eng
Выпуск #3-4/2019
И.В.Яминский, А.И.Ахметова, Г.Б.Мешков
Развитие инструментальных методов бионаноскопии
Развитие инструментальных методов бионаноскопии
Просмотры: 1631
Основными тенденциями развития сканирующей зондовой микроскопии за три десятилетия ее существования можно назвать развитие инструментальной части (перенос макроскопических методик измерений на микро- и наномасштабы), широкое проникновение сканирующей зондовой микроскопии в различные области науки и технологии – физику, химию, биологию, медицину, материаловедение, геологию. Эти тенденции идут рука об руку, их развитие зависит и от развития методик проведения исследований, включающих приготовление образца и подложки, выбор режима работы микроскопа, обработку, анализ и интерпретацию полученных данных.
Теги: atomic weight detection of bacteria and viruses nanoparticles piezoceramic biosensor scanning probe microscopy атомные весы наночастицы обнаружение бактерий и вирусов пьезокерамический биосенсор сканирующая зондовая микроскопия
И.В.Яминский1, 2, 3, д.ф.-м.н., проф., генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0001-6363-8202), Г.Б.Мешков1, к.ф.-м.н., ст. науч. сотрудник (ORCID: 0000-0003-3930-3730) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminsky1, 2, 3, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.I.Аkhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-6363-8202), G.B.Meshkov1, Cand. of Sc. (Physics and Mathematics), Senior Researcher, (ORCID: 0000-0003-3930-3730) ISBN 000-545-55444
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.3-4.186.188
Получено: 06.05.2019 г.
Основными тенденциями развития сканирующей зондовой микроскопии за три десятилетия ее существования можно назвать развитие инструментальной части (перенос макроскопических методик измерений на микро- и наномасштабы), а также широкое проникновение сканирующей зондовой микроскопии в различные области науки и технологии, такие как физику, химию, биологию, медицину, материаловедение, геологию и др. Эти две тенденции, как правило, идут рука об руку, и их развитие сильно зависит от другого важного фактора – развития методик проведения исследований, включающих приготовление образца и подложки, выбор режима работы микроскопа, обработку, анализ и интерпретацию полученных данных.
The development of instrumental methods of scanning probe microscopy over the three decades indicates the wide spreading of scanning probe microscopy in various areas of science and technology, such as physics, chemistry, biology, medicine, materials science, geology and others. Besides, transfer of macroscopic measurement techniques to the micro and nano-scale is the second tendency the modern use of scanning probe microscopy. These two trends, as a rule, go hand in hand, and their development strongly depends on another important factor – the development of research methods, including sample and substrate preparation, the choice of the microscope operation mode, processing, analysis and interpretation of the data obtained.
Развитие техники сканирующей зондовой микроскопии и ее становление в качестве междисциплинарного направления далеки от завершения, поэтому решающую роль в получении экспериментальных данных играет опыт и навыки специалиста, проводящего измерения.
Наша научная группа имеет многолетний успешный опыт по применению сканирующей зондовой микроскопии в изучении биологических систем: бактериальных клеток и биопленок, клеток высших организмов, белковых кристаллов, комплексов ДНК и РНК с белками. В 2016 и 2017 годах успешно выполнен проект по обнаружению низких концентраций бактерий и вирусов в водных средах с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии и пьезокерамических биосенсоров. Методика "атомных весов" позволяет регистрировать одиночные микрочастицы и наночастицы, в том числе единичные бактерии, за счет использования метода резонансного взвешивания.
Коллектив лаборатории имеет многолетний опыт разработки экспериментальных установок для сканирующей зондовой микроскопии и их применения для исследования углеродных материалов, полимеров и биополимеров, биологических систем и объектов. С помощью сканирующей зондовой микроскопии изучены молекулярные механизмы сборки и разборки вирусных частиц.
Разработаны методы визуализации клеточных структур. Создан атлас изображений, полученных методом атомно-силовой микроскопии для растительных вирусов. Впервые методами атомно-силовой микроскопии продемонстрированы взаимодействия бактериофагов с клетками бактерий. Разработаны новые методы по идентификации бактериальных клеток на основе биоспецифического взаимодействия фрагментов клеток с органическими пленками. Изучен молекулярный механизм ассоциации молекул фибрина. Разработаны новые методы экологически чистого синтеза наночастиц с помощью экстрактов растений и наночастиц биологического происхождения [1–3].
Обнаружены новые виды наноструктурирования поверхности полимерных жидких кристаллов при их термическом нагреве [4, 5].
Обнаружено экситонное возбуждение в наноструктурах тетраэдрического углерода. Проведено систематическое исследование дефектов и особенностей на поверхности высокоориентированного пиролитического графита [6].
Также у научной группы есть успешный опыт выполнения крупных проектов под руководством профессора И.В.Яминского. Среди них:
1. Проект "Расширение производства аналитических приборов для исследований в материаловедении, биологии и медицине". Общий бюджет проекта – 390 млн руб. Финансирование при поддержке АО "РОСНАНО" и собственных средств Заявителя. Расширение производства высокочувствительных сенсоров для анализа химических и биологических веществ. Научные исследования для улучшения технических параметров устройств и приборов. Основной разработкой являются сканирующие зондовые микроскопы серии "ФемтоСкан" – прецизионные приборы, использующие принцип механического движения зонда (кантилевера) для исследования поверхности образца с точностью порядка одного нанометра. Дополнительная продукция – атомные весы, способные зафиксировать присутствие частиц различных веществ на уровне отдельных атомов [7].
В результате выполнения проекта был совершен в 2012 году первый успешный выход компании из инвестиционного проекта РОСНАНО [8].
2. Проект "Кантилеверные биосенсоры". Объем финансирования 600 тыс. долл. США. Заказчик – LG Electronics (Южная Корея). 2012–2015 гг. Успешно выполнен.
3. В 2019 году осуществлена поставка девяти многофункциональных сканирующих зондовых микроскопов "ФемтоСкан" в Федеральное государственное автономное учреждение "Фонд новых форм развития образования" (г. Москва), тер. Инновационного центра "Сколково", Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М.Горбатова РАН, ФГБОУ ВО "Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия". Бюджет проекта – 24,5 млн руб.
В 2018 году сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" получил Гран-при и золотую медаль международного форума-выставки "РосБиоТех-2018". В настоящее время многофункциональный сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" и программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" успешно работают более чем в 100 организациях – научных центрах, университетах и коммерческих компаниях.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Love A.J., Sinitsyna O.V., Shaw J., Yaminsky I.V., Kalinina N.O., Taliansky M.E. A Genetically Modified Tobacco Mosaic Virus that can Produce Gold Nanoparticles from a Metal Salt Precursor // Frontiers in Plant Science. 2015. V. 6. No 984. PP. 1–10.
Love J., Makarov V., Yaminsky I., Kalinina N., Taliansky M.E. The use of tobacco mosaic virus and cowpea mosaic virus for the production of novel metal nanomaterials // Virology. 2014. No 449. PP. 133–139.
Makarov V.V., Makarova S.S., Love A.J., Sinitsyna O.V., Dudnik A.O., Yaminsky I.V., Taliansky M.E., Kalinina N.O. Biosynthesis of stable iron oxide nanoparticles in aqueous extracts of Hordeum vulgare and Rumex acetosa plants // Langmuir. 2014. 30(20). PP. 5982–5988.
Sinitsyna O.V., Bobrovsky A.Yu, Meshkov G.B., Yaminsky I.V., Shibaev V.P. Surface relief changes in cholesteric cyclosiloxane oligomer films at different temperatures // Journal of Physical Chemistry B. 2015. V. 119. No 39. PP. 12708–12713.
Sinitsina O., Bobrovsky A., Yaminsky I., Shibaev V. Peculiarities and mechanism of surface topography changes in photochromic cholesteric oligomer-based films // Colloid and Polymer Sciences. 2014. V. 292, 7. PP. 1567–1575.
Sinitsyna O.V., Meshkov G.B., Grigorieva A.V. et al. Blister formation during graphite surface oxidation by hummers’ method. Beilstein journal of nanotechnology. 2018. Vol. PP. 407–414.
http://www.rusnano.com/projects/portfolio/atc
http://www.rusnano.com/about/press-centre/news/75792
I.V.Yaminsky1, 2, 3, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.I.Аkhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-6363-8202), G.B.Meshkov1, Cand. of Sc. (Physics and Mathematics), Senior Researcher, (ORCID: 0000-0003-3930-3730) ISBN 000-545-55444
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.3-4.186.188
Получено: 06.05.2019 г.
Основными тенденциями развития сканирующей зондовой микроскопии за три десятилетия ее существования можно назвать развитие инструментальной части (перенос макроскопических методик измерений на микро- и наномасштабы), а также широкое проникновение сканирующей зондовой микроскопии в различные области науки и технологии, такие как физику, химию, биологию, медицину, материаловедение, геологию и др. Эти две тенденции, как правило, идут рука об руку, и их развитие сильно зависит от другого важного фактора – развития методик проведения исследований, включающих приготовление образца и подложки, выбор режима работы микроскопа, обработку, анализ и интерпретацию полученных данных.
The development of instrumental methods of scanning probe microscopy over the three decades indicates the wide spreading of scanning probe microscopy in various areas of science and technology, such as physics, chemistry, biology, medicine, materials science, geology and others. Besides, transfer of macroscopic measurement techniques to the micro and nano-scale is the second tendency the modern use of scanning probe microscopy. These two trends, as a rule, go hand in hand, and their development strongly depends on another important factor – the development of research methods, including sample and substrate preparation, the choice of the microscope operation mode, processing, analysis and interpretation of the data obtained.
Развитие техники сканирующей зондовой микроскопии и ее становление в качестве междисциплинарного направления далеки от завершения, поэтому решающую роль в получении экспериментальных данных играет опыт и навыки специалиста, проводящего измерения.
Наша научная группа имеет многолетний успешный опыт по применению сканирующей зондовой микроскопии в изучении биологических систем: бактериальных клеток и биопленок, клеток высших организмов, белковых кристаллов, комплексов ДНК и РНК с белками. В 2016 и 2017 годах успешно выполнен проект по обнаружению низких концентраций бактерий и вирусов в водных средах с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии и пьезокерамических биосенсоров. Методика "атомных весов" позволяет регистрировать одиночные микрочастицы и наночастицы, в том числе единичные бактерии, за счет использования метода резонансного взвешивания.
Коллектив лаборатории имеет многолетний опыт разработки экспериментальных установок для сканирующей зондовой микроскопии и их применения для исследования углеродных материалов, полимеров и биополимеров, биологических систем и объектов. С помощью сканирующей зондовой микроскопии изучены молекулярные механизмы сборки и разборки вирусных частиц.
Разработаны методы визуализации клеточных структур. Создан атлас изображений, полученных методом атомно-силовой микроскопии для растительных вирусов. Впервые методами атомно-силовой микроскопии продемонстрированы взаимодействия бактериофагов с клетками бактерий. Разработаны новые методы по идентификации бактериальных клеток на основе биоспецифического взаимодействия фрагментов клеток с органическими пленками. Изучен молекулярный механизм ассоциации молекул фибрина. Разработаны новые методы экологически чистого синтеза наночастиц с помощью экстрактов растений и наночастиц биологического происхождения [1–3].
Обнаружены новые виды наноструктурирования поверхности полимерных жидких кристаллов при их термическом нагреве [4, 5].
