Уникальная научная установка «Система зондово-оптической 3D корреляционной микроскопии»

Система зондово-оптической 3D корреляционной микроскопии является уникальной разработкой, не имеющей аналогов в мире.

 

Система зондово-оптической 3D корреляционной микроскопии является уникальной разработкой, не имеющей аналогов в мире. Данная установка была создана в сотрудничестве с учеными из ФНЦТИО им. ак. В.И. Шумакова Минздрава России, ООО "СНОТРА" (резидент Сколково) и НИЯУ МИФИ. 

Установка позволяет на одном и том же участке образца проводить исследования материалов различных типов, в том числе биологических, с использованием методик сканирующей зондовой микроскопии, ультрамикротомии и оптической микроскопии.

Установка включает в себя специально разработанные и оптимизированные блоки: система модификации поверхности образца (ультрамикротом), система сканирующей зондовой микроскопии, оптический блок с конфокальным модулем, монохроматор Shamrock 750 (Andor) с CCD-камерой DU971P-BV (Andor Technology), перестраиваемый Ar-лазер, He-Ne лазер Melles Griot 25-LHP-928-230, фотодиодный лазер (532 нм).

Система модификации поверхности образца позволяет делать ультратонкие срезы образца в масштабах до 20 нм. За счет использования специальных алмазных ножей для ультрамикротома осуществляется возможность срезов образцов различных материалов (биологические структуры, полимерные материалы, нанокомпозитные материалы, содержащие наночастицы и др.).

Система сканирующей зондовой микроскопии позволяет проводить исследование образца зондовыми методиками, такими как атомно-силовая микроскопия, микроскопия поверхностного потенциала и др. Данная система оборудована устройством точного позиционирования, за счет чего способна возвращаться в одну и ту же область сканирования с погрешностью ±0.6 мкм.

Описанные блоки в комбинации с оптическим блоком, системой облучения и монохроматором с CCD дают уникальную возможность исследования одного и того же участка образца одновременно множеством методов. Кроме того, специальное программное обеспечение обрабатывает полученные массивы данных и позволяет получить 3D реконструкцию анализируемого материала.

Планируемое усовершенствование УНУ позволит осуществлять следующие методики высокоразрешающей оптической микроскопии в режиме 3D:

• Микроспектроскопия усиленного СЗМ-зондом комбинационного рассеяния (флуоресценции) (3D-TERS).

• Ближнепольная оптическая микроскопия в режиме рассеяния света СЗМ-зондом (3D s-SNOM).

• Стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия (3D STORM).

• Фотоактивационная локализационная микроскопия (3D PALM).

• Микроскопия на основе подавления спонтанного испускания (3D STED).

• Для реализации 3D-версии методики фотоиндуцированной силовой микроскопии (3D PiFM) потребуются изменения системы лазерного возбуждения.

• Значительно более серьезные изменения оптической схемы потребуются в случае реализации 3D-версии наномасштабной ИК-спектроскопии 3D AFM-IR.

 

Основные направления исследований с использованием УНУ:

• анализ морфологии поверхностей;

• анализ объемного распределения структурных элементов в материалах;

• получение оптических характеристик;

• характеризация и контроль качества наногибридных композитов;

• наномасштабный анализ химического состава исследуемых наноструктур;

• анализ электрических, магнитных, механических свойств многокомпонентных материалов;

• многопараметрический корреляционный объемный анализ композитных наноструктур.

 

Основные реализуемые методики:

• Сканирующая-зондовая микроскопия: контактная, полуконтактная, латеральная, фазовая, магнитная, электростатическая, Кельвин мода, отображение сопротивления растекания.

• Конфокальная оптическая микроспектроскопия.

• 3D реконструкция всех оптических и СЗМ данных о морфологической химической структуре образца.

