Сканирующая микроскопия ионной проводимости
Сканирующая микроскопия ионной проводимости ( SICM ) — это метод сканирующей зондовой микроскопии используется электрод . , в котором в качестве кончика зонда [1] SICM позволяет определять топографию поверхности в микрометровом и даже нанометровом диапазоне. [2] структуры в водных средах, проводящих электролиты. Образцы могут быть твердыми или мягкими, как правило, непроводящими, а неразрушающий характер измерений позволяет наблюдать живые ткани и клетки, а также биологические образцы в целом.
Он способен обнаруживать резкие изменения профиля в образцах. [3] и может использоваться для картирования жесткости живой клетки [4] в тандеме с его подробной топографией или для определения подвижности клеток во время их миграции. [5]
Принцип работы
[ редактировать ]Сканирующая ионно-проводниковая микроскопия — метод, использующий увеличение сопротивления доступа микропипетки в водную среду, содержащую электролит, при ее приближении к плохо проводящей поверхности. Он контролирует ионный ток, входящий и выходящий из микро/нанопипетки, что затруднено, если наконечник находится очень близко к поверхности образца, поскольку зазор, через который могут течь ионы, уменьшается в размере.
Установка SICM обычно выглядит следующим образом: напряжение подается между двумя электродами Ag/AgCl, один из которых находится в стеклянной микропипетке, а другой - в объемном растворе. Напряжение будет генерировать ионный ток между двумя электродами, текущий в микропипетку и из нее. Измеряется проводимость между двумя электродами, которая зависит от потока ионов.
Движения пипетки регулируются пьезоэлектриками .
Микропипетку опускают все ближе и ближе к образцу, пока поток ионов не начнет ограничиваться. При этом проводимость системы уменьшится (а сопротивление увеличится). Когда это сопротивление достигает определенного порога, наконечник останавливают и записывают положение. Затем наконечник перемещается (по-разному в зависимости от используемого режима, см. ниже) и проводится еще одно измерение в другом месте и так далее. В конечном итоге сравнение положений всех измерений дает подробный профиль высоты образца.
Важно отметить, что наконечник останавливается перед контактом с образцом, поэтому он не изгибается и не повреждает наблюдаемую поверхность, что является одним из основных преимуществ SICM.
Эквивалентная схема
[ редактировать ]
Общее сопротивление установки (Rtot) представляет собой сумму трех сопротивлений: Rb, Rm и Rt. Rb сопротивление раствора электролита между кончиком микропипетки и электродом в объеме раствора. Rm — сопротивление раствора электролита между электродом микропипетки и наконечником. Rt — сопротивление тока, протекающего через наконечник.
Rb и Rm зависят от проводимости электролита, положения и формы Ag/AgCl-электродов. Rt зависит от размера и формы отверстия, а также от расстояния между иглой и образцом.
Все параметры, за исключением расстояния между зондом и образцом, постоянны в пределах данной установки SICM, поэтому именно изменение Rt в зависимости от расстояния до образца будет использоваться для определения топографии образца.
Обычными приближениями являются: 1) падением напряжения на поверхности Ag/AgCl-электродов пренебрегают, предполагается, что оно незначительно по сравнению с падением напряжения на острие и является постоянным, 2) тот факт, что объемное сопротивление представляет собой Функцией d пренебрегаем, так как она зависит от расстояния между иглой и электродом в объеме.
Сравнение с другими методами сканирующей зондовой микроскопии
[ редактировать ]SICM имеет худшее разрешение, чем AFM или STM , которые обычно могут достигать разрешения около 0,1 нм. Разрешение измерения SICM ограничено 1,5-кратным диаметром отверстия наконечника. [7] Теоретически, но измерения, проведенные с диаметром отверстия 13 нм, позволили получить разрешение около 3–6 нм. [2]
SICM можно использовать для изображения плохо проводящих или непроводящих поверхностей. [6] что невозможно с STM.
При измерениях SICM кончик микропипетки не касается поверхности образца; который позволяет визуализировать мягкие образцы (клетки, биологические образцы, клеточные ворсинки) [8] [9] [10] без деформации.
SICM используется в растворе, содержащем электролит, поэтому его можно использовать в физиологических средах для визуализации живых клеток и тканей, а также для мониторинга биологических процессов во время их протекания. [10]
В прыжковом режиме он способен правильно определять профили с крутыми уклонами и канавками.
Режимы визуализации
[ редактировать ]В SICM имеется четыре основных режима визуализации: режим постоянного z, режим постоянного тока (постоянное расстояние), режим переменного тока и режим подхода прыжком/назад/стоя.
Режим константы-Z
[ редактировать ]
В режиме постоянного z микропипетка поддерживается на постоянном значении z (высота), пока ее перемещают вбок и отслеживают сопротивление, его изменения позволяют восстановить топографию образца. Этот режим быстрый, но почти не используется, поскольку работает только с очень плоскими семплами. Если образец имеет неровную поверхность, пипетка либо врежется в него, либо окажется слишком далеко для визуализации большей части образца.