Обнаружено экситонное возбуждение в наноструктурах тетраэдрического углерода. Проведено систематическое исследование дефектов и особенностей на поверхности высокоориентированного пиролитического графита [6].
Также у научной группы есть успешный опыт выполнения крупных проектов под руководством профессора И.В.Яминского. Среди них:
1. Проект "Расширение производства аналитических приборов для исследований в материаловедении, биологии и медицине". Общий бюджет проекта – 390 млн руб. Финансирование при поддержке АО "РОСНАНО" и собственных средств Заявителя. Расширение производства высокочувствительных сенсоров для анализа химических и биологических веществ. Научные исследования для улучшения технических параметров устройств и приборов. Основной разработкой являются сканирующие зондовые микроскопы серии "ФемтоСкан" – прецизионные приборы, использующие принцип механического движения зонда (кантилевера) для исследования поверхности образца с точностью порядка одного нанометра. Дополнительная продукция – атомные весы, способные зафиксировать присутствие частиц различных веществ на уровне отдельных атомов [7].
В результате выполнения проекта был совершен в 2012 году первый успешный выход компании из инвестиционного проекта РОСНАНО [8].
2. Проект "Кантилеверные биосенсоры". Объем финансирования 600 тыс. долл. США. Заказчик – LG Electronics (Южная Корея). 2012–2015 гг. Успешно выполнен.
3. В 2019 году осуществлена поставка девяти многофункциональных сканирующих зондовых микроскопов "ФемтоСкан" в Федеральное государственное автономное учреждение "Фонд новых форм развития образования" (г. Москва), тер. Инновационного центра "Сколково", Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М.Горбатова РАН, ФГБОУ ВО "Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия". Бюджет проекта – 24,5 млн руб.
В 2018 году сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" получил Гран-при и золотую медаль международного форума-выставки "РосБиоТех-2018". В настоящее время многофункциональный сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" и программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" успешно работают более чем в 100 организациях – научных центрах, университетах и коммерческих компаниях.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Love A.J., Sinitsyna O.V., Shaw J., Yaminsky I.V., Kalinina N.O., Taliansky M.E. A Genetically Modified Tobacco Mosaic Virus that can Produce Gold Nanoparticles from a Metal Salt Precursor // Frontiers in Plant Science. 2015. V. 6. No 984. PP. 1–10.
Love J., Makarov V., Yaminsky I., Kalinina N., Taliansky M.E. The use of tobacco mosaic virus and cowpea mosaic virus for the production of novel metal nanomaterials // Virology. 2014. No 449. PP. 133–139.
Makarov V.V., Makarova S.S., Love A.J., Sinitsyna O.V., Dudnik A.O., Yaminsky I.V., Taliansky M.E., Kalinina N.O. Biosynthesis of stable iron oxide nanoparticles in aqueous extracts of Hordeum vulgare and Rumex acetosa plants // Langmuir. 2014. 30(20). PP. 5982–5988.
Sinitsyna O.V., Bobrovsky A.Yu, Meshkov G.B., Yaminsky I.V., Shibaev V.P. Surface relief changes in cholesteric cyclosiloxane oligomer films at different temperatures // Journal of Physical Chemistry B. 2015. V. 119. No 39. PP. 12708–12713.
Sinitsina O., Bobrovsky A., Yaminsky I., Shibaev V. Peculiarities and mechanism of surface topography changes in photochromic cholesteric oligomer-based films // Colloid and Polymer Sciences. 2014. V. 292, 7. PP. 1567–1575.
Sinitsyna O.V., Meshkov G.B., Grigorieva A.V. et al. Blister formation during graphite surface oxidation by hummers’ method. Beilstein journal of nanotechnology. 2018. Vol. PP. 407–414.
http://www.rusnano.com/projects/portfolio/atc
http://www.rusnano.com/about/press-centre/news/75792
Отзывы читателей
