Система для определения положения кантилевера
Полезная модель относится к области зондовой микроскопии и касается систем для определения положения кантилевера, используемых для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, способных специфически связываться с рецепторами, иммобилизованными на поверхности кантилевера. Полезная модель позволяет повысить чувствительность системы к изменению латеральных сил с 10-8 ньютонов (прототип) до (1-5)*10-12 ньютонов и повысить точность измерений с 20% (прототип) до 10-12%. Это достигается за счет того, что в известной системе для определения положения кантилевера, состоящей из кантилевера, источника света, расположенного на подвижной части кантилевера, и позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения, идущего от источника света, система дополнительно содержит внешний источник энергии, в качестве источника света система содержит метку, способную излучать в световом диапазоне в результате воздействия внешнего источника энергии, а устройство для регистрации светового излучения подвижно и может принимать положение, в котором световое излучение от метки попадает в приемник устройства для регистрации светового излучения.
Полезная модель относится к области зондовой микроскопии и касается систем для определения положения кантилевера, используемых для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, способных специфически связываться с рецепторами, иммобилизованными на поверхности кантилевера, с образованием устойчивого комплекса, в том числе биологических материалов: комплиментарных молекул нуклеиновых кислот, клеток и клеточных рецепторов, компонентов комплекса антиген-антитело и других белковых и небелковых комплексов. Такие сенсорные методы анализа основаны на изменении латеральных сил (сил, лежащих в плоскости кантилевера) в рецепторном слое кантилевера, т.е. на изменении взаимодействий между структурными элементами, образующим рецепторный слой, например межмолекулярными, под действием которых кантилевер изгибается. Величина изгиба кантилевера дает информацию об исследуемом объекте.
Известна система для определения положения кантилевера, состоящая из кантилевера с отражательной поверхностью, источника света и фотодетектора, регистрирующего падающий на него свет, отраженный от кантилевера (Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 2005, с.114).
Известна система для определения положения кантилевера, состоящая из кантилевера, представляющего собой гибкое основание с отражательной поверхностью, соединенное с плоским отражательным элементом в виде круга, источника света и фотодетектора, регистрирующего падающий на него свет, отраженный от кантилевера (Niels L. Pedersen// Design of cantilever probes for atomic force microscopy (AFM), Engineering Optimization, 32: 3, 373-392, 2000).
Наиболее близкой к заявляемой является известная система для определения положения кантилевера, состоящая из кантилевера, источника света (SEL лазера - лазер с поверхностным излучением), расположенного на подвижной части кантилевера, и неподвижного позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения, идущего от источника света (Патент США 
5 982 009, 1999, см. описание Фиг.6) - прототип.
Недостатком известного технического решения является низкая точность измерений, обусловленная неизбежной побочной интерференционной картиной, образованной на устройстве для регистрации светового излучения из-за побочного рассеяния лазерного излучения, идущего от источника света, на окружающих объектах. Недостатком системы также является низкая чувствительность к изменению латеральных сил, обусловленная ограничениями геометрических размеров кантилевера, вызванными конечными размерами SEL лазера, расположенного на подвижной части кантилевера.
Задачей полезной модели является создание системы для определения положения кантилевера, лишенной вышеуказанных недостатков.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в повышении чувствительности системы к изменению латеральных сил и точности измерений.
Предварительно были проведены эксперименты, в результате которых было установлено, что указанный технический результат достигается только тогда, когда в известной системе для определения положения кантилевера, состоящей из кантилевера, источника света, расположенного на подвижной части кантилевера, и позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения, идущего от источника света, система дополнительно содержит внешний источник энергии, в качестве источника света система содержит метку, способную излучать в световом диапазоне в результате воздействия внешнего источника энергии, а устройство для регистрации светового излучения подвижно и может принимать положение, в котором световое излучение от метки попадает в приемник устройства для регистрации светового излучения.
В предлагаемом техническом решении кантилевер может быть выполнен из различных материалов, например, из металла, из кремния, из пластика и т.д. Кантилевер может быть выполнен в виде различных геометрических фигур, например, таких как параллелепипед, цилиндр, трубка и т.д.. Размеры кантилевера могут варьироваться в широких пределах от макро- до наноразмеров. В предлагаемой полезной модели кантилевер обязательно должен быть закреплен в системе так, что одна из его частей должна быть подвижной.
В предлагаемой полезной модели в качестве источника света система содержит нанесенную на подвижную часть кантилевера метку, способную излучать в световом диапазоне в результате воздействия внешнего источника энергии. В качестве такой метки можно использовать, например, квантовую точку, флуоресцентный белок, люминсцирующие соединения лантаноидов, сульфид цинка и т.д.. Размеры метки могут варьироваться в широких пределах в зависимости решаемой задачи, размеров и формы кантилевера. В зависимости от решаемой задачи и типа используемой метки, она в результате воздействия на нее внешнего источника энергии способна излучать в различном световом диапазоне (ультрафиолетовое и/или видимое, и/или инфракрасное излучение). При воздействии внешнего светового источника энергии метка может излучать в диапазоне, отличном от диапазона излучения источника.
В зависимости от типа используемой метки, могут быть использованы различные источники энергии, например, ультрафиолетовая лампа, азотный лазер (ЛГИ-505), лампа накаливания «Narva-100», источники рентгеновского излучения, источники альфа-, бета-, гамма-излучения, энергия химической реакции и т.д.. Источник энергии должен иметь возможность для передачи энергии к метке.
В предлагаемой полезной модели для регистрации светового излучения, идущего от метки, обязательно должно быть позиционно чувствительным, чтобы определять изменение положение метки, и быть способным регистрировать диапазон излучения, идущего от метки. В качестве такого устройства, можно использовать, например, оптический микроскоп, многосекционный фотодиод, либо несколько фотодиодов, ПЗС камеру, детектор положения луча непрерывного типа и т.д. Каждый из этих приборов может быть различных марок. Устройство для регистрации светового излучения может состоять как из одного, так и нескольких регистрирующих элементов. Устройства для регистрации светового излучения, не обладающие позиционной чувствительностью, не могут быть использованы в предлагаемой полезной модели.
В предлагаемой полезной модели устройство для регистрации светового излучения должно быть подвижным и иметь возможность принимать положение, в котором световое излучение от метки попадает в приемник устройства для регистрации светового излучения независимо от расположения метки и формы кантилевера как в изогнутом, так и в неизогнутом состоянии кантилевера. Неподвижность системы для регистрации светового излучения не всегда позволяет обеспечить работоспособность всей системы, например, когда излучение метки по направлению к устройству для регистрации светового излучения перекрывается конструктивными элементами кантилевера, например, иглой кантилевера. Если устройство для регистрации светового излучения не имеет возможности принимать положение, в котором световое излучение от метки попадает в приемник устройства для регистрации светового излучения, то система будет неработоспособной.
Подвижность устройства для регистрации светового излучения может осуществляться за счет использования известных технических приемов, например, перемещения по одной или нескольким линейным или дуговым направляющим, прикрепленным к станине прибора. В некоторых случаях для осуществления большей подвижности устройства для регистрации светового излучения может быть дополнительно использован шарнирное устройство шарового типа. За счет подвижности устройства для регистрации светового излучения выбирается наиболее удобное положение для регистрации света, идущего от метки, после чего это положение фиксируется для проведения эксперимента.
Преимущества предлагаемой полезной модели иллюстрируют следующие примеры.
Пример 1.
В опыте используют систему для определения положения кантилевера, схематически изображенную на Фиг.. Система содержит кантилевер 1, представляющий собой кремниевую пластину (длина пластины 1 мкм, ширина пластины - 100 нм, толщина - 30 нм). Система также содержит метку 2, расположенную на подвижном конце кантилевера, в качестве которой используют квантовую точку CdSe/ZnS (шар с диаметром 350 нм) с пиком излучения на 772 нм, в качестве внешнего источника энергии 3 система содержит азотный лазер марки ЛГИ-505 производства ОАО "ПЛАЗМА" (РФ) с длиной волны излучения 337,1 нм. Система также содержит позиционно чувствительное устройство для регистрации светового излучения 4, в качестве которого используют ПЗС камеру марки Deep Sky Imager PRO (производства Meade), соединенную с персональным компьютером, обеспечивающим обработку данных эксперимента и не показанном на Фиг.. ПЗС камера может перемещаться по дуговым направляющим, находящимся во взаимно перпендикулярных плоскостях, причем ПЗС камера направлена к центру окружности, частью которой является дуговая направляющая. Траектории перемещения камеры 5 показаны на Фиг. Система является настроенной и готова к проведению эксперимента. Перед экспериментом на одну из сторон кантилевера наносят методом прямой сорбции из водного раствора антитела, специфические к пероксидазе хрена. В ходе эксперимента кантилевер подвергают воздействию водного раствора пероксидазы хрена. В результате связывания пероксидазы хрена с антителами, осажденными на кантилевере, происходит изменение латеральных сил в рецепторном слое кантилевера, и, как следствие, происходит изгиб кантилевера. Чувствительность системы к изменению латеральных сил составляет 10-12 ньютонов. Точность измерений системы равна 12%.
Пример 2.
Опыт проводят аналогично примеру 1, однако в качестве кантилевера система содержит многослойную нанотрубку, закрепленную с одного конца (диаметр нанотрубки 60 нм, длина 2 мкм), в качестве метки система содержит зеленый флуоресцентный белок, способный излучать в зеленом диапазоне с пиком флуоресценции на 498 нм под воздействием ультрафиолетового света, идущего от внешнего источника энергии, в качестве которого система содержит ультрафиолетовую лампу, расположенную над флуоресцентной меткой. В качестве позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения система содержит одноразмерный PSD-детектор марки S3270 производства Hamamatsu (Япония). PSD-детектор, закреплен на устройстве шарового типа, совмещенном с линейной направляющей, перпендикулярной оси нанотрубки, что обеспечивает его подвижность и дает ему возможность принимать положение, в котором световое излучение от метки попадает на PSD-детектор. Чувствительность системы к изменению латеральных сил составляет 2*10-12 ньютонов. Точность измерений системы равна 11%.
Пример 3.
Опыт проводят аналогично примеру 1, однако в качестве кантилевера система содержит углеродный цилиндр (диаметр цилиндра 500 нм, длина цилиндра - 5 мкм), на поверхность которого в близи подвижного конца напылен слой сульфида цинка, который выступает в качестве источника света за счет своей способности к радиолюминисценции под воздействием внешнего источника энергии, в качестве которого система содержит источник бетта-излучения на основе трития, а в качестве позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения система содержит ПЗС камеру марки ICX084AL (производства компании Sony). Чувствительность системы к изменению латеральных сил составляет 5*10-12 ньютонов. Точность измерений системы равна 10%.
Пример 4 (контрольный, по прототипу)
Опыт проводят аналогично примеру 1, однако в качестве источника света система содержит SEL - лазер производства Optowell Co., Ltd с длиной волны излучения 670 нм, закрепленный на подвижном конце кантилевера, в качестве которого система содержит прямоугольную кремниевую пластину (длина пластины 100 мкм, ширина пластины - 30 мкм, толщина - 4 мкм), но устройство для регистрации светового излучения неподвижно. Чувствительность системы к изменению латеральных сил составляет 10-8 ньютонов. Точность измерений системы равна 20%.
Были проведены дополнительные эксперименты, которые показали, что система не работает, если она не содержит кантилевера или источника света, или позиционно чувствительного устройства для регистрации светового излучения. Система также не работает, если источник света расположен на неподвижной части кантилевера или система не содержит внешнего источника энергии.
Были проведены дополнительные эксперименты, которые показали, что задача полезной модели не выполняется, если в качестве источника света система не содержит метку, способную излучать в световом диапазоне в результате воздействия внешнего источника энергии. Также экспериментально было установлено, что система может быть неработоспособной, если устройство для регистрации светового излучения неподвижно и не может принимать положение, в котором световое излучение от метки попадает в приемник устройства для регистрации светового излучения.
Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенная система действительно позволяет повысить чувствительность системы к изменению латеральных сил с 10-8 ньютонов (прототип) до (1-5)*10-12 ньютонов и повысить точность измерений с 20% (прототип) до 10-12%.
Система для определения положения кантилевера, состоящая из кантилевера, источника света, расположенного на подвижной части кантилевера, и позиционно-чувствительного устройства для регистрации светового излучения, идущего от источника света, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит внешний источник энергии, в качестве источника света система содержит метку, способную излучать в световом диапазоне в результате воздействия внешнего источника энергии, а устройство для регистрации светового излучения подвижно и может принимать положение, в котором световое излучение от метки попадает в приемник устройства для регистрации светового излучения.
