СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С РАЗДЕЛЯЕМЫМ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫМ НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ, АПКОНВЕРТИРУЮЩИМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА Российский патент 2020 года по МПК G01Q60/24 B82Y35/00 

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 по координате Z, осуществлять возбуждение телеуправляемого нанокомпозитного излучающего элемента, генерирующего стимулирующий стабильный спектр электромагнитных волн в оптическом диапазоне, наиболее безопасным для биотканей ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) точечного участка поверхности с координатами Χ,Υ объекта диагностирования на это стимулирующее воздействие.

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 структуры ядро-оболочка с одинаковым направлением ориентации магнитных полюсов, а меньшего диаметра квантовыми точками структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытые защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой магнитопрозрачной зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующую 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 по координате Z, осуществлять возбуждение телеуправляемого нанокомпозитного излучающего элемента, генерирующего стимулирующий стабильный спектр электромагнитных волн в оптическом диапазоне, наиболее безопасным для биотканей ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) точечного участка поверхности с координатами Χ,Υ объекта диагностирования на это стимулирующее воздействие.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше решений заключается в том, что в стеклянную сферу введены нанометровые поры с конусообразными входами с размещенными в каждой конусообразной части апконвертирующими наночастицами структуры ядро-оболочка, окруженными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, и два внешних источника возбуждения апконвертирующих наночастиц. Это позволило для формирования длины волны электромагнитного излучения, применяемого при сканировании поверхности стенок наноколодцев объекта диагностирования, использовать оптимальное сочетание нескольких преобразований электромагнитного излучения с учетом уровня проникновения и разрушительных свойств определенных длин волн, воздействующих на живые биологические объекты. Цепочка преобразований состоит из преобразования исходной длины волны расположенной в ближней инфракрасной области (в «окне прозрачности» биотканей) в локальное ультрафиолетовое, а ультрафиолетовое преобразовывается в стабильное излучение в видимом или среднем инфракрасном диапазонах. Эти преобразования выполняются в следующей последовательности: глубоко проникающим безопасным для биотканей ближним инфракрасным излучением (700-1100 нм) возбуждаются апконвертирующие наночастицы структуры ядро-оболочка, которые, в свою очередь, генерируют локальное ультрафиолетовое излучение в ближнем диапазоне (300-400 нм), которым возбуждают только рядом расположенные вокруг их квантовые точки структуры ядро-оболочка, которые излучают стабильные длинны волн в видимом или среднем инфракрасном диапазоне (400-3000 нм), которым точечно облучают при перемещении телеуправляемого нанокомпозитного излучающего элемента по координате Ζ боковые стенки наноколодцев на ранее не доступных для исследования глубинах, без повреждения ультрафиолетовым излучением живых биотканей. Для возбуждения апконвертирующих наночастиц введены первый и второй внешние источники возбуждения апконвертирующих наночастиц, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, что позволяет снизить или исключить радиационную нагрузку цитотоксичного ультрафиолетового излучения на исследуемые живые биологические клеточные культуры. Введение апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка, возбуждаемых ближним инфракрасным светом, позволило увеличить глубину исследования наноколодцев до 4-7 мм за счет минимального поглощения большинством биомолекул ближнего инфракрасного света в диапазоне длин волн от 700-1100 нм в «окне прозрачности» биоткани, а использование двунаправленного встречного возбуждения апконвертирующих наночастиц позволило увеличить глубину исследования изогнутых (волнообразных) наноколодцев в два раза, до 8-14 мм и уменьшить эффекты фотоповреждения биоткани.

