RU156174U1

RU156174U1 - ATOMICALLY POWER MICROSCOPE PROBE WITH A RADIATING ELEMENT, BASED ON QUANTUM DOTS AND MAGNETIC NANOPARTICLES OF THE NUCLEAR SHELL STRUCTURE

Info

Publication number: RU156174U1
Application number: RU2015113575/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Линьков; Николай Владимирович Вишняков; Юрий Владимирович Линьков; Павел Владимирович Линьков
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2015-11-10

Abstract

1. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с зондирующей иглой, соединенной с покрытой защитным прозрачным слоем полимерной сферой, нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек, отличающийся тем, что кантилевер с зондирующей иглой соединенной с полимерной сферой с нанометровыми порами выполнены магнитопрозрачными, магнитопрозрачная полимерная сфера с нанометровыми порами содержит нанометровые поры большого и малого диаметра, нанометровые поры малого диаметра заполнены сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а нанометровые поры большого диаметра заполнены сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух и определяется диаметром магнитопрозрачной полимерной сферы с нанометровыми порами и количеством пор большого и малого диаметра, способных разместить сферические квантовые точки структуры ядро-оболочка и сферические магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр окружности полимерной сферы с нанометровыми порами.2. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что внешний источник магнитного поля, в виде плоской микрокатушки, соединенный с выходом ЦАП, закреплен у основания магнитопрозрачной иглы и его магнитный поток направлен на центр магнитопрозрачной полимерной сферы с нанометровыми порами, заполненными сферическими квантовыми точками, структуры ядро-оболочка и сферическими магнитными �1. An atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure, comprising a cantilever with a probe needle connected to a polymer sphere coated with a transparent transparent layer, the nanometer pores of which are filled with quantum dots of the core-shell structure, the outer the source of excitation of quantum dots, characterized in that the cantilever with a probe needle connected to a polymer sphere with nanometer pores is made magnetically transparent, m a gnitopaque polymer sphere with nanometer pores contains nanometer pores of large and small diameter, nanometer pores of small diameter are filled with spherical quantum dots of the core-shell structure, and nanometer pores of large diameter are filled with spherical magnetic nanoparticles of a core-shell structure, the number of which is more than two and is determined by the diameter of the magnetically transparent polymer spheres with nanometer pores and the number of pores of large and small diameters that can accommodate spherical quantum dots core-shell structures and spherical magnetic nanoparticles; core-shell structures without leaving their shells beyond the perimeter of the circumference of the polymer sphere with nanometer pores. 2. The probe according to claim 1, characterized in that the external magnetic field source, in the form of a flat microcoil, connected to the DAC output, is fixed at the base of the magnetically transparent needle and its magnetic flux is directed to the center of the magnetically transparent polymer sphere with nanometer pores filled with spherical quantum dots, structures core-shell and spherical magnetic �

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.The utility model relates to measuring technique and can be used in probe scanning microscopy and atomic force microscopy to diagnose and study nanoscale structures.

Известен зонд атомно-силового микроскопа для механического определения упругости (модуля Юнга) клеток крови, состоящий из tipless кантилевера (кантилевер без иглы), на вершине которого закреплена полимерная сфера диаметром 10 мкм (Патент RU 2466401 С1, 10.11.2012 G01N 33/49 Способ определения упругости клеток крови).A known atomic force microscope probe for mechanically determining the elasticity (Young's modulus) of blood cells, consisting of a tipless cantilever (cantilever without a needle), on top of which a polymer sphere with a diameter of 10 μm is fixed (Patent RU 2466401 C1, 10.11.2012 G01N 33/49 Method determination of the elasticity of blood cells).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания комбинаций точечного теплового, магнитного, и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.A disadvantage of the known technical solution is the inability to simultaneously combine combinations of point thermal, magnetic, and electromagnetic effects with an optical wavelength while measuring the mechanical reaction (elastic modulus) to this stimulating effect at one common point on the surface of the diagnostic object without affecting neighboring areas.

