МЕДИЦИНСКИЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Применение сканирующей зондовой микроскопии для анализа медико-биологических объектов

*В.А. Быков, А.Н. Корнеев, В.К. Неволин, С.В. Селищев

*Государственный НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, Зеленоград, г. Москва
Московский институт электронной техники, Зеленоград, г. Москва

Вирусные инфекции, болезнетворные микроорганизмы, генетические болезни, механизмы лекарственных воздействий - проблемы, успешное решение которых требует разработки методов молекулярной диагностики с анализом реакций конкретных клеток, визуализацией белков, вирусов, отдельных молекул.

Современная медицина - это молекулярная диагностика, с одной стороны, и системный подход к конкретному организму с другой.

В настоящее время зондовая микроскопия становится одним из основных методов решения проблем молекулярной диагностики. С помощью атомно-силовых микроскопов задачи прямой визуализации ДНК, отдельных вирусов, белков, структуры и свойств клеточных мембран из категории высшего экспериментального искусства превращаются в рутинные.

Зондовая микроскопия относится к классическим методикам для изучения структурных особенностей строения и функционирования биообъектов на клеточном и макромолекулярном уровнях. С помощью зондовых микроскопов в настоящее время активно изучают “in situ” функционирование отдельных клеток, процессы взаимодействия живых клеток с вирусами, лекарствами, различными химическими препаратами, излучением, воздействиями звуковых волн, лазерного излучения, микроволн и т.д..

Многие клиники США, Франции, Германии, Италии уже используют зондовые микроскопы для диагностики онкологических заболеваний, СПИДа, определения типов вирусов, анализа микросрезов тканей, изучения проблем совместимости тканей, анализа глазных линз и многих других.

С конца 80-х годов, с одной стороны, многократно возрос спрос на нанометрологическое оборудование, в том числе и в микробиологии, а сдругой стороны прогресс в вычислительной технике (дешевые персональные компьютеры и программное обеспечение), пьезокерамике (высокоэффективная “жесткая керамика с малым гизтерезисом и крипом на основе окислов циркония, АЦП, малошумящие усилители, п/п лазеры на гетероструктурах, микромеханика) сделал возможным создание надежных портативных микроскопов атомного разрешения. Это т.н. сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ), в которых вместо электронного зонда (процедура формирования и управления которым и делает электронные микроскопы сложными и дорогими) используется сверхострые твердотельные сменные зонды в виде микрочипов, которые могут быть изготовлены тождественными друг другу с точностью до процента на микроэлектронных фабриках. Сканирование в СЗМ осуществляется пьезодвигателем с управлением от напряжения до 350 вольт.

В качестве твердого зонда в СЗМ может быть использована микробалка с острой иглой на свободном конце и позиционным датчиком перемещения балки (сканирующий силовой микроскоп), сверхострая проводящая игла (регистрация тока в системе игла-подложка – СТМ) или сходящийся световод с выходным диаметром до 10нм (Æ ~l/25, сканирующий близкооптический микроскоп - SNOM). С помощью этих приборов можно проводить измерение следующих метрологических характеристик:

• измерять размеры оболочек и анализировать свойства микрообразований на поверхности твердого тела в диапазоне от десятков микрон до долей нанометра с точностью лучшей 0.1%;
• исследовать упругость оболочек и, тем самым, получать информацию не только о форме, но и внутреннем строении объектов в т.ч. клеток (режим (dF/dZ)_{<F>=const(x,y)} или “простукивание” оболочки);
• получать изображения объектов в режимах с очень малым силовым воздействием на объект с силами до 10^-12Н, что позволяет получать практически неискаженную информацию о биообъектах и их функционировании;
• получать комплексную информацию о форме и люминесцентной способности поверхности, что позволяет однозначно определять природу неоднородностей (особенно важно для исследования органических и биоорганических соединений);
• измерять адгезионные свойства поверхностей (силы трения) в сканирующем режиме с точностью до 10^-9Н с пространственным разрешением в доли ангстрема;
• изучать пространственное распределение работы выхода поверхности с точностью до 1mV;
• изучать пространственное распределение магнитных и электрических силовых полей вблизи поверхности микрообъектов в том числе в водной субфазе;
• изучать пространственное распределение поверхностных состояний с разрешением в доли ангстрема;
• производить направленное изменение химической структуры и валентного состояния отдельных полимеров (в т.ч. регулярных), отдельных молекул;
• инициировать процессы адсорбции, десорбции, имплантации, полимеризации и деструкции зондом прибора (режим нанолитографа);
• измерять изменение оптических характеристик поверхности с разрешением до 10нм в плоскости образца и доли нанометра по высоте.