Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии Российский патент 2018 года по МПК G01Q30/14 B82Y35/00 

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) и касается проточной жидкостной ячейки, которая может быть использована при проведении исследований и обнаружения нано- и микрообъектов (вироидов, вирусов, бактерий, наночастиц и т.д.) с использованием атомно-силовой микроскопии.

Источники информации, описывающие устройство жидкостных ячеек для СЗМ, относительно немногочисленны.

Известна жидкостная ячейка для СЗМ, содержащая резервуар для жидкости, держатель кантилевера и держатель образца (патент России RU 2210731 С2, 2003, МПК⁷ G01B 7/34). Данное техническое решение имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как наличие у ячейки держателя кантилевера и держателя образца. Недостатком описанной ячейки является то, что она не является проточной, что уменьшает вероятность обнаружения исследуемых микро- и нанообъектов.

Наиболее близкой к заявляемой является известная проточная жидкостная ячейка для СЗМ, состоящая из нижнего основания (платформы), верхнего основания (платформы), содержащего держатель кантилевера, и каналов для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости (патент США US 7017398 В2, 28.03.2008, МПК G01N 13/16, 01.2006) - прототип. Известное техническое решение имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как наличие верхнего основания, содержащего держатель кантилевера, нижнего основания и каналов для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости.

Недостатком известной ячейки является то, что ее эксплуатация достаточно сложна, что связано со сложностью установки ячейки в микроскопе, возможностью протекания ячейки в процессе эксплуатации, а также сложностью снятия ячейки с микроскопа после окончания исследований без разгерметизации ячейки и исключения возможности попадания объектов исследования, например вирусов, в окружающую среду.

Технической проблемой изобретения является разработка проточной жидкостной ячейки для СЗМ, лишенной указанных недостатков.

Технический результат изобретения заключается в упрощении процессов установки и снятия ячейки в микроскопе и устранении возможности протекания ячейки в процессе эксплуатации.

Предварительно были проведены эксперименты с различными проточными жидкостными ячейками для СЗМ, которые показали, что указанный технический результат достигается в том случае, когда у проточной жидкостной ячейки для СЗМ, состоящей из нижнего основания, верхнего основания, содержащего держатель кантилевера, и каналов для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости, нижнее основание содержит в нижней части своего корпуса углубление, в верхней части которого расположено соединенное с ним сквозное отверстие, герметично закрытое снизу расположенной горизонтально упругой пленкой, расположенный сверху на пленке магнитный или проявляющий свойства ферромагнетика съемный первый элемент, съемный второй элемент с, по крайней мере, одним пазом на боковой поверхности, параллельным плоским горизонтальным частям торцевых плоскостей элемента, находящийся под пленкой и проявляющий свойства ферромагнетика или магнита, при этом корпус основания содержит в углублении, по крайней мере, один паз, в котором находится часть фиксатора вертикального перемещения второго элемента с возможностью извлечения фиксатора, выполненного в виде пластины с прорезью, из углубления при его прямолинейном перемещении, по крайней мере, по одному пазу с возможностью установки второго элемента в прорези фиксатора за счет имеющегося у второго элемента указанного, по крайней мере, одного паза, причем хотя бы один из первого и второго элементов выполнен из магнитного материала, и верхнее основание ячейки содержит плоское оптически прозрачное закрытое окно, под которым расположена, по крайней мере, часть держателя кантилевера, которая у собранной ячейки находится в отверстии корпуса нижнего основания ячейки над первым элементом. При этом каналы для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости могут быть расположены в корпусе верхнего основания ячейки или в корпусе нижнего основания ячейки или один из каналов может располагаться в верхнем основании ячейки, а другой в нижнем основании и упругая пленка выполнена из полимерного материала или из металла. Следует отметить, что у первого элемента нижняя сторона выполнена так, что обеспечивает устойчивость элемента на горизонтальной поверхности и, по крайней мере, часть верхней стороны элемента является плоской и горизонтальной. У второго элемента его нижняя сторона выполнена так, что обеспечивает устойчивость элемента на горизонтальной поверхности, а верхняя сторона выполнена так, что обеспечивает устойчивость повернутого на 180 градусов в вертикальной плоскости элемента на горизонтальной поверхности.

Предлагаемое техническое решение является новым и не описано в научно-технической литературе.

Проточные жидкостные ячейки по сравнению с непроточными жидкостными ячейками позволяют увеличить вероятность обнаружения исследуемых нано- и микрообъектов как биологического происхождения, так и небиологического.

Такие ячейки могут быть использованы для проведения исследований в среде различных жидкостей, например в водной среде, физиологическом растворе, биологических жидкостей человека, животных, растений и т.д. При этом используемая жидкость не должна оказывать разрушающего влияния на материалы ячейки.

Предлагаемая ячейка может быть использована для проведения исследований с использованием СЗМ различных марок и моделей, например ФемтоСкан, Bruker, НТ-МДТ, Asylum Research и т.д.

