RU2716850C1

RU2716850C1 - Scanning probe of atomic-force microscope with separable remote-controlled nanocomposite radiating element doped with upconverting and magnetic nanoparticles of core-shell structure

Info

Publication number: RU2716850C1
Application number: RU2019123219A
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Линьков; Юрий Владимирович Линьков; Павел Владимирович Линьков
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2020-03-17

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to a measuring technique and can be used in atomic force microscopy for diagnosing nanoscale structures. Scanning probe comprises a cantilever connected to a probing needle which is inserted and rigidly fixed in one of the through nanopores of larger-diameter glass sphere with upconverting nanoparticles of the core-shell structure, and the probing needle point, which comes out of the larger-diameter glass sphere, is movably connected by means of two embedded carbon nanotubes with a detachable and autonomous functioning small diameter glass sphere with through nanopores filled with upconverting nanoparticles and magnetic nanoparticles. Remote control of excitation of upconverting nanoparticles of core-shell structure and their independent movement along coordinate Z during scanning of side walls of nanowells of a biological diagnostic object is carried out using two oppositely directed external excitation sources of upconverting nanoparticles and two external oppositely directed synchronized electromagnetic fields operating at selected wavelengths in the range of near infrared radiation.

EFFECT: possibility of scanning nanowells in coordinate Z, depth of which is tens of times greater than the length of the probing needle, with a combination of electromagnetic exposure with an optical wavelength on the walls of nanowells with simultaneous measurement of mechanical characteristics (Young's modulus) on this stimulating effect in one point of the surface of the diagnosed object with coordinates X, Y, without affecting adjacent sections.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.The invention relates to measuring technique and can be used in probe scanning microscopy and atomic force microscopy for the diagnosis and study of nanoscale structures.

Известен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с магнитопрозрачной зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной стеклянной сфере, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, вершина магнитопрозрачной зондирующей иглы соединена с магнитопрозрачной полимерной сферой с нанометровыми конусообразными порами наименьшего диаметра, которые заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП [1].A known probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure, comprising a two-layer carbon nanotube, a magnetically transparent cantilever with a magnetically transparent probe needle, inserted into a small diameter carbon nanotube that is embedded in a larger diameter nanotube the surface of which is fixed in a magnetically transparent glass sphere containing through nanometer pores of small and large diameter, filled respectively with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, the tip of the magnetically transparent probe needle is connected to a magnetically transparent polymer sphere with nanometer-sized conical pores of the smallest diameter, which are filled with quantum dots of the core-shell structure coated on the outside with a protective optically transparent magneto-transparent polymer source points, an external source of magnetic field in the form of a flat microcoil connected to the output of the DAC [1].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности, при сканировании боковых стенок наноколодцев, осуществлять возбуждение нанокомпозитного излучающего элемента наиболее безопасным для биотканей, ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки при диагностировании биологических объектов в оптическом диапазоне длин волн.A disadvantage of the known technical solution is the lack of the ability, when scanning the side walls of nanowells, to excite the nanocomposite emitting element with the most safe for biological tissues, near infrared radiation, which has the greatest penetration depth into biological tissue while measuring the mechanical reaction (elastic modulus) to this stimulating effect in one common point of the surface of the diagnostic object with the coordinates X, Y, without affecting neighboring areas during diagnosis The study of biological objects in the optical wavelength range.

Наиболее близким по технической сущности является сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий фиксированною магнитопрозрачную стеклянную сферу большего диаметра, размер который превышает диаметр исследуемого наноколодца и отделяемую магнитопрозрачную стеклянную сферу меньшего диаметра, размер которой меньше диаметра исследуемого наноколодца, двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с магнитопрозрачной зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сфере, малого диаметра содержащей сквозные нанометровые поры, из которых сквозные нанометровые поры большого диаметра, заполнены магнитными наночастицами с одинаковым направлением ориентации магнитных полюсов, а меньшего диаметра квантовыми точками структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой магнитопрозрачной зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующею скобу, на которой закреплены и направлены на центр отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы малого диаметра первый и второй внешние источники возбуждения квантовых точек, первый и второй внешние источники магнитного поля в виде первой и второй, плоских микрокатушек, размещенных на оптомагнитопрозрачных подложках и соединенных с выходами первого и второго ЦАП [2].The closest in technical essence is a scanning probe of an atomic force microscope with a separable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure, including a fixed magneto-transparent glass sphere of a larger diameter, the size of which is larger than the diameter of the nanoscale well and a detachable magnetically transparent glass diameter, the size of which is smaller than the diameter of the investigated nanowell, two-layer carbon nanotube, magnetically transparent cantilever with a magnetically transparent probe needle threaded into a small diameter carbon nanotube, which is embedded in a larger diameter nanotube, the outer surface of which is fixed in a detachable magnetically transparent glass sphere, of small diameter containing through nanometer pores, of which through nanometer pores of large diameter are filled nanoparticles with the same direction of orientation of the magnetic poles and smaller diameter quantum dots of the core-shell structure , on the outside, covered with a protective opto-magnetically transparent polymer layer, synchronized with a movable magneto-transparent probing needle, a C-shaped synchronously-centering bracket, on which the first and second external sources of excitation of quantum dots are fixed and directed to the center of the detachable magneto-transparent glass sphere of small diameter, the first and second external magnetic field sources in the form of the first and second, flat micro coils placed on opto-magnetically transparent substrates and connected to the outputs of the first and the second DAC [2].

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше решений заключается в том, что в сквозные нанометровые поры малого диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы введены апконвертирующие наночастицы, заменяющие квантовые точки, возбуждаемые ультрафиолетовым светом. Для возбуждения апконвертирующих наночастиц введены первый и второй внешние источники возбуждения апконвертирующих наночастиц, работающие на различных выделенных длинах волн в диапазоне ближнего инфракрасного света, что позволяет снизить или исключить радиационную нагрузку цитотоксичного ультрафиолетового излучения на исследуемые живые биологические клеточные культуры. Введение апконвертирующих наночастиц, возбуждаемых ближним инфракрасным светом, позволило увеличить глубину исследования наноколодцев до глубины 4-7 мм за счет минимального поглощения большинством биомолекул ближнего инфракрасного света в диапазоне длин волн от 700-1100 нм в «окне прозрачности» биоткани, а использование двунаправленного встречного возбуждения апконвертирующих наночастиц позволило увеличить глубину исследования изогнутых (волнообразных) наноколодцев в два раза, до 8-14 мм и уменьшить эффекты фотоповреждения биоткани. Это также позволило осуществить сканирование боковых стенок наноколодцев на разных длинах волн, полученных в результате антистоксового сдвига относительно различных выделенных длин волн возбуждения апконвертирующих наночастиц.The difference between the proposed technical solution and the above solutions is that up-converting nanoparticles are introduced into the through nanometer pores of a small diameter magnetically transparent glass sphere, replacing quantum dots excited by ultraviolet light. To excite the converting nanoparticles, the first and second external sources of excitation of the converting nanoparticles were introduced, operating at different selected wavelengths in the near infrared range, which allows reducing or eliminating the radiation load of cytotoxic ultraviolet radiation on the living biological cell cultures under study. The introduction of up-converting nanoparticles excited by near infrared light made it possible to increase the depth of research of nanowells to a depth of 4-7 mm due to the minimum absorption of near infrared light by most biomolecules in the wavelength range from 700-1100 nm in the transparency window of biological tissue, and the use of bidirectional counter-excitation upconverting nanoparticles allowed to increase the depth of study of curved (wave-like) nanowells twice, up to 8-14 mm and to reduce the effects of photodamage of biological tissue. This also made it possible to scan the side walls of the nanowells at different wavelengths obtained as a result of the anti-Stokes shift with respect to different isolated excitation wavelengths of the converting nanoparticles.

