ChSTU repository

ЗМІСТ 
 
 Вступ …………………………………………………….…………. 3 
Розділ 1. Загальна характеристика волосся людини та огляд  
факторів, що мають вплив на стан волосся …...………….. 6 
1.1. Будова волосся ............................................................................ 6 
1.2. Причини пошкодження кутикули …….......................................1 2 
1.3. Зовнішні впливи на волосся ………........................................... 14 
 Висновки до розділу 1 ………………………………………… 17 
Розділ 2. Обладнання для дослідження волосся людини та вибір  
методу дослідження…...………………………………………. 19 
2.1. Вибір методу дослідження волосся, обладнання для  
 дослідження та режиму його роботи ..………………………… 19 
2.2. Будова атомно-силового мікроскопу та огляд його   
 складових ………………………………………………………. 24 
2.3. Дослідження фізичних властивостей кутикули волосини  
 людини на основі методів атомно-силової взаємодії ……….. 37 
2.4. Дослідження впливу деяких компонентів миючих засобів   
на структуру волосся атомно-силового мікроскопу ………… 45 
 Висновки до розділу 2 ………………………………….…….…4 9 
Розділ 3. Результати експериментальних досліджень та їх  
математичної обробки …………….………………………….… 51 
3.1. Проведення експериментальних досліджень волосся   
людини методом АСМ ............................................................... 51 
3.2. Обробка результатів дослідження .…………………………… 71 
 Висновки до розділу 3 …………………………………………..7 7 
 Висновки ……………………………….……………………………7 8 
Список використаних джерел …………………………………… 80 
Додатки ……………………………………………...……………… 83 
 2 
ВСТУП 
Актуальність теми дослідження. Останнім часом значна увага стала 
приділятися проблемам зі здоров’ям нашого волосся. Відомо, що на стан волосся 
впливає багато різних внутрішніх та зовнішніх факторів.  
До внутрішніх факторів, зазвичай, включають спадковість, захворювання та 
гормональні порушення. Також до внутрішніх факторів можна віднести 
неправильний спосіб життя, емоційний стан, вживання лікарських препаратів та 
деякі інші чинники.  
До зовнішніх факторів класично відносять екологічний стан навколишнього 
середовища, зокрема, хімічний склад повітря та води, неправильний догляд за 
волоссям, в тому числі якість миючих засобів, які використовуються для миття, 
якість фарб та лаків, як використовуються з декоративною метою, а також 
безпосередньо термічні впливи на волосся під час догляду за ним (сушка феном, 
завивка на бігуді чи плойку, вирівнювання волосся та інші процедури).  
На здоров’я волосся дуже сильно впливають повітря, продукти харчування та 
вода. Нажаль, безпосередньо на якість цих чинників ми вплинути не можемо, 
проте нам під силу зробити цей вплив більш ощадливим та безпечним, ми можемо 
покращити, наприклад, загальний стан води, очистивши її через фільтри, обирати 
та купувати більш якісні продукти для споживання та засоби по догляду за 
волоссям.  
Для вивчення впливу всіх цих факторів на волосся застосовують багато 
різних методів. Одним з них є дослідження за допомогою атомно-силової 
мікроскопії (АСМ). Цей метод дозволяє побачити структуру волосся, дослідити 
його товщину, еластичність та інші властивості. 
Волосина – це один з небагатьох біологічних об'єктів, які можна 
досліджувати за допомогою АСМ, оскільки вона має достатню міцність, щоб не 
бути зруйнованою зондом. Але все одно при скануванні контактним методом 
артефакти на поверхні кутикули можуть були «згладжені» голкою, і результати 
вийдуть спотвореними. 
Дослідивши структуру, товщину, еластичність та інші властивості волосини 
можна зробити висновки про якість застосованих засобів і користь дій, здійснених 
над волоссям.  
 3 
Отримані результати дають можливість наочно, за допомого зображень, 
побачити, як вплине на здоров’я волосся забрудненість повітря. Результатами 
можна скористатися для отримання статистичних даних, на підставі яких в 
подальшому зробити висновки щодо вибору кращих засобів гігієни та зменшення 
негативних впливів на волосся різних зовнішніх факторів шляхом поміркованої 
поведінки. 
Метою магістерського дослідження є використання атомно-силової 
мікроскопії для аналізу впливу атмосферних забруднень на структуру людського 
волосся та розробка практичних рекомендацій, спрямованих на мінімізацію цього 
негативного впливу і забезпечення збереження здоров’я волосся 
Для вирішення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі: 
1. Дослідити структуру волосся та зміни в ній під дією природних факторів, 
зокрема забрудненості повітря. 
2. Дослідити вплив на волосся людини забружнень, до складу яких входить аміак. 
3. Дослідити вплив на волосся природних забруднювачів. 
4. Надати практичні рекомендації щодо зменшення негативних впливів та 
збереження здоров’я волосся. 
Об'єкт дослідження – процеси впливу забрудненості повітря на стан 
волосяного покрову людини. 
Предмет дослідження – метод і засіб визначення впливу забрудненості 
повітря на стан здоров’я волосся людини. 
Методи дослідження базуються на теоретичних і експериментальних 
дослідженнях волосяного покрову людини методом атомно-силової мікроскопії 
для нанометричних вимірювань з досліджуваною поверхнею. 
Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна роботи полягає 
в застосуванні методу скануючої зондової мікроскопії для дослідження впливу 
забруднення повітря на стан волосяного покрову людини шляхом удосконалення 
методик проведення наукових досліджень, що дозволило встановити таке: 
забруднювачі, що містяться в атмосфері, мають значний негативний вплив на 
 4 
структурні характеристики волосся, зокрема на його мікрорельєф та механічні 
властивості. 
Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність роботи 
полягає в застосуванні скануючої зондової мікроскопії для вивчення впливу 
забруднення повітря на здоров’я людини, зокрема на стан волосяного покрову. 
Розроблені методи дозволяють проводити детальний аналіз змін у волоссі, що 
може бути використано в екологічних дослідженнях та медичних діагностичних 
практиках для моніторингу впливу забруднення повітря на здоров'я. Вивчені 
показники можуть бути впроваджені для створення нових інструментів для 
оцінки впливу навколишнього середовища на здоров'я людини. 
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були 
представлені на Всеукраїнській науково-технічній конференції «Методологія 
наукових досліджень» (Черкаси: ЧДТУ, 2024).  
Публікації. По темі дисертації опублікована 1 теза доповідей. 
 5 
РОЗДІЛ 1 
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЛОССЯ ЛЮДИНИ 
ТА ОГЛЯД ФАКТОРІВ, ЩО МАЮТЬ ВПЛИВ НА СТАН ВОЛОССЯ 
 
Волосся – це ниткоподібні утворення, що ростуть на поверхні шкіри 
людини, які зазвичай відіграють косметичну роль. Довжина людського волосся 
складає від кількох міліметрів до метра [1]. Його товщина варіюється на проміжку 
від 0.005 до 0.2 мм та  залежить від кольору. Так світле волосся має товщину 
приблизно 50 мкм, темне – 75 мкм, руде – 100 мкм (рис. 1.1). 
 
Рис. 1.1. Волосся різного кольору 
 
На голові в середньому росте від 70 до 200 тисяч волосин. Їх кількість 
визначається генетичною схильністю, а також залежить від кольору волосся. У 
"руденьких" волосся найменше, проте волосини дуже товсті; у осіб негроїдної 
раси волосся найтонше, проте дуже жорстке. Найгустіше шевелюра у блондинів, 
але самі волосинки дуже тонкі.  
Найбільша кількість волосся спостерігається на тім'ячку, а найменше - на 
скронях та біля лоба. Тож в одних областях голови, волосся росте швидше, а в 
інших повільніше. Також наші пасма ростуть постійно за певним циклічним 
принципом. На протязі декількох років волосинка зростає, а потім "відпочиває" 
 6 
протягом 2-3 місяців. Після цього стара волосинка випадає, і нова починає свій 
новий цикл. Кожен фолікул має свій власний час для відпочинку, тому шевелюра 
оновлюється непомітно для наших з вами очей. Кожен день ми втрачаємо від 50 
до 100 волосинок, але тут нічого страшного немає, адже ця кількість вважається 
нормою.  
Здебільшого  волосся складається з білка кератину, невеликої кількості 
води, металів та мінеральних речовин. Воно представляє собою утворення, в яке 
входить корінь, що розташований в спеціальному волосяному мішечку під 
шкірою, та стрижень, який знаходиться над поверхнею шкіри, безпосередньо у 
полі нашого зору. 
Хімічний склад здорового волосся [2] становить:  
• 15% води, 
• 6% ліпідів, 
• 1% пігменту, 
• 78% білка. 
Кератин, головний "будівельний матеріал" для наших волосся, збагачений 
декількома мікроелементами, наприклад: міддю, залізом, цинком, хромом і 
марганцем, а також до його складу входять  вітаміни A, P, В, C і T. 
Ці всі вітаміни та мікроелементи є дуже важливими для здоров'я волосся. 
Однак треба пам’ятати, що хімічний склад дуже індивідуальний,  і він залежить 
від типу та кольору волосся.  
Ріст і розвиток волосся є нерівномірним процесом, що складається з 
кількох послідовних фаз. Спершу відбувається період активного росту, після чого 
настають фази спокою та випадіння волосини. Кожен з цих етапів 
характеризується унікальними особливостями та має свою назву [3]: 
I фаза – період формування та дозрівання кореня і стрижня волосини, 
протягом якого відбувається найбільш інтенсивний ріст волосся. Тривалість цієї 
фази зазвичай становить від 2 до 7 років. 
II фаза – етап стабілізації, або «період спокою», коли вже сформована 
волосина не росте. Ця фаза триває в середньому від 2 до 4 тижнів.III фаза — етап 
 7 
зів’янення цибулини та кореню з подальшим випадінням волосини; триває від 3-х 
до 4-х місяців. 
Стрижень волосини поділяється на декілька шарів. Перший  шар – це 
мозкова речовина або медула, другий – корковий шар або кортекс, зовнішній шар 
або кутикула – це третій шар. Зображення будови стрижня  представлене на рис. 
1.2 [4]. 
 
Рис. 1.2. Будова стрижня волосини 
 
Розташування стрижня може бути під різним кутом до поверхні шкіри на 
проміжку від 10 до 90 градусів. Часто дуже маленький кут зростання стрижня (10-
20 градусів) не дає можливості зробити бажану зачіску, тому що дуже важко 
укласти волосся в протилежний бік. Окрім цього, при дуже малому куті зростання 
волосся може врости в шкіру та викликати її запалення. 
Медула (мозкова речовина) – це перший шар волосяного стрижня та 
центральна його частина. Складається з клітин, які ще не до кінці ороговіли. 
Мозкову речовину заповнюють бульбашки повітря, що дає волоссю можливість 
 8 
володіти певною теплопровідністю. На зміну хімічних чи фізичних властивостей 
волосся медула не впливає. Зображення медули представлена на рисунку 1.2. 
Кортекс або корковий шар – це основна складова волосся, що складає 
приблизно 80-85% всього волосу, в склад якого входить тисячі кератинових 
волокон. Склад волосяного стрижня - це переплетені між собою ланцюжки 
колагену, щось на кшталт електричного кабелю, які створюють нитки, що також 
переплітаються між собою та утворюють дуже сильно спіралелізовану структуру 
– протофібрили, потім мікрофібрили, об’єднуючись вони складають найбільші 
волокна – макрофібрили, що утворюють основні волокна кортексу. 
Зовнішній шар або кутикула – це шар, який виконує захисну функцію та 
має вигляд луски соснової шишки. Луска спрямована від кореня до кінчика та 
складається приблизно 6-9 шарів з клітин. Волосся буде м’яке, блискуче та 
шовковисте лише тоді, коли лусочки будуть дуже щільно прилягати одна до одної 
(рис. 1.3), а якщо ж клітини зовнішнього шару пошкоджені хімічно або фізично, 
волосся втрачає блиск, стає ламким та легко заплутується (рис. 1.4). 
 
