Name: 손 3D 가상 현실 인터페이스와 스캐닝 프로브 현미경을 통해 단일 분자의 조작을 제어 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min
Description: 학습하세요 스캐닝 프로브 현미경과 3D 가상 현실을 활용한 단일 분자 직접 조작 기법. 이 방법은 직관적인 핸드 제어로 분자 나노기술 연구의 새로운 가능성을 열어줍니다.

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<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>
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<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>
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<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>

저자는 공개할 것이 없으며 경쟁하는 재정적 이해관계도 없습니다.

다른 SPM 기반의 방법과 마찬가지로,이 문서에 설명 된 분자 조작 실험은 또한 SPM 팁의 특성에 어느 정도 의존한다. (완전히 제어 할 수없는) 팁 선단 구조 팁 분자 결합의 강도를 결정한다. 따라서 팁 분자 접촉의 강도가 상당히 다를 수 있으므로 때때로 너무 낮을 수있다. 따라서 프로토콜 내에서 우리는 팁의 품질과 팁 처리 절차의 몇 가지 기본적인 테스트를 참조하십시오. 그러나,보다 심각한 팁 처리 조작 양호한 결과를 달성하기 위해 일부 경우에 요구 될 수있다. NC-AFM / STM으로 조작 접촉의 또 다른 중요한 측면은 조작 동안 qPlus 센서의 진동이다. 튜닝 포크 2A 0 개의 수직으로 상하 선단 이동 이후 증가 진폭 제어 된 조작이 어려워진다. 큰 진폭의 한계의 끝은언제나 결정적인 조작에 영향을 미치는 수직 궤도를 따라 표면으로부터 후퇴. 사용 된 NC-AFM / STM의 잡음 특성이 잘 1...

