RU192810U1 - Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в атомно-силовой микроскопии для диагностирования наноразмерных структур. Сущность полезной модели 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 полимерной сферой со сквозными нанометровыми порами, заполненными апконвертирующими наночастицами и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, постоянно находящимися в управляющих электромагнитных полях. Дистанционное управление возбуждением апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка и их автономное перемещение по координате Z при сканировании боковых стенок наноколодцев биологического объекта диагностирования осуществляется с помощью двух работающих на выделенных длинах волн в диапазоне ближнего инфракрасного излучения встречно направленных внешних источников возбуждения апконвертирующих наночастиц и двух управляемых внешних встречно направленных синхронизированных электромагнитных полей. Техническим результатом является возможность осуществления сканирования наноколодцев по координате Z, глубина которых в десятки раз больше длины зондирующей иглы, электромагнитным, с разной оптической длиной волны воздействием на стенки наноколодцев с одновременным измерением электрических характеристик на это стимулирующее воздействие в одной точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки.

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.

Известен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной стеклянной сфере, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП (Патент RU 2615052 С1, 03.04.2017, G01Q 60/24, B82Y 35/00, СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В.).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности, при сканировании боковых стенок наноколодцев, осуществлять возбуждение нанокомпозитного излучающего элемента наиболее безопасным для биотканей, ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань при диагностировании биологических объектов в оптическом диапазоне длин волн.

Наиболее близким по технической сущности является сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной полимерной сфере, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами с одинаковым направлением ориентации полюсов, структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем,. Включающий также синхронизированную, с перемещаемой электропроводящей зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующею скобу, на которой закреплены и направлены на центр магнитопрозрачной полимерной сферы первый и второй внешние источники возбуждения квантовых точек, первый и второй внешние источники магнитного поля в виде первой и второй, плоских микрокатушек, размещенных на оптомагнитопрозрачных подложках и соединенных с выходами первого и второго ЦАП (Патент на полезную модель RU 184332 U1, 22.10.2018, G01Q 60/24, G01Q 70/08, B82Y 35/00, сканирующий зонд АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С ОТДЕЛЯЕМЫМ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫМ НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА. / Линьков В.А., Линьков Ю.В., Линьков П.В.).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности, при сканировании боковых стенок наноколодцев, осуществлять возбуждение нанокомпозитного излучающего элемента наиболее безопасным для биотканей, ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань при диагностировании биологических объектов в оптическом диапазоне длин волн.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше решений заключается в том, что в сквозные нанометровые поры малого диаметра магнитопрозрачной полимерной сферы введены апконвертирующие наночастицы, заменяющие квантовые точки, возбуждаемые ультрафиолетовым светом. Для возбуждения апконвертирующих наночастиц, введены первый и второй внешние источники возбуждения апконвертирующих наночастиц работающие на различных выделенных длинах волн в диапазоне ближнего инфракрасного света, что позволяет снизить или исключить радиационную нагрузку цитотоксичного ультрафиолетового излучения на исследуемые живые биологические клеточные культуры. Введение апконвертирующих наночастиц, возбуждаемых ближним инфракрасным светом позволило увеличить глубину исследования наноколодцев до глубины 4-7 мм за счет минимального поглощения большинством биомолекул ближнего инфракрасного света в диапазоне длин волн от 700-1100 нм в «окне прозрачности» биоткани, а использование двунаправленного встречного возбуждения апконвертирующих наночастиц позволило увеличить глубину исследования изогнутых (волнообразных) наноколодцев в два раза, до 8-14 мм и уменьшить эффекты фотоповреждения биоткани. Это также позволило осуществить сканирование боковых стенок наноколодцев на разных длинах волн, полученных в результате антистоксового сдвига относительно различных выделенных длин волн возбуждения апконвертирующих наночастиц.

Техническим результатом является возможность осуществления возбуждения нанокомпозитного излучающего элемента наиболее безопасным ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань при сканировании боковых стенок наноколодцев диагностируемых биологических объектов в оптическом диапазоне длин волн.

Технический результат предложенной полезной модели достигается совокупностью существенных признаков, а именно: сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной полимерной сфере, содержащей сквозные нанометровые поры, из которых сквозные нанометровые поры большого диаметра заполнены магнитными наночастицами с одинаковым направлением ориентации полюсов, структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой электропроводящей зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующею скобу, на которой закреплены и направлены на центр магнитопрозрачной полимерной сферы первый и второй внешние источники магнитного поля в виде первой и второй плоских микрокатушек, размещенных на оптомагнитопрозрачных подложках и соединенных с выходами первого и второго ЦАП, апконвертирующие наночастицы структуры ядро-оболочка, диаметр которых меньше диаметра магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, первый и второй внешние источники возбуждения апконвертирующих наночастиц, излучающие различные выделенные длины волн в диапазоне ближнего инфракрасного излучения, закрепленные на противоположных сторонах С-образной синхронно-центрирующей скобы и оптические оси которых направлены на центр магнитопрозрачной полимерной сферы, сквозные нанометровые поры малого диаметра которой заполнены апконвертирующими наночастицами структуры ядро-оболочка, без выхода их оболочек за сферическую поверхность магнитопрозрачной полимерной сферы.

Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1, где представлен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 3 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе в период автономного функционирования отделяемого телеуправляемого нанокомпозитного излучающего элемента сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка фиг. 1, включает магнитопрозрачный кантилевер 1, соединенный с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, магнитопрозрачную полимерную сферу 3 со сквозными нанометровыми порами малого 4 диаметра, и со сквозными нанометровыми порами большого 5 диаметра, апконвертирующие наночастицы 6 структуры ядро-оболочка, магнитные 7 наночастицы структуры ядро-оболочка, двухслойную углеродную нанотрубку 8, состоящею из вложенной одна в другую внутреннею углеродную нанотрубку малого диаметра 9, внешнею углеродную нанотрубку большего диаметра 10, первую плоскую 11 микрокатушку, вторую плоскую 12 микрокатушку, первый цифро-аналоговой преобразователь (ЦАП) 13, второй цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 14, первый внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 15, второй внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 16, С-образную синхронно-центрирующею магнитопрозрачную скобу 17. Также на фиг. 1 представлена оптомагнитопрозрачная подложка 18 с размещенным на ней диагностируемым объектом 19, содержащим наноколодцы, заполненные электропроводяцей жидкостью в момент соприкосновения его с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2. Элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2 и фиг. 3.

С помощью С-образной синхронно-центрирующей скобы 17, осуществляется синхронное перемещение кантилевера 1 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 по координатам X, Y и первой плоской микрокатушки 11 синхронно со второй плоской микрокатушкой 12, которые жестко закреплены и выставлены параллельно друг другу с юстировкой их центров по одной оси, проходящей через центр магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Первый 15 и второй 16 внешние источники возбуждения апконвертирующих наночастиц закреплены на противоположных сторонах С-образной синхронно-центрирующей скобы 17 с направлением их оптических осей на центр магнитопрозрачной полимерной сферы 3 для возбуждения апконвертирующих наночастиц, перемещаемых с помощью магнитного поля в исследуемой зоне по координате Z.

Первый внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 15 осуществляет возбуждение апконвертирующих наночастиц, расположенных в верхней полусфере магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Второй внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 осуществляет возбуждение апконвертирующих наночастиц, расположенных на нижней полусфере магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Первый 15 и второй 16, встречно направленные внешние источники возбуждения апконвертирующих наночастиц, через биоткань осуществляют возбуждение апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка на длинах волн 800-1100 нм и глубинах до 8-14 мм. (проникновение на 4-7 мм. с каждого направления). Для возбуждения апконвертирующих наночастиц могут быть использованы лазерные диоды с гауссовым профилем распределения интенсивности пучка (одномодовые лазерные диоды) и выделенными длинами волн, например, 975 нм и 808 нм и с плотностью мощности излучения (около 0.5 Вт см²) допустимой для работы с живой биотканью (in vivo).

В зависимости от программы исследований и для определения электрических реакций на определенной глубине погружения, временные комбинации импульсов возбуждений с длиной волны λ₁ или λ₂, воздействующие на апконвертирующие наночастицы, расположенные в верхней или в нижней полусфере, могут генерироваться одновременно или раздельно, по мере перемещения магнитопрозрачной полимерной сферы 3 по наноколодцу, сканируя его боковую стенку длинной волны λ₃.

Элементы 1, 2, 3, 17 выполнены магнитопрозрачными, что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Сквозные нанометровые поры малого 4 диаметра заполнены апконвертирующими наночастицами 6 структуры ядро-оболочка. Сквозные нанометровые поры большого 5 диаметра заполнены магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка. Ядро каждой магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка состоит из магнитожесткого материала, а внешняя оболочка сформирована из магнитомягкого материала. Дистанционное управление траекторией и скоростью реверсивного перемещения магнитопрозрачной полимерной сферы 3 по наноколодцу объекта диагностирования 19 осуществляется за счет взаимодействия постоянного магнитного поля магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка с изменяющимся (по величине и вектору направления) магнитным полем, создаваемым первой плоской 11 и второй плоской 12 микрокатушками, состоящими из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых соединены соответственно с выходами первого ЦАП 13 и второго ЦАП 14. Тип используемых первого ЦАП 13 и второго ЦАП 14 (их разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований.