Рис. 1.3. Волосся з щільно прилягаючим шаром луски одне до одного 
 
 
Рис. 1.4. Волосся з не щільно прилягаючим шаром луски одне до одного 
 9 
Якщо на волосся вплинути лужним середовищем (звичайне мило) лусочки 
розкриваються, а якщо кислим – закриваються. Завжди при враженні волосся 
ззовні в першу чергу страждає кутикула. Але, не зважаючи на це, волосся – це 
найбільш стійке до зовнішніх впливів утворення, що поступається лише зубам. 
Волосяний фолікул – це корінь волосини разом з оточуючою його 
кореневою піхвою. До нього прикріплені сальні залози, а інколи й потова залоза. 
Будова волосяного фолікулу представлена на рис. 1.5. 
 
Рис. 1.5. Будова волосяного фолікула 
 
Волосяна цибулина – це найнижча частина кореня, до якої прикріплений 
волосяний сосочок, що відповідає за живлення волосини, а також контролює стан 
та процес росту волосини. Якщо сосочок перестає функціонувати, то волосина 
перестає отримувати живлення і гине, а якщо функціонування відновити, то 
волосина може відрости знову. 
В підшкірній частині волосся знаходиться такий білок, як меланін, пігмент, 
який формує колір волосся людини. Він складається із заліза, миш’яку та азоту. 
Колір натурального волосся може бути темним, тобто чорним, каштановим, 
рудим, або ж світлим, тобто світлий, русявий. Як відомо, кожен з наведених 
кольорів має величезну кількість відтінків, але тоді, коли пігмент починає 
мінятися з віком, будь-яке волосся змінює колір на сивий. 
 10 
Захисну функцію волосся виконує еластичний білок кератин, що 
складається з амінокислоти, азоту та сірки. 
У волосяному мішечку знаходиться корінь волосся. Вивідна протокова 
сальна залоза. На рис. 1.6. представлена будова кореню волосся. 
 
Рис. 1.6. Будова кореню волосся 
 
До складу волосяного мішечку входить епітеліальна та сполучно-тканинна 
частини. 
Епітеліальна частина представляє собою усі шари епідермісу та глибше 
проникає в роговий шар. Сполучно-тканинна частина починається з місця входу 
сальних залоз в нижній частині кореню волосся.  
Колагенові пучки разом з домішкою еластичних та аргентофільних 
волокон утворюють зовнішній подовжній та кільцевий середній шари. Мембрану 
навколо волосяного мішечку створюють аргентофільні волокна. Внутрішній шар 
розвинений тільки трошки вище волосяної цибулини. Він складається з сильно 
заломлюючої світло, склоподібної, гомогенної та надзвичайно тонкої оболонки. 
Епітеліальна та сполучно-тканинна частини волосся з часом стають 
цільними і тоді на місці волосяної цибулини в області біля сосочку вони 
зливаються та виконують функцію росту волосся. 
Волосся має гладкі, стрічкоподібні м’язи, які з одного боку прикріплені 
трошки нижче сальної залози, а з іншого завдяки сухому сухожиллю кріпляться 
 11 
до шару дерми. Під час скорочення цього м’язу волосся піднімається, натискаючи 
на сальну залозу, що сприяє процесу виділення секрету.  
 
1.2 Причини пошкодження кутикули 
Кутикула – це дуже чутлива тканина, яка дуже легко руйнується. До 
найпоширеніших  причин пошкодження кутикули відносяться: 
1. Вплив сонячного випромінювання, тепла та забруднення. 
Всім відомо, що саме по собі сонце є шкідливим для нашого волосся, тому 
що воно випромінює ультрафіолетові (УФ) промені. Але в залежності від впливу 
на волосся УФ-промені поділяються на такі два типи [5]: 
а) Альфа-промені, які позбавляють волосся вологи; 
б) Бета-промені, що постійно згубно впливають на пігмент волосся, 
причому як на штучний, так і на натуральний. 
В результаті постійного знаходженні на сонці без спеціального головного 
убору можна отримати сухе та тьмяне волосся, яке може бути просто позбавлене 
здорового кольору. 
2. Вплив хлорованої води в басейні. 
Статистика показує, що близько 90% жителів великих міст мають 
проблеми з волоссям і шкірою голови. І це легко пояснити: при використанні 
хлорованої води на наше волосся впливає хімічна суміш у вигляді солей кальцію і 
магнію, фосфатів, хлорної кислоти та інших складників. Хлорована вода 
призводить до того, що волосся стає сухим і ламким, позбавляється блиску. 
Перераховані вище хімікати покривають волосся практично непомітним 
нальотом, який при висиханні перетворюється на кристалічну плівку, 
позбавляючи волосся гнучкості та пластичності.  
3. Вплив хімічної завивки та випрямлення волосся. 
Хімічна завивка має істотний недолік – вона чинить сильний негативний 
вплив на локони, що призводить до серйозних порушень в структурі волосся. 
Хімія здатна зробити вашу шевелюру млявою, тонкою і крихкою, із посіченими та 
пошкодженими кінцями [6]. 
 12 
4. Вплив грубого та недбалого поводження. 
Постійні укладання, часті фарбування, а часом і неправильно підібрані 
засоби для щоденного догляду (шампуні, кондиціонери, маски тощо) викликають 
у волосся різні захворювання. Локони стають тьмяними, млявими, неслухняними і 
набувають не здорового вигляду. Наслідки неправильного догляду за волоссям 
дають про себе знати появою лупи, посічених кінчиків, витончення волосяного 
стрижня, інтенсивним випаданням і раннім облисінням [7]. 
5. Вплив частого фарбування (особливо освітлення волосся) або укладка. 
Під час постійного фарбування відбувається сильне пошкодження волосся. 
Воно також може викликати захворювання, а також призвести і до повної втрати 
волосся. Такий влив можуть нанести не тільки аміаковмістні фарби, а й і 
натуральні барвники [8].  
6. Вплив надмірного використання фену. 
У випадку надмірного використання фену волосся дуже швидко стає 
тьмяним та ламким, а також починає випадати і це може призвести до ряду 
проблем, які пов’язані з його здоров’ям та ростом. 
7. Вплив дуже частого розчісування. 
Під час дуже частого та інтенсивного розчісування деякі клітини 
зовнішнього шару лусочок починають розшаровуватися і це може призвести до 
випадіння волосся. Зовнішній шар стає неоднорідним, на ньому з’являються 
мікроскопічні рубці й волосся втрачає блиск та силу, а також починає легко 
сплутуватися. Отже, таке волосся можна справедливо назвати нездоровим, тобто 
воно стає жорстким, сухим, ламким, пористим, починає легко випадати, ламатися 
та світлішати на сонці. 
Пошкодження волосяного стрижня, призводить до того, що волосся 
«вмирає» і більше не відновлюється.  
Основною причиною випадіння волосся можна назвати гормональні збої, 
також до таких наслідків можуть призвести і сезонні явища, що найчастіше 
бувають в осінній та весняний  періоди. Якщо вчасно не відреагувати, то це може 
призвести до повного випадіння волосся. 
 13 
Лікарів, які займаються лікуванням захворювань волосся, називають 
трихологами. Всі вони говорять про те, що всі захворювання волосся, в тому числі 
й ті, що призводять до його випадіння, – це є медична проблема, а не косметична, 
яка потребує діагностики та лікування. 
Взагалі можна назвати ще багато різних причин, що пов’язані з проблемою 
здоров’я волосся, але перед тим, як починати обирати методи лікування, 
необхідно проконсультуватися з лікарем трихологом. Також не буде зайвим 
відвідати й інших лікарів, тому що будь-які захворювання волосся, можуть 
сигналізувати про більш складні проблеми в середині організму. 
 
1.3 Зовнішні впливи на волосся 
Науці відомо більше, ніж три сотні причин, які можуть пояснити 
проблеми, пов’язані зі станом нашого волосся. Серед зовнішніх причин 
найчастіше називають використання різноманітних фенів, плойок, утюжків, 
хімічну завивку, вишукані та складні зачіски, які можуть стати причинами 
пошкодження та випадіння волосся. До психологічних зовнішніх факторів, що 
впливають на його стан можна віднести стреси, нервові потрясіння та інші. 
Розглянемо механізм дії зовнішніх впливів на волосся більш прискіпливо. 
Хімічна завивка – це комплекс операцій, унаслідок яких волосся стає 
пишним і піддатливим, пасма завивається в локони різної величини та твердості  
Перетворення волосся обумовлено хімічною реакцією кератину в волоссі. 
Під час цього процесу зв’язки цистину, які  відповідають за механічну міцність, 
розриваються редукцією тіогліколівої кислоти. Наслідком такого впливу є те, що 
волосся стає м’яким, та з допомогою бігудей отримує необхідну форму. Для 
окиснення використовують пероксид водню, завдяки чому відновлюється 
дисульфідний зв’язок, який і забезпечує стабільність форми [9].  
Фарбування волосся – це процес нанесення забарвлюючої речовини на 
волосся з метою зміни його натурального кольору, надання йому нового відтінку 
або приховування сивини. 
 14 
3. Ламінування волосся – це процедура нанесення спеціалізованого складу, 
який формує надзвичайно тонкий захисний шар на поверхні волосся. Цей шар 
виконує функцію бар’єру, що запобігає пошкодженням волосся. У результаті 
виконання процедури волосся набуває здорового вигляду та природного блиску. 
Захисна плівка обволікає пошкоджені ділянки волосся, заповнюючи нерівності та 
вирівнюючи пористу структуру, що сприяє "склеюванню" відкритих кутикул. 
До складу для ламінування входять корисні компоненти, такі як вітаміни, 
протеїни та зволожувальні елементи, які тривалий час утримуються всередині 
волосся завдяки захисному шару. Цей шар забезпечує накопичення корисних 
речовин, запобігаючи їх швидкій втраті [10]. 
Процедура ламінування ефективна як самостійна методика, але може 
комбінуватися з фарбуванням чи лікуванням волосся. У разі виконання 
ламінування на раніше фарбованому волоссі захисний шар значно продовжує 
яскравість і насиченість кольору, отриманого в результаті фарбування. Це 
досягається за рахунок того, що спочатку вимивається покриття для ламінування, 
а лише потім починається втрата кольору фарби. Таким чином, ламінування 
продовжує термін збереження інтенсивності кольору фарбованого волосся. 
Фарби, до складу яких входить аміак являються доволі стійкими, оскільки 
саме цей компонент визначає глибину проникання забарвлюючого пігменту в 
структуру волосся та відповідає за яскравість, інтенсивність та стійкість кольору. 
Такий склад забезпечують тривалий колір, який тримається від півтора до трьох 
місяців. Також така фарба дуже ефективна при закрашуванні сивини.  
До недоліків аміаковмістних  фарб можна віднести: 
• ламкість та слабкість волосся; 
• руйнування зовнішньої  та внутрішньої структури волосся; 
• порушення природного кольору; 
• випадіння волосся; 
• можуть викликати сильні алергічні реакції; 
• до їх складу входять речовини, які можуть накопичуватися в організмі 
людини та викликати онкологічні захворювання. 
 15 
Хімічні опади. Хімічні опади – це такі опади, кислотність яких перевищує 
нормальну. Мірою для визначення кислотності  є водневий показник pH. Для 
чистих опадів цей показник – 5.6. 
Основними джерелами виникнення кислотних опадів є хімічні та 
металургійні підприємства, теплові електростанції, авіація та автотранспорт. 
Однак до них також можна віднести і тваринництво через те, що воно має дуже 
багато відходів, а у зв’язку з тим, що до складу гною входить аміак, під час його 
випаровування  виділяються кислоти.  
До об’єктів впливу відносяться ґрунти, водойми, тваринний та рослинний 
світ, а також людина. 
Ацидний дощ формується внаслідок взаємодії водяної пари з шкідливими 
речовинами, такими як діоксид сірки (SO₂) та оксиди азоту (NOₓ), які надходять у 
атмосферу через викиди автотранспорту, діяльність металургійних заводів, 
електростанцій, а також під час спалювання деревини та вугілля. У процесі 
хімічної реакції з атмосферною водою ці речовини перетворюються на розчини 
кислот, таких як сірчана, сірчиста, азотиста та азотна, які потім разом із дощем 
або снігом випадають на поверхню землі. 
Природними джерелами діоксиду сірки є вулканічна активність і лісові 
пожежі. Щодо оксидів азоту, їх природне надходження в атмосферу відбувається 
переважно внаслідок електричних розрядів, під час яких утворюється оксид азоту 
(NO), що згодом окислюється до діоксиду азоту (NO₂). Водночас значна частина 
природних оксидів азоту переробляється мікроорганізмами в ґрунті, включаючись 
у біохімічний цикл. 
Діоксид сірки, який потрапляє в атмосферу, зазнає низки хімічних 
перетворень, що призводять до формування кислот. Зокрема, частина діоксиду 
сірки піддається фотохімічному окисленню, перетворюючись на триоксид сірки 
(SO₃), відомий як сірчаний ангідрид. 
2SO2 + О2 → 2SO3.                                         (1.1) 
Сірчаний ангідрид реагує з водяною парою атмосфери, утворюючи 
аерозолі сірчаної кислоти: 
 16 
SO3 + Н2О → H2SO4.                                      (1.2) 
Основна частина діоксиду сірки, що викидається у вологе атмосферне 
повітря, реагує з водяною парою, утворюючи аерозолі сірчистої кислоти, які 
зазвичай описуються спрощеною хімічною формулою H₂SO₃: 
SO₂ + H₂O → H₂SO₃.       (1.3) 
У присутності кисню сірчиста кислота поступово окислюється до сірчаної: 
2H₂SO₃ + O₂ → 2H₂SO₄.     (1.4) 
Аерозолі сірчаної та сірчистої кислот сприяють конденсації водяної пари в 
атмосфері, що є основною причиною виникнення кислотних опадів (дощу, 
туману, снігу). У процесі спалювання палива, особливо вугілля, утворюються 
тверді мікрочастинки металевих сульфатів, які розчиняються у воді й осідають на 
поверхню ґрунту та рослин, формуючи кислотні роси. 
Сірчана та сірчиста кислоти утворюють приблизно дві третини всіх 
кислотних опадів. Інша частина припадає на аерозолі, що утворюються внаслідок 
взаємодії діоксиду азоту з водяною парою, формуючи азотну та азотисту кислоти: 
2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂.     (1.5) 
Крім того, існують ще два типи кислотних опадів, які наразі не фіксуються 
атмосферним моніторингом. Зокрема, хлор, що знаходиться в атмосфері, реагує з 
метаном (джерела метану включають антропогенні фактори, такі як рисові поля, 
та природні — танення метанових гідратів у вічній мерзлоті через зміну клімату), 
утворюючи хлороводень. Хлороводень, розчиняючись у воді, формує аерозолі 
соляної кислоти, які також сприяють кислотним опадам. 
Cl + СН4 → CH3 + HCI, 
СН3 + Cl2 → СН3Cl + Cl.                                (1.6) 
 
