Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Известен зонд атомно-силового микроскопа для механического определения упругости (модуля Юнга) клеток крови, состоящий из tipless кантилевера (кантилевер без иглы), на вершине которого закреплена полимерная сфера диаметром 10 мкм [1].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания комбинаций точечного теплового, магнитного и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Известен зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с зондирующей иглой, соединенной с покрытой защитным прозрачным слоем полимерной сферой, нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка [2].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания комбинаций точечного теплового, магнитного и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Наиболее близким по технической сущности является зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с зондирующей иглой, соединенной с покрытой защитным прозрачным слоем стеклянной сферой, нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка [3].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности осуществления точечного стимулирующего воздействия на диагностируемый объект с помощью одновременного сочетания магнитного, теплового и электромагнитного в оптическом диапазоне волн излучения, с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше заключается в использовании излучающего элемента в виде стеклянной сферы с нанометровыми порами малого и большего диаметра, где поры малого диаметра заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а нанометровые поры большего диаметра заполнены магнитными наночастицами, обладающими суперпарамагнитными свойствами, что позволяет осуществить одновременное точечное исследование влияния оптических, магнитных, тепловых факторов на механические характеристики диагностируемых наноразмерных структур материалов и биологических объектов с многофункциональными свойствами.

Техническим результатом является возможность осуществления точечного стимулирующего воздействия на диагностируемый объект с помощью одновременного сочетания магнитного, теплового и электромагнитного в оптическом диапазоне волн излучения, с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с зондирующей иглой, соединенной с покрытой защитным прозрачным слоем стеклянной сферой, нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек, причем кантилевер с зондирующей иглой, соединенной со стеклянной сферой с нанометровыми порами, выполнены магнитопрозрачными, магнитопрозрачная стеклянная сфера с нанометровыми порами содержит нанометровые поры большого и малого диаметра, нанометровые поры малого диаметра заполнены сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а нанометровые поры большого диаметра заполнены сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух и определяется диаметром магнитопрозрачной стеклянной сферы с нанометровыми порами и количеством пор большого и малого диаметра, способных разместить сферические квантовые точки структуры ядро-оболочка и сферические магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр окружности стеклянной сферы с нанометровыми порами, внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП, закреплен у основания магнитопрозрачной иглы и его магнитный поток направлен на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы с нанометровыми порами, заполненными сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка и сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, фиг. 1, состоит из: магнитопрозрачного кантилевера 1, соединенного с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, на вершине которой закреплена магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 с нанометровыми порами малого 4 диаметра, и с нанометровыми порами большого 5 диаметра. Элементы 1, 2, 3 выполнены магнитопрозрачными (магнитодиэлектрическими), что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Нанометровые поры малого 4 диаметра заполнены сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним источником возбуждения квантовых точек 8 (например, лазерным диодом), расположенным у основания магнитопрозрачного кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Нанометровые поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка. Ядро каждой сферической магнитной наночастицы 7 состоит из ферромагнитного материала, а внешняя оболочка сформирована из суперпарамагнитного материала. Управление перемагничиванием сферических магнитных 7 наночастиц осуществляется за счет изменения магнитного поля плоской 9 микрокатушкой, расположенной над основанием магнитопрозрачной зондирующей 2 иглы и состоящей из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых соединены с выходом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 10. Тип используемого ЦАП (его разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований. Также на фиг. 1 представлена подложка 11 с размещенным на ней диагностируемым объектом 12 в момент соприкосновения его с магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 (элементы 4, 5, 6, 7, 12 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).

На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где изображены магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 с нанометровыми порами 4 малого диаметра, заполненными сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, нанометровые поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка, в одной из нанометровых пор большого 5 диаметра, магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 жестко закреплена вершина магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, под магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 расположена подложка 11 с диагностируемым объектом 12. Минимальный диаметр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных в нее сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка и сферических магнитных наночастиц 7 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 12. Стрелками указываются направления входящего λ₁ и преобразованного λ₂ по длине волны излучения, где λ₁ - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек, вызывающего их люминесценцию, λ₂ - длина волны люминесценции квантовой точки, смещенной на стоксовый сдвиг относительно длины волны λ₁. Стрелками с символом (вектор магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешнего магнитного поля, создаваемого плоской 9 микрокатушкой, осуществляющей перемагничивание сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка. Стрелками с символом R_λT (энергетическая светимость тела, равная энергии испускаемой телом по всему спектру частот) показано направление теплового излучения от сферических магнитных наночастиц 7 структуры ядро-оболочка к объекту диагностирования 12.

