Инструменты для нанодетекции и анализа

В статье приводится обзор  современных перспективных инструментов для нанодетекции и анализа наноструктур.

Атомный силовой микроскоп (АСМ) - это один из наиболее распространенных инструментов для анализа атомного рельефа поверхности. Разрешение АСМ более чем в 1000 раз превосходит дифракционный предел оптических микроскопов. Микроскоп был разработан в 1986 году Байнингом, Куэйтом и Гербером. Принцип действия основан на взаимодействии зонда кантилевера с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание зонда кантилевера, вызванное силами Ван-дер-Ваальса. При использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью АСМ можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, АСМ способен измерять рельеф образца, погружённого в жидкость, что позволяет работать с органическими молекулами, включая ДНК.
С помощью АСМ можно детектировать взаимодействие белок-лиганд. С недавнего времени исследователи пытаются использовать АСМ для создания трехмерного изображения и определения структур внутри клеток. Полученные данные можно использовать для эффективной разработки лекарств.
Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от радиуса кривизны кончика зонда. Разрешение достигает атомарного по вертикали и существенно превышает его по горизонтали. Диапазон: от 1 нм до 8 мм.

Сканирующий электронный микроскоп (или растровый электронный микроскоп, РЭМ)  - это прибор, основанный на принципе взаимодействия электронного пучка с веществом, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким пространственным разрешением (несколько нанометров), а также о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв.
Принцип работы РЭМ, заключающийся в сканировании поверхности образца сфокусированным электронным пучком и анализе отраженных от поверхности частиц и возникающего в результате взаимодействия электронов с веществом рентгеновского излучения, был впервые предложен Максом Кноллом и Манфредом фон Арденне в 1930-е годы. Анализ частиц позволяет получать информацию о рельефе поверхности, о фазовом различии и кристаллической структуре приповерхностных слоёв. Анализ рентгеновского излучения, возникающего в процессе взаимодействия пучка электронов с образцом дает возможность качественно и количественно охарактеризовать химический состав приповерхностных слоёв.

Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп - это оптический микроскоп, принцип действия которого основан на эффекте присутствия в дальней зоне излучения идентифицируемых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в ближнем световом поле, то есть на расстоянии много меньшем длины волны (h<< λ ) и при апертуре также много меньшей длины волны (d << λ )
Ближнепольный оптический микроскоп был изобретен вслед за сканирующим туннельным микроскопом сотрудником лаборатории IBM в Цюрихе Дитером Полем.
Создание туннельного микроскопа положило начало целой области исследований — сканирующей зондовой микроскопии, однако все методы построения сканирующих микроскопов подразумевали измерение какого-либо неоптического параметра поверхности образца. Оптические же микроскопы были ограничены дифракционным пределом.
В качестве зонда в сканирующем ближнепольном оптическом микроскопе вместо иглы используется миниатюрная диафрагма с отверстием в несколько нанометров. И в соответствии с законами квантовой механики, видимый свет (с длиной волны несколько сот нанометров) проникает в такое маленькое отверстие, но не далеко, а на расстояние, сопоставимое с размерами отверстия. Если в пределах этого расстояния  (в так называемом «ближнем поле») поставить образец, то отраженный от него свет даст видимый сигнал. Перемещая диафрагму в непосредственной близости от образца (как в туннельном микроскопе) можно получить поточечное изображение поверхности.
Уникальность ближнепольной оптической микроскопии по сравнению с другими сканирующими методами состоит в том, что изображение строится непосредственно в оптическом диапазоне, в том числе видимого света, однако разрешение многократно превышает разрешение традиционных оптических систем.

Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) использует монохроматический электронный пучок, который системой магнитных линз фокусируется на поверхности образца. Электроны пучка взаимодействуют с атомами поверхности образца, приводя к эмиссии частиц и излучения с поверхности. В случае тонкого образца (около 100 нм), он становится прозрачным для электронов. Регистрируется проходящий через образец сигнал, на основе которого получают структурную и кристаллографическую информацию об образце. Диапазон 5 нм – 500 мкм. Чаще всего используется для изучения тонких срезов  при большом увеличении.

Комбинационное рассеяние, усиленное поверхностью (усиленное поверхностью раманово рассеяние, УПРС) - это эффект, широко используемый для изучения колебательных свойств адсорбированных молекул на поверхности материала с  использованием  зеленого, красного или ИК-лазера. Оптическое детектирование нанометок или наноклеток, состоящих из золотых наночастиц, покрытых углеродными, было разработано для составления библиотек изображений клеток или целых организмов, причем данное детектирование осуществляется именно методом УПРС. Преимуществом данного метода является низкая стоимость используемого оборудования, что делает его привлекательным для клеточного и тканевого анализа. В последнее время данная технология применяется также для геномных приложений и создания in vivo сенсоров.

Поверхностный плазмонный резонанс (ППР) - это оптический метод измерения коэффициента рефракции вблизи сенсорной поверхности (около 300 нм). Метод используется в молекулярной биологии, например, при изучении взаимодействия лиганда. Лиганд фиксируется на поверхности сенсора, а исследуемая мишень вводится в буфер с образцом. Если мишень связывается с лигандом, накопление белка на поверхности приводит к увеличению коэффициента рефракции,  что отображается на сенсорграмме (величина отклика в зависимости от времени). ППР является мощным инструментом для измерения биомолекулярных взаимодействий, таких как ДНК-ДНК, ДНК-РНК, ДНК-белок, липид-белок, пептид-белок, белок-белок, молекулы активных веществ лекарственных кандидатов-ферменты в реальном вермени, и может использоваться для создания биосенсоров для скрининга биологических образцов. Метод идеально подходит для изучения структуры макромолекул, и используется для подтверждения синтеза рекомбинантных белков. При разработке лекарственных препаратов данный метод может использоваться для скрининга низкомолекулярных примесей, определения эффективности и необходимой дозировки.

Рассмотренные методы исследования   играют важную роль в процессе производства наноматериалов. Знание поверхностной топографии широко используется в микрофлюидике,  создании лабораторий-на-чипе и НЭМС, а также в новых разрабатываемых инновационных продуктах и наносистемах доставки.

Для публикации на www.portalnano.ru статья предоставлена Назаровым С.Ю. по материалам сайтов:
http://www.optics.rochester.edu/workgroups/novotny/snom.html
http://chemgroups.northwestern.edu/vanduyne/NG2007_090607.pdf
http://www.nanohub.org/resources/3278/
http://corninfo.ps.uci.edu/reprints/RMC101.pdf
http://www.npl.co.uk/