Сканирующие зондовые микроскопы: атомно-силовой и капиллярный
В лабораторном корпусе, А на втором этаже можно найти четыре комнаты, заполненные микроскопами — это лаборатория профессора кафедры физики полимеров и кристаллов Игоря Владимировича Яминского. Здесь можно найти капиллярные и атомно-силовые микроскопы, в том числе один из первых, сделанных в России.
Расскажите про установку. Как она называется?
Рассказывает профессор кафедры физики полимеров и кристаллов Яминский Игорь Владимирович.
Официальное название: атомно-силовой микроскоп, а точнее — сканирующий зондовый микроскоп. Это название объединяет в себе различные виды микроскопии: атомно-силовую (АСМ), туннельную, магнитно-силовую, электросиловую, резистивную, пьезоэлектрическую, ближнего поля и многие другие виды. В объёме нанометров эти методы позволяют изучать практически все физические свойства материалов (механические, топографические, электрические и магнитные свойства).
Также можно изучать и химические свойства — реакции, происходящие локально на поверхности (например, на поверхности образца, при подаче на кончик зонда электрического напряжения). В качестве примера такой реакции можно привести локальное анодное окисление. Мы работаем с локальным анодным окислением графита, титана и кремния. Получается способ записи информации с точностью порядка нанометров. Можно даже сделать рисунки с такой точностью по трем координатам — получается двухмерная и даже трехмерная картинка.
Наш прибор называется многофункциональный сканирующий зондовый микроскоп ФемтоСкан, и между собой мы называем его просто ФемтоСкан. Фемто — это приставка, обозначающая 10 в минус 15 степени. Хороший, правильный микроскоп — это тот, который позволяет изучать расстояния в 10^(-15) метра, токи в 10^(-15) ампер, и прикладывать силу к изучаемому образцу порядка 10^(-15) ньютонов. А если делать на базе сканирующего микроскопа ёмкостной, то точность должна быть 10^(-15) фарад.
То есть правильно построенный микроскоп должен обладать вот такой чувствительностью, 10^(-15). Иногда такой микроскоп называют наномикроскопом — это тождественно фемтоскану, потому что микро — это 10^(-6), нано — 10^(-9), а вместе получается 10^(-15).
Рис. 1. Сканирующий атомно-силовой микроскоп ФемтоСкан работает в обычных лабораторных условиях. Пара минут и микроскоп настроен, образец установлен.
Из чего состоит установка?
Как и у большинства приборов: механика, электроника и программное обеспечение. Всё, кроме используемого компьютера, делаем сами, это наша собственная разработка, российская. Механику начинали делать в механических мастерских физфака. Схемотехника электроники тоже полностью оригинальная.
Если говорить про микромеханику, то есть две ключевые вещи. Первая — это кантилевер, балка, закреплённая с одной стороны. Можно привести аналогию в виде разводных мостов в Санкт-Петербурге, которые тоже закреплены с одной стороны — кантилеверные мосты. У самолета крыло — тоже кантилевер. В фигурном катании тоже есть элемент, когда фигуристка выгибается назад, и получается некое подобие катилевера.
В нашем случае кантилевер — упругая балка длиной примерно 100−250 микрон, шириной 35 микрон и толщиной порядка единиц микронов. На свободном конце балки располагается острая иголка, зонд. Желательно делать так, чтобы на окончании иголки был один атом, то есть чтобы поверхность сканировалась с помощью одного единственного атома.
Рис. 2. Измерительная головка высокоскоростного атомно-силового микроскопа ФемтоСкан Х. Лазерный луч настроен на кончик кантилевера — красное пятно в центре кадра.
Вторая важная вещь — это модуль перемещения образца. Мы больше любим сканировать образцом при неподвижном кантилевере, хотя можно и наоборот. Это позволяет добиться более высокой точности, так как оптическая система микроскопа в таком случае неподвижна. Для перемещения образца мы используем пьезокерамический манипулятор. В простом случае это может быть специальная трубка, которая перемещает образец по 3 координатам, или, например, можно использовать планарный пьезосканер. У очень точных сканеров перемещения могут быть в диапазоне от 1 мкм и до 10−150 мкм в плоскости и 1−40 мкм по высоте — в этом диапазоне размеров мы можем сканировать поверхность образца.
Рис. 3. Общий вид механической системы высокоскоростного атомно-силового микроскопа ФемтоСкан Х: измерительная головка — вверху, система сканирования — внизу.
Мы часто говорим про аналогию между граммофонным проигрывателем и атомно-силовым микроскопом. У них много общего: есть игла, которая скользит по поверхности и отслеживает рельеф, а дальше с помощью преобразователя можно запустить проигрывание звука. Мы тоже можем послушать, как звучат разные поверхности — с хорошим музыкальным слухом удаётся даже отличить просто шероховатую поверхность от кристаллической решетки, например. С помощью этого можно получать дополнительную информацию об объекте и о качестве сканирования.
Какое программное обеспечение вы используете?
Мы сами написали все программы, которые используем на компьютере, но у самого микроскопа есть еще внутренний компьютер. Здесь может быть два варианта.
Сначала мы делали микроскопы на цифровом сигнальном процессоре компании Analog Devices — это примерно такой же микропроцессор, какие устанавливаются в мобильные телефоны. Управлять микроскопом непосредственно с компьютера плохо, потому что компьютер дает временные задержки, а нам надо в реальном времени получать сигнал. Это позволяет сделать сигнальный процессор — на нём была «построена» вторая модель нашего микроскопа ФемтоСкан.