Техническим результатом является возможность при сканировании боковых стенок наноколодцев по координате Ζ, осуществлять возбуждение телеуправляемого нанокомпозитного излучающего элемента, генерирующего стимулирующий стабильный спектр электромагнитных волн в оптическом диапазоне, наиболее безопасным для биотканей ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) точечного участка поверхности с координатами Χ,Υ объекта диагностирования на это стимулирующее воздействие.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий фиксированную 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 зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной стеклянной сфере малого диаметра, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большего диаметра, из которых нанопоры большого диаметра заполнены магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка с одинаковым направлением ориентации полюсов, квантовые точки структуры ядро-оболочка с внешней стороны покрытые защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой магнитопрозрачной зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующую скобу, на которой закреплены и направлены на магнитопрозрачную стеклянную сферу 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, но больше диаметра квантовых точек структуры ядро-оболочка, первый и второй источники возбуждения апконвертирующих наночастиц, закрепленные на противоположных сторонах С-образной синхронно-центрирующей скобы, и оптические оси которых направлены на магнитопрозрачные стеклянные сферы малого диаметра и большего диаметра, малые сквозные поры которых выполнены с конусообразными входами, по центру которых размещены апконвертирующие наночастицы структуры ядро-оболочка, вокруг сферической поверхности полушария каждой из которых размещены квантовые точки структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за сферическую поверхность магнитопрозрачной стеклянной сферы.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами 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, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами 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, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами 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 с конусообразными входами, заполненными апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка и квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, двухслойную углеродную нанотрубку 7, состоящую из вложенной одна в другую внутреннюю углеродную нанотрубку малого диаметра 8, и внешнюю углеродную нанотрубку большего диаметра 9, отделяемую магнитопрозрачную стеклянную сферу 10 меньшего диаметра со сквозными нанометровыми порами 4 малого диаметра с конусообразными входами, заполненными апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка и квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, сквозные нанометровые поры 11 большого диаметра, заполненные магнитными наночастицами 12 структуры ядро-оболочка, первую плоскую 13 микрокатушку, вторую плоскую 14 микрокатушку, первый цифро-аналоговой преобразователь (ЦАП) 15, второй цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 16, первый внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 17, второй внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 18, С-образную синхронно-центрирующую магнитопрозрачную скобу 19. Также, на фиг. 1 представлена оптомагнитопрозрачная подложка 20 с размещенным на ней диагностируемым объектом 21, содержащим наноколодцы, заполненные жидкостью, в момент соприкосновения верхней части наноколодца с магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 большего диаметра. Элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 12 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2. Элементы 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9,10, 12, 20, 21 приведены на фиг. 3.

С помощью С-образной синхронно-центрирующей скобы 19, осуществляется синхронное перемещение кантилевера 1 с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 по координатам Χ, Y и первой плоской микрокатушки 13 синхронно со второй плоской микрокатушкой 14, которые жестко закреплены и выставлены параллельно друг другу с юстировкой их центров по одной оси, проходящей через центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 большего диаметра и магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра. Первый 17 и второй 18 источники возбуждения апконвертирующих наночастиц закреплены на противоположных сторонах С-образной синхронно-центрирующей скобы 19 с направлением их оптических осей на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра для возбуждения апконвертирующих наночастиц 5, структуры ядро-оболочка которые в свою очередь возбуждают квантовые точки структуры ядро-оболочка перемещаемые с помощью магнитного поля в исследуемой зоне по координате Z.

Первый внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 17 осуществляет возбуждение апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка, расположенных в верхней полусфере отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра. Второй внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 18 осуществляет возбуждение апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка, расположенных на нижней полусфере отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 меньшего диаметра. Для возбуждения апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка могут быть использованы лазерные диоды с гауссовым профилем распределения интенсивности пучка (одномодовые лазерные диоды) и длиной волны, например, 975 нм с плотностью мощности излучения допустимой для безопасной работы с живой биотканью (in vivo).

В зависимости от программы исследований и для определения электрических реакций на определенной глубине погружения, временные

комбинации импульсов возбуждений с длиной волны λ₁, воздействующие на апконвертирующие наночастицы структуры ядро-оболочка, расположенные в верхней или в нижней полусфере, могут генерироваться первым и вторым внешними источниками возбуждения апконвертирующих наночастиц 17 и 18 одновременно или раздельно, по мере перемещения отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 меньшего диаметра по наноколодцу, сканируя его боковую стенку длинной волны λ₂.

Элементы 1, 2, 3, 10, 19 выполнены магнитопрозрачными, что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Сквозные нанометровые поры малого 4 диаметра с конусообразными входами заполнены апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка и квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка. Сквозные нанометровые поры большого 11 диаметра заполнены магнитными наночастицами 12 структуры ядро-оболочка. Ядро каждой магнитной наночастицы 12 структуры ядро-оболочка состоит из магнитожесткого материала, а внешняя оболочка сформирована из магнитомягкого материала. Дистанционное управление траекторией и скоростью реверсивного перемещения отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра по наноколодцу объекта диагностирования 21 осуществляется за счет взаимодействия постоянного магнитного поля магнитных наночастиц 12 структуры ядро-оболочка с изменяющимся (по величине и вектору направления) магнитным полем, создаваемым первой плоской 13 и второй плоской 14 микрокатушками, состоящими из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых соединены соответственно с выходами первого ЦАП 15 и второго ЦАП 16. Тип используемых первого ЦАП 15 и второго ЦАП 16 (их разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований.