Известен зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка включающий кантилевер с зондирующей иглой, соединенной с покрытой защитным прозрачным слоем стеклянной сферой, нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка (Патент RU 2541422 С1, 10.02.2015 G01Q 60/24, B82Y 35/00 Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка).A known atomic force microscope probe with a radiating element based on quantum dots of a core-shell structure comprising a cantilever with a probe needle connected to a glass sphere coated with a protective transparent layer, the nanometer pores of which are filled with quantum dots of the core-shell structure, an external source of excitation of quantum dots of the core structure shell (Patent RU 2541422 C1, 02/10/2015 G01Q 60/24, B82Y 35/00 atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of the core-shell structure ka).

Наиболее близким по технической сущности является зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка включающий кантилевер с зондирующей иглой, соединенной с покрытой защитным прозрачным слоем полимерной сферой, нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочкаThe closest in technical essence is an atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of the core-shell structure including a cantilever with a probe needle connected to a polymer sphere coated with a protective transparent layer, the nanometer pores of which are filled with quantum dots of the core-shell structure, the outer excitation source of quantum dots of the core-shell structure

(Патент на полезную модель RU 140229 U1, 10.05.2014 G01Q 60/24, Зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка).(Utility Model Patent RU 140229 U1, 05/10/2014 G01Q 60/24, Probe of an atomic force microscope with a radiating element based on quantum dots of a core-shell structure).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности осуществления точечного стимулирующего воздействия на диагностируемый объект с помощью одновременного сочетания магнитного, теплового и электромагнитного в оптическом диапазоне волн излучения, с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.A disadvantage of the known technical solution is the lack of the possibility of a point stimulating effect on the diagnosed object using a simultaneous combination of magnetic, thermal and electromagnetic in the optical wavelength range, while measuring the mechanical reaction (elastic modulus) to this stimulating effect at one common point on the surface of the diagnostic object without influence on neighboring areas.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше заключается в использовании излучающего элемента в виде полимерной сферы с нанометровыми порами малого и большего диаметра, где поры малого диаметра заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а нанометровые поры большего диаметра заполнены магнитными наночастицами, обладающими суперпарамагнитными свойствами, что позволяет осуществить одновременное точечное исследование влияния оптических, магнитных, тепловых факторов на механические характеристики диагностируемых наноразмерных структур материалов и биологических объектов с многофункциональными свойствами.The difference between the proposed technical solution and the above is the use of a radiating element in the form of a polymer sphere with nanometer pores of small and larger diameters, where pores of small diameter are filled with quantum dots of the core-shell structure, and nanometer pores of larger diameter are filled with magnetic nanoparticles with superparamagnetic properties, which allows a simultaneous point study of the influence of optical, magnetic, thermal factors on the mechanical characteristics of the diagnosis nano-sized structures of materials and biological objects with multifunctional properties.

Техническим результатом является возможность осуществления точечного стимулирующего воздействия на диагностируемый объект с помощью одновременного сочетания магнитного, теплового и электромагнитного в оптическом диапазоне волн излучения, с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.The technical result is the possibility of a point stimulating effect on the diagnosed object using a simultaneous combination of magnetic, thermal and electromagnetic in the optical wavelength range, while measuring the mechanical reaction (elastic modulus) to this stimulating effect at one common point on the surface of the diagnostic object without affecting neighboring plots.

