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:

• Масс-спектральная 2D и 3D визуализация химического состава в полимерах, сплавах, композитных материалах, минералах;
• Масс-спектральная 2D и 3D визуализация химического состава в прошедших пробо-подготовку биологических образцах: клеточных культурах (в т.ч. раковых), срезах тканей (печени, мозга, крупных клетках). Изучение липидного состава биологических объектов. Изучение распределения лекарственных препаратов (в т.ч. противораковых с содержанием металлов).

На базе данного метода предоставляются следующие услуги:

• Получение масс-спектров твердых и порошковых образцов;
• Получение масс-спектров образцов в замороженном состоянии;
• Химическое картирование (имиджинг) образцов, в чатсноти, в замороженном состоянии;
• Профилирование по глубине сложных полимерных, диэлектрических и биологических образцов;
• 3D имиджинг (химическое картирование) образцов.

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.

• Получить фемтосекундную динамику дифференциальных спектров образца до 600 пс с высоким временным разрешением в спектральном диапазоне 390-780 нм.
• Получить данные об анизотропии поглощения образца в фемтосекундом масштабе времени.
• Получить температурную зависимость фемтосекундной динамики образца (до температур жидкого азота или гелия).

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

• Фотосинтетических системах;
• Зрительных пигментах. Протонных и натриевых помпах.
• Квантовых точках (CdSe, CdTe, InP, InP/ZnS и др.).
• Гибридных нанокомпозитных (в т.ч. фотокаталитических) системах, в т.ч. с участием плазмонных наночастиц;
• Фуллеренах, углеродных нанотрубках.
• Бифункциональных фотохромных соединениях с переносом заряда; макрогетероциклических соединениях (краун-соединениях), порфиринах, хлорофиллах, хлорофилл-содержащих белках.

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:

• Изучение флуоресцентных полимеров, композитных материалов, природных минералов, биологических образцов при однофотонном и многофотонном режимах возбуждения;
• Направленное создание и изучение эволюции углеродных флуоресцирующих наноточек в живых биологических объектах.
• Измерение временных характеристик флуоресценции (FLIM), в т.ч. поляризационные измерения.

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:

• Изучение флуоресцентных полимеров, композитных материалов, природных минералов, биологических образцов при однофотонном и многофотонном режимах возбуждения;
• Направленное создание и изучение эволюции углеродных флуоресцирующих наноточек в живых биологических объектах.
• Измерение временных характеристик флуоресценции (FLIM), в т.ч. поляризационные измерения.
• Сверхбыстрый конфокальный имиджинг живых биологических объектов: одновременное возбуждение (при сканировании) разных флуорофоров несколькими лазерами, распределение флуорофоров. Изучение биологических образцов может проводиться in-vivo с использованием инкубатора микроскопа. Список объектов: ооциты млекопитающих, стволовые клетки (в общем случае любые окрашенные клетки и ткани под имеющиеся лазеры накачки), природные пигментные структуры (напр. листья растений, растворы хлорофилл-содержащих белков и др.), квантовые точки (изучение однородности тонких пленочных покрытий), эффект усиления флуоресценции плазмонными наноструктурами (Metal enhanced fluorescence, MEF).

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:

• В задачах где необходимо иметь максимально возможное пространственное разрешение при сканировании образца (до 200 нм). Такое разрешение достигается за счет нелинейности генерируемых оптических процессов в исследуемом образце.
• В задачах где определение рамановских частот в стоксовой области сильно затруднено. В этом случае в фемтосекундном микроспектрометре сигнал собирается из антистоксовой области (CARS), свободной от люминесценции образца.
• В задачах где необходимо максимально быстрое 2D/3D картирование в узком диапазоне колебательных частот (~10 1/см). Увеличение скорости сканирования до 3х порядков достигается за счет использования быстрых гальванических зеркал и ФЭУ. Данная конфигурация особенно подходит для тех образцов где нежелательны механические перемещения исследуемого образца. Для образцов с низкими концентрациями веществ или слабыми интенсивностями рамановских линий может быть использована спектральная фокусировка лазерных импульсов. А этом случае, сканируемый интервал колебательных частот может быть уменьшен до 2-3 1/см.
• В задачах где необходимо быстрое 2D/3D картирование заданного диапазона колебательных частот (шириной до 1200 1/см) со спектральным разрешением 10 1/см. Скорость сканирования в десятки раз выше чем в традиционных рамановских микроскопах. В частности, сканирование может быть проведено и с помощью гальванических зеркал без перемещения объекта.

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:

• Растворах химических соединений: GFP белках, родопсинах, ксантофиллах, липидно-белковых смесях, пигмент-белковых комплексах (в т.ч. хлорофилл содержащих), оммохромах тканей беспозвоночных.;
• Клеточных культурах, срезах тканей животных и человека (печени, мозга, жировой ткани, липидные капли, липофусциновые гранулы).
• Живых биологических объектах: ооцитах, сперматозоидах, стволовых клетках.

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:

• Лазерная диссекция тканей и клеток.
• Оптическая трансфекция (введение внешнего генетического материала в клетки через созданные в клеточной мембране каналы).
• Лазерный хетчинг (надсечка и частичное удаление блестящей оболочки эмбриона для более эффективного выхода эмбриона).
• Искусственное лазерное слияние двух или более клеток.
• Лазерная инактивация хромосом клетки.
• Терапевтическое лазерное клонирование.
• Изучение упругих свойств биообъектов на разных этапах развития; сил взаимодействия между отдельными частями биологической системы (органеллами, органеллами и мембранами и др.).