Ячейка для СЗМ обязательно должна иметь нижнее основание (нижнюю платформу), верхнее основание (верхнюю платформу) и держатель кантилевера. Если хотя бы один из этих конструктивных элементов будет отсутствовать, то ячейка утрачивает свою работоспособность. При этом геометрические размеры собранной ячейки и ее форма (круглая, прямоугольная, квадратная и т.д.) могут варьироваться в зависимости от конкретной решаемой задачи, причем геометрические размеры и форма верхнего и нижнего оснований могут быть как одинаковы, так и отличаться друг от друга. Следует отметить, что верхнее основание ячейки должно плотно закрепляться на нижнем основании с обеспечением герметичности собранной конструкции, достигаемой различными способами, например использованием фиксирующих магнитных элементов в каждом из оснований, фиксирующих составов, например герметика и т.д., наносимых на нижний торец верхнего основания ячейки и/или на верхний торец нижнего основания ячейки. Кроме того, в предлагаемом техническом решении ячейка обязательно должна иметь каналы для подачи и отвода циркулирующей жидкости, без которых нельзя осуществлять циркуляцию исследуемой жидкости в ячейке.

У предложенного устройства верхнее и нижнее основания могут быть изготовлены из различных немагнитных материалов, например, таких как пластик, алюминий, нержавеющая сталь, медь и т.д. Использование немагнитных материалов обусловлено тем, что метод СЗМ, как правило, связан с использованием магнитного воздействия, и использование магнитовосприимчивых материалов может быть нежелательно.

Следует отметить, что нижнее основание должно содержать в нижней части своего корпуса углубление, в верхней части которого расположено соединенное с ним сквозное отверстие, герметично закрытое снизу расположенной горизонтально, без провисания, упругой пленкой. При этом углубление в нижней части корпуса основания может как проходить через весь корпус основания, так и занимать в нем только определенную часть, например горизонтальное сечение корпуса углубления может иметь форму буквы «П». В этом случае форма закрытой стороны углубления принципиального значения не имеет. Боковые стенки углубления могут быть как вертикальными, так и не вертикальными. Если нижнее основание ячейки не будет содержать в нижней части своего корпуса углубление или, если корпус нижнего основания не будет иметь соединенного с углублением вертикального сквозного отверстия, герметично закрытого снизу упругой пленкой, то предложенное техническое решение становится неработоспособным.

У предложенного устройства сквозное отверстие в корпусе нижнего основании ячейки должно быть снизу закрыто упругой пленкой, использование которой позволяет обеспечить герметичность проточной жидкостной ячейки. У предлагаемой ячейки жесткое закрепление упругой пленки на верхней стенке корпуса в углублении может быть осуществлено с помощью фиксирующего состава, например клея, или путем локального нагрева контура пленки, находящегося на верхней стенке углубления, приводящего к фиксации пленки на нем за счет приваривания одного материала к другому. В этом случае пленка будет являться конструктивным элементом корпуса нижнего основания ячейки.

Использование упругой пленки дает возможность передать конструктивному первому элементу предлагаемого технического решения движение от второго элемента ячейки, в процессе исследований находящегося на способном к перемещению предметном столике микроскопа.

Геометрические размеры сквозного отверстия в корпусе нижнего основания могут быть различными, однако они не должны превышать размеры верхней стенки углубления. Такое отверстие может быть круглым, эллипсовидным, прямоугольным и т.д., при этом отверстие может быть как вертикальным, так и не вертикальным. Геометрические размеры отверстия также должны давать возможность помещать туда первый конструктивный элемент и размещать над ним, по крайней мере, часть держателя кантилевера с установленным в нем кантилевером. При невыполнении этих условий ячейка утрачивает свою работоспособность.

У предлагаемой ячейки пленка может быть изготовлена из различных упругих полимеров, например, таких как полиэтилен, полиуретан, бутадиеновый каучук, полиизопреновый каучук и т.д. При этом толщина пленки может быть различной, зависеть от ее химического строения и конкретной решаемой задачи и составлять, например, 0,01-1,00 мм. Также возможно изготовление упругой пленки из металла. В этом случае часть металлической пленки может иметь на поверхности концентрические гофры, а край пленки должен оставаться гладким для облегчения закрепления пленки на корпусе нижнего основания ячейки с обеспечением герметичности собранной ячейки. При использовании металлической пленки ее толщина зависит от свойств используемого металла и также может варьироваться. Если у ячейки упругая пленка будет вообще отсутствовать или если пленка не будет упругой, то предложенное техническое решение утрачивает работоспособность.

В предложенном техническом решении сверху на пленке обязательно должен располагаться съемный первый конструктивный элемент, обладающий магнитными или ферромагнетическими свойствами, который в процессе исследования выполняет функцию держателя исследуемых объектов (образцов). Наличие магнитных или ферромагнетических свойств у первого элемента обусловлено тем, что конструкция ячейки предполагает обязательное использование второго конструктивного элемента, магнитные свойства которого должны обеспечивать притягивание друг к другу первого и второго элементов. При этом хотя бы один из элементов обязательно должен быть магнитом. Если оба элемента будут магнитами, то первый и второй элемент необходимо располагать так, чтобы они притягивались друг к другу, но не отталкивались друг от друга. В противном случае предлагаемая ячейка утрачивает свою работоспособность.

Следует отметить, что у предлагаемой ячейки первый конструктивный элемент обязательно должен быть съемным, что позволяет использовать первый элемент с различными геометрическими размерами и формой, а также после окончания исследований проводить дезинфекцию поверхности первого элемента для предотвращения нежелательного попадания не всегда безопасных объектов исследования в окружающую среду. Если элемент будет несъемным, то осуществить это будет невозможно. При этом форма первого элемента может быть различной, например первый элемент может быть выполнен в виде диска, круглого цилиндра, эллипсообразного цилиндра, параллелепипеда и т.д. Геометрические размеры первого конструктивного элемента могут варьироваться в широких пределах в зависимости от конкретной решаемой задачи, но не превышать размеров закрытого упругой пленкой отверстия в нижнем основании ячейки.