Технический результат предложенной полезной модели достигается совокупностью существенных признаков, а именно: зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с зондирующей иглой, соединенной с покрытой защитным прозрачным слоем полимерной сферой, нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек, причем кантилевер с зондирующей иглой, соединенной с полимерной сферой с нанометровыми порами, выполнены магнитопрозрачными, магнитопрозрачная полимерная сфера с нанометровыми порами содержит нанометровые поры большого и малого диаметра, нанометровые поры малого диаметра заполнены сферическими квантовыми точками структуры ядро-оболочка, а нанометровые поры большого диаметра заполнены сферическими магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух и определяется диаметром магнитопрозрачной полимерной сферы с нанометровыми порами и количеством пор большого и малого диаметра, способных разместить сферические квантовые точки структуры ядро-оболочка и сферические магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр окружности полимерной сферы с нанометровыми порами, внешний источник магнитного поля, в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП, закреплен у основания магнитопрозрачной иглы и его магнитный поток направлен на центр магнитопрозрачной полимерной сферы с нанометровыми порами, заполненными сферическими квантовыми точками, структуры ядро-оболочка и сферическими магнитными наночастицами, структуры ядро-оболочка.The technical result of the proposed utility model is achieved by a combination of essential features, namely: an atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, including a cantilever with a probe needle connected to a polymer layer coated with a transparent transparent layer, nanometer pores which are filled with quantum dots of the core-shell structure, an external source of excitation of quantum dots, moreover, the cantilever with probing The first needle connected to the polymer sphere with nanometer pores is made magnetically transparent, the magneto-transparent polymer sphere with nanometer pores contains nanometer pores of large and small diameter, nanometer pores of small diameter are filled with spherical quantum dots of the core-shell structure, and nanometer pores of large diameter are filled with spherical magnetic nanoparticles core-shell structures, the number of which is more than two and is determined by the diameter of the magnetically transparent polymer sphere with nanometer pores and the number of pores of large and small diameters that can accommodate spherical quantum dots of the core-shell structure and spherical magnetic nanoparticles of the core-shell structure without leaving their shells beyond the perimeter of the circumference of the polymer sphere with nanometer pores, an external source of magnetic field, in the form of a flat microcoil connected with the output of the DAC, it is fixed at the base of the magnetically transparent needle and its magnetic flux is directed to the center of the magnetically transparent polymer sphere with nanometer pores filled with spherical quanta points E, a core-shell structure and a spherical magnetic nanoparticles, core-shell structure.

Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.The essence of the utility model is illustrated in FIG. 1, where a probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure is presented. In FIG. Figure 2 shows an extension element A (10: 1) on an enlarged scale and in section, illustrating the construction of an atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure.

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка фиг. 1 состоит из: магнитопрозрачного кантилевера 1, соединенного с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, на вершине которой закреплена магнитопрозрачная полимерная сфера 3 с нанометровыми порами малого 4 диаметра, и с нанометровыми порами большого 5 диаметра. Элементы 1, 2, 3 выполнены магнитопрозрачными (магнитодиэлектрическими), что достигается отсутствием в их структурах, ферромагнитных примесей. Нанометровые поры малого 4 диаметра заполнены сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним источником возбуждения квантовых точек 8 (например, лазерным диодом), расположенным у основания магнитопрозрачного кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Нанометровые поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка. Ядро каждой сферической магнитной наночастицы 7 состоит из ферромагнитного материала, а внешняя оболочка сформирована из суперпарамагнитного материала. Управление перемагничиванием сферических магнитных 7 наночастиц осуществляется за счет изменения магнитного поля плоской 9 микрокатушкой, расположенной над основанием магнитопрозрачной зондирующей 2 иглы и состоящей из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых, соединены с выходом цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 10. Тип используемого ЦАП (его разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований. Также на фиг. 1 представлена подложка 11 с размещенным на ней диагностируемым объектом 12 в момент соприкосновения его с магнитопрозрачной полимерной сферой 3 (элементы 4, 5, 6, 7, 12 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).An atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure of FIG. 1 consists of: a magnetically transparent cantilever 1 connected to a magnetically transparent probe needle 2, on top of which a magnetically transparent polymer sphere 3 with nanometer pores of small 4 diameters and with nanometer pores of large 5 diameters is fixed. Elements 1, 2, 3 are made magneto-transparent (magnetodielectric), which is achieved by the absence of ferromagnetic impurities in their structures. Nanometer pores of small 4 diameters are filled with spherical quantum dots 6 of the core-shell structure, the excitation of which is carried out by an external source of excitation of quantum dots 8 (for example, a laser diode) located at the base of the magnetically transparent cantilever 1 with the radiation direction oriented to the center of the magnetically transparent polymer sphere 3. Nanometer pores of large diameter 5 are filled with spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure. The core of each spherical magnetic nanoparticle 7 consists of a ferromagnetic material, and the outer shell is formed of superparamagnetic material. The magnetization reversal control of spherical magnetic 7 nanoparticles is carried out by changing the magnetic field of a flat 9 microcoil located above the base of the magnetically transparent probe 2 needles and consisting of one or more spiral turns, the terminals of which are connected to the output of the digital-to-analog converter (DAC) 10. Type of DAC used (its capacity and speed) is determined by the range of diagnostic tests. Also in FIG. 1 shows the substrate 11 with the diagnosed object 12 placed on it at the moment of its contact with the magnetically transparent polymer sphere 3 (elements 4, 5, 6, 7, 12 are shown on an enlarged scale in Fig. 2).

