Name: 3Dバーチャルリアリティのインターフェイスを持つ走査型プローブ顕微鏡を介した単一分子のハンド制御された操作 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min
Description: 学ぶ 走査型プローブ顕微鏡と3Dバーチャルリアリティを用いた単一分子のハンド制御操作法。直感的な操作で分子ナノテクノロジーの操作プロトコルを体系的に探索し、複雑な超分子構造の製造に応用できます。

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

著者には謝辞がありません。

<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>

著者には開示するものは何もなく、競合する金銭的利益もありません。

他のSPMベースの方法と同様に、この論文に記載の分子操作実験はまた、SPMチップの特性にある程度依存しています。 （完全に制御することはできません）先端頂点構造体は、先端分子結合の強さを決定します。したがって、チップ分子接触の強度が大幅に異なる場合があり、従って、時には低すぎるかもしれません。したがって、プロトコル内で、我々は、チップの品質と先端治療手順のいくつかの基本的なテストを参照してください。しかし、より深刻な先端治療は満足のいく操作結果を達成するためにいくつかのケースで必要になる場合があります。 NC-AFM / STMで操作を接触させるもう一つの重要な側面は、操作中にqPlusセンサの振動です。音叉は2A 0の合計によって垂直方向に上下に先端を移動するので増加する振幅で制御された操作がより困難になります。大きな振幅の限界では先端があります常に決定的操作に影響を与える垂直軌道に沿って表面から後退。使用NC-AFM / STMのノイズ特性が良く1オングストローム以下の振幅での作業許可されていない場...

低温非接触原子間力/走査型トンネル顕微鏡（以下でLT NC-AFM / STMは、単にSPMと呼ばれる）個々の原子または分子1のアトミック正確な操作のための最適なツールです- 3。 SPMベースの操作は、一般的に2次元に限定し、突然、多くの場合、確率的操作イベント（ジャンプ）の一連の構成されています。これは本質的に、プロセスの制御を制限します。 9 -明確に定義された原子の位置に単一の化学結合によって問題の分子を接触させることは、これらの制限4を克服することができるアプローチにつながります。先端の適切な変位によって、すべての3つの次元での分子の移動が可能となるように、その操作全体にわたって接触分子は、SPMチップに接続されています。これは、3D空間内で行われる様々な複雑な操作手順の可能性を作成します。しかし接触する操作がhiであってもよいです先端分子の接触を破裂するのに十分な大きさの力を作成することがあり、その周囲の操作面を有する分子および/または他の分子との相互作用によってndered。したがって、SPMチップの特定の3D軌跡は、または成功した操作イベントが生じない場合があります。質問は、このようにその環境で操作する分子の相互作用は事前よく特徴付けられていない一方で、先端分子結合が制限された強度を有している状況では、操作が正常に完了に至るプロトコルを定義する方法を生じます。 ここでは、この質問は、最も直感的な方法の想像に近づきます。実験者は、単に手7を移動させることにより、SPMチップの変位を制御することができます。これは、仕様の一部を以下に提供される商業的モーションキャプチャシステムにSPMを結合することによって達成されます。 「手制御された操作」（HCM）の利点は、トンでありますすぐに別の操作軌跡を試してみると、彼らの失敗や成功から学ぶために彼実験者の能力。 HCMの設定はワード（「ユーリッヒ」）が銀上ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸二無水物（PTCDA）分子（の閉鎖層にステンシルされた証明の原理実験を行うために使用されています111）、HCM 7で、48分子、一つ一つを取り除きます。単分子層10中の分子を結合し、その分子間の水素結合面を切断から分子を持ち上げます。典型的には、本分子間結合の合計強度は、先端部の最も外側の原子と分子が（ 図 1参照）に接触させることにより、PTCDAのカルボン酸酸素原子との間の単一の化学結合の強さを超えています。つまり、先端分子接触の破裂および操作の試みの次の故障につながる可能性があります。実験のタスクはdetermiすることです先端分子の接触に適用される全体の力は、その強度を超えないように、抵抗する分子間結合順次ではなく同時にを破る先端軌道ね。 目標軌道は、原理的にシミュレートすることができるが、システムのサイズおよび複雑さに起因し、必要なシミュレーションは、時間の極端に大量にかかる関与します。それとは対照的に、HCMを使用して40分後に最初の分子を除去することが可能でした。実験の終わりに向かって抽出は、すでに学習手順の有効性を確認し、はるかに少ない時間がかかりました。さらに、HCM法の精度と汎用性は、隣接する位置から抽出された分子は、単層から別の分子の誤除去した後に残された空白を閉じるために使用された逆の操作の行為で証明されました。 モーションキャプチャ手法は、高速かつ直感的でありながら、あります先端軌跡データの生成に制限されています。新しい分子操作プロトコルのさらなる体系的な発展のためには、リアルタイムで先端軌跡データを表示するだけでなく、以前に生成されたデータを分析することができるようすることも同様に重要です。したがって、HCMの設定の機能は、実験者が先端の軌跡は、電流（I）によって増強された3D仮想場面にプロットされたデータと周波数シフトを見ることができる仮想現実ゴーグルを追加することによって、実質的に増強される（Δfの）値を測定しSPMによってリアルタイムで8（下記参照）。それに加えて、仮想現実シーンの視覚スケール基準となる操作分子のモデルを示します。したがって、仮想現実インタフェースによってほめHCMの設定は、操作軌跡空間の体系的なマッピングと有望な操作プロトコルの連続した微細化に適しています。システムはまた、dとの知識移転を促進することに加えてifferent実験。以下の段落では、セットアップや操作実験に関連するその仕様のいくつかの説明を与えます。 実験が準備室と分析室からなる商業SPM 1×10 -10ミリバールのベース圧力で、超高真空（UHV）で行われます。準備室が装備されている：サンプルスパッタ法を用いるのAr +ソース、マニピュレータを介して試料の移動は、低エネルギー電子線回折（LEED）、PTCDA粉末を含むカスタマイズされたクヌーセンセル（Kセル）（加熱及び試料の冷却を可能にします）昇華により精製しました。液体ヘリウム浴クライオスタット（5 L、72時間）、音叉センサ12（装備Besocke 11カブトムシ型SPMは、12 Lの容積を持つLN 2槽クライオスタットと46時間の保持時間：分析室が装備されていますTFS））STM動作のために（電気的に接続さPTIRチップと水晶音叉からなります切断及び集束イオンビーム（FIB）（ 図 2）により先鋭化されています。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig2.jpg" /> 図2. 音叉センサーが付属PTIR先端を有する市販の音叉センサの（a）の画像。 （b）は FIBで切断PTIR先端頂点のSEM像。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> AFMは、TFSは、ディザピエゾとの共振（0≈31080ヘルツF）で励起され、周波数変調（FM）モード13で運転されます。振動音叉の圧電信号はTFSの振動の振幅を一定に保持し、Iの変化を追跡する位相ロックループ（PLL）によって増幅され、使用されTSの共振周波数、Δfの= F - f 0は 、先端に作用する力の勾配に由来します。 X = 15、Y = 図 3に示すように、SPM先端位置は電圧（UのX、U、Y、Uは、z）のxのセットに適用される、y軸、z軸の圧電素子（5 Kにおける圧電定数によって制御されます16、Z = 6Å/ V）。 U xは 、U、Y、U、Z -voltages（20ビット分解能で±10 V）はSPM電子出力で生成されます。それらは、さらに±200 Vの最大出力電圧を有する高電圧（HV）増幅器によって増幅されます<img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig3.jpg" /> 図 HCMセットアップの 3回路図 （追跡対象物）の位置とは、モーションキャプチャシステム（MCS）の2つの赤外線カメラによって追跡され、その表面上にインストールされた複数の（赤外線）IR源を有しています。そうTipControlftware電圧の集合（V XとV yは、V z）の電圧が加算される（U Xを生成する（RVS）のMCSから座標（x、y、z）が取得し、リモート電源に渡し、U、Y、Uは、Z）SPM先端位置を制御するためのSPMの電子機器によって生成しました。追加された電圧は、高電圧（HV）増幅器を通過し、さらにSPMチップのピエゾ位置決めシステムに適用されます。 SPMのフィードバック（FB）ループが開いている時に、セットアップは、先端の位置決めの手動制御を可能にします。 （X、Y、Z）の先端の位置ならびにI（x、y、z）とΔfの（x、y、z）は、操作者によって見られる3次元仮想シーンでプロットVRinterfaceソフトウェアに渡されます。ヘッドマウントディスプレイ（HMD）を身に着けている。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> SPMチップとの間に流れるトンネル電流表面は1×10 3〜1×10 9 V / A（ゲインで帯域幅1×10 9 V / Aが1 kHzです）の範囲で可変利得を有するトランスインピーダンス増幅器によって測定されます。増幅器の出力は定電流走査モードにおける表面上の先端の高さを調節するためにSTMフィードバック（FB）ループに供給されます。 （TFS発振がオフになって）接合の安定性は、1-3午後です。 TFSの圧電発振信号は、2段階で増幅された：LN 2のシールド（1×10 8 V / A、帯域幅20kHzのゲイン）、および1からの可変利得（2）外部電圧増幅器に固定された（1）プリアンプ1×10 4〜5×10と1MHzの帯域幅。 ディスプレイ（HMD）に取り付けモーションキャプチャシステム（MCS）、遠隔制御可能なマルチチャンネル電圧源（RVS）、加算増幅器と仮想現実ヘッド：HCM実験のために、SPMのセットアップがで拡張されています。 summi除いてリストされているデバイスのすべてngの増幅は、商業的に得ました。 MSCは、100ヘルツの速度で、空間的な変位のミリメートルの分解能を可能にする赤外線（IR）マーカー追跡システムです。システムは、2つの赤外線カメラで構成され、追跡可能なオブジェクト（TO）と制御ソフトウェア。 MCSソフトウェアは、二つのカメラによって得られたその画像を解析することにより、3次元空間内のx軸、y軸、z座標を取得します。 MCSは、個別のソフトウェアプログラムのTOの座標の使用を可能にするプログラミング・ライブラリを提供します。 TOの座標（x TO、y に 、TO z）は、カスタム開発のソフトウェアプログラム」TipControl」に渡されます。4は、グラフィカル・ユーザー・インターフェースのスクリーンショットを示しています。ソフトウェアは、ウィンドウ内の「開始」ボタンによって起動されます。 、V yを- - 、RVSでV のz -voltages（電圧範囲±10 V 16で活性化した後（τ= 0）ソフトウェアは、すべてのV xを設定しますビット分解能、電圧ステップ当たり50秒の待ち時間）は、以下の式に従って<img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/54506/54506eq1.jpg" /> など 、ここで、cのX、CのY、C zは SPMチップの1オングストロームの変位にTOの変位5cmの変換要因です。因子PがX（t）は、p個のY（t）は、p個のZ（t）はx軸の状態によって定義される値を有し、y軸、ソフトウェアウィンドウのZチェックボックス。ボックスは、対応するP（t）がチェックされている場合、「一時停止」ボタンがソフトウェアウィンドウに押された時点で0に設定されている1に全てのP（t）が設定されています。それは、オペレータが一時的に先端の位置を「凍結」することができます。ソフトウェアのウィンドウで「すべてをリセット」ボタンを押すと、V xを設定します- 、V yは - 、V zは 、SPMソフトウェアによって定義され、その初期位置に先端を返すゼロに-voltages。ソフトウェアのウィンドウカリフォルニア州テキストフィールド」RVSを手動でコマンド &quot;<html> 、V yを- - n個のV xのいずれかを設定するために使用され、V yを- - 、V zは ±10 VのV xの許容範囲内の任意の値に-voltages、V zが追加されRVSによって生成-voltages uのxに- 、U Y - SPMエレクトロニクスの、uのzの -output電圧信号加算増幅器（ゲイン1、帯域幅は50kHz、出力範囲±10 V）を介して。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig4.jpg" /> インターフェース画面の図4のスクリーンショット。二つの指標はMCSとRVSシステムとの接続状態を示します。チェックボックスが選択された空間の軸に沿って手でコントロールを活性化するために使用されています。ボタン「スタート」は、図3に示すスキームに従って、MCS、TipControlとRVS間のデータフローを開始します。ボタン&quot;一時停止&quot;データフローを停止します。ボタン「すべてリセット」はゼロに電圧すべてRVSを設定します。= &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg&quot;ターゲット= &quot;_空白&quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 実験データの可視化のために（先端の軌跡、I、Δfの）ヘッドマウントディスプレイ（HMD）が使用されます。 HMDは、立体視（ - それぞれの目に対して1つの半分、75 Hzで1920×1,080ピクセル分割HDディスプレイ）を提供します。専用のIRカメラは、HMDの表面に固定されたIR-LEDを用いた3次元空間におけるHMDの位置及び姿勢を追跡します。 HMD追跡システムは、オペレータが自分の頭のターンまたは単に自分の体を動かすことにより、3次元仮想現実シーンの内部ビューを変更することができます。 カスタム作成ソフトウェア「VRinterface」はSPMとMCSの両方からデータを収集し、OpenGLを使用して、3Dシーンでそれをレンダリングし、HMDのソフトウェア開発キット（SDK）の助けを借りてHMDに表示されます。 VRinterfaceから直接チップの実際のX、Y、Z座標を取得します先端ソフトウェア（数ミリ秒の待ち時間）IおよびΔfの信号は、SPMエレクトロニクス（≈250ミリ秒の待ち時間）の出力から直接読み取られている。HCM中にHMDを身に着けているオペレータによって見られるように、図 5は、3D仮想シーンのスクリーンショットを示しています。 3D仮想場面の内側先端頂点は白い球としてレンダリングされます。記録された先端の軌跡の着色は、いずれかのログ（I（X、Y、Z））またはΔfを（x、y、z）の値を反映しています。ログ（I（X、Y、Z））またはΔfを切り替える（X、Y、Z）、色モードがボタンを押すことによって行われます。別のボタンは、実験的な先端の軌跡データの記録（および表示）を開始します。もう一度押すとボタンを押すと録音を停止します。仮想場面も操作中に視覚的な補助として使用される静的PTCDA分子を示しています。オペレータは、キーボード上のボタンを使用して、表面上の実際の分子の向きに合わせて手動でその向きを揃えます。 注意：ヘッドトンので、HMDのラックは、またTOの位置を追跡するために、IR光を使用するので、それはMCSに干渉する可能性、IR-LEDに依存しています。したがって、TOは、MCSによって認識独特の形状を有していなければなりません。これは、MCSがTOとHMDのIR-LEDから来たものから来る信号を区別するのに役立ちます。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig5.jpg" /> 3D仮想場面の 図5 のS creenshotは、HCMの間、HMDでオペレータに表示。白い球のセットは、モデルのAg（111）表面を形成します。モデル表面の向きは必ずしもサンプルの向きと一致しない場合があります。 PTCDA分子のモデルは、モデル表面の上方に配置されています。 Cは、O、PTCDAのH原子は、それぞれ、黒、赤と白で示されています。モデル分子の便宜の方位角配向のために選択された実際の分子の向きに合わせて調整することができます操作のため。先端位置は、最も外側の先端頂点の原子を表す単一の白い球でマークされています。リアルタイムI（x、y、z）とΔfの（x、y、z）のデータがチップの隣に配置されたバーインジケータとして表示されます。以前に記録されただけでなく、現在実行中の操作は、その色のいずれかを表す（I（x、y、z）を）ログ3D軌跡又は軌跡の対応する位置で測定されたΔf（x、y、z）の値として表示されています。図は、ログ（I（X、Y、Z））信号で着色された軌跡を示します。色のコントラストは、ボタンを押すことで、ログ（I（X、Y、Z））と、Δfの（x、y、z）のモードを切り替えることができます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

<table><tbody><tr><td>LN2</td><td></td><td></td><td>注意:極低温液体</td></tr><tr><td>LHe</td><td></td><td></td><td>注意:極低温液体</td></tr><tr><td>PTCDA</td><td></td><td></td><td>注意:刺激物質</td></tr><tr><td>クヌーセンセル(Kセル)</td><td></td><td></td><td>カスタム</td></tr><tr><td>ErLEED</td>仕様 電源で使用する<td>仕様</td><td></td><td>ErLEED 1,000A</td></tr><tr><td>コンビエントLT NC-AFM/STM</td><td>Createc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>qPlus センサー</td><td>Createc</td><td></td><td>TFS</td></tr><tr><td>プリアンプ</td><td>LN2</>sub シールドに固定された音叉信号用</td><td>クリエイト</td><td></td> アンプ (ステージ 1)</tr><tr><td>低ノイズ電圧プリアンプ</td><td>Standford Research System</td><td>SR560</td><td>音叉信号用外部アンプ (ステージ 2)</td></tr><tr><td>可変ゲイン低ノイズ電流アンプ</td><td>フェムト</td><td>DLPCA-200</td><td>トンネル電流用アンプ</td></tr><tr><td>Bonita</td><td>Vicon</td><td>B10, SN: MXBN-0B10-3658</td><td>MCS IR カメラ</td></tr><tr><td>Apex Interaction Device</td><td>Vicon</td><td>SN: AP0062</td><td>MCS 追跡可能オブジェクト (TO)</td></tr><tr><td>MX キャリブレーション ワンド</td><td>Vicon</td><td></td><td>MCS キャリブレーション オブジェクト</td></tr><tr><td>トラッカー</td><td>Vicon</td><td></td><td>MCS ソフトウェア</td></tr><tr><td>BS シリーズ電圧供給</td><td>stahl-electronics</td><td>BS 1-4</td><td>RVS</td></tr><tr><td>サミングアンプ&nbsp;</td><td></td><td></td><td>カスタム、ゲイン1、オペアンプTL072</td></tr>に基づく <tr><td>Oculus Rrift 開発キット2</td><td>Oculus VR</td><td></td><td>HMD</td></tr><tr><td>TipControl</td><td></td><td></td><td>カスタムソフトウェア</td></tr><tr><td>VRインターフェース</td><td></td><td></td><td>カスタムメイドソフトウェア</td></tr></tbody></table>

3dバーチャルリアリティのインターフェイスを持つ走査型プローブ顕微鏡を介した単一分子のハンド制御された操作

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

将来のナノスケール技術の機能ビルディングブロックのような有機分子を考慮すると、ボトムアップアプローチでこのようなビルディング・ブロックを配置し、組み立てる方法の質問はまだ開いています。走査型プローブ顕微鏡（SPM）は、最適なツールである可能性があります。しかし、SPMベースの操作は、最近まで2次元（2D）に制限されていました。明確に定義された位置で分子にSPMチップをバインドすると、3D空間で制御された操作の機会を開きます。残念ながら、3D操作は、コンピュータ上のSPMのデータを表示および生成の典型的な2D-パラダイムとの大部分は互換性がありません。直感的かつ効率的な操作のために、我々はそのためのカップル低温非接触原子間力/走査型トンネル顕微鏡（LT NC-AFM / STM）モーションキャプチャシステムと完全に没入型仮想現実ゴーグルに。このセットアップは、SPMチップは、実験者の手の動きに応じて移動させた「手制御された操作」（HCM）、ワットを許可します先端の軌跡だけでなく、3Dで可視化されるSPM接合の応答をhile。 HCMは、潜在的に表面上の分子間に働くナノスケールの相互作用の優れた基本的な理解につながる、複雑な操作プロトコルの開発に道を開きます。ここでは、セットアップと仮想現実環境内で成功した手で制御された分子操作を達成するために必要な手順について説明します。

注：この部分は7,8で発表された研究を示しています。 層のうちPTCDA / Agの（111）リフティングの問題にHCMを適用すると、私たちは順番に個々の分子（ 図 9）を除去することによってパターンを書き込むことができました。合計で48の分子は、分子は、操作プロセス中にそのまま留まることを示し、きれいな銀（111）に再堆積することができた40そのうち、削除されました。これは、別の場所から分子を取り、誤って作成された空孔7（ 図 9のインセット）を充填することにより、「書き込みエラー」を修正するために、HCMを使用できます。 層から分子を除去するために許可...

私たちは、モーションキャプチャシステムと完全に没入型のバーチャルリアリティゴーグルを使用して、実験者の手によって3Dで駆動される走査型プローブ顕微鏡の先端を使用して、金属表面上の個々の有機分子の正確な操作を実演します。

3Dバーチャルリアリティのインターフェイスを持つ走査型プローブ顕微鏡を介した単一分子のハンド制御された操作

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

走査型プローブ顕微鏡を用いた個々の分子の手動制御操作の全体的な目的は、三次元における操作プロトコルを系統的かつ直感的に探索することです。この手法は、分子ナノテクノロジー分野における我々の能力を拡張します。例えば、分子の操作プロトコルを系統的に洗練させ、分子間の方向性を研究することや、複雑な超分子構造を構築することが可能になります。この手法の主な利点は、その直感的な性質にあります。実験者は自動実行されるチップ軌道のプログラミングという形式にとらわれず、操作プロセスに直接的に関与することができます。分子操作を3次元に拡張し、表面から切り離すことで多くの新たな可能性が開かれますが、同時に3D可視化制御の必要性が必然的に生じます。テキストプロトコルに記載されている通り、モーションキャプチャシステムを用いて、実験者が手で3次元駆動させる低温走査型プローブ顕微鏡をセットアップしてください。また、テキストプロトコルに記載されている通り、銀(111)上にPTCDAを蒸着させて試料を準備してください。走査型トンネル顕微鏡（STM）を、PTCDAのLUMOコントラストが得られやすいパラメータを用いて定電流モードに設定します。これにより、分子配向を決定することが可能になります。SPMソフトウェアに、走査領域、フィードバックループのセットポイント、走査速度を含むスキャンパラメータを入力します。SPMソフトウェアのスタートボタンをクリックし、PTCDAのイメージングを行います。テキストプロトコルに従って操作に適した表面領域を見つけた後、オーバービューウィンドウを作成し、スキャン領域とスキャン速度を調整します。これにより、狭い領域の詳細なSTM画像を記録することが可能になります。次に、チップがPTCDA分子に結合する能力をテストします。その後、チップをPTCDAのカルボキシ酸素原子に向かって垂直方向に3から5Å移動させ、電流-距離スペクトルを記録する準備をします。一定のバイアス電圧を設定し、表面への接近および後退のためのチップ高さのランプを定義することで、Zの関数としてのIを記録します。次に、SPMソフトウェアのsingle spectrumボタンをクリックし、操作対象に選択したPTCDA分子のカルボキシル酸素原子の直上にある、直近に記録したSTM画像上の位置を選択します。ここで電流-距離スペクトルを記録します。チップが適切な状態にあるかを確認するため、記録された電流-距離曲線において、電流の急激な増加という形でチップと分子の間の接触形成が示されていることを検証してください。通常、接点は垂直方向へのチップ後退による0.5から3オングストロームの持ち上げに耐えうる十分な強度を持ち、その後、結合が破断すると電流が急激に減少します。操作対象として選択したPTCDA分子を再スキャンした後、「set X, Y offset top」を選択し、該当する画像内をクリックすることで、操作に用いるカルボキシ基の酸素原子の上にチップを配置します。この際、先に確認した正しい接点を使用してください。フェーズロックループを活性化し、振幅制御モードを設定します。振動振幅は、許容可能なノイズ条件と検出速度でΔF検出が可能な範囲で、できるだけ低く設定してください。フィードバックループを開き、SPMソフトウェアのパラメータウィンドウでインテグレータ値に0を入力します。次に、SPMソフトウェアのパラメータウィンドウで接合バイアスを数mVに設定します。最後に、SPMソフトウェアの値パラメータウィンドウで電流アンプのゲインを1×10⁷ V/Aに設定します。ヘッドマウントディスプレイ（HMD）を装着し、トラッキング可能なオブジェクトを手に取ります。必要に応じて、バーチャルリアリティのシーン、または研究室の環境、キーボード、コンピュータモニターを確認しながら、ユーザーの頭部でHMDの位置を調整してください。次のステップでは、3D仮想シーン内の接点をマークします。このアンカーを設定することで、遠隔制御可能なマルチチャンネル電圧源をリセットすることなく、手による操作を用いて接点を容易に探し出し、その後の操作試行を行うことができます。そのためには、チップソフトウェアの対応するチェックボックスをオンにし、XおよびYのチェックボックスはオフのままにして、z軸方向のみでハンドコントロールを有効にします。仮想シーンに緑色とピンク色で表示される電流およびdelta-fのリアルタイム信号を確認しながら、トラッキング対象物を下方へ移動させます。電流とdelta-fの信号が同時に急激な跳ね上がりを示した時点で、トラッキング対象物の移動を停止してください。接触形成のシグネチャ。VRインターフェースで対応するボタンをクリックし、追跡対象物を上に動かして軌跡の記録を開始します。分子とチップの間の接触が断裂した直後に、VRインターフェースで対応するボタンをクリックして軌跡の記録を停止します。このシグネチャーは、電流とΔf信号の同時かつ急激な低下として現れます。チップ制御ソフトウェアの停止ボタンをクリックし、ハンドコントロールを無効にします。ソフトウェアのX、Y、Zのチェックボックスをオンにし、チップ制御ソフトウェアの開始ボタンをクリックして、全空間軸にわたるチップ移動のハンドコントロールを有効にします。軌跡の終点で接触した分子が表面から完全に脱離する、成功したリフティング軌跡を見つけてください。そのためには、バーチャルシーン内の現在のチップ位置を示す球体の動きを追いながら追跡可能オブジェクトを移動させ、アンカーがチップ分子との接触形成を示した地点に近づけてください。接触が形成され次第、VRインターフェースで新しい軌跡の記録を開始してください。追跡対象物を適切に移動させることで、分子をリフトアップに適した方向に牽引します。チップと分子の接触が破断したことが検出された場合は、軌跡の記録を停止してください。接触点まで戻り、接触が形成された時点で軌跡の記録を開始し、別の操作を実行します。リフティングが成功するまでこのシーケンスを繰り返します。Zが10 angstromsより大きい状態でチップと分子の接触が依然として安定している場合、これが分子のリフティングに成功したことを示すシグネチャーとなります。分子がチップに乗っていることを確認するため、再度表面に接近させます。チップがまだ表面から離れている接近中にdelta-fが緩やかに増加することは、分子がチップに付着し、表面に対して垂直に配向していることを示しています。リフティングに成功した後、追跡可能なオブジェクトを上に移動させ、チップを表面からさらに10〜20 angstroms後退させます。これにより、リフトアップされた分子と表面との相互作用を低減させることができます。Zのチェックボックスを外してチップの高さを固定し、ハンドコントロールを使用してチップを初期のX、Y座標に戻します。それぞれの座標が0に近づいたら、XまたはYのチェックボックスを外します。チップソフトウェアのポーズボタンをクリックして、現在のチップ位置を固定し、ハンドコントロールを無効にします。フィードバックループをオンにせずに、「set X Y offset top」を選択し、分子が抽出されたアイランドから50〜100 angstroms離れた清潔な銀表面の上にチップを配置するため、それぞれの画像内をクリックします。次に、電流アンプゲインを1×10⁹ volts per ampereに設定します。チップソフトウェアのXおよびYのチェックボックスを外し、「start」ボタンをクリックします。測定可能な電流が現れるまで、追跡対象物を表面に近づけます。チップ制御ソフトウェアの停止ボタンをクリックし、手動制御を解除します。SPMソフトウェア内のマウス操作によるスライダーを使用して、バイアス電圧を段階的に上昇させます。電流とdelta-fが同時に跳ね上がった時点が、分子が表面に到達したことを示しています。定電流モードで領域をスキャンし、分子が実際に表面に再堆積したかを確認します。最後に、分子を抽出した領域をスキャンし、形成された空孔を観察します。ここでは、手動制御による操作を用いた分子層のナノ構造化の例を示しています。一連のSTM画像は、閉鎖層から個々のPTCDA分子を連続的に除去することで、47箇所の空孔を逐次的に作成した様子を示しています。このアニメーションでは、単分子層からのPTCDAの除去に成功した34通りの操作軌跡を示しています。ここでは、手動制御操作による軌跡の精緻化と再現性を実証する3Dチップ軌跡のアニメーションを示します。グレーの曲線は、前のアニメーションに示された軌跡を平均して得られた初期リファレンスを表しています。カラーの曲線は、リファレンス軌跡に従った7回の操作試行（すべて失敗）と、新たに発見された屈曲した軌跡に沿った7回の成功した試行です。我々の手動制御操作法は、新しい操作タスクや新しい分子に容易に適用することが可能です。高コストなシミュレーションを導入する必要はありません。手動制御による操作を習得すれば、通常では不可能な構成での単一分子の研究に利用できます。このような実験を行うことで、金属-分子-金属接合で起こる基本的プロセスに対する理解を大幅に深めることができる可能性があります。手動で操作を行う際、実験者は学習プロセスを経ることになります。後に、私たちはその学習を形式化し、最終的にコンピュータに委任することを目指しています。

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

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

GPUで加速された分子動力学シミュレーションとナノ構造の3D/VR視覚化、分析、操作を特徴とする新しい計算システムが実装されました。これは、材料研究を進歩させ、人間の目には見えない次元の材料構造について学ぶための革新的な調査と代替方法を促進するための新しいアプローチを表しています。...

MDシミュレーションのための新しい3D / VRインタラクティブな環境、可視化と分析

ここでは、二枚の光学トラップされたマイクロスフェアの間に懸架単一のDNA分子と相互作用する単一の蛍光標識タンパク質分子を検出するための機器および方法が記載されている。...

タンパク質-DNA相互作用の研究のための単一分子マニピュレーションとイメージングを組み合わせる

コロイドプローブナノスコピーは、コロイドシステムの物理的安定性と凝固速度についての洞察を得るための様々な分野で使用され、生物学的システムを用いた創薬と製剤化科学を支援することができます。で説明する方法は、そのようなシステムを研究するための定量的および定性的な手段を提供します。...

コロイドプローブナノスを使用して、粒子間相互作用の定量的および定性的調査

jove_content&lt;この論文では、原子間力顕微鏡(AFM)を使用してタンパク質の光受容体の構造を調査する方法について説明しています&gt;PeakForce Quantitative Nanomechanical Property...

PeakForce定量的ナノメカニカルプロパティマッピングを使用した赤色光光受容体の原子間力顕微鏡

私たちは、局所的な機械的接触を使用して、薄い超伝導膜の個々の渦を操作するためのプロトコルを提示します。この方法には、電流、磁場、または追加の製造ステップを印加することは含まれていません。...

現地連絡先によって渦操作のSQUID研究をスキャンします

溶液支援合成と表面支援合成の組み合わせは、ナノ構造の原子精度合成に新たな方向性を開きます。走査型トンネル顕微鏡(STM)と非接触原子間力顕微鏡(nc-AFM)を組み合わせることで、新たに設計および生成された炭素ベースのナノオブジェクトの詳細な特性評価が可能になります。...

溶液と表面化学の組み合わせにより合成された多孔質ナノグラフェンの顕微鏡的可視化

この研究は、原子分解能透過電子顕微鏡イメージングにおける原子位置追跡のワークフローを提示する。このワークフローは、オープンソースのMatlabアプリ(EASY-STEM)を使用して実行されます。...

電子顕微鏡によるピソメーク精度原子位置追跡

ここでは、光学トラップによる直接力測定を用いて、3次元閉じ込めで単離した胚ゼブラフィッシュ細胞の細胞内の機械的特性を調べるプロトコルを提示する。...

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

マイクロ流体チャンバーを介して研究される視覚的な単一分子生化学は、ガラスバレル、気密シリンジ、チューブとフローセルへのチューブの安定した接続、およびシリンジとチューブの間に切り替えバルブを配置することによる気泡の除去を使用して大幅に促進されます。このプロトコルは、DNAトランザクションと分子間相互作用の視覚化を可能にするデュアルオプティカルトラップを記述します。...

1分子研究のためのデュアル光ピンセットとマイクロ流体工学の使用

ナノスケールの分解能による大規模なサンプル検査は、特にナノ加工された半導体ウェーハにおいて、幅広い用途があります。原子間力顕微鏡は、この目的のための優れたツールとなり得ますが、イメージング速度によって制限されます。本研究では、AFMに並列アクティブカンチレバーアレイを採用し、ハイスループットかつ大規模な検査を可能にしています。...

クワトロパラレルカンチレバーアレイを用いたアクティブプローブ原子間力顕微鏡によるハイスループット大規模サンプル検査(英語)

ここでは、光熱オフレゾナンスタッピング(PORT)による生体分子の相互作用を観察するためのイメージングプロトコルを示し、イメージングパラメータを最適化し、システム限界を特定し、3点スターDNAモチーフアセンブリのイメージングにおける潜在的な改善を調査しました。...

光熱オフレゾナンスタッピングを用いたDNA三点星モチーフ自己組織化の高速原子間力顕微鏡イメージング

学ぶ 走査型プローブ顕微鏡と3Dバーチャルリアリティを用いた単一分子のハンド制御操作法。直感的な操作で分子ナノテクノロジーの操作プロトコルを体系的に探索し、複雑な超分子構造の製造に応用できます。

3Dバーチャルリアリティのインターフェイスを持つ走査型プローブ顕微鏡を介した単一分子のハンド制御された操作

さらに動画を探す