У предлагаемого устройства нижняя сторона первого элемента должна быть выполнена так, чтобы обеспечивать устойчивость элемента на горизонтальной поверхности. При этом нижняя сторона первого элемента может быть плоской или нижняя плоская сторона элемента может содержать углубление произвольной формы. Также возможно, что нижняя сторона первого элемента может содержать один или несколько плоских выступов, не нарушающих устойчивости первого элемента.

Следует отметить, что, по крайней мере, часть верхней стороны первого элемента обязательно должна быть плоской и горизонтальной. То есть при расположении первого элемента на горизонтальной поверхности, по крайней мере, часть верхней стороны элемента должна располагаться горизонтально. При невыполнении этих условий проведение исследований изучаемых объектов сильно затрудняется. Форма боковой поверхности первого элемента может быть любой.

В предложенной ячейке нижняя сторона второго элемента должна быть выполнена так, чтобы обеспечить устойчивость элемента на горизонтальной поверхности. При этом у второго элемента нижняя сторона может быть плоской или быть плоской и содержать углубление, а также нижняя сторона может содержать один или несколько плоских выступов, не нарушающих устойчивость второго элемента. Такая геометрия нижней стороны второго элемента обеспечивает его хорошее сцепление с предметным столиком СЗМ.

У предлагаемого устройства верхняя сторона второго элемента должна быть выполнена так, чтобы обеспечивать устойчивость повернутого на 180 градусов в вертикальной плоскости элемента на горизонтальной поверхности. Это позволит осуществить хорошее сцепление первого и второго элементов за счет их магнитного взаимодействия и в полной мере обеспечит передачу движения от предметного столика микроскопа на первый элемент, содержащий исследуемый объект. Верхняя сторона второго элемента также может быть плоской или содержать углубление или один или несколько плоских выступов. При наличии на верхней плоской стороне второго элемента углубления форма такого углубления может быть произвольной. При наличии на этой стороне плоского выступа, не нарушающего устойчивость перевернутого на 180 градусов в вертикальной плоскости второго элемента, форма остальной части верхней стороны второго элемента может быть любой.

Особенность использования предлагаемой ячейки заключается в том, что второй элемент должен размещаться под упругой пленкой в зафиксированном по высоте положении, что достигается путем использования фиксатора вертикального перемещения второго элемента. Кроме того, второй элемент должен иметь возможность как удерживаться в фиксаторе, так и оставаться под пленкой за счет примагничивания к первому элементу при извлечении фиксатора из нижнего основания. Это достигается наличием на боковой поверхности второго элемента, по крайней мере, одного паза, параллельного плоским горизонтальным торцевым плоскостям элемента, и наличием прорези в фиксаторе. При этом расстояние между пазом на боковой поверхности второго элемента и верхней его торцевой частью должно быть подобрано так, чтобы второй элемент мог размещаться под пленкой, закрывающей сквозное отверстие в корпусе нижнего основания ячейки, и располагаться под находящимся на пленке первым элементом. Если второй элемент не будет содержать на боковой поверхности, по крайней мере, один паз или если такой паз будет не параллельным плоским горизонтальным торцевым частям элемента, то предлагаемая ячейка утрачивает свою работоспособность.

Геометрические размеры второго элемента могут быть различными, однако второй элемент должен иметь возможность быть размещенным под закрытым пленкой отверстием в корпусе нижнего основания ячейки и помещаться в прорезь фиксатора вертикального перемещения второго элемента. При этом геометрическая форма второго элемента может быть различной, например второй элемент может быть выполнен в виде диска, круглого цилиндра, эллипсообразного цилиндра, параллелепипеда и т.д.

Первый и второй конструктивные элементы могут быть изготовлены из различных материалов, обладающих свойствами магнита, и различных материалов, обладающих ферромагнетическими свойствами.

Одной из особенностей предлагаемой ячейки является то, что у данного технического решения второй элемент перед началом исследований и по окончании исследований перед снятием ячейки с микроскопа обязательно должен находиться в зафиксированном по высоте положении, что достигается благодаря использованию фиксатора вертикального перемещения. Часть такого фиксатора должна находиться в пазе (пазах), расположенном (расположенных) на боковой (боковых) стенке (стенках) углубления в корпусе нижнего основания ячейки с возможностью извлечения фиксатора из нижнего основания при его прямолинейном перемещении по пазу (пазам). Следует отметить, что расстояние между расположенной горизонтально верхней стенкой углубления и пазом(-ами) в вертикальной(-ых) стенке(-ах) углубления, а также толщина второго элемента должны быть подобраны так, чтобы обеспечить плотное соединение между зафиксированным вторым элементом и пленкой, закрывающей сквозное отверстие в корпусе нижнего основания ячейки. При проведении исследований на микроскопе необходимо передавать движение от предметного столика микроскопа на первый и второй конструктивные элементы предлагаемой ячейки, поэтому фиксатор вертикального перемещения второго элемента обязательно должен иметь возможность извлечения из корпуса ячейки.

С технической точки зрения извлечение фиксатора из ячейки проще всего осуществить, если фиксатор будет выполнен в виде пластины с прорезью для установки второго элемента. При этом геометрические размеры пластины должны быть подобраны так, чтобы это позволяло ей перемещаться в пазе (пазах) нижнего основания ячейки. В зависимости от геометрических размеров паза в нижнем основании ячейки и геометрических размеров фиксатора вертикального перемещения второго элемента фиксатор может перемещаться как по одному единственному пазу в нижнем основании ячейки, так и одновременно по двум пазам. Однако у нижнего основания ячейки может быть и более двух пазов. Это позволит перемещать по ним фиксатор вертикального перемещения второго элемента, содержащий размещенный на нем более крупный или менее крупный второй элемент.

