 |
Исследование поверхности биочипа посредством сканирующей туннельной микроскопии
|
|
|
|
| Никитин Александр Александрович ГОУ Московский инженерно-физический институт (ГУ), кафедра 60 115409, Москва, Каширское шоссе, 31 тел. (095) 413-87-42, (095) 234-17-93 эл. почта: nikitinaa@bk.ru | 
|
Аннотация
Изучена морфология поверхности биочипов методом сканирующей туннельной микроскопии. Получены качественные двух- и трехмерные кадры поверхности с разрешением до 10 нм. Показано, что плёнка состоит из нанокластеров со средним размером 87 нм и высотой 6 нм. Средняя шероховатость Ra плёнки в целом составляет около 1.4 нм.
Постановка задачи
Образцы биочипов [1] были предоставлены Московским институтом электронной техники, кафедрой биотехнологий. Образец представляет собой подложку из полированного кремния с нанесённой магнетронным способом плёнкой золота и далее с нанесённой по технологии Ленгмюр-Блоджетт мономолекулярной плёнкой специфического белка к вирусам полиомиелита. Основную проблему данных устройств представляет временная модификация золотой плёнки – собирание её в кластеры, соответственно, ухудшается эффективная реагирующая поверхность специфического белка (реакция иммуно-ферментного связывания). Задача – исследовать морфологию состаренной поверхности золотой плёнки на одной из отрабатываемых технологий изготовления биочипов.
Экспериментальная часть
Проверка образца тестером (модель М-830BZ) на электропроводность показала чрезвычайно низкое электрическое сопротивление образца, менее 0.1 Ом, что следовало ожидать для золота. Нанесенная пленка из специфического белка не оказала влияния на электрическое сопротивление ввиду малой толщины. В связи с этим наиболее желательным является режим СТМ, обладающий наилучшим разрешением, до единиц Ангстрем. Эксперимент был проведен на российском мульти-микроскопе СММ-2000 (изготовитель ОАО «Завод Протон-МИЭТ», г. Зеленоград), имеющем и АСМ, и СТМ режимы [2].
|
|
|
Выбор СТМ - режима определил методику подготовки образца. Из шестисегментного чипа общим размером 18/6 мм и толщиной 0.6 мм было отколото два сегмента общим размером 6/6 мм, который был прижат токопроводящей пружиной к держателю образца.
Сканирование производилось платиновыми иглами, отрезанными прецизионными ножницами с отрывом в конце реза. Скорость сканирования составляла около 2 мкм/с при количестве усреднений в точке – 64, что дало приемлемые результаты. Размер скана составил 1/1 мкм при количестве точек 347/347.
Результаты и обсуждение
Характерный первичный кадр представлен на рис.1. На нём видна несплошная поверхность, представляющая собой скопления нанокластеров. Однако все нанокластеры соединены между собой и сохраняют таким образом сплошность проводимости. На кадре имеются горизонтальные помехи, обусловленные колебаниями молекул белка под зондом [1]. После применения мягкой медианной фильтрации с фильтром 1х3 и конволюции матрицей 3х3 кадр принял вид, представленный на рис.2. Анализ Фурье-образа кадра (рис.3) показал отсутствие каких-либо выделенных максимумов, что говорит как об отсутствии какого-либо порядка в расположении объектов, так и об отсутствии на кадре регулярных помех типа вибраций. Из-за отсутствия других помех Фурье-фильтрация, а также другие типы фильтрации не производились.
Представление кадра в трёхмерном виде (рис. 4) выявило шероховатую структуру поверхности, состоящую из скоплений нанокластеров.
Вывод профилей нанокластеров, наблюдаемых на кадре, дал результаты, согласные с предварительными. Размер зрительно наиболее часто встречающихся частиц (рис. 5) составляет около 80 нм при их высоте выделения из массива других кластеров около 6 нм.
|
|
|
Анализ шероховатостей, выполнявшийся по стандартизированным методикам, не допускающим субъективизм оператора, дал среднюю шероховатость (Ra) по всему кадру (рис. 6) около 1.4 нм.
Наиболее информативный при наличии многих объектов разного размера морфологический анализ дал распределение диаметров нанокластеров (рис.7,8). По интегральной кривой гранулометрического состава максимальное количество нанокластеров имеет размеры 30-40 нм. Кроме того, были выделены четыре группы размеров нанокластеров, для которых были подсчитаны количество и процентные содержания (рис.8). Группы размеров частиц были названы по порядку возрастания как большие (2%), средние (23%), наиболее распространенные (62%) и малые (3%).
Выводы
Поверхность наночипа представляет собою не сильно развитую поверхность без разбиения золотых нанокластеров на отдельные частицы. Средний размер нанокластеров составляет 87 нм при их высоте 6 нм. Средняя шероховатость Ra плёнки в целом составляет около 1.4 нм. Можно сделать вывод о применимости данной поверхности для биочипов.
Список литературы
1. А.Д. Мирзабеков, Д.В. Прокопенко, В.Р. Чечеткина, «Применение матричных биочипов с иммобилизованной ДНК в биологии и медицине»: Информационные медико-биологические технологии
(под ред. В.А. Княжева и К.В. Судакова). ГЭОТАР-МЕД,
Москва, 2002, с.166-198
2. Логинов Б.А., Руководство пользователя микроскопа СММ-2000, МИФИ-2005.
|
| Рис.1. Первичный кадр |
|
| Рис.2. Кадр после обработки медианной фильтрацией 1х3 и усреднения (конволюции) матрицей 3х3 |
|
| Рис.3. Фурье-образ кадра |
|
| Рис.4. Трёхмерный вид кадра |
|
| Рис.5. Профиль сечения средних по размерам частиц |
|
| Рис.6. Анализ шероховатости по всему кадру |
|
| Рис.7. Морфологический анализ кадра – графики распределений объектов по диаметрам |
|
| Рис.8. Морфологический анализ кадра |
|
|
|
