The authors thank the DFG (Hu 997/2-2) for financial support. FS acknowledges the Hanns-Seidel-Stiftung (HSS). SKr was supported by the Elitenetzwerk Bayern in the framework of the doctorate program Material Science of Complex Interfaces. SKi thanks the SFB 863 for financial support.

HINWEIS: Siehe Abbildung 2 für einen Überblick über den Prozessablauf, das die Herstellung, die Datenerfassung und Datenanalyseschritte. 1. Setup-Reagenz HINWEIS: Alle Chemikalien müssen mit Vorsicht behandelt werden, und damit eine Laborkittel, Schutzhandschuhe und Augenschutz zu verwenden. Alle Arbeiten müssen in einem Laborabzug durchgeführt werden. Insbesondere sollten spezielle Handschuhe bei Chloroform Gebrauch abgenutzt werden. <ol><li> Verwenden Sie Chemikalien mit geringem Wassergehalt, wie trockenem Chloroform schnell und trocken lagern, aber nicht länger als eine Woche. Speichern sowohl Chemikalien als bei -20 ° C und unter Stickstoff- oder Argongas, weil APTES ((3-Aminopropyl) triethoxysilan) (siehe Tabelle 1) und PEG (Polyethylenglykol) sind hygroskopisch und PEG unterliegt Oxidation in Luft. </li><li> Um häufige Exposition der Aktie gegenüber Luftsauerstoff und Feuchtigkeit zu vermeiden, bereiten kleinere Teilmengen, im Idealfall in einem Handschuhfach-System mit einem Stickstoff Atmospre. </li></ol> 2. Geräte-Setup HINWEIS: Um mögliche Kreuzkontamination zu vermeiden, verwenden Sie frische und saubere Gefäße für jeden Schritt. <ol><li> Gesäuberte Glas und Pinzette in Waschmittellösung für 30 min in einem Ultraschallbad bei 60 ° C. </li><li> Spülen und beschallen Geräte aus Schritt 2.1 zweimal gründlich mit hochreinem Wasser. </li><li> Wärmegeräte aus Schritt 2.1 in RCA-Lösung (Reinstwasser, Wasserstoffperoxid und Ammoniak (5: 1: 1)) bis 75 ° C in einem Ofen für 45 Minuten und anschließend Spülen sie mit Reinstwasser. </li><li> Zum Schluß wird der Glaswaren und Pinzette unter einem Strom von trockenem Stickstoff oder in einem Ofen (100 ° C, 3 h). </li></ol> 3. Tipp Funktionalisierung HINWEIS: Verwenden einer Pinzette, Behälter, usw. aus Edelstahl, PTFE, Glas oder anderen Materialien, die in organischen Lösungen ggf. chemisch stabil ist. Wenn nicht anders angegeben, die Durchführung aller Schritte bei RT. Die Höhe der Inkubationslösung benötigt wird, hängt von der Anzahl der Cantilever-Chips. Stellen Sie sicher, dass die Ausleger sind in den jeweiligen Lösungen zu jeder Zeit eingetaucht. HINWEIS: Verwenden Sie eine Kapuze, um das Einatmen von organischen Dämpfen zu vermeiden. <ol><li> Bildung von OH-Gruppen auf Auslegeroberfläche (&quot;Aktivierung&quot;) (ca. 0,5 h): <ol><li> Verwenden einer Pinzette, an die frische Cantilever-Chips zu platzieren (Material: SiN, Federkonstante: 10-100 pN / nm) auf einer sauberen Glasobjektträger und legte sie in eine Plasmakammer (100 W). </li><li> Evakuieren Kammer (~ 0,1 mbar). </li><li> Flutkammer mit Sauerstoffgas und evakuieren Sie es erneut. </li><li> Aktivieren Sie das Plasmaverfahren (Leistung: 20%, Dauer: 15 min, Prozessdruck: 0,25 mbar). </li></ol></li><li> Amino-Silanisierung von Auslegern (ca. 1 h): <ol><li> Bereiten Sie die 2,5 ml APTES-Lösung (siehe Tabelle 1) in einer Glaspetrischale - tun dies im Idealfall während des Plasmaprozesses. </li><li> Immediately nach dem Plasmaverfahren, tauchen jeden Cantilever 1 Sekunde lang in Aceton und sie unmittelbar danach in der APTES Lösung. </li><li> Inkubieren für 15 min bei RT. </li><li> Die Cantilever-Chips vorsichtig zweimal in 10 ml Aceton und einmal in 10 ml Chloroform zu spülen. </li><li> Optional letzte Schritt: Platzieren Cantilever-Chips aus dem vorhergehenden Schritt auf eine saubere Glasplatte und bäckt sie für 30 min bei 70 ° C. Beachte, dass es auch alternative Strategien zur Oberflächenaktivierung, beispielsweise UV-Behandlung 12. </li></ol></li><li> PEGylierung (ca. 2 h): HINWEIS: Führen Sie die Schritte 3.3.1-3.3.4 während Amino-Silanisierung. NHS und Maleimid Gruppen unterliegen einer Hydrolyse in wässrigen Umgebungen und PEG selbst wird einer Oxidation in Luft. Daher Timing (insbesondere zwischen den Stufen) ist ein kritischer Parameter. Siehe 13 für weitere Informationen. <ol><li> Bereiten Sie die Chloroform-Lösung (siehe Tabelle 1). </li><li> Zur Vermeidung von Kondensation, Pulver warmen PEG bis zu RT vor dem Öffnen des aliquoten und einem Gewicht von den entsprechenden Betrag. </li><li> Für die Kopplung von Polymeren oder Lipiden mit Aminogruppen, separat zu lösen NHS-PEG-NHS (6 kDa) und Methyl-PEG-NHS (5 kDa) in der Chloroformlösung durch Vortexen, bis sie vollständig gelöst sind. Siehe Tabelle 1 für die Konzentration. <ol><li> Alternativ. für die Kupplung von Polymeren mit Thiolgruppen getrennt lösen Mal-NHS- PEG und Methyl-PEG-NHS in der Chloroformlösung. </li></ol></li><li> Mischen der Lösungen, wie erforderlich, um eine bestimmte Anzahl Verhältnis zwischen der NHS- oder maleimide- und methyltermini PEG Moleküle (typischerweise 1: 500) einzustellen. Man beachte, dass das ideale Verhältnis ist iterativ in einer Reihe von Vorbereitungsexperiment Zyklen bestimmt werden. </li><li> Inkubieren Ausleger Chips in der PEG-Lösung für 1 h in einem Chloroform gesättigte Atmosphäre um ein Verdampfen des Chloroforms zu verhindern. </li></ol></li><li> Sondenmolekül Konjugation(&gt; 1 h): HINWEIS: In der folgenden 3.4.1-3.4.3, sind drei Beispiele für die kovalente Kopplung von unterschiedlichen Sondenmolekülen auf die AFM-Spitze beschrieben. Für jedes Molekül das Protokoll angepasst werden muss. Ferner ist zu beachten, daß in Beispiel 1 und 3 NHS-Chemie, während in Beispiel 2 die Thiol funktionalisierten Polymers PI- g -PS an das PEG über Maleimid- Chemie gekoppelt verwendet. Details siehe 14. <ol><li> Für Poly (aminosäure) Poly-D-Tyrosin (40-100 kDa) <ol><li> Lösen Sie die Polytyrosin konjugiert Sondenmolekül in 1 M NaOH. Die Konzentration ist anzupassen, um 1 mg / ml. </li><li> Tauschen das NaOH für Natriumboratpuffer (pH 8,1) unter Verwendung von Spin-Entsalzungssäulen (7 kDa MWCO) unmittelbar vor der Funktionalisierung </li><li> Zuerst mit 5 ml Chloroform und dann mit 5 ml Ethanol und schließlich mit 5 ml Boratpuffer spülen Auslegern. </li><li> Inkubieren Sie die Cantilever-Chips für 1 Stunde in der Polytyrosin Boratpufferlösung und dann mit Boratpuffer spülenund Reinstwasser. Bewahren Sie in ultrareinem Wasser bis zur Messung. </li></ol></li><li> Für Polymere mit einem linearen Backbone (Polyisopren, 119 kDa) mit gepfropften Seitenketten (Polystyrol, 88 kDa) 14 <ol><li> Lösen Sie die PI- g -PS in trockenem Chloroform. Einzustellen, die Konzentration des konjugierten Lösung auf 4 mg / ml. </li><li> Spülen Sie die Ausleger mit 5 ml Chloroform und Inkubation für mindestens 1 Stunde in der Konjugation Lösung. </li><li> Wieder spülen in 5 ml Chloroform und speichern in Chloroform in einer Chloroform-gesättigten Umgebung bis zur Messung (Chloroform Verdampfung zu verhindern). </li></ol></li><li> Für die Lipid PAPST <ol><li> Lösen Sie PAPST in trockenem Chloroform. Die Konzentration ist anzupassen, um 20 mM. </li><li> Spüle die Cantilevern mit 5 ml Ethanol und 5 ml hochreinem Wasser vor der Inkubation der Ausleger für 1 h in der Lipidlösung. </li><li> Nach Inkubation spülen Cantilever mit 5 ml Chloroform, 5 ml Ethanol und 5 ml warmem, Reinstwasser (in dieser Reihenfolge), um nicht gebundenen Sondenmoleküle zu entfernen und loszuwerden, Chloroform Rückstände zu bekommen. Verwenden funktionalisierten Spitzen sofort. Alternativ speichern sie in Chloroform, bis sie benötigt. </li></ol></li></ol></li></ol><img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/52456/52456fig1.jpg" /> Abbildung 1. (A) Schematische Darstellung der Spitze Funktionalisierung am Beispiel der NHS-Chemie. (B) Die chemische Bindung verwendet, um ein Sondenmolekül an der Spitze über eine Aminogruppe zu befestigen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52456/52456fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a> 4. Oberflächenvorbereitung <ol><li> Selbstorganisierten Monoschicht (SAM) HINWEIS: Wie Oberfläche zum ersten Beispiel eine selbstorganisierte Monoschicht gewählt. Siehe Literatur 15 </sup&gt; für Details. <ol><li> Saubere Glasobjektträger mit Reinigungslösung und dann zweimal in ultrareinem Wasser in einem Ultraschallbad für 30 Minuten jeweils. Dann, als zusätzliche Reinigungsstufe, legen Sie sie in der RCA-Lösung (siehe Punkt 2.3) bei 75 ° C für 15 min. </li><li> Bestreichen Sie die Objektträger mit 10 nm Chrom-Nickel und 100 nm Gold in einer Vakuumbeschichtungsvorrichtung. Dann lagern im Kühlschrank und sauber wieder in der RCA-Lösung unmittelbar vor dem nächsten Schritt. </li><li> Die Folien von dem vorherigen Schritt Inkubieren in 2 mM 1-Dodecanthiol / Ethanollösung für 12 h. Die Thiolgruppen an der Goldoberfläche zu binden, und eine hydrophobe Monoschicht selbst montiert. Spülen Sie die Folien mit Ethanol und Reinstwasser und dann trocken mit einem Strom von Stickstoffgas. Bestätigen die Hydrophobizität der vorbereiteten Oberfläche mit statischen Kontaktwinkelmessungen in einem Goniometer mit einer CCD-Kamera 10. </li></ol></li><li> Wasserstoff terminiert Diamant HINWEIS: In der Fläche für das zweite Beispiel ein Wasserstoff terminiert Diamant gewählt. Die Vorbereitung der Oberfläche wurde wie zuvor 16 beschrieben durchgeführt. </li><li> Unterstützte Lipiddoppelschicht Hinweis: Im letzten Beispiel wurde eine Oberflächengestützten Lipiddoppelschicht (SLB) als Fläche verwendet. Um eine solche Oberfläche zu erhalten, wurde eine Lösung (0,1 mg / ml) von großen unilamellaren Vesikeln (LUVs), bestehend aus Phospholipid POPC durch das Extrusionsverfahren gebildet. Dann wurden 50 ul der Lösung auf ein LUV frisch gespaltene Glimmerfolie (A = 1 cm²) gegeben und für 30 min inkubiert. Schließlich wurde die Lösung mit 20 ml ultrareinem Wasser gespült. Siehe 17,18 für eine detaillierte Beschreibung der Herstellung von SLBs. </li></ol> 5. Datenerfassung HINWEIS: Für die Versuche, verwenden Sie ein AFM, die in der Lage, in Flüssigkeiten zu messen bietet. Die Datenerfassung und Datenanalyseverfahren gelten, unabhängig von der verwendeten AFM-Modell. Weiterhin kann in einigen Experimenten ist es vorteilhaft, die Möglichkeit, die Temperatursteuerung aufweisene in der Flüssigzelle. Cantileverauslenkung wurde über die Laserstrahlablenkung Verfahren 19 erkannt. Federkonstanten wurden mit dem thermischen Rauschen Methode 20 bestimmt. <ol><li> Legen Sie die funktionalisierten Cantilever in eine AFM-Cantilever-Halter, der für die Messung in Flüssigkeiten ist. </li><li> Setzen Sie die Oberfläche (Vorbereitung siehe oben), um in die AFM abgetastet werden und decken Sie es mit Flüssigkeit. Sowohl Cantilever und Oberfläche