Введение...........................................................9
Глава 1...........................................................15
• Фундаментальные принципы атомно-силовой микроскопии (обзор
литературы).......................................................15
1.1 Устройство и принцип работы ACM постоянного контакта .... 15
1.2 Взаимодействие зонда ACM и поверхности образца...............22
1.2.1 Силы Ван-дер-Ваальса...................................22
1.2.2 Капиллярные силы.......................................24
1.2.3 Гидрофобный эффект.....................................24
1.2.4 Минимизация силы взаимодействия зонда и поверхности... 25
1.3 ACM прерывистого контакта....................................27
1.4 ACM модуляции силы...........................................28
1.5 ACM в жидкой среде...........................................29
1.6 Применение ACM для исследования биологических объектов.......30
1.7 Режим снятия силовых кривых и метод ССС......................33
1.8 Применение ACM и ССС для исследования полимерных систем. 37
Глава II..........................................................41
Определение механических характеристик поверхности при помощи ACM и ССС (теоретическая часть)...................................41
2.1 Силовые кривые ACM...........................................41
2.2 Теория контактных деформаций.................................46
2.2.1 Теория Герца...........................................46
2.2.2 Теория Джонсона-Кендалла-Робертса (ДКР)................51
2.2.3 Теория Дерягина Муллера Топорова (ДМТ).................52
9 2.2.4 Теория Магиса-Дагдейла (МД).............................53
2.2.5 Трудности связанные с применением теории контактных деформаций для интерпретации данных ACM и ССС................54
2.2.6 Силовое картирование поверхности.......................57
2.3 Программное обеспечение NanoScale Explorer...................61
2.3.1 Анализ силовых кривых в программе NanoScale Explorer...63
2.3.2 Определение усредненного калибровочного коэффициента 64
Глава III.........................................................67
Исследование поверхностных свойств наноструктурированных * полимерных систем при помощи методов ACM и ССС.....................67
3.1 ACM блоксополимеров..........................................67
2
3.1.1 Материалы и оборудование..............................69
3.1.2 Результаты АСМ исследования пленок СБС блоксополимера. 71
3.1.3 Силовое картирование СБС блоксополимера...................75
* 3.2 А СМ самоорганизующихся многослойных пленок на основе
амфифильных полиэлектролитов....................................81
3.2.1 Материалы и оборудование..............................81
3.2.2 Формирование многослойных полимерных пленок...........83
3.2.3 Силовое картирование многослойных пленок полиэлектролитов............................................85
Глава IV.........................................................91
Атомно-силовая микроскопия вирусов...............................91
4.1 АСМ вирусов на неспецифических подложках....................93
4.1.1 Материалы и оборудование..............................94
* 4.1.2 Нанесение вирусных частиц на поверхность подложки 95
4.1.3 Результаты АСМ исследования вирусов..................95
4.2 АСМ вирусов на подложках обладающих иммунологической специфичностью.................................................101
4.2.1 Материалы и методы...................................105
4.2.2 Результаты АСМ исследования вирусов..................107
4.3 Исследование микромеханики вирусов при помощи метода ССС 112
Заключение.....................................................118
Выводы..........................................................119
Благодарности...................................................121
* Библиография....................................................122
3
Список иллюстраций
Рис. 1.1 Основные компоненты атомно-силового микроскопа
Рис. 1.2 Изображение зонда ACM, полученное в сканирующем электронном
микроскопе.
Рис. 13 Схематическое изображение зонда ACM Рис. 1.4 Сканирующая и детектирующая системы ACM
Рис. 1.5 Силы действующие на зонд ACM при проведении ACM исследования в воздушной среде
Рис. 2.1 Силовые кривые ACM при подводе и отводе зонда от поверхности образца
Рис. 2.2 Силовые кривые ACM при подводе зонда к поверхности, записанные
для жесткого и мягкого образцов
Рис. 2.3 Упругая деформация образца зондом ACM
Рис. 2.4 Силовые кривые в координатах AZc(D), записанные для жесткого и мягкого образцов.
Рис. 2.5 Контакт двух тел
Рис. 2.6 Программное обеспечение NanoScale Explorer
Рис. 2.7 Анализ силовых кривых в программе Nanoscale Explorer
Рис. 2.8 Распределение работы при деформации по поверхности слюды
Рис. 3.1 Строение макромолекулы блоксополимера стирол-бутадиен-стирола
Рис. 3.2 Топография поверхности СБС пленки
Рис. 3.3 Зависимость относительной высоты блоков в СБС блоксополимере от амплитуды свободных колебаний кантилевера.
Рис. 3.4 Топография поверхности СБС пленки полученная в режиме прерывистого контакта при различных значениях амплитуды свободных колебаний
Рис. 3.5 Топография поверхности СБС пленки полученная в контактном режиме при различных значениях силы взаимодействия зонд-образец
Рис. 3.6 Силовые кривые в координатах д7с(Э), соответствующие включениям полистирола и полибутадиена
Рис. 3.7 Распределение топографических, механических и адгезивных свойств по поверхности наноструктурированного СБС блоксополимера
Рис. 3.8 Силовые кривые в координатах записанные при отводе
зонда от поверхности для областей соответствующих полистиролу и включениям полибутадиена
Рис. 3.9 СЗС пленка нанесенная на поверхность графита Рис. ЗЛО СЗС пленка на поверхности слюды Рис. 3.11 Топография СЗС пленок
Рис. 3.12 Распределение работы при деформации по поверхности СЗС пленок Рис. 3.13 Распределение силы адгезии зонда АСМ к образцу по поверхности СЗС пленок
Рис. 3.14 Гистограмма распределения работы при деформации по площади
А
1мкм поверхности СЗС пленок
Рис. 3.15 Гистограмма распределения силы адгезии по площади 1мкм2 поверхности СЗС пленок
Рис. 3.16 Топография, распределение работы при деформации и силы адгезии по поверхности СЗС пленки
Рис. 3.17 Силовые кривые дгс(О) полученные для образца А и В Рис. 4.1 Вирусные частицы на поверхности солевых кристаллов Рис. 4.2 Эффекта уширения
Рис. 4.3 Вирусы полиомиелита, адсорбированные на поверхность золота и на поверхность слюды
Рис. 4.4 Ротавирусы на поверхности золота, трехмерная реконструкция.
Рис. 4.5 Аденовирусы на поверхности золота.
Рис. 4.6 Ротавирусы и вирусы полиомиелита, нанесенные на поверхность золота.
Рис. 4.7 Принцип работы ЛБ ванны
Рис. 4.8 Формирование комплекса полимер-антитело на поверхности раздела фаз.
Рис. 4.9 Зависимость оптической плотности от концентрации антигена для пленок антител перенесенных соответственно на золото, стекло и нитрид кремния
Рис. 4.10 ЛБ пленки комплекса антитело-АПЭ на поверхности золота
Рис. 4.11 Топография ЛБ пленок комплекса антитело-АПЭ после добавления
образца аденовируса.
Рис. 4.12 Перемещение зондом АСМ вирусных частиц по поверхности подложки.
Рис. 4.13 Построение многомерного образа частицы ротавируса на основе данных, полученных в различных режимах работы прибора.
Рис. 4.14 Силовые кривые АСМ в координатах д2с(Э) снятые в точках, соответствующих поверхности частицы ротавируса и поверхности слюды.
Рис. 4.15 Силовые кривые АСМ в координатах Д7с(0) снятые в точках, которые соответствуют поверхности частицы аденовируса и поверхности слюды.
Рис. 4.16 Силовые кривые АСМ полученные при отводе кантилевера от поверхности образца в точках, которые соответствуют точкам 1,2,3 на рис. 4.13.
*
6
Список таблиц
Таблица 1.1 Основные вирусы человека, распространяемые водным путем Таблица 1.2 Модули Юнга некоторых материалов
Таблица 2.1 Сравнение различных моделей теории контактных деформаций Таблица 3.1 Поверхностные свойства СЗС пленок
Таблица 4.1 Морфологические и механические характеристики некоторых вирусов на основании данных электронной микроскопии (ЭМ) и АСМ.