На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где магнитопрозрачная полимерная сфера 3 с нанометровыми порами 4 малого диаметра, заполненными сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, нанометровые поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка, в одной из нанометровых пор большого 5 диаметра, магнитопрозрачной полимерной сферы 3 жестко закреплена вершина магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, под магнитопрозрачной полимерной сферой 3 расположена подложка 11 с диагностируемым объектом 12. Минимальный диаметр магнитопрозрачной полимерной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных в нее сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка и сферических магнитных наночастич 7 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 12. Стрелками указываются направления входящего λ1 и преобразованного λ2 по длине волны излучения, где λ1 - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек, вызывающего их люминесценцию, λ2 - длина волны люминесценции квантовой точки, смещенной на стоксовый сдвиг относительно длины волны λ1. Стрелками с символом

(вектор магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешнего магнитного поля создаваемого плоской 9 микрокатушкой осуществляющей перемагничивание сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка. Стрелками с символом R_λT (энергетическая светимость тела, равная энергии испускаемой телом по всему спектру частот), показано направление теплового излучения от сферических магнитных наночастиц 7 структуры ядро-оболочка к объекту диагностирования 12.On the extension element A (10: 1) of FIG. Figure 2 shows the elements in the section, where a magnetically transparent polymer sphere 3 with nanometer pores 4 of small diameter filled with spherical quantum dots 6 of the core-shell structure, nanometer pores of large 5 diameter are filled with spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure, in one of the nanometer pores of large 5 the diameter of the magnetically transparent polymer sphere 3, the apex of the magnetically transparent probe needle 2 is rigidly fixed; under the magnetically transparent polymer sphere 3 is a substrate 11 with a diagnosed object Volume 12. The minimum diameter of the magnetically transparent polymer sphere 3 is determined by the minimum number of spherical quantum dots 6 of the core-shell structure and spherical magnetic nanoparticles 7 of the core-shell structure doped into it, which together form a nanocomposite emitting element, the electromagnetic radiation parameters of which are determined by the class of the diagnosed object 12. The arrows indicate the directions of the incoming λ1 and converted λ2 along the radiation wavelength, where λ1 is the wavelength of the external electromagnetic zlucheniya for exciting quantum dots, causing their luminescence, λ2 - wavelength luminescence quantum dot shifted by Stokes shift relative to the wavelength λ1. Arrows with a symbol

(magnetic induction vector) shows the direction of the magnetic lines of force of the external magnetic field created by a flat 9 microcoil magnetizing magnetization of the spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure. The arrows with the symbol R _λT (energy luminosity of the body equal to the energy emitted by the body over the entire frequency spectrum) show the direction of thermal radiation from spherical magnetic nanoparticles 7 of the core-shell structure to the diagnostic object 12.

