Name: Ręcznie sterowana manipulacja pojedynczymi cząsteczkami za pomocą mikroskopu z sondą skanującą z interfejsem 3D Virtual Reality (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min
Description: Poznaj ręczną manipulację pojedynczymi cząsteczkami organicznymi za pomocą mikroskopu z sondą skanującą i interfejsu wirtualnej rzeczywistości 3D. Ta intuicyjna metoda umożliwia badanie nanotechnologii molekularnej.

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

Autorzy nie mają żadnych podziękowań.

<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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia i nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podobnie jak inne metody oparte na SPM, eksperymenty z manipulacją molekularną opisane w tym artykule również zależą w pewnym stopniu od właściwości końcówki SPM. Struktura wierzchołka końcówki (której nie można w pełni kontrolować) decyduje o sile wiązania końcówka-cząsteczka. W związku z tym siła kontaktu końcówka-cząsteczka może się znacznie różnić, a co za tym idzie, czasami może być zbyt niska. W związku z tym w protokole odnosimy się do kilku podstawowych testów jakości końcówki i procedur leczenia końcówek. Jednak...

Niskotemperaturowy bezkontaktowy mikroskop sił atomowych/tunelowy (LT NC-AFM/STM, w dalszej części określany po prostu jako SPM) jest preferowanym narzędziem do manipulacji pojedynczymi atomami lub cząsteczkami z precyzją atomową1-3. Manipulacja oparta na SPM jest zazwyczaj ograniczona do dwóch wymiarów i składa się z serii gwałtownych, często stochastycznych zdarzeń manipulacyjnych (skoków). W praktyce ogranicza to kontrolę nad tym procesem. Podejście, które pozwala przezwyciężyć te ograniczenia, polega na połączeniu analizowanej cząsteczki za pomocą pojedynczego wiązania chemicznego w ściśle określonej pozycji atomowej4-9. Podczas manipulacji cząsteczka pozostaje połączona z igłą SPM, co umożliwia jej przemieszczanie we wszystkich trzech wymiarach poprzez odpowiednie przesunięcia igły. Stwarza to możliwość przeprowadzania różnorodnych, złożonych procedur manipulacyjnych w przestrzeni 3D. Jednak manipulacja kontaktowa może być utrudniona przez oddziaływania manipulowanej cząsteczki z powierzchnią i/lub innymi cząsteczkami w jej otoczeniu, co może generować siły wystarczająco duże, aby zerwać kontakt między igłą a cząsteczką. W związku z tym konkretna trajektoria 3D igły SPM może, ale nie musi, doprowadzić do pomyślnego zdarzenia manipulacyjnego. Pojawia się zatem pytanie, jak zdefiniować protokoły prowadzące do skutecznego zakończenia manipulacji w okolicznościach, gdy wiązanie igła-cząsteczka ma ograniczoną wytrzymałość, a oddziaływania manipulowanej cząsteczki z otoczeniem nie są z góry dobrze scharakteryzowane.
W niniejszym przypadku do rozwiązania tego zagadnienia podszedzono w najbardziej intuicyjny z możliwych sposobów. Eksperymentator może kontrolować przesunięcia końcówki SPM, po prostu poruszając ręką7. Osiągnięto to poprzez sprzężenie SPM z komercyjnym systemem motion capture, którego niektóre specyfikacje przedstawiono poniżej. Zaletą „manipulacji sterowanej ręcznie” (HCM) jest możliwość szybkiego testowania przez eksperymentatora różnych trajektorii manipulacji oraz wyciągania wniosków z ich niepowodzeń lub sukcesów.
Układ HCM został wykorzystany do przeprowadzenia eksperymentu potwierdzającego zasadę działania, w którym słowo („JÜLICH”) zostało wycięte przez szablon w zamkniętej warstwie cząsteczek peryleno-3,4,9,10-tetrakarboksylowego dianhydrydu (PTCDA) na Ag(111), poprzez usuwanie 48 cząsteczek, jedna po drugiej, za pomocą HCM7. Podniesienie cząsteczki z powierzchni rozrywa wiązania wodorowe międzycząsteczkowe, które wiążą cząsteczki w monowarstwie10. Zazwyczaj całkowita siła obecnych wiązań międzycząsteczkowych przewyższa siłę pojedynczego wiązania chemicznego między zewnętrznym atomem końcówki a atomem tlenu karboksylowego PTCDA, przez który nawiązywany jest kontakt z cząsteczką (patrz Rysunek 1). Może to prowadzić do przerwania kontaktu końcówka-cząsteczka i w konsekwencji do niepowodzenia próby manipulacji. Zadaniem eksperymentatora jest zatem wyznaczenie trajektorii końcówki, która zrywa oporne wiązania międzycząsteczkowe sekwencyjnie, a nie jednocześnie, tak aby całkowita siła przyłożona do kontaktu końcówka-cząsteczka nigdy nie przekroczyła jego wytrzymałości.