Висновки до розділу 1 
1. Волосся людини має складну будову, що може активно змінюватися під дією 
різних природних (переважно внутрішніх) та штучних (переважно зовнішніх) 
факторів. 
 17 
2. До внутрішніх факторів впливу відносять спадковість, захворювання та 
гормональні порушення. Також до внутрішніх факторів можна віднести 
неправильний спосіб життя, емоційний стан, вживання лікарських препаратів 
та деякі інші чинники. 
3. До зовнішніх факторів класично відносять екологічний стан навколишнього 
середовища, зокрема, хімічний склад повітря та води, неправильний догляд за 
волоссям, якість засобів, що використовують для догляду, а також термічні 
впливи на волосся як безпосередньо під час догляду, так і у повсякденному 
житті. 
4. В результаті аналізу факторів, що мають вплив на волосся, для більш 
детального дослідження за допомогою атомно-силового мікроскопу були 
виділені аміаковмісні та природні барвники для волосся, хімічна завивка.  
 
 18 
РОЗДІЛ 2. 
ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ВОЛОССЯ ЛЮДИНИ  
ТА ВИБІР МЕТОДУ ДОСЛІДЖЕННЯ 
 
2.1. Вибір методу дослідження волосся, обладнання для дослідження та 
режиму його роботи 
Роздільна здатність людського ока складає приблизно 0,1 мм, це відповідає 
товщині волосини. Тому щоб побачити більш дрібні предмети необхідні 
спеціальні пристосування, а саме – мікроскопи [19]. 
Оптичний мікроскоп винайдений в кінці XVII століття, відкрив цілий світ 
живої клітини, але в нього є природна фізична межа роздільної здатності, яка 
складає приблизно 0,5 мкм. Електронний мікроскоп, винайдений в кінці XIX 
століття, в якості засобу отримання інформації використовує пучок електронів. 
Роздільна здатність в ньому досягає 0,1 нм, що дозволило отримувати зображення 
вірусів, окремих молекул та атомів. 
Оскільки ні оптичний, ні електронний мікроскопи не можуть показати 
тривимірну структуру, наступним кроком розвитку стало використання тонкої 
голки. Спочатку ця технологія була реалізована в сканувальному тунельному 
мікроскопі, який згодом став основою для створення більш універсального 
підходу – атомно-силової мікроскопії. Цей метод забезпечує можливість 
дослідження атомної структури різноманітних твердих матеріалів, таких як 
напівпровідники, метали, полімери та скло. Особливістю є те, що вимірювання 
можуть виконуватися не лише у вакуумному середовищі, але й у повітрі, в 
атмосферах різних газів, а також безпосередньо у рідинному середовищі, 
наприклад, у краплі рідини. Він є незамінним для дослідження біологічних 
об’єктів, тому саме він був обраний для проведення дослідження волосся. 
Атомно-силова мікроскопія - це вид зондової мікроскопії, в основі якої 
лежить силова взаємодія атомів. На відстані близько одного ангстрема між 
атомами зразка та атомом зонда (кантилевера) виникають сили відштовхування, а 
на великих відстанях - сили тяжіння. Ідея пристрою дуже проста - кантилевер, 
 19 
переміщаючись вздовж поверхні та реагуючи на силову взаємодію, реєструє 
рельєф поверхні.  
Принцип дії мікроскопу представлений на рис. 2.1. 
 
Рис. 2.1. Принцип дії атомно-силового мікроскопу 
 
Метод ґрунтується на принципі, за яким під час переміщення кантилевера 
вздовж поверхні зразка вістря мікрозонда змінює своє положення, відтворюючи 
мікрорельєф поверхні. На кінці кантилевера, що виступає, розташований 
дзеркальний майданчик, на який спрямовується лазерний промінь. Відбиття 
променя від дзеркала змінюється залежно від висоти вістря над поверхнею. При 
взаємодії зонду з нерівностями поверхні відбитий промінь змінює свій кут 
відхилення, і це відхилення реєструється фотодетектором.   
Отримані дані з фотодетектора надходять до системи зворотного зв’язку, 
яка забезпечує стабільний контакт вістря зі зразком. П’єзоелектричний привід дає 
змогу в реальному часі реєструвати зміни рельєфу поверхні.   
На відміну від електронної мікроскопії, використання атомно-силового 
мікроскопа (АСМ) не потребує електропровідності зразка, що дозволяє широко 
застосовувати цей метод для вивчення біологічних матеріалів.   
Система реєстрації фіксує значення фізичної величини, що залежить від 
дистанції між зондом і зразком. Це значення обробляється системою негативного 
зворотного зв’язку, яка регулює положення зонду або зразка по заданій 
 20 
координаті. Найчастіше для цієї мети використовується ПІД-регулятор, який 
забезпечує точність і стабільність системи.   
Сканування поверхні може виконуватися двома способами:   
1. Рухом кантилевера. У цьому випадку кантилевер переміщається по 
поверхні зразка, забезпечуючи його сканування.   
2. Рухом підкладки. У цьому варіанті зразок переміщується під нерухомим 
кантилевером.   
Обидва підходи забезпечують високу точність отримання інформації про 
рельєф досліджуваної поверхні. 
Атомно-силова мікроскопія дозволяє отримати тривимірне зображення 
поверхні. Окрім цього, досліджувана поверхня не потребує нанесення провідного 
металевого шару, що може призвести до сильної її деформації.   
Методи реалізації досліджень в атомно-силовій мікроскопії 
Метод постійної висоти. При використанні методу постійної висоти (рис. 
2.2) сканер мікроскопа підтримує закріплений кінець кантилевера на постійній 
висоті. Таким чином, відхилення кантилевера відображають рельєф поверхні 
досліджуваного зразка.  
 
Рис. 2.2. Метод постійної висоти 
 
Основною перевагою методу постійної висоти є висока швидкість 
сканування. Вона обмежується практично тільки резонансними властивостями 
кантилеверу. До недоліків методу постійної висоти відноситься вимога достатньої 
гладкості поверхні зразків. При дослідженнях досить м'яких зразків (подібно 
полімерам, біологічним об'єктам і т.д.) вони можуть руйнуватися, оскільки зонд 
перебуває в безпосередньому механічним контакті з поверхнею. 
 21 
Метод постійної сили. При використанні методу постійної сили (рис. 2.3) 
величина вигину кантилевера підтримується в процесі сканування постійно за 
допомогою системи зворотного зв'язку. Таким чином, вертикальні зміщення 
сканера відображають рельєф поверхні досліджуваного зразка. 
 
Рис. 2.3. Метод постійної сили 
 
Метод відображення фази. При використанні методу відображення фази 
(рис.2.4) відчуття контактних відштовхувальних сил в процесі сканування 
призводить до додаткового фазового зрушення коливань кантилевера щодо 
збуджуючих коливань п’єзовібратора.  
Розподіл фазового зсуву по поверхні буде відображати розподіл 
характеристик матеріалу зразка. Метод відображення фази дозволяє отримувати 
цінну інформацію в широкій області застосувань, в деяких випадках 
відображаючи неочевидні контрасти властивостей матеріалів. 
 
Рис. 2.4. Метод відображення фази 
 
 22 
Цей метод використовується, наприклад, для досліджень біологічних 
об'єктів, зразків з магнітними і електричними характеристиками, а також для ряду 
інших застосувань. 
Метод Зонду Кельвіна. Використання методу зонду Кельвіну відображене 
на рис. 2.5 дозволяє вивчати розподіл поверхневого потенціалу за зразком. Для 
цього в процесі сканування необхідно підтримувати амплітуду коливань зонду, 
який розгойдується електричним полем на частоті свого механічного резонансу, 
рівним нулю, шляхом зміни постійної напруги зміщення U0. 
 
Рис. 2.5. Метод зонду Кельвіну 
 
Для збереження режиму сканування необхідно, щоб кантилевер 
знаходився поблизу поверхні, в залежності від обраного режиму. Існує система, 
яка може зберігати певний режим під час сканування.  
Електронна система мікроскопа оснащена спеціалізованою системою 
зворотного зв’язку, яка взаємодіє із механізмом відхилення кантилевера від його 
початкового положення. Робочий рівень взаємодії між кантилевером і підложкою 
(заздалегідь задана робоча точка) підтримується постійним незалежно від варіацій 
рельєфу поверхні. Система зворотного зв’язку налаштована таким чином, щоб 
компенсувати будь-які зміни, забезпечуючи стабільність цього рівня. Детекційний 
сигнал, що визначає ступінь корекції, використовується як корисний параметр для 
аналізу. 
Основним обмеженням атомно-силової мікроскопії є відсутність 
можливості отримання одночасної інформації про всю поверхню: у кожний 
 23 
момент часу доступні дані лише з невеликої області, що безпосередньо сканується 
зондом. Крім того, обмеженим є і розмір області сканування, який зазвичай не 
перевищує 13×13 мкм навіть за найкращих умов. 
Ще одним технічним викликом є залежність якості отриманого зображення 
від радіусу кривизни кінчика зонду. Неправильний вибір зонду може призводити 
до появи артефактів, які спотворюють реальну топографію поверхні, що 
досліджується, особливо за високої роздільної здатності. 
 
