авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Развитие и автоматизация методов измерения рельефа и локальных свойств биологических объектов в атомно-силовой микроскопии

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Быков Иван Вадимович

РАЗВИТИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЛЬЕФА

И ЛОКАЛЬНЫХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

В АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Специальность: 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва - 2010

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники Государственного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Московский физико-технический институт (государственный университет)» и

в ЗАО «Нанотехнология МДТ»

Научный руководитель доктор технических наук

Быков Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Брунков Павел Николаевич

кандидат физико-математических наук

Петронюк Юлия Степановна

Ведущая организация Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет им. А.М. Горького»

Защита состоится 23 апреля 2010 г. в 15-00 на заседании диссертационного

совета Д 002.034.01 при Учреждении Российской академии наук

Институте аналитического приборостроения РАН (ИАП РАН) по адресу

190103, Санкт-Петербург, Рижский пр., 26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАП РАН

Автореферат разослан 20 марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Щербаков А.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) активно используется в ключевых на сегодняшний день областях исследований. Несмотря на то, что появилась она сравнительно недавно, на текущем этапе ее развития разработан широкий спектр методик исследования поверхности и локальных свойств различных материалов. В зависимости от задачи и типа образца подбирается определенная методика измерения, которая позволяет достигнуть необходимого разрешения и уменьшить вероятность повреждения зонда и объекта исследования.

Рост сложности научных экспериментов, необходимость минимизации времени, затрачиваемого на измерение, переход от частных к комплексным автоматизированным решениям, учитывающим специфические особенности конкретной задачи – все эти факторы приводят к увеличению количества и повышению сложности проектов по автоматизации измерений. При разработке комплексных решений необходимо снизить зависимость результатов от уровня теоретической подготовки исследователя, наличия у него опыта работы на приборе и количества затраченного времени. Таким образом, создание научно обоснованных технологических методов автоматизации АСМ-измерений является актуальной научно-технической проблемой.



В рамках данной проблемы существует множество задач, относящихся к различным областям применения АСМ: материаловедение, биология, нанообработка, задачи, связанные с изучением полупроводников, порошков и тонких пленок, медицина, промышленное применение и множество других. В настоящее время одним из стремительно развивающихся направлений в сфере нанотехнологий является биология и смежные с ней области исследований. Решаются проблемы изучения клеточных структур, мембран, протеинов, вирусов, бактерий, тканей, наночастиц и их взаимодействия с другими объектами. Изучение подобных объектов методами АСМ представляет собой сложную задачу, прежде всего из-за вероятности необратимой деформации объекта исследования и зонда при контакте зонда с поверхностью с относительно большой силой взаимодействия (особенно важно при использовании острых зондов, дающих высокое разрешение). Кроме того, обычно объект слабо зафиксирован на подложке или требует наличия жидкой среды. В большинстве случаев для подобных измерений необходимы специфические навыки работы и большие временные затраты. Выбор методики измерения, анализ режимов работы, настройка параметров сканирования - это и многое другое может оказать существенное влияние на истинность полученных результатов, пространственное разрешение и сохранность объекта исследования. В связи с этим автоматизированные методы АСМ, касающиеся измерения биологических объектов очень востребованы. Новые методы должны совмещать в себе полный контроль взаимодействия между зондом и объектом исследования, а также автоматизацию измерений с помощью настройки оптимальных параметров, обеспечивающих неразрушающее сканирование.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является развитие и автоматизация методов атомно-силовой микроскопии для изучения биологических объектов.

Для достижения цели решались следующие задачи:

  • Разработка инструмента для анализа сил взаимодействия между зондом и образцом в полуконтактном методе АСМ путем построения двумерных фазовых карт.
  • Автоматизация выбора параметров для работы в режиме притяжения полуконтактного метода АСМ.
  • Разработка способа организации поточечных измерений для комплексного анализа биологических объектов на воздухе и в жидкости, а также его апробация на реальных объектах.

Научная новизна

  • Впервые предложен инструмент для анализа сил в полуконтактном методе АСМ на основе построения двумерных карт распределения сигнала фазового сдвига, как функции амплитуды свободных колебаний зонда и параметра взаимодействия зонд-образец.
  • Автоматизирован процесс настройки параметров для работы в режиме притяжения полуконтактного метода с использованием фазовых карт.
  • Разработан и оптимизирован способ организации поточечных измерений рельефа и локальных свойств поверхности на воздухе и в жидкости.