Choć pożądana trajektoria mogłaby w zasadzie zostać zasymulowana, ze względu na rozmiar i złożoność zaangażowanego układu niezbędne symulacje zajęłyby nieakceptowalnie dużo czasu. W przeciwieństwie do tego, przy użyciu HCM możliwe było usunięcie pierwszej cząsteczki po 40 minutach. Pod koniec eksperymentu ekstrakcja zajmowała już znacznie mniej czasu, co potwierdza skuteczność procedury uczenia. Ponadto dokładność i wszechstronność metody HCM została wykazana podczas manipulacji odwrotnej, gdy cząsteczka wyekstrahowana z sąsiedniego miejsca została użyta do wypełnienia luki powstałej po błędnym usunięciu innej cząsteczki z monowarstwy.
Podejście oparte na przechwytywaniu ruchu, mimo że jest szybkie i intuicyjne, ogranicza się do generowania danych dotyczących trajektorii końcówki. W celu dalszego systematycznego opracowywania nowych protokołów manipulacji molekularnych równie ważne jest możliwości obserwowania danych trajektorii końcówki w czasie rzeczywistym, jak i analizy wcześniej wygenerowanych danych. W związku z tym funkcjonalność układu HCM została znacząco rozszerzona o gogle wirtualnej rzeczywistości, które pozwalają eksperymentatorowi widzieć dane wykreślone w trójwymiarowej scenie wirtualnej, w której trajektoria końcówki jest uzupełniona o aktualne wartości natężenia prądu (I) oraz przesunięcia częstotliwości (Δf) mierzone przez SPM w czasie rzeczywistym8 (patrz poniżej). Dodatkowo scena wirtualnej rzeczywistości przedstawia model manipulowanej cząsteczki, który służy jako wizualny punkt odniesienia w skali. Tym samym układ HCM uzupełniony o interfejs wirtualnej rzeczywistości nadaje się do systematycznego mapowania przestrzeni trajektorii manipulacji i sukcesywnego doskonalenia obiecujących protokołów manipulacyjnych. Ponadto system ten ułatwia transfer wiedzy pomiędzy różnymi eksperymentami. Poniższe akapity zawierają opis układu oraz niektóre z jego specyfikacji istotnych dla eksperymentów manipulacyjnych.
Eksperymenty są przeprowadzane w ultrawysokiej próżni (UHV) przy ciśnieniu bazowym 1 x 10-10 mbar z wykorzystaniem komercyjnego SPM składającego się z komory przygotowawczej i komory analitycznej. Komora przygotowawcza jest wyposażona w: źródło Ar+ stosowane do rozpylania próbek, manipulator do transferu próbek (umożliwiający ich ogrzewanie i chłodzenie), dyfrakcję niskoenergetycznych elektronów (LEED) oraz dostosowaną komórkę Knudsena (K-cell) zawierającą proszek PTCDA oczyszczony przez sublimację. Komora analityczna jest wyposażona w: kriostat z kąpielą LN2 o objętości 12 L i czasie utrzymania 46 hr, kriostat z kąpielą LHe (5 L, 72 hr) oraz SPM typu „żuk” Besocke11 wyposażony w czujnik widelca kwarcowego12 (TFS) składający się z kwarcowego widelca z elektrycznie połączoną igłą PtIr (do pracy w trybie STM), która została przycięta i zaostrzona za pomocą skupionej wiązki jonów (FIB) (Rysunek 2).
<img alt="Obraz mikroskopowy konfiguracji mikro urządzenia i obraz SEM szczegółu nanostruktury, zaznaczono skalę." src="/files/ftp_upload/54506/54506fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 2. Czujnik stroikowy. (a) Obraz komercyjnego czujnika stroikowego z przymocowaną końcówką PtIr. (b) Obraz SEM wierzchołka końcówki PtIr wyciętego za pomocą FIB. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
AFM pracuje w trybie modulacji częstotliwości (FM)13, w którym TFS jest wzbudzany w punkcie rezonansu (f0 ≈ 31 080 Hz) za pomocą piezoelektrycznego układu drgań (dither piezo). Sygnał piezoelektryczny oscylującego kamertonu jest wzmacniany i przekazywany do pętli synchronizacji fazowej (PLL), która utrzymuje stałą amplitudę oscylacji TFS i śledzi zmiany jego częstotliwości rezonansowej, Δf = f - f0, wynikające z gradientu siły oddziałującej na wierzchołek. Jak pokazano na rysunku 3 , pozycja wierzchołka SPM jest kontrolowana za pomocą napięć (ux, uy, uz) przyłożonych do zestawu piezoelektryków w osiach x, y i z (stałe piezoelektryczne w 5 K: x=15, y=16, z=6 Å/V). Napięcia ux, uy, uz (±10 V przy rozdzielczości 20 bitów) są generowane na wyjściach elektroniki SPM. Następnie są one wzmacniane przez wzmacniacz wysokiego napięcia (HV), który posiada maksymalne napięcie wyjściowe wynoszące ±200 V.
