Атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой для измерения антигруппировки фотонов

Авторы патента:

Гоц Сергей Степанович (RU)

Бахтизин Рауф Загидович (RU)

Петров Александр Борисович (RU)

G01Q60/24 - Измерение (счет G06M); испытание

B82Y35/00 - Нанотехнология

Владельцы патента RU 2695759:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Башкирский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к области приборостроения, преимущественно к измерительной технике. Технический результат изобретения заключается в появлении возможности у АСМ, использующего кантилеверы с флуоресцентными квантовыми точками на острие зонда кантилевера, измерять антигруппировку фотонов. Для его достижения в атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой добавлен интерферометр Хэнбери-Брауна-Твисса, содержащий светоделительное устройство, делящее световой пучок в равных пропорциях (50:50), второй фотодетектор для регистрации флуоресцентного излучения, а также устройство для вычисления взаимной корреляционной функции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, преимущественно к измерительной технике. Она может быть использована, например, при исследованиях поверхности с нанометровым разрешением, в материаловедении, в молекулярной биологии, при изучении химического состава образцов с нанометровым пространственным разрешением.

Известно устройство для изучения антигруппировки фотонов в одномолекулярной флуоресцентной спектроскопии [Kapusta P., Wahl М., Erdmann R. (Eds.). Advanced Photon Counting. Springer-Verlag GmbH, 2015]. Устройство включает в себя светоделительное устройство, два счетчика фотонов с оптическими системами перед ними, вычислительное устройство для расчета взаимной корреляционной функции и представляет собой интерферометр Хэнбери-Брауна-Твисса (ХБТ). Интерферометр ХБТ в режиме счета фотонов измеряет промежутки времени между поступающими фотонами и, используя эти данные, рассчитывает взаимную корреляционную функцию (КФ) для интенсивностей света. КФ, ввиду квантовой природы излучения света, равна нулю в нулевой момент времени и имеет максимум в некоторый, ненулевой момент времени. Максимум КФ обратно пропорционален числу элементарных эмиттеров фотонов, и, таким образом, КФ может быть использована для оценки количества элементарных эмиттеров [Valeur В., Berberan-Santos M.N. Molecular Fluorescence: Principles and Applications, Second Edition. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012.].

К недостаткам такого способа исследования с помощью флуоресценции относятся:

- невозможность точного позиционирования флуоресцентного зонда;

- невозможность задавать время экспозиции флуоресцентного зонда возле исследуемой частицы/точки.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является способ исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе с помощью флуоресцентных квантовых точек, который включает в себя возбуждение импульсом лазера квантовой точки, закрепленной на острие иглы кантилевера, регистрацию флуоресцентного фотона, возникающего после завершения переходных процессов и распада возбужденного состояния и расчета характеристик исследуемого образца по результатам измерений [Патент 2631529 (Рос. Федерация). Способ исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе с помощью флуоресцентных квантовых точек. / ФГБОУВО Башкирский Государственный Университет. Петров А.Б., Бахтизин Р.З., Гоц С.С.].

К недостаткам такого способа исследования поверхности на АСМ с помощью флуоресцентных квантовых точек относится невозможность определения числа элементарных излучателей (эмиттеров) флуоресцентных фотонов.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в появлении возможности у АСМ, использующего кантилеверы с флуоресцентными квантовыми точками на острие зонда кантилевера, определять число элементарных излучателей (эмиттеров) флуоресцентных фотонов.

Указанный технический результат достигается тем, что атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой для измерения антигруппировки фотонов, содержащий кантилевер, иглу кантилевера, флуоресцентную квантовую точку, закрепленную на острие иглы кантилевера, лазер, возбуждающий квантовую точку, фотодетектор, регистрирующий флуоресцентное излучение, отличающийся тем, что для измерения антигруппировки фотонов в него добавлены светоделитель, второй фотодетектор для регистрации флуоресцентного излучения, а также устройство для вычисления взаимной корреляционной функции.

Суть изобретения заключается в том, что фотодетектор, а также вновь добавленные элементы, такие, как светоделительное устройство, второй фотодетектор, устройство для вычисления взаимной корреляционной функции, составляют вместе интерферометр ХБТ. Их добавление позволяет получать дополнительную информацию о временных задержках флуоресцентных фотонов, что позволяет рассчитывать взаимную корреляционную функцию, и, таким образом, изучать антигруппировку фотонов. Светоделитель делит падающий световой пучок в равных пропорциях (50:50). Устройство для вычисления взаимной корреляционной функции может быть реализовано как программным образом, так и аппаратным.

Пример технической реализации заявляемого АСМ.

Схема АСМ изображена на рис. 1. Заявляемое устройство содержит лазер 1, кантилевер 2 с иглой 3 и острием иглы 4, квантовая точка 5, закрепленная на острие иглы 4, исследуемый образец 6, светоделительное устройство 7 для деления светового пучка в равных пропорциях (50:50), фотодтекторы 8 и 9, устройство вычисления взаимной корреляционной функции.

