно описывает электрокоагуляционный процесс очистки сточных вод, в том числе и остаточную концентрацию ионов тяжелых металлов в растворе. Разработанная математическая модель необходима для перехода от экспериментальных исследований к промышленному применению электрокоагуляционных устройств. Табл. 7. Библиогр.5 назв.

Ключевые слова: электрокоагуляция; математическое моделирование; остаточная концентрация ионов никеля.

1Филатова Елена Геннадьевна, кандидат технических наук, докторант кафедры химии и пищевой технологии, тел.: 89501408205, e-mail: efila@list.ru

Filatova Elena, Candidate of technical sciences, Doctoral Student of the Department of Chemistry and Food Technology, tel.: 89501408205, e-mail: efila@list.ru

2Кудрявцева Елена Владимировна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии и пищевой технологии, тел.: 89149321691, e-mail: evkudria@list.ru

Kudryavtseva Elena, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Chemistry and Food Technology, tel.: 89149321691, e-mail: evkudria@list.ru

3Соболева Алена Алексеевна, аспирант кафедры химии и пищевой технологии, тел.: 89500829381, e-mail: alensobo@yandex.ru

Soboleva Alyona, Postgraduate of the Department of Chemistry and Food Technology, tel.: 89500829381, e-mail: alensobo@yandex.ru