В зависимости от видов объектов диагностирования, методов диагностирования (например, диагностирование светочувствительных зрительных тканей биологических объектов), используемые для легирования сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка могут быть как со стоксовым, так и антистоксовым сдвигом длины волны электромагнитного излучения относительно внешнего источника возбуждения квантовых точек 8 (т.е. длина волны λ1 больше λ2 или λ1 меньше λ2). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности, тем, чтобы λ1 находилась вне диапазона длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 12, а стимулирование диагностируемого объекта 12 осуществлялось только излучением сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка с длиной волны λ2, которая вызывает изменение модуля упругости отдельных локальных участков диагностируемого объекта 12 в непосредственной близости от точки соприкосновения магнитопрозрачной полимерной сферы 3 с объектом диагностирования 12.Depending on the types of objects to be diagnosed, diagnostic methods (for example, the diagnosis of photosensitive visual tissues of biological objects), spherical quantum dots 6 of the core-shell structure used for doping can be either with a Stokes or anti-Stokes shift of the wavelength of electromagnetic radiation relative to an external quantum excitation source 8 points (i.e., the wavelength λ1 is greater than λ2 or λ1 is less than λ2). This condition is due to the requirement of noise immunity, so that λ1 is outside the wavelength range to which all the studied sections of the diagnosed object 12 respond, and the diagnosed object 12 is stimulated only by emission of spherical quantum dots 6 of the core-shell structure with a wavelength of λ2, which causes a change the elastic modulus of individual local sections of the diagnosed object 12 in the immediate vicinity of the point of contact of the magnetically transparent polymer sphere 3 with the object of diagnosis tirovanie 12.

Длина волны поглощения λ1 каждой сферической квантовой точкой 6 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ2 каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их составом, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой квантовой точки структуры ядро-оболочка. Длина волны электромагнитного излучения квантовых точек, направленная на объект диагностирования, может находиться как в оптическом диапазоне, так и за его пределами от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения.The absorption wavelength λ1 of each spherical quantum dot 6 of the core-shell structure and the radiation wavelength λ2 of each spherical quantum dot 6 of the core-shell structure is determined by its diameter (mainly from 2 to 20 nanometers), a combination of core material and shell material, their composition, the transmission spectrum of the protective transparent polymer film and the manufacturing technology of the quantum dot of the core-shell structure itself. The wavelength of electromagnetic radiation of quantum dots, aimed at the object of diagnosis, can be both in the optical range and beyond from ultraviolet to near infrared radiation.

Ядро каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может, например, включать, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, и ZnO, но не ограничивается ими. Оболочка каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может включать в себя, по крайней мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, и HgSe, но этими вариантами не ограничивается.The core of each spherical quantum dot 6 of the core-shell structure may, for example, include at least one material selected from the group consisting of CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, and ZnO, but not limited to them. The shell of each spherical quantum dot 6 of the core-shell structure may include at least one material selected from the group consisting of CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, and HgSe, but with these options not limited to.

Ферромагнитное ядро сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может, например, включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe, Со, Ni, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, MnBi, MnSb, MnOFe₂O₃, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt, или их комбинации но не ограничивается ими. Размер ядра одной сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка сформирована из суперпарамагнитного материала например, может включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe₃O₄, FeO, CoFe₂O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O₄, ZnMnFe₂O₄; или их комбинации, но не ограничивается ими. Внешняя оболочка может иметь толщину в диапазоне от 0,5 нм до 3 нм. Внешняя оболочка защищает ядро от окисления и повышает магнитные свойства сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что в свою очередь защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 12, при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Сочетание ферромагнитных свойств ядра и суперпарамагнитных свойств оболочки используемых в сферических магнитных 7 наночастицах структуры ядро-оболочка позволяет свести к минимуму их магнитные свойства при отсутствии внешнего магнитного поля, что позволяет исключить агрегирование (слипание) нескольких магнитных частиц при заполнении ими наноразмерных пор большого 5 диаметра магнитопрозрачной полимерной сферы 3 и вести себя подобно постоянному магниту при приложении внешнего магнитного поля больше порогового значения.The ferromagnetic core of a spherical magnetic nanoparticle 7 of a core-shell structure may, for example, include at least one material selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, FeOFe ₂ O ₃ , NiOFe ₂ O ₃ , CuOFe ₂ O ₃ , MgOFe ₂ O ₃ , MnBi, MnSb, MnOFe ₂ O ₃ , CrO ₂ , MnAs, SmCo, FePt, or a combination thereof, but is not limited to. The core size of one spherical magnetic nanoparticle 7 of the structure of the core-shell can vary from 3 nm to 20 nm. The outer shell (surrounding the magnetic core) of the spherical magnetic nanoparticle 7 of the core-shell structure is formed of a superparamagnetic material, for example, may include at least one material selected from the group consisting of Fe ₃ O ₄ , FeO, CoFe ₂ O ₄ , MnFe ₂ O ₄ , NiFe ₂ O ₄ , ZnMnFe ₂ O ₄ ; or combinations thereof, but not limited to. The outer shell may have a thickness in the range from 0.5 nm to 3 nm. The outer shell protects the core from oxidation and enhances the magnetic properties of the spherical magnetic nanoparticle 7 of the core-shell structure and can be coated with an additional biocompatible shell, which in turn protects the biological object being diagnosed 12, with partial damage to the general protective shell of the magnetically transparent polymer sphere 3. Combination of ferromagnetic properties of the core and superparamagnetic properties of the shell used in the spherical magnetic 7 nanoparticles of the structure of the core-shell allows us to reduce to inimumu their magnetic properties in the absence of an external magnetic field, thereby eliminating aggregation (clumping) of several magnetic particles during filling of nanoscale pores large diameter 5 magnitoprozrachnoy polymer spheres 3 and behave like a permanent magnet when an external magnetic field greater than a threshold value.

Для осуществления полезной модели может быть использована, например известная технология изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка размером 2-20 нм (Patent Application Publication Pub. No.: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES) (оболочка с суперпарамагнитными свойствами), для применение их в биомедицине, например в магнитной гипертермии.For the implementation of the utility model, for example, the well-known manufacturing technology of magnetic nanoparticles of a core-shell structure of 2-20 nm in size (Patent Application Publication Pub. No .: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES) (shell with superparamagnetic properties), for use in biomedicine, for example, in magnetic hyperthermia.

Для осуществления полезной модели кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки (Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).To implement the utility model, in addition to classical quantum dots of the core-shell structure, core-multiband quantum dots can also be used (Patent Application Publication Pub. No .: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной полимерной сферы 3 сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка и сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка в нанометровые поры 5 большого диаметра и, затем, за счет проникновения сферических квантовых 6 точек структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными нанометровые поры малого 4 диаметра магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Например, процесс легирования может осуществляться по технологии известного метода за счет погружения элемента из стекла с нанометровыми порами в раствор из двух или более квантовых точек с последующей сушкой на воздухе и заполнением оставшихся между квантовыми точками пустот смолой (Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).The manufacture of the emitting element is carried out by doping a magnetically transparent polymer sphere with 3 spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure and spherical quantum dots 6 of the core-shell structure and is performed due to the penetration of spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure into nanometer pores 5 of large diameter and, then, due to the penetration of spherical quantum 6 points of the core-shell structure into the remaining unfilled nanometer pores of small 4 diameter magnetically transparent polymer spheres 3. For example, the doping process can be carried out according to the technology of the known method by immersing an element of glass with nanometer pores in a solution of two or more quantum dots, followed by drying in air and filling the voids between the quantum dots with resin (Patent Application Publication Pub. No .: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицими структуры ядро-оболочка работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 12, расположенному на подложке 11, и надавливает на него, получая данные об упругих свойствах объекта диагностирования 12, до включения и после включения внешнего источника возбуждения квантовых точек 8 с длиной волны λ1. В результате сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка возбуждают поверхность диагностируемого объекта 12 излучением длинной волны λ2, определяемой в зависимости от выбранного материала сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки. В зависимости от требуемых режимов диагностирование может проходить как в непрерывном режиме люминесценции, так и в импульсном режиме флуоресценции (т.е. освещение локального участка объекта диагностирования только излучением λ2 квантовых точек в интервале, равному времени их флуоресценции, после выключения внешнего источника возбуждения квантовых точек 8 с целью исключения посторонних засветок и помех).The probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure works as follows: a magnetically transparent cantilever 1 with a magnetically transparent probe 2 is brought to the diagnostic object 12 located on the substrate 11 and presses on it, receiving data about the elastic properties of the diagnostic object 12, before and after the inclusion of an external source of excitation of quantum dots 8 with a wavelength of λ1. As a result, spherical quantum dots 6 of the core-shell structure excite the surface of the diagnosed object 12 by long-wavelength radiation λ2, determined depending on the selected material of the spherical quantum dot 6 of the core-shell structure and the ratio of the diameter of the core to the thickness of the surrounding shell. Depending on the required modes, the diagnostics can take place both in the continuous luminescence mode and in the pulsed fluorescence mode (i.e., illumination of the local part of the diagnostic object only with radiation of λ2 quantum dots in an interval equal to the time of their fluorescence after turning off the external source of excitation of quantum dots 8 to exclude extraneous light and interference).