Фиксатор вертикального перемещения может быть изготовлен из различных немагнитных материалов, например, таких как пластик, алюминий, медь и т.д. Если у предложенной ячейки будет отсутствовать фиксатор вертикального перемещения второго элемента или если у фиксатора не будет возможности извлечения из нижнего основания ячейки или у фиксатора не будет прорези для размещения второго элемента, то предлагаемое техническое решение утрачивает работоспособность. Предлагаемая ячейка также утрачивает работоспособность, если второй элемент будет жестко закреплен на фиксаторе.

Схематическое изображение не содержащего каналов для подачи и отвода жидкости нижнего основания ячейки и фиксатора вертикального перемещения второго элемента показаны на Фиг. 1, на которой цифрой 1 обозначен корпус нижнего основания ячейки, цифрой 2 обозначено несквозное углубление в корпусе нижнего основания ячейки, горизонтальное сечение которого выполнено в форме буквы «П», цифрой 3 обозначены горизонтальные пазы в параллельных друг другу вертикальных стенках углубления, цифрой 4 обозначено сквозное отверстие в корпусе нижнего основания ячейки, закрытое упругой пленкой, цифрой 5 обозначен фиксатор вертикального перемещения второго элемента и цифрой 6 обозначен второй элемент ячейки, размещенный на фиксаторе.

Вертикальное сечение показанного на Фиг. 1 нижнего основания ячейки изображено на Фиг. 2, на которой цифрой 1 обозначен корпус нижнего основание ячейки, цифрой 2 обозначено углубление в корпусе нижнего основания ячейки, цифрой 3 обозначены горизонтальные пазы в параллельных друг другу вертикальных стенках углубления, цифрой 4 обозначено сквозное отверстие в корпусе нижнего основания ячейки, закрытое упругой пленкой 7, и цифрой 8 обозначен первый элемент предлагаемой ячейки.

У предложенной ячейки верхнее основание обязательно должно содержать плоское оптически прозрачное закрытое окно, под которым должна быть расположена, по крайней мере, часть держателя кантилевера, расположенная под углом к нижней горизонтальной поверхности корпуса нижнего основания ячейки, которая у собранной ячейки должна находиться над первым элементом в отверстии корпуса нижнего основания ячейки. При этом такое окно может как располагаться на поверхности верхней части корпуса верхнего основания ячейки, так и находиться внутри выступа в корпусе верхнего основания ячейки. Такое окно необходимо для беспрепятственного прохождения луча лазера, направленного на закрепленный в держателе кантилевер, и луча, отраженного от кантилевера на фотодиод, расположенный в головке микроскопа. Окно может быть изготовлено из различных оптически прозрачных материалов, например, таких как кварц, стекло, органическое стекло и т.д., и быть зафиксировано на верхнем основании ячейки, например, с помощью клея. Также возможно изготовление всего корпуса верхнего основания ячейки, включая и окно, из оптически прозрачного материала, например из органического стекла.

Необходимость размещения окна и держателя кантилевера над отверстием в корпусе нижнего основания обусловлена тем, что у ячейки в отверстии нижнего основания находится первый элемент, выполняющий функцию держателя исследуемого объекта, и в процессе исследований установленный в держатель кантилевер должен соприкасаться с поверхностью перемещаемого исследуемого объекта. Такое окно обязательно должно быть закрытым ввиду того, что предложенная ячейка является проточной и жидкостной, т.е. предполагает прохождения внутри нее потока жидкости. Если верхнее основание ячейки не будет содержать закрытого оптически прозрачного окна или держателя кантилевера или если у собранной ячейки закрытое оптически прозрачное окно и держатель кантилевера не будут размещены над первым элементом в отверстии нижнего основания ячейки, то такая ячейка утрачивает работоспособность.

Для обеспечения универсальности применения предлагаемой ячейки и ее пригодности для использования в различных режимах СЗМ у ячейки держатель кантилевера может быть механически соединен с находящимся в корпусе основания пьезокерамическим элементом. В этом случае через корпус основания должны проходить выводы для подачи электрического сигнала на две противоположные стороны пьезокерамического элемента, без которого невозможно осуществить колебания пьезокерамики. Наличие у ячейки пьезокерамического элемента, механически соединенного с держателем кантилевера, обусловлено тем, что такое техническое решение позволяет осуществлять работу СЗМ в режиме резонансной атомно-силовой микроскопии. Кроме этого в корпусе верхнего основания ячейки может содержаться специальный вывод для подачи электрического сигнала на держатель кантилевера, что дает возможность проводить микроскопические исследования в режиме сканирующий резистивной микроскопии.

Для удобства использования фиксатор вертикального перемещения второго элемента, а также собранная ячейка могут дополнительно содержать ручки, облегчающие процесс установки и извлечения фиксатора из нижнего основания ячейки и процесс установки собранной ячейки на предметном столике микроскопа.