Сейчас мы перешли на программирование логических интегральных схем (ПЛИС) — набор отдельных логических блоков, которые мы аппаратно программируем, чтобы быстро снимать и обрабатывать информацию, формировать управляющие сигналы. Сейчас мы работаем на кристалле с тактовой частотой 100 МГц, обработка сигналов идет на 1 МГц. Получается такая быстрая электроника, которая позволяет получать кадры большого размера — это может быть 1000 на 1000 или 2000 на 2000 точек, изображение получается детальное. Когда игла быстро едет по поверхности, мы можем отслеживать мельчайшие элементы, вплоть до положения каждого атома.
Рис. 4. Программное обеспечения для управления микроскопа и получения данных — ключевой элемент микроскопа. На рабочем месте студент кафедры физики полимеров и кристаллов Андрей Ужегов.
ПЛИСы дают необычайную гибкость в создании правильных алгоритмов. У меня на физическом факультете защитил бакалаврскую работу Корнилов Дмитрий Владимирович — его работа называлась «Программные алгоритмы высокоскоростного сканирующего зондового микроскопа». Он реализовал программным образом новый режим сканирования, когда иголка отводится от образца, и потом падает вниз на постоянной или переменной скорости. Таким методом очень точно определяется момент касания, причем это может быть или непосредственно момент касания, или более сильное касание (выбираем сами, чтобы не было сильного разрушающего воздействия, как правило). После этого иголка отодвигается обратно, сдвигается по координате XY. Получается такое сканирование, как будто идем по образцу иглой швейной машинки. Таким образом, можно сканировать мягкие поверхности, видеть детали и отростки на поверхности бактерий, и даже двойную спираль ДНК. В этом методе падает скорость сканирования, но растет разрешение. Назвали мы его «флирт-мода», потому что происходит такое лёгкое, деликатное, нежное касание, но оно не портит образец.
Обратная связь в микроскопе реализована или через сигнальный процессор, или через ПЛИСы. Мы должны очень точно определять положение кантилевера, с точностью примерно в 100 раз меньше, чем размер самого маленького атома водорода. Это реализуется с помощью оптической схемы: на поверхность кантилевера направляется лазерный луч, который отражается на фотодетектор. Обычно у нас работает трансформатор перемещений — перемещение кантилевера составляет нанометры, а пятна на фотодиоде — микрометры, в 1000 раз больше. Такой трансформатор перемещений чувствительный и удобный в настройке.
Итоговая схема получается такая: направляем лазерный пучок на кончик кантилевера, ловим отраженный свет, за счет обратной связи двигаем образец так, чтобы кантилевер был в одном и том же положении. Так получаем чувствительность по координате Z в тысячные доли нанометров.
Вместе с тем, мы внимательно смотрим, что есть на рынке, выбираем лучшую элементную базу — экономить на этом нельзя. Но, с другой стороны, электронику мы строим сами, как Lego, можем построить все, как нам хочется. Мы всегда работали в условиях ограниченного бюджета, поэтому он тоже играет определенную роль. По быстродействию у нас получается лучше, чем у лучших плат LabView и, кроме того, неизвестно, что будет с этими платами LabView через 5−10 лет.
Рис. 5. Надежда Максимова — выпускница кафедры общей ядерной физики программирует «мозги» сканирующего зондового микроскопа — ПЛИС Spartan6. В результате микроскоп работает быстро, точно и стабильно.
Какие физические принципы в основе самого способа микроскопии? Какое взаимодействие изучает АСМ?
Я бы сказал, что это очень нетривиальный вопрос. Есть стандартная модель: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое взаимодействия. Когда зонд давит на поверхность, получается реакция опоры. А какое это взаимодействие? Сила взаимодействия между телами — к какому взаимодействию относится? Ни к какому, это есть не взаимодействие, это запрет Паули. Мы не проваливаемся сквозь пол, потому что есть запрет Паули.
С одной стороны, это не является взаимодействием как таковым, но с другой стороны — есть сила, энергия, то есть величины, присущие взаимодействию. Сам Фейнман говорил, что запрет Паули есть самая загадочная вещь квантовой механики. Это обеспечивает стабильность всего нашего мира, если вдруг запрет пропадет, то всё начнет рушиться.
Сила упругости имеет характер обменного взаимодействия. То есть измеряется сила взаимодействия между атомами на кончике иглы и атомами, которые находятся под ним. Вот там есть коллективное взаимодействие, потому что это взаимодействие мы можем рассчитывать, например, потенциалом Леннарда-Джонса. На маленьких расстояниях — сила притяжения (Ван-дер-Ваальса), с чисто электромагнитной природой. А сила отталкивания идёт из-за принципа запрета Паули. Упругие свойства можем изучать, можем перемещать молекулы, атомы в рисунки — как хотим.
Чем установка уникальна? Понятно, что она уже уникальна тем, что вы её сами собрали. А чем ещё?
Если микроскоп такого типа собран правильно, то он будет работать на фундаментальном физическом пределе. То есть разрешение микроскопа ограничивают тепловые колебания кантилевера и образца. Разрешение по XYZ ограничивает еще точность поддержания силы. Поэтому правильно собранные микроскопы показывают примерно одинаковые картинки атомной структуры образцов.
Есть только много нюансов у разных приборов: насколько удобно и легко ставить образец, насколько понятно ПО, сколько сил надо потратить, чтобы освоить этот прибор, насколько он надежен (ломается или нет). Сначала надо поставить кантилевер, образец, настроить систему, запустить сканирование. Дальше работа чисто с компьютером. Должна быть хорошая графика. Наше П О становится мировым стандартом. Eго используют практически во всех индустриальных странах. Например, в медицинском центре Небраска около 45 лицензий, хотя у них есть практически все микроскопы, которые произведены в разных странах. Написал П О студент физфака (сейчас уже не студент, а сотрудник) Филонов Александр и научный сотрудник Савинов Сергей Валентинович. Сейчас над развитием программного обеспечения работают два студента физического факультета и одна недавняя выпускница физфака.
Рис. 6. Правильная подготовка и нанесение образцов — гарант отличных изображений, которые будут получены на микроскопе.
Какие основные направления исследования?
Когда-то давно взяли основным направлением биологическое. С одной стороны, это наиболее сложно организованная часть материи, с другой стороны — часто хорошо структурированные объекты.
Среди больших направлений была работа с кафедрой вирусологии, академиком Атабековым Иосифом Григорьевичем — мы смотрели вирусные частицы. Нас интересует не только внешний вид вирусов, но и их механическая устойчивость — это новое направление в биологии, которое интересуется, что является главным в устойчивости? Например, есть вирус табачной мозаики (палочка 18 нм в диаметре, 300 нм в длину). Чтобы она инфицировала растение, она должна освободить РНК из своей белковой оболочки. Мы активно изучали этот механизм и выявили роль концевых белков в этом процессе.
Второе направление — бактериальные клетки, их морфология, поверхность, превращения (из обычной формы в споры) механическая жесткость бактерий, их адгезия к разным поверхностям. Сейчас активно работаем над тем, чтобы определять резистентность бактерий к антибиотикам. На базе зондовой микроскопии строим приборы для очень быстрого обнаружения вирусов и патогенных бактерий.
В последнее время активно работаем над изучением клеток растений, опухолевых клеток, визуализацией клеток и измерением механической жесткости практически в естественных условиях. Другого способа для таких исследований, кроме АСМ, сейчас нет.
В настоящее время в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология» мы активно работаем с кафедрой вирусологии биологического факультета, научной группой профессоров Карповой О. В. и Никитина Н. А. и реализуем совместно с ними проект под названием «3D-визуализации вирионов, структурно модифицированных и вирусоподобных частиц вирусов растений методами бионаноскопии». В пятом номере журнала «Наноиндустрия» выходит наша совместная публикация о наблюдении вируса табачной мозаики «3D визуализация и характеризация вирусов растений методами бионаноскопии». Это начало большого проекта.
Детали структуры поверхности вирусных частиц и вариации их локальных свойств (упругости, стабильности, геометрических параметров нанорельефа, гидрофобности/гидрофильности и пр.) будут впервые определены с нанометровым пространственным и миллисекундным временным разрешением в динамике в процессе их жизненного цикла. Существенно, что прилагаемые методы — зондовая и микролинзовая микроскопия — позволяют проводить визуализацию объектов живой природы без использования дополнительных реагентов, красителей и меток. Информация, полученная в ходе выполнения проекта, позволит успешно применять вирусоподобные частицы в фармакологии. Полученные данные также дадут дополнительный материал для каталогизации вирусов растений, имеющихся в коллекции кафедры вирусологии биологического факультета МГУ.
Благодаря выполнению проекта будут получены новые данные о вирусах растений и свойствах вирусоподобных частиц, которые могут быть использованы для дальнейшего развития их в качестве инструментов новых биомедицинских технологий.
Что еще можно исследовать с помощью такого микроскопа?
Можно использовать микроскоп как сканирующий туннельный микроскоп. Проводящая игла подносится к поверхности, между ними возникает туннельный ток на расстоянии около 1 нм, который затем поддерживается с помощью обратной связи.
Сначала ученые сделали сканирующий туннельный микроскоп, потом ближнепольный, и в 1986 году атомно-силовой, чтобы измерить силы в туннельном микроскопе. Туннельный микроскоп работает в основном в вакууме.
С помощью такого микроскопа нельзя посмотреть на алюминий, потому что на его поверхности есть тонкая непроводящая оксидная плёнка. Вода тоже может мешать в туннельном микроскопе. Но можно смотреть, например, золото, графит.
Режимы работы микроскопа универсальны, можно использовать на разных приборах, но преимущества видны на биологических объектах.
Какие уникальные характеристики есть у установки?
Мы сделали полное управление через Интернет. Рост бактерий, белковых кристаллов (лизоцим), все, что в эволюции и требует длительного наблюдения — позволяет осуществлять наша реализация.
С другой стороны, это удобно для обучения студентов, я могу следить за несколькими приборами, посоветовать исправить что-то в режиме сканирования и так далее. Еще можно дистанционно подать, например, потоки воздуха, работать с жидкостными ячейками.
Если говорить о предельных характеристиках, то они должны быть одинаковыми (определяются фундаментальными вещами).
Наше ПО более удобное, в том числе, для обработки. У нас есть микроскопы в ЦКП физфака, там проходят занятия для школьников (получают изображения атомов на поверхности графита, питов на DVD дисках, бактериальных клеток, молекул блоксополимеров и т. д.).
Есть ли аналоги?
В 1985 году на физическом факультете был сделан первый туннельный микроскоп (в России). В 1987 году мы сделали более-менее серийный туннельный микроскоп Скан-8.
Рис. 7. Сканирующий туннельный микроскоп Скан-7 — предшественник серийной версии Скан-8, выпускаемых в 1987—1993 гг.