Магнитопрозрачная полимерная сфера 3 соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 через двухслойную углеродную нанотрубку 8 структуры типа «русская матрешка» (russian dolls), представляющую совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных углеродных нанотрубок 9 и 10 с расстоянием между соседними графитовыми слоями (межтрубочное расстояние), близким к величине (приближенно равным) 0,34 нм, при котором силы Ван-дер-Ваальса минимальны. Вложенные одна в другую однослойные углеродные нанотрубоки 9, 10 образуют наноподшипник скольжения для перемещения магнитопрозрачной полимерной сферы 3 по электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей 2 игле с минимальным трением. Внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра 9 соединена с поверхностью электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, а внешняя поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 10 продета и закреплена в одной из сквозных нанометровых пор малого диаметра 4 магнитопрозрачной полимерной сферы 3, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем.

Минимальный диаметр магнитопрозрачной полимерной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных в нее апконвертирующих наночастиц 6 структуры ядро-оболочка и магнитных наночастиц 7 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 19.

Стрелками указываются направления возбуждающего λ₁, λ₂ ближнего инфракрасного излучения и преобразованного λ₃ по длине волны излучения, где λ₁ и λ₂ - длины волн внешних электромагнитных излучений для возбуждения апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 6, вызывающих их флуоресценцию, λ₃ - длина волны флуоресценции апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 6, смещенных на антистоксовый сдвиг относительно длины волны λ₁ или λ₂. Стрелками с символом

(первый и второй векторы магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешних магнитных полей, создаваемых первой плоской 11 и второй плоской 12 микрокатушками. Внешнее магнитное поле осуществляет притяжение или отталкивание магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка, закрепленных в корпусе магнотопрозрачной полимерной сферы 3, которая в свою очередь перемещает закрепленные в ней апконвертирующие наночастицы 6 структуры ядро-оболочка, при взаимодействии разнополярных или однополярных магнитных полей. Двунаправленной стрелкой с символом ΔZ показан примерный диапазон сканирования боковых стенок наноколодцев по координате Z объекта диагностирования 19.

Сверхконвертирующая флуоресценция относится к процессу антистоксового типа, в котором последовательное поглощение двух и более фотонов приводит к излучению света λ3 с более короткой длиной волны, чем длина волны возбуждения λ₁ или λ₂. Длина волны поглощения λ₁ или λ₂ каждой апконвертирующей наночастицы 6 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ₃ каждой апконвертирующей наночастицы 6 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром, сочетанием материала ядра и материала оболочки, их составом, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой апконвертирующей наночастицы структуры ядро-оболочка. Длина волны электромагнитного излучения апконвертирующих наночастиц, направленная на объект диагностирования, может находиться как в видимом диапазоне (400-700 нм), так и за его пределами, в ультрафиолетовой (200-400 нм) или ближней инфракрасной (700-1000 нм) зоне флуоресцентного излучения, в зависимости от антистоксового сдвига относительно длины волны возбуждения.

Для реализации полезной модели могут быть использованы, например известные технологии изготовления апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка повышающие конверсионные свойства композиции имеющие кубическую структуру (α) или гексагональную структуру (β), композиции α-NaYF₄: Yb, Er @ CaF₂. Рекомендуемый размер ядра - от 2 до 80 нм, а оболочка - толщиной от 2 до 40 нм. В качестве оболочки могут быть использованы другие материалы, улучшающие преобразовательные функции наночастиц, включающие в себя NaYF₄ (α или β), CaF₂, LiYF₄, NaGdF₄, NaScF₄, NaYbF₄, NaLaF₄, LaF₃, GdF₃, GdOF, La₂O₃, Lu₂O₃, Y₂O₃, Y₂O₂S, YbF₃, YF₃, KYF₄, KGdF₄, BaYF₅, BaGdF₅, NaLuF₄, KLuF₄ и BaLuF₅, но не ограничиваться ими. Сочетание компонентов и процентное содержание определяет интенсивность излучения тех или иных пиков в оптическом диапазоне от ультрафиолетового до красной области спектра, генерируемых апконвертирующими наночастицами (Patent №US 9956426 В2 Date of Patent: May 1, 2018, UPCONVERTING NANOPARTICLES).