Техническим результатом является возможность при сканировании боковых стенок наноколодцев по координате Z осуществлять возбуждение нанокомпозитного излучающего элемента наиболее безопасным для биотканей, ближним инфракрасным излучением, обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткань с одновременным измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки при диагностировании биологических объектов в оптическом диапазоне длин волн.The technical result is the possibility, when scanning the side walls of nanowells along the Z coordinate, to excite the nanocomposite emitting element with the most safe for biological tissues, near infrared radiation, which has the greatest penetration depth into biological tissue while measuring the mechanical reaction (elastic modulus) to this stimulating effect at one common point on the surface diagnostic object with coordinates X, Y, without affecting neighboring areas when diagnosing biological objects in the optical wavelength range.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий фиксированною магнитопрозрачную стеклянную сферу большего диаметра, размер которой превышает диаметр исследуемого наноколодца и отделяемую магнитопрозрачную стеклянную сферу меньшего диаметра, размер которой меньше диаметра исследуемого наноколодца, двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с магнитопрозрачной зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотрубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сфере малого диаметра, содержащей сквозные нанометровые поры, из которых сквозные нанометровые поры большого диаметра заполнены магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, синхронизированную с перемещаемой магнитопрозрачной зондирующей иглой С-образную синхронно-центрирующею скобу, на которой закреплены и направлены на центр отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы малого диаметра первый и второй внешние источники магнитного поля в виде первой и второй плоских микрокатушек, размещенных на оптомагнитопрозрачных подложках и соединенных с выходами первого и второго ЦАП, апконвертирующие наночастицы структуры ядро-оболочка, диаметр которых меньше диаметра магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, первый и второй внешние источники возбуждения апконвертирующих наночастиц, излучающие различные выделенные длины волн в диапазоне ближнего инфракрасного излучения, закрепленные на противоположных сторонах С-образной синхронно-центрирующей скобы, оптические оси которых направлены на магнитопрозрачные стеклянные сферы малого диаметра и большего диаметра, сквозные нанометровые поры малого диаметра которых заполнены апконвертирующими наночастицами структуры ядро-оболочка, без выхода их оболочек за сферическую поверхность магнитопрозрачной стеклянной сферы малого диаметра и стеклянной сферы большего диаметра.The technical result of the proposed invention is achieved by a combination of essential features, namely: a scanning probe of an atomic force microscope with a separable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with inverting and magnetic nanoparticles of a core-shell structure, including a fixed magneto-transparent glass sphere of larger diameter, the size of which exceeds the diameter of the studied nanowell and detachable magneto-transparent glass sphere of smaller diameter, the size of which is smaller diameter of the studied nanowell, a two-layer carbon nanotube, magnetically transparent cantilever with a magnetically transparent probe needle threaded into a carbon nanotube of small diameter, which is embedded in a larger diameter nanotube, the outer surface of which is fixed in a detachable magneto-transparent glass sphere of small diameter, which contains through nanometer-sized nanometer pores pores of large diameter are filled with magnetic nanoparticles of the core-shell structure, coated externally with a protective a magnetically transparent polymer layer synchronized with a movable magneto-transparent probe needle a C-shaped synchronously centering bracket on which the first and second external magnetic field sources are fixed and directed to the center of a detachable magneto-transparent glass sphere of small diameter in the form of first and second flat microcoils placed on opto-magnetically transparent substrates and connected to the outputs of the first and second DACs, up-converting nanoparticles of the core-shell structure, the diameter of which is less than the diameter magnetic nanoparticles of the core-shell structure, the first and second external sources of excitation of the converting nanoparticles emitting various selected wavelengths in the near infrared range, mounted on opposite sides of the C-shaped synchronously centering bracket, the optical axes of which are directed to magnetically transparent glass spheres of small diameter and of larger diameter, through nanometer-sized pores of small diameter which are filled with up-converting nanoparticles of the core-shell structure, without their exit shells for the spherical surface of a magnetically transparent glass sphere of small diameter and a glass sphere of larger diameter.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 3 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе в период автономного функционирования отделяемого телеуправляемого нанокомпозитного излучающего элемента сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.The invention is illustrated in FIG. 1, where a scanning probe of an atomic force microscope is presented with a separable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with upconverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure. In FIG. Figure 2 shows an extension element A (10: 1) on an enlarged scale and in section, illustrating the construction of a scanning probe of an atomic force microscope with a separable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with upconverting and magnetic nanoparticles of a core-shell structure. In FIG. Figure 3 shows the extension element A (10: 1) on an enlarged scale and in section during the autonomous operation of a detachable telecontrolled nanocomposite emitting element of a scanning probe of an atomic force microscope with a separable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with inverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка фиг. 1 включает магнитопрозрачный кантилевер 1, соединенный с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, с жестко закрепленной на ней магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 большего диаметра со сквозными нанометровыми порами 4 малого диаметра, заполненными апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка, двухслойную углеродную нанотрубку 6, состоящею из вложенной одна в другую внутреннею углеродную нанотрубку малого диаметра 7, и внешнею углеродную нанотрубку большего диаметра 8, отделяемую магнитопрозрачную стеклянную сферу 9 меньшего диаметра со сквозными нанометровыми порами 4 малого диаметра, и со сквозными нанометровыми порами 10 большого диаметра, заполненные соответственно апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка и магнитными наночастицами 11 структуры ядро-оболочка, первую плоскую 12 микрокатушку, вторую плоскую 13 микрокатушку, первый цифро-аналоговой преобразователь (ЦАП) 14, второй цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 15, первый внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 16, второй внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 17, С-образную синхронно-центрирующею магнитопрозрачную скобу 18. Также на фиг. 1 представлена оптомагнитопрозрачная подложка 19 с размещенным на ней диагностируемым объектом 20, содержащим наноколодцы заполненные жидкостью, в момент соприкосновения верхней части наноколодца с магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 большего диаметра. Элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2. Элементы 1, 2, 3, 5, 7, 8, 9, 11, 19, 20 приведены на фиг. 3.A scanning probe of an atomic force microscope with a separable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with upconverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure of FIG. 1 includes a magnetically transparent cantilever 1 connected to a magnetically transparent probing needle 2, with a magnetically transparent glass sphere 3 of a larger diameter rigidly fixed thereon with through nanometer pores 4 of small diameter filled with inverting nanoparticles 5 of a core-shell structure, a two-layer carbon nanotube 6 consisting of into another inner carbon nanotube of small diameter 7, and an outer carbon nanotube of larger diameter 8, a detachable magnetically transparent glass sphere 9 of smaller diameter with through nanometer pores 4 small diameters, and with through nanometer pores 10 large diameters, respectively filled with up-converting nanoparticles 5 of the core-shell structure and magnetic nanoparticles of 11 core-shell structure, the first flat 12 microcoil, the second flat 13 microcoil, the first digital-analog converter (DAC) 14, the second digital-to-analog converter (DAC) 15, the first external excitation source of the converting nanoparticles 16, the second external excitation source of the converting nanoparticles 17, a C-shaped synchronously centering magnetically transparent bracket 18. Also in FIG. 1 shows an opto-magnetically transparent substrate 19 with a diagnosed object 20 placed on it, containing nanowells filled with liquid, at the moment of contact of the upper part of the nanowell with a magnetically transparent glass sphere 3 of larger diameter. Elements 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 are shown on an enlarged scale in FIG. 2. Elements 1, 2, 3, 5, 7, 8, 9, 11, 19, 20 are shown in FIG. 3.

С помощью С-образной синхронно-центрирующей скобы 18, осуществляется синхронное перемещение кантилевера 1 с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 по координатам X, Y и первой плоской микрокатушки 12 синхронно со второй плоской микрокатушкой 13, которые жестко закреплены и выставлены параллельно друг другу с юстировкой их центров по одной оси, проходящей через центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 большего диаметра. Первый 16 и второй 17 источники возбуждения апконвертирующих наночастиц закреплены на противоположных сторонах С-образной синхронно-центрирующей скобы 18 с направлением их оптических осей на магнитопрозрачную стеклянную сферу 3 большего диаметра и магнитопрозрачную стеклянную сферу 9 меньшего диаметра для возбуждения апконвертирующих наночастиц 5, перемещаемых с помощью магнитного поля в исследуемой зоне по координате Z.Using a C-shaped synchronously centering bracket 18, the cantilever 1 is synchronously moved with the magnetically transparent probe needle 2 along the X, Y coordinates and the first flat micro coil 12 in synchronization with the second flat micro coil 13, which are rigidly fixed and aligned parallel to each other with the alignment of their centers along one axis passing through the center of the magnetically transparent glass sphere 3 of larger diameter. The first 16 and second 17 sources of excitation of the converting nanoparticles are fixed on opposite sides of the C-shaped synchronously centering bracket 18 with the direction of their optical axes to the magnetically transparent glass sphere 3 of larger diameter and the magnetically transparent glass sphere 9 of smaller diameter to excite the converting nanoparticles 5, which are moved using magnetic fields in the studied area along the Z coordinate.

Первый внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 осуществляет возбуждение апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 5, расположенных в верхней полусфере магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра. Второй внешний источник возбуждения апконвертирующих наночастиц 17 осуществляет возбуждение апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 5, расположенных на нижней полусфере магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра. Первый 16 и второй 17, встречно направленные внешние источники возбуждения апконвертирующих наночастиц, через биоткань осуществляют возбуждение апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка на длинах волн 800-1100 нм и глубинах до 8-14 мм (проникновение на 4-7 мм. с каждого направления). Для возбуждения апконвертирующих наночастиц могут быть использованы лазерные диоды с гауссовым профилем распределения интенсивности пучка (одномодовые лазерные диоды) и выделенными длинами волн λ₁ и λ₂, например, 975 нм и 808 нм и с плотностью мощности излучения (около 0.5 Вт см²) допустимой для работы с живой биотканью (in vivo).The first external excitation source of the converting nanoparticles 16 excites the converting nanoparticles of the core-shell structure 5 located in the upper hemisphere of the magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter. The second external source of excitation of the converting nanoparticles 17 excites the converting nanoparticles of the core-shell structure 5 located on the lower hemisphere of the magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter. The first 16 and second 17, counter-directional external sources of excitation of the converting nanoparticles, excite the converting nanoparticles of the 5 core-shell structure at wavelengths of 800-1100 nm and depths of 8-14 mm (penetration of 4-7 mm from each direction) through biotissue ) To excite the converting nanoparticles, laser diodes can be used with a Gaussian beam intensity distribution profile (single-mode laser diodes) and selected wavelengths λ ₁ and λ ₂ , for example, 975 nm and 808 nm and with a radiation power density (about 0.5 W cm ² ) permissible for work with live biological tissue (in vivo).

В зависимости от программы исследований и для определения механической реакции (модуля упругости) на определенной глубине погружения, временные комбинации импульсов возбуждений с длиной волны λ₁ или λ₂, воздействующие на апконвертирующие наночастицы структуры ядро-оболочка 5, расположенные в верхней или в нижней полусфере, могут генерироваться одновременно или раздельно, по мере перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра по наноколодцу, сканируя его боковую стенку длинной волны λ₃.Depending on the research program and for determining the mechanical reaction (elastic modulus) at a certain depth of immersion, temporary combinations of excitation pulses with a wavelength of λ ₁ or λ ₂ affecting upconverting nanoparticles of the core-shell structure 5 located in the upper or lower hemisphere, can be generated simultaneously or separately, as the magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter moves along the nanowell, scanning its side wall of the long wavelength λ ₃ .