Практическая значимость работы

  • Способ построения двумерных фазовых карт применяется для анализа сил взаимодействия в полуконтактном методе при работе со всей линейкой сканирующих зондовых микроскопов ЗАО «Нанотехнология МДТ».
  • Способ выбора режима притяжения в полуконтактном методе путем построения фазовых кривых и двумерных карт содержится в библиотеке стандартных скриптов автоматизации программы управления «Nova» сканирующих зондовых микроскопов ЗАО «Нанотехнология МДТ».
  • Предложенный способ организации поточечных измерений широко используется в сканирующих зондовых микроскопах Интегра для комплексного изучения биологических объектов на воздухе и в жидкости. Эта методика также применима к исследованию полимеров и порошковых структур в атомно-силовой микроскопии.

Положения, выносимые на защиту

  • Использование двумерных фазовых карт для анализа сил, действующих между зондом и образцом в полуконтактном методе АСМ, позволяет осуществить выбор параметров (амплитуда свободных колебаний и параметр взаимодействия), однозначно определяющих режим взаимодействия зонд - образец (притяжение или отталкивание).
  • Предложенные автоматизированные способы для настройки параметров в режиме притяжения полуконтактного метода АСМ снижают силовое взаимодействие между объектом и зондом в несколько раз, сокращают время, требуемое на выбор оптимальных параметров сканирования, и повышают воспроизводимость результатов.
  • Предложенная методика поточечных измерений для комплексного анализа свойств поверхности позволяет воздействовать на объект малыми силами (менее 50 пН), минимизирует латеральное взаимодействие зонда и образца по сравнению с контактным и полуконтактным методом, а также значительно упрощает работу в жидкой среде.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: XI Симпозиум «Нанофизика и Наноэлектроника» (Россия, Нижний Новгород, 2007); 6-я Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI Века - Будущее Российской Науки» - 1 место в секции Физика (Россия, Ростов-на-Дону, 2008); Вторая международная конференция «Современные Достижения Бионаноскопии» (Россия, Москва, 2008); Международный форум по нанотехнологиям «Роснанотех» - 3 место в секции Нанодиагностика (Россия, Москва, 2008); Alp Nanobio International School «ANIS1» (Italy, Bozen, 2009); Eleventh Annual Conference «Yucomat» (Montenegro, Herceg Novi, 2009).

Публикации

Материалы диссертационных исследований опубликованы в 12 научных работах, в том числе 4 статьях в журналах перечня ВАК и ведущих международных журналах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 116 страницах, содержит 68 рисунков, список литературы включает 92 наименования.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и задачи диссертации, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описываются общие принципы, инструменты и методы АСМ измерений, дается обзор области применения атомно-силовой микроскопии, касающейся изучения биологических объектов, полимеров и порошковых структур.

Атомно-силовая микроскопия представляет собой современный инструмент для проведения исследований в различных областях физики, химии, биологии, медицины и других. Методики АСМ обладают огромным потенциалом: благодаря непосредственному взаимодействию зонда с поверхностью исследователь имеет возможность наряду с рельефом изучать ряд локальных свойств в нанометровом масштабе. Использование АСМ в биологии открывает уникальные возможности исследования объектов на воздухе и в жидкой среде, а также позволяет изучать взаимодействие единичных молекул. Область исследования включает в себя изучение свойств биомолекул, строения клеточных мембран и тканей, белков, вирусов, зависимости функционального состояния клеток от различных факторов, транспорта веществ и бактерий, манипуляции с ДНК и другими объектами.

Контактный АСМ метод сканирования позволяет измерять рельеф и локальные свойства материалов на воздухе и жидкой среде. Но при исследовании объектов с относительно малой жесткостью (полимеры, биообъекты, пленки) или слабо зафиксированных на подложке объектов возможна их необратимая деформация вследствие сильного нормального и латерального воздействия. При использовании полуконтактного АСМ метода силовое взаимодействие зонда с объектом во время сканирования снижается. Благодаря этому расширяется область применения метода. Однако, настройка параметров для работы с минимальным воздействием на объект требует времени и существенно зависит от самого объекта. При использовании полуконтактного метода для измерений в жидкости также возникает ряд сложностей. Прежде всего, это связано с уменьшением добротности вследствие затухания колебаний в среде, а также поиском резонансной частоты, которая трудно детектируется не фоне спектра паразитных пиков, возникающих в жидкости.

Очевидно, что появление сложных биологических задач, специфика которых в большинстве случаев определяется малой жесткостью микро- и нанобиообъектов, а также их слабой фиксацией на подложке, обуславливает острую необходимость развития существующих АСМ методов. При этом требуется решить основную проблему АСМ диагностики: обеспечить воспроизводимое, неразрушающее сканирование биологических объектов размерами от единиц нанометров до десятков микрон, как на воздухе, так и в функционально активном состоянии в жидкости.

На основе выполненного анализа формулируются задачи исследования.

Вторая глава посвящена полуконтактному методу, обсуждаются причины появления двух режимов взаимодействия, преимущества каждого из них, критерии определения режимов. Предлагается метод построения двумерных фазовых карт для анализа взаимодействия и выбора оптимальных параметров сканирования. Приводятся соответствующие экспериментальные данные. Обсуждается влияние различных параметров на характер взаимодействия.

При использовании полуконтактного метода мы всегда работаем в одном из двух режимов взаимодействия зонда с образцом: режим отталкивания или притяжения. Определяющими факторами при этом являются: амплитуда свободных колебаний, параметр взаимодействия зонд - образец, жесткость зонда, свойства образца и условия проведения эксперимента. В качестве способа для однозначного определения режима взаимодействия возьмем фазовый критерий, предложенный Р. Гарсиа и А. Сан-Паулу [Garcia R., San Paulo A. Phys. Rev. B, 1999, V. 60, N. 10, p. 4961-4967]. Данный критерий заключается в следующем: условия, при которых фазовые изменения происходят в области выше начального уровня фазы (90°), указывают на режим притяжения, ниже - режим отталкивания. Под фазой в полуконтактном методе понимается фазовый сдвиг между сигналом отклика кантилевера, регистрируемым с фотодиода, и сигналом возбуждения. Если традиционно снимают зависимости фазового сдвига от расстояния зонд - образец, то мы будем снимать их от параметра взаимодействия зонд - образец. Под параметром взаимодействия подразумевается амплитуда колебаний зонда в подведенном к образцу состоянии. Таким образом, на фазовой кривой выделяются 3 участка взаимодействия (рис. 1): область «A», соответствующая режиму притяжения, область «R», соответствующая режиму отталкивания и область «N», где зонд не взаимодействует с образцом.

 Зависимость фазового сдвига от-1 Рис. 1. Зависимость фазового сдвига от параметра взаимодействия Set Point при подводе зонда к образцу.




С учетом конкретного образца, зонда и условий проведения эксперимента, остается два параметра, которые мы можем контролировать настройками сканирования: амплитуда свободных колебаний и параметр взаимодействия. Амплитуда свободных колебаний определяет степень доминирования области притяжения во всем диапазоне взаимодействия, а параметр взаимодействия задает рабочую точку на фазовой кривой. Экспериментально подтверждено, что малые амплитуды свободных колебаний способствуют увеличению области, соответствующей режиму притяжения, а рабочая точка, выбранная вблизи области перехода между режимами, приводит к нестабильности и появлению артефактов при сканировании.

Рис. 2. Последовательность фазовых кривых, полученных при различных значениях амплитуды свободных колебаний.

В работе предложен оригинальный инструмент для определения характера взаимодействия путем построения двумерных карт распределения фазового сдвига, как функции амплитуды свободных колебаний и параметра взаимодействия. С его помощью удается визуализировать все допустимые наборы параметров для реализации того или иного режима, а также область нестабильности. Двумерная фазовая карта представляет собой массив зависимостей фазового сдвига от параметра взаимодействия, последовательно снятых при различных амплитудах свободных колебаний (рис. 2) и преобразованных в двумерное изображение, где цветом отображается фазовый сдвиг, а по осям откладывается амплитуда свободных колебаний и параметр взаимодействия (рис. 3). По аналогии с одномерным случаем (рис. 1), область «A» соответствует режиму притяжения, область «R» - режиму отталкивания и в области «N» зонд не взаимодействует с образцом. Дополнительно можно строить карту распределения шумов сигнала фазового сдвига, которые имеют значение при измерении в АСМ методе фазового контраста (рис. 4). Светлые области на карте соответствуют более высоким значениям шумов.

 Двумерная карта распределения-3  Двумерная карта распределения-4
Рис. 3. Двумерная карта распределения фазового сдвига в зависимости от параметра взаимодействия Set Point и амплитуды свободных колебаний. Рис. 4. Двумерная карта распределения шумов сигнала фазового сдвига в зависимости от параметра взаимодействия Set Point и амплитуды свободных колебаний.


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.