Name: Mano manipulación controlada de Moléculas Individuales a través de un microscopio de sonda de barrido con una interfaz de realidad virtual 3D (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min
Description: Aprende la manipulación controlada de moléculas individuales mediante microscopio de sonda de barrido con interfaz de realidad virtual 3D. Este método intuitivo permite refinar protocolos y estudiar interacciones moleculares en nanotecnología.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Los autores no tienen agradecimientos.

<ol><li>Barth, J. V., Costantini, G., Kern, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+atomic+and+molecular+nanostructures+at+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Engineering atomic and molecular nanostructures at surfaces.</a> Nature. 437, 671-679 (2005).</li>
<li>Otero, R., Rosei, F., Besenbacher, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+tunneling+microscopy+manipulation+of+complex+organic+molecules+on+solid+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Scanning tunneling microscopy manipulation of complex organic molecules on solid surfaces.</a> Annu. Rev. Phys. Chem. 57, 497-525 (2006).</li>
<li>Urgel, J. I., Ecija, D., Auwärter, W., Barth, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+Manipulation+of+Gadolinium+Coordinated+Supramolecules+by+Low-Temperature+Scanning+Tunneling+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Controlled Manipulation of Gadolinium Coordinated Supramolecules by Low-Temperature Scanning Tunneling Microscopy.</a> Nano Lett. 14, 1369-1373 (2014).</li>
<li>Fournier, N., Wagner, C., Weiss, C., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Force-controlled+lifting+of+molecular+wires%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Force-controlled lifting of molecular wires.</a> Phys. Rev. B. 84, 035435(2011).</li>
<li>Wagner, C., Fournier, N., Tautz, F. S., Temirov, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+Binding+Energies+of+the+Organic-Metal+Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride%2FAu%28111%29+Bonds+by+Molecular+Manipulation+Using+an+Atomic+Force+Microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Measurement of the Binding Energies of the Organic-Metal Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride/Au(111) Bonds by Molecular Manipulation Using an Atomic Force Microscope.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (7), 076102(2012).</li>
<li>Wagner, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-additivity+of+molecule-surface+van+der+Waals+potentials+from+force+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Non-additivity of molecule-surface van der Waals potentials from force measurements.</a> Nat. Commun. 5, 5568(2014).</li>
<li>Green, M. F. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patterning+a+hydrogen-bonded+molecular+monolayer+with+a+hand-controlled+scanning+probe+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Beilstein+Journal+of+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Patterning a hydrogen-bonded molecular monolayer with a hand-controlled scanning probe microscope.</a> Beilstein Journal of Nanotechnology. 5, 1926-1932 (2014).</li>
<li>Leinen, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+reality+visual+feedback+for+hand-controlled+scanning+probe+microscopy+manipulation+of+single+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Beilstein+J.+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Virtual reality visual feedback for hand-controlled scanning probe microscopy manipulation of single molecules.</a> Beilstein J. Nanotechnol. 6, 2148-2153 (2015).</li>
<li>Wagner, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+Quantum+Dot+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Scanning Quantum Dot Microscopy.</a> Phys. Rev. Lett. 115 (2), 026101(2015).</li>
<li>Mura, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+and+theoretical+analysis+of+H-bonded+supramolecular+assemblies+of+PTCDA+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Experimental and theoretical analysis of H-bonded supramolecular assemblies of PTCDA molecules.</a> Phys. Rev. B. 81 (19), 195412(2010).</li>
<li>Besocke, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+easily+operable+scanning+tunneling+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci.+Lett%22%5BJournal%5D)">An easily operable scanning tunneling microscope.</a> Surf. Sci. Lett. (1-2), 145-153 (1987).</li>
<li>Giessibl, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Mod.+Phys%22%5BJournal%5D)">Advances in atomic force microscopy.</a> Rev. Mod. Phys. 75 (3), 949-983 (2003).</li>
<li>Albrecht, T. R., Grütter, P., Horne, D., Rugar, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency+modulation+detection+using+high-Q+cantilevers+for+enhanced+force+microscope+sensitivity%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Frequency modulation detection using high-Q cantilevers for enhanced force microscope sensitivity.</a> J. Appl. Phys. 69 (2), 668-673 (1991).</li>
<li>Temirov, R., Lassise, A., Anders, F. B., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kondo+effect+by+controlled+cleavage+of+a+single-molecule+contact%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Kondo effect by controlled cleavage of a single-molecule contact.</a> Nanotechnology. 19 (6), 065401(2008).</li>
<li>Glöckler, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+ordered+structures+and+submolecular+scanning+tunnelling+microscopy+contrast+of+PTCDA+and+DM-PBDCI+monolayers+on+Ag%28111%29+and+Ag%28110%29%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Highly ordered structures and submolecular scanning tunnelling microscopy contrast of PTCDA and DM-PBDCI monolayers on Ag(111) and Ag(110).</a> Surf. Sci. 405 (1), 1-20 (1998).</li>
<li>Simon, G. H., Heyde, M., Rust, H. -P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recipes+for+cantilever+parameter+determination+in+dynamic+force+spectroscopy%3A+spring+constant+and+amplitude%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Recipes for cantilever parameter determination in dynamic force spectroscopy: spring constant and amplitude.</a> Nanotechnology. 18 (25), 255503(2007).</li>
<li>Rohlfing, M., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adsorption+structure+and+scanning+tunneling+data+of+a+prototype+organic-inorganic+interface+PTCDA+on+Ag+%28111%29%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Adsorption structure and scanning tunneling data of a prototype organic-inorganic interface PTCDA on Ag (111).</a> Phys. Rev. B. 76 (11), 115421(2007).</li>
<li>Guthold, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+Manipulation+of+Molecular+Samples+with+the+nanoManipulator%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE%2FASME+Trans.+Mechatronics%22%5BJournal%5D)">Controlled Manipulation of Molecular Samples with the nanoManipulator.</a> IEEE/ASME Trans. Mechatronics. 5 (2), 189-198 (2000).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar ni intereses financieros contrapuestos.

Al igual que otros métodos basados ​​en SPM, los experimentos de manipulación moleculares descritos en este documento también dependen en cierta medida de las propiedades de la punta SPM. La estructura de ápice de la punta (que no se puede controlar totalmente) determina la fuerza de la unión punta-molécula. De ahí la fuerza del contacto de la punta molécula puede variar considerablemente y por lo tanto a veces puede ser demasiado baja. Por lo tanto, dentro del protocolo nos referimos a algunas pruebas básicas de los pr...

El microscopio sin contacto de baja temperatura de fuerza atómica / de efecto túnel (LT NC-AFM / STM, en el siguiente SPM simplemente llamado) es la herramienta de elección para la manipulación de precisión atómica de los átomos o moléculas individuales 1 - 3. manipulación basada en SPM se limita típicamente a dos dimensiones y consta de una serie de eventos de manipulación abruptos y con frecuencia estocásticos (saltos). Esto limita esencialmente el control sobre el proceso. Poner en contacto la molécula en cuestión por un único enlace químico en una posición bien definida atómico conduce a un enfoque que puede superar estas limitaciones 4 - 9. A lo largo de su manipulación en contacto con la molécula está conectado a la punta de SPM para que mover la molécula en las tres dimensiones por los desplazamientos correspondientes de la punta se hace posible. Esto crea la posibilidad de que diferentes procedimientos de manipulación complejas realizadas en el espacio 3D. Sin embargo, la manipulación de contacto puede ser hindered por la interacción de la molécula manipulada con la superficie y / o otras moléculas en sus alrededores, lo que puede crear fuerzas que son lo suficientemente grandes como para romper el contacto de la punta-molécula. Por lo tanto una trayectoria 3D en particular de la punta de SPM puede o no puede dar lugar a un evento de manipulación del éxito. por lo tanto surge la cuestión de cómo definir los protocolos que conducen a la finalización con éxito de la manipulación en las circunstancias cuando el enlace punta-molécula tiene una resistencia limitada, mientras que la interacción de la molécula manipulada con su entorno no son a priori bien caracterizados. Aquí se aborda esta cuestión en el imaginables manera más intuitiva. Se deja que el experimentador para controlar los desplazamientos de la punta de SPM simplemente moviendo la mano 7. Esto se consigue mediante el acoplamiento del SPM a un sistema de captura de movimiento comercial, algunas de las especificaciones de los cuales se proporcionan a continuación. La ventaja de &quot;manipulación controlada mano&quot; (MCH) es en tque la capacidad del experimentador para probar diferentes trayectorias de manipulación rápida y aprender de su fracaso o el éxito. La configuración HCM se ha utilizado para llevar a cabo un experimento de prueba de principio en el que una palabra ( &quot;JÜLICH&quot;) fue estarcido en una capa cerrada de moléculas de perileno-3,4,9,10-tetracarboxílico dianhídrido (PTCDA) en Ag ( 111), la eliminación de 48 moléculas, uno por uno, con MCH 7. Elevación de una molécula a partir de las escinde la superficie sus enlaces de hidrógeno intermoleculares que se unen las moléculas en la monocapa 10. Típicamente, la fuerza total de las actuales enlaces intermoleculares excede la fuerza del enlace químico sencillo entre el átomo más exterior de la punta y un átomo de oxígeno carboxílico de PTCDA por el cual se pone en contacto la molécula (véase la Figura 1). Eso puede conducir a la ruptura del contacto de la punta-molécula y el siguiente fracaso del intento de manipulación. La tarea del investigador es así a DETERMIne una trayectoria punta que rompe los enlaces intermoleculares que resisten secuencialmente en vez de simultáneamente, por lo que la fuerza total aplicada a la punta de contactos de molécula nunca excede su fuerza. Aunque la trayectoria deseada puede, en principio, ser simulado, debido al tamaño y la complejidad de los sistemas comprendidos las simulaciones necesarias tomarían un prohibitivamente gran cantidad de tiempo. En contraste con esto, el uso de HCM que era posible retirar la primera molécula después de 40 minutos. Hacia el final del experimento la extracción ya tomó mucho menos tiempo que confirma la eficacia del procedimiento de aprendizaje. Además, la precisión y versatilidad del método HCM se puso de manifiesto en el acto de la manipulación inversa cuando se utilizó una molécula extraída de la ubicación vecina para cerrar el vacío dejado después de la eliminación errónea de otra molécula de la monocapa. enfoque de captura de movimiento, mientras que ser rápido e intuitivo, eslimitado a la generación de los datos de la punta en la trayectoria. Para mayor desarrollo sistemático de nuevos protocolos de manipulación molecular es igualmente importante ser capaz de ver los datos de trayectoria punta en tiempo real, así como para analizar los datos generados anteriormente. Por lo tanto, la funcionalidad de la configuración de HCM se mejora sustancialmente mediante la adición de gafas de realidad virtual que permiten que el experimentador para ver los datos representados en la escena virtual en 3D donde la trayectoria punta se ve aumentada por la corriente (I) y desplazamiento de frecuencia valores (Delta F) medida por el SPM en tiempo real 8 (véase más adelante). Además de eso, la escena de realidad virtual muestra un modelo de la molécula manipulada que sirve como una referencia escala visual. Así, la configuración HCM complementado por la interfaz de realidad virtual es apto para la cartografía sistemática del espacio trayectoria manipulación y refinamiento sucesivo de los protocolos de manipulación prometedores. Además de que el sistema también facilita la transferencia de conocimientos entre los different experimentos. Los párrafos siguientes dan una descripción de la configuración y algunas de sus especificaciones que son relevantes para los experimentos de manipulación. Los experimentos se realizan en ultra-alto vacío (UHV) a una presión de base de 1 x 10 -10 mbar con una SPM comercial que consiste en una cámara de preparación y una cámara de análisis. La cámara de preparación está equipado con: Ar + fuente utilizada para pulverización catódica de la muestra, la transferencia de muestra a través de manipulador (permite el calentamiento y enfriamiento de una muestra), difracción de baja energía de electrones (LEED), una célula de Knudsen personalizado (de células K) que contiene polvo de PTCDA purificado por sublimación. La cámara de análisis está equipado con: LN 2 criostato baño con un volumen de 12 litros y un tiempo de retención de 46 horas, menciones criostato baño (5 l, 72 h), Besocke 11 de tipo escarabajo de SPM equipado con un sensor de sintonía tenedor 12 ( TFS) que consta de un tenedor de sintonía de cuarzo con una punta PtIr conectado eléctricamente (para el funcionamiento STM), Que se corte y afilado por un haz iónico concentrado (FIB) (Figura 2). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig2.jpg" /> Figura 2. Ajuste del sensor tenedor. (A) Imagen de un sensor de sintonía tenedor comercial con punta PtIr adjunto. (B) Imagen SEM de la punta del ápice PtIr cortar con el FIB. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> La AFM se opera en el modo de frecuencia modulada (FM) 13 donde el TFS se excita a la resonancia (f 0 ≈ 31.080 Hz) con un piezo tramado. La señal piezoeléctrico del tenedor de ajuste oscilante se amplifica y se usa por un bucle de enganche de fase (PLL), lo que mantiene la amplitud de oscilación constante de la TFS y seguimiento de los cambios de its frecuencia de resonancia,? f = f - f 0, que se origina a partir del gradiente de la fuerza que actúa sobre la punta. Como se muestra en la Figura 3 la posición de la punta SPM es controlado por tensiones (u X, U y, u z) aplicado a un conjunto de ejes X, Y, Z-piezos (constantes piezoeléctricas a 5 K: x = 15, y = 16, z = 6 A / V). La U x, u Y, U -voltages z (± 10 V con una resolución de 20 bits) se generan en las salidas de electrónica de SPM. Ellos se amplifican aún más por un amplificador de alta tensión (HV) que tiene una tensión de salida máxima de ± 200 V. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig3.jpg" /> Figura 3. Esquema de la configuración del HCM. La posición del (objeto rastreado) A que tiene múltiples infrarrojos (IR) las fuentes instaladas en su superficie se realiza un seguimiento por dos cámaras de infrarrojos del sistema de captura de movimiento (MCS). TipControl por loftware obtiene el A coordenadas (x, y, z) de MCS y lo pasa a la fuente de voltaje remoto (RVS) que genera una serie de tensiones (v x, v y, v z) que se suma a las tensiones (U x , U y, u z) producido por la electrónica de SPM para el control de la posición de la punta de SPM. El voltaje agregado pasa a través de un amplificador de alta tensión (HV) y se aplica aún más al sistema piezo-posicionamiento de la punta de SPM. La configuración permite el control manual del posicionamiento de la punta cuando el bucle de realimentación SPM (FB) está abierta. La posición (x, y, z) de la punta, así como I (x, y, z) y? F (x, y, z) se pasan al software VRinterface que traza en la escena virtual en 3D visto por el operador el uso de la pantalla montada en la cabeza (HMD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> La corriente de efecto túnel que fluye entre la punta y el SPMla superficie se mide mediante un amplificador de transimpedancia con una ganancia variable que varía de 1 x 10 03 al 01 x 10 9 V / A (ancho de banda en la ganancia de 1 x 10 9 V / A es 1 kHz). La salida del amplificador se alimenta en el circuito de retroalimentación STM (FB) para regular la altura de la punta por encima de la superficie en el modo de exploración de corriente constante. La estabilidad de la unión (con la oscilación TFS apagado) es 1 a 3 pm. La señal de oscilación piezoeléctrica de la TFS es amplificada en dos etapas: (1) preamplificador fijada al escudo LN 2 (ganancia de 1 x 10 8 V / A, ancho de banda de 20 kHz), y (2) amplificador de tensión externa con ganancia variable desde 1 x 10 1 5 x 10 4 y un ancho de banda de 1 MHz. Para los experimentos de HCM, la configuración del SPM se amplía con: sistema de captura de movimiento (MCS), la fuente de voltaje controlable a distancia multicanal (RVS), amplificador sumador y la cabeza de realidad virtual montada pantalla (HMD). Todos los dispositivos mencionados, excepto el summing amplificador fueron adquiridos comercialmente. MSC es un sistema de infrarrojos (IR) marcador de seguimiento que permite la resolución milímetro de desplazamientos espaciales a una velocidad de 100 Hz. El sistema consta de dos cámaras de infrarrojos, un objeto rastreable (A) y el software de control. El software MCS obtiene las direcciones x, y, z las coordenadas de la A en el espacio 3D mediante el análisis de sus imágenes obtenidas por las dos cámaras. MCS proporciona una librería de programación que permite el uso de las coordenadas de A en un programa de software por separado. Las coordenadas de A (x A, Y OTROS, A z) se pasan a un programa de software desarrollado a medida &quot;TipControl&quot;. La figura 4 muestra una captura de pantalla de la interfaz gráfica de usuario. El software se activa mediante el botón &quot;Inicio&quot; en la ventana. Después de la activación (τ = 0) el software y configura todas v x -, V y -, v z -voltages en RVS (rango de tensión de ± 10 V a los 16 añosresolución de bits, 50 mseg latencia por escalón de tensión) de acuerdo con la siguiente expresión <img alt="Ecuación 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506eq1.jpg" /> etc., donde c X, C y, c z son los factores que convierten a 5 cm del desplazamiento de A en 1 un desplazamiento de la punta del SPM. El factores p x (t), p y (t), p z (t) tienen valores definidos por el estado de la x, y, z-casillas de verificación en la ventana de software. Si la casilla está marcada, el correspondiente p (t) se establece en 1. Todos los p (t) se pone a 0 en el momento en el botón de &quot;pausa&quot; es presionado en la ventana del software. Eso permite que el operador temporalmente &quot;congelar&quot; la posición de la punta. Al pulsar el botón de &quot;reset todos&quot; en la ventana del software establece v x -, V y -, v z -voltages a cero que devuelve la punta a su posición inicial definida por el software de SPM. El campo de texto &quot;comando manual de RVS&quot; en la ventana del software ca<html> n ser usada para configurar cualquiera de los v x -, V y -, v z -voltages a cualquier valor dentro del rango permitido de ± 10 V. La V x -, V y -, v z -voltages generada por RVS se añaden a la U x -, u y -, u señales de tensión -output z de la electrónica de GDS a través de un amplificador sumador (ganancia de 1, el ancho de banda de 50 kHz, rango de salida ± 10 V). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig4.jpg" /> Figura 4. Captura de pantalla de la ventana de la interfaz. Dos indicadores muestran el estado de la conexión con los sistemas de SCV y vehículos recreativos. Las casillas de verificación se utilizan para activar a mano de control a lo largo de ejes espaciales seleccionados. El botón de &quot;Inicio&quot; inicia el flujo de datos entre MCS, TipControl y RVS según el esquema que se muestra en la Figura 3. Botón de &quot;pausa&quot; se detiene el flujo de datos. Botón &quot;Reset All&quot; establece todas las tensiones de RVS a cero.= &quot;Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Para la visualización de los datos experimentales (trayectoria punta, I,? F) se usa un casco de realidad virtual (HMD). El HMD proporciona una visión estereoscópica (pantalla dividida HD - una mitad para cada ojo, 1.920 x 1.080 píxeles a 75 Hz). Una cámara de infrarrojos dedicado un seguimiento de la posición y orientación del HMD en el espacio 3D usando LEDs IR fijos en la superficie de HMD. El sistema de seguimiento de HMD permite al operador cambiar la vista dentro de la escena de realidad virtual 3D por un giro de la cabeza o simplemente moviendo su cuerpo. El software a medida escrita &quot;VRinterface&quot; recoge los datos tanto de SPM y MCS, la hace en la escena 3D usando OpenGL y lo muestra en el HMD con la ayuda del kit de desarrollo de software de HMD (SDK). VRinterface recupera las direcciones x real, y-, z las coordenadas de la punta directamente de lasoftware de punta (unos pocos milisegundos de latencia), mientras que las señales de E y Delta F se leen directamente de las salidas de la electrónica de SPM (latencia ≈ 250 ms). Figura 5 muestra una captura de pantalla de la escena virtual en 3D como se ve por el Operador que desgasta HMD durante HCM. Dentro de la escena virtual en 3D del ápice punta se representa como una esfera blanca. La coloración de las trayectorias de punta grabadas refleja los valores de cualquiera de log (I (x, y, z)) o? F (x, y, z). El cambio entre log (I (x, y, z)) o? F (x, y, z) los modos de color se realiza mediante la pulsación de un botón. Otro botón inicia la grabación (y reproducción) de los datos de trayectoria punta experimentales. Cuando se pulsa de nuevo el botón se detiene la grabación. La escena virtual también muestra una molécula PTCDA estática que se utiliza como una ayuda visual durante la manipulación. El operador alinea manualmente su orientación para adaptarse a la orientación de la molécula real en la superficie mediante el uso de botones en un teclado. Precaución: Debido a la cabeza ttrasiego de HMD se basa en IR-LED, que puede interferir con el MCS, ya que también utiliza luz infrarroja para rastrear la posición de AL. Por lo tanto para tiene que tener una forma única reconocida por el MCS. Esto ayuda a MCS para discriminar entre las señales que provienen de TO y los que vienen de IR-LED de HMD. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig5.jpg" /> Figura 5. S creenshot de la escena virtual en 3D muestra al operador en HMD durante HCM. Un conjunto de esferas blancas forma un modelo Ag (111) de superficie. La orientación de la superficie del modelo puede no coincidir con la orientación de la muestra. Un modelo de la molécula PTCDA se coloca por encima de la superficie del modelo. C, O, átomos de H de PTCDA se muestran en negro, rojo y blanco, respectivamente. A los efectos de la orientación azimutal conveniencia de la molécula modelo se puede ajustar para adaptarse a la orientación de la molécula verdadera elegidopara la manipulación. La posición de la punta está marcado por una sola esfera blanco que representa el átomo de punta de vértice más exterior. El tiempo real I (x, y, z) y? F (z, y, x) los datos se muestran como indicadores de barra colocados junto a la punta. Grabada previamente, así como las manipulaciones ejecutadas actualmente se muestran como trayectorias 3D cuyo color representa o log (I (x, y, z)) o (x, y, z) los valores medidos? F en las posiciones de la trayectoria correspondiente. La figura muestra las trayectorias que son de color con (, Y, I (x z)) de la señal de registro. El contraste de color se puede cambiar entre log (I (x, y, z)) y? F (x, y, z) los modos de pulsación de un botón. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

<table><tbody><tr><td>LN2</td><td>precaución: líquido criogénico</td>LHe precaución: líquido criogénico PTCDA precaución: sustancia irritante Célula Knudsen (célula K)personalizada Especificaciones ErLEED utilizadas con fuente de <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td>alimentación ErLEED 1.000 A</td>combient LT NC-AFM/STM <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Sensor Createc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>qPlus</td><td>Preamplificador Createc</td><td></td><td>TFS</td></tr><tr><td></td><td>Amplificador Createc</td><td></td><td>para señal de diapasón fijada a LN2 blindaje (etapa 1)</td></tr><tr><td>Preamplificador de voltaje de bajo ruido</td><td>Standford Research System Amplificador</td> externo <td>SR560</td><td>para señal de diapasón (etapa 2)</td></tr><tr><td>Amplificador de corriente de bajo ruido y ganancia variable</td><td>Femto</td><td>Amplificador DLPCA-200</td><td>para tunelización de corriente</td></tr><tr><td>Bonita</td><td>Vicon</td><td>B10, SN: MXBN-0B10-3658</td><td>Cámara IR MCS</td></tr><tr><td>Dispositivo de interacción Apex</td><td>Vicon</td><td>SN: AP0062</td><td>Objeto rastreable MCS (TO)</td></tr><tr><td>Varita de calibración MX</td><td>Vicon</td><td></td><td>Objeto de calibración MCS</td></tr><tr><td>Tracker</td><td>Vicon</td><td></td><td>Software MCS</td></tr><tr><td>Suministro de voltaje de la</td> <td>serie BSAmplificador sumador STAHL-electronics</td><td>BS 1-4</td><td>RVS</td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td></td><td></td><td>personalizado, ganancia 1, basado en amplificador operacional TL072</td></tr><tr><td>Kit de desarrollo Oculus Rrift 2</td><td>Oculus VR</td><td></td><td>HMD</td></tr><tr><td>TipControl</td><td></td><td></td><td>software escrito a medida</td></tr><tr><td>VRinterface</td><td></td><td></td><td>software escrito a medida</td></tr></tbody></table>

mano manipulación controlada de moléculas individuales a través de un microscopio de sonda de barrido con una interfaz de realidad virtual 3d

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Teniendo en cuenta las moléculas orgánicas como los bloques de construcción funcionales de la futura tecnología a nanoescala, la cuestión de la forma de organizar y montar estos bloques de construcción en un enfoque de abajo hacia arriba está todavía abierta. El microscopio de sonda de barrido (SPM) podría ser una herramienta de elección; Sin embargo, la manipulación basada en SPM fue hasta hace poco limitada a dos dimensiones (2D). La unión de la punta de SPM a una molécula en una posición bien definida abre una oportunidad de manipulación controlada en el espacio 3D. Por desgracia, la manipulación 3D es en gran medida incompatibles con el típico 2D-paradigma de los datos de visualización y generación de SPM en un ordenador. Para la manipulación intuitiva y eficiente que, por tanto, un par a baja temperatura sin contacto de fuerza atómica / microscopio de efecto túnel (LT NC-AFM / STM) a un sistema de captura de movimiento y gafas de realidad virtual totalmente envolvente. Esta configuración permite la &quot;manipulación controlada mano&quot; (HCM), en la que la punta de SPM se mueve de acuerdo con el movimiento de la mano del investigador, wi bien las trayectorias de punta, así como la respuesta de la unión SPM se visualizan en 3D. HCM allana el camino para el desarrollo de protocolos de manipulación compleja, que puede conducir a una mejor comprensión fundamental de las interacciones entre las moléculas que actúan a escala nanométrica en las superficies. Aquí se describe la configuración y los pasos necesarios para lograr la manipulación molecular controlado a mano con éxito en el entorno de realidad virtual.

Nota: Esta parte muestra el trabajo publicado en 7,8. La aplicación de HCM al problema de levantar PTCDA / Ag (111) de una capa, hemos sido capaces de escribir un patrón mediante la eliminación secuencial moléculas individuales (Figura 9). En total se retiraron 48 moléculas, 40 de los cuales podrían volverá a depositar a la Ag limpia (111), lo que demuestra que las moléculas permane...

Demostramos la manipulación precisa de moléculas orgánicas individuales en una superficie metálica con la punta de un microscopio de sonda de barrido impulsado en 3D por la mano del experimentador utilizando un sistema de captura de movimiento y gafas de realidad virtual totalmente inmersivas.

Mano manipulación controlada de Moléculas Individuales a través de un microscopio de sonda de barrido con una interfaz de realidad virtual 3D

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

El objetivo general del control manual de la manipulación de moléculas individuales con el microscopio de sonda de barrido es la exploración sistemática e intuitiva de protocolos de manipulación en tres dimensiones. Este método amplía nuestras capacidades en el campo de la nanotecnología molecular. Por ejemplo, nos permite perfeccionar sistemáticamente los protocolos de manipulación para moléculas y estudiar direcciones intermoleculares o incluso fabricar estructuras supramoleculares complejas.La principal ventaja de esta técnica es su naturaleza intuitiva. El experimentador rompe el molde de la programación de trayectorias del punzón ejecutadas automáticamente y participa directamente en el proceso de manipulación.Extender la manipulación de moléculas a la tercera dimensión y separarlas de la superficie abre muchas oportunidades nuevas, pero al mismo tiempo surge inevitablemente la necesidad de controlar la visualización en 3D. Configure el microscopio de sonda de barrido a baja temperatura accionado en 3D por la mano del experimentador, utilizando un sistema de captura de movimiento como se describe en el protocolo del texto. También prepare una muestra depositando PTCDA sobre plata uno uno uno, como se describe en el protocolo del texto.Configure el microscopio de túnel de barrido o STM en modo de corriente constante con los parámetros que faciliten el contraste del LUMO para el PTCDA. Esto permite determinar la orientación molecular. En el software del SPM, introduzca los parámetros para el barrido, incluyendo el área que se va a escanear, los puntos de ajuste para el lazo de retroalimentación y la velocidad de escaneo.Haga clic en el botón de inicio en el software SPM para obtener una imagen del PTCDA. Después de encontrar el área de superficie adecuada para la manipulación según se describe en el protocolo del texto, cree una ventana de vista general y ajuste el área que se escaneará y la velocidad de escaneo. Con el fin de registrar un STM detallado de una región pequeña.A continuación, pruebe la capacidad de la punta para unirse a la molécula de PTCDA. Luego, prepárese para registrar un espectro de corriente-distancia en el que la punta se mueve verticalmente hacia los átomos de oxígeno carboxílico del PTCDA entre tres y cinco angstroms. I como función de Z se registra estableciendo un voltaje de polarización constante y definiendo una rampa de altura de la punta para acercarla y retirarla de la superficie.Luego, haga clic en el botón de espectro individual en el software SPM y seleccione una posición sobre la imagen STM registrada más recientemente, justo encima de los átomos de oxígeno carboxílico de la molécula de PTCDA elegida para la manipulación, donde se debe registrar el espectro de corriente en función de la distancia. Para comprobar si la punta se encuentra en las condiciones adecuadas, verifique que la curva registrada de corriente en función de la distancia muestre la formación de contacto entre la punta y la molécula en forma de un aumento brusco de la corriente.Normalmente, el contacto es lo suficientemente fuerte como para levantar entre 0,5 y tres angstroms mediante la retracción vertical de la punta, tras lo cual la corriente disminuye bruscamente cuando se rompe el enlace. Después de volver a escanear la molécula de PTCDA seleccionada para la manipulación, coloque la punta sobre el átomo de oxígeno carboxílico elegido para la manipulación seleccionando el conjunto X, Y desplazado hacia arriba y luego haciendo clic en la imagen respectiva. Utilice el punto de contacto correcto que fue verificado anteriormente.Activee el bucle de enlace de fase y configure el modo de control de amplitud. Establezca la amplitud de oscilación lo más baja posible, pero lo suficientemente alta como para que la detección de delta-F sea posible con condiciones de ruido aceptables y velocidad de detección adecuada. Abra el bucle de retroalimentación e ingrese cero como valor del integrador en la ventana de parámetros del software de microscopía de fuerza atómica.A continuación, ajuste el sesgo de la unión a unos pocos milivoltios en la ventana de parámetros del software de microscopía de fuerza de barrido. Por último, establezca la ganancia del amplificador de corriente en un valor de uno por diez a la séptima potencia voltios por amperio en la ventana de valores de parámetros del software de microscopía de fuerza de barrido. Colóquese la pantalla montada en la cabeza o HMD y luego tome el objeto rastreable.Si es necesario, vuelva a colocar el HMD en la cabeza del usuario mientras realiza los siguientes pasos para ver la escena de realidad virtual o el entorno del laboratorio, el teclado y el monitor del ordenador. El siguiente paso consiste en marcar el punto de contacto en la escena virtual 3D. Este anclaje facilita encontrar el contacto fácilmente para intentos posteriores de manipulación mediante manipulación controlada por mano, sin necesidad de reiniciar la fuente de voltaje multicanal controlada a distancia.Para hacerlo, active el control manual a lo largo del eje z únicamente marcando la casilla correspondiente en el software de la punta, manteniendo desmarcadas las casillas de X e Y. Mueva el objeto rastreable hacia abajo mientras observa las señales en tiempo real de corriente y delta-f que se muestran en verde y rosa en la escena virtual. Detenga el movimiento del objeto rastreable cuando las señales de corriente y delta-f muestren un salto brusco simultáneo.La firma de una formación de contacto. Inicie la grabación de la trayectoria en la interfaz de realidad virtual haciendo clic en el botón correspondiente y moviendo el objeto rastreable hacia arriba. Detenga la grabación de la trayectoria en la interfaz de realidad virtual haciendo clic en el botón correspondiente tan pronto como se rompa el contacto entre la molécula y la punta.La firma consiste en una caída simultánea aguda de las señales de corriente y de delta-f. Haga clic en el botón de pausa en el software de la punta para desactivar el control manual. Active el control manual del movimiento de la punta a lo largo de todos los ejes espaciales marcando las casillas X, Y y Z en el software y haciendo clic en el botón de inicio en el software de la punta.Intente encontrar una trayectoria de levantamiento exitosa en la que la molécula en contacto quede completamente separada de la superficie al final de la trayectoria. Para ello, acérquese al punto donde el anclaje mostró la formación del contacto con la molécula de la punta moviendo el objeto rastreable, al tiempo que sigue el movimiento de la esfera que representa la posición actual de la punta en la escena virtual. En cuanto se forme el contacto, comience a registrar una nueva trayectoria en la interfaz de realidad virtual.Desplace la molécula en una dirección adecuada para levantarla, moviendo el objeto rastreable de manera correspondiente. Si se detecta una ruptura del contacto con la molécula del extremo, detenga el registro de la trayectoria. Regrese al punto de contacto, inicie el registro de la trayectoria al formarse el contacto y realice una manipulación diferente.Repita esta secuencia hasta que el levantamiento sea exitoso. Si el contacto de la molécula con la punta aún es estable cuando Z es mayor que 10 angstroms, esto es indicativo de un levantamiento exitoso de la molécula. Para asegurarse de que la molécula está en la punta, acérquese nuevamente a la superficie.Un aumento progresivo del delta-f durante la aproximación, mientras que la punta aún está lejos de la superficie, indica que la molécula está unida a la punta y orientada perpendicularmente a la superficie. Tras un levantamiento exitoso, mueva el objeto rastreable hacia arriba para retraer la punta una distancia adicional de 10 a 20 angstroms desde la superficie. Esto reduce cualquier interacción de la molécula levantada con la superficie.Corrija la altura de la punta desactivando la casilla Z y mueva la punta de vuelta a las coordenadas iniciales X, Y utilizando el control manual. Desactive la casilla X o Y una vez que la coordenada respectiva se acerque a cero. Haga clic en el botón de pausa en el software de la punta para fijar la posición actual de la punta y desactivar el control manual.Sin activar el bucle de retroalimentación, seleccione el ajuste de desplazamiento X Y superior y luego haga clic en la imagen respectiva para posicionar la punta sobre la superficie limpia de plata uno uno uno, a una distancia de 50 a 100 angstroms de la isla de donde se extrajo la molécula. A continuación, ajuste la ganancia del amplificador de corriente a uno multiplicado por 10 a la novena potencia voltios por amperio. Desactive las casillas X e Y en el software de la punta y haga clic en el botón de inicio.Mueva el objeto rastreable para acercarlo a la superficie hasta que aparezca una corriente medible. Haga clic en el botón de pausa del software de la punta para desactivar el control manual. Aumente gradualmente el voltaje de polarización utilizando un control deslizante controlado por el ratón en el software del MPE hasta que haya un salto simultáneo en la corriente y en delta-f, lo que indica que la molécula ha caído sobre la superficie.Analice el área en modo de corriente constante y verifique si la molécula fue efectivamente depositada nuevamente sobre la superficie. Finalmente, examine la región donde se extrajo la molécula para observar la vacancia creada. Aquí se muestra un ejemplo de nanoestructuración de una capa molecular mediante manipulación controlada manualmente.La serie de imágenes de microscopía de túnel de barrido (STM) muestra la creación secuencial de 47 vacantes mediante la eliminación consecutiva de moléculas individuales de PTCDA de una capa cerrada. Esta animación muestra 34 trayectorias de manipulación que condujeron con éxito a la eliminación de PTCDA de la monocapa. A continuación se presenta una animación de trayectorias tridimensionales de la punta que demuestra el refinamiento y la reproducibilidad de las trayectorias mediante manipulación manual.La curva gris representa una referencia inicial obtenida al promediar las trayectorias mostradas en la animación anterior. Las curvas de colores son siete intentos de manipulación siguiendo la trayectoria de referencia que resultaron todos infructuosos, y siete intentos exitosos a lo largo de una nueva trayectoria doblada recientemente descubierta. Nuestro método de manipulación controlada por mano puede aplicarse fácilmente a nuevas tareas de manipulación o a nuevas moléculas.Sin necesidad de recurrir a simulaciones costosas. Una vez dominada, la manipulación manual puede utilizarse para estudiar moléculas individuales en configuraciones que de otro modo serían inaccesibles. Realizar este tipo de experimentos podría ampliar considerablemente nuestra comprensión de los procesos fundamentales que ocurren en estas uniones molécula-metalo-metálicas.Al realizar la manipulación controlada manualmente, el experimentador está sujeto a un proceso de aprendizaje. Posteriormente, pretendemos formalizar ese aprendizaje y, finalmente, delegarlo a una computadora.

hand-controlled-manipulation-single-molecules-via-scanning-probe

Research

Investigación

JoVE Journal

Engineering

Ingeniería

Se ha implementado un nuevo sistema computacional que ofrece simulación de dinámica molecular acelerada por GPU y visualización, análisis y manipulación de nanoestructuras en 3D/VR, lo que representa un enfoque novedoso para avanzar en la investigación de materiales y promover la investigación innovadora y métodos alternativos para aprender sobre estructuras materiales con dimensiones invisibles para el ojo humano.

Novela 3D / VR Interactivo Medio Ambiente para MD simulaciones, visualización y análisis

Aquí se describe la instrumentación y métodos para la detección de moléculas de proteína única etiquetados con fluorescencia que interaccionan con una sola molécula de ADN suspendido entre dos microesferas ópticamente atrapados.

Combinando Manipulación sola molécula y de imagen para el estudio de las interacciones proteína-ADN

La nanoscopía de sonda coloidal se puede utilizar en una variedad de campos para obtener información sobre la estabilidad física y la cinética de coagulación de los sistemas coloidales y ayudar en el descubrimiento de fármacos y las ciencias de formulación utilizando sistemas biológicos. El método descrito en este documento proporciona un medio cuantitativo y cualitativo para estudiar dichos sistemas.

El examen cuantitativo y cualitativo de las interacciones entre partículas Uso coloidal Sonda Nanoscopia

En este artículo se describe un método para investigar la estructura de un fotorreceptor de proteína utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM). El mapeo de propiedades nanomecánicas cuantitativas de PeakForce (PF-QNM) revela dímeros de proteínas intactos en una superficie de mica.

Microscopía de Fuerza Atómica de Red-Light fotorreceptores a través de cartografía PeakForce cuantitativa nanomecánico Propiedad

Presentamos un protocolo para la manipulación de vórtices individuales en películas superconductoras delgadas, utilizando contacto mecánico local. El método no incluye la aplicación de corriente, campo magnético o pasos de fabricación adicionales.

Escaneado de Estudio SQUID de la manipulación del vórtice por contacto local

Una combinación de síntesis asistida por solución y superficie abre nuevas direcciones en la síntesis atómicamente precisa de nanoestructuras. La microscopía de efecto túnel de barrido (STM) complementada por la microscopía de fuerza atómica sin contacto (nc-AFM) permite la caracterización detallada de nanoobjetos basados en carbono recién diseñados y generados.

Visualización microscópica de nanografenos porosos sintetizados a través de una combinación de química en solución y en superficie

Este trabajo presenta un flujo de trabajo para el seguimiento de la posición atómica en imágenes de microscopía electrónica de transmisión de resolución atómica. Este flujo de trabajo se realiza utilizando una aplicación matlab de código abierto (EASY-STEM).

Seguimiento de posición atómica de precisión picométrica a través de microscopía electrónica

Aquí, presentamos un protocolo para investigar las propiedades mecánicas intracelulares de células embrionarias aisladas de pez cebra en confinamiento tridimensional con medición directa de la fuerza mediante una trampa óptica.

Mediciones directas de la fuerza de la mecánica subcelular en confinamiento utilizando pinzas ópticas

La bioquímica visual de una sola molécula estudiada a través de cámaras microfluídicas se facilita enormemente utilizando barriles de vidrio, jeringas herméticas al gas, conexiones estables de tubos a células de flujo y eliminación de burbujas mediante la colocación de válvulas de conmutación entre las jeringas y el tubo. El protocolo describe trampas ópticas duales que permiten la visualización de transacciones de ADN e interacciones intermoleculares.

Uso de pinzas ópticas duales y microfluídica para estudios de moléculas individuales

La inspección de muestras a gran escala con resolución a nanoescala tiene una amplia gama de aplicaciones, especialmente para obleas semiconductoras nanofabricadas. Los microscopios de fuerza atómica pueden ser una gran herramienta para este propósito, pero están limitados por su velocidad de imagen. Este trabajo utiliza matrices de voladizos activos paralelos en AFM para permitir inspecciones de alto rendimiento y a gran escala.

Microscopía de fuerza atómica de sonda activa con matrices en voladizo cuatór-paralelas para la inspección de muestras a gran escala de alto rendimiento

Aquí, mostramos el protocolo de imágenes para observar las interacciones biomoleculares con el golpeteo fototérmico fuera de resonancia (PORT), donde optimizamos los parámetros de imagen, identificamos los límites del sistema e investigamos posibles mejoras en el ensamblaje de motivos de ADN de estrellas de tres puntas.

Imágenes de microscopía de fuerza atómica de alta velocidad del autoensamblaje del motivo de estrella de tres puntos del ADN mediante roscado fototérmico fuera de resonancia

Aprende la manipulación controlada de moléculas individuales mediante microscopio de sonda de barrido con interfaz de realidad virtual 3D. Este método intuitivo permite refinar protocolos y estudiar interacciones moleculares en nanotecnología.

Mano manipulación controlada de Moléculas Individuales a través de un microscopio de sonda de barrido con una interfaz de realidad virtual 3D (Video) | JoVE Journal

Mano manipulación controlada de Moléculas Individuales a través de un microscopio de sonda de barrido con una interfaz de realidad virtual 3D

Explorar más videos