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.

NOTA: Vedi figura 2 per una panoramica del flusso di processo che comprende la preparazione, i passaggi di acquisizione dati e di analisi dei dati. 1. reagente Setup NOTA: Tutte le sostanze chimiche devono essere maneggiati con cura, e quindi un camice da laboratorio, devono essere utilizzati guanti e occhiali protettivi. Tutte le operazioni devono essere eseguite in una cappa di laboratorio. In particolare, guanti speciali devono essere indossati in caso di uso di cloroformio. <ol><li> Utilizzare prodotti chimici a basso contenuto d&#39;acqua, come il cloroformio secca rapidamente e magazzino a secco, ma non più di una settimana. Conservare entrambe chimici a -20 ° C e sotto azoto o argon gas perché APTES ((3-amminopropil) triethoxysilan) (vedi Tabella 1) e PEG (polietilenglicole) sono igroscopici e PEG è soggetto ad ossidazione in aria. </li><li> Per evitare l&#39;esposizione frequente dello stock di ossigeno atmosferico e umidità, preparare aliquote più piccoli, idealmente all&#39;interno di un sistema vano portaoggetti con una cucina de azotori. </li></ol> 2. apparecchiature Setup NOTA: Per evitare possibili contaminazioni, utilizzare vasi fresca e pulita per ogni passo. <ol><li> Pulire vetro e pinzette in soluzione detergente per 30 min in un bagno ad ultrasuoni a 60 ° C. </li><li> Sciacquare e attrezzature sonicare dal punto 2.1 per due volte con acqua ultrapura. </li><li> Apparecchiature calore dal punto 2.1 in soluzione RCA (acqua ultrapura, acqua ossigenata e ammoniaca (5: 1: 1)) a 75 ° C in un forno per 45 minuti e successivamente risciacquare con acqua ultrapura. </li><li> Infine, asciugare il vetro e pinzette sotto flusso di azoto secco o in un forno (100 ° C, 3 h). </li></ol> 3. Tip Funzionalizzazione NOTA: Utilizzare pinzette, navi, ecc in acciaio inox, PTFE, vetro o qualsiasi altro materiale che sia chimicamente stabile in soluzioni organiche se applicabile. Se non diversamente specificato, eseguire tutti i passaggi a RT. La quantità di soluzione di incubazione necessaria dipende dal numero di chip a sbalzo. Assicurarsi che i cantilever sono immersi nelle rispettive soluzioni a tutti i tempi. NOTA: Utilizzare un cappuccio per evitare l&#39;inalazione dei vapori organici. <ol><li> Formazione di gruppi-OH sulla superficie a sbalzo (&#39;attivazione&#39;) (circa 0,5 ore): <ol><li> Utilizzare le pinzette per posizionare i chip freschi sbalzo (materiale: peccato, costanti primavera: 10-100 PN / nm) su un vetrino pulito e metterli in una camera di plasma (100 W). </li><li> Evacuare camera (~ 0,1 mbar). </li><li> Camera a Flood con ossigeno gassoso e evacuare di nuovo. </li><li> Attivare il processo al plasma (potenza: 20%, durata: 15 min, pressione di processo: 0.25 mbar). </li></ol></li><li> Amino-silanizzazione di cantilever (circa 1 ora): <ol><li> Preparare 2,5 ml di soluzione APTES (vedi Tabella 1) in una piastra di Petri di vetro - do questa posizione durante il processo al plasma. </li><li> Immediately dopo il processo al plasma, immergere ogni cantilever per 1 sec in acetone e metterli subito dopo nella soluzione APTES. </li><li> Incubare per 15 minuti a RT. </li><li> Sciacquare con cura i chip cantilever per due volte in 10 ml di acetone e una volta in 10 ml di cloroformio. </li><li> Finali opzionali passo: chip posto a sbalzo dal passo precedente su un vetrino pulito e cuocere per 30 minuti a 70 ° C. Si noti che ci sono anche strategie alternative per l&#39;attivazione di superficie, ad esempio, il trattamento UV 12. </li></ol></li><li> PEGylation (circa 2 ore): NOTA: Eseguire i punti 3.3.1-3.3.4 durante amino-silanizzazione. NHS e gruppi maleimmide sono soggetti a idrolisi in ambienti acquosi e PEG stesso è soggetto ad ossidazione in aria. Pertanto temporizzazione (soprattutto tra i passaggi) è un parametro critico. Vedere 13 per ulteriori informazioni. <ol><li> Preparare la soluzione cloroformio (vedi