Следует отметить, что проточная жидкостная ячейка для СЗМ может иметь другое устройство, отличное от предлагаемого. Например, вместо горизонтального паза (пазов) у нижнего основания ячейки устройство может иметь выступ (выступы), а выполненный в виде пластины фиксатор вертикального перемещения может иметь, по крайней мере, на одной из торцевых поверхностей ответный паз, позволяющий фиксатору перемещаться по выступу. Также второй элемент на боковой поверхности вместо паза может иметь выступ, а прорезь в фиксаторе вертикального перемещения второго элемента может иметь ответный паз. Однако данные технические решения являются существенно более сложными и трудно выполнимыми, чем предложенное нами техническое решение.

Исследования с помощью предложенной ячейки проводят следующим образом. Второй элемент вводят в прорезь фиксатора вертикального перемещения второго элемента с последующим введением фиксатора в паз(-ы) нижнего основания ячейки, а сверху на пленку помещают первый элемент. Первый элемент устанавливают так, чтобы он располагался над вторым элементом. В расположенный под верхним основанием ячейки держатель кантилевера устанавливают соответствующий кантилевер, после чего верхнее основание ячейки размещают на нижнем основании ячейки с обеспечением их плотной посадки для герметичности собранной конструкции. Затем для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости имеющиеся у ячейки каналы с помощью трубок соединяют с соответствующим устройством, обеспечивающим циркуляцию в ячейке жидкости, содержащей исследуемые объекты. Собранную ячейку размещают на микроскопе.

После этого предметный столик микроскопа подводят ко второму элементу до тех пор, пока они не соприкоснутся. Из нижнего основания ячейки за счет горизонтального перемещения извлекают фиксатор вертикального перемещения второго элемента. Затем включают устройство, обеспечивающее циркуляцию в ячейке жидкости, и начинают проводить исследования. После окончания исследования в паз(-ы) нижнего основания ячейки вводят фиксатор вертикального перемещения второго элемента и фиксируют на нем второй элемент. Прекращают циркуляцию в ячейке жидкости, отсоединяют трубки и ячейку снимают с предметного столика микроскопа. Фиксация вертикального перемещения второго элемента после окончания исследований необходима для того, чтобы избежать нежелательного спружинивания первого элемента растянутой упругой пленкой, неизбежно приводящего к порче кантилевера.

Преимущества предлагаемого устройства иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1

В опыте используют проточную жидкостную ячейку для СЗМ, корпус которой изготовлен из полиэтилена. Верхнее основание ячейки выполнено в виде параллелепипеда со сторонами 20×20 мм и высотой 10 мм. Нижнее основание ячейки также выполнено в виде параллелепипеда, имеющего размеры 30×25 мм и высотой 20 мм. Верхнее основание ячейки содержит в верхней части корпуса направленный вниз выступ с высотой 7 мм со сквозным квадратным отверстием со стороной 10 мм, герметично закрытым пластиной толщиной 1 мм, выполненной из оптически прозрачного материала - кварца, зафиксированной на выступе с помощью клея. Верхнее основание ячейки под кварцевой пластиной окном - содержит держатель кантилевера, расположенный под углом к верхней горизонтальной поверхности корпуса нижнего основания. Через корпус верхнего основания ячейки проходят два круглых сквозных отверстия диаметром 1,5 мм для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости.

Нижнее основание ячейки содержит снизу внутри корпуса углубление высотой 10 мм, горизонтальное сечение которого представляет собой букву «П» с глубиной 25 мм и шириной 18 мм. В верхней части углубления расположено соединенное с ним вертикальное сквозное квадратное отверстие со стороной 18 мм, герметично закрытое расположенной горизонтально квадратной упругой полиэтиленовой пленкой толщиной 0, 02 мм со стороной 25 мм, жестко закрепленной на корпусе углубления путем локального нагрева замкнутого контура пленки, приводящего к локальному плавлению участков пленки и ее привариванию к материалу корпуса нижнего основания ячейки. Две противоположные боковые стенки корпуса углубления содержат по одному горизонтальному пазу, вертикальные сечения которых представляют собой прямоугольник глубиной 3 мм и высотой 2 мм. У нижнего основания ячейки сверху на закрепленной пленке находится съемный первый элемент, выполненный в форме квадратной пластины со стороной 10 мм и толщиной 2 мм, изготовленный из железа, обладающего ферромагнетическими свойствами. Кроме того, нижнее основание содержит второй плоский съемный элемент, также выполненный в форме квадратной пластины со стороной 12 мм и толщиной 3 мм с одним пазом на каждой из двух противоположных прямоугольных сторонах пластины, параллельным плоским торцевым плоскостям элемента. Вертикальное сечение каждого паза представляет собой квадрат со стороной 2 мм. Такая геометрия нижних сторон первого и второго элементов обеспечивает устойчивость каждого из элементов на горизонтальной поверхности. Кроме того, устройство второго элемента свидетельствует о том, что его верхняя сторона выполнена так, что обеспечивает устойчивость повернутого на 180 градусов в вертикальной плоскости второго элемента на горизонтальной поверхности. Второй конструктивный элемент выполнен из ферритового магнита, обеспечивающего магнитное притяжение второго конструктивного элемента к первому конструктивному элементу ячейки.

Нижнее основание ячейки также содержит фиксатор вертикального перемещения второго элемента, выполненный в виде медной пластины толщиной 1,5 мм, имеющей размеры 40×23 мм и содержащей на более короткой своей стороне прорезь для установки второго конструктивного элемента ячейки, выполненную в виде прямоугольника, имеющего размеры 20×11 мм. При этом геометрические размеры пластины таковы, что позволяют ей перемещаться в пазах нижнего основания ячейки, и пазы у второго элемента выполнены так, что дают возможность перед сборкой ячейки устанавливать второй элемент в прорезь фиксатора. После установки второго элемента в прорези фиксатора пластину-фиксатор с установленным на ней вторым элементом вводят в пазы нижнего основания ячейки до тех пор, пока первый элемент не будет полностью находиться над вторым элементом.