1.2. Будова атомно-силового мікроскопу та огляд його складових 
Атомно-силовий мікроскоп (рис. 2.6)  – це вид зондового мікроскопу, в 
основі якого лежить силова взаємодія атомів. На відстані близько одного 
ангстрема між атомами зразка та атомом зонда (контилевра) виникають сили 
відштовхування, а на великих відстанях - сили тяжіння. Ідея пристрою дуже 
проста - кантилевер, переміщаючись вздовж поверхні та реагуючи на силову 
взаємодію, реєструє рельєф поверхні. 
 
Рис. 2.6. Атомно-силовий мікроскоп 
 
Відмінною особливістю АСМ є наявність: зонду; системи переміщення 
зонду щодо зразка за 2-ма чи 3-ма координатами; реєстрація системи. 
Зонд являє собою тонку консольну пластину, відому як кантилевер (термін 
походить від англійського слова "cantilever", що означає консоль або балка). На її 
кінці розташований гострий наконечник з радіусом заокруглення від 1 до 10 нм. У 
 24 
процесі переміщення зонду вздовж поверхні зразка його вістря піднімається і 
опускається, відтворюючи мікрорельєф поверхні.   
Мікрозонд зазвичай виготовляється у формі тонкої пластини-консолі з 
загостреним кінцем, який характеризується радіусом заокруглення в діапазоні 1–
10 нм. Кантилевери класифікують на жорсткі та гнучкі залежно від довжини 
балки, яка визначає їхню резонансну частоту коливань.   
Матеріалами для виробництва мікрозондів переважно є кремній або нітрид 
кремнію. Техніка забезпечує високу роздільну здатність у межах 0,1–1 нм по 
вертикалі. Послідовно зміщуючи зонд у горизонтальній площині, отримують 
серію зображень рельєфу поверхні, які за допомогою комп’ютерного 
моделювання можна інтегрувати у тривимірне зображення. 
Існує багато видів АСМ-зондів, що розрізняються різною геометрією. 
Важливо використовувати в експерименті відповідний зонд для того, щоб 
відобразити особливості на поверхні зразка, які цікавлять. 
При відображенні різких особливостей геометрія зонда дуже важлива. 
Зонд з великим радіусом починає взаємодіяти з поверхневими особливостями 
задовго до того, як центральна вісь зонда досягає особливості. Це можна бачити 
на прикладі відображення сходинки, показаному на рис. 2.7. Зонди з великим 
відношенням сторін будуть вносити найменші спотворення. 
 
Рис. 2.7. При відображенні сходинки, геометрія зонда є критичною:  
а) закруглені зонди створюють зображення, які здаються округленням; б) зонди з 
малим відношенням сторін виробляють похилі сходинки; в) для отримання 
зображень, найбільш відповідних поверхні зразка. 
 
 25 
Функціонування атомно-силового мікроскопа (АСМ) часто ілюструють 
через механізми взаємодії сил Ван-дер-Ваальса. Енергія Ван-дер-Ваальсової 
взаємодії між двома атомами, які розташовані на відстані r один від одного, 
зазвичай моделюється потенціалом Леннарда-Джонса (формула 2.1), що є 
степеневою функцією і широко використовується для апроксимації подібних 
взаємодій (рис.2.8): 
                                         (2.1) 
де, r0 – Рівноважна міжатомна відстань та значення потенціальної енергії ��0  у 
точці мінімуму характеризують фундаментальні параметри системи. 
 Перший член у представленій формулі моделює дальнодіючі сили 
притягання, які зумовлені диполь-дипольною взаємодією між атомами. Другий 
термін враховує короткодіючі сили відштовхування, що виникають на малих 
відстанях між атомами. 
 Потенціал Леннарда-Джонса, якісний вигляд якого показано на рис. 2.8, 
дозволяє провести оцінку інтенсивності взаємодії між зондом і зразком. Сумарну 
енергію системи можна визначити шляхом інтегрування елементарних взаємодій 
між кожним атомом зонда та атомами зразка. 
 
Рис. 2.8. Якісний потенціал Леннарда-Джонса 
 
Значне поширення методу атомно-силової мікроскопії (АСМ) обумовлено 
його універсальністю, яка дозволяє проводити сканування у різних середовищах: 
в атмосфері, в контрольованому газовому середовищі, у вакуумі, а також під 
тонким шаром рідини. 
 26 
Для отримання зображень у методі АСМ необхідно забезпечити специфічну 
організацію процесу сканування зразка. Під час сканування зонд рухається 
вздовж заданої траєкторії у напрямку рядкової розгортки, при цьому сигнал з 
виконавчого елемента, пропорційний рельєфу поверхні, фіксується та зберігається 
в пам’яті комп’ютера. Після завершення кожного рядка зонд повертається у 
вихідну точку та переміщується до наступного рядка, забезпечуючи кадрову 
розгортку. Цей процес циклічно повторюється до повного сканування зразка. 
Отриманий сигнал системи зворотного зв’язку обробляється програмним 
забезпеченням, що дозволяє побудувати тривимірне зображення рельєфу поверхні 
у вигляді функції Z = f(x, y) із використанням засобів комп’ютерної графіки. 
Формування АСМ-зображень рельєфу поверхні базується на реєстрації 
мінімальних деформацій пружної консолі зондового сенсора. Для цієї мети в 
атомно-силовій мікроскопії широко застосовуються високоточні оптичні методи, 
які забезпечують необхідну чутливість і точність вимірювань (рис. 2.9). 
 
Рис.2.9. Схема оптичної реєстрації вигину консолі зондового датчика АСМ 
 
Оптична система атомно-силового мікроскопа (АСМ) налаштовується 
таким чином, щоб випромінювання напівпровідникового лазера точно 
фокусувалося на поверхні кантилевера зондового датчика, а відбитий лазерний 
пучок спрямовувався в центральну зону чутливої області фотоприймача. Як 
позиційно-чутливі фотоприймачі використовуються чотирьохсекційні 
напівпровідникові фотодіоди. Основними параметрами, що реєструються 
оптичною системою, є вигин кантилевера, викликаний Z-компонентою сил 
 27 
взаємодії (FZ), та крутильна деформація, що виникає під впливом латеральних 
компонентів сил (FL) взаємодії зонду з досліджуваною поверхнею. 
Зближення зразка та зонду (кантилевера) виконується за допомогою 
крокового двигуна, який працює до моменту початку взаємодії між поверхнею 
зразка і кантилевером. У процесі зближення зміщення лазерного променя на 
фотодіоді призводить до зміни різницевого фотоструму, після досягнення певного 
порогового значення якого система автоматично припиняє рух механізму 
зближення. 
В атомно-силовій мікроскопії використовуються два основні типи 
зондових датчиків: із кантилевером прямокутного перерізу у вигляді балки та із 
трикутним кантилевером, сформованим двома балками. Загальна конструкція 
зондових датчиків обох типів проілюстрована на рис. 2.10. 
  
а)                                                         б) 
Рис. 2.10. Загальний вигляд зондового АСМ датчика: а – з одиночною 
консоллю прямокутного перерізу; б – з одиночною консоллю трикутного перерізу 
 
На рис. 2.11 наведено електронно-мікроскопічні зображення зондів NSG11 
із прямокутним поперечним перерізом консольного типу, серійно виготовлених 
компанією НТ-МДТ.   
У деяких випадках зонди для атомно-силових мікроскопів (АСМ) оснащені 
декількома кантилеверами, які мають різну довжину, а отже, й різну жорсткість, 
що розташовані на спільній базі. Вибір активної консолі для роботи здійснюється 
 28 
шляхом налаштування та юстирування оптичної системи атомно-силового 
мікроскопа залежно від необхідних параметрів вимірювань. 
 
Рис.2.11. Електронно-мікроскопічні зображення АСМ зонду, що 
розташований на прямокутній консолі 
 
Зондові сенсори, що мають трикутні кантилевери (рис. 2.12), 
демонструють підвищену жорсткість при аналогічних геометричних 
характеристиках. Це забезпечує збільшення їх резонансних частот, що робить їх 
особливо придатними для використання в методах коливальної атомно-силової 
мікроскопії (АСМ). 
 
Рис. 2.12. Електронно-мікроскопічне зображення АСМ зонду, що 
розташований на трикутному кантилевері 
 
Процес виготовлення зондових сенсорів для атомно-силової мікроскопії 
(АСМ) є високотехнологічним і складається з багатоступеневих етапів, що 
включають методи фотолітографії, іонної імплантації, а також хімічного та 
плазмового травлення.   
 29 
Кантилевер, який безпосередньо з'єднаний із п'єзотрубкою, дозволяє 
змінювати його вигин за допомогою подачі електричної напруги на різні 
електроди. Це забезпечує регулювання області сканування зонду через 
горизонтальне відхилення п'єзотрубки, яке відповідає переміщенню вздовж осей 
X (абсцис) і Y (ординат). У структурі трубки також інтегрований п'єзоелемент, 
який контролює переміщення кантилевера вздовж осі Z (аплікат), забезпечуючи 
нормальне переміщення до поверхні під час дослідження.   
Сканування поверхні виконується із заданою робочою точкою, що 
визначає рівень висування п'єзотрубки стосовно максимальної амплітуди. У 
більшості випадків ця точка знаходиться на рівні приблизно 50% від амплітуди. 
Система зворотного зв’язку автоматично коригує величину висування 
п'єзотрубки, забезпечуючи підтримку стабільного режиму роботи під час 
сканування. 
Параметри, що впливають на точність вимірювання характеристик 
біологічних об'єктів: 
• Постійна складова; 
• Постійний нахил; 
• Неідеальний сканер; 
• Шуми апаратури; 
• Нестабільність контакту зонд-зразок; 
• Шуми пов’язані зі зовнішніми вібраціями. 
Волосся – це один з не багатьох біологічних об’єктів, який можливо 
досліджувати за допомогою атомно-силового мікроскопу (АСМ), оскільки він 
володіє достатньою міцністю для того, щоб не бути зруйнованим зондом. Але все 
одно при скануванні контактним методом артефакти на поверхні кутикули були б 
змінені голкою, і результат, який би ми отримали був не достовірним. 
Дослідивши структуру, товщину, еластичність та інші фізичні властивості 
волосини, можна буде зробити висновки щодо якості та користі дії засобів, що 
досліджувалися. Результатами експерименту можна буде скористатися для вибору 
кращих засобів серед тих, що перевірялися. 
 30 
Атомно-силовий мікроскоп (АСМ) використовується для аналізу 
мікрорельєфу поверхонь будь-яких матеріалів, незалежно від їх 
електропровідності. Завдяки цьому інструменту можливо досліджувати 
різноманітні дефекти структури, що локалізуються на поверхнях, такі як 
дислокації та домішкові утворення. Крім того, АСМ дозволяє визначати межі 
структурних блоків у кристалічних матеріалах, зокрема доменів, і забезпечує 
отримання даних про поверхневий заряд, ємність, провідність, а також про 
магнітні характеристики. 
АСМ є універсальним інструментом для вирішення як практичних завдань, 
так і фундаментальних питань фізики. Зокрема, він дає змогу аналізувати 
поведінку міжатомних сил, визначати константи взаємодії між атомами на 
поверхні та зондом. Крім того, з його допомогою можна отримати високоточні 
дані щодо існування або відсутності нових фундаментальних взаємодій, що є 
важливими для розвитку сучасної науки. 
Режими роботи атомно-силового мікроскопу 
В процесі взаємодії між вістрям скануючої голки та поверхнею 
досліджуваного зразка атомно-силовий мікроскоп (АСМ) функціонує в одному з 
кількох режимів, визначених відповідно до різних ділянок кривої міжатомної 
взаємодії (рис. 2.13). Серед цих режимів виділяють контактний і безконтактний, а 
їхнє комбінування утворює так званий «режим обстукування» [23]. 
У контактному режимі, також відомому як режим відштовхування, вістря 
голки АСМ вступає в легкий «фізичний контакт» із поверхнею зразка. 
Вимірювальна консоль, на якій фіксується голка, характеризується малою 
константою пружності. Ця константа повинна бути меншою за ефективну пружну 
константу, яка забезпечує утримання атомів у структурі досліджуваного 
матеріалу. 
 31 
 
Рис. 2.13. Режими роботи АСМ 
 
У дослідженні міжатомних сил в області відштовхування, яка також 
називається зоною контакту, графік показує різкий нахил кривої (рис. 2.13). Це 
означає, що відштовхувальна сила здатна врівноважити практично будь-яку 
зовнішню дію, спрямовану на зближення атомів. Для атомно-силової мікроскопії 
(АСМ) це свідчить про те, що вимірювальна консоль скоріше піддається 
деформації, ніж дозволяє вістрю голки проникнути ближче до атомів 
досліджуваної поверхні. Навіть при використанні дуже жорсткої консолі, здатної 
створювати значний тиск на зразок, міжатомна відстань скорочується мінімально, 
а сама поверхня зразка ймовірно деформується. 
У контактному режимі роботи АСМ відштовхувальні міжатомні сили 
врівноважуються двома іншими компонентами: капілярними силами та силами, 
що виникають у вимірювальній консолі. Капілярна сила обумовлена наявністю 
тонкого шару вологи на поверхні зразка, яка зазвичай присутня у звичайному 
атмосферному середовищі. Ця сила виникає через адсорбцію вологи на поверхні 
зразка, що піднімається навколо вістря скануючої голки, створюючи значний 
притягувальний вплив (~10⁻⁸ Н). Її величина визначається відстанню між вістрям і 
зразком. 
Сили з боку консолі схожі на дію пружини, що стискається. Їх величина та 
напрямок (тяжіння або відштовхування) залежать від жорсткості консолі та 
 32 
величини її вигину. На відміну від капілярних, ці сили можуть змінюватися під 
час роботи АСМ. 
У безконтактному режимі, також відомому як режим тяжіння, АСМ 
реєструє притягувальні Ван-дер-Ваальсові сили між вістрям і поверхнею зразка. 
Відстань між ними зазвичай становить 5–10 нм, на якій починається 
синхронізація електронних орбіталей атомів вістря та зразка. Це викликає слабке 
притягання через тимчасову поляризацію атомів у спільному напрямку. У 
вільному просторі атоми продовжують зближення до тих пір, поки 
електростатичне відштовхування не стане переважаючим. 
Безконтактні АСМ найчастіше працюють у динамічному режимі. У цій 
області нахил кривої Ван-дер-Ваальсових сил є менш крутим, ніж у контактному 
режимі, що означає менші зміщення консолі при зміні зазору між вістрям і 
зразком. Для уникнення «залипання» голки на поверхні зразка при надто малих 
відстанях потрібне використання жорсткішої консолі, яка також вимагає 
високочутливої системи детектування для точного аналізу малих відхилень. 
У безконтактному режимі сумарна сила між вістрям і зразком незначна 
(~10⁻¹² Н), що є перевагою при вивченні м’яких або еластичних зразків. Також цей 
режим зменшує ймовірність забруднення поверхні зразка, наприклад, таких, як 
кремнієві підкладки. 
АСМ може працювати у двох режимах коливань вимірювальної консолі: 
статичному та динамічному. У статичному режимі сили взаємодії між вістрям і 
поверхнею зразка викликають згинання консолі до досягнення стану рівноваги. 
Під час сканування (руху зразка або голки) АСМ фіксує відхилення консолі для 
отримання даних про профіль поверхні. У режимі постійної висоти (змінного 
відхилення) ці дані безпосередньо використовуються для побудови профілю 
зразка. 
Під постійною висотою тут мається на увазі незмінність відстані між 
зондом та зразком. Режим постійної висоти часто використовується для 
отримання зображень атомно-плоских поверхонь в атомному масштабі, де 
відхилення консолі і, отже, зміни прикладається сили завжди будуть малими. 
 33 
Режим постійної висоти також важливий для візуалізації в реальному масштабі 
часу поверхонь, що змінюються, коли не можна знехтувати високою швидкістю 
сканування.  
В альтернативному підході, відомому як режим постійної сили, відхилення 
вимірювального важеля використовується як вхідний сигнал у систему 
зворотного зв’язку, яка забезпечує стабільність цього параметра. У цьому режимі 
скануючий механізм рухається вздовж осі Z, реагуючи на локальні особливості 
мікрорельєфу поверхні зразка, і на основі даних про ці переміщення формується 
профіль поверхні. 
У динамічному режимі, також відомому як режим постійного градієнта, 
атомно-силовий мікроскоп (АСМ) генерує механічні коливання вимірювального 
важеля на частотах, близьких до його резонансної частоти (зазвичай від 30 до 300 
кГц), з амплітудою в межах декількох нанометрів (~ 10 Å). Резонансна частота 
кантилевера змінюється внаслідок взаємодії з поверхнею зразка, відповідно до 
визначених математичних співвідношень: 
     (2.2) 
де  – градієнт сили, с – константа пружності контилевра, F - градієнт сили 
Резонансна частота консолі значною мірою залежить від прикладеної 
зовнішньої сили, яка впливає на систему. У процесі наближення вістря 
сканувальної голки до поверхні зразка ця частота змінюється через варіацію 
величини Ван-дер-Ваальсових сил (рис. 2.13). Відштовхувальна взаємодія сприяє 
стабілізації пружної деформації консолі, підвищуючи її резонансну частоту. 
Водночас вплив гравітаційних сил викликає протилежний ефект, знижуючи 
резонансну частоту. 
Під час сканування зразка в динамічному режимі система зворотного 
зв’язку атомно-силового мікроскопа (АСМ) регулює переміщення сканувального 
елемента у вертикальному напрямку, зберігаючи сталими такі параметри, як 
амплітуда або резонансна частота вимірювальної консолі. Це забезпечує 
 34 
підтримання сталої середньої відстані між кінчиком голки та поверхнею зразка, 
що дозволяє проводити точні вимірювання. 
Як альтернативний метод можна отримувати профілі поверхні змінного 
градієнта сил, для чого необхідно просто відключити систему зворотного зв'язку. 
Подібно до статичної режиму ці два методи забезпечують, відповідну, легкість 
сприйняття АСМ зображення і високу швидкість сканування. Чутливість схеми 
детектування в динамічному режимі забезпечує субангстремне вертикальне 
розширення на зображенні. 
Для отримання зображень поверхні зразка можна використовувати не 
лише інформацію про траєкторію руху скануючого елемента (так званий 
«висотний запис»), але й дані про зміни амплітуди або частоти коливань консолі 
під час сканування. Метод «амплітудного запису» або «частотного запису» 
дозволяє отримати детальне уявлення про розподіл механічних характеристик 
поверхні зразка. Такий підхід забезпечує цінну інформацію, яка доповнює дані 
про його топографію. 
В таблиці 2.1 дається порівняльні характеристики основних режимів 
роботи АСМ в їх різноманітних комбінаціях. 
Найчастіше для роботи з біологічними зразками, наприклад такими як 
волосся використовується такий режим роботи АСМ як напівконтактний режим. 
У цьому режимі роботи кантилевер зазнає вимушених коливань із частотою, 
близькою до резонансної, амплітудою приблизно 10–100 нм. Під час 
налаштування кантилевер наближається до поверхні зразка так, щоб у нижній 
частині його напівперіоду коливань відбувалося безпосереднє торкання поверхні. 
Під час сканування фіксуються зміни амплітуди та фази коливань 
кантилевера. У "напівконтактному" режимі взаємодія кантилевера з поверхнею 
включає Ван-дер-Ваальсові сили, до яких у момент торкання додається сила 
пружності, спрямована з боку поверхні на кантилевер. 
 
 35 
Таблиця 2.1 
Порівняння основних режимів роботи атомно-силового мікроскопу 
Режим Статичний Динамічний 
Можливість визначати 
Високе літеральне площу контакту чи модулю 
розширення.  пружності.  
+ Можливість визначати Високе силове розширення  
деформацію в системі (≈ 0.001 нН).  
зонд-зразок. Незначний температурний 
Контактний дрейф. 
Можливість пошкодження 
Можливість пошкодження 
поверхні зразка.  
поверхні зразка.  
Низьке силове розширення  
– Модуляція порушує 
(≈ 1 нН).  
адгезійну взаємодію між 
Піддається 
зондом та поверхнею зразка. 
температурному дрейфу. 
Робота без пошкодження 
поверхні зразка.  
Робота без пошкодження 
+ Високе силове розширення.  
поверхні зразка. 
Незначний температурний 
Безконтактний дрейф. 
Низьке силове та 
просторове розширення.  Низьке просторове 
– 
Піддається розширення (≈ 10нм). 
температурному дрейфу. 
 
 
Процес формування зображення поверхні в режимі роботи атомно-
силового мікроскопа (АСМ) із коливанням кантилевера реалізується наступним 
чином. Коливання кантилевера з амплітудою Aω, частота яких дорівнює ω 
(приблизно відповідає резонансній частоті кантилевера), збуджуються за 
допомогою п'єзовібратора. У ході сканування система зворотного зв'язку 
мікроскопа підтримує амплітуду коливань кантилевера на встановленому 
оператором рівні А0 (де A0 < Aω). Одночасно, у кожній точці поверхні, що 
сканується, реєструється зміна фази коливань кантилевера, яка потім 
використовується для формування розподілу фазового контрасту. 
 
 36 
2.3. Дослідження фізичних властивостей кутикули волосини людини 
на основі методів атомно-силової взаємодії 
Огляд літературних джерел показав, що головною метою раніше 
проведених досліджень волосся [24] були дослідження верхнього шару волосся 
людини після миття декількома видами шампунів, в наслідок чого були отримані 
залежність якості шампуню від його складу. Також досліджувалися результати 
впливу на кутикулу волосся речовин, що входять до складу шампунів. 
В [24] на основі методів АСМ були досліджені кутикула волосся людини 
після використання трьох видів шампунів. Аналіз геометричних параметрів 
кутикули був реалізований напівконтактним режимом сканування за методом 
неузгодженості, що дозволило відобразити неоднорідності на фоні лусок волосся. 
Аналіз отриманих АСМ-зображень показав, що поверхня волосся, 
помитого другим шампунем, має безліч субмікронних артефактів, розміри яких 
коливаються в межах 100-800 нм, а самі кутикули «підняті» на висоту близько 
300-500 нм (рис. 2.14).  
   
а)                                                           б) 
   
в)                                                           г) 
Рис 2.14. АСМ зображення поверхні лусок волосяної кутикули після 
використання 2-го шампуню: а) рельєф поверхні; б) сигнал неузгодженості;  
в) профіль рельєфу поверхні кутикул; г) рельєф поверхні 3D 
 37 
Аналіз АСМ-зображень отриманих, після використання першого 
шампуню, показав наявність мікронних і субмікронних артефактів, розміри яких 
змінювалися в діапазоні 100 нм - 2 мкм., «Піднесеність» лусочок складала близько 
300 - 600 нм (рис. 2.15).  
Після використання третього шампуню параметри поверхні кутикул 
змінилися, були відсутні субмікронні артефакти і «піднесеність» лусочок 
зменшилася і стала складати близько 100-350 нм (рис. 2.16).  
    
