Размещено на http://www.allbest.ru/

Конспект лекций по курсу "Сканирующая зондовая микроскопия в биологии"

Лекция 1. Введение, история СЗМ

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из методов комплексного исследования поверхностей различных объектов в микро- и нанометровом диапазоне размеров.

Наиболее распространенными методами изучения биологических структур в настоящее время является оптическая и электронная микроскопии в различных вариантах (трансмиссионная, сканирующая). По сравнению с электронным микроскопом, дающим разрешение порядка 1 ангстрем, атомно-силовой позволяет получать изображения с разрешением до нанометров, что дает возможность исследовать многие структуры, недоступные для других методов визуализации:

СЗМ успешно применяется в различных областях науки и промышленности, при создании новых материалов и наноструктур, исследовании биологических объектов:

Нобелевские лауреаты 1986 года, ученые корпорации IBM Рорер и Бинниг - экспериментально доказали в 1982 г. возможность видеть атомы при помощи СТМ.

Основные этапы развития СЗМ:

Лекция 2. Принципы работы приборов

СЗМ состоит из следующих основных компонентов: зонд, образец, сканер электронная цепь обратной связи, управляющая положением зонда по оси z; компьютер, управляющий процессом сканирования и получением изображения:

В атомно-силовом микроскопе используются зонды кантилеверного типа и оптическая система регистрации отклонения зонда. Физической основой работы атомно-силового микроскопа является взаимодействие между острием зонда, сканирующего плоскость образца, и поверхностью. Острие отклоняется под действием различных сил, возникающих при приближении к образцу. С расстояния порядка десятков ангстрем заметна сила Ван-дер-Ваальсового притяжения; при сближении до нескольких ангстрем начинают действовать силы межатомного отталкивания. При исследовании влажных поверхностей дополнительное влияние оказывают капиллярные силы, притягивающие острие.

Существует две схемы сканирования: сканирование образцом и сканирование зондом. При сканировании образцом достигаются минимальные шумы и дрейфы, сканирование зондом позволяет исследовать образцы больших размеров:

Зонд представляет собой гибкую треугольную или прямоугольную пластину длиной 80-350 микрон, один конец которой прикреплен к сканеру (в держатель зонда вставляется подложка с закрепленным на ней одним или несколькими различными кантилеверами). На втором (свободном) конце расположена острая иголка. Обычно кантилевер изготовлен из кремния, нитрида кремния или других материалов. Такие параметры, как резонансная частота и жесткость (коэффициент упругости, определяющийся геометрическими параметрами и материалом изготовления; обычно лежит в интервале от 0.01 до 100 Н/м) позволяют выбирать кантилеверы, наиболее подходящие для исследования конкретного образца:

В сканирующей зондовой микроскопии для сканеров обычно используются

трубчатые пьзоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при относительно небольших управляющих напряжениях. Трубчатые пьезоэлементы представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезокерамических материалов. Обычно электроды в виде тонких слоев металла наносятся на внешнюю и внутреннюю поверхности трубки, а торцы трубки остаются непокрытыми. Под действием разности потенциалов между внутренним и внешним электродами трубка изменяет свои продольные размеры. Соединение трех трубок в один узел позволяет организовать прецизионные перемещения зонда микроскопа в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такой сканирующий элемент называется триподом:

Процесс сканирования поверхности в сканирующем зондовом микроскопе имеет сходство с движением электронного луча по экрану в электроннолучевой трубке телевизора. Зонд движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Движение зонда осуществляется с помощью сканера небольшими шагами под действием пилообразных напряжений, формируемых цифро-аналоговыми преобразователями. Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе.

СЗМ изображения, наряду с полезной информацией, содержат также много побочной информации, искажающей данные о морфологии и свойствах поверхности.

На слайде схематически представлены возможные искажения в СЗМ изображениях поверхности, обусловленные неидеальностью аппаратуры и внешними паразитными воздействиями:

Лекция 3. Методики СЗМ

Атомно-силовой микроскоп работает в нескольких режимах, отличающихся типом взаимодействия кантилевера с образцом. При контактном способе работы острие зонда находится в непосредственном контакте с исследуемой поверхностью, при бесконтактном - на малом расстоянии от нее. При полуконтактном кантилевер вибрирует в вертикальной плоскости, и острие зонда касается образца в крайней точке размаха. Выбор способа работы определяется целью исследования и спецификой образца:

Многопроходные методики обычно используются в задачах, где необходимо определять иные, чем рельеф данные, и при этом необходимо исключить влияние рельефа поверхности. К много проходным методикам относятся магнитная силовая микроскопия, метод зонда кельвина, емкостная микроскопия.

СЗМ можно использовать не только для получения изображений поверхности, но и для изучения локальных свойств поверхности (упругость, адгезия) и для измерения взаимодействия между модифицированной иглой и поверхностью:

Под воздействием электрического тока, протекающего в слое воды между иглой и поверхностью титановой пленки, на подложке образуется окисел титана, с помощью которого можно формировать различные наноструктуры:

Лекция 4. Приложения СЗМ в биологии

В биологии из всех видов СЗМ наиболее часто используется атомно-силовая микроскопия, так как этот метод позволяет исследовать мягкие непроводящие образцы и работает в жидкости. С помощью АСМ исследуют структуру поверхности клеток и бактерий, а также структуру отдельных молекул:

Молекулы для исследования наносят на ровную подложку и изучают, используя полуконтактный метод АСМ с малыми амплитудами колебаний кантилевера. Таким образом удается достичь пространственного разрешения порядка нескольких нм, что позволяет различать отдельные структурные элементы молекул:

Для исследования клеток используют АСМ, совмещенный с оптическим микроскопом. Клетки измеряют в жидкостных термостатируемых ячейках, используют в основном контактный метод. Удается различить детали поверхности клеточной стенки на уровне 10-20 нм:

Исследование взаимодействия молекул проводят методом силовой спектроскопии используя модифицированные биологическими молекулами зонды. Существует технология закрепления на зонде единичной молекулы, что позволяет измерять силу специфического связывания только одной пары лиганд-рецептор. Чувствительность метода - десятки пиконьютон:

Упругость объектов измеряют, используя зависимость деформации от приложенной силы:

Лекция 5. Перспективы развития СЗМ

Различные конструктивные решения обеспечивают максимальную функциональность приборов в различных областях применений:

Комбинирование АСМ с другими методами исследований имеет большие перспективы, так как позволяет получать более полную информацию об исследуемом объекте:

сканирующий зондовый микроскопия биология

Литература

При составлении лекций в основном использовались материалы с интернет-сайта компании НТ-МДТ www.ntmdt.ru, а также из книги В.Л. Миронова «Основы сканирующей зондовой микроскопии», 2004, Нижний Новгород.

Размещено на Allbest.ru