В качестве дополнительной оболочки при синтезе апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка также может быть использован диоксид титана TiO₂, который наносится на ядро апконвертирующей наночастицы (TiO₂ coated NaYF₄:Yb, Tm @ SiO₂), в зависимости от процентного сочетания компонентов длина волны излучения может находиться в диапазоне от 330 нм до 675 нм (Patent Application Publication Pub. No.: US 20170000887 A1, Pub. Date: Jan. 5, 2017, UNIFORM CORE-SHELL TIO2 COATED UPCONVERSION NANOPARTICLES AND USE THEREOF).

Так же для получения апконвертирующих наночастиц может быть использован известеный способ синтеза биосовместимых апконвертирующих наночастиц α-NaYF₄: Yb, Tm @ CaF₂ в одном реакционном сосуде (в трехгорлой реакционной колбе) (Patent №US 10179177 В2 Date of Patent: jan.15, 2019, COATED UP-CONVERSION NANOPARTICLES), (Patent Application Publication Pub. No.: US 20190099505 A1, Pub. Date: Apr. 5, 2019, COATED UP-CONVERSION NANOPARTICLES).

Ферромагнитное ядро 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, MnOFe₂O_3, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt или их комбинации, но не ограничивается ими. Размер ядра одной магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка сформирована из магнитомягкого или суперпарамагнитного материала, например, может включать, по меньшей мере один материал, выбранный из групп, состоящих из Fe₃O₄, FeO, CoFe₂O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O_4, ZnMnFe₂O_4, 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 магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что, в свою очередь, защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 19 при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Для осуществления полезной модели могут быть использованы, например, известные технологии изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка (Patent Application Publication Pub. No.: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES), (Patent Application Publication Pub. No.: US 20140225024 A1 Pub. Date: Aug. 14, 2014 CORE_SHELL STRUCTURED NANOPARTICLE HAVING HARD-SOFT, MAGNETIC HETEROSTRUCTURE, MAGNET PREPARED WITH SAID NANOPARTICLE, AND PREPARING METHOD THEREOF), (Patent Application Publication Pub. No.: US 20130342297 A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 MAGNETIC EXCHANGE COUPLED CORE-SHELL NANOMAGNETS).

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной полимерной сферы 3 магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка и апконвертирующими наночастицами 6 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка в сквозные нанометровые поры 5 большого диаметра и, затем, за счет проникновения апконвертирующих наночастиц 6 структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными сквозные нанометровые поры малого 4 диаметра магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Например, аналогично процессу легирования 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 TQEREOF).

Вершина электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволки (Patent №.: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS).

Многослойная углеродная нанотрубка 8, состоящая из однослойной нанотрубки 9 малого диаметра вложенной в однослойную нанотрубку большего диаметра 10 (в совокупности, используемые в качестве наноподшипника скольжения), может быть соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой при помощи атомно-силового микроскопа или изготовлена выращиванием на электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле 2 при помощи известной технологии выращивания многослойной углеродной нанотрубки (используемой в качестве наноподшипника) непосредственно на оси вращения ротора НЭМС (нано электромеханической системы) электродвигателя или гироскопа с наружным диаметром внешней углеродной нанотрубки от 10 нм (Patent №.: US 8771525 В2, Date of Patent: Jul. 8, 2014, ROTARY NANOTUBT BEARING STRUCTURE AND METHODS FOR MANUFACTURING).

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицими структуры ядро-оболочка работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 19, расположенному на оптомагнитопрозрачной подложке 18, и касается поверхности электропроводящей жидкости, которой заполнен наноколодец объекта диагностирования 19 (фиг. 2), получая данные об электрических характеристиках элемента объекта диагностирования 19, до включения и после включения первого внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 15 с длиной волны λ₁ или включения и выключения второго внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 с длиной волны λ₂. В результате апконвертирующие наночастицы 6 структуры ядро-оболочка возбуждают поверхность наноколодца диагностируемого объекта 19 излучением длинной волны λ₃, определенной в зависимости от выбранного материала апконвертирующей наночастицы 6 структуры ядро-оболочка и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки и антистоксовому сдвигу относительно λ₁ или λ₂. В зависимости от программы проводимых исследований, диагностирование может проходить как в непрерывном режиме люминесценции, так и в импульсном режиме флуоресценции (т.е. освещение локального участка объекта диагностирования только излучением λ3 апконвертирующих наночастиц в интервале, равному времени их флуоресценции, после выключения первого внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 15 или второго внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 с целью исключения посторонних засветок и помех).

Одновременно на вход первого ЦАП 13 подается двоичный код, который в зависимости от выбранной программы исследований, определяет форму и частоту повторения электрического сигнала, поступающего на обмотку первой плоской 11 микрокатушки, создающей внешнее управляющее магнитное поле

направленное на центр перемещаемой по координате Z магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Магнитные полюса всех магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка постоянно ориентированы параллельно электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле 2 и в совокупности образуют структуру со свойствами постоянного магнита.

