Спосіб визначення місця локалізації магнітної фази в околі біомембрани клітин

Реферат: UA 78508 U UA 78508 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до біонанофізики та може бути використана у наукових дослідженнях магнітних властивостей живих клітин, магнітних та імуномагнітних сорбентів, що сприятиме розробці нових методів діагностики та терапії захворювань, наприклад, онкологічних. На сьогоднішній день основним методом детекції магнітної фази та встановлення місця її локалізації у біологічному об'єкті є використання магніто-силового режиму сканування скануючого-зондового мікроскопа. Основним недоліком даного методу є те, що в результаті сканування отримуємо плоске 2D зображення поверхні, що не дозволяє встановити чи знаходиться магнітна фаза на біомембрани чи під нею. Визначення даного параметру є дуже важливим для створення ефективного магнітокерованого біосорбенту, що використовують у різних галузях науки, промисловості та медицини. Наприклад, магнітокерований біосорбент на основі хлібопекарських дріжджів Saccharamyces cerevisiae використовують для біосорбції іонів важких металів із стічних вод промислових підприємств. Основним методом створення даних магнітокерованих сорбентів є штучне надання їм магнітних властивостей в результаті прикріплення магнітних наночастинок (наприклад, наномагнетиту) до поверхні біомембрани. В процесі створення сорбенту дані магнітні наночастинки можуть або проникати в середину біомембрани або залишатись на її поверхні, що в свою чергу призводить до зменшення кількості активних сайтів зв'язування іонів важких металів. Аналогічний приклад можна привести в галузі медичних досліджень, наприклад, утворення магнітокерованих ліпосом для цілеспрямованої доставки лікарських препаратів в організм людини. Якщо магнітні наночастинки знаходяться на поверхні ліпосоми, то є ймовірність їх відриву від неї, що, в свою чергу, зменшить ефективність даного препарату. І тому встановлення місця локалізації магнітної фази в біосорбенті або лікарському препараті, наприклад, описаного вище типу, дозволить розробити ефективний метод його створення. Найближчим аналогом корисної моделі є спосіб [1] визначення зв'язку між зсувом фази Fz коливань кантилеверу  та - похідної по координаті z від z-компоненти сили взаємодії z магнітного зонду з магнітною наночастинкою. Зсув фази коливань кантилеверу  , в градусах, безпосередньо визначається в магнітно-силовому режимі сканування об'єкту, за формулою: F (1)   CQ z , z де С - коефіцієнт жорсткості кантилевера; Q - добротність кантилевера. Недоліком найближчого аналогу є те, що даний метод не надає інформацію щодо місця локалізації магнітної фази, оскільки, власне сам розрахунок не має зв'язку між зсувом фаз коливання кантилевру та відстанню між магнітною фазою та поверхнею біомембрани (для клітин). В основу корисної моделі поставлено задачу розробити ефективний спосіб встановлення зв'язку між відгуком магнітної фази  в біомембрані та місцем її локалізації з використанням можливостей скануючої-зондової мікроскопії. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб визначення місця локалізації магнітної фази в околі біомембрани клітини, який включає сканування області зразку методом магнітно-силової мікроскопії, який відрізняється тим, що процес сканування однієї і тієї самої області біомембрани проводять за двох значень відстані між магнітним зондом та поверхнею біомембрани та співставляють значення даних величини зсуву фази коливань кантилевера 1 та  2 в магнітно-силовій мікроскопії магнітної частинки. Спосіб пояснюється кресленнями. На фіг. 1 представлено схематичне зображення процесу магнітоло-силової мікроскопії, якщо магнітна частинка розташована всередині мембрани, де z - відстань між центрами магнітної наночастинки та робочої області магнітного зонду,  - відстань від центру магнітної наночастинки до поверхні біомембрани, h - відстань між робочою зоною магнітного зонду та поверхнею біомембрани, ro - радіус робочої зони магнітного зонду, rm - радіус магнітної   наночастинки, m o - магнітний момент магнітного зонду, r - вектор, проведений з центру робочої зони зонду до центру магнітної частинки. На фіг. 2 зображено процес магнітно-силової мікроскопії магнітної наночастинки, якщо вона розташована на поверхні мембрани. Як відомо, дипольне магнітне поле створюється однорідно намагніченою робочою зоною магнітного зонду над місцем розташування магнітної наночастинки (Фіг. 1): 1 UA 78508 U 5 10      3(mo  n)n  mo (2) H(m)  , r3   де n  r . r Енергія взаємодії робочої області магнітного зонда, що представляє собою намагнічену  кулю з моментом m o з магнітною наночасткою має вигляд:  (3) U  (mH(m) ) ,  де m - магнітний момент наночастинки. Підставивши формулу (2) у (3) отримуємо:      3(m r )(m o r )  (mm o )r 2 (4) . U r5  Оскільки зонд намагнічений вздовж осі OZ, то mo  (0,0, mo ) , і скалярний добуток   mmo  m z mo , де m z - проекція магнітного моменту магнітної наночастинки на вісь OZ, то вираз для енергії взаємодії буде мати такий вигляд: 2mom z . (5) U z2 Силу взаємодії магнітного зонду з магнітною наночасткою можна записати як:  (6) F  grad U . Розраховуючи силу взаємодії магнітного зонду з магнітною наночасткою за формулою (6) та використовуючи формулу (4), отримуємо такий вираз:  6mom z , (7) Fz   z4 а похідна по координаті z від z-компоненти сили Fz має вигляд: 15 Гc; 2 4momz Fz . (8)  z z5 Підставляючи (1) у (8), отримуємо: 2 4mom z . (9)   CQ z5 Як відомо [2], магнітний момент виражається через намагніченість матеріалу за формулою: (10) mo  Mo Vo , де Mo - намагніченість зонду, яка для кобальтового зонду, що намагнічується до насичення, 3 4 3 ro - об'єм робочої зони зонду, м . 3 Аналогічно для проекції магнітного моменту магнітної наночастинки на вісь 0Z запишемо: mz  Mz V , Vo  20 25 4 3 rm - об'єм магнітної наночастинки; 3 Mz – z-компонента намагніченості магнітної наночастинки; rm - радіус сферичної магнітної наночастинки. Використавши (7) та (9) у співвідношенні отриманих даних щодо величини  в МСМ режимі сканування однієї магнітної частинки, знаходимо, у скільки разів  зменшується де Vo  залежно від відстані сканування та позначимо цю величину . Fz z Fz z z h1   r0 z h2   r0  z5  z  h1    ro  2  . (11) 5  z  h 2    ro z1 Якщо магнітна частинка знаходиться на поверхні біомембрани (Фіг. 2), то z  h1,2  ro  rm , (12) Інакше, якщо магнітна частинка знаходиться всередині поверхні мембрани (Фіг. 1), то 2 UA 78508 U z    ro  h1,2 . З формул (11)-(13) отримуємо, що (13) 1  5 10  5 ( h1  ro )  (h 2  ro ) 1 5 1  . (14) Якщо 