RU2723899C1

RU2723899C1 - Scanning probe of atomic-force microscope with separable remote-controlled nanocomposite emitting element doped with quantum dots, upconverting and magnetic nanoparticles of core-shell structure

Info

Publication number: RU2723899C1
Application number: RU2019135342A
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Линьков; Сергей Игоревич Гусев; Николай Владимирович Вишняков; Юрий Владимирович Линьков; Павел Владимирович Линьков
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2020-06-18

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: use: for diagnosing nanosized structures. Scanning probe of atomic-force microscope with separable remote-controlled nanocomposite emitting element doped with quantum points, upconverting and magnetic nanoparticles of core-shell structure, includes two-layer carbon nanotube, magnetically transparent cantilever with an electrically conducting probing needle passed into a carbon nanotube of small diameter, which is embedded into a larger diameter nanotube, the outer surface of which is fixed in a magnetically transparent glass sphere containing through nanosized pores of small and larger diameter, from which nanopores of large diameter are filled with magnetic nanoparticles of core-shell structure with same direction of orientation of poles, quantum points of core-shell structure, on the outer side coated with a protective optically and magnetically transparent polymer layer, a C-shaped synchronous-aligning bracket synchronized with the movable probing needle, on which first and second external magnetic field sources are fixed and directed to center of magnetically transparent glass sphere in form of first and second flat micro-coils arranged optically and magnetically transparent substrates and connected to outputs of first and second DAC, also contains upconverting nanoparticles of core-shell structure, diameter of which is less than diameter of magnetic nanoparticles of core-shell structure, but larger than diameter of quantum points of nucleus-shell structure, first and second excitation sources of upconverting nanoparticles, fixed on opposite sides of C-shaped synchronous-centering bracket and optical axes of which are directed to center of magnetically transparent glass sphere, small through pores of which are made with cone-shaped inputs, in center of which there arranged are upconverting nanoparticles of core-shell structure, around spherical surface of hemisphere of each of which there are quantum points of core-shell structure without exit of their shells behind spherical surface of magnetically transparent glass sphere.EFFECT: invention enables scanning of nanowells whose depth is tens of times greater than the length of the probing needle, a stable spectrum of electromagnetic radiation in the optical range, with simultaneous measurement of electrical characteristics which vary in this stimulating effect.1 cl, 3 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 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 электропроводящей 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, 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].A known probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure, comprising a two-layer carbon nanotube, magnetically transparent cantilever with an electrically conductive probe needle, inserted into a small diameter nanotube that is embedded in a larger diameter nanotube the surface of which is fixed in a magnetically transparent glass sphere containing through nanometer pores of small and large diameters, respectively filled with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, coated with a protective opto-magnetically transparent polymer layer on the outside, an external source of excitation of quantum dots, an external source of magnetic field in the form flat microcoil connected to the output of the DAC [1].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности, при сканировании боковых стенок наноколодцев, осуществлять возбуждение нанокомпозитного излучающего элемента наиболее безопасным для биотканей ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань при диагностировании биологических объектов стабильным спектром электромагнитных волн в оптическом диапазоне.A disadvantage of the known technical solution is the lack of the ability, when scanning the side walls of nanowells, to excite the nanocomposite emitting element with the most infrared radiation that is the safest for biological tissues, which has the greatest penetration depth into the biological tissue when diagnosing biological objects with a stable spectrum of electromagnetic waves in the optical range.

Наиболее близким по технической сущности является сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей 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 с одинаковым направлением ориентации полюсов, с внешней стороны покрытые защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем. Включающий также синхронизированную, с перемещаемой электропроводящей зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующую скобу, на которой закреплены и направлены на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 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].The closest in technical essence is a scanning probe of an atomic force microscope with a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, including a two-layer carbon nanotube, magnetically transparent cantilever with an electrically conductive probe inserted into a small carbon nanotube it is embedded in a larger diameter nanotube, the outer surface of which is fixed in a magnetically transparent glass sphere containing through nanometer pores of small and large diameters, filled respectively with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure with the same pole orientation direction, coated with a protective optically magnetically transparent polymer layer on the outside. It also includes a synchronized C-shaped synchronous-centering bracket with a movable conductive probe, on which the first and second external sources of excitation of quantum dots, the first and second external sources of magnetic field in the form of the first and second flat microcoils are fixed and directed to the center of the magnetically transparent glass sphere placed on opto-magnetically transparent substrates and connected to the outputs of the first and second DACs [2].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности, при сканировании боковых стенок наноколодцев, осуществлять возбуждение телеуправляемого нанокомпозитного излучающего элемента наиболее безопасным для биотканей ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань при диагностировании биологических объектов, используя в качестве стимулирующего воздействия стабильный спектр электромагнитных волн в оптическом диапазоне.A disadvantage of the known technical solution is the lack of the ability, when scanning the side walls of nanowells, to excite a telecontrolled nanocomposite emitting element with the most infrared radiation that is the safest for biological tissues, which has the greatest penetration depth into biological tissue when diagnosing biological objects, using a stable spectrum of electromagnetic waves in optical as a stimulating effect range.

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 разрушающих 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 выполняется 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 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.The difference between the proposed technical solution and the above solutions lies in the fact that nanometer pores with cone-shaped inlets with up-converting core-shell nanoparticles located in each cone-shaped part surrounded by quantum dots of the core-shell structure and two external excitation sources of up-converting nanoparticles are introduced into the glass sphere . This made it possible to use the optimal combination of several transformations of electromagnetic radiation, taking into account the level of penetration and destructive properties of certain wavelengths affecting living biological objects, to generate the wavelength of electromagnetic radiation used when scanning the surface of the walls of the nanowells of the diagnostic object. The transformation chain consists of converting the original wavelength located in the near infrared region (in the “transparency window” of biological tissues) into local ultraviolet, and ultraviolet is converted into stable radiation in the visible or mid-infrared ranges. These transformations are carried out in the following sequence: near-infrared radiation (700-1100 nm) that is deeply penetrating and safe for biological tissues excites up-converting nanoparticles of the core-shell structure, which, in turn, generate local ultraviolet radiation in the near range (300-400 nm), which excite only nearby quantum dots of the core-shell structure, which emit stable wavelengths in the visible or mid-infrared (400-3000 nm), which are spot-irradiated when moving the telecontrolled nanocomposite emitting element to the side walls of the nanowells at depths previously unavailable for research , without damage by ultraviolet radiation of living biological tissues. To excite upconverting nanoparticles, the first and second external excitation sources of upconverting nanoparticles operating in the near infrared range were introduced, which allows reducing or eliminating the radiation load of cytotoxic ultraviolet radiation on the living biological cell cultures under study. The introduction of up-converting nanoparticles of the core-shell structure excited by near infrared light made it possible to increase the depth of research of nanowells to 4-7 mm due to the minimal absorption of near infrared light by most biomolecules in the wavelength range from 700-1100 nm in the transparency window of the biological tissue, and the use of Bidirectional counter-excitation of the converting nanoparticles allowed us to double the depth of study of curved (wave-like) nanowells to 8-14 mm and to reduce the effects of photodamage on biological tissue.

Техническим результатом является возможность осуществления возбуждения нанокомпозитного излучающего элемента наиболее безопасным ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань, при сканировании боковых стенок наноколодцев диагностируемых биологических объектов стабильным спектром электромагнитных волн в оптическом диапазоне. Это позволило получить электрические характеристики откликов живых биотканей от стимулирующих воздействий в оптическом диапазоне на участки, расположенные на больших глубинах, которые ранее были недоступны.The technical result is the possibility of exciting the nanocomposite emitting element with the safest near infrared radiation having the greatest penetration depth into the biological tissue, while scanning the side walls of the nanowells of the diagnosed biological objects with a stable spectrum of electromagnetic waves in the optical range. This allowed us to obtain the electrical characteristics of the responses of living biological tissues from stimulating effects in the optical range to areas located at great depths that were previously inaccessible.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей 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 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 электропроводящей зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующую скобу, на которой закреплены и направлены на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 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 центр магнитопрозрачной стеклянной сферы, малые сквозные поры которой 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.The technical result of the proposed invention is achieved by a combination of essential features, namely: a scanning probe of an atomic force microscope with a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots, upconverting and magnetic nanoparticles of a core-shell structure, including a two-layer carbon nanotube, magnetically transparent cantilever and an electrically conductive threaded into a carbon nanotube of small diameter, which is embedded in a larger diameter nanotube, the outer surface of which is fixed in a magnetically transparent glass sphere containing through nanometer pores of small and larger diameter, of which nanopores of large diameter are filled with magnetic nanoparticles of a core-shell structure with the same direction of pole orientation, quantum dots of the core-shell structure on the outside coated with a protective opto-magnetically transparent polymer layer synchronized with a moving electrically conductive probing with a needle a C-shaped synchronously centering bracket on which the first and second external magnetic field sources are mounted and directed to the center of the magnetically transparent glass sphere in the form of first and second flat microcoils placed on opto-magnetically transparent substrates and connected to the outputs of the first and second DACs, converting nanoparticles of the structure core-shell, the diameter of which is less than the diameter of the magnetic nanoparticles of the core-shell structure, but larger than the diameter of the quantum dots of the core-shell structure, the first and second sources of excitation of the inverting nanoparticles, mounted on opposite sides of the C-shaped synchronously centering staples and whose optical axes are directed to the center of the magnetically transparent glass sphere, the small through pores of which are made with cone-shaped entrances, the center of which upconverting nanoparticles of the core-shell structure are located, around the spherical surface of the hemisphere of each of which are located quantum dots of the core-shell structure without the course of their shells beyond the spherical surface of a magnetically transparent glass sphere.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым 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 отделяемым 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 отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.The invention is illustrated in FIG. 1, which presents a scanning probe of an atomic force microscope with a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots, inverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure. In FIG. Figure 2 shows an extension element A (10: 1) on an enlarged scale and in section, illustrating the design of a scanning probe of an atomic force microscope with a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots, up-converting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure. In FIG. Figure 3 shows the extension element A (10: 1) on an enlarged scale and in the context during the autonomous operation of a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element of a scanning probe of an atomic force microscope with a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots, inverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure .

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка фиг. 1, включает магнитопрозрачный кантилевер 1, соединенный с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, магнитопрозрачную стеклянную сферу 3 со сквозными нанометровыми порами малого 4 диаметра с конусообразными входами, и со сквозными нанометровыми порами большого 5 диаметра, квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка, апконвертирующие наночастицы 7 структуры ядро-оболочка, магнитные наночастицы 8 структуры ядро-оболочка, двухслойную углеродную нанотрубку 9, состоящую из вложенной одна в другую внутреннюю углеродную нанотрубку малого диаметра 10, и внешнюю углеродную нанотрубку большего диаметра 11, первую плоскую 12 микрокатушку, вторую плоскую 13 микрокатушку, первый цифро-аналоговой преобразователь (ЦАП) 14, второй цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 15, первый внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 16, второй внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 17, С-образную синхронно-центрирующую магнитопрозрачную скобу 18. Также, на фиг. 1 представлена оптомагнитопрозрачная подложка 19 с размещенным на ней диагностируемым объектом 20, содержащим наноколодцы, заполненные электропроводяцей жидкостью. Элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2 и фиг. 3.A scanning probe of an atomic force microscope with a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots, inverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure of FIG. 1 includes a magnetically transparent cantilever 1 connected to an electrically conductive magneto-transparent probing needle 2, a magnetically transparent glass sphere 3 with through nanometer pores of small 4 diameters with cone-shaped inputs, and with through nanometer pores of large 5 diameter, quantum dots 6 of the core-shell structure, up-converting nanoparticles 7 core-shell structures, magnetic nanoparticles 8 core-shell structures, a two-layer carbon nanotube 9, consisting of an internal small-diameter carbon nanotube 10 inserted into one another, and an external carbon nanotube of a larger diameter 11, the first flat 12 micro coil, the second flat 13 micro coil, the first a digital-to-analog converter (DAC) 14, a second digital-to-analog converter (DAC) 15, a first external excitation source of the converting nanoparticles 16, a second external excitation source of the converting nanoparticles 17, a C-shaped synchronously centering magneto-transparent bracket 18. Also, in FIG. 1 shows an opto-magnetically transparent substrate 19 with a diagnosed object 20 placed on it, containing nanowells filled with an electrically conductive liquid. Elements 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 are shown on an enlarged scale in FIG. 2 and FIG. 3.

С помощью С-образной синхронно-центрирующей скобы 18, осуществляется синхронное перемещение кантилевера 1 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 по координатам X, Y и первой плоской микрокатушки 12 синхронно со второй плоской микрокатушкой 13, которые жестко закреплены и выставлены параллельно друг другу с юстировкой их центров по одной оси, проходящей через центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Первый 16 и второй 17 источники возбуждения апконвертирующих наночастиц закреплены на противоположных сторонах С-образной синхронно-центрирующей скобы 18 с направлением их оптических осей на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 для возбуждения апконвертирующих наночастиц 7, перемещаемых с помощью магнитного поля в исследуемой зоне по координате Z.Using the C-shaped synchronous-centering bracket 18, the cantilever 1 is synchronously moved with the electrically conductive magnetically transparent probe needle 2 along the X, Y coordinates and the first flat micro coil 12 synchronously with the second flat micro coil 13, which are rigidly fixed and aligned parallel to each other with their adjustment centers along one axis passing through the center of the magnetically transparent glass sphere 3. The first 16 and second 17 sources of excitation of the converting nanoparticles are fixed on opposite sides of the C-shaped synchronously centering bracket 18 with the direction of their optical axes to the center of the magnetically transparent glass sphere 3 to excite the converting nanoparticles 7 moved using a magnetic field in the studied area along the Z coordinate.

Первый внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 осуществляет возбуждение апконвертирующих наночастиц 7 структуры ядро-оболочка, расположенных в верхней полусфере магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Второй внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 17 осуществляет возбуждение апконвертирующих наночастиц 7 структуры ядро-оболочка, расположенных на нижней полусфере магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. 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).The first external excitation source of the converting nanoparticles 16 excites the converting nanoparticles 7 of the core-shell structure located in the upper hemisphere of the magnetically transparent glass sphere 3. The second external excitation source of the converting nanoparticles 17 carries out the excitation of nanoconducting nanoparticles 17 of the core-shell structure located on the lower hemisphere of the magnetically transparent glass sphere 3. To excite up-converting nanoparticles of the core-shell structure, laser diodes with a Gaussian beam intensity distribution profile (single-mode laser diodes) and a wavelength of, for example, 975 nm with a radiation power density acceptable for safe operation with living biological tissue (in vivo) can be used.

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 16 и 17 одновременно или раздельно, по мере перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 по наноколодцу, сканируя его боковую стенку длинной волны λ₂.Depending on the research program and for determining electrical reactions at a specific immersion depth, temporary combinations of excitation pulses with a wavelength of λ ₁ acting on upconverting nanoparticles of the core-shell structure located in the upper or lower hemisphere can be generated by the first and second external excitation sources of converting nanoparticles 16 and 17 simultaneously or separately, as the magnetically transparent glass sphere 3 moves along the nanowell, scanning its side wall of the long wavelength λ ₂ .

