eng
Выпуск #1/2021
И.В.Яминский, А.И.Ахметова
Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" в исследовании вирусов
Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" в исследовании вирусов
Просмотры: 1772
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.62.67
Исследование вирусов стало особенно актуальной задачей на сегодняшней день. Сканирующая зондовая микроскопия позволяет получать уникальную информацию о морфологии и свойствах вирусов, недоступную другими методами, и может объяснить, например, способность вирусов противостоять многим внешним факторам среды, приспосабливаться к условиям. Механические и геометрические свойства, адгезия, склонность к агрегации, способность кристаллизоваться – эти данные можно получать с помощью зондовой микроскопии. В этих исследованиях специализированное программное обеспечение является важным инструментом для обработки и анализа полученных результатов.
Исследование вирусов стало особенно актуальной задачей на сегодняшней день. Сканирующая зондовая микроскопия позволяет получать уникальную информацию о морфологии и свойствах вирусов, недоступную другими методами, и может объяснить, например, способность вирусов противостоять многим внешним факторам среды, приспосабливаться к условиям. Механические и геометрические свойства, адгезия, склонность к агрегации, способность кристаллизоваться – эти данные можно получать с помощью зондовой микроскопии. В этих исследованиях специализированное программное обеспечение является важным инструментом для обработки и анализа полученных результатов.
Теги: morphology of viruses scanning probe microscopy viruses вирусы морфология вирусов сканирующая зондовая микроскопия
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ "ФЕМТОСКАН ОНЛАЙН" В ИССЛЕДОВАНИИ ВИРУСОВ
FEMTOSCAN ONLINE SOFTWARE IN VIRUS RESEARCH
И.В.Яминский1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. научн. сотр. ИНЭОС РАН, 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: 0000-0002-5115-8030) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sc. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Energy Efficient Technologies, Leading Sci. of INEOS RAS, A.I.Akhmetova2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.62.67
Получено: 05.02.2021 г.
Исследование вирусов стало особенно актуальной задачей на сегодняшней день. Сканирующая зондовая микроскопия позволяет получать уникальную информацию о морфологии и свойствах вирусов, недоступную другими методами, и может объяснить, например, способность вирусов противостоять многим внешним факторам среды, приспосабливаться к условиям. Механические и геометрические свойства, адгезия, склонность к агрегации, способность кристаллизоваться – эти данные можно получать с помощью зондовой микроскопии. В этих исследованиях специализированное программное обеспечение является важным инструментом для обработки и анализа полученных результатов.
Nowadays, virus research has become an especially urgent task. Scanning probe microscopy allows one to obtain unique information about the morphology and properties of viruses, which are inaccessible by other methods, and may explain, for example, the ability of viruses to withstand many external environmental factors and adapt to external conditions. Mechanical and geometrical properties, adhesion, tendency to aggregation, ability to crystallize can be obtained using the probe microscopy. In these studies, specialized software is an important tool for processing and analyzing the results obtained.
В статье мы подробно рассматриваем, как обработать полученные после сканирования изображения. В большинстве случаев от правильной визуализации во многом зависит и восприятие, и интерпретация полученных результатов [1].
Полученное изображение может иметь общий наклон или общую кривизну, вызванные температурным дрейфом или нелинейностью пьезокерамического манипулятора. Первое, что следует сделать при обработке изображения в программном обеспечении "ФемтоСкан Онлайн " – это удалить средний наклон, рассчитанный методом наименьших квадратов или с помощью сплайнов.
На изображении зачастую присутствует шумовая составляющая. Чтобы избавиться от нее, можно применить полезную опцию – выравнивание всех строк изображения по среднему уровню. Эта опция заменяет значение в каждой точке средним арифметическим значений всех точек в ближайшей окрестности от нее. Этот метод подходит для удаления шума и сбоев по линиям скана. Усреднение по строкам можно применить ко всему изображению либо по выбранной области.
С помощью инструмента "Сечение" можно получить профиль рельефа вдоль выбранной линии и оценить перепад высот (рис.1).
Измерение углов, расстояний,
длин ломаных линий
С помощью линейки можно измерить расстояние или размер интересующего объекта, а также при помощи меток посчитать количество частиц в поле зрения (рис.2 и 3). В программном обеспечении возможна обработка данных, полученных с помощью других видов микроскопии, например просвечивающей электронной микроскопии.
При работе с изображением можно использовать различные виды фильтрации. Боковая подсветка позволяет повысить контраст изображения и сделать мелкие детали более явными без потери информации о крупных объектах (рис.5).
Фильтр Винера позволит осуществить фильтрацию выбранной области с маской произвольного размера. Данная команда позволяет избавиться от случайного шума на изображении. Медианная фильтрация позволяет сгладить резкие выбросы на изображение и, в отличие от усреднения, сохраняет ступеньки. Фильтр Медиана Х в качестве маски использует конфигурацию в виде Х размером 3 × 3 пикселя (рис.6).
Анализ шероховатости поверхности
В простейшем случае шероховатость (а именно Ra, средняя шероховатость) – это среднее арифметическое отклонение профиля сечения от прямой его общего наклона. Для того чтобы определить среднюю шероховатость поверхности, строят несколько сечений. В диалоговом окне "Параметры" можно выбрать количество сечений и расстояние между сечениями, длину и угол наклона к горизонтали (рис.7). Угол наклона можно задавать вручную. Если поверхность представляет собой слоистую структуру, лучше использовать автоматическое определение угла.
Также можно использовать функцию анализ зерен, она позволяет определить истинные геометрические характеристики объектов на поверхности: площадь, высоту, периметр, объем (рис. 8).
Снятие силовых кривых позволяет не только измерять кривую силы в каждой точке поверхности, но и фактически контролировать взаимодействие зонда и образца.
Наиболее интересной и художественной задачей является выбор цветовой палитры и создание 3D-изображений.
Еще одной удобной функцией является возможность синхронного перемещения выделенной области, детального изображения, участка сечения и изображения Фурье (рис.9).
"ФемтоСкан Онлайн" распознает изображения, полученные в других форматах, в том числе микроскопов других компаний, которые уже не выпускаются. Программа осуществляет допечатную подготовку и подготовку изображений: подсветку, настройку цветов и шрифтов, создание 3D-изображений и видео с полетом над поверхностью, стереорежим для 3D-изображений и многое другое [2–9].
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества №21-58-10005, РНФ (проект № 20-12-00389) и РФФИ (проект № 20-32-90036).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. Online software and visualization of nanoobjects in high-resolution microscopy. Nanoindustry, 11, 6 (85), (2018), 414–416.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I. FemtoScan Online software platform for biomedical applications and materials science // Medicine and high technologies, 2, (2018), 10–13.
Filonov A.S., Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online! Why? Nanoindustry, 84 (5), (2018), 339–342.
Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. Software FemtoScan Online. Nanoindustry, 2 (64), (2016), 42-46.
Электронный ресурс http://en.nanoscopy.ru/software/femtoscan_online/
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I. Scanning probe microscopy in solving problems of virology // Nanoindustriya. 13, 6 (100), (2020), 340–345.
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. The role of scanning probe microscopy in bacteria investigations and bioremediation, in: P.Singh, A.Kumar, A.Borthakur (Eds), Abatement of Environmental Pollutants: Trends and Strategies, Elsevier, (2020), pp. 287–312. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-818095-2.00014-X
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I. Experimental possibilities of bionanoscopy in solving practical problems of biology and medicine // Medicine and high technologies. 4, (2019), 15–18.
Shugunov L.Zh., Shugunov T.L., Yaminsky I.V. Choice of a method for processing the results of surface investigation by a scanning probe microscope FemtoScan Online // Nano- and microsystem technology. 22, 4, (2020), 190–193.
FEMTOSCAN ONLINE SOFTWARE IN VIRUS RESEARCH
И.В.Яминский1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. научн. сотр. ИНЭОС РАН, 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: 0000-0002-5115-8030) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sc. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Energy Efficient Technologies, Leading Sci. of INEOS RAS, A.I.Akhmetova2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.62.67
Получено: 05.02.2021 г.
Исследование вирусов стало особенно актуальной задачей на сегодняшней день. Сканирующая зондовая микроскопия позволяет получать уникальную информацию о морфологии и свойствах вирусов, недоступную другими методами, и может объяснить, например, способность вирусов противостоять многим внешним факторам среды, приспосабливаться к условиям. Механические и геометрические свойства, адгезия, склонность к агрегации, способность кристаллизоваться – эти данные можно получать с помощью зондовой микроскопии. В этих исследованиях специализированное программное обеспечение является важным инструментом для обработки и анализа полученных результатов.
Nowadays, virus research has become an especially urgent task. Scanning probe microscopy allows one to obtain unique information about the morphology and properties of viruses, which are inaccessible by other methods, and may explain, for example, the ability of viruses to withstand many external environmental factors and adapt to external conditions. Mechanical and geometrical properties, adhesion, tendency to aggregation, ability to crystallize can be obtained using the probe microscopy. In these studies, specialized software is an important tool for processing and analyzing the results obtained.
В статье мы подробно рассматриваем, как обработать полученные после сканирования изображения. В большинстве случаев от правильной визуализации во многом зависит и восприятие, и интерпретация полученных результатов [1].
