Федеральный исследовательский центр химической
физики им. Н.Н. Семёнова Российской Академии Наук
Метод времяпролетной масс-спектрометрии вторичных ионов (time-of-flight secondary ion mass spectrometry, ToF-SIMS) - чувствительный аналитический метод для исследования химического состава поверхности, а при дополнительном снятии поверхностных слоев образца для исследования состава объемного образца. Достоинство ToF-SIMS состоит в возможности проведения экспресс-анализа химического состава при нанометровом (до 80 нм) пространственном разрешении на исследуемой поверхности. Кроме этого, метод обеспечивает разрешение по глубине анализа до 10-20 нм. Сочетание таких характеристик может позволить определять состав и распределение химических компонент в образце и получать 3D изображение распределения химического состава объекта. Таким образом, TOF-SIMS можно использовать как масс-спектральный микроскоп для получения 2D и 3D ионных изображений.
Основными конкретными научно-техническими задачами методики являются:
На базе данного метода предоставляются следующие услуги:
Уникальная установка фемтосекундной лазерной абсорбционной спектроскопии предназначена для исследования сверхбыстрых кинетических процессов в растворах, пленках, стеклах и т.п. В установке реализован метод «возбуждение-зондирование». Возбуждающий импульс переводит исследуемый образец в возбужденное состояние, динамика которого отслеживается по изменению поглощения зондирующего импульса в зависимости от временной задержки между возбуждающим и зондирующим импульсами. Максимально возможная задержка в эксперименте составляет 600 пс, минимальный шаг задержки равен 3.3 фс. Зондирующий импульс в результате генерации суперконтинуума имеет спектр в широком диапазоне: от 390 нм до 780 нм, что позволяет наблюдать кинетику изменения поглощения исследуемого образца сразу в широком спектральном окне.
Для детального исследования сверхбыстрых кинетических процессов имеется возможность проведения экспериментов с различной поляризацией возбуждающего импульса, как с линейной, повернутой на любой угол относительно поляризации зондирующего излучения, так и циркулярной поляризацией возбуждающего импульса. Поляризационные исследования позволяют получить информацию об анизотропии поглощения объекта на самых ранних временах, дать информацию об изменении дипольного момента объекта, о переходах на другие ППЭ в процессе фотореакции.
Имеется возможность проводить фемтосекундные исследования с амплитудно-фазовой модуляцией возбуждающего лазерного излучения. Амплитудно-фазовая модуляция возбуждающего фемтосекундного импульса позволяет создавать самые разные начальные квантовые состояния, что влияет на дальнейшую фемто- и пикосекундную кинетику исследуемых объектов.
Для работы с растворами используется микронасос, который обеспечивает полную смену засвечиваемого объема образца между двумя фемтосекундными возбуждающими импульсами. Для биологических объектов используется микронасос с загрузкой в 1 мл образца, а для химических растворов - в 2 мл. Кроме того, предусмотрена возможность проведения измерений в условиях охлаждения или нагрева образца. В случае охлаждения возможно понижение температуры объекта вплоть до температур жидкого азота или гелия. В случае нагрева возможно повышение температуры объекта до 60 градусов Цельсия.
Таким образом, уникальная установка фемтосекундной лазерной абсорбционной спектроскопии позволяет:Основными конкретными научно-техническими задачами методики является исследование кинетики сверхбыстрых процессов (от десятков фемтосекунд до нескольких наносекунд) в химических и биологических системах (в том числе при низких температурах) в видимом спектральном диапазоне с фемтосекундным временным разрешением
Разработана уникальная установка на основе флуоресцентного микроскопа с возбуждением образца остросфокусированными фемтосекундными импульсами ближнего ИК диапазона с длиной волны от 690 нм до 920 нм и длительностью до 25 фс. Двухфотонная флуоресценция при воздействии фемтосекундного лазера происходит за счет нелинейного 2-х фотонного поглощения образцом и антистоксовой флуоресценцией в коротковолновом спектральном диапазоне по сравнению с длиной волны возбуждения. За счет нелинейного возбуждения сигнал флуоресценции сильно локализован в области перетяжки лазерного пучка, что позволяет проводить 3D картирование образца с высоким разрешением. Диапазон возбуждения лежит в окне прозрачности биологической ткани, глубина проникновения в ткань достигает нескольких миллиметров. Установка позволяет регистрировать спектры люминесценции, кинетику затухания люминесценции с временным разрешением 0.2 нс. В составе установки также имеются источники LED для возбуждения прямой флуоресценции с длинами волн источников 385/405/445/462 нм, а также камеры и наборы фильтров для съемки флуоресцентных изображений.
Основными конкретными научно-техническими задачами методики являются:
Комплекс микроскопии, с учетом кастомной конфигурации, имеющейся в ФИЦ ХФ РАН позволяет возбуждать образцы на длинах волн 405 нм, 488 нм, 561 нм, 639 нм, а также на длинах волн ИК диапазона для возбуждения двухфотонной флуоресценции (фемтосекундный лазер, длительность импульсов ~140 фс, частота повторения 80 МГц). Имеются разные сценарии проведения сканирования одной и той же области образца: 1) возбуждение производится одновременно несколькими лазерами и для каждого детектора (3 детектора) записывается сигнал соответствующего спектрального участка; 2) возбуждение производится последовательно: сначала область сканируется для возбуждения первым лазеров, потом для возбуждения вторым лазером и т.д., в данном случае сигнал может быть собран на один и тот же детектор. Имеется набор воздушных и иммерсионных (вода, масло) объективов, используемых в зависимости от задачи.