Элементы 1, 2, 3, 18 выполнены магнитопрозрачными, что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Сквозные нанометровые поры малого 4 диаметра с конусообразными входами заполнены апконвертирующими наночастицами 7 структуры ядро-оболочка и квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка. Сквозные нанометровые поры большого 5 диаметра заполнены магнитными наночастицами 8 структуры ядро-оболочка. Ядро каждой магнитной наночастицы 8 структуры ядро-оболочка состоит из магнитожесткого материала, а внешняя оболочка сформирована из магнитомягкого материала. Дистанционное управление траекторией и скоростью реверсивного перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 по наноколодцу объекта диагностирования 20 осуществляется за счет взаимодействия постоянного магнитного поля магнитных наночастиц 8 структуры ядро-оболочка с изменяющимся (по величине и вектору направления) магнитным полем, создаваемым первой плоской 12 и второй плоской 13 микрокатушками, состоящими из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых соединены соответственно с выходами первого ЦАП 14 и второго ЦАП 15. Тип используемых первого ЦАП 14 и второго ЦАП 15 (их разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований.Elements 1, 2, 3, 18 are made magnetically transparent, which is achieved by the absence of ferromagnetic impurities in their structures. The through nanometer pores of small 4 diameters with conical inlets are filled with up-converting nanoparticles 7 of the core-shell structure and quantum dots 6 of the core-shell structure. The through nanometer pores of large diameter 5 are filled with magnetic nanoparticles of 8 core-shell structure. The core of each magnetic nanoparticle 8 of the core-shell structure consists of a magnetically rigid material, and the outer shell is formed of a soft magnetic material. Remote control of the trajectory and speed of the reverse movement of the magnetically transparent glass sphere 3 along the nanowell of the diagnostic object 20 is carried out due to the interaction of the constant magnetic field of magnetic nanoparticles 8 of the core-shell structure with a changing (in magnitude and direction vector) magnetic field created by the first plane 12 and second plane 13 microcoils, consisting of one or more spiral-shaped turns, the conclusions of which are connected respectively to the outputs of the first DAC 14 and the second DAC 15. The type of the first DAC 14 and the second DAC 15 used (their capacity and speed) is determined by the range of diagnostic tests.

Магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 через двухслойную углеродную нанотрубку 9 структуры типа «русская матрешка» (russian dolls), представляющую совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных углеродных нанотрубок 10 и 11 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 10, 11 образуют наноподшипник скольжения для перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 по электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей 2 игле с минимальным трением. Внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра 10 соединена с поверхностью электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, а внешняя поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 11 продета и закреплена в одной из сквозных нанометровых пор малого диаметра 4 с конусообразными входами магнитопрозрачной стеклянной сферы 3, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем.A magnetically transparent glass sphere 3 is connected to an electrically conductive magneto-transparent probe needle 2 through a two-layer carbon nanotube 9 of the Russian dolls type, which is a collection of single-layer carbon nanotubes 10 and 11 coaxially inserted into each other with the distance between adjacent graphite layers (intertubular distance) close to the value (approximately equal) of 0.34 nm, at which the van der Waals forces are minimal. Single-walled single-walled carbon nanotubes 10, 11 inserted into one another form a sliding nanosized bearing for moving a magnetically transparent glass sphere 3 along an electrically conductive magnetically transparent probe 2 needle with minimal friction. The inner surface of the embedded carbon nanotube of small diameter 10 is connected to the surface of the electrically conductive magnetically transparent probe needle 2, and the outer surface of the outer carbon nanotube of larger diameter 11 is threaded and fixed in one of the through nanometer pores of small diameter 4 with cone-shaped inlets of the magnetically transparent glass sphere 3 coated with a protective optically magnetically transparent polymer layer.

Минимальный диаметр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных в нее апконвертирующих наночастиц 7 структуры ядро-оболочка, максимальным количеством размещаемых в чашах конусообразных входов вокруг апконвертирующих наночастиц 7 структуры ядро-оболочка, квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка и минимальным количеством магнитных наночастиц 8 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности телеуправляемый нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 20.The minimum diameter of a magnetically transparent glass sphere 3 is determined by the minimum number of upconverting nanoparticles 7 of the core-shell structure doped into it, the maximum number of cone-shaped entrances placed around the upconverting nanoparticles 7 in the core-shell structure, quantum dots 6 of the core-shell structure and the minimum number of magnetic nanoparticles of the 8th structure the core-shell, which together form a telecontrolled nanocomposite emitting element, the electromagnetic radiation parameters of which are determined by the class of the diagnosed object 20.

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.For proper placement of certain nanoparticles in certain nanopores of the radiating element, the tolerance deviations of the diameters of nanopores must correspond to the tolerance deviation of the diameters of magnetic nanoparticles or up-converting nanoparticles, or quantum dots of the core-shell structure. The fulfillment of such conditions is necessary for the correct programming of the emitting element (i.e., each spherical nanoparticle of a certain class must enter only the nanopore of its class, but cannot enter the neighboring nanopore of a smaller diameter, for which another spherical nanoparticle of a smaller diameter of the next class is intended to be immersed) by the method of successively immersing a glass sphere with many formed nanopores in colloidal solutions of different classes with a successively decreasing diameter of nanoparticles.

Квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка расположены на малом расстоянии вокруг каждой апконвертирующей наночастицы 7 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 7 структуры ядро-оболочка находятся в полосе поглощения квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка.Quantum dots 6 of the core-shell structure are located at a small distance around each up-converting nanoparticle 7 of the core-shell structure to perform resonant non-radiative energy transfer via the Forster mechanism (FRET, Forster Resonance Energy Transfer), because FRET efficiency is inversely proportional to the sixth power of the distance between them. In addition, the photoluminescence lines of upconverting nanoparticles 7 of the core-shell structure are in the absorption band of quantum dots 6 of the core-shell structure.

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 7 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 12 и второй плоской 13 микрокатушками. Внешнее магнитное поле осуществляет притяжение или отталкивание магнитных наночастиц 8 структуры ядро-оболочка, закрепленных в корпусе магнотопрозрачной стеклянной сферы 3, которая в свою очередь перемещает закрепленные в ней апконвертирующие наночастицы 7 структуры ядро-оболочка и квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка, при взаимодействии разнополярных или однополярных магнитных полей. Двунаправленной стрелкой с символом ΔZ показан примерный диапазон сканирования боковых стенок наноколодцев по координате Z объекта диагностирования 20.The arrows indicate the directions of the exciting near-infrared radiation λ ₁ and the converted λ ₂ along the radiation wavelength, where λ ₁ is the wavelength of external electromagnetic radiation for excitation of the converting nanoparticles 7 of the core-shell structure, causing fluorescence of adjacent quantum dots 6 of the core-shell structure, λ ₂ - fluorescence wavelength of quantum dots 6 of the core-shell structure. Arrows with a symbol

and

(first and second magnetic induction vectors) shows the direction of the magnetic lines of force of the external magnetic fields generated by the first flat 12 and second flat 13 microcoils. An external magnetic field attracts or repels magnetic nanoparticles 8 of the core-shell structure, mounted in the body of a magnetically transparent glass sphere 3, which in turn moves the inverting nanoparticles 7 of the core-shell structure and quantum dots 6 of the core-shell structure fixed in it during the interaction of bipolar or unipolar magnetic fields. The bidirectional arrow with the symbol ΔZ shows the approximate scanning range of the side walls of the nanowells along the Z coordinate of the diagnostic object 20.

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].For the implementation of the invention can be used, for example, the well-known manufacturing techniques of up-converting nanoparticles of the core-shell structure, increasing the conversion properties of the composition having a cubic structure (α) or hexagonal structure (β), compositions α-NaYF ₄ : Yb, Er @ CaF ₂ . The recommended core size is from 2 to 80 nm, and the shell is from 2 to 40 nm thick. Other materials that improve the conversion functions of nanoparticles, including NaYF ₄ (α or β), CaF ₂ , LiYF ₄ , NaGdF ₄ , NaScF ₄ , NaYbF ₄ , NaLaF ₄ , LaF ₃ , GdF ₃ , GdOF, can be used as a shell , La ₂ O ₃ , Lu ₂ O ₃ , Y ₂ O ₃ , Y ₂ O ₂ S, YbF ₃ , YF ₃ , KYF ₄ , KGdF ₄ , BaYF ₅ , BaGdF ₅ , NaLuF ₄ , KLuF ₄ and BaLuF ₅ , but not limited to them. The combination of components and the percentage determines the radiation intensity of certain peaks in the optical range from the ultraviolet to the red region of the spectrum generated by upconverting nanoparticles [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].As an additional shell in the synthesis of up-converting nanoparticles of the core-shell structure, titanium dioxide TiO ₂ can also be used, which is deposited on the core of the up-converting nanoparticle (TiO ₂ coated NaYF ₄ : Yb, Tm @ SiO ₂ ), depending on the percentage combination of components wavelength radiation can be in the range from 330 nm to 675 nm [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].Also, to obtain up-converting nanoparticles, a known method for the synthesis of biocompatible up-converting nanoparticles of α-NaYF ₄ : Yb, Tm @ CaF ₂ in one reaction vessel (in a three-necked reaction flask) can be used [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].In addition, the well-known up-converting NaYF ₄ nanoparticles: Yb ³⁺ , Tm ³⁺ , possessing anti-Stokes luminescence in the ultraviolet and blue spectral regions, eliminating the radiation load of cytotoxic ultraviolet radiation on cell cultures used to create tissue-engineering structures, can be used to implement the invention [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].The use of quantum dots 6 of the core-shell structure is due to the possibility of generating stable wavelengths, (the wavelength is determined by the diameter of the quantum dot), a well-established manufacturing technology and obtaining a stable easily programmable spectrum of electromagnetic radiation in the optical range. The core of each quantum dot 6 of the core-shell structure may, for example, include at least one material selected from the group consisting of CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, and ZnO, but not limited to them. The shell of each quantum dot 6 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 not limited to [8].

Ферромагнитное ядро магнитной наночастицы 8 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 8 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) магнитной наночастицы 8 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 8 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что, в свою очередь, защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 20 при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Для осуществления изобретения могут быть использованы, например, известные технологии изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка [9, 10, 11].The ferromagnetic core of a magnetic nanoparticle 8 of a core-shell structure may, for example, include at least one material selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, FeOFe ₂ O ₃ , NiOFe ₂ O ₃ , CuOFe ₂ O ₃ , MgOFe ₂ O ₃ , MnBi, MnSb, MnOFe ₂ O ₃ , CrO ₂ , MnAs, SmCo, FePt, or combinations thereof, but not limited to. The core size of a single magnetic nanoparticle 8 of the core-shell structure can vary from 3 nm to 20 nm. The outer shell (surrounding the magnetic core) of the magnetic nanoparticle 8 of the core-shell structure is formed from a soft magnetic or superparamagnetic material, for example, may include at least one material selected from the groups consisting of Fe ₃ O ₄ , FeO, CoFe ₂ O ₄ , MnFe ₂ O ₄ , NiFe ₂ O ₄ , ZnMnFe ₂ O ₄ , or combinations thereof, but not limited to. The outer shell may have a thickness in the range from 0.5 nm to 3 nm. The outer shell protects the core from oxidation and enhances the magnetic properties of the magnetic nanoparticle 8 of the core-shell structure and can be coated with an additional biocompatible shell, which, in turn, protects the biological object being diagnosed 20 with partial damage to the general protective shell of the magnetically transparent glass sphere 3. To implement the invention For example, well-known technologies for manufacturing magnetic nanoparticles of a core-shell structure can be used [9, 10, 11].