а)                                                           б) 
Рис 2.15. АСМ зображення поверхні волосяної кутикули без артефактів 
після використання 2-го шампуню: а) рельєф поверхні (4.5х4.5); б) рельєф 
поверхні (1.8х1.8) 
    
а)                                                           б) 
    
в)                                                           г) 
Рис 2.16. АСМ зображення поверхні лусок волосяної кутикули після 
використання 3-го шампуню: а) рельєф поверхні; б) сигнал неузгодженості;  
в) профіль рельєфу поверхні кутикул; г) рельєф поверхні 3D 
 38 
 
а)                                                           б) 
Рис 2.17. АСМ зображення поверхні волосяної кутикули без артефактів 
після використання 2-го шампуню:  а) рельєф поверхні (4.5х4.5); б) рельєф 
поверхні (1.8х1.8) 
 
 
а)                                                            б) 
  
в)                                                           г) 
Рис 2.18. АСМ зображення поверхні лусок волосяної кутикули після 
використання 1-го шампуню: а) рельєф поверхні; б) сигнал неузгодженості;  
в) профіль рельєфу поверхні кутикул; г) рельєф поверхні 3D 
 
 
 39 
         
а)                                                            б) 
Рис 2.19. АСМ зображення поверхні волосяної кутикули без артефактів 
після використання 1-го шампуню: а) рельєф поверхні (4.5х4.5); б) рельєф 
поверхні (1.8х1.8) 
У всіх випадках n-поверхню кутикул (в областях без артефактів) атомарно 
гладка (рис. 2.15, 2.17, 2.19). 
На основі методу відображення опору розтікання, досліджувалися 
електричні властивості волосяних кутикул людини, після використання трьох 
видів шампунів.  
 
а)                                                           б) 
 
в) 
Рис 2.20. АСМ зображення поверхні волосяної кутикули після 
використання 2-го шампуню: а) рельєф поверхні; б) розподілення струму 
розтікання; в) профіль рельєфу поверхні кутикул. 
 40 
Даний метод дозволив виявити локальну провідність деяких областей на 
поверхні кутикул. Аналіз отриманих АСМ-зображень показав, що електричні 
властивості волосся, помитих 2-м шампунем, досить однорідні по всій поверхні 
кутикул, середній струм розтікання становив порядку 0,3-0,5 нА, відповідно 
провідність 2,1×10-4 - 3,5×10-4 Ом-1·м-1 (рис. 2.20).  
Після використання третього шампуню електричні властивості поверхні 
кутикул не змінилися (рис. 2.21).  
Аналіз АСМ-зображень отриманих, після використання 1-го шампуню, показав 
наявність локальних областей провідності, струм розтікання в таких областях 
становив порядку 0,8 нА відповідно провідність 5,7×10-4 Ом-1·м-1 (рис. 2.22 ). 
  
а)                                                           б) 
 
в) 
Рис 2.21. АСМ зображення поверхні волосяної кутикули після 
використання 3-го шампуню: а) рельєф поверхні; б) розподілення струму 
розтікання; в) профіль рельєфу поверхні кутикул. 
 
 41 
  
а)                                                           б) 
 
в) 
Рис 2.22. АСМ зображення поверхні волосяної кутикули після 
використання 3-го шампуню: а) рельєф поверхні; б) розподілення струму 
розтікання; в) профіль рельєфу поверхні кутикул. 
 
 
За допомогою магнітно-силової мікроскопії досліджувалися магнітні 
властивості волосяних кутикул людини після використання трьох видів шампунів. 
Аналіз отриманих АСМ - зображень для всіх видів шампунів показав, що 
магнітні властивості волосся однорідні по всій поверхні кутикул, підвищення 
магнітний властивостей спостерігалося на кордонах кутикул (рис. 2.23, рис. 2.24, 
рис. 2.25). 
 
 42 
   
а)                                                           б) 
  
в)                                                           г) 
Рис. 2.23. АСМ-зображення поверхні кутикули (після використання 2-го 
шампуню): а) рельєф поверхні (кружками показані артефакти); б) профіль 
рельєфу поверхні кутикул; в) рельєф поверхні; г) розподіл магнітних сил 
   
а)                                                           б) 
   
в)                                                           г) 
Рис. 2.24. АСМ-зображення поверхні кутикули (після використання 3-го 
шампуню): а) рельєф поверхні (кружками показані артефакти); б) профіль 
рельєфу поверхні кутикул; в) рельєф поверхні; г) розподіл магнітних сил. 
 43 
 
а)                                                           б) 
  
в)                                                           г) 
Рис. 2.25. АСМ-зображення поверхні кутикули (після використання 1-го 
шампуню): а) рельєф поверхні (кружками показані артефакти); б) профіль 
рельєфу поверхні кутикул; в) рельєф поверхні; г) розподіл магнітних сил. 
 
У результаті проведених досліджень встановлено, що вибір шампуню 
сильно впливає на геометричні параметри волосяних кутикул. Показано, що 
використання 1-го шампуню призводить до більшого розкриття кутикул, в 
результаті чого оголюється коркова речовина і втрачається здатність волосся 
утримувати вологу, що є однією з основних причин підвищення сухості волосся. 
Дослідження електричних властивостей волосяних кутикул показало, що 
застосування 1-го шампуню викликає порушення однорідності провідності 
волосся. Аналіз магнітних властивостей дозволив зробити висновок про те, що 
якість шампуню не створює істотного впливу на дану характеристику. Результати 
дослідження представленні на таблиці 2.2 
 44 
Таблиця 2.2 
Результати дослідження 
Висота лусок Елект-
Параметри Магні-тні 
відносно ропро- Загальний стан 
 артефактів, вла-
коркової відніст, волосся 
нм стивості 
речовини, нм Ом-1м-1 
Безліч мікронних та 
субмікронних 
артефактів на по- 
Зразок 1 300-600 100-2000 5,7х10-4 −//− верхні волосяної 
кутикули та (або) 
наявність розслоє-ння 
краю лусок 
Безліч субмікро-нних 
артефактів на 
2,1х10-4 – Одно- поверхні волосяної 
Зразок 2 300-500 100-800 
3,5х10-4 рідні кутикули, поруше-ння 
краю кутикули не 
спостерігалося. 
Порушення краю 
2,1х10-4 – кутикули та 
Зразок 3 100-350 − −//− 
3,5х10-4 структури не 
спостерігалося 
 
 
2.4. Дослідження впливу деяких компонентів на структуру волосся 
атомно-силового мікроскопу 
В розглянуті результати дослідження волосся, що були отримані А.Ф. 
Мірзануровою. 
В роботі [25] було досліджено вплив деяких компонентів миючих засобів 
на структуру волосся методом атомно-силової мікроскопії. Основним 
параметром, що розглядався в цій роботі, є висота лусочки кутикули. Для 
дослідження були взяті кілька типів волосся. Було розглянуто вплив лугів, кислот, 
СЕК-703 поверхнево-активної речовини різних концентрацій і диметикону ПМС-
20 (кондиціонуючої домішки). 
Метою дослідження було вивчення впливу деяких компонентів миючих 
засобів на структуру волосся методом атомно-силової мікроскопії.  
Слід зазначити, що дана тематика має відношення до хімії і технології 
полімерних матеріалів, оскільки високомолекулярні інгредієнти широко 
 45 
використовуються в косметиці та парфумерії та багато в чому визначають 
призначення і якість продуктів. А також до нанотехнологій, оскільки основна 
перевага АСМ закладена в його здатності отримання тривимірного зображення 
поверхні, що дозволяє вимірювати перепади рельєфу на поверхні з точністю 1 нм. 
Основним параметром, що розглядався в роботі [25], є висота лусочки 
кутикули. У здорового волосся лусочки дуже щільно прилягають до поверхні, 
саме тому вони добре відбивають падаюче на них світло і мають такий гарний 
природний блиск, легко (без механічних пошкоджень) розчісуються. І, навпаки, у 
пошкодженого, тьмяного, (хворого) волосся лусочки відходять від поверхні 
волосини і волосся схоже соснову шишку. 
Для дослідження були взяті кілька типів волосся: світле жіноче волосся, 
темне чоловіче волосся, чорне жіноче волосся і жіноче волосся, пошкоджене 
хімічною завивкою. Було розглянуто вплив лугів, кислот та температури на 
структуру волосся. В якості лугу був узятий 10% -ий розчин аміаку, в якості 
кислоти-9% розчин оцтової кислоти. Також розглядався вплив СЕК-703 
(поверхнево-активна речовина) різних концентрацій і диметикону ПМС-20 
(кондиціонюча домішка). 
АСМ пропонує надвисоку роздільну здатність, що добре підходить для 
вивчення властивостей поверхні людської волосини. 
Типове АСМ зображення поверхні людської волосини представлено на 
рис. 2.26. На ньому добре видно кутикули, що покривають поверхню волосини. 
Зокрема, з АСМ зображення волоса (рис. 2.26) можна отримати профіль 
поверхні уздовж виділеного напрямку, паралельного осі волоса (рис.2.27). 
Аналізуючи отриманий профіль можна виміряти такі параметри як: h - висота 
лусочки кутикули,   -кут прилягання кутикули до поверхні волоса, довжину 
кутикули та ін. У даній роботі в якості основного кількісного параметра волоса 
узятий h, так як цей параметр в найбільшій мірі відображає щільність прилягання 
кутикул до поверхні. Очевидно, що здорове, блискуче волосся з щільно 
прилеглими до поверхні кутикули повинен характеризуватися мінімальними 
значеннями h. 
 46 
 
Рис 2.26. АСМ-зображення поверхні волосся людини 
 
 
Рис. 2.27. Профіль поверхні волосини  
 
Необхідно особливо відзначити, що об'єктивна кількісна характеристика 
біологічних об'єктів заснована на статистичній обробці достатньо великої в 
кількості вимірювань. Це очевидно пов'язано з тим, що хоч однакові біологічні 
об'єкти (наприклад, волосся) мають близькі розміри та інші характеристики, 
кожна клітина, кожен волосина мають свої індивідуальні особливості. Тому в 
даній роботі для отримання усереднених (більш об'єктивних) значень 
передбачається виконання до 30-ти вимірювань h і статистичний аналіз 
отриманих даних. 
Так як в даній роботі маємо справу з біологічним об'єктом, навіть на 
одному волосі однієї конкретної людини всі висоти лусочок різні. Достовірну 
інформацію про висоту лусочок можна отримати шляхом статистичної обробки 
результатів. 
 47 
Для проведення кожного експерименту брали три волосини у однієї й тієї 
ж людини, в один і той же час. Для дослідження використовувалася ділянка 
волоса, близька до фолікулу, кожна волосина фіксувалася на підкладці за 
допомогою спеціальної двосторонньої липкої стрічки (скотча), потім проводилося 
сканування в трьох місцях досліджуваної волосини. Всього виходило 9 сканів. 
Після вирахування площин першого і другого порядку проводилися обрахування 
отриманих зображень, за профілем вважалася висота кожної лусочки. У кожному 
окремому експерименті робилося не менше 30 вимірів. 
На підставі отриманих значень в програмі Origin будувалися графіки. По 
осі Х відкладалися (розташовувалися) значення висот, по осі У- частота з якою 
зустрічалися відповідні значення. Далі будувалося за допомогою програми Origin 
гауссовий (нормальний) розподіл. У рамках теорії ймовірностей встановлено, що 
сума незалежних випадкових величин, незалежно від їхнього закону розподілу, 
утворює випадкову величину, яка підпорядковується нормальному розподілу. Це 
положення відоме як центральна гранична теорема. Завдяки цьому нормальний 
розподіл є ефективною моделлю для широкого спектра явищ, на які впливають 
кілька незалежних випадкових факторів. За гауссовим розподілом визначалася 
середня висота лусочок, а також помилка вимірювання. Діапазон помилок склав 
від 3 до 55 нм. 
Для зручності порівняння результатів, отримані графіки нормовані на 
одиницю, якій відповідало максимальне значення h в даній серії вимірювань. 
Варто зауважити, що експерименти проводилися в різну пору року і 
волосся однієї і тієї ж людини піддавалися різним видам обробки. Середні висоти 
лусочок вихідного волосу однієї людини коливалися від 298 до 602 нм. Як 
показали наші подальші дослідження, саме обробка волосся призвела до таких 
різних значень. Можна припустити, що маленькі значення висот лусочок вихідних 
зразків волосся являлись результатом обробки якісним шампунем або бальзамом. 
 
 48 
Висновки до розділу 2 
1. Аналіз мікроскопічних методів дослідження (методів оптичної, електронної та 
атомно-силової мікроскопії) показав, що для дослідження та аналізу 
біологічних об’єктів найбільш придатний метод АСМ, оскільки він дозволяє 
отримати тривимірну картину структури досліджуваного зразка та не вимагає 
наявності провідності зразка. 
2. Головними недоліками атомно-силової мікроскопії є відсутність одночасної 
інформації про всю поверхню досліджуваного зразка та невеликий розмір поля 
сканування, що обмежений габаритами 13х13 мкм, які не є визначальними для 
дослідження волосся людини. 
3. Огляд методів реалізації досліджень в атомно-силовій мікроскопії показав, що 
серед методів постійної висоти, постійної сили, відображення фази та методу 
зонду Кельвіна для дослідження волосся людини найбільш придатний метод 
відображення фази, оскільки в цьому випадку розподіл фазового зсуву по 
поверхні буде відображати розподіл характеристик матеріалу досліджуваного 
зразка. 
4. В результаті аналізу факторів, які впливають на результати досліджень в АСМ, 
виявлено, що найбільш значний влив має правильний вибір геометрії зонда. 
5. В результаті аналізу режимів роботи АСМ було показано, що для роботи з 
біологічними зразками найкраще підходить напівконтактний режим роботи 
АСМ, який дозволить відобразити дрібні неоднорідності структури волосся на 
фоні його великих лусочок.  
6. Показано, що при роботі АСМ в "напівконтактному" режимі: 
- Кантилевер наближається до поверхні зразка таким чином, щоб у нижній частині 
напівперіоду його коливань відбувався контакт із поверхнею.   
- Взаємодія кантилевера з поверхнею складається з Ван-дер-Ваальсових сил, до 
яких у момент контакту додається пружна сила, що впливає на кантилевер з 
боку поверхні.   
 49 
- У результаті взаємодії виникає порушення вимушених коливань кантилевера 
поблизу його резонансної частоти, причому амплітуда коливань становить 
приблизно 10–100 нм.   
7. Аналіз літературних джерел показав, що раніше проведені дослідження волосся 
людини охоплювали лише питання впливу різних видів шампунів на структуру 
волосся та щільність лусочок, що покривають його поверхню. 
8. У результаті аналізу проведених раніше досліджень було встановлено, що вибір 
шампуню сильно впливає на геометричні параметри волосяних кутикул 
(зокрема на ступінь прилеглості (висоту) лусочок), та при використанні 
неякісних шампунів призводить до оголення коркової речовини, що, в свою 
чергу, зменшує здатність волосся утримувати вологу та є однією з основних 
причин підвищення сухості волосся. 
 
 50 
РОЗДІЛ 3. 
РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ  
ТА ЇХ МАТЕМАТИЧНОЇ ОБРОБКИ 
 
3.1. Проведення експериментальних досліджень волосся людини 
методом АСМ 
Для експериментальних досліджень були взяті зразки різних типів 
жіночого волосся: світлого, чорного та волосся, пошкодженого хімічною 
завивкою. Головною метою було дослідити вплив зовнішніх факторів на стан 
кутикули волосся людини. 
Дослідження проводилися за допомогою атомно-силового мікроскопа NT-
206V (виробник: «Микротестмашины») з використанням кремнієвих зондів 
Ultrasharp CSC12 (виробник: «MikroMasch»). Знімання інформації виконувалося 
за допомогою програми управління АСМ „SurfaceScan”. 
За допомогою методів атомно-силової мікроскопії була досліджена 
кутикула волосся людини, при різних зовнішні впливах, таких як: неправильний 
догляд, часте фарбування та хімічна завивка. Аналіз геометричних параметрів 
кутикули був реалізований напівконтактним режимом сканування, методом 
неузгодженості, що дозволило відобразити мілкі неоднорідності на фоні великих 
лусочок волосся. 
На рис. 3.1 представлене ретельно доглянуте волосся, що не піддавалося 
фарбуванню та було взяте за еталон. 
Як видно з рис. 3.1 досліджуваний зразок волосся має достатньо рівну 
структуру, на якій майже відсутні артефакти, тож можна зроби висновок, що цей 
зразок волосся знаходить в гарному стані. 
На рис. 3.2 – рис.3.7 представлені результати дослідження зразків волосся 
осіб віком від 20 до 35, що не приділяли догляду за волоссям особливої уваги, 
тобто маємо результати недбалого догляду за волоссям. 
 
 51 
   
а)       б) 
  
в) 
Рис. 3.1. Волосся в нормальному стані: а) рельєф поверхні вид зверху;  
б) профіль рельєфу поверхні кутикул; в) рельєф поверхні 3d зображення  
(13.0 um x 13.0 um; A = 210.4 nm; Ra = 12.6 nm, Rq =19.2 nm).  
   
а)        б) 
   
в) 
Рис. 3.2. Зразок № 1. Вплив недбалого догляду за натуральним волоссям:  
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул; в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; А= 263.2 nm Ra = 25.2 nm, Rq = 30.8 nm). 
 52 
   
а)       б) 
 
в) 
Рис. 3.3. Зразок № 2. Вплив недбалого догляду за натуральним волоссям:  
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул; в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; А= 140.1 nm Ra = 9.5 nm, Rq = 13.5 nm). 
   
а)       б) 
 
в) 
Рис. 3.4. Зразок № 3. Вплив недбалого догляду за натуральним волоссям:  
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул; в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; A = 432.7 nm Ra = 48.2 nm, Rq = 60.9 nm) 
 53 
   
а)       б) 
 
в) 
Рис. 3.5. Зразок № 4. Вплив недбалого догляду за натуральним волоссям:  
а) рельєф поверхні вид зверху; б) рельєф поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; 
A = 596.8 nm Ra = 76.6 nm, Rq = 95.1 nm); в) профіль рельєфу поверхні кутикул 
     
а)        б) 
 
в) 
Рис. 3.6. Зразок № 5. Вплив недбалого догляду за натуральним волоссям:  
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; A = 153.8 nm Ra = 14.9 nm, Rq =18.9 nm) 
 54 
    
а)        б) 
 
в) 
Рис. 3.7. Зразок № 6. Вплив недбалого догляду за натуральним волоссям:  
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; A = 153.8 nm Ra = 14.9 nm, Rq =18.9 nm) 
 
Зразки № 1, 3, 4 мають більш яскраво виражені піки, які говорять про те, 
що це волосся сильно пошкоджене і його лусочки не прилягають одна до одної 
так щільно, як це має бути. Тож можна сказати, що зазначені вище зразки досить 
суттєво відрізняються від того, що був взятий за еталонний на рис 3.1. Профілі їх 
поверхонь мають досить виражений рельєф. Якщо ж подивитись на 3d 
зображення другого зразка, то видно, що він відрізняється від тих, які були 
описані вище тим, що він має більш пологу структуру, з чого можна сказати він 
має менш глибокі пошкодження, ніж інші. Рельєф п’ятого та шостого зразків має 
дуже велику кількість невеликих піків. Структура самої волосини пошкоджена на 
всій площі проведеного дослідження. 
На рис. 3.8 зображені результати дослідження волосся особи віком 
30 років, яке було піддане впливу хімічної завивки.  
 55 
а)      б)   
в)     
Рис. 3.8. Зразок № 7. Вплив хімічної завивки: а) рельєф поверхні вид зверху; 
б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф поверхні 3d зображення (13.0 um 
x 13.0 um; A = 3387.0 Ra = 214.5 , Rq =290.8) 
 
Аналіз отриманих АСМ-зображень показав, що рельєф поверхні досить 
неоднорідний, оскільки вся поверхня кутикули сильно пошкоджена та має дуже 
велику кількість малих впадин і піків. 
На рис. 3.9 – 3.13 зображені результати дослідження сивого волосся, 
зразки якого були отримані у людей віком від 35 до 55 років). 
   
а)                            б)     в) 
Рис. 3.9. Зразок № 8. Вплив на сиве волосся навколишнього середовища:  
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул; в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; A = 221.9 nm; Ra = 29.6 nm, Rq =37.8 nm) 
 
 56 
    
а)      б)     в) 
Рис. 3.10. Зразок № 9. Вплив на сиве волосся навколишнього середовища:  
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; A = 276.4 nm;  Ra = 22.9 nm, Rq =31.0 nm) 
 
    
а)      б)      в) 
Рис. 3.11. Зразок № 10. Вплив на сиве волосся навколишнього середовища: 
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 1.0 um Ra = 0.1 um, Rq =0.1 um) 
 
   
а)      б)      в) 
Рис. 3.12. Зразок № 11. Вплив на сиве волосся навколишнього середовища: 
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; A = 1.0 um    Ra = 0.1 um, Rq =0.1 um). 
 57 
 
а)      б)      в) 
Рис. 3.13. Зразок № 12. Вплив на сиве волосся навколишнього середовища: 
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; A = 1.0 um    Ra = 0.1 um, Rq =0.1 um) 
 
Аналіз отриманих АСМ - зображень показав, що рельєф поверхні кутикули 
сивого волосся на всіх зразках має дуже глибокі пошкодження.  
Зразки волосся людей віком від 35 до 55, що регулярно піддавалися впливу 
фарби, до складу якої входив аміак, побачимо на рис. 3.14 – 3.22.  
 
 
а)     б)     в) 
Рис. 3.14. Зразок № 13. Вплив на волосся регулярного фарбування 
аміачною фарбою: а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні 
кутикул; в) рельєф поверхні 3d зображення (13 um x 13 um; A = 245.1 nm Ra = 28.0 
nm, Rq =35.0 nm). 
 
 58 
 
а)      б)      в) 
Рис. 3.15. Зразок № 14. Вплив на волосся регулярного фарбування 
аміачною фарбою: а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні 
кутикул;  в) рельєф поверхні 3d зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 234.7 nm   
Ra = 21.0 nm, Rq =29.7 nm) 
 
 
а)      б)      в) 
Рис. 3.16. Зразок № 15. Вплив на волосся регулярного фарбування аміачною 
фарбою: а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;   
в) рельєф поверхні 3d зображення (13x13um; A=525.7 nm Ra=37.8 nm, Rq =57.6 n 
 
   
а)     б)     в) 
Рис. 3.17. Зразок № 16. Вплив на волосся регулярного фарбування аміачною 
фарбою: а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;   
в) рельєф поверхні 3d зображення (13x13; A=786.2 nm Ra = 76.2 nm, Rq =99.4 nm) 
 
 59 
 
а)      б)     в) 
Рис. 3.18. Зразок № 17. Вплив на волосся регулярного фарбування аміачною 
фарбою: а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;   
в) рельєф поверхні 3d зображення (13x13; A=886.7 nm Ra = 69.3 nm, Rq =92.3 nm) 
 
 
а)      б)      в) 
Рис. 3.19. Зразок № 18. Вплив на волосся регулярного фарбування 
аміачною фарбою: а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні 
кутикул;  в) рельєф поверхні 3d зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 358.4 nm Ra = 
50.8 nm, Rq =62.2 nm) 
 
а)      б)      в) 
Рис. 3.20. Зразок № 19. Вплив на волосся регулярного фарбування аміачною 
фарбою: а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;   
в) рельєф поверхні 3d зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 757.5 nm Ra = 64.5 nm, 
Rq =91.1 nm). 
 60 
 
а) 
 
б) 
 
в) 
Рис. 3.21. Зразок № 20. Вплив на волосся регулярного фарбування 
аміачною фарбою: а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні 
кутикул;  в) рельєф поверхні 3d зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 520.4 nm Ra = 
79.8 nm, Rq =98.1 nm). 
 61 
 
а) 
 
б) 
 
в)  
Рис. 3.22. Зразок № 21. Вплив на волосся регулярного фарбування 
аміачною фарбою: а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні 
кутикул;  в) рельєф поверхні 3d зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 540.0 nm Ra = 
55.7 nm, Rq =74.6 nm). 
 
