RU2541422C1 - Probe of atomic-powered microscope with nanocomposite radiating element doped by quantum points of nucleus-shell structure - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: cantilever is connected to an exploring needle, the top of which is connected to the sphere made from glass with nanometre pores, filled with quantum points of nucleus - shell structure coated with protective polymeric layer, transparent for the length of external electromagnetic radiation source and the stokes shifted wavelength generated by quantum points of nucleus - shell structure.

EFFECT: possibility of simultaneous combination of electromagnetic effect with measurement of mechanical response to this stimulating effect in one common point of the surface of the diagnosed object without impacting the neighbouring sections.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.The invention relates to measuring technique and can be used in probe scanning microscopy and atomic force microscopy for the diagnosis and study of nanoscale structures.

Известен зонд атомно-силового микроскопа для измерения модуля упругости (модуля Юнга) биологических объектов и предотвращения повреждения их поверхности, состоящий из кантилевера с прикрепленной зондовой иглой, на вершине которой закреплен шарик диаметром 5 мкм [1].A known atomic force microscope probe for measuring the elastic modulus (Young's modulus) of biological objects and preventing damage to their surface, consisting of a cantilever with an attached probe needle, on top of which a ball with a diameter of 5 μm is fixed [1].

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.A disadvantage of the known technical solution is the inability to simultaneously combine electromagnetic effects with measuring the mechanical reaction (elastic modulus) to this stimulating effect at one common point on the surface of the diagnostic object without affecting neighboring areas.

Наиболее близким по технической сущности является зонд атомно-силового микроскопа для механического определения упругости (модуля Юнга) клеток крови, состоящий из кантилевера с прикрепленной зондирующей иглой, на вершине которой закреплена полая полимерная микросфера диаметром 10 мкм [2].The closest in technical essence is an atomic force microscope probe for mechanical determination of elasticity (Young's modulus) of blood cells, consisting of a cantilever with an attached probe needle, on top of which a hollow polymer microsphere with a diameter of 10 μm is fixed [2].

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.A disadvantage of the known technical solution is the inability to simultaneously combine electromagnetic effects with measuring the mechanical reaction (elastic modulus) to this stimulating effect at one common point on the surface of the diagnostic object without affecting neighboring areas.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше заключается в использовании нанокомпозитного излучающего элемента в виде стеклянной сферы легированной квантовыми точками структуры ядро-оболочка, закрепленной на вершине зондирующей иглы, что позволяет осуществить оптомеханические исследования наноразмерных структур материалов с оптомеханическими свойствами и биологических объектов с фотобиологическими свойствами.The difference between the proposed technical solution and the foregoing is the use of a nanocomposite emitting element in the form of a glass sphere with a core-shell structure doped with quantum dots fixed on the top of the probe needle, which allows for optomechanical studies of nanoscale structures of materials with optomechanical properties and biological objects with photobiological properties.

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.The technical result is the possibility of a simultaneous combination of electromagnetic effects with the measurement of a mechanical reaction (elastic modulus) to this stimulating effect at one common point on the surface of the diagnostic object without affecting neighboring areas.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой с нанометровым радиусом кривизны вершины, которая соединена со сферой, выполненной из стекла с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух, и определяется диаметром сферы и количеством пор, способных разместить квантовые точки без выхода их оболочек за периметр окружности сферы, причем сфера крепится к зонду за счет жесткой посадки вершины зондирующей иглы с нанометровым радиусом кривизны в одну из пор стеклянной сферы с нанометровыми порами, остальные поры с заполненными 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 со стоксовым сдвигом генерируемой квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек закреплен у основания кантилевера и его излучение ориентированно на центр стеклянной сферы с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка.The technical result of the proposed invention is achieved by a combination of essential features, namely: an atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of a core-shell structure, including a cantilever connected to a probe needle with a nanometer radius of curvature of the vertex, which is connected to a sphere made of glass with nanometer pores filled with quantum dots of the core-shell structure, the number of which is more than two, and is determined by the diameter of the sphere and count the number of pores capable of placing quantum dots without leaving their shells beyond the perimeter of the circle circumference, the sphere being attached to the probe by rigidly fitting the tip of the probe needle with a nanometer radius of curvature into one of the pores of a glass sphere with nanometer pores, the rest of the pores with filled quantum dots of the core structure the shell is covered with a protective polymer layer transparent to the wavelength of the external electromagnetic source of excitation of quantum dots of the core-shell structure and the wavelength with the Stokes shift quantum dots my core-shell structure, an external excitation source of quantum dots is fixed at the base of the cantilever and its radiation is oriented to the center of a glass sphere with nanometer pores filled with quantum dots core-shell structure.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, (выносной элемент A представлен на фиг 2). На фиг.2 представлен выносной элемент A (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка.The invention is illustrated in figure 1, which presents a probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of the core-shell structure (remote element A is shown in figure 2). Figure 2 presents the extension element A (10: 1) on an enlarged scale and in section, explaining the design of the probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of the core-shell structure.