Одновременно на вход ЦАП 10 подается двоичный код, который в зависимости от выбранной программы исследований, определяет форму и частоту повторения электрического сигнала поступающего на обмотку плоской 9 микрокатушки создающей внешнее магнитное поле, направленное на центр магнитопрозрачной полимерной сферы 3 для перемагничивания магнитным потоком сферических магнитных 7 наночастич структуры ядро-оболочка размещенных в ней. В зависимости от программы исследований на плоскую микро катушку 9 подаются положительные, или отрицательные, или переменной полярности электрические сигналы или их комбинации. Под действием электрического управляющего сигнала, (например прямоугольного импульса) плоская 9 микрокатушка создает внешнее магнитное поле, (в зависимости от полярности импульса) с тем или иным направлением магнитных силовых линий в соответствии с направлением которых происходит и соответствующая ориентация магнитных полюсов и увеличение коэрцитивной силы каждой сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка. По окончанию действия управляющего сигнала (по заднему фронту прямоугольного импульса) подаваемого на плоскую 9 микрокатушку, внешнее магнитное поле выключается и до окончания времени релаксации (время релаксации зависит от диаметр магнитной наночастицы) сферические магнитные частицы 7 сохраняют свойства постоянных магнитов, с соответствующим сохранением направлений собственных магнитных силовых линий. Это позволяет создать локальное точечное управляемое магнитное поле определенной полярности для воздействия на точечный участок диагностируемого объекта 12, расположенного под магнитопрозрачной полимерной сферой 3, без влияния на соседние участки и исключение влияния внешнего магнитного поля (после его выключения) на окружающие магниточувствительные зоны.At the same time, a binary code is supplied to the input of the DAC 10, which, depending on the chosen research program, determines the shape and frequency of the electric signal transmitted to the winding of the flat 9 microcoil creating an external magnetic field directed to the center of the magnetically transparent polymer sphere 3 for magnetization reversal of the spherical magnetic 7 nanoparticles core-shell structures placed in it. Depending on the research program, positive, or negative, or alternating polarity electrical signals or combinations thereof are fed to the flat micro coil 9. Under the influence of an electric control signal (for example, a rectangular pulse), a flat 9 microcoil creates an external magnetic field (depending on the polarity of the pulse) with one or another direction of magnetic field lines, in accordance with the direction of which there is a corresponding orientation of the magnetic poles and an increase in the coercive force of each spherical magnetic nanoparticle 7 core-shell structure. At the end of the action of the control signal (along the trailing edge of the rectangular pulse) supplied to the flat 9 microcoil, the external magnetic field is turned off and until the relaxation time (relaxation time depends on the diameter of the magnetic nanoparticle), the spherical magnetic particles 7 retain the properties of permanent magnets, with corresponding preservation of the directions of their own magnetic lines of force. This allows you to create a local controlled point magnetic field of a certain polarity to affect the point area of the diagnosed object 12, located under the magnetically transparent polymer sphere 3, without affecting the neighboring areas and eliminating the influence of an external magnetic field (after it is turned off) on the surrounding magnetically sensitive zones.