Схематическое изображение нижнего основания используемой в опыте ячейки и вертикальный разрез нижнего основания ячейки показаны на Фиг. 1 и Фиг. 2 соответственно.

В находящийся под верхним основанием ячейки держатель кантилевера устанавливают кантилевер, способный отражать падающий на него луч лазера, исходящий из головки СЗМ. Затем верхнее основание ячейки размещают на нижнем основании ячейки с обеспечением их плотной посадки для герметичности собранной конструкции, достигаемой за счет наличия в нижней горизонтальной части верхнего основания ячейки и верхней горизонтальной части нижнего основания ячейки четырех вставок магнитных элементов, выполненных из неодимового магнита, обеспечивающих притяжение верхнего основания ячейки к нижнему основанию. При этом весь держатель кантилевера оказывается в отверстии корпуса нижнего основания ячейки, а сам кантилевер располагается в непосредственной близи от горизонтальной верхней поверхности первого элемента. После чего ячейка считается собранной. Затем для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости имеющиеся в ячейке каналы с помощью трубок соединяют с устройством, обеспечивающим циркуляцию в ячейке воды, содержащей исследуемые объекты - бактерии Escherichia coli - палочковидные бактерии длиной 1-4 микрометров (мкм) и высотой 0,6-1,5 мкм.

Собранную ячейку размещают на микроскопе Asylum Research MFP-3D Classic AFM для проведения атомно-силовой микроскопии. После этого предметный столик микроскопа подводят ко второму элементу до тех пор, пока они не соприкоснутся. Из нижнего основания ячейки за счет горизонтального перемещения извлекают фиксатор вертикального перемещения второго элемента, в то время как второй элемент остается в ячейке за счет магнитного взаимодействия с расположенным над пленкой магнитным первым элементом и расположенным под вторым элементом предметным столиком микроскопа. После этого включают устройство, обеспечивающее циркуляцию в ячейке жидкости, и начинают проводить исследования.

После этого с помощью компьютера запускают работу СЗМ, обеспечивающую перемещение исследуемого объекта. Вначале осуществляют перемещение по оси Z первого элемента, содержащего исследуемые объекты, до соприкосновения с острием кантилевера. Затем запускают сканирование поверхности по осям X и Y. При перемещении кантилевера по поверхности исследуемого объекта кантилевер изменяет свое положение, которое фиксируют по изменению положения луча лазера, отраженного от кантилевера на фотодиод микроскопа.

По окончании исследования в пазы нижнего основания ячейки вводят фиксатор вертикального перемещения второго элемента и фиксируют на нем второй элемент. После этого прекращают циркуляцию в ячейке жидкости и ячейку снимают с предметного столика микроскопа.

Опыт показал, что эксплуатация используемой ячейки достаточно проста, ячейка во время работы не подтекает, она легко устанавливается и снимается с микроскопа без разгерметизации и попадания объектов исследования - вирусов, в окружающую среду.

Пример 2

В опыте используют проточную жидкостную ячейку для СЗМ, верхнее основание которой выполнено в виде параллелепипеда с размерами 15×15×5 мм. Нижнее основание ячейки также выполнено в виде параллелепипеда, имеющего размеры 25×18×11 мм. Верхнее и нижнее основания ячейки изготовлены из органического стекла (полиметилметакрилата). Ввиду того что органическое стекло, из которого изготовлен корпус ячейки, оптически прозрачно, вся верхняя поверхность верхнего основания фактически является закрытым оптически прозрачным плоским окном толщиной 2 мм. Под верхним основанием ячейка содержит держатель кантилевера длиной 4 мм и толщиной 3 мм, расположенный под углом к верхней горизонтальной поверхности корпуса нижнего основания.

Нижнее основание ячейки содержит в нижней части своего корпуса углубление в форме параллелепипеда высотой 5 мм, глубиной 14 мм и шириной 13 мм, горизонтальное сечение корпуса которого представляет собой букву «П». В верхней части углубления расположено соединенное с ним вертикальное сквозное круглое отверстие диаметром 10 мм, герметично закрытое расположенной горизонтально упругой пленкой, толщиной 0,2 мм, выполненной в форме круга диаметром 16 мм из латекса и жестко закрепленной на расположенной горизонтально верхней стенки корпуса углубления с помощью герметика (клея). Одна из боковых стенок углубления содержит один горизонтальный паз, вертикальное сечение которого представляет собой прямоугольник глубиной 4 мм и высотой 2 мм, и нижняя горизонтальная поверхность паза находится на расстоянии 2 мм от нижней горизонтальной поверхности нижнего основания ячейки. Корпус нижнего основания ячейки также содержит в верхней своей части два круглых сквозных канала диаметром 1 мм, один из которых служит для подачи в отверстие, а другой для отвода из отверстия в корпусе ячейки циркулирующей в ней жидкости.

У нижнего основания ячейки сверху на закрепленной горизонтально пленке находится магнитный съемный плоский первый элемент, выполненный в форме плоского диска диаметром 6 мм и высотой 3 мм, изготовленный из неодимового магнита. У используемого первого элемента вся верхняя сторона является плоской и горизонтальной. Кроме того, нижнее основание ячейки содержит второй плоский съемный элемент, также выполненный в форме диска с теми же размерами, что и первый элемент, с одним кольцевым пазом на боковой поверхности, параллельным торцевым плоскостям элемента и имеющим вертикальное сечение в виде квадрата со стороной 2 мм. Такая геометрия нижних сторон первого и второго элементов обеспечивает устойчивость каждого из элементов на горизонтальной поверхности. Кроме того, описанное выше устройство второго элемента свидетельствует о том, что его верхняя сторона выполнена так, что обеспечивает устойчивость повернутого на 180 градусов в вертикальной плоскости элемента на горизонтальной поверхности. Второй конструктивный элемент выполнен из железа, обладающего свойствами ферромагнетика, обеспечивающими магнитное притяжение второго конструктивного элемента к первому конструктивному элементу ячейки.

Нижнее основание ячейки также содержит фиксатор вертикального перемещения второго элемента, выполненный в виде алюминиевой пластины толщиной 1,5 мм, имеющей длину 20 мм, ширину 15 мм, содержащей на одной более короткой своей торцевой стороне прорезь для установки второго конструктивного элемента ячейки, выполненную в виде прямоугольника, имеющего длину 8 мм и ширину 4 мм. При этом геометрические размеры пластины таковы, что позволяют ей перемещаться в пазе нижнего основания ячейки, и кольцевой паз у второго элемента выполнен так, что дает возможность перед сборкой ячейки устанавливать второй элемент в прорезь фиксатора. После установки второго элемента в прорези фиксатора пластину-фиксатор с установленным на ней вторым элементом вводят в паз нижнего основания ячейки до тех пор, пока второй элемент не будет находиться под первым элементом.

В находящийся под верхним основанием ячейки держатель кантилевера устанавливают кантилевер, способный отражать падающий на него луч лазера, исходящий из головки СЗМ. Затем верхнее основание ячейки размещают на нижнем основании ячейки с обеспечением их плотной посадки для герметичности собранной конструкции, достигаемой путем нанесения на места контакта между верхним и нижним основаниями слоя фиксирующего состава - герметика. При этом половина держателя кантилевера оказывается в отверстии корпуса нижнего основания ячейки, а сам кантилевер располагается в непосредственной близи от горизонтальной верхней поверхности первого элемента. После чего ячейка считается собранной. Затем для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости имеющиеся в ячейке каналы с помощью трубок соединяют с устройством, обеспечивающим циркуляцию в ячейке физиологического раствора, содержащего исследуемые объекты - вирусы гриппа А человека штамма H1N1, имеющие шарообразную форму с диаметром порядка 100 нанометров (нм).

Собранную ячейку размещают на микроскопе марки ФемтоСкан для проведения атомно-силовой микроскопии. После этого предметный столик микроскопа подводят ко второму элементу до тех пор, пока они не соприкоснутся. Из нижнего основания ячейки за счет горизонтального перемещения извлекают фиксатор вертикального перемещения второго элемента, в то время как второй элемент остается в ячейке за счет магнитного взаимодействия с расположенным над пленкой магнитным первым элементом и расположенным под вторым элементом предметным столиком микроскопа. После этого включают устройство, обеспечивающее циркуляцию в ячейке жидкости, и начинают проводить исследования.

После этого с помощью компьютера запускают работу СЗМ, обеспечивающую перемещение исследуемого объекта. Вначале осуществляют перемещение по оси Z первого элемента, содержащего исследуемые объекты, до соприкосновения с острием кантилевера. Затем запускают сканирование поверхности по осям X и Y. При перемещении кантилевера по поверхности исследуемого объекта кантилевер изменяет свое положение, которое фиксируют по изменению положения луча лазера, отраженного от кантилевера на фотодиод микроскопа.

По окончании исследования в паз нижнего основания ячейки вводят фиксатор вертикального перемещения второго элемента и фиксируют на нем второй элемент. Прекращают циркуляцию в ячейке жидкости, ячейку отсоединяют от трубок и снимают с предметного столика микроскопа.

Опыт показал, что эксплуатация используемой в нем ячейки достаточно проста, ячейка во время работы не подтекает, она легко устанавливается и снимается с микроскопа без разгерметизации и попадания объектов исследования - вирусов, в окружающую среду.

Пример 3

Опыт проводят аналогично примеру 2, однако используют ячейку, изготовленную из меди, у которой канал для подачи циркулирующей в ячейке жидкости расположен в верхнем основании ячейки, а канал для отвода циркулирующей жидкости находится в нижнем основании ячейки. Верхнее основание ячейки содержит в верхней части корпуса плоское оптически прозрачное герметично закрытое окно, изготовленное из квадратной стеклянной пластины со стороной 10 мм, толщиной 2 мм и закрепленной на корпусе верхнего основания ячейки с помощью герметика. При этом первый и второй элементы изготовлены из ферритового магнита, причем полюса используемых магнитов у элементов расположены так, что первый и второй элементы притягиваются друг к другу. У каждого элемента обе стороны содержат в центральной части плоскую лунку глубиной 1 мм и диаметром 4 мм. Кроме того, в отличие от примера 1 вертикальное сквозное отверстие в корпусе нижнего основания ячейки герметично закрыто упругой алюминиевой пленкой (фольгой) толщиной 0,04 мм. У пленки центральная часть, выполненная в форме круга с диаметром 6 мм, и края пленки имеют гладкую поверхность, между которыми расположена концентрическая гофра высотой 0,5 мм, центр которой совпадает с центром центральной части пленки. У собранной ячейки одна треть держателя кантилевера находится в отверстии корпуса нижнего основания ячейки над первым элементом. Описанную ячейку используют для изучения размера и формы сферических наночастиц золота со средним диаметром 15 нм, находящихся в их водной суспензии.