Режим постоянного тока
[ редактировать ]
В режиме постоянного тока (DC) (режим постоянного расстояния) микропипетка опускается по направлению к образцу до тех пор, пока не будет достигнуто заданное сопротивление. Затем пипетку перемещают вбок, и петля обратной связи поддерживает расстояние до образца (по значению сопротивления). Положение пипетки по оси Z определяет топографию образца.Этот режим не обнаруживает крутых наклонов образца, в таких случаях может контактировать с образцом и склонен к дрейфу электрода.
Режим переменного тока
[ редактировать ]
В режиме переменного тока (AC) микропипетка совершает вертикальные колебания в дополнение к своему обычному движению. Пока пипетка еще находится далеко от поверхности, ионный ток и сопротивление постоянны, поэтому пипетку опускают. Как только сопротивление начинает колебаться, амплитуда служит обратной связью для модуляции положения до тех пор, пока не будет достигнута заранее заданная амплитуда. [8] [9]
Отклик компонента переменного тока увеличивается намного круче, чем компонента постоянного тока, и позволяет записывать более сложные сэмплы.
Прыжковый режим
[ редактировать ]
В режиме прыжка (шаг назад/стоя) микропипетка опускается к образцу до тех пор, пока не будет достигнуто заданное сопротивление, и высота фиксируется. Затем пипетку оттаскивают назад, перемещают вбок и производят еще одно измерение, и процесс повторяется. Затем можно восстановить топографию образца.
Прыжковый режим работает медленнее остальных, но способен отображать сложную топографию и даже целые клетки, не искажая поверхность образца. [11] [12]
Комбинации с другими методами и альтернативное использование.
[ редактировать ]SICM использовался для изображения живой нервной клетки мозга крысы. [5] определить жизненный цикл микроворсинок, [8] наблюдать за движением белковых комплексов в сперматозоидах. [2]
SICM сочетается с флуоресцентной микроскопией. [2] и ферстеровский резонансный перенос энергии. [13]
SICM использовался по методу «умного патч-зажима», при котором пипетка присасывалась к поверхности клетки путем присасывания и затем контролировалась активность натриевых каналов в клеточной мембране. [14]
Комбинация АСМ и SICM позволила получить изображения синтетических мембран в ионных растворах с высоким разрешением. [15]
сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля С SICM использовалась ; Измерение SICM позволило разместить кончик пипетки очень близко к поверхности образца. Флуоресцентные частицы, поступающие изнутри микропипетки, служат источником света для постоянно обновляющегося СБОМ и предотвращают фотообесцвечивание. [16] [17]
ФСИКМ [18] (Fast SICM), существенно улучшающий скорость скачкообразной перестройки, недавно был разработан.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хансма П.К., Дрейк Б., Марти О., Гулд С.А., Пратер CB (1989). «Сканирующий микроскоп ионной проводимости». Наука . 243 (4891): 641–3. Бибкод : 1989Sci...243..641H . дои : 10.1126/science.2464851 . ПМИД 2464851 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Шевчук А.И., Фроленков Г.И., Санчес Д., Джеймс П.С., Фридман Н., Лаб М.Дж., Джонс Р., Кленерман Д., Корчев Ю.Е. (2006). «Визуализация белков в мембранах живых клеток методом сканирующей микроскопии ионной проводимости высокого разрешения». Энджью. хим. Межд. Эд. англ . 45 (14): 2212–2216. дои : 10.1002/anie.200503915 . ПМИД 16506257 .
- ^ Райнлендер Дж., Гейссе Н.А., Прокш Р., Шеффер Т.Е. (2011). «Сравнение сканирующей микроскопии ионной проводимости с атомно-силовой микроскопией для визуализации клеток». Ленгмюр . 27 (2): 697–704. дои : 10.1021/la103275y . ПМИД 21158392 .
- ^ Кларк Р.В., Новак П., Жуков А., Тайлер Э.Дж., Кано-Хаймес М., Дрюс А., Ричардс О., Волынски К., Бишоп С., Кленерман Д. (2016). «Микроскопия субклеточной жесткости ионной проводимости при низком напряжении» . Мягкая материя . 12 (38): 7953–8. arXiv : 2103.03811 . Бибкод : 2016SMat...12.7953C . дои : 10.1039/c6sm01106c . ПМК 5166566 . ПМИД 27604678 .
- ^ Перейти обратно: а б Хаппель, П.; Венер, Ф.; Дитцель, И.Д. Сканирующая микроскопия ионной проводимости – инструмент для исследования границ раздела электролит-непроводник. В современных исследованиях и образовательных темах в области микроскопии; FORMATEX: Бадахос, Испания, 2007 г.; стр. 968–975.
- ^ Перейти обратно: а б Чен CC, Чжоу Ю, Бейкер Л.А. (2012). «Сканирующая микроскопия ионной проводимости». Ежегодный обзор аналитической химии . 5 : 207–228. Бибкод : 2012ARAC....5..207C . doi : 10.1146/annurev-anchem-062011-143203 . ПМИД 22524219 .