В зависимости от видов объектов диагностирования, методов диагностирования (например, диагностирование светочувствительных зрительных тканей биологических объектов) используемые для легирования сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка могут быть как со стоксовым, так и антистоксовым сдвигом длины волны электромагнитного излучения относительно внешнего источника возбуждения квантовых точек 8 (т.е. длина волны λ₁ больше λ₂ или λ₁ меньше λ₂). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности, тем, чтобы λ₁ находилась вне диапазона длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 12, а стимулирование диагностируемого объекта 12 осуществлялось только излучением сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка с длиной волны λ₂, которая вызывает изменение модуля упругости отдельных локальных участков диагностируемого объекта 12 в непосредственной близости от точки соприкосновения магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с объектом диагностирования 12.

Длина волны поглощения λ₁ каждой сферической квантовой точкой 6 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ₂ каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их составом, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой квантовой точки структуры ядро-оболочка. Длина волны электромагнитного излучения квантовых точек, направленная на объект диагностирования, может находиться как в оптическом диапазоне, так и за его пределами от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения.

Ядро каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может, например, включать, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, и ZnO, но не ограничивается ими. Оболочка каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может включать в себя, по крайней мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, и HgSe, но этими вариантами не ограничивается.

Ферромагнитное ядро сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может, например, включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe, Co, Ni, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, MnBi, MnSb, MnOFe₂O₃, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt, или их комбинации но не ограничивается ими. Размер ядра одной сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка сформирована из суперпарамагнитного материала например, может включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe₃O₄, FeO, CoFe₂O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O₄, ZnMnFe₂O₄, или их комбинации, но не ограничивается ими. Внешняя оболочка может иметь толщину в диапазоне от 0,5 нм до 3 нм. Внешняя оболочка защищает ядро от окисления и повышает магнитные свойства сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что в свою очередь защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 12, при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Сочетание ферромагнитных свойств ядра и суперпарамагнитных свойств оболочки, используемых в сферических магнитных 7 наночастицах структуры, ядро-оболочка позволяет свести к минимуму их магнитные свойства при отсутствии внешнего магнитного поля, что позволяет исключить агрегирование (слипание) нескольких магнитных частиц при заполнении ими наноразмерных пор большого 5 диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 и вести себя подобно постоянному магниту при приложении внешнего магнитного поля больше порогового значения.

Для осуществления изобретения может быть использована, например, известная технология изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка [4] размером 2-20 нм (оболочка с суперпарамагнитными свойствами), для применения их в биомедицине, например в магнитной гипертермии.

Для осуществления изобретения кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки [5].

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка и сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка в нанометровые поры 5 большого диаметра и затем за счет проникновения сферических квантовых 6 точек структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными нанометровые поры малого 4 диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Например, процесс легирования может осуществляться по технологии известного метода за счет погружения элемента из стекла с нанометровыми порами в раствор из двух или более квантовых точек с последующей сушкой на воздухе и заполнением оставшихся между квантовыми точками пустот смолой [6].

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 12, расположенному на подложке 11 и надавливает на него, получая данные об упругих свойствах объекта диагностирования 12, до включения и после включения внешнего источника возбуждения квантовых точек 8 с длиной волны λ₁. В результате сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка возбуждают поверхность диагностируемого объекта 12 излучением длинной волны λ₂, определяемой в зависимости от выбранного материала сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки. В зависимости от требуемых режимов диагностирование может проходить как в непрерывном режиме люминесценции, так и в импульсном режиме флуоресценции (т.е. освещение локального участка объекта диагностирования только излучением λ₂ квантовых точек в интервале, равном времени их флуоресценции, после выключения внешнего источника возбуждения квантовых точек 8 с целью исключения посторонних засветок и помех).

