EA034576B1

EA034576B1 - Method for analysing surface on atomic-power microscope using fluorescent quantum dots

Info

Publication number: EA034576B1
Application number: EA201650138A
Authority: EA
Inventors: Александр Борисович Петров; Рауф Загидович Бахтизин; Сергей Степанович Гоц
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2020-02-21
Also published as: EA201650138A1; RU2016110060A; RU2631529C2

Abstract

The invention relates to the field of probe microscopy equipment. The technical result of the invention consists in simplifying experimental equipment used, on one hand, and increasing possibilities in the study of physical phenomena on the surface with nanometric spatial resolution (chemical composition, viscoelastic properties, dielectric permettivity, etc.), on the other hand. The technical result is achieved by means of a quantum dot fixed to the tip of a cantilever needle and located in close mechanical contact with a sample under study. Irradiation of the quantum dot forces it to display fluorescent radiation. The properties of fluorescent radiation are determined both by the properties of the quantum dot and by the properties of the sample surface in its vicinity.

Description

Изобретение относится к области приборостроения, преимущественно к измерительной технике.The invention relates to the field of instrumentation, mainly to measuring equipment.

Оно может быть использовано, например, в материаловедении, при исследовании химического состава образцов с нанометровым пространственным разрешением, фононного спектра изучаемых образцов, при исследовании закономерностей поведения наноструктур на поверхности с целью дальнейшей разработки наноустройств.It can be used, for example, in materials science, in studying the chemical composition of samples with nanometer spatial resolution, in the phonon spectrum of samples under study, in studying the patterns of behavior of nanostructures on the surface with the aim of further developing nanodevices.

Известен способ исследования объектов, называемый флуоресцентной микроскопией. В рамках этого метода какие-то интересующие исследователя элементы (молекулы, клетки и т.д.) помечаются специфическими флуоресцентными метками. Далее объект освещается лучом лазера, заставляющего эти метки флуоресцировать. После этого может быть построено изображение исследуемого объекта по флуоресцентным меткам, которое показывает пространственное распределение интересующих исследователя элементов и то, как с течением времени это распределение меняется. Также может быть исследовано время флуоресценции, анизотропия, спектры и кинетика флуоресценции, могут быть использованы и более сложные методы анализа с использованием флуоресценции [Optical Fluorescence Microscopy: From the Spectral to the Nano Dimension Summary, ed. By A.Diaspro, Springer, 2011; Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии. - 1986. - 488].A known method of researching objects, called fluorescence microscopy. In the framework of this method, some elements of interest to the researcher (molecules, cells, etc.) are labeled with specific fluorescent labels. Next, the object is illuminated by a laser beam, causing these labels to fluoresce. After that, an image of the object under study can be constructed using fluorescent labels, which shows the spatial distribution of the elements of interest to the researcher and how this distribution changes over time. Fluorescence time, anisotropy, spectra, and fluorescence kinetics can also be investigated, and more sophisticated fluorescence analysis methods can be used [Optical Fluorescence Microscopy: From the Spectral to the Nano Dimension Summary, ed. By A. Diaspro, Springer, 2011; Lakovich J. Fundamentals of fluorescence spectroscopy. - 1986. - 488].

К недостаткам такого способа исследования с помощью флуоресценции относятся низкое разрешение без использования сверхразрешения;The disadvantages of this method of research using fluorescence include low resolution without the use of superresolution;

невозможность управлять положением флуоресцентной метки при использования сверхразрешения.the inability to control the position of the fluorescent label when using superresolution.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является способ возбуждения и регистрации оптических фононов в игле кантилевера атомно-силового микроскопа (АСМ) [ссылка на мою заявку], который позволяет возбуждать и регистрировать оптические фононы на острие иглы кантилевера АСМ непосредственно вблизи исследуемой поверхности, а за счет тесной механической связи острия иглы кантилевера с исследуемой поверхностью исследовать спектры оптических фононов исследуемого образца.The closest analogue in technical essence and the achieved result is the method of excitation and registration of optical phonons in the cantilever needle of an atomic force microscope (AFM) [link to my application], which allows you to excite and register optical phonons on the tip of the AFM cantilever needle directly near the surface under study, and due to the close mechanical connection of the tip of the cantilever needle with the surface to be studied, to study the optical phonon spectra of the sample under study.