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.

• Лазерное наноструктурирование поверхности и объема твердых тел с характерными размерами получаемых структур много меньше длины волны лазерного излучения. Наноструктурирование основано на использовании сильно локализованного высокоинтенсивного электромагнитно поля (ближнего поля), которое возникает при взаимодействии лазерных импульсов с диэлектрическими микросферами. Пространственное разрешение при структурировании составляет до 70 нм. Перемещение диэлектрических микросфер позволяет создавать сложные рельефы на поверхности структурируемого материала. Высокоточное перемещение микросфер достигается путем использования эффекта оптического захвата микрообъектов с помощью лазерного излучения.
• Автоматизированное 2D/3D лазерное фемтосекундное микро-структурирование материалов по заданному шаблону. Используемый при структурировании шаблон может описывать любую сложную конфигурацию: точечные и протяженные структуры в плоскости и объеме. Используемое оборудование позволяет получать структуры с размерами от микрона до нескольких сантиметров. В автоматизированной установке заложены гибкие возможности модификации энергии лазерного излучения, скорости перемещения по каждой из трех пространственных координат: данные параметры могут синхронно изменяться в процессе объемного структурирования. В частности, в случае прозрачных сред (силикатных, кварцевых и сапфировых стекол) подобное структурирование может быть сопряжено с последующим травлением материалов в специальных средах. Это позволяет получать в исходных заготовках отверстия и вырезы любых форм, протяженные каналы, сложные трафареты и матрицы. Получаемые образцы имеют очень широкий спектр применения для микрофильтрации и микрофлюидики.

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:

• Получение атомно-силовых изображений поверхности образца и анализ распределения размеров наночастиц, высаженных на твердую подложку в диапазоне размеров частиц 1-500 нм;
• Получение профилей топографических особенностей поверхности образца и оценка шероховатости поверхности образца методом стилусной профилометрии (RMS);

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:

• Получение изображений топографических особенностей образа в вторичных электронах (SE) с разными увеличениями. Услуга включает установку и дегазацию образца, а также получения серии вторично-электронных изображений (с одного места) с разными увеличениями (от 50-100х до 35000-100000x в зависимости от условий).
• Получение изображений композиционных и топографических особенностей образца в обратно-отраженных электронах (BSE) с разными увеличениями;
• Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS / EDX);
• Катодолюминесценция: получения серии катодолюминесценых изображений (с одного места) с разными увеличениями;
• Подготовка непроводящих образцов к анализу в условиях высокого вакуума: напыление слоя металла или углерода;
• Изображения в режиме среды (ESEM): получение серии изображении во вторичных или обратно-отраженных электронах для диэлектрических образцов в условиях среды (давление свыше 100 Па).

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:

• Концентрирование растворов для измерения ИК-Фурье спектров неиспаряемых остатков в режиме ATR и отражения.
• Измерение ИК-Фурье спектров в режиме отражения и в режиме ATR. В частности, в режиме ATR возможна очистка зонда после каждого измерения.
• Сканирование материалов в режиме отражения и в режиме ATR. Последовательное сканирование по выбранным точкам или шаблонам.
• Анализ ИК-Фурье спектров материалов. Сопоставление измеренных спектров с библиотечными и литературными данными о колебаниях характерных групп в соответствующем спектральном диапазоне. Разложение спектров на составляющие колебательные полосы. Построение двухмерных карт распределения интенсивности колебательных полос определенного спектрального диапазона (для сканирования).

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:

• Концентрирование растворов для измерения колебательных спектров неиспаряемых остатков;
• Измерение колебательных спектров при возбуждении на длине волны 785 нм (коммерческий микроспектрометр);
• Измерение колебательных спектров при возбуждении на длинах волн 360 нм, 457 нм, 532 нм, 640 нм (исследовательская установка); В т.ч. измерение колебательных спектров при автоматическом сканировании.
• Обработка и анализ спектров комбинационного рассеяния материалов.

• Спектрофотометр позволяет проводить измерения (в том числе снятие кинетик) спектров поглощения материалов в диапазоне от 185 до 3300 нм с разрешением до 0.1 нм. Диапазон чувствительности прибора от -6 до 6 Abs. Измерения могут быть проведены для материалов в жидкой и твердой фазах.
• Спектрофлюориметр позволяет проводить измерения флюоресценции и рамановского рассеяния материалов для длин волн возбуждения в УФ, видимом и ИК диапазоне. Сбор сигнала происходит в диапазоне длин волн от 220 до 750 нм с разрешением до 1.5 нм. Измерения могут быть проведены для материалов в жидкой и твердых фазах.

Оборудование позволяет проводить реологические исследования битума, битумных вяжущих и др. Исследования возможны в ротационном и осцилляционном режимах. Рабочий диапазон температур -30 +120° С (200° С); геометрия плита-плита (4 мм, 8 мм, 25 мм).

Оборудование позволяет проводить измерение распределения размер частиц в сухом состоянии и в суспензии. Область измерения 0,01-1000 мкм