СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С РАЗДЕЛЯЕМЫМ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫМ НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ НА ОСНОВЕ АПКОНВЕРТИРУЮЩИХ И МАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА Российский патент 2020 года по МПК G01Q60/24 B82Y35/00 G01Q70/08 

Изобретение 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 магнитопрозрачной 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, вершина магнитопрозрачной зондирующей иглы соединена с магнитопрозрачной полимерной сферой с нанометровыми конусообразными порами наименьшего диаметра, которые заполнены квантовыми точками 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 [1].

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 с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки при диагностировании биологических объектов в оптическом диапазоне длин волн.

Наиболее близким по технической сущности является сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий фиксированною магнитопрозрачную стеклянную сферу большего диаметра, размер который превышает диаметр исследуемого наноколодца и отделяемую магнитопрозрачную стеклянную сферу меньшего диаметра, размер которой меньше диаметра исследуемого наноколодца, двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с магнитопрозрачной зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сфере, малого диаметра содержащей сквозные нанометровые поры, из которых сквозные нанометровые поры большого диаметра, заполнены магнитными наночастицами с одинаковым направлением ориентации магнитных полюсов, а меньшего диаметра квантовыми точками структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой магнитопрозрачной зондирующей иглой, С-образную синхронно-центрирующею скобу, на которой закреплены и направлены на центр отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы малого диаметра 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 [2].

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 с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки 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 стеклянной сферы введены апконвертирующие наночастицы, заменяющие квантовые точки, возбуждаемые ультрафиолетовым светом. Для возбуждения апконвертирующих наночастиц введен внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц, работающий 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.

Техническим результатом является возможность при сканировании боковых стенок наноколодцев по координате Z осуществлять возбуждение нанокомпозитного излучающего элемента наиболее безопасным для биотканей, ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки при диагностировании биологических объектов в оптическом диапазоне длин волн.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом на основе апконвертирующих и магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, включающий фиксированною магнитопрозрачную стеклянную сферу большего диаметра, размер которой превышает диаметр исследуемого наноколодца и отделяемую магнитопрозрачную стеклянную сферу меньшего диаметра, размер которой меньше диаметра исследуемого наноколодца, двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с магнитопрозрачной зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сфере, малого диаметра содержащей сквозные нанометровые поры, из которых сквозные нанометровые поры большого диаметра заполнены магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой магнитопрозрачной зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующею скобу, на которой закреплены и направлены на центр отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы малого диаметра 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, внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц, закрепленный на верхней стороне С-образной синхронно-центрирующей скобы, оптическая ось которого направлена на магнитопрозрачные стеклянные сферы малого диаметра и большего диаметра, сквозные нанометровые поры малого диаметра которых заполнены апконвертирующими наночастицами структуры ядро-оболочка, без выхода их оболочек за сферическую поверхность магнитопрозрачной стеклянной сферы малого диаметра и стеклянной сферы большего диаметра.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом на основе апконвертирующих и магнитных наночастиц 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 разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом на основе апконвертирующих и магнитных наночастиц 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 разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом на основе апконвертирующих и магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом на основе апконвертирующих и магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка фиг. 1 включает магнитопрозрачный кантилевер 1, соединенный с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, с жестко закрепленной на ней магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 большего диаметра со сквозными нанометровыми порами 4 малого диаметра, заполненными апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка, двухслойную углеродную нанотрубку 6, состоящею из вложенной одна в другую внутреннею углеродную нанотрубку малого диаметра 7, и внешнею углеродную нанотрубку большего диаметра 8, отделяемую магнитопрозрачную стеклянную сферу 9 меньшего диаметра со сквозными нанометровыми порами 4 малого диаметра, и со сквозными нанометровыми порами 10 большого диаметра, заполненные соответственно апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка и магнитными наночастицами 11 структуры ядро-оболочка, первую плоскую 12 микрокатушку, вторую плоскую 13 микрокатушку, первый цифро-аналоговой преобразователь (ЦАП) 14, второй цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 15, 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 жидкостью, в момент соприкосновения верхней части наноколодца с магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 большего диаметра. Элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2. Элементы 1, 2, 3, 5, 7, 8, 9, 11, 18, 19 приведены на фиг. 3.

С помощью С-образной синхронно-центрирующей скобы 17, осуществляется синхронное перемещение кантилевера 1 с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 по координатам X, Y и первой плоской микрокатушки 12 синхронно со второй плоской микрокатушкой 13, которые жестко закреплены и выставлены параллельно друг другу с юстировкой их центров по одной оси, проходящей через центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 большего диаметра. Внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 закреплен на верхней стороне С-образной синхронно-центрирующей скобы 17 с направлением его оптической оси на магнитопрозрачную стеклянную сферу 3 большего диаметра и магнитопрозрачную стеклянную сферу 9 меньшего диаметра для возбуждения апконвертирующих наночастиц, перемещаемых с помощью магнитного поля в исследуемой зоне по координате Z.

Внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 через биоткань осуществляют возбуждение апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка, расположенных в сквозных нанометровых порах магнитопрозрачных сферах 3 большего диаметра и сферы 9 малого диаметра с длиной волны в диапазоне 800-1100 нм и глубинах проникновения до 4-7 мм. Для возбуждения апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка могут быть использованы лазерные диоды с гауссовым профилем распределения интенсивности пучка (одномодовые лазерные диоды) и с плотностью мощности излучения допустимой для работы с живой биотканью (in vivo).

Элементы 1, 2, 3, 9, 17 выполнены магнитопрозрачными, что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Сквозные нанометровые поры 4 малого диаметра заполнены апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка. Сквозные нанометровые поры большого 10 диаметра заполнены магнитными 11 наночастицами структуры ядро-оболочка. Ядро каждой магнитной наночастицы 11 структуры ядро-оболочка состоит из магнитожесткого материала, а внешняя оболочка сформирована из магнитомягкого материала. Дистанционное управление траекторией и скоростью реверсивного перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра по наноколодцу объекта диагностирования 19 осуществляется за счет взаимодействия постоянного магнитного поля магнитных 11 наночастиц структуры ядро-оболочка с изменяющимся (по величине и вектору направления) магнитным полем, создаваемым первой плоской 12 и второй плоской 13 микрокатушками, состоящими из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых соединены соответственно с выходами первого ЦАП 14 и второго ЦАП 15. Тип используемых первого ЦАП 14 и второго ЦАП 15 (их разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований.

Отделяемая магнитопрозрачная стеклянная сфера 9 малого диаметра (фиг. 2) соединена с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 через двухслойную углеродную нанотрубку 6 структуры типа «русская матрешка» (russian dolls), представляющую совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных углеродных нанотрубок 7 и 8 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 7, 8 образуют наноподшипник скольжения для перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра по магнитопрозрачной зондирующей 2 игле с минимальным трением. Внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра 7 соединена с поверхностью магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, а внешняя поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 8 продета и закреплена в одной из сквозных нанометровых пор малого диаметра 4 отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 9, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем.

Минимальный диаметр магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра определяется минимальным количеством легированных в нее апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка и магнитных наночастиц 11 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 20.

Стрелками указываются направления возбуждающего λ₁ ближнего инфракрасного излучения и преобразованного λ₂ по длине волны излучения, где λ₁ - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 5, вызывающего их флуоресценцию λ₂ - длина волны флуоресценции апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 5, смещенных на антистоксовый сдвиг относительно длины волны λ₁. Стрелками с символом и (первый и второй векторы магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешних магнитных полей, создаваемых первой плоской 12 и второй плоской 13 микрокатушками. Внешнее магнитное поле осуществляет притяжение или отталкивание магнитных 11 наночастиц структуры ядро-оболочка, закрепленных в корпусе магнотопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра, которая в свою очередь перемещает закрепленные в ней апконвертирующие наночастицы 5 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. Размер диаметра отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра должен быть меньше наименьшего сужения диаметра наноколодца для свободного перемещения по нему, а диаметр стеклянной фиксированной сферы 3 большего диаметра должен быть больше наибольшего диаметра устья исследуемого наноколодца для исключения ошибок при проведении измерения модуля Юнга.

Сверхконвертирующая флуоресценция относится к процессу антистоксового типа, в котором последовательное поглощение двух и более фотонов приводит к излучению света λ₂ с более короткой длиной волны, чем длина волны возбуждения λ₁. Длина волны поглощения λ₁ каждой апконвертирующей наночастицы 5 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ₂ каждой апконвертирующей наночастицы 5 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 структуры ядро-оболочка 5, направленная на боковые стенки исследуемого наноколодца объект диагностирования 19, 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 изобретения 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 [3].

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 [4].

Так же для получения апконвертирующих наночастиц может быть использован известный способ синтеза биосовместимых апконвертирующих наночастиц α-NaYF₄: Yb, Tm @ CaF₂ в одном реакционном сосуде (в трехгорлой реакционной колбе) [5], [6].

Ферромагнитное ядро магнитной наночастицы 11 структуры ядро-оболочка может, например, включать, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe, Со, Ni, FeOFeO₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, MnBi, MnSb, MnOFe₂O₃, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt или их комбинации, но не ограничивается ими. Размер ядра одной магнитной наночастицы 11 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) магнитной наночастицы 11 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, NiFe₂O₄, ZnMnFe₂O₄, 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 11 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что, в свою очередь, защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 20 при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра. Для осуществления изобретения могут быть использованы, например, известные технологии изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка [7, 8, 9].

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра магнитными 11 наночастицами структуры ядро-оболочка и апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения магнитных 11 наночастиц структуры ядро-оболочка в сквозные нанометровые поры 10 большего диаметра и, затем, за счет проникновения апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными сквозные нанометровые поры малого 4 диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра и фиксированной магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 большего диаметра. 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 [10].

Вершина магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволки [11].

Многослойная углеродная нанотрубка 6, состоящая из однослойной нанотрубки 7 малого диаметра вложенной в однослойную нанотрубку большего диаметра 8 (в совокупности, используемые в качестве наноподшипника скольжения), может быть соединена с магнитопрозрачной зондирующей иглой при помощи атомно-силового микроскопа или изготовлена выращиванием на 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 [12].

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом на основе апконвертирующих и магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 с жестко закрепленной на ней магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 подводится к объекту диагностирования 19, расположенному на оптомагнитопрозрачной подложке 18, и надавливает на поверхность у входа в устье наноколодца объекта диагностирования 19 (фиг. 2), получая данные об упругих свойствах (механических характеристиках) элемента объекта диагностирования 19, до включения и после включения внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 с длиной волны λ₁. В результате апконвертирующие наночастицы 5 структуры ядро-оболочка возбуждают поверхность наноколодца диагностируемого объекта 19 излучением длинной волны λ₂, определенной в зависимости от выбранного материала апконвертирующей наночастицы 5 структуры ядро-оболочка и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки и антистоксовому сдвигу относительно λ₁. 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 λ₂ апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 5 в интервале, равному времени их флуоресценции, после выключения внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 с целью исключения посторонних засветок и помех).

Одновременно на вход первого ЦАП 14 подается двоичный код, который в зависимости от выбранной программы исследований, определяет форму и частоту повторения электрического сигнала, поступающего на обмотку первой плоской 12 микрокатушки, создающей внешнее управляющее магнитное поле направленное на центр перемещаемой по координате Z отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра. Магнитные полюса всех магнитных 11 наночастиц структуры ядро-оболочка постоянно ориентированы параллельно магнитопрозрачной зондирующей игле 2 и в совокупности образуют структуру со свойствами постоянного магнита.

Под действием электрических управляющих сигналов с выхода первого ЦАП 14 и второго ЦАП 15 (например, чередующихся импульсов с положительной и отрицательной полярностью, различной амплитудой и длительностью) первая плоская 12 микрокатушка и вторая 13 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 стеклянной сферы 9 малого диаметра с переменным магнитным полем, создаваемым первой 12 и второй 13 плоскими микрокатушками в диапазоне ΔZ, происходит последовательное перемещение магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра с апконвертирующими наночастицами 5 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 магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 (возможно в десятки раз), на вход второго ЦАП 17 подается код, который увеличивает ток, проходящий по обмотке второй плоской микрокатушки 13, которая, в свою очередь, увеличивает силу притяжения магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка 11, размещенных в магнитопрозрачной стеклянной сфере 9 малого диаметра. В результате магнитопрозрачная стеклянная сфера 9 малого диаметра соскальзывает с 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 14 и второго 15 ЦАП. В режиме «погружение» (фиг. 3) первая плоская микрокатушка 12 создает поле и осуществляет функции торможения или подталкивания магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра (в зависимости от полярности сигналов подаваемых на первую микрокатушку 12, она создает магнитное поле, которое притягивает или отталкивает магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка 11, расположенные в отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сфере 9 малого диаметра), а вторая микрокатушка 13 осуществляет функции стаскивания отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра с магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, при выполнении условия При обратном сканировании (в режиме «всплытие») соотношение величин меняются местами И магнитопрозрачная стеклянная сфера 9 малого диаметра, пристыковавшись, занимает исходное положение на вершине 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 разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом на основе апконвертирующих и магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения величины модуля Юнга (модуля упругости) на поверхности объекта диагностирования, в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения и магнитного поля на каждый наноколодец с координатами X, Y, непосредственно расположенный под вершиной магнитопрозрачной иглы и получить дополнительную информацию при сканировании по координате Z наноколодцев, глубинны которых в десятки раз больше длины 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 магнитопрозрачной зондирующей иглы, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.

Источники информации

1. Патент RU 2615708 С1, 07.04.2017, 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.

2. Патент RU 2681258 С1, 05.03.2019, G01Q 60/24, G01Q 70/08, B82Y 35/00, Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. / Линьков В.А., Линьков Ю.В., Линьков П.В.

3. Patent № US 9956426 В2 Date of Patent: May 1, 2018, UPCONVERTING NANOPARTICLES.

4. Patent Application Publication Pub. No.: US 20170000887 A1, Pub. Date: Jan. 5, 2017, UNIFORM CORE-SHELL TIO2 COATED UPCONVERSION NANOPARTICLES AND USE THEREOF.

5. Patent № US 10179177 B2 Date of Patent: jan.15, 2019, COATED UPCONVERSION NANOPARTICLES.

6. Patent Application Publication Pub. No.: US 20190099505 A1, Pub. Date: Apr. 5, 2019, COATED UP-CONVERSION NANOPARTICLES.

7. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES.

8. 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.

9. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130342297 A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 magnetic exchange coupled core-shell nanomagnets.

10. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

11. Patent №.: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS.

12. Patent №.: US 8771525 B2, Date of Patent: Jul. 8, 2014, ROTARY NANOTUBE BEARING STRUCTURE AND METHODS FOR MANUFACTURING.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в атомно-силовой микроскопии для диагностирования наноразмерных структур. Сканирующий зонд содержит кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, которая продета и жестко закреплена в одной из сквозных нанопор стеклянной сферы большего диаметра с апконвертирующими наночастицами структуры ядро-оболочка, а вершина зондирующей иглы, выходящая из стеклянной сферы большего диаметра, подвижно соединена с помощью двух вложенных углеродных нанотрубок с отделяемой и автономно функционирующей полимерной сферой малого диаметра со сквозными нанопорами, заполненными апконвертирующими наночастицами и магнитными наночастицами. 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 внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц и двух 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, с сочетанием электромагнитного с оптической длиной волны воздействия на стенки наноколодцев с одновременным измерением механических характеристик (модуля Юнга) на это стимулирующее воздействие в одной точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки. 3 ил.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом на основе апконвертирующих и магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, включающий фиксированною магнитопрозрачную стеклянную сферу большего диаметра, размер которой превышает диаметр исследуемого наноколодца и отделяемую магнитопрозрачную стеклянную сферу меньшего диаметра, размер которой меньше диаметра исследуемого наноколодца, двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с магнитопрозрачной зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сфере малого диаметра, содержащей сквозные нанометровые поры, из которых сквозные нанометровые поры большого диаметра заполнены магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой магнитопрозрачной зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующею скобу, на которой закреплены и направлены на центр отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы малого диаметра 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, отличающийся тем, что содержит апконвертирующие наночастицы структуры ядро-оболочка, диаметр которых меньше диаметра магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц, закрепленный на верхней стороне С-образной синхронно-центрирующей скобы, оптическая ось которого направлена на магнитопрозрачные стеклянные сферы малого диаметра и большего диаметра, сквозные нанометровые поры малого диаметра которых заполнены апконвертирующими наночастицами структуры ядро-оболочка, без выхода их оболочек за сферическую поверхность магнитопрозрачной стеклянной сферы малого диаметра и стеклянной сферы большего диаметра.