С 1985—1990 было много компаний, которые делали туннельные микроскопы, после перестройки остались практически только две: мы и NT-MDT. С 1987 по 1990 год мы всем рассказывали как делать микроскопы. Но в результате микроскопы получились у NT-MDT, около 15% Россия держала на мировом рынке. Еще в мире есть Bruker (основной игрок), Omicron, Park Systems. В 1987 году возникла Digital Instruments. За 10 лет они стали одной из сильных компаний, двигались одновременно с нами. У нас есть зарубежные поставки, в Италию и Иран, например.
Есть ли особенные условия для работы вашего прибора?
Для больших микроскопов с плохой жесткостью нужно шумоподавление. А мы сделали жесткую механику, достаточно подставки из поролона, шумов нет. Небольшая наводка может идти, если говорить громко. Но если не шуметь, то всё в порядке.
Какие есть лайфхаки и особенности работы на установке?
Российская копеечка используется для установки образца за счет примагничивания к микроманипулятору. Это можно сделать быстро, но можно сделать вообще без магнита вариант.
Кантилеверы мы покупаем (делают их в Зеленограде, или покупаем у Bruker). Сначала сканируем на большой области, потом рассматриваем маленький участок более подробно. Если образец грязный, кантилевер может испортиться за счет налипания этой грязи.
За последнее время мы сделали самую быструю в мире электронику и ПО, но нас пока задерживает по скорости механика. Для более быстрого сканирования кантилевер должен быть очень маленьким, а в таком случае сложнее сфокусировать свет на нём. С другой стороны, у нашей «флирт-моды» (у разных компанийr это Peak Force, Tapping mode, Jumping mode, Hopping mode) с обратной связью скорость в 3 раза быстрее Peak Force у Bruker, а силовое воздействие при сканировании одинаковое. Основные подложки, чтобы смотреть образцы — графит и слюда. Решетку на слюде и атомы на графите наш прибор может различить, так как шумов нет. Наблюдать атомы в наш микроскоп стало можно еще в 1987 году.
Кто работает на приборе?
Студенты, аспиранты. Есть много приборов, которые отличаются по скорости сканирования, для больших и малых полей.
Есть два быстрых микроскопа в ЦКП физфака. Здесь, например, микроскоп для работы с биологическими образцами в жидкости. Он совмещен с инвертированным микроскопом.
У нас тренировка — это рассматривать металлический выступы («пеньки), которые предоставил нам Борис Альбертович Логинов, сотрудник МИЭТ. Надо сначала учиться наблюдать простые объекты, а потом переходить к биологическим. С такими объектами при неопытности возникают проблемы при пробоподготовке.
Рис. 8. Многофункциональным сканирующим зондовым микроскопом ФемтоСкан управляет аспирант кафедры биофизики Михаил Анисимов. Цель исследований — увидеть структуру внутриклеточных микротрубочек.
Возможно ли провести на этой установке эксперимент человеку из другой научной группы?
Да, если видно, что человек понимает основы работы, то мы его обучаем и обычно через день можно уже работать. Можно приходить со своими образцами, получать данные, публиковать статьи. Кроме лабораторий МГУ, сотрудничаем с институтом Гамалеи, центром Чумакова — по вирусам и вакцинам (вирус гриппа), Институтом вирусологии, Imperial college (капиллярный микроскоп) и многими другими российскими и международными центрами.
Капиллярный микроскоп
Рассказывает Тимофей Советников (магистрант второго года обучения кафедры полимеров и кристаллов).
Капиллярный микроскоп еще называют ион-проводящим. Он является разновидностью сканирующего зондового микроскопа и используется в первую очередь для изучения живых биологических систем. Такое применение объясняется рядом его ключевых преимуществ перед другими методами зондовой микроскопии: возможностью исследования объектов без силового воздействия в естественной среде — солёной воде — и без сложной пробоподготовки.
В ходе сканирования мы как бы «водим» по поверхности образца тончайшим капилляром, в ходе чего происходит измерение величины тока, которая используется для получения сигнала обратной связи. Сканирование должно происходить в проводящей, электролитической среде — например, в физрастворе. Такие условия обычно являются естественными для биологических образцов.
Рис. 9. Прототип сканирующего капиллярного микроскопа, совмещенного с инвертированным оптическим микроскопом. Можно наблюдать сети живых нейронов. И не только! Также и многие другие биологические образцы.
Как выглядит процесс сканирования?
В качестве зонда в капиллярном микроскопе используется, что не удивительно, стеклянный капилляр, диаметр отверстия в котором имеет нанометровый масштаб и обычно составляет от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Исследуемый объект располагается в чашке Петри под капилляром. Капилляр и среда с образцом заполняются электролитом, внутрь капилляра помещают хлор-серебряный электрод (серебряную проволоку, покрытую хлоридом серебра), второй электрод помещается в чашку Петри с исследуемым образцом. При создании разницы потенциалов между электродами протекает ионный ток (отсюда возникает второе название микроскопа, ион-проводящий) величиной в единицы наноампер. Когда кончик капилляра приближается к поверхности образца ток падает на доли процента. Благодаря возможностям высокоточного усилителя тока этот сигнал можно зарегистрировать, аккуратно позиционируя капилляр над поверхностью и получая информацию о высоте образца в данной точке.
Повторяя процесс подвода-отвода к разным точкам образца, на подобие работы «флирт моды» в атомно-силовом микроскопе, мы получаем полную карту его поверхности.
