АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОП С КАНТИЛЕВЕРОМ С ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ КВАНТОВОЙ ТОЧКОЙ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АНТИГРУППИРОВКИ ФОТОНОВ Российский патент 2019 года по МПК G01Q60/24 B82Y35/00 

Изобретение относится к области приборостроения, преимущественно к измерительной технике. Она может быть использована, например, при исследованиях поверхности с нанометровым разрешением, в материаловедении, в молекулярной биологии, при изучении химического состава образцов с нанометровым пространственным разрешением.

Известно устройство для изучения антигруппировки фотонов в одномолекулярной флуоресцентной спектроскопии [Kapusta P., Wahl М., Erdmann R. (Eds.). Advanced Photon Counting. Springer-Verlag GmbH, 2015]. Устройство включает в себя светоделительное устройство, два счетчика фотонов с оптическими системами перед ними, вычислительное устройство для расчета взаимной корреляционной функции и представляет собой интерферометр Хэнбери-Брауна-Твисса (ХБТ). Интерферометр ХБТ в режиме счета фотонов измеряет промежутки времени между поступающими фотонами и, используя эти данные, рассчитывает взаимную корреляционную функцию (КФ) для интенсивностей света. КФ, ввиду квантовой природы излучения света, равна нулю в нулевой момент времени и имеет максимум в некоторый, ненулевой момент времени. Максимум КФ обратно пропорционален числу элементарных эмиттеров фотонов, и, таким образом, КФ может быть использована для оценки количества элементарных эмиттеров [Valeur В., Berberan-Santos M.N. Molecular Fluorescence: Principles and Applications, Second Edition. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012.].

К недостаткам такого способа исследования с помощью флуоресценции относятся:

- невозможность точного позиционирования флуоресцентного зонда;

- невозможность задавать время экспозиции флуоресцентного зонда возле исследуемой частицы/точки.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является способ исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе с помощью флуоресцентных квантовых точек, который включает в себя возбуждение импульсом лазера квантовой точки, закрепленной на острие иглы кантилевера, регистрацию флуоресцентного фотона, возникающего после завершения переходных процессов и распада возбужденного состояния и расчета характеристик исследуемого образца по результатам измерений [Патент 2631529 (Рос. Федерация). Способ исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе с помощью флуоресцентных квантовых точек. / ФГБОУВО Башкирский Государственный Университет. Петров А.Б., Бахтизин Р.З., Гоц С.С.].

К недостаткам такого способа исследования поверхности на АСМ с помощью флуоресцентных квантовых точек относится невозможность определения числа элементарных излучателей (эмиттеров) флуоресцентных фотонов.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в появлении возможности у АСМ, использующего кантилеверы с флуоресцентными квантовыми точками на острие зонда кантилевера, определять число элементарных излучателей (эмиттеров) флуоресцентных фотонов.

Указанный технический результат достигается тем, что атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой для измерения антигруппировки фотонов, содержащий кантилевер, иглу кантилевера, флуоресцентную квантовую точку, закрепленную на острие иглы кантилевера, лазер, возбуждающий квантовую точку, фотодетектор, регистрирующий флуоресцентное излучение, отличающийся тем, что для измерения антигруппировки фотонов в него добавлены светоделитель, второй фотодетектор для регистрации флуоресцентного излучения, а также устройство для вычисления взаимной корреляционной функции.

Суть изобретения заключается в том, что фотодетектор, а также вновь добавленные элементы, такие, как светоделительное устройство, второй фотодетектор, устройство для вычисления взаимной корреляционной функции, составляют вместе интерферометр ХБТ. Их добавление позволяет получать дополнительную информацию о временных задержках флуоресцентных фотонов, что позволяет рассчитывать взаимную корреляционную функцию, и, таким образом, изучать антигруппировку фотонов. Светоделитель делит падающий световой пучок в равных пропорциях (50:50). Устройство для вычисления взаимной корреляционной функции может быть реализовано как программным образом, так и аппаратным.

Пример технической реализации заявляемого АСМ.

Схема АСМ изображена на рис. 1. Заявляемое устройство содержит лазер 1, кантилевер 2 с иглой 3 и острием иглы 4, квантовая точка 5, закрепленная на острие иглы 4, исследуемый образец 6, светоделительное устройство 7 для деления светового пучка в равных пропорциях (50:50), фотодтекторы 8 и 9, устройство вычисления взаимной корреляционной функции.

Импульс лазера 1, длительностью не превосходящей 100 пс, возбуждает квантовую точку 5, закрепленную на острие 4 иглы 3 кантилевера 2 и находящуюся возле исследуемого образца 6. Возбужденное состояние квантовой точки, после некоторого переходного процесса, который может включать резонансный перенос энергии, высвечивается в виде флуоресцентного излучения. Флуоресцентный фотон падает на интерферометр ХБТ, включающий в себя светоделительное устройство 7 в соотношении 50:50, фотодетекторы 8 и 9, и устройство вычисления взаимной корреляционной функции 10. Полученная взаимная корреляционная функция имеет вид 1/N, где N - число элементарных источников флуоресцентных фотонов и, таким образом, позволяет оценивать число N. Кроме того, знание взаимной корреляционной функции позволяет исследовать временные характеристики процессов, протекающих на исследуемой поверхности.

Таким образом, измерение взаимной корреляционной функции с помощью интерферометра ХБТ позволяет получать более детальную информацию о поверхности, исследуемой с помощью АСМ с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой за счет вычисления числа элементарных источников флуоресцентных фотонов, а также изучать, в частности, процессы диффузии на поверхности, процессы переноса энергии, что может представлять интерес для физики конденсированных сред, для молекулярной биологии.

Изобретение относится к области приборостроения, преимущественно к измерительной технике. Технический результат изобретения заключается в появлении возможности у АСМ, использующего кантилеверы с флуоресцентными квантовыми точками на острие зонда кантилевера, измерять антигруппировку фотонов. Для его достижения в атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой добавлен интерферометр Хэнбери-Брауна-Твисса, содержащий светоделительное устройство, делящее световой пучок в равных пропорциях (50:50), второй фотодетектор для регистрации флуоресцентного излучения, а также устройство для вычисления взаимной корреляционной функции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой для измерения антигруппировки фотонов, содержащий кантилевер, иглу кантилевера, флуоресцентную квантовую точку, закрепленную на игле кантилевера, фотодетектор для регистрации флуоресцентного излучения, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит светоделительное устройство, второй фотодетектор, устройство для вычисления взаимной корреляционной функции для измерения антигруппировки фотонов.

2. Атомно-силовой микроскоп с кантилевером с флуоресцентной квантовой точкой для измерения антигруппировки фотонов по п. 1, отличающийся тем, что светоделительное устройство делит падающий световой пучок в равных пропорциях 50:50, а устройство для вычисления взаимной корреляционной функции может быть реализовано программным или аппаратным образом.