АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОП С ПРЕПАРАТИВНЫМ КАНТИЛЕВЕРОМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области нанобиотехнологии, аналитической химии и молекулярной биологии. Она может быть использована для отбора проб нанолитровых объемов из образцов, исследуемых с применением атомно-силового микроскопа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Атомно-силовой микроскоп (АСМ) является достаточно широко распространенным типом научных инструментов, используемых для проведения исследований поверхностей различных образцов в нанотехнологии, материаловедении, химии и биологии. В частности, использование АСМ позволяет за несколько минут получить характеристику рельефа поверхности исследуемого образца с точностью до доли нанометра.
-10
Принцип работы АСМ основан на использовании ван-дер-ваальсовых сил, действующих на малых расстояниях между элементами поверхности образца и иглой-зондом микроскопа. Сила взаимодействия между иглой и образцом зависит от расстояния не монотонно: при сближении иглы и исследуемой поверхности сначала нарастает притяжение, которое с уменьшением расстояния до нескольких нанометров сменяется отталкиванием. Силу взаимодействия между иглой и образцом можно измерять, используя упругость подвеса (кантилевера) на котором закреплена игла-зонд. Значения сил взаимодействия иглы-зонда и поверхности образца измеряются в диапазоне пиконьютонов (10N или pN).
В АСМ упруго закрепленный кантилевер с расположенной на нем иглой-зондом являются одним из двух движущихся узлов прибора. Второй подвижный узел - суппорт для крепления образца. Подвижность суппорта в трех плоскостях осуществляется пьезодвижителями с точностью до долей нанометра.
Игла-зонд АСМ имеет размеры долей миллиметра, поскольку более острая игла будет давать слишком маленький сигнал затрудняющий его регистрацию. Кантилеверы для первых АСМ делали из золотой фольги с алмазным наконечником или из бытовой алюминиевой фольги с вольфрамовой проволочкой. В настоящее время широко используются кремниевые кантилеверы. Колебания кантилевера регистрируют с помощью напыленного на него маленького зеркальца.
В АСМ упругость подвеса кантилевера позволяет регистрировать характеристики рельефа поверхности даже в прямом контакте с образцом. Данное свойство АСМ нашло особое применение в молекулярно-биологических исследованиях. Специальная обработка иглы кантилевера дает возможность экстракции из биологических мембран отдельных молекул трансмембранных белков. Получаемые таким способом данные позволяют оценивать силы внутримолекулярных взаимодействий отдельных доменов белковых молекул и силы взаимодействия с липидными бислоями исследуемых мембран.
В настоящее время АСМ выпускают несколько фирм по производству научно-аналитических приборов. Известны устройства, оснащенные двумя кантилеверами, регистрирующими одновременно разные параметры исследуемого образца [US Patent 7214303. Cantilever probes for nanoscale magnetic and atomic force microscopy. Issued on May 8, 2007].
Недостатком известных конструкций АСМ, включая модель, защищенную патентом US Patent 7214303, выбранную в качестве прототипа, можно считать то, что, регистрируя характеристику рельефа поверхности исследуемого образца с точностью до доли нанометра, прибор не дает возможности исследовать химический состав фрагментов объекта.
(Решение данной научно-технической задачи) Использование данной полезной модели - препаративного кантилевера - позволит проводить отбор проб нанолитровых объемов из образцов, исследуемых с применением атомно-силового микроскопа, для определения химического состава, изучения спектральных характеристик и других аналитических исследований.
Аналоги устройства АСМ, оснащенного препаративным кантилевером для отбора проб нанолитровых объемов из исследуемых образцов, автору не известны.
РАСКРЫТИЕ СУЩЕСТВА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача полезной модели - расширить область использования АСМ в нанобиотехнологическиих и молекулярно-биологических исследованиях путем реализации способа отбора проб нанолитровых объемов из образцов, исследуемых с применением микроскопа, для определения химического состава, изучения спектральных характеристик и других аналитических исследований.
Сущность предлагаемой модели состоит в оснащении АСМ дополнительным препаративным кантилевером с иглой трубчатой формы, расположенной коаксиально относительно основной иглы-зонда микроскопа. Предлагаемые конструкции кантилевера с иглой трубчатой формы позволяют отбирать фрагменты исследуемой мембраны нанолитровых объемов, что решает задачу полезной модели.
Полезная модель может быть усовершенствована.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Устройство работает следующим образом. Сначала с помощью основной иглы-зонда (рис.1, 1) выбирается участок исследуемой мембраны, из которого предполагается отобрать пробу. Далее путем поднятия суппорта с закрепленным на подложке (рис.2, 2) исследуемым образцом (рис.2, 4) осуществляется касание исследуемой биологической мембраны (рис.2, 3) трубчатой иглой препаративного кантилевера (рис.1, 2, рис.2, 1). Затем суппорт с подложкой и образцом опускают, а препаративный кантилевер с отобранной пробой отводят в сторону от зоны исследования. Отобранную пробу исследуемой мембраны нанолитрового объема (Рис.2, 4), захваченную трубчатой иглой препаративного кантилевера, смывают с иглы для дальнейшего исследования.
Полезная модель может найти применение в области нанобиотехнологии, аналитической химии и молекулярной биологии для использования в научных и исследовательских центрах, университетах и биотехнологических компаниях.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ
Рисунок 1.
Показаны два варианта конструкции трубчатой иглы препаративного кантилевера - для дополнительного кантилевера имеющего верхнее (А), или нижнее (Б) расположение относительно кантилевера с основной иглой-зондом.
1 - стандартный кантилевер АСМ с основной иглой-зондом;
2 - дополнительный препаративный кантилевер АСМ с иглой трубчатой формы для отбора проб нанолитровых объемов.
Рисунок 2.
Схема перемещений подложки с исследуемым образцом относительно предлагаемого препаративного кантилевера АСМ с трубчатой иглой для отбора проб нанолитровых объемов (направления перемещения показаны стрелками).
1 - острие иглы трубчатой формы, которой оснащен дополнительный препаративный кантилевер;
2 - подложка с исследуемым образцом биологической мембраны, закрепленная на подвижном суппорте АСМ;
3 - липидный бислой исследуемой биологической мембраны;
4 - объект исследования, в данном примере - мембранный белок.