sollte nun in der Flüssigkeit mit dem Auslegerspitzen auf die Fläche eingetaucht werden. Man beachte, dass in vielen Fällen ein Flüssigkeitstropfen genügt. In jedem Fall der Verdampfung des Fluids vermieden werden sollte, beispielsweise durch die Verwendung eines geschlossenen Fluidzelle. </li><li> Gegebenenfalls einstellen gewünschte Temperatur auf der Steuerung. </li><li> Lassen Sie das System ins Gleichgewicht kommen für mindestens eine halbe Stunde. </li><li> Aufnehmen eines thermischen Rauschspektrum des Auslegers mit dem Ausleger weit weg von der Oberfläche, um jegliche Oberflächendämpfungseffekte auszuschließen. Beachten Sie, dass in der Regel 10 oder mehr Spektren müssen akkumuliert werden, um ein ausreichendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhalten. </li><li> Nähern Sie sich dem Oberfläche. Beachten Sie, dass, um die Geometrie der Spitze und Spitze sparen Funktionalisierung der Ansatz Prozess muss sorgfältig durchgeführt werden. Dies kann erreicht werden, zum Beispiel, nähert im intermittierenden Kontaktmodus. </li><li> Bestimmen Sie die inverse optische Hebelempfindlichkeit (InvOLS) in nm / Volt gemessen. Tun Sie dies, indem Sie die Cantileverspitze gegen eine harte Oberfläche. <ol><li> Bestimmen die InvOLS durch Messen der Steigung der piezo Wegstrecke gegen die Änderung der Photodiodenspannung. Setzen Sie eine Linie zum Teil der Kraft-Weg-Kurve, wo die Blattfederspitze ist in Kontakt mit der Oberfläche. In Experimenten mit einer weichen Oberfläche wie Lipid-Doppelschichten, führen Sie diesen Schritt auf Bereiche, die nicht mit einer Lipid-Doppelschicht (&quot;Mangel spots &#39;) abgedeckt sind. </li></ol></li><li> Bestimmen Sie die Federkonstante (pN / nm) durch den Einbau eines harmonischen Oszillators der thermischen Rauschspektrum. Verwendungautomatisierte Software-Funktion für Federkonstante Bestimmung; sonst Rücksprache Literatur 20. </li><li> Starten Sie das Experiment. <ol><li> Nehmen Sie zahlreiche Kraft-Weg-Kurven an jeder Versuchsbedingung. In der Regel verwenden Sie die folgenden Werte für die Versuchsparameter: Abtastrate von 5 kHz, Spitzengeschwindigkeit von 1 &amp; mgr; m / sec, zurückzuziehen Abstand von 1 um. HINWEIS: manchmal, abhängig von der Dynamik der untersuchten Experiment könnte es notwendig sein, eine gewisse Zeit mit der Spitze in Kontakt mit der Oberfläche zu warten (&quot;Verweilzeit&quot;). HINWEIS: Das Experiment spezifische Parameter können erheblich von den oben angegebenen Werten abweichen. </li><li> Während einer Langzeitmessungen auf Null der Laserposition auf die Fotodiode von Zeit zu Zeit durch Umpositionieren der Photodiode. </li><li> Optional: Nach jedem Kraftkurve, den Standort der AFM-Spitze auf eine andere XY-Position. </li><li> Am Ende des Experiments bestimmen die Empfindlichkeit und die Feder constant wieder auf Konsistenz und Stabilität des Systems zu überprüfen. HINWEIS: Der Vergleich der Federkonstante und der Empfindlichkeit vor und nach dem Experiment ist auch ein Mittel, um sicherzustellen, dass die Eigenschaften des Systems, und die Eigenschaften der Spitze blieb über den Verlauf des Experiments unverändert. Wenn die Differenz der Federkonstanten nicht zu groß ist (&lt;= 15%), können sie gemittelt werden, da die Eigenunsicherheit von Federkonstanten-Bestimmungs ebenfalls etwa 15%. Für größere Unterschiede, ist es ratsam, zuerst finden und die Ursache für die Veränderung offensichtlich Federkonstante zu beseitigen, bevor Sie mit weiteren Experimenten. </li></ol></li></ol> 6. Datenaufbereitung HINWEIS: In diesem Abschnitt werden allgemeine Daten Vorbereitungsschritte, die üblicherweise unabhängig von der spezifischen Art von Experiment durchgeführt, um Einheiten umzurechnen, um Newton und Nanometerbereich sowie zur Korrektur werden die Daten beschrieben werden. Die Versuchsspezifischen Daten Analysen briefly wie weiter unten beschrieben in die jeweiligen repräsentativen Beispielteil. <ol><li> Typischerweise führen alle Datenaufbereitung und Analyse die Schritte automatisch von einem haus geschrieben Algorithmus, zum Beispiel auf der Basis der Software IGOR Pro 6. </li><li> Konvertieren Sie die rohen Ablenksignal (Defl) [V] in Kraft, durch Multiplikation mit den InvOLS [nm / V] und die Federkonstante [nN / nm]. </li><li> Versetzt die Kraft in einer Weise, dass die Kraft auf den Ausleger in ausreichendem Abstand von der Oberfläche (entladen Cantilever) zu 0 nN. </li><li> Berechnen der tatsächlichen Position der Spitze (auch genannt Trenn wenn es relativ zu der Oberfläche gemessen) z *, die die Verbiegung des Cantilevers berücksichtigt: <img alt="Gleichung 1" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52456/52456eq1.jpg" /></li><li> Offset z * in der Weise, dass z * = 0 entspricht der z-Position der Oberfläche. Anmerkung: Dabei ist F die Kraft, die an der Spitze und somit Biegung wirkts der Ausleger (im Schritt 6.2 bestimmt.), z die gemessene Z-Position des Sensors (vom Gerät direkt angegeben) und k die Federkonstante (im Schritt 5.8 bestimmt). </li></ol><img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/52456/52456fig2.jpg" /> Abbildung 2: Prozessflussdiagramm, das die Probenvorbereitung, die Datenerfassung und der Datenanalyse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52456/52456fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a>

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N., Hugel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymer+Adhesion+at+the+Solid-Liquid+Interface+Probed+by+a+Single-Molecule+Force+Sensor.">Polymer Adhesion at the Solid-Liquid Interface Probed by a Single-Molecule Force Sensor.</a> Small. 5 (24), 2864-2869 (2009).</li><li>Morfill, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Affinity-matured+recombinant+antibody+fragments+analyzed+by+single-molecule+force+spectroscopy.">Affinity-matured recombinant antibody fragments analyzed by single-molecule force spectroscopy.</a> Biophysical journal. 93 (10), 3583-3590 (2007).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

In den letzten Jahrzehnten haben die Einzelmolekül-Experimente beispiellose Einblicke in die molekularen Mechanismen, die zur Verfügung gestellt und erwies sich als ein wertvolles Vorgehen im Bereich Life Science und darüber hinaus. Um eine gute und sinn Statistiken EMKS Experimenten idealer ein und dasselbe Molekül wird über den gesamten Verlauf des Experiments verwendet erzielen. Im Gegensatz zu den Experimenten mit Ensembles von Molekülen sind SMFS Experimente in der Lage, seltene Ereignisse und versteckt Molek...

In den letzten 30 Jahren ist die Rasterkraftmikroskopie (AFM) sich als ein wertvolles Abbildungstechnik zur biologischen 1,2 und synthetische 3 Materialien und Oberflächen zu untersuchen, da sie Informationen über die Molekular räumliche Auflösung in allen drei Dimensionen und in verschiedenen Lösungsmittel betrieben werden kann Umgebungen. Außerdem AFM-Einzelmolekülkraftspektroskopie (SMFS) ermöglicht, Kräfte, die von der pN-Regime uN messen und hat beispiellose Einblicke beispielsweise in der Proteinfaltung 4,5, Polymerphysik 6 angegeben - 8 und Einzelmolekül-Oberflächen-Wechselwirkung 9 - 12 .Die Gründe für einzelne Moleküle anstatt ein Ensemble von Molekülen ist die Vermeidung von durchschnittlich Effekte, die oft zu maskieren seltene Ereignisse oder versteckte Molekülzustände. Ferner kann eine Vielzahl von molekularen Parameter wie die Konturlänge, die Kuhn Länge der Haft freien Energie, etc.erhalten. Dies wird in den folgenden Beispielen beschrieben. In einem typischen AFM-SMFS-Experiment wird das Sondenmolekül zu einer sehr scharfen Spitze über ein Linkermolekül gekoppelt. Die Spitze selbst ist am Ende eines biegbaren Ausleger angeordnet. Wenn die Spitze in Berührung mit der Oberfläche gebracht wird das Sondenmolekül wird mit dieser Oberfläche in Wechselwirkung treten. Durch die Beobachtung der Auslenkung des Auslegers beim Zurückziehen der Spitze, die Kraft und damit die freie Energie, um das Molekül von der Oberfläche ablösen kann bestimmt werden. Um aussagekräftige Statistiken zu erhalten, wurde eine Vielzahl von so genannten Kraft-Weg-Kurven aufgenommen werden. Ferner sind echte Einzelmolekülexperimente (dh, mit ein und derselben Sonde Moleküls über die Dauer des gesamten Experiments) das Sondenmolekül sollte kovalent an die AFM-Spitze gekoppelt werden müssen. Hier wird ein Versuchsprotokoll für Cantilever Funktionalisierung mit einem einzelnen Molekül über eine kovalente Bindung dargestellt. Die einzigen Molekül kann entweder über eine Amino- oder eine Thio gekoppelt werdenl-Gruppe an die AFM-Spitze. Die Konjugation Verfahren kann in einer Vielzahl von Lösungsmitteln (organisch und wässrig), um für die Lösungseigenschaften der verwendeten Polymere Konto erfolgen. Im ersten Teil, ein allgemeines Protokoll, um kovalent an ein einzelnes Molekül (&quot;Sondenmolekül&quot;) über ein Linkermolekül an eine AFM-Spitze beschrieben. Zu diesem Zweck wird organischen NHS- oder Maleimid-Chemie verwendet 13. Zusammen mit dem Protokoll für die drei beispielhaften Molekülen, werden die Datenerfassung und Datenanalyseverfahren beschrieben, und Literaturhinweise sind. Die Beispiel-Moleküle sind: die (lineare) Polymer Tyrosin, das Pfropfpolymerisat PI- g -PS und die Lipid PAPST. Dies beinhaltet leichte Variationen des Protokolls, zum Beispiel kovalente Anbindung Cysteine. Zusätzlich ist ein Abschnitt, um die Herstellung von verschiedenen Oberflächen wie einer Diamantoberfläche, einer CH 3 -tafeln organisierte Monoschicht und Lipiddoppelschichten gewidmet. Diese Schnittstellen müssen proven, um gute Referenzen und Beispiele können.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Materials</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hellmanex III alkaline liquid concentrate (detergent solution)</td>
			<td>Hellma</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RCA (ultrapure water, hydrogen peroxide (35 %), ammonia (32%); 5:1:1(v/v/v))</td>
			<td>Sigma</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vectabond reagent / APTES (3-Aminopropyl)triethoxysilane</td>
			<td>Vectorlabs</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dry acetone (&#60; 50 ppm H2O)</td>
			<td>Sigma</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dry chloroform (&#62; 99.9 %)</td>
			<td>Sigma</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triethylamine</td>
			<td>Sigma</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrapure water</td>
			<td>Biochrom, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Di-sodium tetraborate (&#62; 99.5 %)</td>
			<td>Biochrom, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Boric Acid</td>
			<td>Biochrom, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monofunctional &#945;-methoxy-&#969;-NHS PEG, 5kDa, &#8220;methyl-PEG-NHS&#8221;</td>
			<td>Rapp, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heterobifunctional &#945;,&#969;-bis-NHS PEG, 6 kDa, &#8220;NHS-PEG-NHS&#8221;</td>
			<td>Rapp, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heterobifunctional &#945;-maleimidohexanoic- &#969;-NHS PEG, 5 kDa, &#8220;Mal-PEG-NHS&#8221;</td>
			<td>Rapp, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe molecule (polymer, lipid, etc.)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Equipment</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sufficient amount of glass crystallising dishes with spout (10 ml), glass petri dishes (500 &#181;l) and glass lids</td>
			<td>VWR International GmbH, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory oven model UF30</td>
			<td>Memmert, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temperature controlled sonicator</td>
			<td>VWR International GmbH, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plasma system &#34;Femto&#34;, 100 W</td>
			<td>Diener, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>One separate glass syringe for each organic solvent</td>
			<td>VWR International GmbH, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vortex mixer</td>
			<td>VWR International GmbH, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcentrifuge tubes (0.5 ml or 1.5 ml)</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipettes: 10-100 &#181;l, 50-200 &#181;l and 100-1000 &#181;l</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AFM with temperature controlled fluid cell (e.g. MFP-3D with BioHeater)</td>
			<td>Asylulm Research, Santa Barbara</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soft SiN cantilevers cantilever, typically made from silicon nitride (SiN) (spring constant less than 100 pN/nm, e.g. MLCT)</td>
			<td>Bruker AXS, Santa Barbara</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

investigating single molecule adhesion by atomic force spectroscopy

Rasterkraftspektroskopie ist ein ideales Werkzeug, um Moleküle an Oberflächen und Grenzflächen zu untersuchen. Eine experimentelle Protokoll zum Koppeln eine Vielzahl von Einzelmoleküle kovalent an einer AFM-Spitze dargestellt. Gleichzeitig die AFM-Spitze passiviert, um unspezifische Wechselwirkungen zwischen der Spitze und dem Substrat, die eine Voraussetzung für die einzelnen Moleküle an die AFM-Spitze angebracht studieren verhindern. Analysen, um die Haftkraft, die Haftung der Länge, und die freie Energie dieser Moleküle auf festen Oberflächen und Bio-Schnittstellen werden in Kürze vorgestellt und externe Verweise auf weiterführende Literatur werden zur Verfügung gestellt zu bestimmen. Beispiel Moleküle sind die Poly (aminosäure) Polytyrosin das Pfropfpolymer PI- g -PS und das Phospholipid POPE (1-Palmitoyl-2-oleoyl- sn-glycero-3-phosphoethanolamin). Diese Moleküle werden von verschiedenen Oberflächen wie CH 3 -SAMs, Wasserstoff terminiert Diamant desorbiert und unterstützten Lipiddoppelschichten unter verschiedenen Lösungsbedingungen. Schließlich wird dasVorteile der Kraft-spektroskopische Einzelmolekülexperimenten diskutiert Mittel zu entscheiden, ob wirklich ein einzelnes Molekül hat im Experiment untersucht.

Im Folgenden wird beschrieben, die Ergebnisse für das obige Beispiel Moleküle, nämlich die Polymere Poly (Aminosäure), Polytyrosin, das Pfropfpolymer PI- g -PS und das Phospholipid POPE, werden vorgestellt. Zunächst für jedes Beispiel, experimentieren spezifischen Details für die Datenerfassung und Datenaufbereitung zur Verfügung. Dann werden die Ausführungsergebnisse für Versuche, bei denen diese Moleküle wurden aus verschiedenen Oberflächen desorbiert (CH 3 -SAMs, Wasserstoff terminiert...

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Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

Untersuchung von Einzelmolekül Haftung durch Rasterkraftspektroskopie

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

10.2K Aufrufe.  Technische Universität München. A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

Serie: Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the spatial and temporal heterogeneity of molecular behaviors that underlie cellular biology 1-4. To image an individual molecule of interest, it is typically conjugated to a fluorescent tag (dye, protein, bead, or quantum dot) and observed with epifluorescence or total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. While dyes and fluorescent proteins have been the mainstay of fluorescence imaging for decades, their fluorescence is unstable under high photon fluxes necessary to observe individual molecules, yielding only a few seconds of observation before complete loss of signal. Latex beads and dye-labeled beads provide improved signal stability but at the expense of drastically larger hydrodynamic size, which can deleteriously alter the diffusion and behavior of the molecule under study.
Quantum dots (QDs) offer a balance between these two problematic regimes. These nanoparticles are composed of semiconductor materials and can be engineered with a hydrodynamically compact size with exceptional resistance to photodegradation 5. Thus in recent years QDs have been instrumental in enabling long-term observation of complex macromolecular behavior on the single molecule level. However these particles have still been found to exhibit impaired diffusion in crowded molecular environments such as the cellular cytoplasm and the neuronal synaptic cleft, where their sizes are still too large 4,6,7.
Recently we have engineered the cores and surface coatings of QDs for minimized hydrodynamic size, while balancing offsets to colloidal stability, photostability, brightness, and nonspecific binding that have hindered the utility of compact QDs in the past 8,9. The goal of this article is to demonstrate the synthesis, modification, and characterization of these optimized nanocrystals, composed of an alloyed HgxCd1-xSe core coated with an insulating CdyZn1-yS shell, further coated with a multidentate polymer ligand modified with short polyethylene glycol (PEG) chains (Figure 1). Compared with conventional CdSe nanocrystals, HgxCd1-xSe alloys offer greater quantum yields of fluorescence, fluorescence at red and near-infrared wavelengths for enhanced signal-to-noise in cells, and excitation at non-cytotoxic visible wavelengths. Multidentate polymer coatings bind to the nanocrystal surface in a closed and flat conformation to minimize hydrodynamic size, and PEG neutralizes the surface charge to minimize nonspecific binding to cells and biomolecules. The end result is a brightly fluorescent nanocrystal with emission between 550-800 nm and a total hydrodynamic size near 12 nm. This is in the same size range as many soluble globular proteins in cells, and substantially smaller than conventional PEGylated QDs (25-35 nm).

We describe the preparation of colloidal quantum dots with minimized hydrodynamic size for single-molecule fluorescence imaging. Compared to conventional quantum dots, these nanoparticles are similar in size to globular proteins and are optimized for single-molecule brightness, stability against photodegradation, and resistance to nonspecific binding to proteins and cells.

Compact Quantum Dots für Einzelmolekül-Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

Forschung

Ingenieurwesen

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the electronic quantum structure of small systems - including individual atomic dopants in semiconductors. Here we present a capacitance-based method, known as Subsurface Charge Accumulation (SCA) imaging, which is capable of resolving single-electron charging while achieving sufficient spatial resolution to image individual atomic dopants. The use of a capacitance technique enables observation of subsurface features, such as dopants buried many nanometers beneath the surface of a semiconductor material1,2,3. In principle, this technique can be applied to any system to resolve electron motion below an insulating surface.
As in other electric-field-sensitive scanned-probe techniques4, the lateral spatial resolution of the measurement depends in part on the radius of curvature of the probe tip. Using tips with a small radius of curvature can enable spatial resolution of a few tens of nanometers. This fine spatial resolution allows investigations of small numbers (down to one) of subsurface dopants1,2. The charge resolution depends greatly on the sensitivity of the charge detection circuitry; using high electron mobility transistors (HEMT) in such circuits at cryogenic temperatures enables a sensitivity of approximately 0.01 electrons/Hz&frac12; at 0.3 K 5.

Scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy facilitates the study of single-electron motion in localized subsurface regions. A sensitive charge-detection circuit is incorporated into a cryogenic scanning probe microscope to investigate small systems of dopant atoms beneath the surface of semiconductor samples.

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

This study demonstrates an inexpensive and straightforward technique that allows the measurement of physical properties such as position, velocity, acceleration and forces involved in the locomotory behavior of nematodes suspended in a column of water in response to single wavelengths of light. We demonstrate how to evaluate the locomotion of a microscopic organism using Single Wavelength Shadow Imaging (SWSI) using two different examples.
The first example is a systematic and statistically viable study of the average descent of C. elegans in a column of water. For this study, we used living and dead wildtype C. elegans. When we compared the velocity and direction of nematode active movement with the passive descent of dead worms within the gravitational field, this study showed no difference in descent-times. The average descent was 1.5 mm/sec &#177; 0.1 mm/sec for both the live and dead worms using 633 nm coherent light.
The second example is a case study of select individual C. elegans changing direction during the descent in a vertical water column. Acceleration and force are analyzed in this example. This case study demonstrates the scope of other physical properties that can be evaluated using SWSI while evaluating the behavior using single wavelengths in an environment that is not accessible with traditional microscopes. Using this analysis we estimated an individual nematode is capable of thrusting with a force in excess of 28 nN.
Our findings indicate that living nematodes exert 28 nN when turning, or moving against the gravitational field. The findings further suggest that nematodes passively descend in a column of water, but can actively resist the force of gravity primarily by turning direction.

Single Wavelength Shadow Imaging of Caenorhabditis elegans Locomotion Including Force Estimates

The technique presented here measures the path of freely swimming microscopic species using single wavelength exposure. C. elegans are used to demonstrate shadow imaging as an inexpensive alternative to costly microscopes. This technique can be adapted to accommodate various orientations, environments and species to measure direction, speed, acceleration and forces.

Einzel-Wellenlänge Schatten von Imaging<em&gt; Caenorhabditis elegans</em&gt; Locomotion einschließlich Kraft-Schätzungen

This study demonstrates an inexpensive and straightforward technique that allows the measurement of physical properties such as position, velocity, ...

Atomic Force Microscopy of Red-Light Photoreceptors Using PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be measured to ~10 pN by a laser and sectored detector, which can be converted to image topography. Amplitude modulation or &#8220;tapping mode&#8221; AFM involves the probe making intermittent contact with the surface while oscillating at its resonant frequency to produce an image. Used in conjunction with a fluid cell, tapping-mode AFM enables the imaging of biological macromolecules such as proteins in physiologically relevant conditions. Tapping-mode AFM requires manual tuning of the probe and frequent adjustments of a multitude of scanning parameters which can be challenging for inexperienced users. To obtain high-quality images, these adjustments are the most time consuming.
PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping (PF-QNM) produces an image by measuring a force response curve for every point of contact with the sample. With ScanAsyst software, PF-QNM can be automated. This software adjusts the set-point, drive frequency, scan rate, gains, and other important scanning parameters automatically for a given sample. Not only does this process protect both fragile probes and samples, it significantly reduces the time required to obtain high resolution images. PF-QNM is compatible for AFM imaging in fluid; therefore, it has extensive application for imaging biologically relevant materials.
The method presented in this paper describes the application of PF-QNM to obtain images of a bacterial red-light photoreceptor, RpBphP3 (P3), from photosynthetic R. palustris in its light-adapted state. Using this method, individual protein dimers of P3 and aggregates of dimers have been observed on a mica surface in the presence of an imaging buffer. With appropriate adjustments to surface and/or solution concentration, this method may be generally applied to other biologically relevant macromolecules and soft materials.

A method for investigating the structure of a protein photoreceptor using atomic force microscopy (AFM) is described in this paper. PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping (PF-QNM) reveals intact protein dimers on a mica surface.

Atomic Force Microscopy von Red-Light Photorezeptoren Mit Peakforce Quantitative Nanomechanische Eigenschaftenzuordnung

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be ...

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent thermal evaporation, and it absorbs visible light strongly. However, for a long time the record power conversion efficiency of SnS solar cells remained below 2%. Recently we demonstrated new certified record efficiencies of 4.36% using SnS deposited by atomic layer deposition, and 3.88% using thermal evaporation. Here the fabrication procedure for these record solar cells is described, and the statistical distribution of the fabrication process is reported. The standard deviation of efficiency measured on a single substrate is typically over 0.5%. All steps including substrate selection and cleaning, Mo sputtering for the rear contact (cathode), SnS deposition, annealing, surface passivation, Zn(O,S) buffer layer selection and deposition, transparent conductor (anode) deposition, and metallization are described. On each substrate we fabricate 11 individual devices, each with active area 0.25 cm2. Further, a system for high throughput measurements of current-voltage curves under simulated solar light, and external quantum efficiency measurement with variable light bias is described. With this system we are able to measure full data sets on all 11 devices in an automated manner and in minimal time. These results illustrate the value of studying large sample sets, rather than focusing narrowly on the highest performing devices. Large data sets help us to distinguish and remedy individual loss mechanisms affecting our devices.

Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.

Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown that when operated in amplitude-modulation (tapping) mode, atomic or molecular-level resolution images can be achieved over a wide range of soft and hard samples in liquid. In these situations, small oscillation amplitudes (SAM-AFM) enhance the resolution by exploiting the solvated liquid at the surface of the sample. Although the technique has been successfully applied across fields as diverse as materials science, biology and biophysics and surface chemistry, obtaining high-resolution images in liquid can still remain challenging for novice users. This is partly due to the large number of variables to control and optimize such as the choice of cantilever, the sample preparation, and the correct manipulation of the imaging parameters. Here, we present a protocol for achieving high-resolution images of hard and soft samples in fluid using SAM-AFM on a commercial instrument. Our goal is to provide a step-by-step practical guide to achieving high-resolution images, including the cleaning and preparation of the apparatus and the sample, the choice of cantilever and optimization of the imaging parameters. For each step, we explain the scientific rationale behind our choices to facilitate the adaptation of the methodology to every user's specific system.

We present a method for achieving sub-nanometer resolution images with amplitude-modulation (tapping mode) atomic force microscopy in liquid. The method is demonstrated on commercial atomic force microscopes. We explain the rationale behind our choices of parameters and suggest strategies for resolution optimization.

Sub-Nanometer Auflösung Belichtung mit Amplituden-Modulation der Rasterkraftmikroskopie in Liquid

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown ...

Quantitative Analysis of Vacuum Induction Melting by Laser-induced Breakdown Spectroscopy

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves several steps, include drawing samples, cooling, cutting, transport to the laboratory, and analysis. The whole analysis process requires more than 30 minutes, which hinders on-line process control. Laser-induced breakdown spectroscopy is an excellent on-line analysis method that can satisfy the requirements of vacuum induction melting because it is fast and noncontact and does not require sample preparation. The experimental facility uses a lamp-pumped Q-switched laser to ablate melted liquid steel with an output energy of 80 mJ, a frequency of 5 Hz, a FWHM pulse width of 20 ns, and a working wavelength of 1,064 nm. A multi-channel linear charge coupled device (CCD) spectrometer is used to measure the emission spectrum in real time, with a spectral range from 190 to 600 nm and a resolution of 0.06 nm at a wavelength of 200 nm. The protocol includes several steps: standard alloy sample preparation and an ingredient test, smelting of standard samples and determination of the laser breakdown spectrum, and construction of the elements concentration quantitative analysis curve of each element. To realize the concentration analysis of unknown samples, the spectrum of a sample also needs to be measured and disposed with the same process. The composition of all main elements in the melted alloy can be quantitatively analyzed with an internal standard method. The calibration curve shows that the limit of detection of most metal elements ranges from 20-250 ppm. The concentration of elements, such as Ti, Mo, Nb, V, and Cu, can be lower than 100 ppm, and the concentrations of Cr, Al, Co, Fe, Mn, C, and Si range from 100-200 ppm. The R2 of some calibration curves can exceed 0.94.

During vacuum induction melting, laser-induced breakdown spectroscopy is used to perform real-time quantitative analysis of the main-ingredient elements of a molten alloy.

Quantitative Analyse der Vakuum-Induktionsschmelze durch Laser-induzierte Spectroskopie

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves ...

An Efficient Method for Selective Desalination of Radioactive Iodine Anions by Using Gold Nanoparticles-Embedded Membrane Filter

Here, we demonstrate a detail protocol for the preparation of nanomaterials-embedded composite membranes and its application to the efficient and ion-selective removal of radioactive iodines. By using citrate-stabilized gold nanoparticles (mean diameter: 13 nm) and cellulose acetate membranes, gold nanoparticle-embedded cellulose acetate membranes (Au-CAM) have easily been fabricated. The nano-adsorbents on Au-CAM were highly stable in the presence of high concentration of inorganic salts and organic molecules. The iodide ions in aqueous solutions could rapidly be captured by this engineered membrane. Through a filtration process using an Au-CAM containing filter unit, excellent removal efficiency (&gt;99%) as well as ion-selective desalination result was achieved in a short time. Moreover, Au-CAM provided good reusability without significant decrease of its performances. These results suggested that the present technology using the engineered hybrid membrane will be a promising process for the large-scale decontamination of radioactive iodine from liquid wastes.

An efficient method for the rapid and ion-selective desalination of radioactive iodine in several aqueous solutions is described by using gold nanoparticles-immobilized cellulose acetate membrane filters.

Eine effiziente Methode zur selektiven Entsalzung von radioaktivem Jod Anionen mit Gold-Nanopartikel eingebettet Membranfilter

Here, we demonstrate a detail protocol for the preparation of nanomaterials-embedded composite membranes and its application to the efficient and ...

Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid

An atomic force microscope (AFM) fundamentally measures the interaction between a nanoscale AFM probe tip and the sample surface. If the force applied by the probe tip and its contact area with the sample can be quantified, it is possible to determine the nanoscale mechanical properties (e.g., elastic or Young&#39;s modulus) of the surface being probed. A detailed procedure for performing quantitative AFM cantilever-based nanoindentation experiments is provided here, with representative examples of how the technique can be applied to determine the elastic moduli of a wide variety of sample types, ranging from kPa to GPa. These include live mesenchymal stem cells (MSCs) and nuclei in physiological buffer, resin-embedded dehydrated loblolly pine cross-sections, and Bakken shales of varying composition.
Additionally, AFM cantilever-based nanoindentation is used to probe the rupture strength (i.e., breakthrough force) of phospholipid bilayers. Important practical considerations such as method choice and development, probe selection and calibration, region of interest identification, sample heterogeneity, feature size and aspect ratio, tip wear, surface roughness, and data analysis and measurement statistics are discussed to aid proper implementation of the technique. Finally, co-localization of AFM-derived nanomechanical maps with electron microscopy techniques that provide additional information regarding elemental composition is demonstrated.

Quantifying the contact area and force applied by an atomic force microscope (AFM) probe tip to a sample surface enables nanoscale mechanical property determination. Best practices to implement AFM cantilever-based nanoindentation in air or fluid on soft and hard samples to measure elastic modulus or other nanomechanical properties are discussed.

Rasterkraftmikroskopie Cantilever-basierte Nanoindentation: Messungen mechanischer Eigenschaften auf der Nanoskala in Luft und Flüssigkeit

An atomic force microscope (AFM) fundamentally measures the interaction between a nanoscale AFM probe tip and the sample surface. If the force applied by ...

Parallele aktive Cantilever-Arrays im AFMS für Inspektionen mit hohem Durchsatz

Active Probe Atomic Force Microscopy with Quattro-Parallel Cantilever Arrays for High-Throughput Large-Scale Sample Inspection

An Atomic Force Microscope&#160;(AFM) is&#160;a powerful and versatile tool for nanoscale surface studies to capture 3D topography images of samples. However, due to their limited imaging throughput, AFMs have not been widely adopted for large-scale inspection purposes. Researchers have developed high-speed AFM systems to record dynamic process videos in chemical and biological reactions at tens of frames per second, at the cost of a small imaging area of up to several square micrometers. In contrast, inspecting large-scale nanofabricated structures, such as semiconductor wafers, requires nanoscale spatial resolution imaging of a static sample over hundreds of square centimeters with high productivity. Conventional AFMs use a single passive cantilever probe with an optical beam deflection system, which can only collect one pixel at a time during AFM imaging, resulting in low imaging throughput. This work utilizes an array of active cantilevers with embedded piezoresistive sensors and thermomechanical actuators, which allows simultaneous multi-cantilever operation in parallel operation for increased imaging throughput. When combined with large-range nano-positioners and proper control algorithms, each cantilever can be individually controlled to capture multiple AFM images. With data-driven post-processing algorithms, the images can be stitched together, and defect detection can be performed by comparing them to the desired geometry. This paper introduces principles of the custom AFM using the active cantilever arrays, followed by a discussion on practical experiment considerations for inspection applications. Selected example images of silicon calibration grating, highly-oriented pyrolytic graphite, and extreme ultraviolet lithography masks are captured using an array of four active cantilevers (&#34;Quattro&#34;) with a 125 &#181;m tip separation distance. With more engineering integration, this high-throughput, large-scale imaging tool can provide 3D metrological data for extreme ultraviolet (EUV) masks, chemical mechanical planarization (CMP) inspection, failure analysis, displays, thin-film step measurements, roughness measurement dies, and laser-engraved dry gas seal grooves.

Autor im Rampenlicht: Einführung in die Rasterkraftmikroskopie mit aktiven Sonden mit quattro-parallelen Cantilever-Arrays

Large-scale sample inspection with nanoscale resolution has a wide range of applications, especially for nanofabricated semiconductor wafers. Atomic force microscopes can be a great tool for this purpose, but are limited by their imaging speed. This work utilizes parallel active cantilever arrays in AFMs to enable high-throughput and large-scale inspections.

Rasterkraftmikroskopie mit aktiven Sonden mit quattroparallelen Cantilever-Arrays für die Inspektion von Großproben mit hohem Durchsatz

An Atomic Force Microscope&#160;(AFM) is&#160;a powerful and versatile tool for nanoscale surface studies to capture 3D topography images of samples. ...