Элементы 1, 2, 3, 9, 18 выполнены магнитопрозрачными, что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Сквозные нанометровые поры 4 малого диаметра заполнены апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка. Сквозные нанометровые поры большого 10 диаметра заполнены магнитными 11 наночастицами структуры ядро-оболочка. Ядро каждой магнитной наночастицы 11 структуры ядро-оболочка состоит из магнитожесткого материала, а внешняя оболочка сформирована из магнитомягкого материала. Дистанционное управление траекторией и скоростью реверсивного перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра по наноколодцу объекта диагностирования 20 осуществляется за счет взаимодействия постоянного магнитного поля магнитных 11 наночастиц структуры ядро-оболочка с изменяющимся (по величине и вектору направления) магнитным полем, создаваемым первой плоской 12 и второй плоской 13 микрокатушками, состоящими из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых соединены соответственно с выходами первого ЦАП 14 и второго ЦАП 15. Тип используемых первого ЦАП 14 и второго ЦАП 15 (их разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований.Elements 1, 2, 3, 9, 18 are magnetically transparent, which is achieved by the absence of ferromagnetic impurities in their structures. The through nanometer pores 4 of small diameter are filled with up-converting nanoparticles 5 of the core-shell structure. The through nanometer pores of a large 10 diameter are filled with 11 magnetic nanoparticles of the core-shell structure. The core of each magnetic nanoparticle 11 of the core-shell structure consists of a magnetically rigid material, and the outer shell is formed of a soft magnetic material. Remote control of the trajectory and speed of the reverse movement of a magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter along the nanowell of the diagnostic object 20 is carried out due to the interaction of a constant magnetic field of magnetic 11 nanoparticles of the core-shell structure with a changing (in magnitude and direction vector) magnetic field created by the first plane 12 and second flat 13 micro-coils, consisting of one or more spiral-shaped turns, the conclusions of which are connected respectively to the outputs of the first DAC 14 and the second DAC 15. The type of the first DAC 14 and the second DAC 15 used (their capacity and speed) is determined by the range of diagnostic tests.

Отделяемая магнитопрозрачная стеклянная сфера 9 малого диаметра (фиг. 2) соединена с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 через двухслойную углеродную нанотрубку 6 структуры типа «русская матрешка» (russian dolls), представляющую совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных углеродных нанотрубок 7 и 8 с расстоянием между соседними графитовыми слоями (межтрубочное расстояние), близким к величине (приближенно равным) 0,34 нм, при котором силы Ван-дер-Ваальса минимальны. Вложенные одна в другую однослойные углеродные нанотрубоки 7, 8 образуют наноподшипник скольжения для перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра по магнитопрозрачной зондирующей 2 игле с минимальным трением. Внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра 7 соединена с поверхностью магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, а внешняя поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 8 продета и закреплена в одной из сквозных нанометровых пор малого диаметра 4 отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 9, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем.A detachable magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter (Fig. 2) is connected to a magnetically transparent probe needle 2 through a two-layer carbon nanotube 6 of the Russian dolls type structure, which is a collection of single-layer carbon nanotubes 7 and 8 coaxially inserted into each other with a distance between neighboring graphite layers (inter-tube distance) close to (approximately equal) 0.34 nm, at which the van der Waals forces are minimal. Single-walled carbon nanotubes 7, 8 inserted into one another form a sliding nanosized bearing to move a magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter along a magnetically transparent probe 2 needle with minimal friction. The inner surface of the embedded carbon nanotube of small diameter 7 is connected to the surface of the magnetically transparent probing needle 2, and the outer surface of the outer carbon nanotube of larger diameter 8 is threaded and fixed in one of the through nanometer pores of small diameter 4 of the detachable magnetically transparent glass sphere 9, covered with a protective optically magnetically transparent polymer layer.

Минимальный диаметр магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра определяется минимальным количеством легированных в нее апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка и магнитных наночастиц 11 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 20. Стрелками указываются направления возбуждающего λ₁, λ₂ ближнего инфракрасного излучения и преобразованного λ₃ по длине волны излучения, где λ₁ и λ₂ - длины волн внешних электромагнитных излучений для возбуждения апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 5, вызывающих их флуоресценцию, λ₃ - длина волны флуоресценции апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 5, смещенных на антистоксовый сдвиг относительно длины волны λ₁ или λ₂. Стрелками с символом

и

(первый и второй векторы магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешних магнитных полей, создаваемых первой плоской 12 и второй плоской 13 микрокатушками. Внешнее магнитное поле осуществляет притяжение или отталкивание магнитных 11 наночастиц структуры ядро-оболочка, закрепленных в корпусе магнотопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра, которая в свою очередь перемещает закрепленные в ней апконвертирующие наночастицы 5 структуры ядро-оболочка, при взаимодействии разнополярных или однополярных магнитных полей. Двунаправленной стрелкой с символом ΔZ показан примерный диапазон сканирования боковых стенок наноколодцев по координате Z объекта диагностирования 20. Размер диаметра отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра должен быть меньше наименьшего сужения диаметра наноколодца для свободного перемещения по нему, а диаметр стеклянной фиксированной сферы 3 большего диаметра должен быть больше наибольшего диаметра устья исследуемого наноколодца для исключения ошибок при проведении измерения модуля Юнга.The minimum diameter of a magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter is determined by the minimum number of up-converting nanoparticles 5 of the core-shell structure and magnetic nanoparticles 11 of the core-shell structure doped into it, which together form a nanocomposite emitting element, the electromagnetic radiation parameters of which are determined by the class of the object being diagnosed 20. The arrows indicate the directions exciting λ ₁ , λ ₂ near infrared radiation and converted λ ₃ along the radiation wavelength, where λ ₁ and λ ₂ are the wavelengths of external electromagnetic radiation for excitation of the converting nanoparticles of the core-shell 5 structure causing their fluorescence, λ ₃ is the fluorescence wavelength of the converting nanoparticles of the core-shell 5 structure shifted by the anti-Stokes shift relative to the wavelength λ ₁ or λ ₂ . Arrows with a symbol

and

(the first and second magnetic induction vectors) shows the direction of the magnetic lines of force of the external magnetic fields generated by the first flat 12 and second flat 13 microcoils. An external magnetic field attracts or repels magnetic 11 nanoparticles of the core-shell structure, which are fixed in the casing of a magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter, which in turn moves the inverting nanoparticles 5 of the core-shell structure fixed in it during the interaction of bipolar or unipolar magnetic fields. The bidirectional arrow with the ΔZ symbol shows the approximate scanning range of the side walls of the nanowells along the Z coordinate of the diagnostic object 20. The diameter of the detachable magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter should be less than the smallest narrowing of the diameter of the nanowell for free movement along it, and the diameter of the glass fixed sphere 3 of larger diameter should be larger than the largest diameter of the mouth of the investigated nanowell to eliminate errors when measuring Young's modulus.

Сверхконвертирующая флуоресценция относится к процессу антистоксового типа, в котором последовательное поглощение двух и более фотонов приводит к излучению света λ₃ с более короткой длиной волны, чем длина волны возбуждения λ₁ или λ₂. Длина волны поглощения λ₁ или λ₂ каждой апконвертирующей наночастицы 5 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ₃ каждой апконвертирующей наночастицы 5 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром, сочетанием материала ядра и материала оболочки, их составом, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой апконвертирующей наночастицы структуры ядро-оболочка. Длина волны электромагнитного излучения апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка 5, направленная на объект диагностирования, может находиться как в видимом диапазоне (400-700 нм), так и за его пределами, в ультрафиолетовой (200-400 нм) или ближней инфракрасной (700-1000 нм) зоне флуоресцентного излучения, в зависимости от антистоксового сдвига относительно длины волны возбуждения.Superconverting fluorescence refers to an anti-Stokes type process in which the sequential absorption of two or more photons results in light emission λ ₃ with a shorter wavelength than the excitation wavelength λ ₁ or λ ₂ . The absorption wavelength λ ₁ or λ _{2 of} each up-converting nanoparticle 5 of the core-shell structure and the radiation wavelength λ _{3 of} each up-converting nanoparticle 5 of the core-shell structure is determined by its diameter, the combination of core material and shell material, their composition, and the transmission spectrum of the protective transparent polymer film and manufacturing technology of the most converting nanoparticles of the core-shell structure. The wavelength of electromagnetic radiation of upconverting nanoparticles of the core-shell structure 5, aimed at the object of diagnosis, can be both in the visible range (400-700 nm), and beyond, in the ultraviolet (200-400 nm) or near infrared (700- 1000 nm) zone of fluorescence radiation, depending on the anti-Stokes shift relative to the excitation wavelength.

Для реализации изобретения могут быть использованы, например известные технологии изготовления апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка, повышающие конверсионные свойства композиции, имеющие кубическую структуру (α) или гексагональную структуру (β), композиции α-NaYF₄: Yb, Er @ CaF₂. Рекомендуемый размер ядра - от 2 до 80 нм, а оболочка - толщиной от 2 до 40 нм. В качестве оболочки могут быть использованы другие материалы, улучшающие преобразовательные функции наночастиц, включающие в себя NaYF₄ (α или β), CaF₂, LiYF₄, NaGdF₄, NaScF₄, NaYbF₄, NaLaF₄, LaF₃, GdF₃, GdOF, La₂O₃, Lu₂O₃, Y₂O₃, Y₂O₂S, YbF₃, YF₃, KYF₄, KGdF₄, BaYF₅, BaGdF₅, NaLuF₄, KLuF₄ и BaLuF₅, но не ограничиваться ими. Сочетание компонентов и процентное содержание определяет интенсивность излучения тех или иных пиков в оптическом диапазоне от ультрафиолетового до красной области спектра, генерируемых апконвертирующими наночастицами [3].For the implementation of the invention can be used, for example, well-known manufacturing techniques of up-converting nanoparticles of the core-shell structure, increasing the conversion properties of the composition having a cubic structure (α) or hexagonal structure (β), α-NaYF ₄ composition: Yb, Er @ CaF ₂ . The recommended core size is from 2 to 80 nm, and the shell is from 2 to 40 nm thick. As a shell, other materials can be used that improve the conversion functions of nanoparticles, including NaYF ₄ (α or β), CaF ₂ , LiYF ₄ , NaGdF ₄ , NaScF ₄ , NaYbF ₄ , NaLaF ₄ , LaF ₃ , GdF ₃ , GdOF , La ₂ O ₃ , Lu ₂ O ₃ , Y ₂ O ₃ , Y ₂ O ₂ S, YbF ₃ , YF ₃ , KYF ₄ , KGdF ₄ , BaYF ₅ , BaGdF ₅ , NaLuF ₄ , KLuF ₄ and BaLuF ₅ , but not limited to them. The combination of components and percentage determines the radiation intensity of certain peaks in the optical range from the ultraviolet to the red region of the spectrum generated by up-converting nanoparticles [3].

В качестве дополнительной оболочки при синтезе апконвертирующих наночастиц структуры ядро-оболочка также может быть использован диоксид титана TiO₂, который наносится на ядро апконвертирующей наночастицы (TiO₂ coated NaYF₄:Yb, Tm @ SiO₂), в зависимости от процентного сочетания компонентов длина волны излучения может находиться в диапазоне от 330 нм до 675 нм [4].As an additional shell in the synthesis of up-converting nanoparticles of the core-shell structure, titanium dioxide TiO ₂ can also be used, which is deposited on the core of the up-converting nanoparticle (TiO ₂ coated NaYF ₄ : Yb, Tm @ SiO ₂ ), depending on the percentage combination of components, wavelength radiation can be in the range from 330 nm to 675 nm [4].

Также для получения апконвертирующих наночастиц может быть использован известный способ синтеза биосовместимых апконвертирующих наночастиц α-NaYF₄: Yb, Tm @ CaF₂ в одном реакционном сосуде (в трехгорлой реакционной колбе) [5], [6].Also, for the preparation of up-converting nanoparticles, a known method for the synthesis of biocompatible up-converting nanoparticles of α-NaYF ₄ : Yb, Tm @ CaF ₂ in one reaction vessel (in a three-necked reaction flask) can be used [5], [6].

Ферромагнитное ядро магнитной наночастицы 11 структуры ядро-оболочка может, например, включать по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe, Со, Ni, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, MnBi, MnSb, MnOFe₂O₃, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt или их комбинации, но не ограничивается ими. Размер ядра одной магнитной наночастицы 11 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) магнитной наночастицы 11 структуры ядро-оболочка сформирована из магнитомягкого или суперпарамагнитного материала, например, может включать, по меньшей мере один материал, выбранный из групп, состоящих из Fe₃O₄, FeO, CoFe₂O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O₄, ZnMnFe₂O₄, или их комбинации, но не ограничивается ими. Внешняя оболочка может иметь толщину в диапазоне от 0,5 нм до 3 нм. Внешняя оболочка защищает ядро от окисления и повышает магнитные свойства магнитной наночастицы 11 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что, в свою очередь, защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 20 при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра. Для осуществления изобретения могут быть использованы, например, известные технологии изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка [7, 8, 9].The ferromagnetic core of a magnetic nanoparticle 11 of the core-shell structure may, for example, include at least one material selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, FeOFe ₂ O ₃ , NiOFe ₂ O ₃ , CuOFe ₂ O ₃ , MgOFe ₂ O ₃ , MnBi, MnSb, MnOFe ₂ O ₃ , CrO ₂ , MnAs, SmCo, FePt, or combinations thereof, but not limited to. The core size of one magnetic nanoparticle 11 of the core-shell structure can vary from 3 nm to 20 nm. The outer shell (surrounding the magnetic core) of the magnetic nanoparticle 11 of the core-shell structure is formed from a soft magnetic or superparamagnetic material, for example, may include at least one material selected from the groups consisting of Fe ₃ O ₄ , FeO, CoFe ₂ O ₄ , MnFe ₂ O ₄ , NiFe ₂ O ₄ , ZnMnFe ₂ O ₄ , or combinations thereof, but not limited to. The outer shell may have a thickness in the range from 0.5 nm to 3 nm. The outer shell protects the core from oxidation and increases the magnetic properties of the magnetic nanoparticle 11 of the core-shell structure and can be covered by an additional biocompatible shell, which, in turn, protects the studied biological diagnosed object 20 with partial damage to the general protective shell of the magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter. For the implementation of the invention can be used, for example, well-known manufacturing techniques of magnetic nanoparticles of the core-shell structure [7, 8, 9].

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра магнитными 11 наночастицами структуры ядро-оболочка и апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения магнитных 11 наночастиц структуры ядро-оболочка в сквозные нанометровые поры 10 большего диаметра и, затем, за счет проникновения апконвертирующих наночастиц 5 структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными сквозные нанометровые поры малого 4 диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра и фиксированной магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 большего диаметра. Например, аналогично процессу легирования по технологии известного метода за счет погружения элемента из стекла с нанометровыми порами в раствор из двух или более квантовых точек с последующей сушкой на воздухе и заполнением оставшихся между квантовыми точками пустот смолой [10].The manufacture of the emitting element is carried out by doping a magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter with magnetic 11 nanoparticles of the core-shell structure and up-converting nanoparticles of the 5 core-shell structure and is performed due to the penetration of magnetic 11 nanoparticles of the core-shell structure into the through nanometer pores 10 of larger diameter and, then, due to the penetration of up-converting nanoparticles of the 5th core-shell structure into the remaining empty through-hole nanometer pores of small 4 diameters are magnetically transparent glass sphere 9 and a small diameter fixed magnitoprozrachnoy glass sphere 3 of larger diameter. For example, it is similar to the doping process according to the known method technology by immersing an element of glass with nanometer pores in a solution of two or more quantum dots, followed by drying in air and filling the voids remaining between the quantum dots with resin [10].

Вершина магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволки [11].The top of the magnetically transparent probe needle 2 can be realized, for example, by the well-known technology of growing metal probes for atomic force microscopes from a nanowire [11].

Многослойная углеродная нанотрубка 6 состоящая из однослойной нанотрубки 7 малого диаметра вложенной в однослойную нанотрубку большего диаметра 8 (в совокупности, используемые в качестве наноподшипника скольжения), может быть соединена с магнитопрозрачной зондирующей иглой при помощи атомно-силового микроскопа или изготовлена выращиванием на магнитопрозрачной зондирующей игле 2 при помощи известной технологии выращивания многослойной углеродной нанотрубки (используемой в качестве наноподшипника) непосредственно на оси вращения ротора НЭМС (нано электромеханической системы) электродвигателя или гироскопа с наружным диаметром внешней углеродной нанотрубки от 10 нм [12].A multilayer carbon nanotube 6 consisting of a single-walled nanotube 7 of small diameter embedded in a single-walled nanotube of larger diameter 8 (collectively used as a sliding nanoparticle) can be connected to a magnetically transparent probe using an atomic force microscope or made by growing on a magnetically transparent probe 2 using the well-known technology for growing a multilayer carbon nanotube (used as a nanoship) directly on the axis of rotation ora NEMS (nano-electromechanical systems) or Gyro motor with an outer diameter of the outer carbon nanotubes 10 nm [12].

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицими структуры ядро-оболочка работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 с жестко закрепленной на ней магнитопрозрачной стеклянной сферой 3 подводится к объекту диагностирования 20, расположенному на оптомагнитопрозрачной подложке 19, и надавливает на поверхность у входа в устье наноколодца объекта диагностирования 20 (фиг. 2), получая данные об упругих свойствах (механических характеристиках) элемента объекта диагностирования 20, до включения и после включения первого внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 с длиной волны λ₁ или включения и выключения второго внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 17 с длиной волны λ₂. В результате апконвертирующие наночастицы 5 структуры ядро-оболочка возбуждают поверхность наноколодца диагностируемого объекта 20 излучением длинной волны λ₃, определенной в зависимости от выбранного материала апконвертирующей наночастицы 5 структуры ядро-оболочка и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки и антистоксовому сдвигу относительно λ₁ или λ₂. В зависимости от программы проводимых исследований, диагностирование может проходить как в непрерывном режиме люминесценции, так и в импульсном режиме флуоресценции (т.е. освещение локального участка объекта диагностирования только излучением λ₃ апконвертирующих наночастиц 5 в интервале, равному времени их флуоресценции, после выключения первого внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 16 или второго внешнего источника возбуждения апконвертирующих наночастиц 17 с целью исключения посторонних засветок и помех).The scanning probe of an atomic force microscope with a separable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with upconverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure operates as follows: a magnetically transparent cantilever 1 with a magnetically transparent probe needle 2 with a magnetically transparent glass sphere 3 fixed to it; on an opto-magnetically transparent substrate 19, and presses on the surface at the entrance to the mouth of the nanowell of the diagnostic object I 20 (Fig. 2), receiving data on the elastic properties (mechanical characteristics) of the element of the diagnostic object 20, before and after turning on the first external source of excitation of the inverting nanoparticles 16 with a wavelength of λ ₁ or turning on and off the second external source of excitation of the inverting nanoparticles 17 with a wavelength of λ ₂ . As a result, upconverting nanoparticles 5 of the core-shell structure excite the surface of the nanowell of the diagnosed object 20 by long-wavelength radiation λ ₃ determined depending on the selected material of the up-converting nanoparticle 5 of the core-shell structure and the ratio of the diameter of the core to the thickness of its surrounding shell and anti-Stokes shift relative to λ ₁ or λ ₂ . Depending on the research program, the diagnostics can take place both in the continuous luminescence mode and in the pulsed fluorescence mode (i.e., illumination of the local part of the diagnostic object only with λ ₃ radiation _of upconverting nanoparticles 5 in the interval equal to the time of their fluorescence after turning off the first an external source of excitation of the converting nanoparticles 16 or a second external source of excitation of the converting nanoparticles 17 in order to exclude extraneous light and interference).

Одновременно на вход первого ЦАП 14 подается двоичный код, который в зависимости от выбранной программы исследований, определяет форму и частоту повторения электрического сигнала, поступающего на обмотку первой плоской 12 микрокатушки, создающей внешнее управляющее магнитное поле

направленное на центр перемещаемой по координате Z отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра. Магнитные полюса всех магнитных 11 наночастиц структуры ядро-оболочка постоянно ориентированы параллельно магнитопрозрачной зондирующей игле 2 и в совокупности образуют структуру со свойствами постоянного магнита.At the same time, a binary code is supplied to the input of the first DAC 14, which, depending on the chosen research program, determines the shape and repetition frequency of the electric signal fed to the winding of the first flat 12 microcoil, which creates an external control magnetic field

directed to the center of the detachable magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter moved along the Z coordinate. The magnetic poles of all magnetic 11 nanoparticles of the core-shell structure are constantly oriented parallel to the magnetically transparent probe needle 2 and together form a structure with the properties of a permanent magnet.