Одновременно на вход ЦАП 10 подается двоичный код, который в зависимости от выбранной программы исследований определяет форму и частоту повторения электрического сигнала, поступающего на обмотку плоской 9 микрокатушки, создающей внешнее магнитное поле, направленное на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 для перемагничивания магнитным потоком сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка, размещенных в ней. В зависимости от программы исследований на плоскую микрокатушку 9 подаются положительные, или отрицательные, или переменной полярности электрические сигналы или их комбинации. Под действием электрического управляющего сигнала (например прямоугольного импульса), плоская 9 микрокатушка создает внешнее магнитное поле (в зависимости от полярности импульса) с тем или иным направлением магнитных силовых линий, в соответствии с направлением которых происходит и соответствующая ориентация магнитных полюсов и увеличение коэрцитивной силы каждой сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка. По окончании действия управляющего сигнала (по заднему фронту прямоугольного импульса), подаваемого на плоскую 9 микрокатушку, внешнее магнитное поле выключается и до окончания времени релаксации (время релаксации зависит от диаметр магнитной наночастицы) сферические магнитные частицы 7 сохраняют свойства постоянных магнитов, с соответствующим сохранением направлений собственных магнитных силовых линий. Это позволяет создать локальное точечное управляемое магнитное поле определенной полярности для воздействия на точечный участок диагностируемого объекта 12, расположенного под магнитопрозрачной стеклянной сферой 3, без влияния на соседние участки и исключения влияния внешнего магнитного поля (после его выключения) на окружающие магниточувствительные зоны.

При подаче на плоскую микрокатушку 9 высокочастотного сигнала переменной полярности (например, 100 кГц [4]) происходит нагрев сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка (за счет известного магнетокалоритического эффекта [4], [7, С. 433]), температура и скорость нагрева которых определяется частотой и амплитудой электрического сигнала с выхода ЦАП 10.

Предложенная конструкция зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом, возможность осуществления съема топологического распределения величины модуля Юнга на поверхности объекта диагностирования, в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения и магнитного поля на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под излучающей сферой. Это позволяет обнаружить и исследовать отдельные точечные свето-, магнито-, термочувствительные участки биологических объектов и наноструктур, изменяющих свои механические свойства и размеры при одновременном точечном наноразмерном воздействии электромагнитного излучения оптического диапазона λ₂, в сочетании с воздействием постоянным или импульсным магнитным полем или точечным тепловым излучением R_λT (нагревом), что ранее невозможно было осуществить известными зондами.

Источники информации

1. Патент RU 2466401 С1, 10.11.2012, G01N 33/49. Способ определения упругости клеток крови.

2. Патент на полезную модель RU 140229 U1, 10.05.2014, G01Q 60/24. Зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка

3. Патент RU 2541422 С1, 10.02.2015, G01Q 60/24, B82Y 35/00. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

4. Patent Application Publication Pub.№: US 20130195767 A1, Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES.

5. Patent Application Publication Pub. №: US 20120315391 A1, Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

6. Patent Application Publication Pub. №: US 20130011551 A1, Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

7. Елисеев A.A., Лукашин A.B. Функциональные наноматериалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 456 с. - ISBN 978-5-9221-1120-1.

1. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с зондирующей иглой, соединенной с покрытой защитным прозрачным слоем стеклянной сферой, нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек, отличающийся тем, что кантилевер с зондирующей иглой, соединенной со стеклянной сферой с нанометровыми порами, выполнены магнитопрозрачными, магнитопрозрачная стеклянная сфера с нанометровыми порами содержит нанометровые поры большого и малого диаметра, нанометровые поры малого диаметра заполнены сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а нанометровые поры большого диаметра заполнены сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух и определяется диаметром магнитопрозрачной стеклянной сферы с нанометровыми порами и количеством пор большого и малого диаметра, способных разместить сферические квантовые точки структуры ядро-оболочка и сферические магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр окружности стеклянной сферы с нанометровыми порами.

2. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенный с выходом ЦАП, закреплен у основания магнитопрозрачной иглы и его магнитный поток направлен на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы с нанометровыми порами, заполненными сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка и сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.