Знаете, в чём главная проблема современной нанотехнологии? Нет, не в том, чтобы сделать крошечную штуку. А в том, чтобы измерить её, не сломав. Особенно если эта штука — живая клетка, которая и дышать-то боится. Именно для таких нежных объектов придумали сканирующую капиллярную микроскопию (в международных кругах — SICM). Вместо острого, как бритва, зонда атомно-силового микроскопа, который может проткнуть мембрану, здесь используют стеклянную нанопипетку — этакий микроскопический шприц без иглы. Она не касается поверхности, а чувствует её на расстоянии по тому, как меняется электрический ток через своё крошечное отверстие. Представьте, что вы измеряете форму предмета, не дотрагиваясь до него, а просто прислушиваясь к тому, как возле него свистит ветер. Звучит как фантастика, но это реально работает.
Однако у любой, даже самой изящной технологии есть слабое место. Для этого метода до сих пор нет нормальной «рулетки» — то есть стандартных калибровочных образцов. Если в атомно-силовой микроскопии эту проблему давно решили с помощью жёстких кремниевых линеек, то для капиллярной микроскопии такой фокус не проходит. Попробуйте поднести хрупкую стеклянную пипетку к твёрдой кремниевой пластине — риск разбить дорогущий зонд возрастает до ста процентов. А если и не разобьёте, то всё равно не поймёте, что именно вы измеряете: саму поверхность или искажения, которые вносит ваша же пипетка из-за того, как ток «обтекает» препятствия.
И вот тут на сцену выходят наши герои — сотрудники Института аналитического приборостроения РАН и Университета ИТМО. Они пошли хитрым путём: сделали калибровочные структуры не из камня, а из полимера — этилен-винилацетата. Это тот самый материал, из которого делают термоклей и упаковку для букетов. Забавно, но именно его мягкость и эластичность оказались преимуществом. Учёные взяли кремниевую матрицу с аккуратными ямками и бугорками и буквально отпечатали её в нагретом полимере, как дети делают слепки из пластилина. Получилась полимерная копия — нежная, податливая и, что важно, безопасная для стеклянных пипеток.
Казалось бы, проблема решена. Но не тут-то было. Когда начали сравнивать оригинал и его полимерную копию с помощью самого точного на сегодня метода — атомно-силовой микроскопии, — выяснилась грустная правда. Полимер оказался строптивым материалом. Он не просто скопировал форму — он её исказил. Высота бугорков уменьшилась почти на 60 процентов, а острые вершины стали похожи на сдувшиеся воздушные шарики — их диаметр вырос на 75 процентов. Представьте, что вы переносите рельеф горной страны в миниатюре, а все острые пики почему-то превращаются в холмы. Это вам не пластмассовые игрушки штамповать — здесь полимер даёт усадку и «стекает» в процессе остывания. Иными словами, просто взять и довериться такой линейке было бы самонадеянно.
Но учёные были непреклонны. Они провели серию измерений одной и той же полимерной структуры разными методами и получили настоящий детектив. Оказалось, что эти полимерные слепки категорически не годятся для калибровки по высоте — ошибка там достигает 30-35 процентов. Пипетка просто не может залезть в узкие ямки до самого дна, и ионный ток начинает «врать» ещё до того, как зонд приблизится к поверхности. Зато по горизонтали, то есть в плоскости X и Y, всё было более чем прилично — погрешность измерения периода структуры не превышала 15 процентов. А это значит, что с помощью таких образцов можно отлично настраивать сканер: проверять, правильно ли он проезжает расстояние в стороны, не врёт ли по осям. Как если бы у вас была потрёпанная, но всё ещё верная линейка для измерения длины, хотя высоту вы бы по ней уже не мерили.
И тут началось самое интересное. Учёные заметили любопытную вещь: когда они измеряли пипеткой диаметр дна полимерной лунки, получалось около 280 нанометров. А когда посмотрели ту же пипетку в электронный микроскоп, оказалось, что её внешний диаметр — 250 нанометров. Почти одно и то же! Это не случайность. Дело в том, что у стеклянной пипетки очень тонкие стенки и небольшой угол заточки, поэтому она проникает в углубления гораздо глубже, чем толстый и туповатый зонд атомно-силового микроскопа. И получается, что такие полимерные лунки можно использовать как своеобразный «измеритель пипеток»: если вы видите дно лунки, значит, ваша пипетка достаточно тонкая, чтобы туда пролезть, а диаметр этого дна с точностью до 10 процентов соответствует размеру отверстия вашего зонда. Остроумное решение, не правда ли? Вместо того чтобы мучительно разглядывать пипетку в микроскоп (что само по себе квест), вы просто «сканируете» тестовую лунку и получаете готовую оценку разрешающей способности вашего прибора.
Но и тут не обошлось без ложки дёгтя. Полимер оказался капризным не только при изготовлении, но и при использовании. Когда его на неделю замочили в солевом растворе (а именно в таких растворах обычно и изучают живые клетки), на поверхности появились крошечные поры. Материал начал понемногу разрушаться — как бумага, оставленная под дождём. Вся геометрия при этом сохранилась, но факт остаётся фактом: такие калибраторы имеют срок годности. Их нужно периодически проверять заново на атомно-силовом микроскопе и сверять размеры, потому что через месяц они могут стать немного другими. Учёные с юмором замечают: если вы работаете с такими образцами, не забывайте их «переаттестовывать», а то рискуете получить калибровку, которая будет актуальна разве что для вчерашнего дня.
В итоге получилась рабочая, хотя и не идеальная система. Для грубой настройки горизонтальных перемещений — пожалуйста. Для оценки размера вашей нанопипетки — тоже отличный вариант. А вот для измерения высот — категорически нет. И главный вывод, который авторы делают с редким для научных статей чувством юмора: создана мягкая калибровочная линейка, которая не ломает зонды, но, к сожалению, не вечна. Возможно, в будущем они найдут более стабильный полимер, который не будет «плыть» со временем и давать меньшую усадку. А пока что эта работа — честный шаг вперёд. Ведь в науке важно не только найти решение, но и чётко понимать, где это решение работает, а где — нет. И если вы думаете, что калибровка микроскопа — это скучно, то вы просто не видели, как учёные сражаются с капризным полимером, пытаясь превратить его из упаковки для цветов в точнейший измерительный инструмент.
Исследование опубликовано в журнале «Научное приборостроение»
Изображение на обложке: разработано Magnific