 

 

За последние 5 лет с использованием УНУ получены следующие наиболее значимые научные результаты:

С применением УНУ были проведены работы по исследования ряда гибридных композитных полимеров с люминесцентными наночастицами. Такие структуры являются уникальными материалами, сочетающими хорошие механические свойства полимерной матрицы и люминесцентные свойства встраиваемых наночастиц. В частности, были получены данные по распределению и агрегации квантовых точек в различных нанопористых полипропиленовых матрицах. Была проведена реконструкция 3D наноструктур жидкокристаллических матриц с включенными в них квантовыми точками. Была изучена поверхностная топология аморфных, нематических, кристаллических пленок азобензол содержащих соединений. Были обнаружены условия перехода нематических и кристаллических фаз в изотропную фазу. Проведено всестороннее изучение оптических и электрических характеристик циркулярно поляризованной эмиссии. Такие соединения имеют принципиальное значение для решения широкого круга задач, связанных с исследованием поверхностных явлений в коллоидной и физической химии, такие как модификации поверхности для химических и каталитических реакций, заранее определенной морфологии поверхностей и интерфейсов в мягкой материи и химической и биохимической детекции, сенсорики и оптики.
 
Bobrovsky, A., Shibaev, V., Abramchuk, S., Elyashevitch, G., Samokhvalov, P., Oleinikov, V., Mochalov, K. Quantum dot–polymer composites based on nanoporous polypropylene films with different draw ratios. (2016) European Polymer Journal, 82, pp. 93-101;
 
Bobrovsky, A., Mochalov, K., Oleinikov, V., Solovyeva, D., Shibaev, V., Bogdanova, Y., Hamplová, V., Kašpar, M., Bubnov, A. Photoinduced Changes of Surface Topography in Amorphous, Liquid-Crystalline, and Crystalline Films of Bent-Core Azobenzene-Containing Substance. (2016) Journal of Physical Chemistry B, 120 (22), pp. 5073-5082;
 
Efimov, A.E., Bobrovsky, A.Y., Agapov, I.I., Agapova, O.I., Oleinikov, V.A., Nabiev, I.R., Mochalov, K.E. Scanning near-field optical nanotomography: a new method of multiparametric 3D investigation of nanostructural materials. (2016) Technical Physics Letters, 42 (2), pp. 171-174;
 
Bobrovsky, A., Shibaev, V., Elyashevitch, G., Mochalov, K., Oleynikov, V. Polyethylene-based composites containing high concentration of quantum dots. (2015) Colloid and Polymer Science, 293 (5), pp. 1545-1551;
 
Bobrovsky, A., Mochalov, K., Chistyakov, A., Oleinikov, V., Shibaev, V. AFM study of laser-induced crater formation in films of azobenzene-containing photochromic nematic polymer and cholesteric mixture. (2014) Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 275, pp. 30-36;
 
Mochalov, K.E., Efimov, A.E., Oleinikov, V.A., Nabiev, I. High-resolution Scanning Near-field Optical Nanotomography: A Technique for 3D Multimodal Nanoscale Characterization of Nano-biophotonic Materials. (2015) Physics Procedia, 73, pp. 168-172;
 
Bobrovsky, A., Mochalov, K., Chistyakov, A., Oleinikov, V., Shibaev, V. Features of double-spiral "valley-hills" surface topography formation in photochromic cholesteric oligomer-based films and their changes under polarized light action. (2012) Macromolecular Chemistry and Physics, 213 (24), pp. 2639-2646;
 
Mochalov, K.E., Efimov, A.E., Bobrovsky, A., Agapov, I.I., Chistyakov, A.A., Oleinikov, V., Sukhanova, A., Nabiev, I. Combined scanning probe nanotomography and optical microspectroscopy: A correlative technique for 3D characterization of nanomaterials. (2013) ACS Nano, 7 (10), pp. 8953-8962;
 
Mochalov, K.E., Efimov, A.E., Bobrovsky, A.Y., Agapov, I.I., Chistyakov, A.A., Oleinikov, V.A., Nabiev, I. High-resolution 3D structural and optical analyses of hybrid or composite materials by means of scanning probe microscopy combined with the ultramicrotome technique: An example of application to engineering of liquid crystals doped with fluorescent quantum dots. (2013) Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 8767, art. no. 876708;
 
Bobrovsky, A., Mochalov, K., Oleinikov, V., Sukhanova, A., Prudnikau, A., Artemyev, M., Shibaev, V., Nabiev, I. Optically and electrically controlled circularly polarized emission from cholesteric liquid crystal materials doped with semiconductor quantum dots. (2012) Advanced Materials, 24 (46), pp. 6216-6222;
 
Mochalov, K.E., Bobrovsky, A.Yu., Oleinikov, V.A., Sukhanova, A.V., Efimov, A.E., Shibaev, V., Nabiev, I. Novel cholesteric materials doped with CdSe/ZnS quantum dots with photo- and electrotunable circularly polarized emission. (2012) Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 8475, art. no. 847514
 
В области исследований биологических структур возможности УНУ позволили охарактеризовать тест-систему для мультипараметрического определения простато-специфического антигена сыворотке человека.  Также, УНУ позволила исследовать особенности микро- и наноструктуры биополимерных матриксов.  Благодаря оптическим методикам УНУ было установлены особенности взаимодействия фоточувствительного белка бактериоородопсина и его мутантной формы с металлическими и полупроводниковыми наночастицами.
 
K. Brazhnik, Z. Sokolova, M Baryshnikova, R. Bilan, A.E. Efimov, I. Nabiev, A Sukhanova. Quantum dot-based lab-on-a-bead system for multiplexed detection of free and total prostate-specific antigens in clinical human serum samples. (2015) Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, Vol. 11 , Issue 5, pp. 1065 – 1075;
 
Efimov, A.E., Agapova, O.I., Mochalov, K.E., Agapov, I.I. Three-dimensional Analysis of Nanomaterials by Scanning Probe Nanotomography. (2015) Physics Procedia, 73, pp. 173-176;
 
Mochalov, K., Solovyeva, D., Chistyakov, A., Zimka, B., Lukashev, E., Nabiev, I., Oleinikov, V. Raman and SERS Spectroscopy of D96N Mutant Bacteriorhodopsin. (2016) Materials Today: Proceedings, 3 (2), pp. 497-501.
 
Mochalov, K., Solovyeva, D., Chistyakov, A., Zimka, B., Lukashev, E., Nabiev, I., Oleinikov, V. Silver Nanoparticles Strongly Affect the Properties of Bacteriorhodopsin, a Photosensitive Protein of Halobacterium Salinarium Purple Membranes. (2016) Materials Today: Proceedings, 3 (2), pp. 502-506.
 
Mochalov, K., Solovyeva, D., Chistyakov, A., Zimka, B., Lukashev, E., Nabiev, I., Oleinikov, V. Raman and SERS Spectroscopy of D96N Mutant Bacteriorhodopsin. (2016) Materials Today: Proceedings, 3 (2), pp. 497-501.
 
Особенности уникальной разработанной головки для СЗМ, входящей в состав УНУ,
описаны в работе: 
 
Efimov, A.E., Agapov, I.I, Agapova, O.I., Oleinikov, V.A., Mezin, A.V., Michael Molinari, M., 
Nabiev, I., Mochalov, K.E. A novel design of a scanning probe microscope integrated with an ultramicrotome for serial block-face nanotomography. (2017) Rev. Sci. Instrum. 88, 023701.

 

Руководитель работ:

доктор физ.-мат. наук, ученый секретарь, зав. лабораторией молекулярной биофизики ИБХ РАН

Владимир Александрович Олейников

Контакты:

Адрес: Российская Федерация, 117997 Москва, улица Миклухо-Маклая, дом 16/10

Телефон руководителя: +7 (495) 330 5974

e-mail: voleinik@mail.ru

Файлы

img 28
JPG, 1.96 Мб 20 Апреля 2020 года
img 27
JPG, 2.14 Мб 20 Апреля 2020 года
img 26
JPG, 2.03 Мб 20 Апреля 2020 года
IMG_6524
JPG, 2.34 Мб 20 Апреля 2020 года
Введите описание файла
Пример типового договора
doc, 68 Кб 24 Апреля 2018 года
Введите описание файла
Порядок оказания услуг на УНУ
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля 2017 года
Введите описание файла
Приказ о создании УНУ
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля 2017 года
Введите описание файла
Форма заявки на выполнение работ
docx, 16.96 Кб 2 Февраля 2017 года
Введите описание файла
Регламент оказания услуг
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля 2017 года
Введите описание файла
Положение об УНУ
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля 2017 года
Введите описание файла
Перечень услуг
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля 2017 года
Введите описание файла