Отделяемая магнитопрозрачная стеклянная сфера 10 малого диаметра соединена с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 через двухслойную углеродную нанотрубку 7 структуры типа «русская матрешка» (russian dolls), представляющую совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных углеродных нанотрубок 8 и 9 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 8, 9 образуют наноподшипник скольжения для перемещения отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра по магнитопрозрачной зондирующей 2 игле с минимальным трением. Внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра 8 соединена с поверхностью магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, а внешняя поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 9 продета и закреплена в одной из сквозных нанометровых пор малого диаметра 4 с конусообразными входами отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем.

Минимальный диаметр отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра определяется минимальным количеством легированных в нее апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка, максимальным количеством размещаемых в чашах конусообразных входов вокруг апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка, квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка и минимальным количеством магнитных наночастиц 12 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности телеуправляемый нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 21.

Для правильного размещения определенных наночастиц в определенных нанапорах излучательного элемента допусковые отклонения диаметров нанопор должны соответствовать допусковому отклонению диаметров магнитных наночастиц или апконвертирующих наночастиц, или квантовых точек структуры ядро-оболочка. Выполнение таких условий необходимо для корректного программирования излучающего элемента (т.е. каждая сферическая наночастица определенного класса должна войти только в нанопору своего класса, но не может войти в соседнею нанопору меньшего диаметра, для погружения в которую предназначена другая сферическая наночастица меньшего диаметра следующего класса) методом последовательного погружения стеклянной сферы с множеством сформированных нанопор в коллоидные растворы разных классов с последовательно уменьшающимся диаметром наночастиц.

Квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка расположены на малом расстоянии вокруг каждой апконвертирующей наночастицы 5 структуры ядро-оболочка для выполнения резонансной безызлучательной передачи энергии по ферстеровскому механизму (FRET, Forster Resonance Energy Transfer), т.к. эффективность FRET обратно пропорциональна шестой степени расстояния между ними. Кроме того, линии фотолюминесценции апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка находятся в полосе поглощения квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка.

Стрелками указываются направления возбуждающего λ₁ ближнего инфракрасного излучения и преобразованного λ₂ по длине волны излучения, где λ₁ - длины волн внешних электромагнитных излучений для возбуждения апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка, вызывающих флуоресценцию рядом расположенных квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка, λ₂ - длина волны флуоресценции квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка. Стрелками с символом и (первый и второй векторы магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешних магнитных полей, создаваемых первой плоской 13 и второй плоской 14 микрокатушками. Внешнее магнитное поле осуществляет притяжение или отталкивание магнитных наночастиц 12 структуры ядро-оболочка, закрепленных в корпусе отделяемой магнотопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра, которая в свою очередь перемещает закрепленные в ней апконвертирующие наночастицы 5 структуры ядро-оболочка и квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка, при взаимодействии разнополярных или однополярных магнитных полей. Двунаправленной стрелкой с символом ΔΖ показан примерный диапазон сканирования боковых стенок наноколодцев по координате Ζ объекта диагностирования 21. Размер диаметра отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 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.

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].

Кроме того, для реализации изобретения могут быть применены известные апконвертирующие наночастицы NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺, обладающие антистоксовой люминисценцией в ультрафиолетовой и синей области спектра, исключающие радиационную нагрузку цитотоксичного ультрафиолетового излучения на клеточные культуры, используемые при создании тканеинженерных конструкций [7].

Использование квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка обусловлено возможностью генерирования ими стабильных длин волн, (длина волны определяется величиной диаметра квантовой точки), отработанной технологией изготовления и получения стабильного легко программируемого спектра электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Ядро каждой квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может, например, включать, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, и ZnO, но не ограничивается ими. Оболочка каждой квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может включать в себя, по крайней мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, и HgSe, но этими вариантами не ограничивается [8].