К недостаткам такого способа возбуждения и регистрации оптических фононов в игле кантилевера АСМ относятся довольно сложная экспериментальная техника, предполагающая использование фемтосекундного лазера;The disadvantages of this method of excitation and registration of optical phonons in the AFM cantilever needle include a rather complex experimental technique involving the use of a femtosecond laser;

ограниченный функционал, позволяющий экспериментатору работать только с оптическими фононами.limited functionality that allows the experimenter to work only with optical phonons.

Технический результат изобретения заключается в упрощении используемой экспериментальной техники с одной стороны и в увеличении возможностей в исследовании физических явлений на поверхности с нанометровым пространственным разрешением (химический состав, вязкоупругие свойства, диэлектрическая проницаемость и т.д.) с другой стороны.The technical result of the invention is to simplify the experimental technique used, on the one hand, and to increase the possibilities for studying physical phenomena on the surface with nanometer spatial resolution (chemical composition, viscoelastic properties, dielectric constant, etc.) on the other hand.

Указанный технический результат достигается тем, что способ исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе с помощью флуоресцентных квантовых точек включает облучение лазером активного слоя материала, нанесенного на острие иглы кантилевера, прижатой к исследуемому образцу, возбуждение и регистрацию в нем оптических фононов, обработку полученной информации, отличающийся тем, что в качестве слоя материала, нанесенного на острие иглы кантилевера, служит взаимодействующая с исследуемой поверхностью квантовая точка, в которой возбуждаются электроны с помощью импульса лазерного излучения, далее с помощью регистрирующего устройства, сфокусированного на квантовой точке, регистрируется флуоресцентное излучение, которое высвечивается квантовой точкой, обрабатывают полученную информацию и на основании характеристик флуоресцентного излучения делают вывод о свойствах среды, в которой находится квантовая точка.The specified technical result is achieved by the fact that the method of studying the surface using an atomic force microscope using fluorescence quantum dots includes laser irradiation of the active layer of the material deposited on the tip of the cantilever needle pressed to the test sample, excitation and registration of optical phonons in it, processing the received information, characterized in that as a layer of material deposited on the tip of the cantilever needle, there is a quantum dot interacting with the surface to be studied, in which the electrons are excited by a laser pulse, then using a recording device focused on a quantum dot, the fluorescent radiation is detected, which is highlighted by a quantum dot, the received information is processed and, based on the characteristics of the fluorescent radiation, a conclusion is made about the properties of the medium in which the quantum dot is located.

В отличие от наиболее близкого аналога можно использовать квантовые точки различного состава и устройства, что позволит исследовать не только спектр оптических фононов, но и другие свойства поверхности, доступные методам флуоресцентной спектроскопии. Кроме того, при экспериментах не требуется фемтосекундный лазер.In contrast to the closest analogue, one can use quantum dots of various compositions and devices, which will make it possible to study not only the spectrum of optical phonons, but also other surface properties accessible by fluorescence spectroscopy methods. In addition, a femtosecond laser is not required in experiments.

Характер флуоресцентного излучения зависит от непосредственного окружения квантовой точки, закрепленной на острие иглы кантилевера.The nature of the fluorescence radiation depends on the immediate environment of the quantum dot fixed on the tip of the cantilever needle.

Отличительным признаком предложенного способа является использование флуоресцентного излучения, генерируемого квантовой точкой, закрепленной на острие иглы кантилевера, после ее возбуждения лучом лазера. За счет механического контакта между квантовой точкой и исследуемой поверхностью свойства флуоресцентного излучения зависят от свойств поверхности. Благодаря тому, что квантовая точка размещена на острие иглы кантилевера, появляется возможность точно позиционировать ее размещение на исследуемой поверхности.A distinctive feature of the proposed method is the use of fluorescence radiation generated by a quantum dot, mounted on the tip of the cantilever needle, after its excitation by a laser beam. Due to the mechanical contact between the quantum dot and the surface under study, the properties of fluorescent radiation depend on the properties of the surface. Due to the fact that the quantum dot is located on the tip of the cantilever needle, it becomes possible to accurately position its placement on the surface under study.