Опыт показал, что эксплуатация используемой ячейки достаточно проста, ячейка во время работы не подтекает и она легко устанавливается и снимается с микроскопа без разгерметизации.

Пример 4

Опыт проводят аналогично примеру 2, однако используют ячейку, у которой нижнее основание содержит сквозное углубление и вместо латексной пленки используют пленку из полиуретана толщиной 0,25 мм.

Опыт показал, что эксплуатация используемой ячейки достаточно проста, ячейка во время работы не подтекает и она легко устанавливается и снимается с микроскопа без разгерметизации.

Пример 5.

Опыт проводят аналогично примеру 3, однако вместо алюминиевой пленки используют медную пленку (фольгу) толщиной 0,02 мм.

Опыт показал, что эксплуатация используемой ячейки достаточно проста, ячейка во время работы не подтекает и она легко устанавливается и снимается с микроскопа без разгерметизации.

Пример 6.

Опыт проводят аналогично примеру 3, однако вместо алюминиевой пленки используют латунную пленку (фольгу) толщиной 0,1 мм.

Опыт показал, что эксплуатация используемой ячейки достаточно проста, ячейка во время работы не подтекает и она легко устанавливается и снимается с микроскопа без разгерметизации.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что эксплуатация предлагаемой ячейки существенно проще по сравнению с ячейкой, выбранной в качестве прототипа, ячейка во время работы не подтекает и она легко устанавливается и снимается с микроскопа без разгерметизации.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и позволяет упростить процессы установки и снятия проточной жидкостной ячейки в микроскопе и устранить возможность ее протекания в процессе эксплуатации. У указанной ячейки, состоящей из нижнего основания, верхнего основания, содержащего держатель кантилевера, и каналов для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости, нижнее основание содержит в нижней части своего корпуса углубление, в верхней части которого расположено соединенное с ним сквозное отверстие, герметично закрытое снизу расположенной горизонтально упругой пленкой, расположенный сверху на пленке магнитный или проявляющий свойства ферромагнетика съемный первый элемент, съемный второй элемент с, по крайней мере, одним пазом на боковой поверхности, параллельным плоским горизонтальным частям торцевых плоскостей элемента, находящийся под пленкой и проявляющий свойства ферромагнетика или магнита. Корпус основания содержит в углублении, по крайней мере, один паз, в котором находится часть фиксатора вертикального перемещения второго элемента с возможностью извлечения фиксатора, выполненного в виде пластины с прорезью, из углубления при его прямолинейном перемещении, по крайней мере, по одному пазу с возможностью установки второго элемента в прорези фиксатора за счет имеющегося у второго элемента указанного, по крайней мере, одного паза. Хотя бы один из первого и второго элементов выполнен из магнитного материала. Верхнее основание ячейки содержит плоское оптически прозрачное закрытое окно, под которым расположена, по крайней мере, часть держателя кантилевера, которая у собранной ячейки находится в отверстии корпуса нижнего основания ячейки над первым элементом. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии, состоящая из нижнего основания, верхнего основания, содержащего держатель кантилевера, и каналов для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости, отличающаяся тем, что нижнее основание содержит в нижней части своего корпуса углубление, в верхней части которого расположено соединенное с ним сквозное отверстие, герметично закрытое снизу расположенной горизонтально упругой пленкой, расположенный сверху на пленке магнитный или проявляющий свойства ферромагнетика съемный первый элемент, съемный второй элемент с, по крайней мере, одним пазом на боковой поверхности, параллельным плоским горизонтальным частям торцевых плоскостей элемента, находящийся под пленкой и проявляющий свойства ферромагнетика или магнита, при этом корпус основания содержит в углублении, по крайней мере, один паз, в котором находится часть фиксатора вертикального перемещения второго элемента с возможностью извлечения фиксатора, выполненного в виде пластины с прорезью, из углубления при его прямолинейном перемещении, по крайней мере, по одному пазу с возможностью установки второго элемента в прорези фиксатора за счет имеющегося у второго элемента указанного, по крайней мере, одного паза, причем хотя бы один из первого и второго элементов выполнен из магнитного материала и верхнее основание ячейки содержит плоское оптически прозрачное закрытое окно, под которым расположена, по крайней мере, часть держателя кантилевера, которая у собранной ячейки находится в отверстии корпуса нижнего основания ячейки над первым элементом.

2. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающаяся тем, что каналы для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости расположены в корпусе верхнего основания ячейки.

3. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающаяся тем, что каналы для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости расположены в корпусе нижнего основания ячейки.

4. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающаяся тем, что один из каналов для подачи и отвода циркулирующей в ячейке жидкости расположен в корпусе верхнего основания ячейки, а другой расположен в корпусе нижнего основания ячейки.

5. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающаяся тем, что упругая пленка выполнена из полимерного материала или из металла.

6. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающаяся тем, что нижние стороны первого и второго элементов выполнены так, что обеспечивают устойчивость элементов на горизонтальной поверхности.

7. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть верхней стороны первого элемента является плоской и горизонтальной.

8. Проточная жидкостная ячейка для сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающаяся тем, что верхняя сторона второго элемента выполнена так, что обеспечивает устойчивость повернутого на 180 градусов в вертикальной плоскости элемента на горизонтальной поверхности.