- ^ Райнлендер Дж., Шеффер Т.Э. (2009). «Формирование изображения, разрешение и измерение высоты в сканирующей микроскопии ионной проводимости». Дж. Прил. Физ . 105 (9): 094905–094905–9. Бибкод : 2009JAP...105i4905R . дои : 10.1063/1.3122007 .
- ^ Перейти обратно: а б с Горелик Дж., Шевчук А.И., Фроленков Г.И., Дьяконов И.А., Lab MJ, Крос С.Дж., Ричардсон Г.П., Водяной И., Эдвардс С.Р., Кленерман Д. и др. (2003). «Динамическая сборка поверхностных структур в живых клетках» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 100 (10): 5819–5822. Бибкод : 2003PNAS..100.5819G . дои : 10.1073/pnas.1030502100 . ПМК 156284 . ПМИД 12721367 .
- ^ Перейти обратно: а б Горелик Дж., Чжан Ю., Шевчук А.И., Фроленков Г.И., Санчес Д., Лаб М.Дж., Водяной И., Эдвардс Ч.Р., Кленерман Д., Корчев Ю.Е. (2004). «Использование сканирующей микроскопии ионной проводимости для изображения клеток А6». Мол. Клетка. Эндокринол . 217 (1–2): 101–108. дои : 10.1016/j.mce.2003.10.015 . ПМИД 15134807 . S2CID 12947242 .
- ^ Перейти обратно: а б Чжан Ю., Горелик Дж., Санчес Д., Шевчук А., Лаб М., Водяной И., Кленерман Д., Эдвардс С., Корчев Ю. (2005). «Сканирующая ионно-проводниковая микроскопия показывает, как функциональный монослой почечного эпителия сохраняет свою целостность» . Почки Int . 68 (3): 1071–1077. дои : 10.1111/j.1523-1755.2005.00499.x . ПМИД 16105037 .
- ^ Манн С.А., Хоффманн Г., Хенгстенберг А., Шуманн В., Дитцель И.Д. (2002). «Сканирующая микроскопия ионной проводимости в импульсном режиме - метод исследования культивируемых клеток гиппокампа». Дж. Нейроски. Методы . 116 (2): 113–117. дои : 10.1016/s0165-0270(02)00023-7 . ПМИД 12044660 . S2CID 37799827 .
- ^ Новак П., Ли С., Шевчук А.И., Степанян Р., Колдуэлл М., Хьюз С., Смарт Т.Г., Горелик Дж., Останин В.П., Lab MJ и др. (2009). «Наномасштабная визуализация живых клеток с использованием микроскопии ионной проводимости с прыжковым зондом» . Нат. Методы . 6 (4): 279–281. дои : 10.1038/nmeth.1306 . ПМК 2702483 . ПМИД 19252505 .
- ^ Николаев В.О., Мошков А., Лион А.Р., Мираголи М., Новак П., Паур Х., Лозе М.Дж., Корчев Ю.Е., Хардинг С.Е., Горелик Дж. (2010). «Перераспределение бета2-адренергических рецепторов при сердечной недостаточности меняет компартментацию цАМФ». Наука . 327 (5973): 1653–1657. Бибкод : 2010Sci...327.1653N . дои : 10.1126/science.1185988 . ПМИД 20185685 . S2CID 8227170 .
- ^ Дюклоье Х (2005). «Нейрональные натриевые каналы в клетках желудочков сердца локализуются вблизи отверстий Т-канальцев». Биохим. Биофиз. Рез. Коммун . 334 (4): 1135–1140. дои : 10.1016/j.bbrc.2005.06.203 . ПМИД 16038878 .
- ^ Прокш Р., Лал Р., Хансма П.К., Морс Д., Стаки Дж. (1996). «Визуализация внутренней и внешней пористой структуры мембран в жидкости: сканирующая микроскопия ионной проводимости в режиме TappingMode» . Биофизический журнал . 71 (4): 2155–7. Бибкод : 1996BpJ....71.2155P . дои : 10.1016/s0006-3495(96)79416-x . ПМЦ 1233683 . ПМИД 8889191 .
- ^ Брукбауэр А., Ин Л., Ротери А.М., Корчев Ю.Е., Кленерман Д. (2002). «Характеристика нового источника света для одновременной оптической и сканирующей микроскопии ионной проводимости». Аналитическая химия . 74 (11): 2612–2616. дои : 10.1021/ac011257y . ПМИД 12069246 .
- ^ Ротери А.М., Горелик Дж., Брукбауэр А., Корчев Ю.Е., Кленерманн Д. (2003). «Новый источник света для SICM-SNOM живых клеток». Журнал микроскопии . 209 (2): 94–101. дои : 10.1046/j.1365-2818.2003.01122.x . ПМИД 12588526 . S2CID 10121265 .
- ^ Жуков А, Ричардс О, Останин В, Корчев Ю, Кленерман Д (2012). «Гибридный режим сканирования для получения изображений с помощью быстрой сканирующей ионно-кондуктивной микроскопии (SICM)» . Ультрамикроскопия . 121С (11): 1–7. дои : 10.1016/j.ultramic.2012.06.015 . ПМК 3462995 . ПМИД 22902298 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