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка (фиг.1) состоит из: кантилевера 1, соединенного с зондирующей иглой 2, на вершине которой закреплена стеклянная сфера 3 с нанометровыми порами 4, легированными 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 стеклянной сферы 3, также на фиг.1 представлена подложка 7 с размещенным на ней диагностируемым объектом 8 в момент соприкосновения ее со сферой 3 (элементы 4, 5, 8 приведены в увеличенном масштабе на фиг.2).An atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of the core-shell structure (Fig. 1) consists of: a cantilever 1 connected to a probe needle 2, on top of which a glass sphere 3 with nanometer pores 4 doped with quantum dots 5 is fixed core-shell structures, the excitation of which is carried out by an external electromagnetic source of excitation of quantum dots 6 (for example, a laser diode) located at the base of the cantilever 1 with the radiation direction oriented 1, the substrate 7 with the diagnosed object 8 placed on it at the moment of its contact with the sphere 3 (elements 4, 5, 8 are shown on an enlarged scale in figure 2).

На выносном элементе A (10:1) фиг.2 представлены элементы в разрезе, где стеклянная сфера 3 с нанометровыми порами 4, заполненными квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка, в одной из нанометровых пор 4 стеклянной сферы 3 жестко закреплена вершина зондирующей иглы 2, под стеклянной сферой 3 расположена подложка 7 с диагностируемым объектом 8. Минимальный диаметр стеклянной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных 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 λ1 и преобразованного λ2 по длине волны излучения, где λ1 - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек, вызывающих их люминесценцию, λ2 - длина волны люминесценции квантовой точки, смещенной на стоксовый сдвиг относительно длины волны λ1.On the remote element A (10: 1) of FIG. 2, the elements are shown in section, where the glass sphere 3 with nanometer pores 4 filled with quantum dots 5 of the core-shell structure, in one of the nanometer pores 4 of the glass sphere 3, the tip of the probe 2 is rigidly fixed , under the glass sphere 3 there is a substrate 7 with the diagnosed object 8. The minimum diameter of the glass sphere 3 is determined by the minimum number of doped quantum dots 5 of the core-shell structure, which together form a nanocomposite emitting element, param whose electromagnetic radiation is determined by the class of the diagnosed object 8. The arrows indicate the directions of the incoming λ1 and converted λ2 by the radiation wavelength, where λ1 is the wavelength of external electromagnetic radiation to excite the quantum dots causing their luminescence, λ2 is the luminescence wavelength of the quantum dot shifted by Stokes shift relative to wavelength λ1.

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 λ1 больше λ2 или λ1 меньше λ2). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности с тем, чтобы λ1 находилась вне зоны длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 8, а стимулирование его осуществлялось только излучением квантовых точек 5 структуры ядро-оболочка с длиной волны λ2, которая вызывает изменение модуля упругости отдельных локальных участков диагностируемого объекта 8 в непосредственной близости от точки соприкосновения сферы 3 с объектом диагностирования 8.Depending on the types of objects to be diagnosed, diagnostic methods (for example, the diagnosis of photosensitive visual tissues of biological objects), the quantum dots 5 of the core-shell structure used for doping can be both with the Stokes and anti-Stokes wavelength shifts of electromagnetic radiation relative to the external excitation source 6 (t i.e., the wavelength λ1 is greater than λ2 or λ1 is less than λ2). This condition is due to the requirement of noise immunity so that λ1 is outside the wavelength zone to which all the studied sections of the diagnosed object 8 react, and it was stimulated only by emission of quantum dots 5 of the core-shell structure with wavelength λ2, which causes a change in the elastic modulus of individual local sections of the diagnosed object 8 in the immediate vicinity of the point of contact of the sphere 3 with the object of diagnosis 8.

Длина волны поглощения λ1 квантовой точкой 5 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ2 квантовой точки 5 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их процентным соотношением, 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.The absorption wavelength λ1 of a quantum dot 5 of the core-shell structure and the radiation wavelength λ2 of the quantum dot 5 of the core-shell structure is determined by its diameter (mainly from 2 to 20 nanometers), a combination of the core material and the shell material, their percentage, the protective transmission spectrum transparent polymer film and the manufacturing technology of the quantum dot of the core-shell structure. The wavelength of electromagnetic radiation of quantum dots, aimed at the object of diagnosis, can be both in the optical range and beyond, from ultraviolet to infrared radiation.

Ядро 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 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.The core of the quantum dot 5 of the core-shell structure may, for example, include at least one material selected from the group consisting of, but not limited to, CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS and ZnO. The shell of the quantum dot 5 of the core-shell structure may include at least one material selected from the group consisting of CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, and HgSe, but is not limited to these options.

Для осуществления изобретения кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки [3].To implement the invention, in addition to classical quantum dots of the core-shell structure, core-multi-shell quantum dots can also be used [3].

Изготовление нанокомпозитного излучающего элемента осуществляется легированием стеклянной сферы 3, квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения квантовых точек в наноразмерные поры 4 стеклянной сферы 3. Например, процесс легирования может осуществляется 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 [4].The manufacture of a nanocomposite emitting element is carried out by doping the glass sphere 3 with quantum dots 5 of the core-shell structure and is performed by the penetration of quantum dots into nanoscale pores 4 of the glass sphere 3. For example, the doping process can be carried out according to the known method by immersing the element from glass with nanometer pores into a solution of two or more quantum dots, followed by drying in air and filling the voids remaining between the quantum dots with resin [4].

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками 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 λ1. В результате квантовые точки 5 возбуждают поверхность диагностируемого объекта 8 длиной волны λ2, определенной 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 λ2 квантовых точек в интервале, равном времени их флуоресценции, после выключения внешнего оптического источника 6 с целью исключения посторонних засветок и помех).An atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of the core-shell structure works as follows: a cantilever 1 with a probe needle 2 is fed to the diagnostic object 8 located on the substrate 7 and presses on it, obtaining data on the elastic properties of the object Diagnostics 8, before and after the inclusion of an external source of excitation of 6 quantum dots with a wavelength of λ1. As a result, quantum dots 5 excite the surface of the diagnosed object 8 with a wavelength of λ2, determined depending on the selected material of the quantum dot 5 and the ratio of the diameter of the core to the thickness of its surrounding shell. Depending on the required modes, diagnostics can take place both in the continuous luminescence mode and in the pulsed fluorescence mode (i.e., illumination of the local part of the diagnosed object only by radiation of λ2 quantum dots in the interval equal to the time of their fluorescence after turning off the external optical source for 6 s to exclude extraneous light and interference).

Предложенная конструкция зонда с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностики атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения корреляции изменения модуля Юнга 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, изменяющие свои механические свойства и размеры под действием точечного электромагнитного излучения, что ранее невозможно было осуществить с известными зондами.The proposed probe design with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of the core-shell structure also provides the ability to measure the topological distribution of the correlation of changes in the Young's modulus depending on the stimulating effect of a certain wavelength of electromagnetic radiation at each point when scanning the surface of the diagnostic object with an atomic force microscope X, Y coordinates, directly located under the radiating sphere. This allows you to detect and study individual photosensitive sections of biological objects and nanostructures that change their mechanical properties and dimensions under the influence of point electromagnetic radiation, which previously could not be done with known probes.

Источники информацииInformation sources

1. 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.54-61.1. D.V. Lebedev, A.P. Chuklanov, A.A. Bukharaev, O.S. Druzhinina. Measurement of the Young's modulus of biological objects in a liquid medium using a special probe of an atomic force microscope // Letters in ZhTF. - 2009 - T.35. Issue 8 - S.54-61.

2. Патент RU 2466401 C1, 10.11.2012, G01N 33/49. Способ определения упругости клеток крови.2. Patent RU 2466401 C1, 10.11.2012, G01N 33/49. A method for determining the elasticity of blood cells.

3. Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.3. Patent Application Publication Pub. No .: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

4. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.4. Patent Application Publication Pub. No .: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

Claims (2)

1. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой с нанометровым радиусом кривизны вершины, которая соединена со сферой, отличающийся тем, что сфера выполнена из стекла с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух, и определяется диаметром сферы и количеством пор, способных разместить квантовые точки без выхода их оболочек за периметр окружности сферы, причем сфера крепится к зонду за счет жесткой посадки вершины зондирующей иглы с нанометровым радиусом кривизны в одну из пор стеклянной сферы с нанометровыми порами, остальные поры с заполненными 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 со стоксовым сдвигом, генерируемой квантовыми точками структуры ядро-оболочка.1. An atomic force microscope probe with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of a core-shell structure, comprising a cantilever connected to a probe needle with a nanometer radius of curvature of the vertex, which is connected to a sphere, characterized in that the sphere is made of glass with nanometer pores, filled with quantum dots of the core-shell structure, the number of which is more than two, and is determined by the diameter of the sphere and the number of pores that can accommodate quantum dots without leaving their shells perimeter p of the sphere’s circumference, the sphere being attached to the probe by rigidly fitting the tip of the probe needle with a nanometer radius of curvature into one of the pores of the glass sphere with nanometer pores, the remaining pores with filled quantum dots of the core-shell structure are covered with a protective polymer layer transparent to the external wavelength electromagnetic source of excitation of quantum dots of the core-shell structure and wavelength with Stokes shift generated by quantum dots of the core-shell structure. 2. Зонд по п.1, отличающийся тем, что внешний источник возбуждения квантовых точек закреплен у основания кантилевера и его излучение ориентированно на центр стеклянной сферы с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка. 2. The probe according to claim 1, characterized in that the external source of excitation of the quantum dots is fixed at the base of the cantilever and its radiation is oriented to the center of the glass sphere with nanometer pores filled with quantum dots of the core-shell structure.

Images