При подачи на плоскую микрокатушку 9 высокочастотного сигнала переменной полярности (например, 100 кГц), происходит нагрев сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка (за счет известного магнетокалоритического эффекта (Елисеев Α.Α., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 456 с. - ISBN 978-5-9221-1120-1. - С. 433), температура и скорость нагрева которых определяется частотой и амплитудой электрического сигнала с выхода ЦАП 10.When a high-frequency signal of variable polarity (for example, 100 kHz) is supplied to a flat micro coil 9, spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure are heated (due to the well-known magnetocaloric effect (Eliseev Α.Α., Lukashin A.V. Functional nanomaterials / Ed. . Yu. D. Tretyakova. - M .: FIZMATLIT, 2010. - 456 pp. - ISBN 978-5-9221-1120-1. - P. 433), the temperature and heating rate of which is determined by the frequency and amplitude of the electrical signal from the output DAC 10.

Предложенная конструкция зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом, возможность осуществления съема топологического распределения величины модуля Юнга на поверхности объекта диагностирования, в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения и магнитного поля на каждую точку с координатами Χ, Y, непосредственно расположенную под излучающей сферой. Это позволяет обнаружить и исследовать отдельные точечные свето-магнито-термо чувствительные участки биологических объектов и наноструктур, изменяющих свои механические свойства и размеры при одновременном точечном наноразмерном воздействии электромагнитного излучения оптического диапазона λ2, в сочетании с воздействием постоянным или импульсным магнитным полем

или точечным тепловым излучением R_λT (нагревом).The proposed design of an atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure also provides, when scanning the surface of a diagnostic object with an atomic force microscope, it is possible to measure the topological distribution of the Young's modulus on the surface of the diagnostic object, depending on stimulating effect of a specific wavelength of electromagnetic radiation and magnetic field on each point with coordinates Χ, Y, directly located under the radiating sphere. This makes it possible to detect and study individual point light-magneto-thermosensitive areas of biological objects and nanostructures that change their mechanical properties and dimensions while simultaneously applying a nanoscale point effect of electromagnetic radiation of the optical range λ2, in combination with a constant or pulsed magnetic field

or spot thermal radiation R _λT (heating).

Claims

1. An atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure, comprising a cantilever with a probe needle connected to a polymer sphere coated with a transparent transparent layer, the nanometer pores of which are filled with quantum dots of the core-shell structure, the outer the source of excitation of quantum dots, characterized in that the cantilever with a probe needle connected to a polymer sphere with nanometer pores is made magnetically transparent, m a gnitopaque polymer sphere with nanometer pores contains nanometer pores of large and small diameter, nanometer pores of small diameter are filled with spherical quantum dots of the core-shell structure, and nanometer pores of large diameter are filled with spherical magnetic nanoparticles of a core-shell structure, the number of which is more than two and is determined by the diameter of the magnetically transparent polymer spheres with nanometer pores and the number of pores of large and small diameters that can accommodate spherical quantum dots core-shell structures and spherical magnetic nanoparticles; core-shell structures without leaving their shells beyond the perimeter of the circumference of the polymer sphere with nanometer pores.

2. The probe according to claim 1, characterized in that the external magnetic field source, in the form of a flat microcoil, connected to the DAC output, is fixed at the base of the magnetically transparent needle and its magnetic flux is directed to the center of the magnetically transparent polymer sphere with nanometer pores filled with spherical quantum dots , core-shell structures and spherical magnetic nanoparticles, core-shell structures.