Импульс лазера 1, длительностью не превосходящей 100 пс, возбуждает квантовую точку 5, закрепленную на острие 4 иглы 3 кантилевера 2 и находящуюся возле исследуемого образца 6. Возбужденное состояние квантовой точки, после некоторого переходного процесса, который может включать резонансный перенос энергии, высвечивается в виде флуоресцентного излучения. Флуоресцентный фотон падает на интерферометр ХБТ, включающий в себя светоделительное устройство 7 в соотношении 50:50, фотодетекторы 8 и 9, и устройство вычисления взаимной корреляционной функции 10. Полученная взаимная корреляционная функция имеет вид 1/N, где N - число элементарных источников флуоресцентных фотонов и, таким образом, позволяет оценивать число N. Кроме того, знание взаимной корреляционной функции позволяет исследовать временные характеристики процессов, протекающих на исследуемой поверхности.

Таким образом, измерение взаимной корреляционной функции с помощью интерферометра ХБТ позволяет получать более детальную информацию о поверхности, исследуемой с помощью АСМ с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой за счет вычисления числа элементарных источников флуоресцентных фотонов, а также изучать, в частности, процессы диффузии на поверхности, процессы переноса энергии, что может представлять интерес для физики конденсированных сред, для молекулярной биологии.

1. Атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой для измерения антигруппировки фотонов, содержащий кантилевер, иглу кантилевера, флуоресцентную квантовую точку, закрепленную на игле кантилевера, фотодетектор для регистрации флуоресцентного излучения, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит светоделительное устройство, второй фотодетектор, устройство для вычисления взаимной корреляционной функции для измерения антигруппировки фотонов.

2. Атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой для измерения антигруппировки фотонов по п. 1, отличающийся тем, что светоделительное устройство делит падающий световой пучок в равных пропорциях 50:50, а устройство для вычисления взаимной корреляционной функции может быть реализовано программным или аппаратным образом.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования образцов в зондовых режимах. Сканирующий зондовый микроскоп с устройством для функционирования многозондового датчика включает платформу 1, держатель образца 2 с образцом 3, установленные на сканирующем устройстве 4, сопряженном с блоком сближения 5, установленном на платформе 1, систему регистрации 6, состоящую из источника излучения 7 и фотоприемника 8, многозондовый датчик контурного типа 9, содержащий основание 10 с гибкими консолями 15, остриями 16, 17, сопряженный с приводом вращения 21, включающим пьезомодуль 22, соединенным с корпусом 31, а также блок управления 30.

Способ детектирования ближнепольного оптического отклика для сканирующего зондового микроскопа // 2695027

Изобретение относится к оптическим методам высокого пространственного разрешения на основе методов зондовой микроскопии. Сущность изобретения заключается в том, что в способе детектирования ближнепольного оптического отклика для сканирующего зондового микроскопа, включающем сближение осциллирующего на частоте Ω зондового датчика с образцом, фокусирование на острие зондового датчика оптического излучения с длиной волны λ в диапазоне от 0.4 до 500 мкм источника излучения посредством фокусирующего элемента, измерение ближнепольного оптического отклика первым синхронным детектором посредством детектирования сигнала оптического детектора на высшей гармонике осцилляций зондового датчика nΩ, где n - порядок высшей гармоники, с использованием схемы интерферометра Майкельсона, в которой модуль подвижки устанавливает зеркало опорного плеча в заданные положения, используя систему обратной связи, изменяют положение зеркала опорного плеча посредством модуля подвижки таким образом, чтобы разница фаз ближнепольного оптического отклика и излучения, отраженного от зеркала опорного плеча, поддерживалась постоянной.

Нанозонд сканирующего микроскопа // 2687180

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к устройствам, обеспечивающим получение информации о топологии и других свойствах поверхности объекта. Нанозонд сканирующего микроскопа состоит из последовательно соединенных рабочего элемента нанозонда, консоли, держателя, датчика частоты собственных колебаний консоли и оптического датчика движения консоли, оптически связанного с консолью, а также привода рабочего элемента и блока формирования сигнала рассогласования положения рабочего элемента, входы которого подключены к выходам оптического датчика движения консоли и датчика частоты собственных колебаний консоли.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка // 2681258

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в атомно-силовой микроскопии для диагностирования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что сканирующий зонд содержит кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, которая продета и жестко закреплена в одной из сквозных нанопор стеклянной сферы большего диаметра с квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а вершина зондирующей иглы, выходящая из стеклянной сферы большего диаметра, подвижно соединена с помощью двух вложенных углеродных нанотрубок с отделяемой и автономно функционирующей стеклянной сферой малого диаметра со сквозными нанопорами, заполненными квантовыми точками и магнитными наночастицами с одинаковой ориентацией полюсов структуры ядро-оболочка.