<img alt="Schemat zestawu SPM z obsługą VR, przedstawiający sterowanie czujnikiem, pętle sprzężenia zwrotnego danych i komponenty systemu." src="/files/ftp_upload/54506/54506fig3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 3. Schematy układu HCM. Pozycja (śledzonego obiektu) TO, na którego powierzchni zainstalowano wiele źródeł (podczerwieni) IR, jest śledzona przez dwie kamery podczerwone systemu przechwytywania ruchu (MCS). Oprogramowanie TipControl pobiera współrzędne (x,y,z) TO z MCS i przekazuje je do zdalnego źródła napięcia (RVS), które generuje zestaw napięć (vx,vy,vz) sumowanych z napięciami (ux,uy,uz) wytwarzanymi przez elektronikę SPM w celu sterowania pozycją końcówki SPM. Sumaryczne napięcie przechodzi przez wzmacniacz wysokiego napięcia (HV) i jest następnie przykładane do systemu pozycjonowania piezoelektrycznego końcówki SPM. Układ umożliwia ręczne sterowanie pozycjonowaniem końcówki, gdy pętla sprzężenia zwrotnego (FB) SPM jest otwarta. Pozycja (x,y,z) końcówki, a także I(x,y,z) i Δf(x,y,z), są przekazywane do oprogramowania VRinterface, które nanosi je na trójwymiarową wirtualną scenę widzianą przez operatora korzystającego z wyświetlacza montowanego na głowie (HMD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Prąd tunelowy płynący między końcówką SPM a powierzchnią jest mierzony przez wzmacniacz transimpedancyjny o zmiennym wzmocnieniu w zakresie od 1 x 103 do 1 x 109 V/A (pasmo przenoszenia przy wzmocnieniu 1 x 109 V/A wynosi 1 kHz). Wyjście wzmacniacza jest podłączone do pętli sprzężenia zwrotnego (FB) STM w celu regulacji wysokości końcówki nad powierzchnią w trybie skanowania ze stałym prądem. Stabilność złącza (przy wyłączonych oscylacjach TFS) wynosi 1-3 pm. Sygnał oscylacji piezoelektrycznych TFS jest wzmacniany w dwóch stopniach: (1) przedwzmacniacz zamocowany do osłony LN2  (wzmocnienie 1 x 108 V/A, pasmo przenoszenia 20 kHz) oraz (2) zewnętrzny wzmacniacz napięciowy o zmiennym wzmocnieniu od 1 x 101 do 5 x 104 i paśmie przenoszenia 1 MHz.
W eksperymentach HCM układ SPM został rozszerzony o: system przechwytywania ruchu (MCS), zdalnie sterowane wielokanałowe źródło napięcia (RVS), wzmacniacz sumujący oraz gogle wirtualnej rzeczywistości (HMD). Wszystkie wymienione urządzenia, z wyjątkiem wzmacniacza sumującego, zostały zakupione komercyjnie.
MSC to system śledzenia markerów w podczerwieni (IR), który umożliwia pomiar przemieszczeń przestrzennych z rozdzielczością milimetrową przy częstotliwości 100 Hz. System składa się z dwóch kamer IR, obiektu śledzonego (TO) oraz oprogramowania sterującego. Oprogramowanie MCS wyznacza współrzędne x, y, z obiektu TO w przestrzeni 3D poprzez analizę obrazów uzyskanych z obu kamer. MCS udostępnia bibliotekę programistyczną, która pozwala na wykorzystanie współrzędnych TO w zewnętrznym programie komputerowym.
Współrzędne TO (xTO, yTO, zTO) są przekazywane do autorskiego programu komputerowego „TipControl”. Rysunek 4 przedstawia zrzut ekranu interfejsu graficznego użytkownika. Program jest uruchamiany przyciskiem „start” w oknie aplikacji. Po aktywacji (τ=0) program ustawia wszystkie napięcia vx-, vy-, vz- na RVS (zakres napięć ±10 V przy rozdzielczości 16 bitów, opóźnienie 50 msec na krok napięcia) zgodnie z następującym wyrażeniem <img alt="Równanie równowagi statycznej, ΣFx=0, wzór matematyczny opisujący analizę procesu dynamicznego." src="/files/ftp_upload/54506/54506eq1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 1">itd., gdzie cx, cy, cz są współczynnikami przeliczającymi 5 cm przesunięcia TO na 1 Å przesunięcia końcówki SPM. Wartości współczynników px(t), py(t), pz(t) są definiowane przez stan pól wyboru x-, y-, z- w oknie programu. Jeśli pole jest zaznaczone, odpowiadająca mu wartość p(t) zostaje ustawiona na 1. Wszystkie wartości p(t) są ustawiane na 0 w momencie naciśnięcia przycisku „pause” w oknie programu. Pozwala to operatorowi na tymczasowe „zamrożenie” pozycji końcówki. Naciśnięcie przycisku „reset all” w oknie programu ustawia napięcia vx-, vy-, vz- na zero, co przywraca końcówkę do jej pozycji początkowej zdefiniowanej przez oprogramowanie SPM. Pole tekstowe „manual command to RVS” w oknie programu może być wykorzystane do ustawienia dowolnego z napięć vx-, vy-, vz- na dowolną wartość w dopuszczalnym zakresie ±10 V. Napięcia vx-, vy-, vz- generowane przez RVS są dodawane do sygnałów napięcia wyjściowego ux-, uy-, uz- elektroniki SPM za pomocą wzmacniacza sumującego (wzmocnienie 1, szerokość pasma 50 kHz, zakres wyjściowy ±10 V).