Под действием электрических управляющих сигналов с выхода первого ЦАП 14 и второго ЦАП 15 (например, чередующихся импульсов с положительной и отрицательной полярностью, различной амплитудой и длительностью) первая плоская 12 микрокатушка и вторая 13 плоская микрокатушка создают внешнее магнитное поле с той или иной величиной и направлением магнитных силовых линий, в соответствии с направлением которых при взаимодействии постоянного магнитного поля магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра с переменным магнитным полем, создаваемым первой 12 и второй 13 плоскими микрокатушками в диапазоне ΔZ, происходит последовательное перемещение магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра с апконвертирующими наночастицами 5 структуры ядро-оболочка вниз или вверх по координате Z параллельно сканируемой боковой стенки наноколодца объекта диагностирования 20. При диагностировании глубоких наноколодцев, глубина которых больше длины магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 (возможно в десятки раз), на вход второго ЦАП 17 подается код, который увеличивает ток, проходящий по обмотке второй плоской микрокатушки 13, которая, в свою очередь, увеличивает силу притяжения магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка 11, размещенных в магнитопрозрачной стеклянной сфере 9 малого диаметра. В результате магнитопрозрачная стеклянная сфера 9 малого диаметра соскальзывает с магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 и начинает погружаться на дно наноколодца (фиг. 3) одного из элементов объекта диагностирования 20. Скорость сканирования стенок наноколодца определяется скоростью изменения двоичного кода, поступающего на вход первого ЦАП 14 и второго 15 ЦАП. В режиме «погружение» (фиг. 3) первая плоская микрокатушка 12 создает поле

и осуществляет функции торможения или подталкивания магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра (в зависимости от полярности сигналов подаваемых на первую микрокатушку 12, она создает магнитное поле, которое притягивает или отталкивает магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка 11, расположенные в отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сфере 9 малого диаметра), а вторая микрокатушка 13 осуществляет функции стаскивания отделяемой магнитопрозрачной стеклянной сферы 9 малого диаметра с магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, при выполнении условия

В зависимости от сочетаний комбинаций включений и выключений первого 16 и второго 17 внешних источников возбуждения апконвертирующих наночастиц на разных участках сканирования осуществляется сканирование разными длинами волн λ₃, сформированными в зависимости от антистоксового сдвига относительно различных выделенных длин волн λ₁ и λ₂. При обратном сканировании (в режиме «всплытие») соотношение величин

и

меняются местами

И магнитопрозрачная стеклянная сфера 9 малого диаметра, пристыковавшись, занимает исходное положение на вершине магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, (если по программе исследований требуется ее возвращение). После этого осуществляется переход к исследованию следующего наноколодца.Under the influence of electrical control signals from the output of the first DAC 14 and the second DAC 15 (for example, alternating pulses with positive and negative polarity, different amplitude and duration), the first flat 12 microcoil and the second 13 flat microcoil create an external magnetic field with one or another magnitude and direction magnetic lines of force, in accordance with the direction of which, in the interaction of a constant magnetic field of a magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter with an alternating magnetic field, creates When the first 12 and second 13 flat microcoils in the ΔZ range are used, a small-diameter magneto-transparent glass sphere 9 is moving sequentially with up-converting nanoparticles 5 of the core-shell structure down or up along the Z coordinate of the parallel-scanned side wall of the nanometer well of the diagnostic object 20. When diagnosing deep nanowells, the depth which is longer than the length of the magnetically transparent probe needle 2 (possibly tens of times), a code is supplied to the input of the second DAC 17, which increases the current passing through skein of the second flat microcoil 13, which, in turn, increases the attractive force of magnetic nanoparticles of the core-shell structure 11, placed in a magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter. As a result, a magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter slides off the magnetically transparent probe needle 2 and begins to sink to the bottom of the nanowell (Fig. 3) of one of the elements of the diagnostic object 20. The scanning speed of the walls of the nanowell is determined by the rate of change of the binary code supplied to the input of the first DAC 14 and second 15 DACs. In the "immersion" mode (Fig. 3), the first flat micro coil 12 creates a field

and performs the functions of braking or pushing a magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter (depending on the polarity of the signals supplied to the first microcoil 12, it creates a magnetic field that attracts or repels magnetic nanoparticles of the core-shell structure 11 located in a detachable magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter ), and the second microcoil 13 carries out the functions of pulling off a detachable magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter from a magnetically transparent probe needle 2, p and the condition

Depending on combinations of on and off combinations of the first 16 and second 17 external excitation sources of the converting nanoparticles, different wavelengths λ ₃ are generated at different scan sites, which are formed depending on the anti-Stokes shift with respect to different distinguished wavelengths λ ₁ and λ ₂ . During reverse scanning (in the “ascent” mode), the ratio of values

and

swap places

And the magnetically transparent glass sphere 9 of small diameter, docked, occupies the initial position on top of the magnetically transparent probe needle 2 (if the research program requires its return). After this, a transition to the study of the next nanowell is carried out.

Предложенная конструкция сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с разделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным апконвертирующими и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения величины модуля Юнга (модуля упругости) на поверхности объекта диагностирования, в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения и магнитного поля на каждый наноколодец с координатами X, Y, непосредственно расположенный под вершиной магнитопрозрачной иглы и получить дополнительную информацию при сканировании по координате Z наноколодцев, глубинны которых в десятки раз больше длины магнитопрозрачной зондирующей иглы. Возможность осуществления возбуждения отделяемого нанокомпозитного излучающего элемента, состоящего из апконвертирующих и магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, наиболее безопасным ближним инфракрасным излучением обладающим наибольшей глубиной проникновения в биоткани при сканировании боковых стенок наноколодцев, диагностируемых биологических объектов, позволило исследовать живые наноструктуры на глубинах в десятки раз больших длины магнитопрозрачной зондирующей иглы, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.The proposed design of a scanning probe of an atomic force microscope with a separable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with upconverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure also provides the ability to measure the topological distribution of the Young's modulus (elastic modulus) on the surface when scanning the surface of a diagnostic object with an atomic force microscope object of diagnosis, depending on the stimulating effect of a certain length olny electromagnetic radiation and magnetic field on each nanokolodets with coordinates X, Y, located directly under the top magnitoprozrachnoy needle and to receive additional information when scanning the coordinate Z nanokolodtsev whose depth is ten times greater than the length magnitoprozrachnoy probing needle. The possibility of exciting a detachable nanocomposite emitting element consisting of upconverting and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, the safest near infrared radiation having the greatest penetration depth into biological tissues when scanning the side walls of nanowells, diagnosed biological objects, allowed us to study living nanostructures at depths tens of times larger the length of the magnetically transparent probe needle, which was previously impossible to implement with known ondami.