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 магнитными наночастицами 8 структуры ядро-оболочка, апконвертирующими наночастицами 7 структуры ядро-оболочка и квантовыми точками структуры ядро-оболочка. Легирование магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 выполняется за счет последовательного проникновения магнитных наночастиц 8 структуры ядро-оболочка в сквозные нанометровые поры 5 большого диаметра, затем проникновения апконвертирующих наночастиц 7 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 7 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].The manufacture of the emitting element is carried out by doping a magnetically transparent glass sphere with 3 magnetic nanoparticles 8 of the core-shell structure, up-converting nanoparticles 7 of the core-shell structure and quantum dots of the core-shell structure. The magnetically transparent glass sphere 3 is doped due to the sequential penetration of magnetic nanoparticles 8 of the core-shell structure into the through nanometer pores 5 of large diameter, then the penetration of the inverting nanoparticles 7 of the core-shell structure into the remaining unfilled through nanometer pores of small 4 diameters with cone-shaped entrances and filling the remaining voids in the cone-shaped inlets around upconverting nanoparticles 7 of the core-shell structure by quat points 6 of the core-shell structure. For example, by immersing an element of glass with nanometer pores in a solution of two or more quantum dots, followed by drying in air and filling the voids remaining between the quantum dots with resin [8].

Вершина электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволки [12].The top of the electrically conductive magnetically transparent probe needle 2 can be realized, for example, by the known technology of growing metal probes for atomic force microscopes from a nanowire [12].

Многослойная углеродная нанотрубка 9, состоящая из однослойной нанотрубки 10 малого диаметра вложенной в однослойную нанотрубку большего диаметра 11 (в совокупности, используемые в качестве наноподшипника скольжения), может быть соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой при помощи атомно-силового микроскопа или изготовлена выращиванием на электропроводящей 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].A multilayer carbon nanotube 9, consisting of a single-layer nanotube 10 of small diameter embedded in a single-layer nanotube of larger diameter 11 (collectively used as a sliding nanoparticle), can be connected to an electrically conductive magnetically transparent probe using an atomic force microscope or made by growing on an electrically conductive magnetoproduct probe needle 2 using the well-known technology for growing a multilayer carbon nanotube (used as a nanoship) directly on the axis of rotation of the rotor of the NEMS (nano-electromechanical system) electric motor or gyroscope with an outer diameter of the outer carbon nanotube of 10 nm [13].

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицими структуры ядро-оболочка работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 20, расположенному на оптомагнитопрозрачной подложке 19, и касается поверхности электропроводящей жидкости, которой заполнен наноколодец объекта диагностирования 20 (фиг. 2), получая данные об электрических характеристиках элемента объекта диагностирования 20, до включения и после включения первого внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 работающего в ближнем инфракрасном диапазоне с длиной волны λ₁. В результате апконвертирующие наночастицы 7 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 стенок наноколодца диагностируемого объекта 20 с длинной волны λ₂.The scanning probe of an atomic force microscope with a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots, upconverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure works as follows: a magnetically transparent cantilever 1 with an electrically conductive magnetically transparent probe 2 is supplied to a diagnostic object 20 located on a transparent electrode 20 located on a transparent electrode 20 and it concerns the surface of the electrically conductive liquid, which is filled with the nanowell of the diagnostic object 20 (Fig. 2), receiving data on the electrical characteristics of the element of the diagnostic object 20, before and after switching on the first external excitation source of the inverting nanoparticles 16 operating in the near infrared with a wavelength of λ ₁ . As a result, after converting nanoparticles 7 of the core-shell structure, they generate energy in the ultraviolet range and excite the quantum dots of the core-shell structure located around their quantum dots 6, which, in turn, direct their radiation in the optical range to the surface of the nanoscale walls of the diagnosed object 20 with a long waves λ ₂ .

Одновременно на вход первого ЦАП 14 подается двоичный код, который, в зависимости от выбранной программы исследований, определяет форму и частоту повторения электрического сигнала, поступающего на обмотку первой плоской 12 микрокатушки, создающей внешнее управляющее магнитное поле (

), направленное на центр перемещаемой по координате Z магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Магнитные полюса всех магнитных наночастиц 8 структуры ядро-оболочка постоянно ориентированы параллельно электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле 2 и в совокупности образуют структуру со свойствами постоянного магнита.At the same time, a binary code is supplied to the input of the first DAC 14, which, depending on the chosen research program, determines the shape and repetition rate of the electric signal fed to the winding of the first flat 12 microcoil, which creates an external control magnetic field (

) directed to the center of the magnetically transparent glass sphere moved along the Z coordinate 3. The magnetic poles of all magnetic nanoparticles 8 of the core-shell structure are constantly oriented parallel to the electrically conductive magnetically transparent probe needle 2 and together form a structure with the properties of a permanent magnet.

Под действием электрических управляющих сигналов с выхода первого ЦАП 14 и второго ЦАП 15 (например, чередующихся импульсов с положительной и отрицательной полярностью, различной амплитудой и длительностью) первая плоская 12 микрокатушка и вторая 13 плоская микрокатушка создают внешнее магнитное поле с той или иной величиной и направлением магнитных силовых линий, в соответствии с направлением которых при взаимодействии постоянного магнитного поля магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с переменным магнитным полем, создаваемым первой 12 и второй 13 плоскими микрокатушками в диапазоне ΔZ, происходит последовательное перемещение магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, возбуждаемыми апконвертирующими наночастицами 7 структуры ядро-оболочка вниз или вверх по координате Z параллельно сканируемой боковой стенки наноколодца объекта диагностирования 20. При диагностировании глубоких наноколодцев, глубина которых больше длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы (возможно в десятки раз), на вход второго ЦАП 15 подается код, который увеличивает ток, проходящий по обмотке второй плоской микрокатушки 13, которая, в свою очередь, увеличивает силу притяжения магнитных наночастиц 8 структуры ядро-оболочка, размещенных в магнитопрозрачной стеклянной сфере 3. В результате, магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 соскальзывает с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 и начинает погружаться на дно наноколодца (фиг. 3) одного из элементов объекта диагностирования 20. Возбуждение апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка на больших глубинах осуществляется с помощью второго внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 17, излучение которого направлено встречно излучению первого 16 для равномерного распределения уровня сигнала с длинной волны λ₁ на всем пути реверсивного перемещения нанокомпозитного излучающего элемента в диапазоне ΔZ при сканировании искривленных или волнообразных наноколодцев. Скорость сканирования стенок наноколодца определяется скоростью изменения двоичного кода, поступающего на вход первого ЦАП 14 и второго 15 ЦАП. В режиме «погружение» (фиг. 3) первая плоская микрокатушка 12 создает поле

и осуществляет функции торможения или подталкивания магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 (в зависимости от полярности сигналов подаваемых на первую микрокатушку 12, она создает магнитное поле, которое притягивает или отталкивает магнитные наночастицы 8 структуры ядро-оболочка, расположенные в магнитопрозрачной стеклянной сфере 3), а вторая микрокатушка 13 осуществляет функции стаскивания магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, при выполнении условия

При обратном сканировании (в режиме «всплытие») соотношение величин

и

меняются местами (

). И магнитопрозрачная стеклянная сфера 3, пристыковавшись, занимает исходное положение на вершине электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, (если по программе исследований требуется ее возвращение). После этого осуществляется переход к исследованию следующего наноколодца.Under the influence of electrical control signals from the output of the first DAC 14 and the second DAC 15 (for example, alternating pulses with positive and negative polarity, different amplitude and duration), the first flat 12 microcoil and the second 13 flat microcoil create an external magnetic field with one or another magnitude and direction magnetic field lines, in accordance with the direction of which, in the interaction of a constant magnetic field of a magnetically transparent glass sphere 3 with an alternating magnetic field created by the first 12 and second 13 flat micro coils in the ΔZ range, the magnetically transparent glass sphere 3 is sequentially moved with quantum dots 6 of the core-shell structure excited by up-converting nanoparticles 7 of the core-shell structure down or up along the Z coordinate of the parallel-scanned side wall of the nanowell of the diagnostic object 20. When diagnosing deep nanowells, the depth of which is greater than the length of the electrically conductive magneto of a transparent probing needle (perhaps tens of times), a code is supplied to the input of the second DAC 15, which increases the current passing through the winding of the second flat microcoil 13, which, in turn, increases the attractive force of magnetic nanoparticles 8 of the core-shell structure located in magneto-transparent glass sphere 3. As a result, the magnetically transparent glass sphere 3 slides off the electrically conductive magnetically transparent probe needle 2 and begins to sink to the bottom of the nanowell (FIG. 3) one of the elements of the diagnostic object 20. Excitation of the converting nanoparticles of the core-shell structure at great depths is carried out using a second external source of excitation of the converting nanoparticles 17, the radiation of which is directed counter to the radiation of the first 16 for uniform distribution of the signal level with a long wavelength λ ₁ along the entire path reverse movement of the nanocomposite emitting element in the ΔZ range when scanning curved or wave-like nanowells. The scanning speed of the walls of the nanowell is determined by the rate of change of the binary code supplied to the input of the first DAC 14 and the second 15 DAC. In the "immersion" mode (Fig. 3), the first flat micro coil 12 creates a field

and performs the functions of braking or pushing the magnetically transparent glass sphere 3 (depending on the polarity of the signals supplied to the first microcoil 12, it creates a magnetic field that attracts or repels magnetic nanoparticles 8 of the core-shell structure located in the magnetically transparent glass sphere 3), and the second microcoil 13 performs the functions of pulling off a magnetically transparent glass sphere 3 from an electrically conductive magnetically transparent probe needle 2, under the condition

During reverse scanning (in the “ascent” mode), the ratio of values

and

swap (

) And the magnetically transparent glass sphere 3, having docked, occupies the initial position on the top of the electrically conductive magnetically transparent probe needle 2 (if the research program requires its return). After this, a transition to the study of the next nanowell is carried out.

Предложенная конструкция сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с отделяемым 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 характеристик электрических сигналов на поверхности объекта диагностирования, в зависимости от стимулирующего воздействия стабильным спектром электромагнитного излучения на каждый наноколодец с координатами X, Y, непосредственно расположенный под вершиной электропроводящей магнотопрозрачной иглы, и получить дополнительную информацию при сканировании по координате Z наноколодцев, глубинны которых в десятки раз больше длины электропроводящей 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 электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.The proposed design of a scanning probe of an atomic force microscope with a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots, inverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure also provides the ability to measure the topological distribution of the characteristics of electrical signals on the surface of an object when scanning the surface of an object to be diagnosed with an atomic force microscope diagnostics, depending on the stimulating effect of a stable spectrum of electromagnetic radiation on each nanowell with X, Y coordinates, located directly under the top of the electrically conductive magnetically transparent needle, and get additional information when scanning along the Z coordinate of nanowells, whose depths are ten times greater than the length of the electrically conductive magnetically transparent probe . The possibility of exciting a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element, consisting of quantum dots, upconverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, the safest near infrared radiation, which has the greatest penetration depth into biological tissues when scanning the side walls of nanowells, diagnosed biological objects, has made it possible to study living nanostructures on depths tens of times greater than the length of an electrically conductive magnetically transparent probe needle, which was previously impossible to implement with known probes.

Источники информацииSources of information

1. Патент RU 2615052 С1, 03.04.2017, 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.1. Patent RU 2615052 C1, 04/03/2017, G01Q 60/24 ,. B82Y 35/00, SCANNING PROBE OF AN ATOMICALLY POWER MICROSCOPE WITH A NANOCOMPOSITE RADIATING ELEMENT DOPED BY QUANTUM DOTS AND MAGNETIC NANoparticles of the core-shell structure. / Linkov V.A., Vishnyakov N.V., Linkov Yu.V., Linkov P.V.

2. Патент RU 2675202 С1, 17.12.2018, G01Q 60/24, G01Q 70/08, B82Y 35/00, СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С ОТДЕЛЯЕМЫМ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫМ НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ структуры ЯДРО-ОБОЛОЧКА. / Линьков В.А., Линьков Ю.В., Линьков П.В.2. Patent RU 2675202 C1, 12/17/2018, G01Q 60/24, G01Q 70/08, B82Y 35/00, SCANNING PROBE OF AN ATOM POWER MICROSCOPE WITH SEPARABLE TELEO-CONTROLLED NANOMOCOME NANOMEDIUM NANOMEDIUM / Linkov V.A., Linkov Yu.V., Linkov P.V.

3. Patent №US 9956426 В2 Date of Patent: May 1, 2018, upconverting NANOP ARTICLES.3. Patent No.US 9956426 B2 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.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 UP-CONVERSION NANOP ARTICLES.5. Patent No.US 10179177 B2 Date of Patent: Jan. 15, 2019, coated UP-CONVERSION NANOP ARTICLES.

6. Patent Application Publication Pub. No.: US 20190099505 A1, Pub. Date: Apr. 5, 2019, COATED UP-CONVERSION 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 C2, 21.02.2017, A61L 27/00, C09K 9/00, C08J 3/28, B82Y 1/00, СПОСОБ АКТИВАЦИИ ПРОЦЕССА ФОТОПОЛИМЕРИЗАЦИИ БЛИЖНИМ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ.7. Patent RU 2611395 C2, 02.21.2017, A61L 27/00, C09K 9/00, C08J 3/28, B82Y 1/00, METHOD FOR ACTIVATING THE PHOTOPOLYMERIZATION PROCESS BY NEAR INFRARED RADIATION.

8 Патент RU 2629713 С1, 31.08.2017, G01Q 60/24,. B82Y 35/00, ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С ПРОГРАММИРУЕМЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ ПОРТРЕТОМ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА, ЛЕГИРОВАННОГО КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ структуры ядро-оболочка. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В.8 Patent RU 2629713 C1, 08/31/2017, G01Q 60/24 ,. B82Y 35/00, ATOMICALLY POWER MICROSCOPE PROBE WITH PROGRAMMABLE SPECTRAL PORTRAIT OF A RADIATING ELEMENT DOPED WITH QUANTUM DOTS of a core-shell structure. / Linkov V.A., Vishnyakov N.V., Linkov Yu.V., Linkov P.V.

9. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES.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 CORESHELL STRUCTURED NANOP ARTICLE HAVING HARD-SOFT, MAGNETIC HETEROSTRUCTURE, MAGNET PREPARED WITH SAID NANOP ARTICLE, AND PREPARING METHOD THEREOF.10. Patent Application Publication Pub. No .: US 20140225024 A1 Pub. Date: Aug. 14, 2014 CORESHELL 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.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.12. Patent No .: 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.13. Patent No .: US 8771525 B2, Date of Patent: Jul. 8, 2014, ROTARY NANOTUBE BEARING STRUCTURE AND METHODS FOR MANUFACTURING.

Claims

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками, апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей 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 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 электропроводящей зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующую скобу, на которой закреплены и направлены на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 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 центр магнитопрозрачной стеклянной сферы, малые сквозные поры которой 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.Scanning probe of an atomic force microscope with a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots, upconverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, including a two-layer carbon nanotube, magnetically transparent cantilever with an electrically conductive probing needle inserted into a larger nanotube diameter, the outer surface of which is fixed in a magnetically transparent glass sphere containing through nanometer pores of small and large diameters, of which large diameter nanopores are filled with magnetic nanoparticles of the core-shell structure with the same direction of pole orientation, quantum dots of the core-shell structure, coated on the outside with a protective a magnetically transparent polymer layer synchronized with a movable electrically conductive probe needle a C-shaped synchronously centering bracket on which magnetically transparent are fixed and directed to the center of the glass sphere, the first and second external magnetic field sources in the form of the first and second flat microcoils placed on optically magnetically transparent substrates and connected to the outputs of the first and second DACs, characterized in that it contains up-converting nanoparticles of the core-shell structure, the diameter of which is smaller than the diameter of the magnetic nanoparticles of the structure core-shell, but larger than the diameter of the quantum dots of the core-shell structure, the first and second sources of excitation of the converting nanoparticles, mounted on opposite sides of the C-shaped synchronously centering staples and whose optical axes are directed to the center of the magnetically transparent glass sphere, small through pores of which are made with cone-shaped entrances, in the center of which are placed the converting nanoparticles of the core-shell structure, around the spherical surface of the hemisphere of each of which quantum dots of the core-shell structure are placed without their shells leaving the spherical surface of the magnetically transparent glass sphere Ry.