<img alt="Interfejs TipControl do pomiaru współrzędnych XYZ; status połączenia, ręczne polecenia RVS, interfejs." src="/files/ftp_upload/54506/54506fig4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 4. Zrzut ekranu okna interfejsu. Dwa wskaźniki obrazują status połączenia z systemami MCS i RVS. Pola wyboru służą do aktywacji sterowania ręcznego wzdłuż wybranych osi przestrzennych. Przycisk „Start” inicjuje przepływ danych między MCS, TipControl a RVS zgodnie ze schematem przedstawionym na Rysunku 3. Przycisk „Pause” zatrzymuje przepływ danych. Przycisk „Reset All” ustawia wszystkie napięcia RVS na zero. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Do wizualizacji danych eksperymentalnych (trajektoria końcówki, I, Δf) wykorzystuje się wyświetlacz montowany na głowie (HMD). HMD zapewnia widok stereoskopowy (dzielony wyświetlacz HD — jedna połowa dla każdego oka, 1 920 x 1 080 pikseli przy 75 Hz). Dedykowana kamera IR śledzi pozycję i orientację HMD w przestrzeni 3D za pomocą diod IR-LED przymocowanych do powierzchni HMD. System śledzenia HMD pozwala operatorowi zmieniać widok wewnątrz trójwymiarowej sceny rzeczywistości wirtualnej poprzez obrót głowy lub po prostu ruch ciała.
Specjalistyczne oprogramowanie „VRinterface” gromadzi dane zarówno z SPM, jak i MCS, renderuje je w scenie 3D przy użyciu OpenGL i wyświetla w HMD za pomocą zestawu narzędzi programistycznych (SDK) dla HMD. VRinterface pobiera rzeczywiste współrzędne x-, y-, z- końcówki bezpośrednio z oprogramowania sterującego końcówką (opóźnienie rzędu kilku milisekund), natomiast sygnały I oraz Δf są odczytywane bezpośrednio z wyjść elektroniki SPM (opóźnienie ≈ 250 msec). Rysunek 5 przedstawia zrzut ekranu wirtualnej sceny 3D widzianej przez operatora w HMD podczas HCM. W wirtualnej scenie 3D wierzchołek końcówki jest renderowany jako biała sfera. Kolorystyka zarejestrowanych trajektorii końcówki odzwierciedla wartości log(I(x,y,z)) lub Δf(x,y,z). Przełączanie między trybami kolorowania log(I(x,y,z)) a Δf(x,y,z) odbywa się poprzez naciśnięcie przycisku. Inny przycisk inicjuje rejestrację (i wyświetlanie) eksperymentalnych danych trajektorii końcówki. Ponowne naciśnięcie przycisku zatrzymuje rejestrację. Wirtualna scena pokazuje również statyczną cząsteczkę PTCDA, która służy jako pomoc wizualna podczas manipulacji. Operator ręcznie ustawia jej orientację, aby dopasować ją do orientacji rzeczywistej cząsteczki na powierzchni, korzystając z przycisków na klawiaturze.
Uwaga: Ponieważ śledzenie ruchów głowy w HMD opiera się na diodach IR-LED, może ono zakłócać działanie MCS, który również wykorzystuje światło podczerwone do śledzenia pozycji TO. W związku z tym TO musi mieć unikalny kształt rozpoznawalny dla MCS. Pomaga to systemowi MCS odróżnić sygnały pochodzące z TO od sygnałów emitowanych przez diody IR-LED w HMD.
<img alt="Modelowanie 3D trajektorii cząsteczki, z danymi w czasie rzeczywistym, schematem, analizą naukową, I(x,y,z)." src="/files/ftp_upload/54506/54506fig5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 5. Zrzut ekranu wirtualnej sceny 3D wyświetlanej operatorowi w HMD podczas HCM. Zbiór białych sfer tworzy model powierzchni Ag(111). Orientacja powierzchni modelowej nie musi być zgodna z orientacją próbki. Model cząsteczki PTCDA jest umieszczony nad powierzchnią modelową. Atomy C, O, H w PTCDA przedstawiono odpowiednio w kolorach czarnym, czerwonym i białym. Dla wygody orientację azymutalną modelowej cząsteczki można dostosować do orientacji rzeczywistej cząsteczki wybranej do manipulacji. Pozycja końcówki jest zaznaczona pojedynczą białą sferą reprezentującą zewnętrzny atom wierzchołka końcówki. Dane I(x,y,z) i Δf(x,y,z) w czasie rzeczywistym są wyświetlane jako wskaźniki słupkowe umieszczone obok końcówki. Wcześniej zarejestrowane oraz aktualnie wykonywane manipulacje są wyświetlane jako trajektorie 3D, których kolor reprezentuje wartości log(I(x,y,z)) lub Δf(x,y,z) zmierzone w odpowiadających pozycjach trajektorii. Rysunek przedstawia trajektorie pokolorowane sygnałem log(I(x,y,z)). Kontrast kolorów można przełączać między trybami log(I(x,y,z)) a Δf(x,y,z) za pomocą przycisku. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>

<table><tbody><tr><td>LN2</td><td></td><td></td><td>uwaga: ciecz kriogeniczna</td></tr><tr><td>LHe</td><td></td><td></td><td>uwaga: ciecz kriogeniczna</td></tr><tr><td>Uwaga PTCDA</td><td></td><td></td><td>: substancja drażniąca</td></tr><tr><td>Ogniwo Knudsena (K-cell)</td><td></td><td></td><td>niestandardowe</td></tr><tr><td>Specyfikacja</td><td></td><td>ErLEED</td><td>używane z zasilaczem ErLEED 1,000 A</td></tr><tr><td>combient LT NC-AFM/STM</td><td>Czujnik Createc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>qPlus</td><td>Przedwzmacniacz Createc</td><td></td><td>TFS</td></tr><tr><td></td><td>Wzmacniacz Createc</td><td></td><td>do strojenia sygnału widełkowego przymocowany do ekranu LN2 (stopień 1)</td></tr><tr><td>Niskoszumowy przedwzmacniacz napięciowy</td><td>Standford Research System</td><td>SR560</td><td>zewnętrzny wzmacniacz do strojenia sygnału widełkowego (stopień 2)</td></tr><tr><td>Wzmacniacz prądowy o zmiennym wzmocnieniu o niskim poziomie szumów</td><td>Femto</td><td>Wzmacniacz DLPCA-200</td><td>do tunelowania prądu</td></tr><tr><td>Bonita</td><td>Vicon</td><td>B10, SN: MXBN-0B10-3658</td><td>Kamera MCS na podczerwień</td></tr><tr><td>Urządzenie do interakcji Apex</td><td>Vicon</td><td>SN: AP0062</td> Różdżka <td>kalibracyjna MCS do śledzenia obiektów (TO)</td></tr><tr><td>MX Obiekt kalibracji</td><td>Vicon</td><td></td><td>MCS</td></tr><tr><td>Tracker</td> Oprogramowanie <td>Vicon</td><td></td><td>MCS</td></tr><tr><td>Zasilacz</td> <td>napięcia serii BSWzmacniacz sumujący stahl-electronics</td><td>BS 1-4</td><td>RVS</td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td></td><td></td><td>niestandardowy, wzmocnienie 1, oparty na wzmacniaczu operacyjnym TL072</td></tr><tr><td>Zestaw rozwojowy Oculus Rrift 2</td><td>Oculus VR</td><td></td><td>HMD</td></tr><tr><td>TipControl</td><td></td><td></td><td>Niestandardowe oprogramowanie</td></tr><tr><td>Interfejs</td><td></td><td></td> VR <td>Oprogramowanie napisane na zamówienie</td></tr></tbody></table>

ręcznie sterowana manipulacja pojedynczymi cząsteczkami za pomocą mikroskopu z sondą skanującą z interfejsem 3d virtual reality

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

Biorąc pod uwagę cząsteczki organiczne jako funkcjonalne elementy budulcowe przyszłej technologii nanoskalowej, pytanie, jak ułożyć i złożyć takie elementy budulcowe w podejściu oddolnym, jest nadal otwarte. Mikroskop z sondą skaningową (SPM) może być narzędziem z wyboru; jednak manipulacja oparta na SPM była do niedawna ograniczona do dwóch wymiarów (2D). Powiązanie końcówki SPM z cząsteczką w dobrze zdefiniowanej pozycji otwiera możliwość kontrolowanej manipulacji w przestrzeni 3D. Niestety, manipulacja 3D jest w dużej mierze niekompatybilna z typowym paradygmatem 2D polegającym na przeglądaniu i generowaniu danych SPM na komputerze. Aby zapewnić intuicyjną i wydajną manipulację, łączymy niskotemperaturowy, bezkontaktowy mikroskop tunelowy z siłami atomowymi/skaningiem (LT NC-AFM/STM) z systemem przechwytywania ruchu i w pełni immersyjnymi goglami wirtualnej rzeczywistości. Taka konfiguracja pozwala na "manipulację sterowaną ręcznie" (HCM), w której końcówka SPM jest przesuwana zgodnie z ruchem ręki eksperymentatora, podczas gdy trajektorie końcówki, a także odpowiedź złącza SPM są wizualizowane w 3D. HCM toruje drogę do opracowania złożonych protokołów manipulacji, potencjalnie prowadząc do lepszego podstawowego zrozumienia interakcji w nanoskali działających między cząsteczkami na powierzchniach. W tym miejscu opisujemy konfigurację i kroki potrzebne do osiągnięcia udanej ręcznej manipulacji molekularnej w środowisku rzeczywistości wirtualnej.

Uwaga: Ta część przedstawia prace opublikowane w7,8.
Stosując HCM do problemu podnoszenia PTCDA/Ag(111) z warstwy, byliśmy w stanie stworzyć wzór poprzez sekwencyjne usuwanie pojedynczych cząsteczek (Rysunek 9). Łącznie usunięto 48 cząsteczek, z czego 40 można było ponownie osadzić na czystym Ag(111), co pokazuje, że cząsteczki pozostają nienaruszone podczas procesu manipulacji. Pozwa...

Demonstrujemy precyzyjną manipulację pojedynczymi cząsteczkami organicznymi na powierzchni metalu za pomocą końcówki mikroskopu sondy skanującej napędzanego w 3D ręką eksperymentatora za pomocą systemu przechwytywania ruchu i w pełni immersyjnych gogli wirtualnej rzeczywistości.

Ręcznie sterowana manipulacja pojedynczymi cząsteczkami za pomocą mikroskopu z sondą skanującą z interfejsem 3D Virtual Reality

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

Ogólnym celem manipulacji poszczególnymi cząsteczkami sterowanej ręcznie za pomocą skaningowego mikroskopu sondowego jest systematyczne i intuicyjne badanie protokołów manipulacji w trzech wymiarach. Metoda ta rozszerza nasze możliwości w dziedzinie nanotechnologii molekularnej. Pozwala ona na przykład na systematyczne udoskonalanie protokołów manipulacji cząsteczkami, badanie oddziaływań międzycząsteczkowych, a nawet wytwarzanie złożonych struktur nadcząsteczkowych.Główną zaletą tej techniki jest jej intuicyjny charakter. Eksperymentator odchodzi od programowania automatycznie wykonywanych trajektorii końcówki i angażuje się bezpośrednio w proces manipulacji.Rozszerzenie manipulacji cząsteczkami o trzeci wymiar oraz oddzielenie ich od powierzchni otwiera wiele nowych możliwości, jednak jednocześnie nieuchronnie pojawia się potrzeba kontroli wizualizacji 3D. Skonfiguruj niskotemperaturowy skaningowy mikroskop sondowy sterowany w 3D przez dłoń eksperymentatora, wykorzystując system przechwytywania ruchu zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Przygotuj również próbkę poprzez osadzenie PTCDA na srebrze (111), zgodnie z opisem w protokole tekstowym.Ustaw skaningowy mikroskop tunelowy

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Nowy system obliczeniowy z akcelerowaną przez GPU symulacją dynamiki molekularnej oraz wizualizacją 3D/VR, analizą i manipulacją nanostruktur został zaimplementowany, reprezentując nowatorskie podejście do zaawansowanych badań materiałowych i promowania innowacyjnych badań i alternatywnych metod uczenia się o strukturach materialnych o wymiarach niewidocznych dla ludzkiego oka.

Nowatorskie interaktywne środowisko 3D/VR do symulacji, wizualizacji i analizy MD

Tutaj opisujemy oprzyrządowanie i metody wykrywania pojedynczych fluorescencyjnie znakowanych cząsteczek białka oddziałujących z pojedynczą cząsteczką DNA zawieszoną pomiędzy dwiema optycznie uwięzionymi mikrosferami.

Połączenie manipulacji pojedynczymi cząsteczkami i obrazowania w celu badania interakcji białko-DNA

Nanoskopia sondy koloidalnej może być używana w różnych dziedzinach, aby uzyskać wgląd w fizyczną stabilność i kinetykę krzepnięcia systemów koloidalnych oraz pomóc w odkrywaniu leków i naukach o recepturach przy użyciu systemów biologicznych. Opisana w nim metoda dostarcza ilościowych i jakościowych środków do badania takich systemów.

Ilościowe i jakościowe badanie oddziaływań cząstka-cząstka za pomocą nanoskopii sondy koloidalnej

Metoda badania struktury fotoreceptora białkowego za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) jest opisana w tym artykule. PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping (PF-QNM) ujawnia nienaruszone dimery białkowe na powierzchni miki.

Mikroskopia sił atomowych fotoreceptorów światła czerwonego przy użyciu ilościowego mapowania właściwości nanomechanicznych PeakForce

Prezentujemy protokół manipulowania pojedynczymi wirami w cienkich warstwach nadprzewodzących, wykorzystując lokalny kontakt mechaniczny. Metoda nie obejmuje zastosowania prądu, pola magnetycznego ani dodatkowych etapów wytwarzania.

Skanujące badanie SQUID manipulacji wirami przez kontakt lokalny

Połączenie syntezy wspomaganej roztworem i powierzchniowo otwiera nowe kierunki w atomowo precyzyjnej syntezie nanostruktur. Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) uzupełniona o bezkontaktową mikroskopię sił atomowych (nc-AFM) umożliwia szczegółową charakterystykę nowo zaprojektowanych i wygenerowanych nanoobiektów na bazie węgla.

Mikroskopowa wizualizacja porowatych nanografenów zsyntetyzowanych przez połączenie roztworu i chemii powierzchniowej

Ta praca przedstawia przebieg pracy dla śledzenia pozycji atomowej w obrazowaniu transmisyjnej mikroskopii elektronowej o rozdzielczości atomowej. Ten przepływ pracy jest wykonywany za pomocą aplikacji Matlab typu open source (EASY-STEM).

Pikometr-Precyzyjne śledzenie pozycji atomowej za pomocą mikroskopii elektronowej

Tutaj prezentujemy protokół do badania wewnątrzkomórkowych właściwości mechanicznych izolowanych embrionalnych komórek zebrytanicznego danio pręgowanego w trójwymiarowym zamknięciu z bezpośrednim pomiarem siły przez pułapkę optyczną.

Bezpośrednie pomiary siły mechaniki subkomórkowej w zamknięciu za pomocą pęsety optycznej

Wizualna, jednocząsteczkowa biochemia badana za pomocą komór mikroprzepływowych jest znacznie ułatwiona dzięki szklanemu cylindrowi, gazoszczelnym strzykawkom, stabilnym połączeniom rurek z komórkami przepływowymi i eliminacji pęcherzyków poprzez umieszczenie zaworów przełączających między strzykawkami a rurkami. Protokół opisuje podwójne pułapki optyczne, które umożliwiają wizualizację transakcji DNA i oddziaływań międzycząsteczkowych.

Zastosowanie podwójnej pęsety optycznej i mikrofluidyki do badań pojedynczych cząsteczek

Wielkoskalowa kontrola próbek z rozdzielczością nanoskali ma szeroki zakres zastosowań, szczególnie dla nanofabrykowanych płytek półprzewodnikowych. Mikroskopy sił atomowych mogą być doskonałym narzędziem do tego celu, ale są ograniczone przez szybkość obrazowania. W tej pracy wykorzystuje się równoległe aktywne układy wspornikowe w AFM, aby umożliwić inspekcje o wysokiej przepustowości i na dużą skalę.

Mikroskopia sił atomowych z sondą aktywną z układami wspornikowymi Quattro-Parallel do wysokowydajnej kontroli próbek na dużą skalę

Tutaj pokazujemy protokół obrazowania do obserwacji oddziaływań biomolekularnych za pomocą fototermicznego odsłuchu off-rezonansowego (PORT), gdzie zoptymalizowaliśmy parametry obrazowania, zidentyfikowaliśmy ograniczenia systemu i zbadaliśmy potencjalne ulepszenia w obrazowaniu montażu motywu DNA gwiazdy trzypunktowej.

Obrazowanie motywu trzypunktowej gwiazdy DNA za pomocą szybkiej mikroskopii sił atomowych Obrazowanie samoorganizacji motywu trójpunktowej gwiazdy za pomocą fototermicznego stukania rezonansowego

Poznaj ręczną manipulację pojedynczymi cząsteczkami organicznymi za pomocą mikroskopu z sondą skanującą i interfejsu wirtualnej rzeczywistości 3D. Ta intuicyjna metoda umożliwia badanie nanotechnologii molekularnej.

Ręcznie sterowana manipulacja pojedynczymi cząsteczkami za pomocą mikroskopu z sondą skanującą z interfejsem 3D Virtual Reality

Przeglądaj więcej filmów