7
Список используемых сокращений
АСМ - атомно-силовая микроскопия ССС - сканирующая силовая спектроскопия
СЗС - технология формирования многослойных пленок «слой-за-слоем» ДКР - теория Джонсона-Кендалла-Робертсона ДМТ- теория Дерягина-Муллера-Топорова МД- теория Магиса Дагдейла
СБС- наноструктурированный блоксополимер стирол-буталиен-стирол
ПС- полистирол
ПБ- полибутадиен
ЛБ - Ленгмюра-Блоджетт
АПЭ - амфифильный полиэлектролит
ЭМ - электронная микроскопия
Введение
Стремительное развитие биотехнологий обуславливает необходимость создания инструментов и методов для изучения характеристик биологических и полимерных систем в нанометровом диапазоне. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является одним из основных инструментов для исследования поверхности различных систем с разрешением порядка нескольких нанометров. С момента своего появления в 1986 году [1] АСМ прочно заняла свое место среди других высокочувствительных методов анализа поверхности. Благодаря своей универсальности и возможности работы с широчайшим спектром различных поверхностей, атомно-силовой микроскоп является на сегодняшний день одним из самых распространенных представителей семейства сканирующих зондовых микроскопов, которых объединяет наличие микроскопического зонда, осуществляющего сканирование выбранного участка поверхности. Метод АСМ возник как продолжение метода сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), который появился в 1981 году[2,3], при этом в случае АСМ взаимодействие между зондом и образцом носит силовой характер. На основе атомно-силового и туннельного микроскопов лишь за двадцать лет существования возникли многочисленные методы исследования поверхности различных объектов и их локальных физических свойств, например, такие как магнитно-силовой микроскоп, оптический ближнепольиый микроскоп [4-6]. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) объединяет все эти методы и постоянно пополняется новыми, что говорит о широких возможностях и перспективности метода СЗМ. Конструкция современных АСМ такова, что один прибор позволяет реализовать несколько методов СЗМ, такие приборы получили название многомодовых АСМ. АСМ позволяет достигать разрешения порядка нескольких нанометров в плоскости образца и разрешение порядка 0.1 нм по нормали к поверхности образца, а различные режимы работы прибора дают возможность строить топографические карты поверхности, оценивать
9
распределение сил трения между зондом и образцом, исследовать вязко-упругие характеристики поверхности, и строить тем самым многомерный образ анализируемых объектов, отражающий не только их топографию, но и в ряде случаев особенности внутренней организации.
Следует отметить, что задачу неразрушающего воздействия во время АСМ - эксперимента, а также иммобилизации изучаемого объекта на поверхности твердой подложке, предстоит решать исследователю для каждого выбранного объекта заново, так как, зачастую, ранее разработанные методики изучения не всегда успешно подходят для нового объекта. Методическая часть экспериментальной работы: выбор подложки, режимов и условий
сканирования, занимает большую часть времени и не менее важна, чем полученные в результате успешно проведенного эксперимента данные.
Топографическая информация, полученная при помощи АСМ, может быть дополнена информацией о локальных поверхностных свойствах объекта за счет применения метода сканирующей силовой спектроскопии (ССС) [7]. Этот метод является естественным продолжением метода АСМ и основан на возможности измерения отклика поверхности образца в ответ на приложенную силу давления со стороны зонда микроскопа. Учитывая, что величина этой силы составляет всего несколько наноньютонов (нН), метод ССС позволяет исследовать локальные микро- и наномеханические свойства поверхности, а возможность построения карты поверхностного распределения этих свойств параллельно с получением информации о топографии существенно расширяет набор характеристик описывающих исследуемый объект. Такая информация особенно интересна при анализе образцов с пониженной механической жесткостью поверхности, т.е. биологических и полимерных систем. Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки новых методов для исследования поверхностного распределения топографических механических и адгезивных характеристик полимерных и биологических систем в нанометровом диапазоне при помощи комбинации АСМ и ССС. Выбор объектов исследования (наноструктурированных блок
Ю
сополимеров, многослойных самоорганизующихся пленок на основе амфифильных полиэлектролитов, сформированных по технологии «слой-за-слоем» (СЗС) и вирусных частиц) объясняется растущим интересом к разработке новых функциональных материалов, на основе СЗС технологий для биомедицинских приложений, а также необходимостью развития новых диагностических подходов для обнаружения опасных для человека болезнетворных агентов.
Цели диссертационной работы:
- Исследование методами АСМ и ССС поверхностного распределения механических и топографических свойств наноструктурированных полимерных систем и изучение полимерных пленок сформированных по технологии «слой-за-слоем»
- Получение новой информации о морфологических и структурных свойствах отдельных вирусных частиц на основе данных АСМ и ССС
- Исследование возможности применения АСМ и ССС на начальных этапах анализа образцов на предмет обнаружения опасных вирусов
- Разработка новых подходов для исследования локальных механических характеристик поверхности методами АСМ и ССС
Для достижения поставленных целей был проведен ряд экспериментальных исследований, представленных в диссертационной работе, а также было разработано многофункциональное программное обеспечение, позволяющее в значительной степени повысить эффективность анализа и упростить интерпретацию экспериментальных данных.
11
- Київ+380960830922