Разрешение капиллярного микроскопа определяется диаметром конца иглы (может быть порядка десятков нанометров), иглы мы делаем сами из специальных заготовок. В сравнении с АСМ в капиллярном микроскопе нет взаимодействия с образцом, потому что игла его не касается. Но и разрешение у капиллярного микроскопа меньше, чем у АСМ. Можно варьировать диаметр капилляра, подбирать разные скорости сканирования и величины разрешения.
Рис. 10. Подготовка к измерению на сканирующем капиллярном микроскопе — оператор перемещает образец для выбора интересующего объекта.
Как устроена экспериментальная установка?
Установка капиллярного собирается на базе инвертированного оптического микроскопа, что даёт возможность наблюдать исследуемый образец и в оптике и позволяет удобно позиционировать зонд при выборе области сканирования. Благодаря этому можно также совместить измерения на капиллярном микроскопе с оптическими методами исследований (флуоресцентной, конфокальной и др. методами микроскопии) часто применяющимися в биологии.
Схема самого микроскопа имеет много общего с АСМ, в ней задействованы: высоковольтный усилитель, подающий сигнал на перемещающие образец пьезокерамические подвижки; высокочувствительный усилитель ионного тока, создающий разницу потенциалов между электродами и измеряющий величину текущего ионного тока (в этом случае он заменяет оптическую систему регистрации положения АСМ-зонда — кантилевера) и блок управления, «электронные мозги» микроскопа, управляющие процессом измерений и передающий результаты на компьютер.
Сегодня мы создаем такой микроскоп собственными руками — разрабатываем электронику и высокочувствительную систему регистрации тока, собираем механику и, наконец, объединяем все компоненты на базе собственного ПО.
Рис. 11. Рабочая область капиллярного микроскопа. Светодиод освещает держатель капилляра, закрепленный на механической и пьезоподвижках. Рядом с держателем капилляра можно рассмотреть провода, соединяющие высокоточный усилитель тока и хлор-серебряные электроды.
Что можно исследовать на капиллярном микроскопе?
Капиллярный микроскоп может использоваться для анализа целого ряда параметров поверхности образца и проходящих вблизи неё процессов. Можно получать данные не только о топографии, но и о механических свойствах живой материи, измерять распределение заряда на поверхности клетки, регистрировать испускаемые ею химические маркеры.
Благодаря возможности изучения живых систем в естественной среде можно напрямую исследовать их жизненный цикл, например отслеживать движение клетки и считывание ею внешних условий среды. Большой интерес представляют методы направленной доставки веществ к исследуемому образцу и нанесения на него/подложку наноразмерных двух- и трёхмерных структур. Подобные методики позволяют изучать реакцию биосистем на внешнее воздействие, превращая зонд микроскопа в новый вариант биосенсора.
Примерами таких приложений могут быть изучение отклика клеточной системы на терапевтическое воздействие; нанесение на поверхность клетки рецепторного слоя нужного вида; доставка антител, белков, вирусов, ДНК на поверхность или внутрь клетки и многие другие.
Как можно присоединиться к нашей работе?
Наша лаборатория всегда рада студентам, желающим поучаствовать в исследованиях и разработках! Договориться о встрече или обратиться с вопросом можно к Тимофею Советникову, магистранту нашей группы.
- email: science@nanotomed.ru
- telegram: @timsovetnikov
Микроскоп сверхвысокого разрешения Nikon N-SIM
С помощью высокочастотного структурированного освещения модель N-SIM достигает разрешения в 115 нм, что ранее считалось недостижимым результатом для оптического микроскопа. Кроме того, обеспечивая временное разрешение 0,6 сек/кадр, микроскоп N-SIM делает возможным съемку с временным разрешением молекулярных взаимодействий живых клеток с высоким пространственным разрешением. Живые образцы можно держать в оптимальных условиях окружающей среды с помощью инкубатора установленного на предметный столик и специально разработанного для N-SIM
- Спецификация
- Технические характеристики
- Фото
Система N-SIM существенно повышает возможность решения задач в области наноскопии и придает уверенность в правильности выводов, которые можно сделать на основе полученных данных.
Новый микроскоп сверхвысокого разрешения Nikon N-SIM дает возможность исследовать структуру и функции живых клеток на наноуровне.
Разрешение традиционных оптических микроскопов, даже оснащенных объективами с высокой числовой апертурой, ограничено дифракцией и составляет не более 200 нм.
Используя высокочастотное структурированное освещение, микроскоп Nikon N-SIM может обеспечить разрешение до 85 нм (при возбуждении лазером 488 нм, в режиме TIRF-SIM), что ранее считалось невозможным для оптических микроскопов. Кроме того, при временной разрешающей способности до 0,6 сек/кадр (в режиме 2D-SIM/TIRF-SIM), микроскоп N-SIM обеспечивает съемку со сверхвысоким разрешением динамических процессов молекулярного взаимодействия в живых клетках.
Традиционный световой микроскоп
Микроскоп N-SIM (режим 3D-SIM)
Микротрубочки в клетке меланомы B16, меченные YFP
Объектив: CFI Apo TIRF 100x oil (NA 1,49). Скорость захвата изображения: около 1,8 сек/кадр
В микроскопии структурированного освещения неизвестная клеточная наноструктура изучается путем анализа муарового рисунка, появляющегося при освещении образца высокочастотным структурированным излучением.