Основными конкретными научно-техническими задачами методики являются:
Специфика фемтосекундных лазерных импульсов заключается в их высокой пиковой интенсивности и большой спектральной ширине. Первое обстоятельство позволяет эффективно наблюдать нелинейные оптические процессы, в т.ч. высоконаправленные когерентные процессы рамановского рассеяния: CARS (Coherent anti-Stokes Raman scattering), SRS (Stimulated Raman scattering). Второе обстоятельство позволяет единовременно получать спектральный диапазон колебательных частот образца в сотни обратных сантиметров. По сравнению с традиционными рамановскими микроскопами использование созданного в ФИЦ ХФ РАН уникального фемтосекундного микроспектрометра имеет преимущества для следующих задач:
Для всех образцов подбираются оптимальные энергии лазерных импульсов. Для большинства образцов (в т.ч. биологических) возможно неразрушающее воздействие лазерного излучения, т.е. образец не модифицируется лазерными импульсами. В этом случае возможно получение 2D/3D карт во времени (исследование эволюции образцов).
Методика направлена на проведение исследований в:
Уникальная лазерная установка для проведения малоинвазивных микро- и нанохирургических операций и манипуляций с отдельными клетками, эмбрионами и тканями. Установка в себя включает: фемтосекундный лазер ближнего ИК диапазона; непрерывные лазеры видимого и ближнего ИК диапазона; оптический микроскоп с моторизованной 2D платформой; пространственные световые модуляторы света (SLM). Использование остросфокусированных фемтосекундных лазерных импульсов позволяет создавать микро- и наноразрезы в биологическом материале без теплового разогрева. Совместное использование непрерывного лазера и SLM позволяет получать сложные распределения электромагнитных полей в объеме образца, например, создавать множественные независимые лазерные фокусы. В частности, каждый из таких лазерных фокусов может представлять из себя оптическую ловушку для клеток или органелл клетки. При надлежащем выборе параметров эксперимента можно осуществлять удерживание, вращение или независимое перемещение данных объектов, в т.ч. растаскивание или сближение нескольких объектов одновременно (оптический мультиплексор). Это дает богатую информацию о силах между органеллами, упругих свойствах биологических образцов. Перечень задач, который позволяет решать данная установка следующий:
Развита принципиально новая технология и разработано необходимое материально-техническое оснащение для проведения высокоэффективной минимально инвазивной нанохирургии эмбрионов млекопитающих с использованием фемтосекундных и непрерывных лазеров с излучением в ближнем ИК диапазоне в окне прозрачности биологической ткани. Разработана технология получения генетически модифицированных доимплантационных эмбрионов млекопитающих.
Атомно-силовой сканирующий модуль (SMENA-A, NT-MDT) использует функционал микроскопной части экспериментальной установки многофотонной флуоресцентной микроскопии. Возможны следующие режимы работы атомно-силового модуля: контактный режим (contact mode); бесконтактный режим (non-contact mode); полуконтактный режим (tapping mode).
Стилусный профилометр (Alpha-Step D-500, KLA) позволяет проводить двухмерные измерения высоты ступени, шероховатости и кривизны поверхности. Использование оптического сенсора обеспечивает измерения с высоким разрешением, большой вертикальный диапазон (от нанометров до 1200 мкм) и возможность измерения легкодеформируемых образцов с малым давлением на стилус. Преимущество метода стилусной профилометрии заключается в том, что это прямое измерение, независимое от свойств материала. Регулируемое усилие и выбор стилуса позволяют проводить точные измерения самых разных структур и материалов. Это позволяет количественно оценить ваш процесс, чтобы определить количество добавленного или удаленного материала, а также любые изменения в структуре путем измерения шероховатости и напряжения.
На базе данных методов типично решаются следующие задачи:
Растровый микроскоп (SEM) позволяет проводить изучение структуры и морфологии образца в режимах топографического и композиционного контраста с пространственным разрешением до 3 нм. Для анализа могут быть использованы образцы, допускающие проведение исследований в условиях вакуума (10-4 Па). Помимо этого доступно химическое картирование методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), а также измерение катодолюминесценции образца.
На базе данного метода предоставляются следующие услуги:
Высоко-автоматизированный FTIR микроскоп позволяет детектировать колебательные полосы различных материалов в диапазоне от 450 до 7800 см-1 с разрешением не хуже 2 см-1. Детектор MCT, охлаждаемый жидким азотом, обеспечивает высокие параметры чувствительности и соотношения сигнал/шум (до 35000:1) проводимых измерений. Прибор позволяет анализировать отдельные заданные области образцов, а также проводить сканирование с высоким пространственным разрешением (~1.25 микрон) в режиме полноного внутреннего отражения (ATR).
Услуги по данной методике в себя включают:
Линейная спектроскопия/микроспектроскопия комбинационного представлена как в виде коммерческих приборов (785 нм, Senterra, Bruker), так и в виде исследовательских лабораторных систем (360 нм, 457 нм, 532 нм, 640 нм), которые позволяют проводить гибкую подстройку мощности возбуждения, параметров экспозиции охлаждаемого детектора (вплоть до единиц мс), наблюдения сигнала в антистоксовом режиме, проводить сбор сигнала как в поточечном режиме так и при непрерывном усредняющем движении моторизированных подвижек. Объекты исследования и задачи: полимеры, композитные материалы, природных минералы, битумы, биологические образцы (ткани, срезы), пигмент-белковые системы, фотонные моды квантовых точек, усиление сигнала плазмонными золотыми и серебряными наноструктурами (SERS, SE-CARS) – для каждой морфологии наноструктур может быть использована длина волны возбуждения, дающая наибольшие коэффициенты усиления сигнала.
Услуги по данной методике в себя включают: