Mikroskop sił atomowych AFM Barszczewska Agnieszka Więckowska Olga Węsierska Kamila Pacholska Katarzyna IMP, sem. VIII

AFM, co badamy? Mikroskop AFM umożliwia badanie powierzchni : przewodników półprzewodników izolatorów organizmów biologicznych

AFM zasada działania

Rodzaje oddziaływania Oddziaływania van der Waals’a Odpychanie elektrostatyczne Siły kapilarne Siła wywierana przez dźwignię

Tryb pracy AFM TRYB KONTAKTOWY TRYB BEZKONTAKTOWY TRYB PRZERYWANEGO KONTAKTU

Zależność sił oddziaływania od odległości między atomami

Tryb kontaktowy vs tryb bezkontaktowy Obrazy powierzchni z kropelką wody uzyskane w trybie bezkontaktowym i w trybie kontaktowym

Obrazy uzyskane przez AFM Nanorurki węglowe Dwuwymiarowy obraz powierzchni płyty CD

Obrazy uzyskane przez AFM Zarodniki grzyba Procesor

Co można badać? Szeroki wachlarz obiektów do badań Badanie powierzchni substancji Badanie budowy wewnętrznej próbek

Zastosowanie Badanie: Chropowatości powierzchni Struktury powierzchni polimerów Mieszanin polimerowych Struktury kopolimerów Własności mechanicznych (np. siła adhezji, moduł sprężystości Younga) Twardości próbki Można śledzić reakcje chemiczne (polimeryzację, szczepienie, procesy degradacyjne itp.)

Chropowatość powierzchni Średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości: 𝑅 𝑎 = 1 𝑙 0 𝑙 𝑦(𝑥) 𝑑𝑥 Średnie kwadratowe odchylenie profilu chropowatości: 𝑅 𝑞 = 𝑖 ( 𝑍 𝑖 − 𝑍 𝑎𝑣𝑔 )² 1/2

Badanie struktury powierzchni polimerów Można uzyskać informacje dotyczące: Jednorodności próbek Stopnia rozpraszanie modyfikatorów i pigmentów Zawartości defektów i zanieczyszczeń pochodzących z procesów polimeryzacji lub przetwórstwa

Badanie struktury powierzchni polimerów Obraz mikroskopowy AFM cząstek lateksu polipirolu (a) i agregatu powłokowo/rdzeniowego polipirolu z akroleiną (b) na podłożu kwarcowym.

Badanie mieszanin polimerowych Obraz AFM powierzchni mieszaniny PMMA:PS = 80:20 z profilami przekroju wzdłuż linii wskazanych na obrazie.

Badanie wpływu promieniowania elektromagnetycznego na strukturę polimerów

Badanie właściwości mechanicznych Siła oddziaływania ostrze – próbka 𝐹=−𝑘𝑑 k – stała sprężystości dźwigni d – przesunięcie ostrza Moduł sprężystości Younga (E) 𝐹=2 𝐸 1− ʋ 2 𝑎δ a – promień ostrza δ – głębokość penetracji ostrza ʋ - liczba Poissona

Badanie twardości Obraz AFM termoplastycznego poliureatanu z widocznymi segmentami miękkimi (ciemnymi) i twardymi (jasnymi).

AFM i jego zastosowanie w medycynie

W ostatnim dziesięcioleciu, mikroskopia sił atomowych stała się coraz powszechniejszą metodą badawczą, wykorzystywaną w naukach przyrodniczych i medycznych.

Zdolność rozdzielcza mikroskopu AFM jest porównywalna ze zdolnością rozdzielczą mikroskopów elektronowych - umożliwia odwzorowanie szczegółów powierzchni o wielkości porównywalnej z rozmiarami atomu.

Pomiar można przeprowadzić w próżni, powietrzu, a także – co jest szczególnie atrakcyjne dla pomiarów biofizycznych – w cieczy. Pomiar w cieczy redukuje występujące w powietrzu siły kapilarne. Efektem tego jest lepsza kontrola przyłożonej siły i ochrona delikatnej próbki biologicznej przed zniszczeniem.

Otworzyło to nowe możliwości w dziedzinie badań biologicznych - możliwość badania żywych próbek biologicznych w ich naturalnym środowisku, z rozdzielczością pozwalającą na badanie bardzo małych struktur biologicznych (białka, łańcuchy DNA).

Najprostszym zastosowaniem AFM jest pomiar topografii powierzchni próbki, przy czym warto zaznaczyć, że jest to rzeczywisty i trójwymiarowy obraz, podczas gdy w mikroskopii elektronowej uzyskany obraz jest dwuwymiarową projekcją.

(a,b) Obrazy topografii powierzchni żywych komórek: (a) keratynocyty i (b)komórki epithelium (b) zmierzone dla rozmiaru skanu 80 μm x 80 μm. (c, d) Organizacja filamentów aktynowych fibroblastu zmierzona dla większego powiększenia tj. 10 μm x 10 μm.

(e) Zdjęcie mikroskopu sił atomowych pracującego w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie (model XE120, Park Systems).

Topografia dostarcza informacji o wielkości i kształcie struktur występujących na powierzchni badanej próbki. Dzięki temu można było zaobserwować np. jak wygląda powierzchnia makrofagów pożerających kuleczki lateksowe lub jak zachowuje się fibrynogen w procesie krzepnięcia krwi.

Wnikanie wirusów do komórek, enzymatyczna degradacja DNA, obserwacja żywych, ludzkich płytek krwi podczas ich aktywacji, to tylko niektóre dalsze zastosowania tego typu mikroskopu.

AFM umożliwia pomiar takich własności próbki jak adhezja czy elastyczność. Przykładem takiego zastosowania są badania własności elastycznych żywych komórek prowadzone w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.

Na podstawie relacji pomiędzy przyłożona siłą a powstałym ugięciem materiału jest wyznaczana wartość modułu Young'a. Zmiany wielkości modułu Younga zmierzone dla żywych komórek niosą informację o przemianach zachodzących w strukturze cytoszkieletu komórki.

Dzięki możliwości pomiaru własności elastycznych żywych komórek mikroskopia sił atomowych stała się nową, obiecującą techniką do wykrywania zmian patologicznych w komórkach nowotworowych, poprzez pomiar deformowalności pojedynczych komórek.

W ostatnich latach dowiedziono, że komórki nowotworowe (pochodzące między innymi z linii komórkowych raka piersi, prostaty, pęcherza moczowego, jelita, melanomy) są bardziej deformowalne, co ilościowo ujawnia się poprzez mniejszą wartość modułu Young'a. Obserwowana zmiana jest zależna od rodzaju komórek i stanu progresji nowotworowej.

Porównanie wartości modułu Young'a dla linii komórkowych pochodzących z różnego typu nowotworów.

Najostrzejsze zdjęcie Naukowcy z IBM-a wykonali fotografie pojedynczej molekuły w niespotykanej dotychczas rozdzielczości dzięki wykorzystaniu techniki bezkontaktowej mikroskopii sił atomowych.

Uczeni użyli mikroskopu pracującego w próżni w temperaturze -268 ° C Uczeni użyli mikroskopu pracującego w próżni w temperaturze -268 ° C. Wykonali zdjęcia pojedynczej molekuły pentacenu. Po raz pierwszy w historii udało się zobaczyć pojedyncze atomy w molekule (dotychczas zasłaniane przez chmurę elektronów).

Molekuła pentacenu: z 22 atomy C i 14 atomów H Molekuła pentacenu: z 22 atomy C i 14 atomów H. Jej długość wynosi zaledwie 1,4 nm, a odległości pomiędzy sąsiednimi atomami C to 0,14 nm (milion razy mniej niż wynosi średnica ziarna piasku).

Tak dokładne obrazowanie było możliwe dzięki uzyskaniu niezwykle małej odległości pomiędzy molekułą a ostrzem mikroskopu. Zwykle w technice bezkontaktowej ostrze znajduje się w odległości 10-100 nanometrów od badanego przedmiotu. W takiej odległości urządzenie nie zarejestrowałoby jednak wystarczająco dobrego obrazu.

Rozwiązaniem było zbliżenie ostrza na znacznie mniejszą odległość Rozwiązaniem było zbliżenie ostrza na znacznie mniejszą odległość. Niestety wskutek oddziaływania z atomami mogło ono zostać odepchnięte lub też molekuła mogła się doń przyczepić. W obu przypadkach uzyskanie odpowiedniego obrazu nie byłoby możliwe.

Odpowiednio przygotowano ostrze-najpierw umieszczając na nim molekułę tlenku węgla. Dzięki temu, próbując różnych odległości, udało się uzyskać najlepszy obraz w chwili, gdy ostrze znajdowało się zaledwie 0,5 nm nad molekułą.