3 - (다음 단순히이라고 SPM에 LT NC-AFM / STM) 저온 비접촉 원자 힘 / 주사 터널링 현미경은 개별 원자 또는 분자 하나의 원자 정확한 조작을위한 선택의 도구입니다. SPM 기반의 조작은 일반적으로 두 치수에 한정 급격한 종종 확률 조작 이벤트 (점프)의 연속으로 구성된다. 이것은 본질적으로 프로세스에 대한 제어를 제한합니다. 9 - 잘 정의 된 원자 위치에 하나의 화학 결합에 의해 문제의 분자를 접촉시켜 이러한 한계 (4)를 극복 할 수있는 방법에 연결됩니다. 그 조작을 통하여 접촉 된 분자는 팁의 적절한 변위에 의해 모든 입체적 분자를 이동시키는 것이 가능해진다되도록 SPM 팁에 연결된다. 이 3D 공간에서 수행되는 여러 가지 복잡한 조작 절차에 대한 가능성을 작성합니다. 그러나 접촉 조작 안녕 수있다팁 분자 접촉을 파열 할 정도로 큰 힘을 만들 수 있습니다 주변에서 표면 및 / 또는 다른 분자와 조작 된 분자의 상호 작용에 의해 ndered. 따라서 SPM 팁의 특정 3D 궤도 또는 성공적인 조작 이벤트가 발생하지 않을 수있다. 질문은 이렇게 환경과 조작 분자의 상호 작용이 연역적 잘 특징없는 동안, 팁 분자 결합이 제한된 강도를 가지고있는 상황에서 조작의 성공적인 완료로 이어질 프로토콜을 정의하는 방법을 발생한다. 다음은이 질문은 가장 직관적 인 방식으로 상상할에 접근합니다. 실험자들은 단순히 손으로 칠 이동하여 SPM 팁의 변위를 제어 할 수있다. 이것은 상업적인 모션 캡쳐 시스템에 SPM의 결합에 의해 달성되며, 일부 사양은 아래로 제공된다. &quot;손으로 제어 조작&quot;(HCM)의 장점은 t에그는 신속하게 다른 조작 궤적을 시도하고 자신의 실패 또는 성공에서 배울 수있는 실험의 능력. HCM의 설정은 단어 ( &quot;Jülich의&quot;)는 AG에 대한 페 릴렌 - 3,4,9,10- 테트라 카르 복실 산 이무수 물 (PTCDA) 분자의 폐쇄 층에 스텐실하고있는 원리 증명 실험 (수행하는 데 사용되었습니다 111) HCM 7 48 분자 하나씩 제거. 표면 절단 단층 (10) 내의 분자 결합의 분자간 수소 결합 분자의 리프팅. 일반적으로, 본 분자간 결합의 전체 강도는 팁의 최 원자 및 분자 (도 1 참조)를 접촉하는 PTCDA의 카르 복실 산소 원자 사이에 단일의 화학적 결합의 강도를 초과한다. 즉, 팁 분자 접촉의 파열 및 조작 시도의 다음과 같은 오류가 발생할 수 있습니다. 실험자의 작업은 determi하는 것이있다네브라스카 총 힘이 팁 분자 접촉에 적용되도록 순차적이 아니라 동시에보다 저항 분자 결합을 파괴 팁 궤적은 결코 강도를 초과하지 않습니다. 원하는 궤적 원리 시뮬레이션 할 수 있으나, 시스템의 크기 및 복잡성으로 인해 필요한 시뮬레이션 시간이 엄청나게 많은 양을 포함 할. 그와 대조적으로, HCM을 사용하여 40 분 후의 제 분자를 제거 할 수 있었다. 실험의 끝 무렵 추출 이미 학습 과정의 유효성을 확인하는 것이 시간이 덜했다. 인접 위치에서 추출 된 분자 단일 층에서 다른 분자의 오류를 제거한 후 남은 빈 공간을 닫 사용한 경우 또한, HCM 방법의 정확도 및 범용성 역방향 조작 행위에 입증 하였다. 모션 캡쳐 방법은 빠르고 직관적이면서이며팁 궤적 데이터의 생성에 한정. 새로운 분자 조작 프로토콜 더욱 체계적인 개발 실시간 팁 궤도 데이터를 볼뿐만 아니라, 이전에 생성 된 데이터를 분석 할 수있는 것도 중요하다. 따라서, HCM 설정의 기능은 실험자의 선단 궤도가 전류 (I)에 의해 보강되는 3D 가상 장면 플롯 데이터 및 주파수 변화를 볼 수 있도록 가상 현실 고글 첨가함으로써 실질적으로 개선된다 (Δf에) 값을 측정하여 실시간 8의 SPM에 의해 (아래 참조). 이 외에, 가상 현실 장면 시각적 스케일 기준으로서 기능하는 조작 된 분자의 모델을 도시한다. 따라서 가상 현실 인터페이스에 의해 칭찬 HCM의 설정은 조작 궤도 공간의 체계적인지도 및 유망 조작 프로토콜의 연속적인 정제에 적합하다. 시스템은 또한 D 사이의 지식 전달을 용이하게 게다가ifferent 실험. 다음 단락은 설치의 설명과 조작 실험에 관련된 사양의 일부를 제공합니다. 실험은 제조 챔버로 구성된 상업용 및 SPM 분석 챔버와 1 × 10-10 mbar에서의베이스 압력에서 초고 진공 (UHV)에서 수행된다. 제조 챔버가 구비되어 샘플 스퍼터링에 사용되는 아르곤 + 소스 매니퓰레이터 통한 샘플 전송은, 저에너지 전자 회절 (LEED), PTCDA 분말을 함유 맞춤 크 누센 셀 (K 셀) (가열 및 시료의 냉각을 허용) 승화 정제. 음차 센서 (12) (장착 12 L의 부피 및 46 시간의 유지 시간, LHE 목욕 저온 유지 장치 (5 L, 72 시간) Besocke 11 딱정벌레 형 SPM과 LN이 목욕 저온 유지 장치를 다음 분석 챔버가 구비되고 STM 조작에 (전기적으로 접속 PTIR 팁과 석영 음차 이루어진 TFS))잘라내어 집속 이온빔 (FIB) (도 2)에 의해 선명 화된다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig2.jpg" /> 도 2 음차 센서. PTIR 장착 팁과 상용 음차 센서의 (a) 이미지. (b)는 FIB로 절단 PTIR 팁 정점의 SEM 이미지. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 원자 현미경은 TFS는 디더 압전와 공진 (0 ≈ 31,080 Hz의 F)에서 흥분 주파수 변조 (FM) 모드 (13)에 운영하고 있습니다. 진동 음차 압전 신호는 TFS의 일정한 진동의 진폭을 유지하고 I의 변화를 추적하는 위상 동기 루프 (PLL)에 의해 증폭 사용선단에 작용하는 힘의 기울기에 기인 0 F - TS 공진 주파수, Δf에 F =. 도 3에 나타낸 바와 같이, SPM 팁 위치는 5 K에서 (유, U, Y가 X U z) X- 세트에인가되는 전압에 의해, Y 축, Z-피에조 (압전 상수를 제어한다 : X = 15, Y = 16, Z = 6 / V). 를 U X는 유 Y, U, Z -voltages (20 비트 해상도에서 ± 10 V)는 SPM 전자 출력에서 생성됩니다. 이들은 상기 ± 200 V.의 최대 출력 전압을 가진 고전압 (HV) 증폭기에 의해 증폭된다 <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig3.jpg" /> 그림 HCM 설정 3. 회로도. (추적 개체)의 위치가 TO는 모션 캡쳐 시스템 (MCS)의 두 개의 적외선 카메라로 추적 표면에 설치된 다수의 (적외선) IR 소스가 있습니다. TipControl 그래서ftware 한 세트의 전압 (V의 X, V의 Y를 V z) 전압에 가산되는 (U, X 생성 (RVS)를 MCS에서 좌표 (x, y, z)을 위해 획득하고 원격 전압원에 전달 , U Y, U는 Z)를 SPM 팁 위치 제어를위한 SPM 전자에 의해 생성. 추가 된 전압은 고전압 (HV) 증폭기를 통과하여 상기 SPM 팁 피에조 포지셔닝 시스템에 적용된다. 스핀들 모터 피드백 (FB) 루프가 열려있을 때 설치가 끝 위치를 수동으로 제어 할 수 있습니다. 제 (X, Y, Z) 선단의 위치뿐만 아니라, I (x, y, z) 및 Δf에 (X, Y, Z)는 오퍼레이터에 의해 보여지는 3D 가상 장면을 플롯 VRinterface 소프트웨어로 전달되는 것과 헤드 마운트 디스플레이 (HMD)를 입고. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 스핀들 모터 팁 사이에 흐르는 터널링 전류표면이 1 × 109 V / A 1 × 103의 범위 가변 게인 트랜스 임피던스 증폭기에 의해 측정된다 (이득 1 대역폭 × 109 V / A는 1 kHz에서)입니다. 증폭기의 출력은 정전류 주사 모드의 표면 위의 선단 높이를 조절하는 STM 피드백 (FB) 루프에 공급된다. 합니다 (TFS 진동이 꺼져과) 접합부의 안정성은 1 ~ 3시입니다. 하여 TFS의 압전 발진 신호는 두 단계 증폭 다음 LN이 실드에 고정 (1) 프리 앰프 (게인 1 × 108 V / A, 대역폭 20 kHz로), 및 1 가변 이득 (2) 외부 전압 증폭기 10 X 10 X 4 1 5 1 MHz의 대역폭. 디스플레이 (HMD)를 장착 모션 캡쳐 시스템 (MCS), 원격 제어 채널의 전압 소스 (RVS), 합산 증폭기 및 가상 현실 헤드 : HCM 실험의 경우, SPM 설정이 확장됩니다. summi 제외하고 나열된 모든 장치NG 앰프는 상업적으로 획득 하였다. MSC는 100 Hz의 레이트로 공간적 변위 mm 해상도를 허용하는 적외선 (IR) 마커 추적 시스템이다. 시스템은 두 개의 IR 카메라로 구성 추적 가능한 객체 (TO) 및 제어 소프트웨어. MCS의 소프트웨어는 두 대의 카메라에 의해 얻어진 그 화상을 분석하여 3 차원 공간에서의 TO의 X, Y, Z 좌표를 취득한다. MCS는 별도의 소프트웨어 프로그램 TO의 좌표를 사용할 수 있도록하는 프로그래밍 라이브러리를 제공한다. TO의 좌표 (x와 y로, TO z)는 맞춤 개발 한 소프트웨어 프로그램 &quot;TipControl&quot;에 전달됩니다. 4는 그래픽 사용자 인터페이스의 스크린 샷을 보여줍니다. 이 소프트웨어는 윈도우의 &quot;시작&quot;버튼이 활성화됩니다. 활성화 후 (τ = 0) 소프트웨어가 모든 V의 X를 설정 - V y를 - V z를 전압 범위 ± 10 V (16)에서 (RVS에 -voltages다음 식에 따라 비트 해상도, 승압 당 50 밀리 초 지연) <img alt="식 (1)" src="/files/ftp_upload/54506/54506eq1.jpg" /> 등의 C, X, C의 y는, C의 Z는 SPM 팁의 1 Å 변위에 TO의 변위의 5cm 변환 요인이있는 곳. 인자 P는 X (t), y를 P (t) 쪽의 Z (t)는 X 방향의 상태에 의해 정의 된 값이, Y- 소프트웨어 윈도우의 Z-체크 박스. 상자가 다음 해당 페이지 (t)를 확인하면 &quot;일시 중지&quot;버튼을 소프트웨어 창을 누를 때 순간 0으로 설정 1. 모든 페이지 (t)를 설정한다. 즉, 일시적으로 선단부의 위치를 ​​&quot;고정&quot;하기 위해 조작 할 수있다. 소프트웨어 창에서 &quot;모두 다시 설정&quot;버튼을 누르면 V의 X를 설정 - V y를 - V의 Z는 SPM 소프트웨어에 의해 정의 된 초기 위치로 팁을 반환 제로로 -voltages. 소프트웨어 윈도우 캘리포니아에있는 텍스트 필드에 &quot;RVS을 수동으로 명령&quot;<html> , v를 y를 - - n은 V X의 어떤을 설정할 수, V y를 - -, V의 z는 ± 10 V는 V x의 허용 범위의 값으로 -voltages, V z를가 추가됩니다 RVS에 의해 생성 -voltages U 자하는 X - Y U - 가산 증폭기를 통한 전자의 SPM U Z - 출력 전압 신호들 (1, 50 kHz의 대역폭, 출력 범위 ± 10 V 이득). <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig4.jpg" /> 도 인터페이스 윈도우의 4 샷. 두 지표 MCS와 RVS 시스템과의 연결 상태를 나타낸다. 체크 박스가 선택된 공간 축을 따라 손으로 제어를 활성화하는 데 사용됩니다. 버튼 &quot;시작&quot;그림에 표시된 방식에 따라 MCS, TipControl와 RVS 사이의 데이터 흐름을 시작합니다 3. 버튼 &quot;일시 중지&quot;데이터 흐름을 정지합니다. 버튼 &quot;모든 재설정&quot;는 영 (0)에 전압 모든 RVS을 설정합니다.= &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg&quot;대상 = &quot;_ 빈&quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 실험 데이터의 시각화 (팁 궤도, I, Δf에) 헤드 마운트 디스플레이 (HMD)가 사용된다. HMD는 입체 뷰 (- 각각의 눈에 대한 절반, 75 Hz에서 1,920 X 1,080 픽셀 분할 HD 디스플레이)를 제공합니다. 전용 IR 카메라 HMD의 표면에 고정 IR-LED를 이용하여 3 차원 공간에서 HMD의 위치 및 방향을 추적한다. HMD 추적 시스템은 운전자가 자신의 머리를 켜거나 단순히 본체를 이동하여 3 차원 가상 현실 장면 내부 뷰를 변경할 수있다. 맞춤 작성된 소프트웨어 &quot;VRinterface&quot;는 SPM과 MCS에서 모두 데이터를 수집의 OpenGL을 사용하여 3D 장면을 렌더링하고 HMDS 소프트웨어 개발 키트 (SDK)의 도움 HMD에 표시. VRinterface는 문의 선단의 실제 X, Y, Z 좌표를 검색I와 Δf에 신호가 SPM 전자 (대기 시간 ≈ 250 밀리 초)의 출력에서 직접 읽을 동안 팁 소프트웨어 (몇 밀리 초 지연). 그림 5는 HCM시 HMD 입고 운영자가 볼 때 3D 가상 장면의 스크린 샷을 보여줍니다. 3 차원 가상 장면 내부 팁 정점 흰색 영역으로 렌더링됩니다. 기록 된 팁 궤적의 착색하거나 로그 (I (X, Y, z)) 또는 Δf와 (x, y, z)의 값을 반영한다. 로그 사이 (I (X, Y, z)) 또는 Δf와 (x, y, z)의 색상 모드를 전환하는 버튼을 누르면 의해 수행된다. 또 다른 버튼을 눌러 기록 (및 표시) 실험 팁 궤적 데이터의 시작합니다. 다시 누를 때 버튼을 누르면 녹음을 중지합니다. 가상 장면은 조작하는 동안 시각 보조로 사용되는 정적 PTCDA 분자를 나타낸다. 운영자는 키보드의 버튼을 사용하여 표면에 실제 분자의 배향에 맞게 수동으로 방향을 정렬. 주의 : 때문에 헤드 tHMD의 랙은 또한 다음의 위치를 ​​추적하는 IR 광을 사용하기 때문에 그것이 MCS 방해 할 수 있고, IR-LED가에 의존한다. 따라서 TO는 MCS에서 인식 할 수있는 독특한 모양을 가지고있다. 이 MCS는 TO과 HMD의 IR-LED가에서 오는 사람들로부터 오는 신호를 구별하는 데 도움이됩니다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig5.jpg" /> 3 차원 가상 장면의 그림 5. S의 creenshot는 HCM시 HMD의 운영자에게 표시됩니다. 흰색 분야의 세트는 모델의 Ag (111) 표면을 형성한다. 모델 표면의 방향이 반드시 샘플의 방향과 일치하지 않을 수 있습니다. PTCDA 분자의 모델은 모델 표면 위에 배치됩니다. C는 O, PTCDA의 H 원자는 각각 검은 색, 빨간색과 흰색으로 표시됩니다. 모델 분자의 편의와 방위각 방향의 목적을 위해 선택된 실제 분자의 배향에 맞게 조정될 수있다조작. 끝 위치는 최 팁 선단 원자를 나타내는 단일 흰색 영역으로 표시된다. 실시간 I (x, y, z) 및 Δf에은 (X, Y, Z)의 데이터는 선단 옆에 배치 막대 표시로 표시된다. 현재 실행 조작이 그 색 나타내는 3 차원 궤적으로서 표시되는 바와 아니라 기록하거나 로그 (I (X, Y, z)) 또는 궤적의 대응하는 위치에서 측정 Δf에 (X, Y, Z) 값. 그림은 로그 (I (X, Y, Z)) 신호로 착색되는 궤적을 보여줍니다. 색상 대비가 로그 (I (X, Y, Z))와 Δf에 (X, Y, Z) 버튼을 눌러로 모드를 전환 할 수 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

<table><tbody><tr><td>LN2</td><td></td><td></td><td>주의: 극저온 액체</td></tr><tr><td>LHe</td><td></td><td></td><td>주의: 극저온 액체</td></tr><tr><td>PTCDA</td><td></td><td></td><td>주의: 자극성 물질</td></tr><tr><td>Knudsen cell (K-cell)</td><td></td><td></td><td>전원</td></tr><tr><td></td><td>공급 장치 ErLEED 1,000A</td><td></td> combient LT NC-AFM/STM 과 함께 사용되는 맞춤형 ErLEED 사양 <td></td></tr><tr><td></td><td>Createc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>qPlus 센서</td><td>Createc</td><td></td><td>TFS</td></tr><tr><td>프리앰프</td><td>LN</td><<td>sub>2 쉴드에 고정된 소리굽쇠 신호용</td> Createc <td></td> 증폭기(1단계)</tr><tr><td>저잡음 전압 프리앰프</td><td>Standford Research System</td><td>SR560</td><td>소리굽쇠 신호용 외부 증폭기(2단계)</td></tr><tr><td>가변 이득 저잡음 전류 증폭기</td><td>Femto</td><td>터널링 전류용</td> <td>DLPCA-200</td> 증폭기</tr><tr><td>Bonita</td><td></td><td>Vicon B10, SN: MXBN-0B10-3658</td><td>MCS IR 카메라</td></tr><tr><td>Apex 상호 작용 장치</td><td>Vicon</td><td>SN: AP0062</td><td>MCS 추적 가능 개체(TO)</td></tr><tr><td>MX 보정 완드</td><td>Vicon</td><td></td><td>MCS 보정 개체</td></tr><tr><td>추적기</td><td>Vicon</td><td></td><td>MCS 소프트웨어</td></tr><tr><td>BS 시리즈 전압 공급</td><td>stahl-electronics</td><td>BS 1-4</td><td>RVS</td></tr><tr><td>합산 증폭기&nbsp;</td><td></td><td></td><td>사용자 지정, 이득 1, 연산 증폭기 TL072</td></tr><tr><td>Oculus Rrift 개발 키트 2</td><td>Oculus VR</td><td></td><td>HMD</td></tr><tr><td>TipControl</td><td></td><td></td><td>사용자 정의 작성 소프트웨어</td></tr><tr><td>VRinterface</td><td></td><td></td><td>사용자 정의 소프트웨어</td></tr></tbody></table>

손 3d 가상 현실 인터페이스와 스캐닝 프로브 현미경을 통해 단일 분자의 조작을 제어

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

미래의 나노 기술의 기능적 빌딩 블록의 유기 분자를 고려하면, 배치 및 상향식 접근법 그러한 빌딩 블록을 조립하는 방법에 대한 의문이 여전히 열려있다. 주사 탐침 현미경 (SPM)은 선택의 수단이 될 수있다; 그러나, SPM 기반의 조작은 최근까지 두 가지 차원 (2D)로 제한되었다. 잘 정의 된 위치에서 분자의 SPM 팁을 결합하여 3D 공간에서 제어 조작의 기회를 엽니 다. 불행하게도, 3D 조작하는 컴퓨터에서보기 및 생성 SPM 데이터의 전형적인 2D 패러다임과 크게 호환되지 않습니다. 직관적이고 효율적 조작에 따라서 우리 커플 모션 캡쳐 시스템 및 완전 몰입 가상 현실 고글 저온 비접촉 원자력 / 주사 터널링 현미경 (LT NC-AFM / STM). 이 설정은 SPM 팁은 실험자의 손의 움직임에 따라 이동되는 &quot;손 제어 조작&quot;(HCM), w 허용팁 궤적뿐만 아니라 3 차원으로 시각화하는 SPM 접합 반응을 하일. HCM 잠재적 표면에 분자 사이에 작용하는 나노 스케일 상호 작용의 더 근본적인 이해 선도 복잡한 조작 프로토콜의 발전 방식을 열었다. 여기에서 우리는 설정과 가상 현실 환경에서 성공적 손으로 제어 분자 조작을 달성하는 데 필요한 단계를 설명합니다.

참고 :이 부분은 7,8 년에 출판 작업을 보여줍니다. 층에서 PTCDA / AG (111)를 해제하는 문제에 HCM을 적용, 우리는 순차적으로 개별 분자를 (그림 9)를 제거하여 패턴을 쓸 수 있었다. 총 48 개의 분자의 분자 (40)가 조작 과정을 그대로 유지하는 것이 도시 클린 AG (111)에 재 증착 될 수있는, 제거 하였다. 이것은 실수로 만든 공석 (그림 9 세트)를 7 다른 위치에서 분자를 복용하고 작성하여 &quot;쓰기 오류&quot;를 해결하기 위해 HCM을 사용하실 수 있습니다. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page...

모션 캡처 시스템과 완전히 몰입할 수 있는 가상 현실 고글을 사용하여 실험자의 손에 의해 3D로 구동되는 스캐닝 프로브 현미경의 끝으로 금속 표면의 개별 유기 분자를 정밀하게 조작하는 것을 시연합니다.

손 3D 가상 현실 인터페이스와 스캐닝 프로브 현미경을 통해 단일 분자의 조작을 제어

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

주사 프로브 현미경(scanning probe microscope)을 이용한 개별 분자의 수동 제어 조작의 전반적인 목표는 3차원 공간에서 조작 프로토콜을 체계적이고 직관적으로 탐색하는 것입니다. 이 방법은 분자 나노기술 분야의 역량을 확장해 줍니다. 예를 들어, 분자에 대한 조작 프로토콜을 체계적으로 정교화하고 분자 간 방향성을 연구하거나, 더 나아가 복잡한 초분자 구조물을 제조하는 것을 가능하게 합니다.이 기술의 주요 장점은 직관적이라는 점입니다. 실험자는 자동으로 실행되는 팁 궤적을 프로그래밍하는 틀에서 벗어나, 조작 과정에 직접 참여하게 됩니다.분자 조작을 3차원으로 확장하고 표면에서 분리하는 것은 많은 새로운 기회를 제공하지만, 동시에 3D 시각화 제어에 대한 필요성이 필연적으로 발생합니다. 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 모션 캡처 시스템을 사용하여 실험자가 수동으로 3D 구동하는 저온 주사 탐침 현미경을 설정하십시오. 또한 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 은(111) 위에 PTCDA를 증착하여 시료를 준비하십시오.PTCDA의 LUMO 대비(contrast)를 용이하게 하는 파라미터로 주사 터널링 현미경(STM)을 정전류 모드로 설정하십시오. 이를 통해 분자의 배향을 결정할 수 있습니다. SPM 소프트웨어에서 스캔할 영역, 피드백 루프의 설정값, 스캔 속도를 포함한 스캔 파라미터를 입력하십시오.SPM 소프트웨어의 시작 버튼을 클릭하여 PTCDA를 이미지화합니다. 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 조작에 적합한 표면 영역을 찾은 후, 개요 창을 생성하고 스캔할 영역과 스캔 속도를 조정합니다. 이는 좁은 영역의 세밀한 STM을 기록하기 위함입니다.다음으로, 팁이 PTCDA 분자와 결합하는지 확인합니다. 그런 다음 팁을 PTCDA의 카복실기 산소 원자 방향으로 수직으로 3~5 Å만큼 이동시키며 전류-거리 스펙트럼을 기록할 준비를 합니다. 일정한 바이어스 전압을 설정하고, 표면으로 접근 및 후퇴하는 팁 높이의 램프를 정의하여 Z의 함수로서 I를 기록합니다.그런 다음 SPM 소프트웨어에서 single spectrum 버튼을 클릭하고, 조작 대상으로 선택한 PTCDA 분자의 카복실 산소 원자 위쪽의 최근 기록된 STM 이미지 상의 위치를 선택합니다. 이곳에서 전류-거리 스펙트럼이 기록되어야 합니다. 팁이 적절한 상태인지 확인하려면, 기록된 전류-거리 곡선에서 전류가 급격히 증가하는 형태로 팁과 분자 사이의 접촉 형성이

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

GPU 가속 분자 역학 시뮬레이션과 3D/VR 시각화, 나노 구조의 분석 및 조작을 특징으로 하는 새로운 계산 시스템이 구현되어 재료 연구를 발전시키고 인간의 눈에는 보이지 않는 차원의 재료 구조에 대해 배우기 위한 혁신적인 조사 및 대체 방법을 촉진하는 새로운 접근 방식을 나타냅니다.

소설 3D / MD 시뮬레이션, 시각화 및 분석을위한 VR 대화 형 환경

여기에서 우리는이 광학적으로 포획 된 마이크로 스피어 사이 일시 중지 하나의 DNA 분자와 상호 작용하는 하나의 형광 표지 단백질 분자를 검출하기위한 장비 및 방법에 대해 설명합니다.

단백질-DNA 상호 작용의 연구에 대한 단일 분자 조작 및 이미지를 결합

콜로이드 프로브 나노스코피는 다양한 분야에서 사용하여 콜로이드 시스템의 물리적 안정성과 응고 역학에 대한 통찰력을 얻고 생물학적 시스템을 사용하여 약물 발견 및 제형 과학을 지원할 수 있습니다. 에 설명된 방법은 이러한 시스템을 연구하기 위한 양적 및 질적 수단을 제공합니다.

콜로이드 프로브 Nanoscopy을 사용하여 입자 간 상호 작용의 양적 및 질적 시험

이 논문에서는 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 단백질 광수용체의 구조를 조사하는 방법을 설명합니다. PeakForce 정량적 나노기계적 특성 매핑(PF-QNM)은 운모 표면에서 손상되지 않은 단백질 이량체를 보여줍니다.

PeakForce 양적 나노 기계 대지 매핑을 사용하여 붉은 빛이 광수의 원자 힘 현미경

우리는 국부적인 기계적 접촉을 사용하여 얇은 초전도 필름에서 개별 소용돌이를 조작하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 이 방법에는 전류, 자기장 또는 추가 제조 단계 적용이 포함되지 않습니다.

현지 연락처로 소용돌이 조작의 SQUID 연구를 스캔

용액과 표면 보조 합성의 조합은 나노 구조의 원자 정밀 합성에 새로운 방향을 제시합니다. 비접촉 원자력 현미경(nc-AFM)으로 보완된 주사 터널링 현미경(STM)을 통해 새롭게 설계 및 생성된 탄소 기반 나노 물체의 상세한 특성 분석을 수행할 수 있습니다.

용액과 표면 화학의 조합을 통해 합성된 다공성 nanographenes의 현미경 시각화

이 작품은 원자 분해능 투과 전자 현미경 이미징에서 원자 위치 추적을 위한 워크플로우를 제공합니다. 이 워크플로우는 오픈 소스 Matlab 앱(EASY-STEM)을 사용하여 수행됩니다.

전자 현미경 검사를 통한 피오피터 정밀 원자 위치 추적

여기서, 우리는 광학 트랩에 의한 직접 힘 측정을 통해 3차원 감금에서 격리된 배아 제브라피쉬 세포의 세포내 기계적 특성을 조사하는 프로토콜을 제시한다.

광학 핀셋을 사용하여 감금된 세포 전 역학의 직접 힘 측정

미세 유체 챔버를 통해 연구 된 시각적 단일 분자 생화학은 유리 배럴, 기밀 주사기, 튜브와 플로우 셀의 안정적인 연결 및 주사기와 튜브 사이에 스위칭 밸브를 배치하여 기포 제거를 사용하여 크게 촉진됩니다. 이 프로토콜은 DNA 거래 및 분자간 상호 작용의 시각화를 가능하게 하는 이중 광학 트랩을 설명합니다.

단일 분자 연구를 위한 이중 광학 핀셋 및 미세 유체 공학 사용

나노 단위 분해능의 대규모 샘플 검사는 특히 나노 가공 반도체 웨이퍼의 경우 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. 원자력 현미경은 이러한 목적을 위한 훌륭한 도구가 될 수 있지만 이미징 속도에 의해 제한됩니다. 이 작업은 AFM의 병렬 액티브 캔틸레버 어레이를 활용하여 높은 처리량과 대규모 검사를 가능하게 합니다.

고처리량 대규모 시료 검사를 위한 Quattro-Parallel Cantilever 어레이를 사용한 Active Probe Atomic Force Microscopy

여기에서는 광열 오프-레조넌스 태핑(PORT)을 통한 생체 분자 상호 작용을 관찰하기 위한 이미징 프로토콜을 보여주며, 이미징 매개변수를 최적화하고, 시스템 한계를 식별하고, 이미징 3점-별 DNA 모티프 어셈블리의 잠재적 개선 사항을 조사했습니다.

High-Speed Atomic Force Microscopy Imaging of DNA Three-point-Star Motif Self Assembly Using Photothermal Off-Resonance Tapping(광열 오프-레조넌스 태핑을 이용한 DNA 3점-별 모티프 자기 조립)

학습하세요 스캐닝 프로브 현미경과 3D 가상 현실을 활용한 단일 분자 직접 조작 기법. 이 방법은 직관적인 핸드 제어로 분자 나노기술 연구의 새로운 가능성을 열어줍니다.

손 3D 가상 현실 인터페이스와 스캐닝 프로브 현미경을 통해 단일 분자의 조작을 제어

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