Зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом, на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что кантилевер соединен с зондирующей иглой, вершина которой соединена со сферой, выполненной из полимера с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, покрытой защитным полимерным слоем, прозрачным для длины волны внешнего электромагнитного источника излучения и длины волны излучения со стоксовым сдвигом, генерируемого квантовыми точками структуры ядро-оболочка. Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки, что позволяет осуществить оптомеханические исследования наноразмерных структур материалов с оптомеханическими свойствами и биологических объектов с фотобиологическими свойствами.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Известен зонд атомно-силового микроскопа для измерения модуля упругости (модуля Юнга) биологических объектов и предотвращения повреждения их поверхности, состоящий из tipless кантилевера (кантилевер без иглы), на вершине которого закреплен кварцевый шарик диаметром 5 мкм (Д.В. Лебедев, А.П. Чукланов, А.А. Бухараев, О.С. Дружинина. Измерение модуля Юнга биологических объектов в жидкой среде с помощью специального зонда атомно-силового микроскопа // Письма в ЖТФ. - 2009 - Т.35. Вып.8 - С.54-61.).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Наиболее близким по технической сущности является зонд атомно-силового микроскопа для механического определения упругости (модуля Юнга) клеток крови, состоящий из tipless кантилевера (кантилевер без иглы), на вершине которого закреплена полимерная сфера диаметром 10 мкм (Патент RU 2466401 С1, 10.11.2012 G01N 33/49 Способ определения упругости клеток крови).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше заключается в использовании излучающего элемента в виде полимерной сферы с нанометровыми порами заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, закрепленной на вершине зондирующей иглы, что позволяет осуществить оптомеханические исследования наноразмерных структур материалов с оптомеханическими свойствами.

Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Технический результат предложенной полезной модели достигается совокупностью существенных признаков, а именно: зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, зондирующею иглу, соединенную с кантилевером, полимерную сферу с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух и определяется диаметром полимерной сферы с нанометровыми порами и количеством пор, способных разместить квантовые точки без выхода их оболочек за периметр окружности полимерной сферы с нанометровыми порами, причем полимерная сфера с нанометровыми порами крепится к зондирующей игле, за счет жесткой посадки вершины зондирующей иглы в одну из пор полимерной сферы с нанометровыми порами, остальные поры, заполненные квантовыми точками структуры ядро-оболочка, покрыты защитным полимерным слоем, прозрачным для длины волны внешнего электромагнитного источника возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка и длины волны излучения со стоксовым сдвигом, генерируемого квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек закреплен у основания кантилевера, и его излучение ориентированно на центр полимерной сферы с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка. На фиг. 2 представлен выносной элемент A (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка.

Зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка фиг. 1 состоит из: кантилевера 1, соединенного с зондирующей иглой 2, на вершине которой закреплена полимерная сфера 3 с нанометровыми порами 4, заполненными квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 6 (например, лазерным диодом), расположенным у основания кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр полимерной сферы 3, также на фиг.1 представлена подложка 7 с размещенным на ней диагностируемым объектом 8 в момент соприкосновения ее с полимерной сферой 3 (элементы 4, 5, 8 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).

На выносном элементе A (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где полимерная сфера 3 с нанометровыми порами 4, заполненными квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка, в одной из нанометровых пор 4 полимерной сферы 3 жестко закреплена вершина зондирующей иглы 2, под полимерной сферой 3 расположена подложка 7 с диагностируемым объектом 8. Минимальный диаметр полимерной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных в нее квантовых точек 5 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 8. Стрелками указываются направления входящего ₁ и преобразованного ₂ по длине волны излучения, где ₁ - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек, вызывающего их люминесценцию, ₂ - длина волны люминесценции квантовой точки, смещенной на стоксовый сдвиг относительно длины волны ₁.

В зависимости от видов объектов диагностирования, методов диагностирования (например, диагностирование светочувствительных зрительных тканей биологических объектов), используемые для легирования квантовые точки 5 структуры ядро-оболочка могут быть как со стоксовым, так и антистоксовым сдвигом длины волны электромагнитного излучения относительно внешнего источника возбуждения 6 (т.е. длина волны ₁ больше ₂ или ₁ меньше ₂). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности, тем, чтобы ₁ находилась вне диапазона длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 8, а стимулирование объекта 8 осуществлялось только излучением квантовых точек 5 структуры ядро-оболочка с длиной волны ₂, которая вызывает изменение модуля упругости отдельных локальных участков диагностируемого объекта 8 в непосредственной близости от точки соприкосновения полимерной сферы 3 с объектом диагностирования 8.

Длина волны поглощения ₁ каждой квантовой точкой 5 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения ₂ каждой квантовой точки 5 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их составом, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой квантовой точки структуры ядро-оболочка. Длина волны электромагнитного излучения квантовых точек, направленная на объект диагностирования, может находиться как в оптическом диапазоне, так и за его пределами от ультрафиолетового до инфракрасного излучения.

Ядро каждой квантовой точки 5 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 5 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.

Для осуществления полезной модели кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки (Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием полимерной сферы 3 квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения квантовых точек в наноразмерные поры 4 полимерной сферы 3. Например, процесс легирования может осуществляться 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 (Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).

Зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка работает следующим образом: кантилевер 1 с зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 8, расположенному на подложке 7, и надавливает на него, получая данные об упругих свойствах объекта диагностирования 8, до включения и после включения внешнего источника возбуждения 6 квантовых точек с длиной волны ₁. В результате квантовые точки 5 возбуждают поверхность диагностируемого объекта 8 излучением длинной волны ₂, определяемой в зависимости от выбранного материала квантовой точки 5 и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки. В зависимости от требуемых режимов диагностирование может проходить как в непрерывном режиме люминесценции, так и в импульсном режиме флуоресценции (т.е. освещение локального участка объекта диагностирования только излучением ₂ квантовых точек в интервале, равному времени их флуоресценции, после выключения внешнего оптического источника 6 с целью исключения посторонних засветок и помех).

Предложенная конструкция зонда с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностики атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения величины модуля Юнга на поверхности объекта в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под излучающей сферой. Это позволяет обнаружить и исследовать отдельные светочувствительные участки биологических объектов и наноструктур, изменяющих свои механические свойства и размеры под действием электромагнитного излучения.

1. Зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, полимерную сферу, отличающийся тем, что содержит зондирующую иглу, соединенную с кантилевером, а полимерная сфера с нанометровыми порами выполнена из полимера с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух и определяется диаметром полимерной сферы с нанометровыми порами и количеством пор, способных разместить квантовые точки без выхода их оболочек за периметр окружности полимерной сферы с нанометровыми порами, причем полимерная сфера с нанометровыми порами крепится к зондирующей игле за счет жесткой посадки вершины зондирующей иглы в одну из пор полимерной сферы с нанометровыми порами, остальные поры, заполненные квантовыми точками структуры ядро-оболочка, покрыты защитным полимерным слоем, прозрачным для длины волны излучения внешнего электромагнитного источника возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка и длины волны излучения со стоксовым сдвигом, генерируемого квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

2. Зонд по п.1, отличающийся тем, что внешний источник возбуждения квантовых точек закреплен у основания кантилевера, и его излучение ориентировано на центр полимерной сферы с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка.