Name: Hand Gecontroleerde Manipulatie van enkele moleculen via een Scanning Probe Microscope met een 3D Virtual Reality Interface (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min
Description: Leer handgecontroleerde manipulatie van individuele moleculen met een scanning probe microscoop via een 3D virtual reality interface. Deze methode maakt intuïtieve exploratie van manipulatieprotocollen mogelijk.

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

De auteurs hebben geen dankbetuigingen.

<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>

De auteurs hebben niets te onthullen en geen concurrerende financiële belangen.

Zoals andere SPM-gebaseerde methoden, de moleculaire manipulatie experimenten beschreven in dit document ook hangt enigszins af van de eigenschappen van de SPM tip. De punt apex structuur (die niet volledig kan worden gecontroleerd) bepaalt de sterkte van de tip-molecuul bond. Vandaar de sterkte van de tip-molecuul contact kan aanzienlijk variëren en kan dus soms te laag zijn. Vandaar dat in het protocol wordt verwezen naar een aantal fundamentele tests tip kwaliteit en tip behandeling procedures. Echter kan een nog gro...

De lage temperatuur non-contact atomic force / scanning tunneling microscoop (LT NC-AFM / STM, in de volgende gewoon genoemd SPM) is het middel bij uitstek voor het atomair precieze manipulatie van individuele atomen of moleculen 1-3. SPM-gebaseerde manipulatie is typisch beperkt tot twee dimensies en bestaat uit een reeks abrupte en dikwijls stochastische manipulatie gebeurtenissen (sprongen). Dit beperkt hoofdzaak controle over het proces. Met de molecuul van één chemische binding op een goed gedefinieerde atomaire positie leidt tot een aanpak die deze beperkingen kan overwinnen 4 - 9. Gedurende de manipulatie het contact molecuul is verbonden met de tip SPM zodat bewegen van de molecule in drie dimensies door geschikte verplaatsing van de punt mogelijk wordt. Hierdoor ontstaat de mogelijkheid om diverse complexe manipulatie procedures uitgevoerd in 3D-ruimte. Maar het in contact brengen manipulatie kan hi zijnndered door interacties van de gemanipuleerde molecuul met het oppervlak en / of andere moleculen in de omgeving, welke krachten die groot genoeg is om de punt-molecuul contact openscheuren kan leiden. Daarom de bijzondere 3D baan van de SPM tip al dan niet tot een succesvolle manipulatie evenement. Er ontstaat een vraag dus hoe protocollen die leiden tot een succesvolle afronding van manipulatie in de omstandigheden waarbij de tip-molecuul obligatie heeft een beperkte sterkte te definiëren, terwijl de interacties van de gemanipuleerde molecuul met zijn omgeving zijn niet a-priori goed gekarakteriseerd. Hier deze vraag wordt benaderd in de meest intuïtieve manier denkbaar. De onderzoeker is toegestaan om de verplaatsingen van de SPM tip besturen door simpelweg het verplaatsen van hun hand 7. Dit wordt bereikt door het koppelen van de SPM een commercieel motion capture systeem, sommige waarvan de specificaties worden hieronder gegeven. Het voordeel van &quot;de hand gecontroleerde manipulatie&quot; (HCM) is in thij het vermogen experimentator snel uit te proberen verschillende manipulatie trajecten en leren van hun falen of succes. De HCM setup is gebruikt om een ​​proof-of-principle experiment waarbij een woord ( &quot;JÜLICH&quot;) werd stenciled in een gesloten laag van peryleen-3,4,9,10-tetracarbonzuurdianhydride (PTCDA) moleculen op Ag (uit te voeren 111), het verwijderen van 48 moleculen, een voor een, met HCM 7. Optillen van een molecuul van het oppervlak splitst de intermoleculaire waterstofverbindingen die de moleculen in de monolaag 10 binden. Gewoonlijk is de totale sterkte van de onderhavige intermoleculaire bindingen dan de sterkte van de enkelvoudige chemische binding tussen de buitenste atoom van de naald en een carbonzuur zuurstofatoom van PTCDA waarmee het molecuul in contact wordt (zie figuur 1). Dat kan leiden tot het verbreken van de punt-molecuul contact en na het uitvallen van de manipulatie poging. De taak van de experimentator is dus BEPALIne een tip traject dat de weerstand intermoleculaire bindingen verbreekt achtereenvolgens plaats van simultaan, zodat de totale kracht op de tip-molecuul contact komt nooit zijn kracht. Hoewel het gewenste traject kan in principe worden gesimuleerd, door de omvang en complexiteit van het systeem betrokken noodzakelijke simulaties zou prohibitief grote hoeveelheid tijd. In tegenstelling daarmee gebruikt HCM was het mogelijk de eerste molecule na 40 minuten verwijderd. Tegen het einde van het experiment werd de extractie reeds veel minder tijd die de doeltreffendheid van het leerproces bevestigd. Bovendien, de nauwkeurigheid en de veelzijdigheid van de HCM werkwijze werd aangetoond in de handeling van reverse manipulatie als een molecuul uit het aangrenzende ligging werd gebruikt om de leegte na de foutieve verwijdering van een ander molecuul van de monolaag te sluiten. Motion capture benadering, terwijl ze snel en intuïtief, isbeperkt tot het genereren van tip-baangegevens. Voor verdere systematische ontwikkeling van nieuwe moleculaire manipulatie protocollen is het even belangrijk om in staat om de punt baangegevens in realtime te bekijken en om eerder gegenereerde gegevens te analyseren. Daarom wordt de functionaliteit van de HCM installatie aanzienlijk verbeterd door toevoeging virtual reality bril waardoor de experimentator om de gegevens uitgezet in de 3D virtuele scène waarin de tip van de bal wordt versterkt door de stroom (I) en frequentieverschuiving zie (Af) meetwaarden de SPM realtime 8 (zie hieronder). Trouwens, de virtuele realiteitsscène toont een model van de gemanipuleerde molecuul dat dient als een visuele schaal referentie. Dus de HCM setup aangevuld door de virtual reality interface is geschikt voor systematisch in kaart brengen van de manipulatie traject ruimte en de opeenvolgende verfijning van de veelbelovende manipulatie protocollen. Daarnaast is het systeem ook faciliteert de kennisoverdracht tussen different experimenten. Hieronder wordt een beschrijving van de installatie en sommige van zijn specificaties die voor manipulatie experimenten. De experimenten worden uitgevoerd in ultrahoog vacuüm (UHV) bij een basisdruk van 1 x 10 -10 mbar met een commerciële SPM bestaat uit een bereidingskamer en een analysekamer. De voorbereiding kamer is uitgerust met: Ar + bron wordt gebruikt voor het monster sputteren, sample overdracht via manipulator (laat verwarmen en koelen van een monster), lage-energie elektronen diffractie (LEED), een op maat gemaakte Knudsencel (K-cel) die PTCDA poeder gezuiverd door sublimatie. De analysekamer is voorzien van: LN 2 bad cryostaat met een volume van 12 l en een vasthoudtijd van 46 uur, LHe bad cryostaat (5 L, 72 uur), Besocke 11 beetle type SPM voorzien van een stemvork sensor 12 ( TFS), bestaande uit een kwarts stemvork met een elektrisch verbonden PTIR tip (voor STM werking)Dat wordt gesneden en geslepen door een gefocusseerde ionenbundel (FIB) (figuur 2). <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig2.jpg" /> Figuur 2. Stemvork sensor. (A) Afbeelding van een commercieel stemvork sensor met aangehechte PTIR tip. (B) SEM beeld van de PTIR tip top gesneden met FIB. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> De AFM wordt gebruikt in de frequentie gemoduleerde (FM) modus 13 waar de TFS is enthousiast over de resonantie (f 0 ≈ 31.080 Hz) met een piëzo-dithering. De piëzo-elektrische signaal van de oscillerende stemvork wordt versterkt en door een fasevergrendelde lus (PLL), waarin de amplitude van de oscillatie van TFS constant houdt en signaleert afwijkingen van its resonantiefrequentie, Af = f - f 0, dat afkomstig is van het verloop van de kracht die op het puntje. Zoals getoond in figuur 3 de SPM tip positie wordt geregeld door spanning (U X, u y, u z) toegepast op een set van x-, y-, z-piëzo&#39;s (piëzo constanten bij 5 K: x = 15, y = 16, z = 6 A / V). De u x, u y, z u -voltages (± 10 V bij 20 bit resolutie) worden gegenereerd bij de SPM elektronica uitgangen. Ze worden verder versterkt door een hoog voltage (HV) versterker met een maximale uitgangsspanning van ± 200 V. heeft <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig3.jpg" /> Figuur 3. Schema van de HCM setup. De positie van de (bijgehouden object) aan die meerdere (infrarood) IR bronnen op het oppervlak geïnstalleerd wordt gevolgd door twee infraroodcamera&#39;s van de motion capture systeem (MCS). TipControl zoftware verkrijgt de coördinaten (x, y, z) van MCS en geeft deze door aan de externe spanningsbron (RVS) die een set spanningen (vx, Vy, Vz) die worden opgeteld bij de spanning (U X genereert , u y, u z) die door de SPM elektronica voor de besturing van SPM tip positie. De toegevoegde spanning gaat door een hoog voltage (HV) versterker en wordt verder toegevoerd aan de piëzo-positioneringssysteem van de SPM tip. De opstelling laat handmatige bediening van de tip positionering als de SPM feedback (FB) lus is geopend. De positie (x, y, z) van de tip en I (x, y, z) en Af (x, y, z) worden doorgegeven aan de VRinterface software die in de virtuele 3D scene gezien door de operator uitzet het dragen van de head-mounted display (HMD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig3large.jpg" target="_blank">klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> De tunneling stroom die tussen de SPM tip enhet oppervlak wordt gemeten met een transimpedantie versterker met variabele versterking die varieert van 1 x 03-01 oktober x 10 9 V / A (bandbreedte gain 1 x 10 9 V / A 1 kHz). De uitgang van de versterker wordt toegevoerd aan de STM feedback (FB) lus aan het uiteinde hoogte boven het oppervlak constante stroom scanmodus regelen. De stabiliteit van de verbinding (met de TFS oscillatie uitgezet) is 1-3 uur. De piëzoelektrische oscillatiesignaal van het TFS wordt geamplificeerd in twee fasen: (1) voorversterker de LN 2 schild vastgesteld (versterking 1 x 10 8 V / A, bandbreedte 20 kHz), en (2) externe spanning versterker met variabele versterking van 1 x 10 1 5 x 10 4 en een bandbreedte van 1 MHz. Voor HCM experimenten, wordt de SPM setup uitgebreid met: motion capture systeem (MCS), op afstand bedienbare multichannel spanningsbron (RVS), het optellen van de versterker en virtual reality head mounted display (HMD). Alle genoemde apparaten behalve de summing versterker werden commercieel verkregen. MSC is een infrarood (IR) marker-volgsysteem dat millimeter resolutie van ruimtelijke verplaatsingen mogelijk maakt met een snelheid van 100 Hz. Het systeem bestaat uit twee infraroodcamera&#39;s, een traceerbare object (TO) en de besturingssoftware. De MCS software verkrijgt de x-, y-, z-coördinaten van de in 3D-ruimte door analyse van de verkregen beelden van de twee camera&#39;s. MCS levert een programmeerbibliotheek dat het gebruik van de coördinaten van de in een afzonderlijk programma toelaat. De coördinaten van de TO (x OM, y TOT z TO) worden doorgegeven aan een op maat ontwikkelde software programma &quot;TipControl&quot;. Figuur 4 toont een screenshot van de grafische gebruikersinterface. De software wordt geactiveerd door de &quot;start&quot; knop in het venster. Na activering (τ = 0) van de software worden alle v x -, v y -, v z -voltages op RVS (spanningsbereik ± 10 V op 16bit resolutie, 50 msec vertraging per stap spanning) volgens de volgende uitdrukking <img alt="vergelijking 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506eq1.jpg" /> etc., waarbij c x, y c, c z zijn de factoren die 5 cm van de verplaatsing van omzetten in 1 een verplaatsing van de SPM tip. De factoren p x (t), p y (t), p z (t) zijn waarden bepaald door de status van de x-, y-, z-selectievakjes in het softwarevenster. Als het vakje is geselecteerd, de overeenkomstige p (t) op 1. Alle p (t) worden ingesteld op 0 op het moment dat het &quot;Pauze&quot; in het softwarevenster drukt. Waarmee de machinist tijdelijk &quot;bevriezen&quot; de positie van de tip. Door op de &quot;reset all&quot; knop in de software-venster sets v x -, v y -, v z -voltages op nul waarbij de punt naar zijn oorspronkelijke positie bepaald door de SPM software terugkeert. Het tekstveld &quot;manual opdracht om RVS&quot; in de software-venster ca<html> n worden gebruikt om elk van de v x set -, v y -, vz -voltages op elke waarde binnen het toegestane bereik van ± 10 V. De vx -, v y -, -voltages vz gegenereerd door RVS toegevoegd aan de u x -, u y -, u z -Output spanning signalen van SPM elektronica via de opsomming versterker (te krijgen 1, bandbreedte 50 kHz, vermogensbereik ± 10 V). <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig4.jpg" /> Figuur 4. Screenshot van het venster interface. Twee indicatoren vertonen de status van de verbinding met de MCS en RVS-systemen. Selectievakjes worden gebruikt om de hand-controle langs geselecteerde ruimtelijke assen te activeren. De knop &quot;Start&quot; initieert gegevensstroom tussen MCS, TipControl en RVS volgens de figuur schema 3. Button &quot;Pauze&quot; stopt de datastroom. Button &quot;Reset All&quot; worden alle RVS spanningen tot nul.= &quot;Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. Voor visualisatie van de experimentele gegevens (tip bal, I, Af) een head mounted display (HMD) gebruikt. De HMD biedt een stereoscopische weergave (split HD-scherm - de ene helft voor elk oog, 1920 x 1080 pixels bij 75 Hz). Een speciale IR camera volgt de positie en oriëntatie van HMD in de 3D-ruimte met behulp van IR-LED&#39;s op het oppervlak van HMD vast. De HMD tracking systeem kan de bestuurder het zicht in de 3D virtual reality scene te veranderen door een draai van hun hoofd of gewoon verplaatsen van hun lichaam. De op maat geschreven software &quot;VRinterface&quot; verzamelt de gegevens zowel van SPM en MCS, maakt het in de 3D-scène met behulp van OpenGL en geeft deze weer in de HMD met de hulp van de HMD software development kit (SDK). VRinterface haalt de eigenlijke x-, y-, z-coördinaten van het punt direct van detip software (enkele milliseconden latency), terwijl ik en Af signalen rechtstreeks van de uitgangen van de SPM elektronica (latency ≈ 250 msec) worden gelezen. Figuur 5 toont een screenshot van de 3D virtuele scene zoals gezien door de exploitant draagt HMD tijdens HCM. Binnen in de virtuele 3D scene de tip top wordt weergegeven als een witte bol. De kleuring van het opgenomen uiteinde trajecten weerspiegelt waarden ofwel log (I (x, y, z)) of Af (x, y, z). Schakelen tussen log (I (x, y, z)) of Af (x, y, z) kleurenmodi wordt gedaan door de druk op de knop. Een andere knop initieert de opname (en de weergave) van de experimentele tip traject data. Druk nogmaals op de knop stopt de opname. De virtuele scène toont een statische PTCDA molecuul dat wordt gebruikt als een visueel hulpmiddel tijdens manipulatie. De operator uitgelijnd zijn oriëntatie handmatig de oriëntatie van de werkelijke molecule op het oppervlak monteren met toetsen op een toetsenbord. Let op: Omdat het hoofd trekken van HMD is gebaseerd op IR-LED&#39;s, het kan interfereren met de MCS, omdat het maakt ook gebruik van infrarood licht om de positie van de op te sporen. Daarom moet een unieke vorm die door de MCS hebben. Dit helpt MCS om onderscheid te maken tussen de signalen die afkomstig zijn van TO en degenen die afkomstig zijn van IR-leds van HMD. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig5.jpg" /> Figuur 5. S creenshot van de 3D virtuele scene weergegeven aan de operator in HMD tijdens HCM. Een set van witte bollen vormt een model Ag (111) oppervlak. Oriëntatie van het model oppervlak kan niet noodzakelijk samen met de oriëntatie van het monster. Een model van de PTCDA molecuul wordt boven het model oppervlak geplaatst. C, O, H atomen van PTCDA worden getoond in zwart, rood en wit, respectievelijk. Ten behoeve van het gemak azimutale oriëntatie van het model molecule kan worden aangepast om de oriëntatie van het gekozen molecuul real pastvoor manipulatie. De tip positie wordt gemarkeerd door een enkele witte bol die het uiterste puntje apex atoom. De real-time I (x, y, z) en Af (x, y, z) gegevens worden weergegeven als bar indicatoren die naast de tip. Eerder opgenomen alsmede de huidige uitgevoerde manipulaties worden weergegeven als 3D trajecten waarvan de kleur vertegenwoordigt ofwel log (I (x, y, z)) of Af (x, y, z) gemeten op overeenkomstige posities van het traject. De figuur toont trajecten die zijn gekleurd met log (I (x, y, z)) -signaal. De kleur contrast kan worden geschakeld tussen de log (I (x, y, z)) en Af (x, y, z) modes door druk op de knop. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>

<table><tbody><tr><td>LN2</td><td></td><td></td><td>let op: cryogene vloeistof</td></tr><tr><td>LHe</td><td></td><td></td><td>let op: cryogene vloeistof</td></tr><tr><td>PTCDA</td><td></td><td></td><td>let op: irriterende stof</td></tr><tr><td>Knudsen cell (K-cell)</td><td></td><td></td><td>op maat</td></tr><tr><td>ErLEED</td><td>Specs</td><td></td><td>gebruikt met voeding ErLEED 1.000 A</td></tr><tr><td>combient LT NC-AFM/STM</td><td>Createc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>qPlus sensor</td><td>Createc</td><td></td><td>TFS</td></tr><tr><td>preamplifier</td><td>Createc</td><td></td><td>versterker voor tuningvork signaal vast op LN2 schild (fase 1)</td></tr><tr><td>Low-Noise Voltage Preamplifier</td><td>Standford Research System</td><td>SR560</td><td>externe versterker voor tuningvork signaal (fase 2)</td></tr><tr><td>Variable Gain Low Noise Current Amplifier</td><td>Femto</td><td>DLPCA-200</td><td>versterker voor tunneling stroom</td></tr><tr><td>Bonita</td><td>Vicon</td><td>B10, SN: MXBN-0B10-3658</td><td>MCS IR camera</td></tr><tr><td>Apex Interaction Device</td><td>Vicon</td><td>SN: AP0062</td><td>MCS trackbaar object (TO)</td></tr><tr><td>MX Calibration Wand</td><td>Vicon</td><td></td><td>MCS kalibratie object</td></tr><tr><td>Tracker</td><td>Vicon</td><td></td><td>MCS software</td></tr><tr><td>BS series voltage supply</td><td>stahl-electronics</td><td>BS 1-4</td><td>RVS</td></tr><tr><td>summing amplifier&nbsp;</td><td></td><td></td><td>op maat, versterking 1, gebaseerd op operationele versterker TL072</td></tr><tr><td>Oculus Rrift Development Kit 2</td><td>Oculus VR</td><td></td><td>HMD</td></tr><tr><td>TipControl</td><td></td><td></td><td>op maat geschreven software</td></tr><tr><td>VRinterface</td><td></td><td></td><td>op maat geschreven software</td></tr></tbody></table>

hand gecontroleerde manipulatie van enkele moleculen via een scanning probe microscope met een 3d virtual reality interface

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

Gezien organische moleculen als functionele bouwstenen van toekomstige nanoschaal technologie, de vraag hoe te regelen en te assembleren zoals bouwblokken in een bottom-up benadering is nog open. De Scanning Probe Microscopy (SPM) kan een instrument van keuze; was echter SPM-gebaseerde manipulatie tot voor kort beperkt tot twee dimensies (2D). Binding de SPM tip om een ​​molecuul op een goed gedefinieerde positie opent de mogelijkheid van gecontroleerde manipulatie in 3D-ruimte. Helaas, 3D manipulatie grotendeels onverenigbaar is met de typische 2D-paradigma van het bekijken en het genereren SPM gegevens op een computer. Voor een intuïtieve en efficiënte manipulatie we daarom stel een lage temperatuur non-contact atomic force / scanning tunneling microscoop (LT NC-AFM / STM) om een ​​motion capture-systeem en een volledig immersieve virtual reality bril. Deze opzet maakt &quot;de hand gecontroleerde manipulatie&quot; (HCM), waarin de SPM tip wordt verplaatst volgens de beweging van de hand van de experimentator, werwijl de tip trajecten, alsmede de reactie van de SPM knooppunt worden gevisualiseerd in 3D. HCM opent de weg naar de ontwikkeling van complexe manipulatie protocollen, kan leiden tot een beter begrip van fundamentele nanoschaal interacties optreden tussen moleculen op oppervlakken. Hier beschrijven we de opzet en de stappen die nodig zijn om succesvol met de hand gecontroleerde moleculaire manipulatie binnen de virtual reality omgeving te bereiken.

Opmerking: Dit deel toont werk gepubliceerd in 7,8. Toepassing HCM het probleem heffen PTCDA / Ag (111) uit een laag, waren we in staat om een patroon te schrijven door het achtereenvolgens verwijderen van individuele moleculen (Figuur 9). In totaal werden 48 moleculen verwijderd, 40 waarbij opnieuw afgezet kunnen worden op de schone Ag (111), waaruit blijkt dat de moleculen intact ...

We demonstreren de nauwkeurige manipulatie van individuele organische moleculen op een metalen oppervlak met de punt van een rastersondeboogmicroscoop, aangestuurd in 3D door de hand van de onderzoeker met behulp van een motion capture-systeem en volledig immersieve virtual reality-bril.

Hand Gecontroleerde Manipulatie van enkele moleculen via een Scanning Probe Microscope met een 3D Virtual Reality Interface

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

Het algemene doel van handmatige manipulatie van individuele moleculen met de scanning probe microscoop is de systematische en intuïtieve exploratie van manipulatieprotocollen in drie dimensies. Deze methode breidt onze mogelijkheden op het gebied van moleculaire nanotechnologie uit. Zo stelt het ons in staat om manipulatieprotocollen voor moleculen systematisch te verfijnen, intermoleculaire interacties te bestuderen of zelfs complexe supermoleculaire structuren te vervaardigen.Het belangrijkste voordeel van deze techniek is het intuïtieve karakter ervan. De experimentator doorbreekt het patroon van het programmeren van automatisch uitgevoerde tipbanen en neemt direct deel aan het manipulatieproces.Het uitbreiden van molecuulmanipulatie naar de derde dimensie en het loskoppelen van het oppervlak opent veel nieuwe mogelijkheden, maar tegelijkertijd ontstaat onvermijdelijk de behoefte aan 3D-visualisatiecontrole. Stel de lagedruk-scanning-tunnelmicroscoop in die in 3D wordt aangestuurd door de hand van de experimentator, met behulp van een motion-capture-systeem zoals beschreven in het tekstprotocol. Bereid daarnaast een monster voor door PTCDA te deposeren op zilver 111, zoals beschreven in het tekstprotocol.Stel de scanning tunneling microscoop of STM in op constant-stroommodus met de parameters die LUMO-contrast voor PTCDA faciliteren. Hiermee kan de moleculaire oriëntatie worden bepaald. Voer in de SPM-software de parameters voor de scan in, waaronder het te scannen gebied, de instelpunten voor de feedbackloop en de scansnelheid.Klik op de startknop in de SPM-software om het PTCDA te beelden. Nadat het oppervlak dat geschikt is voor manipulatie is gevonden zoals beschreven in het tekstprotocol, maakt u een overzichtsvenster aan en past u het te scannen gebied en de scansnelheid aan. Dit dient om een gedetailleerde STM van een klein gebied vast te leggen.Test vervolgens het vermogen van de tip om zich te binden aan het PTCDA-molecuul. Bereid daarna de registratie van een stroom-afstandsspectrum voor, waarbij de tip verticaal drie tot vijf angstrom naar de carboxyl-zuurstofatomen van PTCDA wordt bewogen. I als functie van Z wordt geregistreerd door een constante bias-spanning in te stellen en een helling van de tiphoogte te definiëren om de tip naar het oppervlak toe te brengen en er vervolgens weer van weg te bewegen.Klik vervolgens op de knop 'single spectrum' in de SPM-software en selecteer een positie op de meest recent opgenomen STM-afbeelding boven de carboxylzuurstofatomen van het PTCDA-molecuul dat is geselecteerd voor manipulatie. Hier moet het stroom-afstandsspectrum worden opgenomen. Om te controleren of de tip in de juiste conditie verkeert, dient te worden geverifieerd of de opgenomen stroom-afstandscurve contactvorming tussen de tip en het molecuul vertoont in de vorm van een scherpe stijging van de stroom.Gewoonlijk is het contact sterk genoeg voor een opwaartse beweging van 0,5 tot drie angstrom door verticale terugtrekking van de tip, waarna de stroom abrupt daalt wanneer de binding breekt. Positioneer de tip na het opnieuw scannen van het voor manipulatie geselecteerde PTCDA-molecuul boven het voor de manipulatie gekozen carbonzuurstofatoom door 'set X, Y offset top' te selecteren en vervolgens in de betreffende afbeelding te klikken. Gebruik het juiste contactpunt zoals eerder is geverifieerd.Activeer de phase-locked loop en stel de amplitude-regelmodus in. Stel de oscillatieamplitude zo laag mogelijk in, maar hoog genoeg zodat delta-F detectie mogelijk is met aanvaardbare ruiscondities en detectiesnelheid. Open de feedbackloop en voer nul in voor de integratiewaarde in het parametervenster van de SPM-software.Stel vervolgens de junctiebias in op een paar millivolt in het parametervenster van de SPM-software. Stel tot slot de versterkingsfactor van de stroomversterker in op 1 × 10⁷ volt per ampère in het waardeparametervenster van de SPM-software. Zet het head-mounted display of HMD op en pak vervolgens het trackbare object.Positioneer indien nodig de HMD opnieuw op het hoofd van de gebruiker tijdens het uitvoeren van de volgende stappen om ofwel de virtual reality-scène of de laboratoriumomgeving, het toetsenbord en de computermonitor te bekijken. De volgende stap is het markeren van het contactpunt in de 3D-virtuele scène. Dit ankerpunt helpt om het contact gemakkelijk te vinden voor verdere manipulatiepogingen via handmatige besturing, zonder dat het is nodig om de op afstand bestuurbare multichannel spanningsbron te resetten.Om dit te doen, activeert u de handbediening uitsluitend langs de z-as door het bijbehorende selectievakje in de tipsoftware aan te vinken, terwijl de selectievakjes voor X en Y niet zijn aangevinkt. Beweeg het trackbare object naar beneden terwijl u de realtime signalen voor de stroom en delta-f observeert, die in groen en roze in de virtuele scène worden weergegeven. Stop met het bewegen van het trackbare object zodra de stroom- en delta-f-signalen een gelijktijdige scherpe sprong vertonen.De signatuur van een contactformatie. Start de trajectopname in de VR-interface door op de overeenkomstige knop te klikken en het trackbare object omhoog te bewegen. Stop de trajectopname in de VR-interface door op de overeenkomstige knop te klikken zodra het contact tussen het molecuul en de tip verbreekt.De signatuur is een gelijktijdige scherpe daling van de stroom- en delta-f-signalen. Klik op de pauzeknop in de tipsoftware om de handmatige besturing te deactiveren. Activeer de handmatige besturing van de tipbeweging langs alle ruimtelijke assen door de selectievakjes X, Y en Z in de software aan te vinken en op de startknop in de tipsoftware te klikken.Probeer een succesvolle lift-trajectorie te vinden waarbij het gecontacteerde molecuul aan het einde van de trajectorie volledig van het oppervlak is losgekoppeld. Om dit te doen, nadert u het punt waar het anker de vorming van het contact met het tipmolecuul vertoonde door het trackbare object te bewegen, terwijl u de beweging van de bol volgt die de huidige tippositie in de virtuele scène vertegenwoordigt. Zodra het contact is gevormd, start u de opname van een nieuwe trajectorie in de VR-interface.Trek het molecuul in een richting die geschikt is voor het tillen door het trackbare object dienovereenkomstig te bewegen. Als er een breuk in het contact met het tipmolecuul wordt gedetecteerd, stop dan met het registreren van de trajectorie. Keer terug naar het contactpunt, start de trajectorieregistratie bij het ontstaan van contact en voer een andere manipulatie uit.Herhaal deze sequentie totdat het optillen succesvol was. Als het contact van het molecuul met de tip nog steeds stabiel is bij een Z groter dan 10 angstroms, is dit het kenmerk voor het succesvol optillen van het molecuul. Benader het oppervlak opnieuw om te bevestigen dat het molecuul zich op de tip bevindt.Een geleidelijke toename van delta-f tijdens de nadering, terwijl de tip nog ver van het oppervlak verwijderd is, geeft aan dat het molecuul aan de tip is bevestigd en loodrecht op het oppervlak is georiënteerd. Verplaats na een succesvolle lifting het trackbare object omhoog om de tip nog eens 10 tot 20 angstroms van het oppervlak terug te trekken. Dit vermindert elke interactie van het opgetilde molecuul met het oppervlak.Fixeer de tiphoogte door het selectievakje Z uit te vinken en verplaats de tip via de handbediening terug naar de initiële X-, Y-coördinaten. Vink het selectievakje X of Y uit zodra de betreffende coördinaat dicht bij nul is gekomen. Klik op de pauzeknop in de tipsoftware om de huidige tippositie te fixeren en de handbediening te deactiveren.Zonder de feedbacklus in te schakelen, selecteert u 'set X Y offset top' en klikt u vervolgens in de betreffende afbeelding om de tip te positioneren boven het schone zilveren oppervlak, 50 tot 100 angstroms verwijderd van het eilandje waar het molecuul is geëxtraheerd. Stel vervolgens de versterkingsfactor van de stroomversterker in op 1 × 10⁹ V/A. Vink de selectievakjes X en Y in de tipsoftware uit en klik op de startknop.Beweeg het traceerbare object naar het oppervlak toe totdat er een meetbare stroom verschijnt. Klik op de pauzeknop in de tipsoftware om de handmatige besturing te deactiveren. Verhoog stapsgewijs de biasspanning met behulp van een muisgestuurde schuifregelaar in de SPM-software totdat er een gelijktijdige sprong in stroom en delta-f optreedt, wat aangeeft dat het molecuul op het oppervlak is geland.Scan het gebied in de constante stroommodus en controleer of het molecuul inderdaad weer op het oppervlak is afgezet. Scan tot slot het gebied in de regio waar het molecuul is geëxtraheerd om de ontstane vacantie te onderzoeken. Hier wordt een voorbeeld getoond van de nanostructurering van een moleculaire laag door handmatig gestuurde manipulatie.De reeks STM-beelden toont de opeenvolgende creatie van 47 vacatures door het stapsgewijs verwijderen van individuele PTCDA-moleculen uit een gesloten laag. Deze animatie toont 34 manipulatietrajecten die allemaal leidden tot de succesvolle verwijdering van PTCDA uit de monolaag. Hier is een animatie van 3D-tipbanen die de verfijning van het traject en de reproduceerbaarheid bij handmatige manipulatie demonstreert.De grijze curve vertegenwoordigt een initiële referentie die is verkregen door het middelen van de trajecten die in de vorige animatie worden getoond. De gekleurde curves zijn zeven pogingen tot manipulatie die de referentietraject volgden en allemaal mislukten, en zeven succesvolle pogingen langs een nieuw gevonden geknikt traject. Onze methode van handgestuurde manipulatie kan eenvoudig worden toegepast op nieuwe manipulatietaken of op nieuwe moleculen.Zonder de noodzaak om kostbare simulaties in te zetten. Eenmaal beheerst, kan handmatige manipulatie worden gebruikt om enkelvoudige moleculen te bestuderen in configuraties die anders onbereikbaar zijn. Het uitvoeren van dergelijke experimenten kan ons begrip van de fundamentele processen die plaatsvinden in dergelijke metaal-molecuul-metaalverbindingen aanzienlijk verbreden.Bij handmatige manipulatie is de experimentator onderhevig aan een leerproces. Later zijn we van plan dit leren te formaliseren en het uiteindelijk over te dragen aan een computer.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Een nieuw computationeel systeem met GPU-versnelde moleculaire dynamica simulatie en 3D/VR visualisatie, analyse en manipulatie van nanostructuren is geïmplementeerd, wat een nieuwe aanpak vertegenwoordigt om materiaalonderzoek te bevorderen en innovatief onderzoek en alternatieve methoden te promoten om te leren over materiaalstructuren met afmetingen die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog.

Nieuw 3D / VR interactieve omgeving voor MD simulaties, visualisatie en analyse

Hier beschrijven we de instrumenten en werkwijzen voor het detecteren enkele fluorescentie-gemerkt eiwitmoleculen interactie met een enkel DNA-molecuul opgehangen tussen twee optisch gevangen microsferen.

De combinatie van Single-molecule Manipulatie en Imaging voor de Studie van eiwit-DNA interacties

Colloïdale sondev-nanoscopie kan binnen verschillende velden worden gebruikt om inzicht te krijgen in de fysische stabiliteit en coagulatiesnelheid van colloïdale systemen en om medicijnontdekking en formuleringswetenschappen te ondersteunen met behulp van biologische systemen. De beschreven methode biedt een kwantitatief en kwalitatief middel om dergelijke systemen te bestuderen.

Kwantitatieve en kwalitatieve onderzoek van Particle-deeltje Interacties gebruik Colloïdaal Probe Nanoscopy

Een methode voor het onderzoeken van de structuur van een eiwitfotoreceptor met behulp van atoomkrachtmicroscopie (AFM) wordt beschreven in dit artikel. PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping (PF-QNM) onthult intacte eiwitdimeren op een mica-oppervlak.

Atomic Force Microscopy van Red-Light Fotoreceptoren behulp PeakForce Kwantitatieve Nanomechanical Property Mapping

We presenteren een protocol voor het manipuleren van individuele wervels in dunne supergeleidende films, met behulp van lokale mechanische contacten. De methode omvat geen toepassing van stroom, magnetisch veld of aanvullende fabricage stappen.

Het scannen van SQUID Studie van Vortex manipulatie door Local Contact

Een combinatie van oplossings- en oppervlakte-ondersteunde synthese opent nieuwe richtingen in de atomair nauwkeurige synthese van nanostructuren. De aftastentunneling microscopie (STM) die door contactloze atoomkrachtmicroscopie (nc-AFM) wordt aangevuld maakt gedetailleerde karakterisering van nieuw ontworpen en gegenereerde op koolstof gebaseerde nano-voorwerpen mogelijk.

Microscopische visualisatie van poreuze nanografenen gesynthetiseerd door een combinatie van oplossings- en oppervlaktechemie

Dit werk presenteert een workflow voor het volgen van atomaire positie in atomaire resolutie transmissie elektronenmicroscopie beeldvorming. Deze workflow wordt uitgevoerd met behulp van een open-source Matlab-app (EASY-STEM).

Picometer-Precision Atomic Position Tracking door elektronenmicroscopie

Hier presenteren we een protocol om de intracellulaire mechanische eigenschappen van geïsoleerde embryonale zebraviscellen in driedimensionale opsluiting te onderzoeken met directe krachtmeting door een optische val.

Directe krachtmetingen van subcellulaire mechanica in opsluiting met behulp van optische pincetten

Visuele, single-molecule biochemie bestudeerd door microfluïdische kamers wordt aanzienlijk vergemakkelijkt met behulp van glazen vaten, gasdichte spuiten, stabiele verbindingen van slangen met stroomcellen en eliminatie van bellen door schakelkleppen tussen de spuiten en slangen te plaatsen. Het protocol beschrijft dubbele optische vallen die visualisatie van DNA-transacties en intermoleculaire interacties mogelijk maken.

Gebruik van dual optische pincet en microfluïdica voor single-molecule studies

Grootschalige steekproefinspectie met nanoschaalresolutie heeft een breed scala aan toepassingen, met name voor nanogefabriceerde halfgeleiderwafers. Atoomkrachtmicroscopen kunnen hiervoor een geweldig hulpmiddel zijn, maar worden beperkt door hun beeldvormingssnelheid. Dit werk maakt gebruik van parallelle actieve cantilever-arrays in AFM's om inspecties met een hoge doorvoer en op grote schaal mogelijk te maken.

Actieve sonde-atoomkrachtmicroscopie met quattro-parallelle vrijdragende arrays voor grootschalige monsterinspectie met hoge doorvoer

Hier tonen we het beeldvormingsprotocol voor het observeren van biomoleculaire interacties met fotothermisch off-resonantie tappen (PORT), waar we beeldvormingsparameters hebben geoptimaliseerd, systeemlimieten hebben geïdentificeerd en mogelijke verbeteringen hebben onderzocht in de beeldvorming van driepunts-ster DNA-motiefassemblage.

High-speed atomaire krachtmicroscopie beeldvorming van DNA driepunts-stermotief zelfassemblage met behulp van fotothermisch off-resonantie tappen

Leer handgecontroleerde manipulatie van individuele moleculen met een scanning probe microscoop via een 3D virtual reality interface. Deze methode maakt intuïtieve exploratie van manipulatieprotocollen mogelijk.

Hand Gecontroleerde Manipulatie van enkele moleculen via een Scanning Probe Microscope met een 3D Virtual Reality Interface

Meer video's verkennen