Сочетая технологию структурированного освещения с использованием высокоапертурного объектива Nikon CFI Apo TIRF 100x oil (числовая апертура 1,49), микроскоп N-SIM обеспечивает пространственное разрешение почти в два раза превышающее разрешение обычных оптических микроскопов (до приблизительно 85 нм при возбуждении лазером 488 нм, в режиме TIRF-SIM) и позволяет получить наглядное представление о мельчайших межклеточных структурах и их взаимодействии.
Микроскоп N-SIM также обеспечивает сверхбыстрое получение изображений. Временное разрешение составляет до 0,6 сек/кадр, что позволяет получать изображения живых клеток (в режиме TIRF-SIM/2D-SIM; получение изображений с временным разрешением до приблизительно 1 сек/кадр возможно в режиме 3D-SIM).
Традиционный световой микроскоп
Микроскоп N-SIM (режим 3D-SIM)
Эндоплазматический ретикулум (ЭР) в живой клетке HeLa, меченной GFP
Объектив: CFI Apo TIRF 100x oil (NA 1,49). Скорость захвата изображения: около 1,5 сек/кадр
Режим TIRF-SIM/2D-SIM
Этот режим обеспечивает получение двумерных изображений сверхвысокого разрешения на высокой скорости и с невероятно высокой контрастностью. Режим TIRF-SIM использует преимущества наблюдения при флуоресценции полного внутреннего отражения с разрешением, в два раза превышающим разрешение обычных микроскопов TIRF, что позволяет лучше понять взаимодействие молекул на поверхности клетки.
Наблюдение с использованием микроскопа N-SIM при сверхвысоким аксиальном разрешении обеспечивает получение оптического среза образцов при разрешении 300 нм в клетках и тканях толщиной до 20 ?м. Кроме того, в режиме 3D SIM устраняется фоновая флуоресценция, что позволяет получить высококонтрастное изображение.
Возможна комбинация с системой N-STORM на одном инвертированном микроскопе Ti.
Возможность установки до 5 различных лазеров
Модуль Nikon LU-5 — это система, предусматривающая установку до 5 различных лазеров, обеспечивающая естественное многоцветное изображение со сверхвысоким разрешением. Реальная цветопередача является существенной при исследовании динамического взаимодействия различных белков на молекулярном уровне.
Обычный TIRF
Режим TIRF-SIM
Цитоплазматическая мембрана клетки меланомы В16, меченая желтым флуоресцентным белком
Объектив: CFI Apo TIRF 100x oil (NА 1,49)
Принципы микроскопии структурированного освещения
Аналитическая обработка записанных муаровых изображений с помощью математических методов позволяет восстановить структуру образца со сверхвысоким разрешением.
Использование лазерной интерференции высоких пространственных частот для освещения структуры внутри образца дает муаровые интерференционные полосы, которые фиксируются. Эти муаровые интерференционные полосы включают модулированную информацию о структуре образца с более высоким разрешением.
В процессе обработки изображения эта информация восстанавливается, что позволяет достичь разрешения, превышающего разрешение обычных оптических микроскопов.
Облучение светом полосатой структуры с известной пространственной частотой позволяет получать информацию от таких мельчайших структур, как муаровые интерференционные полосы.
Муаровые изображения содержат информацию о мельчайших структурах внутри образца. Фиксируются многочисленные фазы и ориентации структурированного освещения, а информация «сверхвысокого разрешения» извлекается из муаровых интерференционных полос. Эта информация комбинируется математически в «Фурье-пространстве» или апертурном пространстве, затем трансформируется обратно в пространство изображения, что позволяет получить изображение с разрешением, в два раза превышающим обычный предел.
Извлечение информации о структуре образца осуществляется путем анализа изображений в трех ориентациях, что позволяет в результате математической обработки создать изображения сверхвысокого разрешения.
Захват информации высокого разрешения, высокой пространственной частоты ограничен числовой апертурой (NА) объективов, и пространственные частоты структуры за пределами апертуры оптической системы не фиксируются.
Освещение образца высокочастотным структурированным излучением позволяет получить изображение со сверхвысоким разрешением в пределах апертуры оптической системы.
Когда эта информация о «сверхвысоком разрешении» математически комбинируется со стандартной информацией, полученной посредством линз объектива, результатом становится удвоение значения NA и, соответственно, разрешения оптической системы.
Сравнение изображений: микроскоп в режиме TIRF-SIM и традиционный оптический микроскоп
На рисунках показаны изображения флуоресцирующих точек диаметром 100 нм, зафиксированные обычным микроскопом и микроскопом сверхвысокого разрешения N-SIM. Профили интенсивности точечных изображений указывают, что разрешающая сила микроскопа сверхвысокого разрешения почти в два раза превышает разрешающую силу обычного флуоресцентного микроскопа.
Обычный флуоресцентный микроскоп
TIRF-SIM
| Разрешение по XY | Приблизительно 100 нм (до 85 нм: теоретически, в режиме TIRF-SIM, 488-нм возбуждение) |
| Разрешение по оси Z | Приблизительно 300 нм |
| Скорость захвата изображения | До 0,6 сек/кадр (TIRF-SIM/2D-SIM) До 1 сек (3D-SIM) (необходимо еще 1-2 сек для подсчета) |
| Режим получения изображений | TIRF-SIM (сверхвысокое разрешение TIRF XY) 2D-SIM (сверхвысокое разрешение по осям XY, до 3 мкм вглубь) 3D-SIM (сверхвысокое разрешение по осям XYZ, до 20 мкм вглубь) |
| Многоцветные изображения | До 5 цветов |
| Совместимый лазер | Стандарт: 488 нм, 561 нм Опционально: 457 нм, 515 нм, 532 нм |
| Совместимые микроскопы | Моторизованный инвертированный микроскоп ECLIPSE Ti-E Система «идеального фокуса» Perfect Focus System Кодированный моторизированный XY стол Пьезо -столик |
| Объективы: | CFI Apo TIRF 100x oil (NA 1,49) CFI Plan Apo IR 60x water (NA 1,27) CFI SR Plan Apo IR 60X WI (NA 1,27) CFI SR Apo TIRF 100xH (NA 1,49) |
| Камера | Andor Technology iXon DU897 EMCCD |
| Программное обеспечение | NIS-Elements AR/NIS-Elements C (с конфокальным микроскопом A1) |
| Рекомендуемые условия | 25°C ± 0.5°C |
- Прямые микроскопы
- Биологический микроскоп TBE-2
- Nikon Eclipse E200
- Nikon Eclipse Ci
- Nikon Eclipse Ni
- Nikon Eclipse Ts2
- Nikon Eclipse Ts2R
- Nikon Eclipse Ti2
- Nikon Eclipse TS100/TS100-F
- Nikon Eclipse Ti
- Nikon N-SIM
- Nikon N-STORM
- Nikon A1 MP+, A1R MP+
- Nikon A1+, A1R+
- Nikon C2+, C2si+
- Инспекционные микроскопы
- Металлографический микроскоп TBE-4
- Nikon Eclipse L300N, L300ND
- Nikon Eclipse L200N, L200ND
- Nikon BW-D500
- Nikon Eclipse LV150N
- Nikon Eclipse LV100ND
- Металлографический микроскоп TBE-4
- Nikon Eclipse MA200
- Nikon Eclipse MA100N
- 3D стереоскопический видеомикроскоп TBE-1
- Nikon SMZ25
- Nikon SMZ18
- Nikon SMZ1270, SMZ1270i
- Nikon SMZ800N
- Nikon SMZ745, SMZ745T
- Nikon SMZ445, SMZ460
- Nikon SMZ1000
- Nikon SMZ800
- Nikon SMZ645, SMZ660
- Металлографический микроскоп TBE-4
- Nikon Eclipse Ci-POL
- Nikon Eclipse 50i POL
- Nikon Eclipse LV100N POL
- Безмасочная настольная литографическая система
- Микроскоп для контроля лицевой и обратной стороны пластины
- Настольная установка совмещения и экспонирования
- Инфракрасный микроскоп
- Безокулярный портативный цифровой микроскоп ASH
- Nikon Eclipse LV150N
- Nikon Eclipse L200N, L200ND
- Баллистическая система идентификации и сравнения
- Микро-спектрометр
- Система измерения показателя преломления
- Настольный растровый электронный микроскоп
- Измерительные микроскопы
- Измерительный видеомикроскоп TBE-3
- Nikon MM-200
- Nikon MM-400
- Nikon MM-800
- Измерительный видеомикроскоп TBE-3
- Nikon iNEXIV VMA-2520
- Nikon iNEXIV VMA-4540
- Nikon iNEXIV VMA-6555
- Nikon NEXIV VMZ-R3020
- Nikon NEXIV VMZ-R4540
- Nikon NEXIV VMZ-R6555
- Nikon NEXIV VMR-H3030
- Nikon NEXIV VMR-1515
- Nikon NEXIV VMR-10080
- Nikon NEXIV VMR-12072
- Ультрамикротом RMC PT-X
- Изготовление стеклянных ножей RMC GKM-2
- — Весь модельный ряд
- Цифровые камеры
- Блок управления
- Nikon DS-Fi3
- Nikon DS-Ri2
- Nikon DS-Qi2
- Nikon DS-Fi2
- Nikon DS-Fi1с
- Nikon DS-Vi1
- Nikon DS 1000
- Биологические объективы
- Промышленные объективы
О Компании: ООО «Токио Боэки ЕВРАЗИЯ»
Подробная информация о компании ►
Лечение кариеса под микроскопом
Лечение кариеса — одна из самых востребованных процедур. Даже люди, которые тщательно выполняют все рекомендации по домашней гигиене, сталкиваются с появлением кариеса. Методики лечения все время совершенствуются, и сегодня в клиниках Москвы нередко используют микроскоп для лечения кариеса. Применяется он и в нашей стоматологии meira.
Первичный прием врача-стоматолога терапевта
(осмотр, фотопротокол, консультация, составление плана лечения)
Лечение кариеса под микроскопом
от 12 000 руб.
Кариес: причины появления и виды
Кариес — это патологический процесс, протекающий в твердых тканях зуба и вызванный разрушительным действием кислот, которые выделяются кариесогенными бактериями в процессе жизнедеятельности.
Виды кариеса классифицируются по местоположению дефекта:
- пришеечный — поражает область зуба около десны;
- апроксимальный (межзубный) — развивается на боковых стенках, в местах контакта между соседними зубами;
- фиссурный — образуется в фиссурах, бороздках на поверхности жевательных зубов;
- кариес на передних зубах.
Есть также первичный кариес (новая полость в зубе) и вторичный (образовался под или вокруг пломбы при недостаточно качественном удалении пораженных тканей зуба). Все виды кариеса мы можем вылечить с помощью микроскопа.
Лечение зуба под микроскопом
Довольно долго при лечении кариеса врачи полагались только на остроту своего зрения и специальное стоматологическое зеркало — круглый инструмент, который применяется при осмотре до лечения и в ходе него. Рентген-снимок помогал изучить строение каналов, косвенно определить глубину кариозного поражения при лечении кариеса у взрослых и детей. Но занимаясь очищением твердых тканей и каналов, врач все равно мог рассчитывать только на свои глаза.
Затем в нашей практике появились бинокуляры — оптический прибор, который увеличивает изображение, повышает остроту зрительного восприятия и применяется для диагностики, контроля за ходом лечения и оценки результатов.
А спустя еще некоторое время в руках врачей оказался стоматологический микроскоп. Он значительно повысил качество стоматологической помощи, упростил работу стоматолога и повысил комфортность процедур для пациента.
Лечение кариеса под микроскопом происходит при многократном увеличении ротовой полости и зуба, над которым работает врач.
Плюсы применения стоматологического микроскопа:
- врач видит высокодетализированную картину, благодаря чему может заметить мельчайшие поражения твердых тканей зуба;
- в микроскопе, который установлен в нашей клинике, есть флуоресцентный модуль. Он подсвечивает разными цветами здоровые ткани, кариозные полости, композитные реставрации и мягкие ткани, что позволяет максимально сохранить здоровые ткани зуба;
- проведение всех процедур с точностью, которая ранее была недоступна даже при использовании бинокуляров;
- увеличение качества лечения кариеса — поскольку мы теперь можем найти и удалить кариес даже в тех местах, которые трудно увидеть невооруженным глазом;
- резко понижается риск развития осложнений и вторичного кариеса.
Показания к лечению кариеса под микроскопом
Микроскоп используется для лечения всех видов кариеса на различных стадиях — от пятна до глубокого кариеса, когда поражена пульпа или ткани периодонта. Также мы рекомендуем лечить с помощью микроскопии вторичный кариес. Чтобы записаться на такую процедуру в нашей клинике meira, пациенту достаточно уведомить врача о своем желании лечиться под микроскопом. Стоимость лечения в таком случае несколько увеличится.
Лечение с использованием стоматологического микроскопа — самое безопасное и эффективное, поскольку этот прибор увеличивает рабочее поле до 25 раз и дает хорошее освещение. При первом осмотре он позволяет нам обнаружить кариес на контактных поверхностях зубов на самой ранней стадии. Заметить его невооруженным взглядом сложно (хотя наши стоматологи отлично с этим справляются благодаря большому опыту). При этом лечение кариеса на стадии пятна можно провести даже без бормашины — что намного повышает комфорт пациента.
Возможно также лечение кариеса у взрослых под коронками без нарушения целостности ортопедической конструкции — ее не придется снимать. Разумеется, активно применяется микроскопия при лечении корневых каналов зуба.
Микроскоп помогает более тщательно исследовать и установить причину пигментации зубов, применяется при лечении воспалений, кист и гранулем, при восстановлении зубов винирами. Также его используют наши имплантологи при установке имплантатов. Во всех этих случаях, чтобы понять сколько стоит лечение, нужно учитывать стоимость работы врача с микроскопом.
Лечение под микроскопом
Специалисты клиники стоматологии New White Smile постоянно расширяют арсенал лечебных средств и приемов, активно используя современные методы, например, такие, как лечение под микроскопом.
Еще совсем недавно лечение под микроскопом в стоматологии было редкостью, теперь применение этого прибора стало обычной практикой, позволяющей добиваться отличных результатов в восстановлении здоровья зубов.
Когда необходимо использование микроскопа
В зависимости от модели, электронный микроскоп способен увеличивать исследуемый предмет в 20–30 раз. Это помогает провести качественную диагностику и упрощает лечебные процедуры. Особенно эффективно применение мощных оптических приборов:
Для лечения пульпита
Зубные каналы часто имеют много ответвлений сложной формы. Если хотя бы одно из них не будет прочищено и запломбировано, может появиться очаг воспаления и лечение придется начинать заново. Врач, вооруженный микроскопом, от таких ошибок застрахован;
При установке имплантов
Тщательное исследование зуба дает возможность его сохранить. Применение микроскопа на всех стадиях имплантации сокращает длительность процедур и позволяет врачу-ортопеду действовать с максимальной точностью;
При проведении хирургических операций
Микроскоп часто используется в стоматологии как вспомогательный инструмент, облегчающий работу хирурга, а в некоторых случаях (например, при пластике десны) без него просто невозможно обойтись.
Преимущества лечения с применением микроскопа
С помощью электронного микроскопа можно увидеть мельчайшие повреждения тканей, перешейки, микротрещины и перфорации. Детальное изучение анатомических особенностей больного зуба помогает сделать точный прогноз и избавляет пациента от лишних процедур. Огромную пользу такие приборы приносят, когда нужно исправлять ошибки, допущенные при лечении.
Перелечивание зубов – одна из труднейших задач, которую приходится решать стоматологам. Чтобы справиться с ней быстро и качественно, нужен дентальный микроскоп.
Современные микроскопы помогает врачу:
провести качественную диагностику; добиться максимально плотного прилегания протеза; установить имплант в строго определенном положении; эффективно лечить искривленные зубные каналы; выявить кариес на самой ранней стадии; снизить травмоопасность хирургических операций; быстро провести распломбировку каналов. Надо отметить, что оптические приборы приносят пользу не только пациентам, но и врачам – глаза не устают, стоматолог может работать в удобной для него позе.
Не все стоматологии проводят лечение под микроскопом: электронные микроскопы стоят недешево, а для работы с ними нужны профессиональные навыки. «НьюСмайл» не экономит на здоровье своих пациентов, поэтому в нашей клинике микроскоп – обычный рабочий инструмент.