Полученное изображение может иметь общий наклон или общую кривизну, вызванные температурным дрейфом или нелинейностью пьезокерамического манипулятора. Первое, что следует сделать при обработке изображения в программном обеспечении "ФемтоСкан Онлайн " – это удалить средний наклон, рассчитанный методом наименьших квадратов или с помощью сплайнов.
На изображении зачастую присутствует шумовая составляющая. Чтобы избавиться от нее, можно применить полезную опцию – выравнивание всех строк изображения по среднему уровню. Эта опция заменяет значение в каждой точке средним арифметическим значений всех точек в ближайшей окрестности от нее. Этот метод подходит для удаления шума и сбоев по линиям скана. Усреднение по строкам можно применить ко всему изображению либо по выбранной области.
С помощью инструмента "Сечение" можно получить профиль рельефа вдоль выбранной линии и оценить перепад высот (рис.1).
Измерение углов, расстояний,
длин ломаных линий
С помощью линейки можно измерить расстояние или размер интересующего объекта, а также при помощи меток посчитать количество частиц в поле зрения (рис.2 и 3). В программном обеспечении возможна обработка данных, полученных с помощью других видов микроскопии, например просвечивающей электронной микроскопии.
При работе с изображением можно использовать различные виды фильтрации. Боковая подсветка позволяет повысить контраст изображения и сделать мелкие детали более явными без потери информации о крупных объектах (рис.5).
Фильтр Винера позволит осуществить фильтрацию выбранной области с маской произвольного размера. Данная команда позволяет избавиться от случайного шума на изображении. Медианная фильтрация позволяет сгладить резкие выбросы на изображение и, в отличие от усреднения, сохраняет ступеньки. Фильтр Медиана Х в качестве маски использует конфигурацию в виде Х размером 3 × 3 пикселя (рис.6).
Анализ шероховатости поверхности
В простейшем случае шероховатость (а именно Ra, средняя шероховатость) – это среднее арифметическое отклонение профиля сечения от прямой его общего наклона. Для того чтобы определить среднюю шероховатость поверхности, строят несколько сечений. В диалоговом окне "Параметры" можно выбрать количество сечений и расстояние между сечениями, длину и угол наклона к горизонтали (рис.7). Угол наклона можно задавать вручную. Если поверхность представляет собой слоистую структуру, лучше использовать автоматическое определение угла.
Также можно использовать функцию анализ зерен, она позволяет определить истинные геометрические характеристики объектов на поверхности: площадь, высоту, периметр, объем (рис. 8).
Снятие силовых кривых позволяет не только измерять кривую силы в каждой точке поверхности, но и фактически контролировать взаимодействие зонда и образца.
Наиболее интересной и художественной задачей является выбор цветовой палитры и создание 3D-изображений.
Еще одной удобной функцией является возможность синхронного перемещения выделенной области, детального изображения, участка сечения и изображения Фурье (рис.9).
"ФемтоСкан Онлайн" распознает изображения, полученные в других форматах, в том числе микроскопов других компаний, которые уже не выпускаются. Программа осуществляет допечатную подготовку и подготовку изображений: подсветку, настройку цветов и шрифтов, создание 3D-изображений и видео с полетом над поверхностью, стереорежим для 3D-изображений и многое другое [2–9].
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества №21-58-10005, РНФ (проект № 20-12-00389) и РФФИ (проект № 20-32-90036).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. Online software and visualization of nanoobjects in high-resolution microscopy. Nanoindustry, 11, 6 (85), (2018), 414–416.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I. FemtoScan Online software platform for biomedical applications and materials science // Medicine and high technologies, 2, (2018), 10–13.
Filonov A.S., Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online! Why? Nanoindustry, 84 (5), (2018), 339–342.
Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. Software FemtoScan Online. Nanoindustry, 2 (64), (2016), 42-46.
Электронный ресурс http://en.nanoscopy.ru/software/femtoscan_online/
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I. Scanning probe microscopy in solving problems of virology // Nanoindustriya. 13, 6 (100), (2020), 340–345.
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. The role of scanning probe microscopy in bacteria investigations and bioremediation, in: P.Singh, A.Kumar, A.Borthakur (Eds), Abatement of Environmental Pollutants: Trends and Strategies, Elsevier, (2020), pp. 287–312. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-818095-2.00014-X
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I. Experimental possibilities of bionanoscopy in solving practical problems of biology and medicine // Medicine and high technologies. 4, (2019), 15–18.
Shugunov L.Zh., Shugunov T.L., Yaminsky I.V. Choice of a method for processing the results of surface investigation by a scanning probe microscope FemtoScan Online // Nano- and microsystem technology. 22, 4, (2020), 190–193.
Отзывы читателей