 62 
Зразки, що піддавалися регулярному впливу аміачної фарби, мають більш 
яскраво виражений рельєф. Якщо ж подивитись на 3d зображення цих зразків, то 
видно, що він відрізняється від еталонного тим, що пошкодження більш глибокі 
та яскраво виражені.  
 На рис. 3.23 – 3.26 представлені результати дослідження зразків волосся 
до фарбування хною, а на рис. 3.27 – 3.30 – відповідно після. 
 
а)                                                           б) 
 
в)  
Рис. 3.23. Зразок № 22. Волосся до фарбування хною: а) рельєф поверхні 
вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф поверхні 3d 
зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 904.2 nm   Ra = 96.9 nm, Rq =126.6 nm). 
 
 63 
 
а) 
 
б) 
 
в)  
Рис. 3.24. Зразок № 23. Волосся до фарбування хною: а) рельєф поверхні 
вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф поверхні 3d 
зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 403.5 nm   Ra = 12.3 nm, Rq =22.4 nm). 
 64 
 
а) 
 
б) 
 
в)  
Рис. 3.25. Зразок № 24. Волосся до фарбування хною: а) рельєф поверхні вид 
зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф поверхні 3d зображення 
(13.0 um x 13.0 um; A = 623.3 nm   Ra = 65.3 nm, Rq =85.8 nm). 
 65 
 
а) 
 
б) 
 
в)  
Рис. 3.26. Зразок № 25. Волосся до фарбування хною: а) рельєф поверхні 
вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф поверхні 3d 
зображення (13.0 um x 13.0 um; А = 336.1 nm    Ra = 30.0 nm, Rq =38.5 nm). 
 
 66 
 
а) 
 
б) 
 
в)  
Рис. 3.27. Зразок № 26. Волосся після фарбування хною:  
а) рельєф поверхні вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф 
поверхні 3d зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 741.3 nm    
Ra = 29.2 nm, Rq =46.4 nm). 
 67 
 
а) 
 
б) 
 
в)  
Рис. 3.28. Зразок № 27. Волосся після фарбування хною:  
а) рельєф поверхні вид зверху;  б) профіль рельєфу поверхні кутикул;   
в) рельєф поверхні 3d зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 251.3 nm   
 Ra = 13.4 nm, Rq =18.4 nm). 
 68 
 
а) 
 
б) 
 
в)  
Рис. 3.29. Зразок № 28. Волосся після фарбування хною: а) рельєф поверхні 
вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф поверхні 3d 
зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 483.4 nm   Ra = 26.8 nm, Rq =37.3 nm). 
 
 69 
 
а) 
 
б) 
 
в)  
Рис. 3.30. Зразок № 29. Волосся після фарбування хною: а) рельєф поверхні 
вид зверху; б) профіль рельєфу поверхні кутикул;  в) рельєф поверхні 3d 
зображення (13.0 um x 13.0 um; A = 227.2 nm   Ra = 20.3 nm, Rq =27.3 nm). 
 
 
 70 
Аналіз АСМ - зображень показав, що рельєф поверхні кутикули волосся до 
фарбування його хною має доволі різну структуру. Так в зразках 26, 28 та 29  
волосся має дуже глибокі пошкодження, а у 27-го зразка волосся має більш гладку 
та однорідну структуру, тобто можна сказати, що до фарбування воно 
знаходилося в нормальному стані.  
Якщо ж аналізувати зображення  зразків після фарбування їх хною, то 
видно, що у більшості випадків стан волосся покращився, волосся набуло більш 
гладкої структури, лише в другому випадку рельєф поверхні кутикули змінився в 
гірший бік і на ньому утворились глибокі впадини. 
 
3.2. Обробка результатів дослідження  
Статистичну обробку даних експериментальних досліджень було 
здійснено у пакеті програм Microsoft Office Excel. 
На графіках, приведених нижче, для відображення отриманих результатів 
досліджень застосовані наступні позначення: 
• синім кольором позначено середні значення амплітуд шорсткості поверхні,  
• червоним - середні арифметичні відхилення шорсткості поверхні,  
• зеленим - середні квадратичні відхилення шорсткості поверхні. 
Відповідно на рисунках (а) зображені результати досліджень за впливами 
різних факторів, а на рисунках (б) порівняльні характеристики середніх значень 
досліджуваного впливу та значень, отриманих в нормі. 
На рис. 3.31, зокрема, представлені результати обробки досліджень 
недбалого догляду за волоссям. 
 
 71 
 
 
а) 
 
б) 
Рис. 3.31. Результати аналізу недбалого догляду за волоссям:  
а) результати всіх зразків; б) порівняльна характеристика середніх значень 
досліджуваного впливу та норми 
 
Результати аналізу сивого волосся зображені на рис. 3.32, з якого видно, 
що досліджувані параметри дуже сильно перевищують нормативні. 
 72 
 
 
а) 
 
б) 
Рис. 3.32. Результати аналізу сивого волосся: а) результати всіх зразків;  
б) порівняльна характеристика середніх значень досліджуваного впливу та норми 
 
Результати аналізу частого фарбування аміачною фарбою зображені на 
рис. 3.33, з якого видно, що досліджувані параметри в деяких випадках дуже 
близькі до нормального, а в інших досить сильно їх перевищують. Середнє ж 
значення всіх досліджених зразків перевищує норму. 
 73 
 
а) 
 
б) 
Рис. 3.33. Результати аналізу частого фарбування аміачною фарбою:  
а) результати всіх зразків; б) порівняльна характеристика середніх значень  
досліджуваного впливу та норми 
 
На рис. 3.34 та 3.35 представлені результати аналізу волосся до та після 
фарбування хною, які показали, що значення досліджуваних параметрів до 
фарбування перевищують норму, а після фарбування хною параметри знизились. 
 74 
 
а) 
 
б) 
Рис. 3.34. Результати аналізу волосся до фарбування хною:  
а) результати всіх зразків; б) порівняльна характеристика середніх значень  
досліджуваного впливу та норми 
 75 
 
а) 
 
б) 
Рис. 3.35. Результати аналізу волосся після фарбування хною: а) результати 
всіх зразків; б) порівняльна характеристика середніх значень  досліджуваного 
впливу та норми 
 
За всіма серіями досліджень зроблено загальний висновок про те, що на 
стан волосся впливає дуже багато факторів, які різною мірою пошкоджують його, 
проте найбільш сильний негативний вплив має недбалий догляд, що 
підтверджується результатами аналізу за середніми значеннями амплітуд (А), 
середніми арифметичними відхиленнями (Ra) та середніми квадратичними 
відхиленнями (Rq). 
 76 
Висновки до розділу 3 
1. Для відображення дрібних неоднорідностей на фоні великих лусочок волосся 
аналіз геометричних параметрів кутикули був реалізований напівконтактним 
режимом сканування методом АСМ із застосуванням фазового зсуву. 
2. За результатами дослідження недбалого догляду було визначено, що зразки 
такого волосся мають досить яскраво виражені піки, які говорять про те, що 
це волосся сильно пошкоджене і його лусочки не прилягають одна до одної 
так щільно, як це мало б бути в нормі, а структура самої волосини 
пошкоджена на всій площі проведеного дослідження. 
3. За результатами дослідження волосся, що регулярно піддавалося впливу 
речовин, до складу якої входив аміак, було визначено, що ці зразки мають 
більш яскраво виражений рельєф та більш глибокі та яскраво виражені 
пошкодження. 
4. За всіма серіями досліджень зроблено загальний висновок про те, що на стан 
волосся впливає дуже багато факторів, які різною мірою пошкоджують його, 
проте найбільш сильний негативний вплив має недбалий догляд, що 
підтверджується результатами аналізу за середніми значеннями амплітуд (А), 
середніми арифметичними відхиленнями (Ra) та середніми квадратичними 
відхиленнями (Rq) в пакеті програм Microsoft Office Excel. 
 77 
ВИСНОВКИ 
 
  У кваліфікаційній роботі магістра проводиться дослідження впливу різних 
факторів забруднення повітря на стан волосяного покрову людини за допомогою 
методу скануючої зондової мікроскопії, що дозволяє детально аналізувати зміни в 
мікроструктурі волосся та оцінювати їх кореляцію з рівнем забруднення 
навколишнього середовища. 
1. Волосся людини має складну будову, що може активно змінюватися під дією 
різних природних (переважно внутрішніх) та штучних (переважно зовнішніх) 
факторів. 
2. В результаті аналізу всіх факторів, що мають вплив на волосся, для більш 
детального дослідження за допомогою атомно-силового мікроскопу були виділені 
неправильний догляд, вплив атмосферних забруднень (аміаковмісними та 
природніми речовинами) та хімічний вплив.  
3. Аналіз мікроскопічних методів дослідження показав, що для дослідження та 
аналізу біологічних об’єктів найбільш придатний метод АСМ, оскільки він 
дозволяє отримати тривимірну картину структури досліджуваного зразка та не 
вимагає наявності провідності зразка. 
4. Огляд методів реалізації досліджень в атомно-силовій мікроскопії показав, 
що для дослідження волосся людини найбільш придатний метод відображення 
фази, оскільки в цьому випадку розподіл фазового зсуву по поверхні буде 
відображати розподіл характеристик матеріалу досліджуваного зразка. 
5. В результаті аналізу режимів роботи АСМ було показано, що для роботи з 
біологічними зразками найкраще підходить напівконтактний режим роботи АСМ, 
який дозволить відобразити дрібні неоднорідності структури волосся на фоні його 
великих лусочок.  
6. За результатами дослідження недбалого догляду було визначено, що зразки 
такого волосся мають досить яскраво виражені піки, які говорять про те, що це 
волосся сильно пошкоджене і його лусочки не прилягають одна до одної так 
щільно, як це мало б бути в нормі, а структура самої волосини пошкоджена на 
всій площі проведеного дослідження. 
 78 
7. За результатами дослідження волосся, яке було піддане хімічному впливу, 
було визначено, що рельєф поверхні досить неоднорідний, оскільки вся поверхня 
кутикули сильно пошкоджена та має дуже велику кількість малих впадин і піків.  
8. За результатами дослідження волосся, що регулярно піддавалося впливу 
речовин, до складу якої входив аміак, було визначено, що ці зразки мають більш 
яскраво виражений рельєф та більш глибокі та яскраво виражені пошкодження. 
9. За всіма серіями досліджень зроблено загальний висновок про те, що на стан 
волосся впливає дуже багато факторів, які різною мірою пошкоджують його, 
проте найбільш сильний негативний вплив має вплив атмосферних забруднень, 
що підтверджується результатами аналізу за середніми значеннями амплітуд (А), 
середніми арифметичними відхиленнями (Ra) та середніми квадратичними 
відхиленнями (Rq) в пакеті програм Microsoft Office Excel. 
 
 79