Под действием электрических управляющих сигналов с выхода первого ЦАП 13 и второго ЦАП 14 (например, чередующихся импульсов с положительной и отрицательной полярностью, различной амплитудой и длительностью) первая плоская 11 микрокатушка и вторая 12 плоская микрокатушка создают внешнее магнитное поле с той или иной величиной и направлением магнитных силовых линий, в соответствии с направлением которых при взаимодействии постоянного магнитного поля магнитопрозрачной полимерной сферы 3 с переменным магнитным полем, создаваемым первой 11 и второй 12 плоскими микрокатушками в диапазоне ΔZ, происходит последовательное перемещение магнитопрозрачной полимерной сферы 3 с апконвертирующими наночастицами 6 структуры ядро-оболочка вниз или вверх по координате Z параллельно сканируемой боковой стенки наноколодца объекта диагностирования 19. При диагностировании глубоких наноколодцев, глубина которых больше длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы (возможно в десятки раз), на вход второго ЦАП 14 подается код, который увеличивает ток, проходящий по обмотке второй плоской микрокатушки 12, которая, в свою очередь, увеличивает силу притяжения магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка 7, размещенных в магнитопрозрачной полимерной сфере 3. В результате магнитопрозрачная полимерная сфера 3 соскальзывает с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 и начинает погружаться на дно наноколодца (фиг. 3) одного из элементов объекта диагностирования 19. Скорость сканирования стенок наноколодца определяется скоростью изменения двоичного кода, поступающего на вход первого ЦАП 13 и второго 14 ЦАП. В режиме «погружение» (фиг. 3) первая плоская микрокатушка 11 создает поле

и осуществляет функции торможения или подталкивания магнитопрозрачной полимерной сферы 3 (в зависимости от полярности сигналов подаваемых на первую микрокатушку 11, она создает магнитное поле, которое притягивает или отталкивает магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка 7, расположенные в магнитопрозрачной полимерной сфере 3), а вторая микрокатушка 12 осуществляет функции стаскивания магнитопрозрачной полимерной сферы 3 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, при выполнении условия

В зависимости от сочетаний комбинаций включений и выключений первого 15 и второго 16 внешних источников возбуждения апконвертирующих наночастиц на разных участках сканирования осуществляется сканирование разными длинами волн λ₃, сформированными в зависимости от антистоксового сдвига относительно различных выделенных длин волн λ₁ и λ₂. При обратном сканировании (в режиме «всплытие») соотношение величин

меняются местами

И магнитопрозрачная полимерная сфера 3, пристыковавшись, занимает исходное положение на вершине электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, (если по программе исследований требуется ее возвращение). После этого осуществляется переход к исследованию следующего наноколодца.

Предложенная конструкция сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения характеристик электрических сигналов на поверхности объекта диагностирования, в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения на каждый наноколодец с координатами X, Y, непосредственно расположенный под вершиной электропроводящей магнотопрозрачной иглы и получить дополнительную информацию при сканировании по координате Z наноколодцев, глубинны которых в десятки раз больше длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы. Возможность осуществления возбуждения отделяемого нанокомпозитного излучающего элемента, состоящего из апконвертирующих и магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, наиболее безопасным ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткани при сканировании боковых стенок наноколодцев, диагностируемых биологических объектов, позволило исследовать живые наноструктуры на глубинах в десятки раз больших длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.

Claims (1)

1. Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной полимерной сфере, содержащей сквозные нанометровые поры, из которых сквозные нанометровые поры большого диаметра заполнены магнитными наночастицами с одинаковым направлением ориентации полюсов, структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой электропроводящей зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующею скобу, на которой закреплены и направлены на центр магнитопрозрачной полимерной сферы первый и второй внешние источники магнитного поля в виде первой и второй плоских микрокатушек, размещенных на оптомагнитопрозрачных подложках и соединенных с выходами первого и второго ЦАП, отличающиеся тем, что содержит апконвертирующие наночастицы структуры ядро-оболочка, диаметр которых меньше диаметра магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, первый и второй внешние источники возбуждения апконвертирующих наночастиц, излучающие различные выделенные длины волн в диапазоне ближнего инфракрасного излучения, закрепленные на противоположных сторонах С-образной синхронно-центрирующей скобы и оптические оси которых направлены на центр магнитопрозрачной полимерной сферы, сквозные нанометровые поры малого диаметра которой заполнены апконвертирующими наночастицами структуры ядро-оболочка, без выхода их оболочек за сферическую поверхность магнитопрозрачной полимерной сферы.

Images