Примеры технической реализации заявляемого методаExamples of technical implementation of the proposed method

Схема устройства для исследования поверхности на АСМ с помощью флуоресцентных квантовых точек изображена на чертеже. Устройство включает лазер 1, кантилевер 2, иглу кантилевера 3, острие иглы кантилевера 4, квантовую точку 5, закрепленную на острие иглы кантилевера 4, исследуемый образец 6, систему регистрации флуоресцентного излучения 7.A diagram of a device for studying a surface on an AFM using fluorescent quantum dots is shown in the drawing. The device includes a laser 1, cantilever 2, cantilever needle 3, the tip of the cantilever needle 4, a quantum dot 5 attached to the tip of the cantilever needle 4, the test sample 6, and a fluorescence emission recording system 7.

Способ исследования поверхности на АСМ с помощью флуоресцентных квантовых точек реализуA method for studying a surface on an AFM using fluorescence quantum dots

- 1 034576 ется следующим образом (чертеж). Лазер 1 генерирует импульс, который возбуждает квантовую точку 5, закрепленную на острие иглы кантилевера 4 и прижатую к исследуемому образцу 6. Возбужденное состояние квантовой точки высвечивается в виде флуоресцентного излучения, которое регистрируется системой регистрации 7. Благодаря тесному механическому контакту квантовой точки 4 с исследуемым образцом 6, характеристики флуоресцентного излучения зависят от свойств поверхности, на которые настроена квантовая точка. Таким образом, изучая характеристики флуоресцентного излучения, можно изучать свойства поверхности в окрестности квантовой точки. Перемещая квантовую точку из одного места в другое с помощью кантилевера, мы можем получать изображение поверхности для соответствующего свойства, в том числе в жидкости, что может представлять особый интерес для биологических исследований.- 1 034576 is as follows (drawing). Laser 1 generates a pulse that excites a quantum dot 5, mounted on the tip of the cantilever needle 4 and pressed against the sample 6. The excited state of the quantum dot is highlighted in the form of fluorescence radiation, which is detected by the registration system 7. Due to the close mechanical contact of quantum dot 4 with the sample 6, the characteristics of fluorescence radiation depend on the surface properties on which the quantum dot is tuned. Thus, by studying the characteristics of fluorescent radiation, one can study the properties of the surface in the vicinity of a quantum dot. Moving a quantum dot from one place to another using a cantilever, we can obtain a surface image for the corresponding property, including in a liquid, which may be of particular interest for biological research.

Получение спектров флуоресцентного излучения (а также исследование его других характеристик, таких как время флуоресценции, анизотропия, спектры и кинетика и т.д.), совмещенного с 3-D изображением зондового микроскопа, позволит ответить на многие актуальные вопросы физики конденсированных сред, химии, биологии, медицины.Obtaining fluorescence emission spectra (as well as studying its other characteristics, such as fluorescence time, anisotropy, spectra and kinetics, etc.), combined with a 3-D image of a probe microscope, will answer many pressing questions in condensed matter physics, chemistry, biology, medicine.

Claims

CLAIM

A method for studying a surface using an atomic force microscope using fluorescence quantum dots, including laser irradiation of a quantum dot deposited on the tip of a cantilever needle pressed against a test sample, excitation and registration of optical phonons in it, processing of the obtained information, characterized in that as quantum The point deposited on the tip of the cantilever needle is a fluorescent quantum dot interacting with the surface under study, at which electrons are excited by a laser pulse th radiation further using the recording apparatus, focused on the quantum dot is recorded fluorescent emission, quantum dot is displayed, process the information received and concluded properties of the medium on the basis of the fluorescent emission characteristics, which is a quantum dot.