Ферромагнитное ядро магнитной наночастицы 12 структуры ядро-оболочка может, например, включать, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe, Со, Ni, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, MnBi, MnSb, MnOFe₂O₃, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt или их комбинации, но не ограничивается ими. Размер ядра одной магнитной наночастицы 12 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) магнитной наночастицы 12 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 12 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что, в свою очередь, защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 21 при частичном повреждении общей защитной оболочки отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра. Для осуществления изобретения могут быть использованы, например, известные технологии изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка [9, 10, 11].

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра магнитными наночастицами 12 структуры ядро-оболочка, апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка и квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка. Легирование отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра выполняется за счет последовательного проникновения магнитных наночастиц 12 структуры ядро-оболочка в сквозные нанометровые поры 11 большого диаметра, затем проникновения апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными сквозные нанометровые поры малого 4 диаметра с конусообразными входами и заполнение оставшихся пустот в конусообразных входах вокруг апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка кватовыми точками 6 структуры ядро-оболочка. Например, 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 [8].

Вершина магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволки [12].

Многослойная углеродная нанотрубка 7, состоящая из однослойной нанотрубки 8 малого диаметра вложенной в однослойную нанотрубку большего диаметра 9 (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 [13].

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицими 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 21, расположенному на оптомагнитопрозрачной подложке 20, и надавливает на поверхность у входа в устье наноколодца объекта диагностирования 21 (фиг. 2), получая данные об упругих свойствах (механических характеристиках) элемента объекта диагностирования 21, до включения и после включения первого внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 17, работающего в ближнем инфракрасном диапазоне с длиной волны λ₁. В результате апконвертирующие наночастицы 5 структуры ядро-оболочка после возбуждения генерируют энергию в ультрафиолетовом диапазоне и возбуждают расположенные вокруг их квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка, которые, в свою очередь, направляют свое излучение в оптическом диапазоне на поверхность стенки наноколодца диагностируемого объекта 21 с длинной волны λ₂.

Одновременно на вход первого ЦАП 15 подается двоичный код, который, в зависимости от выбранной программы исследований, определяет форму и частоту повторения электрического сигнала, поступающего на обмотку первой плоской 13 микрокатушки, создающей внешнее управляющее магнитное поле (), направленное на центр перемещаемой по координате Ζ отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра. Магнитные полюса всех магнитных наночастиц 12 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 15 и второго ЦАП 16 (например, чередующихся импульсов с положительной и отрицательной полярностью, различной амплитудой и длительностью) первая плоская 13 микрокатушка и вторая 14 плоская микрокатушка создают внешнее магнитное поле с той или иной величиной и направлением магнитных силовых линий. При взаимодействии постоянного магнитного поля, создаваемого магнитными наночастицами 12 структуры ядро-оболочка, расположенными в отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сфере 10 малого диаметра с переменным магнитным полем, создаваемым первой 13 и второй 14 плоскими микрокатушками, в диапазоне ΔΖ, происходит последовательное перемещение отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра с квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, возбуждаемыми апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка вниз или вверх по координате Ζ параллельно сканируемой боковой стенки наноколодца объекта диагностирования 21. При диагностировании глубоких наноколодцев, глубина которых больше длины магнитопрозрачной зондирующей иглы (возможно в десятки раз), на вход второго ЦАП 16 подается код, который увеличивает ток, проходящий по обмотке второй плоской микрокатушки 14, которая, в свою очередь, увеличивает силу притяжения магнитных наночастиц 12 структуры ядро-оболочка, размещенных в отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сфере 10 малого диаметра. В результате, отделяемая магнитопрозрачная стеклянная сфера 10 малого диаметра соскальзывает с магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 и начинает погружаться на дно наноколодца (фиг. 3) одного из элементов объекта диагностирования 21. Возбуждение апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка на больших глубинах осуществляется с помощью второго внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 18, излучение которого направлено встречно излучению первого 17 для равномерного распределения уровня сигнала с длинной волны λ₁ на всем пути реверсивного перемещения нанокомпозитного излучающего элемента в диапазоне ΔΖ при сканировании искривленных или волнообразных наноколодцев. Скорость сканирования стенок наноколодца определяется скоростью изменения двоичного кода, поступающего на вход первого ЦАП 15 и второго 16 ЦАП. В режиме «погружение» (фиг. 3) первая плоская микрокатушка 13 создает поле и осуществляет функции торможения или подталкивания магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра (в зависимости от полярности сигналов подаваемых на первую микрокатушку 13, она создает магнитное поле, которое притягивает или отталкивает магнитные наночастицы 12 структуры ядро-оболочка, расположенные в магнитопрозрачной стеклянной сфере 10 малого диаметра), а вторая микрокатушка 14 осуществляет функции стаскивания отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 10 малого диаметра с магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, при выполнении условия . При обратном сканировании (в режиме «всплытие») соотношение величин и меняются местами (). И отделяемая магнитопрозрачная стеклянная сфера 10 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, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами 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 стабильным спектром электромагнитного излучения на каждый наноколодец с координатами Χ, Y, непосредственно расположенный под вершиной магнотопрозрачной иглы, и получить дополнительную информацию при сканировании по координате Ζ наноколодцев, глубинны которых в десятки раз больше длины магнитопрозрачной зондирующей иглы. Возможность осуществления возбуждения отделяемого телеуправляемого нанокомпозитного излучающего элемента, состоящего из квантовых точек, 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 NANOP ARTICLES.

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

5. Patent №US 10179177 B2 Date of Patent: jan.15, 2019, coated UPCONVERSION NANOP ARTICLES.

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

7. Патент RU 2611395 С2, 21.02.2017, A61L 27/00, C09K 9/00, C08J 3/28, B82Y 1/00, способ активации процесса фотополимеризации ближним инфракрасным излучением.

8 Патент RU 2635345 C1, 10.11.2017, G01Q 60/24, G01Q 70/08, B82Y 35/00, зонд атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка. / ЛИНЬКОВ В.А., ВИШНЯКОВ Н.В., ЛИНЬКОВ Ю.В., Линьков П.В.

9. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, magnetic nanoparticles.

10. Patent Application Publication Pub. No.: US 20140225024 A1 Pub. Date: Aug. 14, 2014 core_shell structured nanop article having hard-soft, magnetic heterostructure, magnet prepared with said nanop article, and preparing method thereof.

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

12. Patent №.: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 method for producing tapered metallic nanowire tips on atomic force microscope cantilevers.

13. Patent №.: US 8771525 B2, Date of Patent: Jul. 8, 2014, rotary nanotube bearing structure and methods for manufacturing.

Использование: для диагностирования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что сканирующий зонд содержит кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, продетой и жестко закрепленной в одной из сквозных нанопор стеклянной сферы большего диаметра с апконвертирующими наночастицами и квантовыми точками 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 стеклянной сферой малого диаметра со сквозными нанопорами с конусообразными входами, заполненными квантовыми точками, апконвертирующими наночастицами и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. Дистанционное управление возбуждением апконвертирующих наночастиц, возбуждающих рядом расположенные квантовые точки структуры ядро-оболочка, и их автономное перемещение по координате Z, при сканировании боковых стенок наноколодцев, осуществляется с помощью двух работающих в диапазоне ближнего инфракрасного излучения встречно направленных внешних источников возбуждения апконвертирующих наночастиц и двух внешних встречно направленных синхронизированных электромагнитных полей. Техническим результатом является возможность осуществления сканирования наноколодцев, глубиной в десятки раз больше длины зондирующей иглы, стабильным спектром электромагнитного излучения в оптическом диапазоне с одновременным измерением механических характеристик (модуля Юнга) на это стимулирующее воздействие. 3 ил.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий фиксированную 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 зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной стеклянной сфере малого диаметра, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большего диаметра, из которых нанопоры большого диаметра заполнены магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка с одинаковым направлением ориентации полюсов, квантовые точки структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытые защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой магнитопрозрачной зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующую скобу, на которой закреплены и направлены на магнитопрозрачную стеклянную сферу 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, но больше диаметра квантовых точек структуры ядро-оболочка, первый и второй источники возбуждения апконвертирующих наночастиц, закрепленные на противоположных сторонах С-образной синхронно-центрирующей скобы, и оптические оси которых направлены на магнитопрозрачные стеклянные сферы малого диаметра и большего диаметра, малые сквозные поры которых выполнены с конусообразными входами, по центру которых размещены апконвертирующие наночастицы структуры ядро-оболочка, вокруг сферической поверхности полушария каждой из которых размещены квантовые точки структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за сферическую поверхность магнитопрозрачной стеклянной сферы.