Aby uzyskać pełną trójwymiarową mapę sił atomowych, mikroskop winien być bardzo stabilny (mechanicznie i termicznie), co gwarantuje, że zarówno czubek ostrza jak i molekuła pozostaną niezmienione przez 20h, w czasie których zbierane były dane.

Zastosowanie we współczesnej kosmetologii

Badanie kondycji łodyg włosowych Do badania wykorzystano próbki włosów zebrane przez wyselekcjnowanych probantów o włosach zniszczonych w wyniku zabiegów fryzjerskich i pielęgnacyjnych. W trakcie badania możliwe było zgromadzenie takich danych jak: chropowatość tarcie na powierzchni otoczki włosa oraz na jej krawędziach potocznie zwanych łuskami) wysokość (czyli stopień odstawania od powierzchni łodygi włosa) Morfologia komórek osłonki włosa w mikroskopie sił atomowych po zastsowaniu odżywki do włosów.

Chropowatość W celu wyznaczenia średniej chropowatości dla każdej próbki wyznaczono obraz topografii, gdzie każdemu punktowi przypisano konkretną wysokość. Za średnią chropowatość włosa uznano różnicę pomiędzy średnią wysokością uzyskanego obrazu, a wysokością w danym punkcie. Obraz zeskanowanej powierzchni włosa wykazał obecność cząsteczek kosmetyku na powierzchni otoczek włosów. W skali nano pojawienie się takich depozytów skutkuje wzrostem pofałdowania powierzchni, a co za tym idzie- wzroście jej chropowatości. Pomiary wykonano w wodzie dejonizowanej. Powierzchnia włosa ma ładunek ujemny, zaś osadzająca się na nich odżywka - dodatni. Pod wpływem wody jej polarne cząsteczki otaczają i penetrują w miescu gdzie skupia się hydrofilowy produkt kosmetyczny. Odchylanie się komórek osłonek włosa może zachodzić także pod wpływem naprężeń mechanicznych powstałych na skutek rożnic w zawartości wody w poszczególnych obszarach osłonek włosa.

Tarcie Marteiał badawczy zostaje pobrany z powierzchni skóry ochotników metodą tape-stripping. Polega ona na zebraniu komórek naskórka za pomocą specjalnych krążków wykonanych z taśmy adhezyjnej. Analizowane komórki zbudowane są głównie z kreatyniny i mają średnicę ok. 4 µm oraz grubość około 0,1 µm. Próbki do badań pobrano od kobiety 30 letniej przed rozpoczęciem kuracji kosmetycznej oraz po 5 dniach stosowania kremu nawilżającego. Pierwszą ocenianą cechą korneocytów była zmiana w morfologii samych komórek. Efektem działania kosmetyku było wygładzenie powierzchni korneocytów.

Skuteczność kremów Idéale Lirene potwierdzono w badaniach przy użyciu mikroskopu sił atomowych (AFM) we współpracy z naukowcami z Politechniki Warszawskiej.

Agilent Technologies Zastosowanie: materiałoznastwo nauk przyrodniczych chemii polimerów elektrochemii charakteryzacji elektrycznej nanolitografii

Bibliografia http://www.nanotech-now.com/images/Art_Gallery/AS-AFM ,,STM / AFM –MIKROSKOPY ZE SKANUJĄCĄ SONDĄ, elementy teorii i praktyki’’, Rebecca Howland i Lisa Benatar, Warszawa 2002 ,,Badanie polimerów z wykorzystaniem metody mikroskopii sił atomowych (AFM)’’ cz I- Podstawy AFM i jej zastosowanie w badaniu morfologii polimerów i cz. II- Badanie przebiegu reakcji chemicznych i procesów fizycznych, Kaczmarek H., Czajka R., Nowicki M., Polimery 2002, 47 nr 11-12 http://www.instytucja.pan.pl/index.php/wydziay/wydzia-iii/aktualnoci-wydziau/1907- skaningowy-mikroskop-si-atomowych-afm-i-jego-zastosowanie-w-medycynie http://kopalniawiedzy.pl/pentacen-IBM-zdjecie-molekula-mikroskop-sil-atomowych,8362 Tyszczuk B., ZASTOSOWANIE MIKROSKOPII SIŁ ATOMOWYCH we współczesnej kosmetologii, 1/2012 Świat przemysłu kosmetycznego