Tabella 1). </li><li> Per evitare la formazione di condensa, Warm PEG polveri fino a RT prima di aprire il un&#39;aliquota pesata e la giusta quantità. </li><li> Per l&#39;accoppiamento di polimeri o lipidi con gruppi amminici, separatamente risolvere NHS-PEG-NHS (6 kDa) e metil-PEG-NHS (5 kDa) nella soluzione cloroformica vortexando fino a che non sono completamente risolti. Fare riferimento alla Tabella 1 per le concentrazioni. <ol><li> In alternativa. per l&#39;accoppiamento di polimeri con gruppi tiolici separatamente risolvere Mal-NHS- PEG e metil-PEG-NHS in soluzione di cloroformio. </li></ol></li><li> Mescolare le soluzioni come richiesto per regolare un certo rapporto fra il numero di NHS- o maleimide- e le molecole di PEG metil-terminato (tipicamente 1: 500). Si noti che il rapporto ideale deve essere determinato iterativamente in una serie di cicli di preparazione-esperimento. </li><li> Incubare chip sbalzo nella soluzione di PEG per 1 ora in un ambiente saturo cloroformio per evitare l&#39;evaporazione del cloroformio. </li></ol></li><li> Sonda coniugazione molecola(&gt; 1 ora): NOTA: Nel seguente 3.4.1-3.4.3, tre esempi per l&#39;accoppiamento covalente di diverse molecole sonda fino alla punta AFM sono descritti. Per ogni molecola il protocollo deve essere regolata. Ulteriore nota, che nell&#39;esempio 1 e 3 NHS-chimica utilizzata mentre nell&#39;esempio 2 del tiolo funzionalizzato polimero PI- g -PS è accoppiato al PEG-maleimmide via chimica. Per i dettagli, vedere 14. <ol><li> Per poli (amminoacido) poli-D-tirosina (40-100 kDa) <ol><li> Sciogliere il polytyrosine coniugato sonda molecola in 1 M NaOH. Regolare la concentrazione di 1 mg / ml. </li><li> Sostituire il NaOH per tampone borato di sodio (pH 8.1) con colonne di spin dissalazione (7 kDa MWCO) immediatamente prima della funzionalizzazione </li><li> Risciacquare cantilever prima con 5 ml di cloroformio, poi con 5 ml di etanolo e infine con 5 ml di tampone borato. </li><li> Incubare i chip a sbalzo per 1 ora nella soluzione tampone polytyrosine borato e poi risciacquare con tampone boratoe acqua ultrapura. Conservare in acqua ultrapura fino alla misura. </li></ol></li><li> Per polimeri con un backbone lineare (poliisoprene, 119 kDa) con catene laterali innestate (polistirolo, 88 kDa) 14 <ol><li> Sciogliere il PI- g -PS in cloroformio asciutta. Regolare la concentrazione della soluzione coniugazione a 4 mg / ml. </li><li> Risciacquare le cantilever con 5 ml di cloroformio e incubare per almeno 1 ora in soluzione coniugazione. </li><li> Risciacquare nuovamente in 5 ml di cloroformio e memorizzare in cloroformio in un ambiente saturo cloroformio (per evitare l&#39;evaporazione cloroformio) fino alla misura. </li></ol></li><li> Per la lipidi PAPA <ol><li> Sciogliere PAPA in cloroformio asciutta. Regolare la concentrazione di 20 mm. </li><li> Risciacquare le cantilever con 5 ml di etanolo e 5 ml di acqua ultrapura prima incubazione delle cantilever per 1 hr nella soluzione lipidica. </li><li> Dopo l&#39;incubazione, risciacquare cantilever con 5 ml di cloroformio, 5 ml di ethanol e 5 ml di acqua calda e ultrapura (in questo ordine) per rimuovere molecole sonda non legato e di sbarazzarsi di residui di cloroformio. Utilizzare immediatamente punte funzionalizzate. In alternativa, memorizzarli in cloroformio fino al momento. </li></ol></li></ol></li></ol><img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52456/52456fig1.jpg" /> Figura 1. (A) Schema che mostra il processo di funzionalizzazione punta utilizzando l&#39;esempio di NHS chimica. Bonding (B) Chemical impiegato per collegare una molecola sonda punta tramite un gruppo amminico. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52456/52456fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Preparazione 4. Surface <ol><li> Self-assemblati monostrato (SAM) NOTA: Come superficie per il primo esempio, un monostrato auto-assemblato è stata scelta. Fare riferimento alla letteratura 15 </sup&gt; per i dettagli. <ol><li> Vetrini pulite con soluzione detergente e poi due volte in acqua ultrapura in un bagno ad ultrasuoni per 30 min ciascuno. Poi, come un passo ulteriore pulizia, metterli nella soluzione RCA (vedi punto 2.3) a 75 ° C per 15 min. </li><li> Rivestire le diapositive con 10 nm nichel cromo e oro 100 nm in una trafila sottovuoto. Poi conservare in frigorifero e pulito di nuovo nella soluzione RCA direttamente prima della fase successiva. </li><li> Incubare i vetrini del passo precedente in 2 mM soluzione 1-dodecantiolo / etanolo per 12 ore. I gruppi tiolo si legano alla superficie d&#39;oro e un monostrato auto idrofobica assembla. Risciacquare i vetrini con etanolo e acqua ultrapura e poi a secco da una corrente di gas di azoto. Confermare l&#39;idrofobicità della superficie preparata con misure di angolo di contatto statico in un goniometro con una telecamera CCD 10. </li></ol></li><li> Hydrogen diamante terminato NOTA: Come una superficie per il secondo esempio, è stato scelto un idrogeno diamante terminato. La preparazione della superficie è stata eseguita come descritto in precedenza 16. </li><li> Doppio strato lipidico supportati NOTA: Nell&#39;ultimo esempio, una superficie supportato doppio strato lipidico (SLB) è stato utilizzato come superficie. Per ottenere una tale superficie, una soluzione (0,1 mg / ml) di grandi vescicole unilamellari (Luvs) costituiti dalla POPC fosfolipidi sono formati con il metodo di estrusione. Quindi 50 ml di soluzione LUV sono stati messi su un foglio di mica appena spaccati (A = 1 cm²) e incubate per 30 min. Infine la soluzione è stata lavata con 20 ml di acqua ultrapura. Vedere 17,18 per una descrizione dettagliata della preparazione di SLB. </li></ol> 5. Acquisizione Dati NOTA: Per gli esperimenti, utilizzare un AFM, che fornisce la capacità di misurare in liquidi. Le procedure di acquisizione dati e di analisi dei dati sono applicabili a prescindere dal modello di AFM utilizzato. Inoltre, in alcuni esperimenti è vantaggioso avere la possibilità di controllare la temperature all&#39;interno della cellula liquido. Cantilever deflessione stata rilevata tramite il metodo di deflessione del fascio laser 19. Costanti primavera sono stati determinati con il metodo del rumore termico 20. <ol><li> Inserire il cantilever funzionalizzata in un supporto cantilever AFM che è adatto per la misura in fluidi. </li><li> Mettere la superficie (preparazione vedi sopra) per campionare in AFM e coprire con del liquido. Entrambi, a sbalzo e la superficie dovrebbe ora essere immerso nel liquido con la punta a sbalzo che punta verso la superficie. Si noti che in molti casi una goccia di liquido è sufficiente. In ogni caso l&#39;evaporazione del fluido dovrebbe essere evitato, per esempio, utilizzando una cella chiusa di fluido. </li><li> Se del caso, regolare la temperatura desiderata sul controller. </li><li> Lasciate che il sistema di stabilizzare almeno mezz&#39;ora. </li><li> Registrare uno spettro di rumore termico del cantilever con il cantilever lontano dalla superficie in modo da escludere qualsiasi superficie effetti di smorzamento. Si noti che in genere 10 o più spettri devono essere accumulati per ottenere un sufficiente rapporto segnale-rumore. </li><li> Avvicinarsi alla superficie. Si noti che al fine di conservare geometria della punta e punta funzionalizzazione processo approccio deve essere effettuata con attenzione. Ciò può essere realizzato, ad esempio, si avvicina in modo contatto intermittente. </li><li> Determinare la sensibilità inversa ottica leva (InvOLS) misurato in nm / volt. A tale scopo, spingendo la punta cantilever contro una superficie dura. <ol><li> Determinare i InvOLS misurando la pendenza della distanza da percorrere piezo contro la variazione di tensione fotodiodo. Montare una linea alla parte della curva di forza-distanza in cui la punta cantilever è in contatto con la superficie. In esperimenti su una superficie morbida come doppi strati lipidici, eseguire questo passaggio in aree che non sono coperte da un doppio strato lipidico (&quot;punti di errori&quot;). </li></ol></li><li> Determinare la costante della molla (pN / nm) montando un oscillatore armonico allo spettro del rumore termico. UsoFunzione software automatico per la primavera costante determinazione; altrimenti consultare la letteratura 20. </li><li> Avviare l&#39;esperimento. <ol><li> Registra curve numerosi forza-distanza per ogni condizione sperimentale. In genere, utilizzare i seguenti valori per i parametri sperimentali: La frequenza di campionamento di 5 kHz, velocità di punta di 1 micron / sec, ritrattare distanza di 1 micron. NOTA: A volte, a seconda della dinamica dell&#39;esperimento studiata, potrebbe essere necessario attendere un certo periodo di tempo con la punta in contatto con la superficie (&#39;tempo di sosta&#39;). NOTA: L&#39;esperimento parametri specifici può discostarsi nettamente dai valori di cui sopra. </li><li> Durante le misurazioni a lungo termine, azzerare la posizione laser sul fotodiodo di volta in volta riposizionando il fotodiodo. </li><li> Optional: Dopo ogni curva di forza, riposizionare l&#39;AFM-punta in un&#39;altra posizione xy. </li><li> Alla fine dell&#39;esperimento, determinare la sensibilità e la molla constant nuovamente per verificare la coerenza e stabilità del sistema. NOTA: Confrontando la costante della molla e la sensibilità prima e dopo l&#39;esperimento è anche un mezzo per assicurare che le proprietà del sistema e le proprietà della punta rimaste invariate nel corso dell&#39;esperimento. Se la differenza delle costanti a molla non è troppo grande (&lt;= 15%), possono essere mediati, poiché l&#39;incertezza intrinseca della costante della molla determinazione è anche circa il 15%. Per le differenze più grandi, si consiglia di trovare la prima ed eliminare la causa per il cambiamento costante della molla apparente prima di proseguire con ulteriori esperimenti. </li></ol></li></ol> 6. Preparazione dati NOTA: In questa sezione generale fasi di preparazione dei dati che sono tipicamente effettuati indipendentemente dal tipo specifico di esperimento per convertire le unità di Newton e nanometri, nonché di correggere i dati sono descritti. Le analisi di dati specifici esperimento sono briefly descritto più avanti nella rispettiva sezione rappresentante esempio. <ol><li> Tipicamente, effettuare tutti preparazione dei dati e l&#39;analisi passi automaticamente da un algoritmo-home scritta, ad esempio, sulla base del software IGOR Pro 6. </li><li> Convertire il segnale di deflessione grezzo (DEFL) [V] in vigore moltiplicando con le InvOLS [nm / V] e la costante della molla [nN / nm]. </li><li> Offset la forza in modo tale che la forza sul cantilever sufficiente distanza dalla superficie (cantilever carico) diventa 0 nN. </li><li> Calcolare la posizione della punta effettiva (chiamato anche separazione, misurata rispetto alla superficie) z *, che prende la flessione del cantilever in considerazione: <img alt="Equazione 1" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52456/52456eq1.jpg" /></li><li> Offset z * in modo tale che z * = 0 corrisponde alla posizione z della superficie. NOTA: Qui, F è la forza che agisce sulla punta e quindi piegatos cantilever (determinata nella fase 6.2.), z è la posizione z-sensore misurata (dato direttamente dallo strumento) e k rappresenta la costante della molla (determinato nel passo 5.8). </li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52456/52456fig2.jpg" /> Figura diagramma di flusso 2. Processo che mostra la preparazione del campione, l&#39;acquisizione dei dati e l&#39;analisi dei dati. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52456/52456fig2large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</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.

Nel corso degli ultimi decenni, gli esperimenti di singola molecola hanno fornito intuizioni senza precedenti nei meccanismi molecolari e si è rivelato essere un approccio inestimabile nella vita della scienza e non solo. Per ottenere buone statistiche e significative da esperimenti SMF, idealmente una stessa molecola viene utilizzato su tutto il corso dell&#39;esperimento. In contrasto con esperimenti con insiemi di molecole, esperimenti SMFS sono in grado di rilevare eventi rari e stati molecolari nascosti. Un altro ...

Negli ultimi 30 anni, microscopia a forza atomica (AFM) è risultato essere una tecnica di imaging prezioso per studiare biologici 1,2 e 3 sintetici materiali e superfici in quanto fornisce una risoluzione spaziale molecolare in tre dimensioni e può essere azionato in vari solventi ambienti. Inoltre, la spettroscopia di forza molecola AFM-single (SMFS) permette di misurare le forze che vanno dal PN μN regime e ha dato una visibilità senza precedenti, ad esempio in proteine ​​pieghevole 4,5, polimero fisica 6-8, e singola interazione molecola-superficie 9 - 12 .La logica studiare singole molecole, piuttosto che un insieme di molecole è quello di evitare gli effetti che spesso mascherano rari eventi o stati molecolari nascosti media. Inoltre, un gran numero di parametri molecolari, quali la lunghezza del profilo, la lunghezza Kuhn, l&#39;energia libera di adesione, ecc può essereottenuto. Questa procedura è descritta negli esempi che seguono. In un tipico esperimento AFM-SMFS, la molecola sonda è accoppiato ad una punta molto affilata tramite una molecola linker. La punta sé è situato alla fine di un cantilever pieghevole. Se la punta viene portato a contatto con la superficie della molecola sonda interagire con questa superficie. Osservando la deflessione del cantilever su retrazione della punta, la forza, e quindi l&#39;energia libera, per staccare la molecola dalla superficie può essere determinato. Per ottenere statistiche significative, un gran numero di cosiddetti curve forza-distanza devono essere acquisiti. Inoltre, per avere veri esperimenti singola molecola (cioè, utilizzando una stessa molecola di sonda per la durata di tutto l&#39;esperimento) la molecola sonda deve essere accoppiato covalentemente alla punta AFM. Qui, un protocollo sperimentale per cantilever funzionalizzazione con una singola molecola mediante un legame covalente è presentato. La singola molecola può o essere accoppiato tramite un amino o tioGruppo L alla punta AFM. Il processo di coniugazione può essere effettuata in una grande varietà di solventi (organici e acquosi) per spiegare le proprietà di solvatazione dei polimeri utilizzati. Nella prima parte, un protocollo generale per attaccare covalentemente una singola molecola (&quot;probe molecola&quot;) tramite una molecola linker di una punta AFM descritto. A tal fine, NHS- organico o maleimmide-chimica viene utilizzato 13. Insieme con il protocollo per tre molecole esempio, i processi di acquisizione dati e di analisi dei dati sono descritti e sono forniti i riferimenti per ulteriori letture. Le molecole di esempio sono: il (lineare) tirosina polimero, il polimero trapianto PI- g -PS e il papa lipidi. Questo include lievi variazioni del protocollo, per esempio per collegare covalentemente cisteine. Inoltre, una sezione dedicata alla preparazione di superfici differenti come superficie diamantata, un CH 3 -self-assemblato monostrato e bistrati lipidici. Queste interfacce hanno provit di essere buone referenze ed esempi.

<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

Spettroscopia a forza atomica è uno strumento ideale per lo studio di molecole a superfici e interfacce. Un protocollo sperimentale per accoppiare una grande varietà di singole molecole covalentemente su una punta AFM è presentato. Allo stesso tempo, la punta AFM viene passivato per evitare interazioni aspecifiche tra la punta e il substrato, che è un prerequisito per studiare singole molecole allegate alla punta AFM. Le analisi per determinare la forza di adesione, la lunghezza di adesione, e l&#39;energia libera di queste molecole su superfici solide e bio-interfacce sono poco presentati e sono forniti riferimenti esterni per ulteriori letture. Molecole esempio sono le polytyrosine poli (aminoacidi), il polimero trapianto PI- g -PS e fosfolipidi PAPA (1-palmitoil-2-oleoyl- sn -glycero-3-fosfoetanolamina). Queste molecole sono desorbiti da superfici diverse come CH 3 -SAMs, idrogeno terminato diamante e supportati doppi strati lipidici in varie condizioni di solvente. Infine, lavantaggi di forza spettroscopiche esperimenti di singola molecola sono discussi tra cui mezzi per decidere se veramente una singola molecola è stato studiato nell&#39;esperimento.

Nel seguito, i risultati sopra descritti esempio molecole, cioè la polytyrosine polimeri poli (amminoacido), il polimero graft PI- g -PS e PAPA fosfolipide, sono presentati. Primo per ogni esempio, sperimentare dettagli specifici per l&#39;acquisizione dei dati e la preparazione dei dati sono forniti. Poi, vengono visualizzati i risultati esemplari per esperimenti in cui queste molecole sono state desorbita da superfici diverse (CH 3 -SAMs, idrogeno terminato diamanti e doppi strati lipidici). Deter...

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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.

Indagare singola molecola di adesione da Atomic Spectroscopy Forza

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 Views.  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.

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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 per singola molecola Imaging

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

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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.

Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

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.

Singola lunghezza d&#39;onda Ombra Imaging di<em&gt; Caenorhabditis elegans</em&gt; Stime Locomotion compresa Forza

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.

Microscopia a forza atomica di Red-Light Fotorecettori Uso della mappatura PeakForce Quantitative nanomeccanico Proprietà

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%.

Rendere record efficienza SnS celle solari per evaporazione termica e 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-nanometrica Resolution Imaging con modulazione di ampiezza in microscopia a forza atomica 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.

Analisi quantitativa della fusione a induzione sottovuoto mediante spettroscopia di ripartizione indotta da laser

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.

Un metodo efficiente per la desalinizzazione selettivo di anioni di iodio radioattivo mediante filtro a membrana incorporato di nanoparticelle d'oro

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.

Microscopia a forza atomica Nanoindentazione basata su sbalzo: misure di proprietà meccaniche su scala nanometrica in aria e fluido

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

Array a sbalzo attivi in parallelo in AFMS per consentire ispezioni ad alta produttività

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.

Autore in primo piano: Introduzione alla microscopia a forza atomica con sonda attiva con array a sbalzo a quattro paralleli

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.

Microscopia a forza atomica con sonda attiva con array a sbalzo Quattro-Parallel per l'ispezione di campioni su larga scala ad alta produttività

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