Источники информацииSources of information

1. Патент RU 2615708 С1, 07.04.2017, G01Q 60/24,. B82Y 35/00, СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В.1. Patent RU 2615708 C1, 04/07/2017, G01Q 60/24 ,. B82Y 35/00, SCANNING PROBE OF AN ATOMICALLY POWER MICROSCOPE WITH A NANOCOMPOSITE RADIATING ELEMENT ALLOYED BY QUANTUM DOTS AND MAGNETIC NANOPARTICLES OF THE NUCLEAR STRUCTURE. / Linkov V.A., Vishnyakov N.V., Linkov Yu.V., Linkov P.V.

2. Патент RU 2681258 С1, 05.03.2019, G01Q 60/24, G01Q 70/08, B82Y 35/00, СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С РАЗДЕЛЯЕМЫМ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫМ НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА. / Линьков В.А., Линьков Ю.В., Линьков П.В.2. Patent RU 2681258 C1, 03/05/2019, G01Q 60/24, G01Q 70/08, B82Y 35/00, SCANNING PROBE OF AN ATOM POWER MICROSCOPE WITH SEPARABLE TELEO-OPERATED NANOCOMPANIUM NANOMETHOMANOMYNOMYNOMYNOMYNOMYNOMYNOMYNOMYNOMYNOMYNOMYCHANOMYANOMYNOMYNOMYNOMYNOMYCHYNOMYNOMYNOMYNOMYNYCHOMYCHYNYCHLYCHNEYOMYCHANDOVYCHRYOV / Linkov V.A., Linkov Yu.V., Linkov P.V.

3. Patent № US 9956426 В2 Date of Patent: May 1, 2018, UPCONVERTING NANOPARTICLES.3. Patent No. US 9956426 B2 Date of Patent: May 1, 2018, UPCONVERTING NANOPARTICLES.

4. Patent Application Publication Pub. No.: US 20170000887 A1, Pub. Date: Jan. 5, 2017, UNIFORM CORE-SHELL TIO2 COATED UPCONVERSION NANOPARTICLES AND USE THEREOF.4. Patent Application Publication Pub. No .: US 20170000887 A1, Pub. Date: Jan. 5, 2017, UNIFORM CORE-SHELL TIO2 COATED UPCONVERSION NANOPARTICLES AND USE THEREOF.

5. Patent № US 10179177 B2 Date of Patent: jan. 15, 2019, COATED UP-CONVERSION NANOPARTICLES.5. Patent No. US 10179177 B2 Date of Patent: jan. 15, 2019, COATED UP-CONVERSION NANOPARTICLES.

6. Patent Application Publication Pub. No.: US 20190099505 A1, Pub. Date: Apr. 5, 2019, COATED UP-CONVERSION NANOPARTICLES.6. Patent Application Publication Pub. No .: US 20190099505 A1, Pub. Date: Apr. 5, 2019, COATED UP-CONVERSION NANOPARTICLES.

7. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES.7. Patent Application Publication Pub. No .: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES.

8. Patent Application Publication Pub. No.: US 20140225024 A1 Pub. Date: Aug. 14, 2014 CORE_SHELL STRUCTURED NANOPARTICLE HAVING HARD-SOFT, MAGNETIC HETEROSTRUCTURE, MAGNET PREPARED WITH SAID NANOPARTICLE, AND PREPARING METHOD THEREOF.8. Patent Application Publication Pub. No .: US 20140225024 A1 Pub. Date: Aug. 14, 2014 CORE_SHELL STRUCTURED NANOPARTICLE HAVING HARD-SOFT, MAGNETIC HETEROSTRUCTURE, MAGNET PREPARED WITH SAID NANOPARTICLE, AND PREPARING METHOD THEREOF.

9. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130342297 A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 MAGNETIC EXCHANGE COUPLED CORE-SHELL NANOMAGNETS.9. Patent Application Publication Pub. No .: US 20130342297 A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 MAGNETIC EXCHANGE COUPLED CORE-SHELL NANOMAGNETS.

10. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.10. Patent Application Publication Pub. No .: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

11. Patent №.: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS.11. Patent No .: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS.

12. Patent №.: US 8771525 B2, Date of Patent: Jul. 8, 2014, ROTARY NANOTUBE BEARING STRUCTURE AND METHODS FOR MANUFACTURING.12. Patent No .: US 8771525 B2, Date of Patent: Jul. 8, 2014, ROTARY NANOTUBE BEARING STRUCTURE AND METHODS FOR MANUFACTURING.

Claims

Scanning probe of an atomic force microscope with a separable telecontrolled nanocomposite emitting element doped with upconverting and magnetic nanoparticles of a core-shell structure, including a fixed magneto-transparent glass sphere of a larger diameter, the size of which is larger than the diameter of the investigated nanowell, and a detachable magneto-transparent glass sphere of a smaller diameter studied nanowell, two-layer carbon nanotube, magnetically transparent cantilever with magnet an opaque probe needle threaded into a carbon nanotube of small diameter, which is embedded in a larger diameter nanotube, the outer surface of which is fixed in a detachable magneto-transparent glass sphere of small diameter containing through nanometer pores, of which through nanometer pores of large diameter are filled with magnetic nanoparticles of the core-shell structure, from the outside covered with a protective opto-magnetically transparent polymer layer, synchronized with a movable magneto-transparent probing and a fused C-shaped synchronous-centering bracket on which the first and second external magnetic field sources are fixed and directed to the center of a detachable magneto-transparent glass sphere of small diameter in the form of first and second flat microcoils placed on opto-magnetically transparent substrates and connected to the outputs of the first and second DACs, characterized in that it contains up-converting nanoparticles of the core-shell structure, the diameter of which is less than the diameter of the magnetic nanoparticles of the core-shell structure, the first and second external source and excitations of converting nanoparticles emitting various selected wavelengths in the near infrared range, mounted on opposite sides of a C-shaped synchronously centering bracket, the optical axes of which are directed to magnetically transparent glass spheres of small diameter and larger diameter, through which nanometer-sized pores of small diameter are filled with converting nanoparticles of the core-shell structure, without leaving their shells behind the spherical surface of the magnetically transparent glass sphere and a glass sphere diameter of larger diameter.