Способ исследования трехмерных структур посредством сканирующей оптической зондовой нанотомографии // 2680726

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для исследования образцов, например биоматериалов и изделий медицинского назначения, методами сканирующей зондовой микроскопии.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка // 2675202

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в атомно-силовой микроскопии для диагностирования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что магнитопрозрачный кантилевер соединен с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой, вершина которой подвижно соединена с помощью двух вложенных углеродных нанотрубок с магнитопрозрачной отделяемой и автономно функционирующей стеклянной сферой со сквозными нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками и магнитными наночастицами с одинаковой ориентацией полюсов структуры ядро-оболочка.

Способ повышения надежности биометрической идентификации личности по отпечатку пальца // 2673978

Предлагаемый способ относится к области информационной безопасности, конкретно к системам биометрической идентификации на основе папиллярного узора пальца. Техническим результатом является повышение надежности биометрической аутентификации личности человека посредством повышения стойкости защиты устройств к атакам подбора, за счет анализа локального взаимодействия зонда с поверхностью пальца, что позволит системе безопасности отличить истинный папиллярный узор от его графического изображения или слепка.

Устройство подвижки // 2664783

Устройство подвижки относится к точной механике и может быть использовано для перемещения образцов по двум или трем координатам, например, в зондовой микроскопии. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве подвижки каретка 10 упруго сопряжена с переходным элементом 9 по координате Z, перпендикулярной плоскости координат X, Y.

Зонд ближнепольного микроскопа // 2663266

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может быть использовано при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии, метрологии, при изучении высокомолекулярных соединений и т.д.

Зонд для сканирующей зондовой микроскопии и способ его изготовления (варианты) // 2660418

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сканирующей зондовой микроскопии. Зонд для сканирующей зондовой микроскопии содержит кантилевер для атомно-силовой микроскопии с оптически активной областью, находящейся на острие иглы кантилевера.

Способ получения нанокапсул сухого экстракта шалфея // 2695666

Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта шалфея характеризуется тем, что сухой экстракт шалфея добавляют в суспензию альгината натрия в толуоле в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1000 об/мин, далее приливают диэтиловый эфир, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро:оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.

Способ измерения магнитного поля // 2695593

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения магнитного поля. Способ включает воздействие на кристалл карбида кремния, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем и постоянным радиочастотным электромагнитным полем.

Сканирующий зондовый микроскоп с устройством для функционирования многозондового датчика // 2695517

Способ получения наноразмерных частиц кальция в водной среде // 2695352

Изобретение относится к области химии и нанотехнологии, а именно к способу получения наноразмерных частиц кальция в водной среде, включающий помещение в дистиллированную воду, находящуюся в емкости, двух электродов, один из которых выполнен из золота или платины с нейтральным водородным числом, пропускание между электродами стабилизированного постоянного электрического тока силой 2 А, отличающийся тем, что в качестве второго электрода используют золотую или платиновую пластину, электроды между собой разделяют микропористой мембраной, при этом процесс электролитического разложения проводят в присутствии катализатора, роль катализатора выполняет смесь раствора лимонной кислоты C6H8O7 в концентрации 0,25-5 мас.% или 0,25-5 мол.

Способ получения коллоидных квантовых точек селенида кадмия в оболочке хитозана // 2695130

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно нанотехнологии интерактивного взаимодействия, датчиков или приведения в действие, например, квантовых точек в качестве биомаркеров.

Способ получения нанокапсул сухого экстракта красной щетки // 2694823

Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта красной щетки характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используется каппа-каррагинан, а в качестве ядра - сухой экстракт красной щетки, при этом сухой экстракт красной щетки добавляют в суспензию каппа-каррагинана в изопропаноле в присутствии 0,01 г Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 700 об/мин, далее приливают ацетонитрил, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро:оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.

Способ получения нанокапсул сухого экстракта босвеллии в гуаровой камеди // 2694822

Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта босвеллии характеризуется тем, что сухой экстракт босвеллии добавляют в суспензию гуаровой камеди в циклогексане в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 800 об/мин, далее приливают 5 мл 1,2-дихлорэтана, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро : оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.

Способ получения нанокапсул сухого экстракта хвоща в каппа-каррагинане // 2694821

Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта хвоща характеризуется тем, что сухой экстракт хвоща добавляют в суспензию каппа-каррагинана в гексане в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 750 об/мин, далее приливают четыреххлористый углерод, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро : оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.

Способ и устройство экспресс-идентификации невидимой ткани савиновского в.г. // 2694783

Изобретение относится к области испытаний твердых тел и может быть использовано для идентификации невидимой ткани. Новым является то, что испытания проводятся в четыре этапа.

Способ получения нанокапсул доксициклина в гуаровой камеди // 2694776

Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины, фармакологии и ветеринарной медицины. Способ получения нанокапсул доксициклина характеризуется тем, что в суспензию гуаровой камеди в гексане и 0,01 г препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества добавляют порошок доксициклина, затем добавляют хладон-112, причем массовое соотношение доксициклин : гуаровая камедь составляет 1:1, 1:2 или 1:3, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат.