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

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 такие методики высокоразрешающей оптической микроскопии, как стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия (STORM), фотоактивирующая локализационная микроскопия (PALM) и микроскопия на основе подавления спонтанного испускания (STED). Изменения, связанные с системой лазерного возбуждения, потребуются для использования 3D-версии новейшей методики фотоиндуцированной силовой микроскопии (PiFM). Значительно более серьезные изменения потребуются в случае преобразования 2D в 3D АСМ–ИК.
 
 
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:
 
атомно-силовая микроскопия: контактная, полуконтактная, латеральная, фазовая, магнитная, электростатическая, Кельвин мода, отображение сопротивления растекания;
методики оптической микроскопии: конфокальная флуоресцентная микроскопия, микро-спектроскопия комбинационного рассеяния;
зондово-оптические методы: спектроскопия комбинационного рассеяния с усилением наконечника (TERS), рассеивающая ближнепольная оптическая микроскопия (s-SNOM);
3D реконструкция морфологической/оптической структуры 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

Порядок оказания услуг на УНУ
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля
Введите описание файла
Приказ о создании УНУ
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля
Введите описание файла
Форма заявки на выполнение работ
docx, 16.96 Кб 2 Февраля
Введите описание файла
Регламент оказания услуг
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля
Введите описание файла
Положение об УНУ
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля
Введите описание файла
Перечень услуг
pdf, 5.64 Мб 2 Февраля
Введите описание файла