El 3D Sanal Gerçeklik Arayüzü ile bir Tarama Prob Mikroskobu üzerinden Tek Moleküllerin Manipülasyon Kontrollü
2 Ekim 2016
Deneycinin eliyle 3D olarak sürülen bir tarama probu mikroskobunun ucuyla, bir hareket yakalama sistemi ve tamamen sürükleyici sanal gerçeklik gözlükleri kullanarak, metal bir yüzey üzerindeki tek tek organik moleküllerin hassas manipülasyonunu gösteriyoruz.
Taramalı prob mikroskobu ile tek tek moleküllerin elle kontrol edilen manipülasyonunun genel amacı, manipülasyon protokollerinin üç boyutta sistematik ve sezgisel olarak araştırılmasıdır. Bu yöntem, moleküler nanoteknoloji alanındaki yeteneklerimizi genişletmektedir. Örneğin, moleküller için manipülasyon protokollerini sistematik olarak rafine etmemizi ve moleküller arası yönleri incelememizi ve hatta karmaşık süper moleküler yapılar üretmemizi sağlar.
Bu tekniğin temel avantajı sezgisel doğasıdır. Deneyci, otomatik olarak yürütülen uç yörüngelerini programlama kalıbını kırar. Ve doğrudan manipülasyon sürecine katılır.
Molekül manipülasyonunu üçüncü boyuta genişletmek ve yüzeyden ayrılmak birçok yeni fırsat sunar, ancak aynı zamanda 3D görselleştirme kontrolü gereksinimi kaçınılmaz olarak ortaya çıkar. Metin protokolünde açıklandığı gibi bir hareket yakalama sistemi kullanarak, deneycinin eliyle 3D olarak sürülen düşük sıcaklık taramalı prob mikroskobunu kurun. Ayrıca, metin protokolünde açıklandığı gibi, PTCDA'yı gümüş bir tane üzerine yatırarak bir numune hazırlayın.
Taramalı tünelleme mikroskobunu veya STM'yi, PTCDA için LUMO kontrastını kolaylaştıran parametrelerle sabit akım modunda ayarlayın. Bu, moleküler yönelimin belirlenmesine izin verir. SPM yazılımında, taranacak alan, geri besleme döngüsü için ayar noktaları ve tarama hızı dahil olmak üzere tarama parametrelerini girin.
PTCDA'yı görüntülemek için SPM yazılımındaki başlat düğmesine tıklayın. Metin protokolünde açıklandığı gibi manipülasyon için uygun yüzey alanını bulduktan sonra, bir genel bakış penceresi oluşturun ve taranacak alanı ve tarama hızını ayarlayın. Küçük bir bölgenin ayrıntılı bir STM'sini kaydetmek için.
Ardından, ucun PTCDA molekülüne bağlanma yeteneğini test edin. Ardından, ucun PTCDA'nın karboksilik oksijen atomlarına doğru üç ila beş angstrom ile dikey olarak hareket ettirildiği bir akım mesafesi spektrumunu kaydetmeye hazırlanın. Z'nin bir fonksiyonu olarak I, sabit bir önyargı voltajı ayarlanarak ve ucu yüzeyden yaklaşmak ve geri çekmek için bir uç yüksekliği rampası tanımlanarak kaydedilir.
Ardından SPM yazılımındaki tek spektrum düğmesine tıklayın ve manipülasyon için seçilen PTCDA molekülünün karboksilik oksijen atomlarının üzerinde en son kaydedilen STM görüntüsünde bir konum seçin. Mevcut mesafe spektrumunun kaydedilmesi gereken yer. Ucun uygun durumda olup olmadığını kontrol etmek için, kaydedilen akım mesafesi eğrisinin, uç ile molekül arasında akımın keskin bir şekilde artması şeklinde temas oluşumu gösterdiğini doğrulayın.
Tipik olarak temas, 0,5 ila üç angstrom için yeterince güçlüdür, dikey uç geri çekilmesi yoluyla kaldırılır, ardından bağ koptuğunda akım aniden düşer. Manipülasyon için seçilen PTCDA molekülünü yeniden taradıktan sonra, X, Y ofset üst ayarını seçerek ve ardından ilgili resme tıklayarak ucu manipülasyon için seçilen karboksilik oksijen atomunun üzerine yerleştirin. Daha önce doğrulandığı gibi doğru iletişim noktasını kullanın.
Faz kilitli döngüyü etkinleştirin ve genlik kontrol modunu ayarlayın. Salınım genliğini mümkün olduğunca düşük, ancak kabul edilebilir gürültü koşulları ve algılama hızı ile delta-F algılamanın mümkün olacağı kadar yüksek ayarlayın. Geri bildirim döngüsünü açın ve SPM yazılımı parametre penceresinde entegratör değeri için sıfır girin.
Ardından, SPM yazılım parametre penceresinde bağlantı yanlılığını birkaç milivolt olarak ayarlayın. Son olarak, SPM yazılım değeri parametre penceresinde akım amplifikatörü kazancını amper başına 10 ila 7. volta bir kez ayarlayın. Başa takılan ekranı veya HMD'yi takın, ardından izlenebilir nesneyi alın.
Gerekirse, sanal gerçeklik sahnesini veya laboratuvar ortamını, klavyeyi ve bilgisayar monitörünü görüntülemek için aşağıdaki adımları gerçekleştirirken HMD'yi kullanıcının kafasına yeniden yerleştirin. Bir sonraki adım, 3B sanal sahnede temas noktasını işaretlemektir. Bu ankraj, uzaktan kontrol edilebilen çok kanallı voltaj kaynağını sıfırlamaya gerek kalmadan elle kontrol edilen manipülasyonu kullanarak daha fazla manipülasyon girişimi için kontağı kolayca bulmaya yardımcı olur.
Bunu yapmak için, X ve Y onay kutularını işaretli tutmadan yalnızca uç yazılımındaki ilgili onay kutusunu işaretleyerek z ekseni boyunca el kumandasını etkinleştirin. Sanal sahnede yeşil ve pembe renkte görüntülenen mevcut ve delta-f gerçek zamanlı sinyalleri izlerken izlenebilir nesneyi aşağı hareket ettirin. Akım ve delta-f sinyalleri aynı anda keskin bir sıçrama gösterdiğinde izlenebilir nesneyi hareket ettirmeyi durdurun.
Bir iletişim oluşumunun imzası. İlgili düğmeye tıklayarak ve izlenebilir nesneyi yukarı hareket ettirerek VR arayüzünde yörünge kaydını başlatın. Molekül ile uç arasındaki temas koptuğu anda ilgili düğmeye tıklayarak VR arayüzündeki yörünge kaydını durdurun.
İmza, akım ve delta-f sinyallerinin aynı anda keskin bir şekilde düşmesidir. El kumandasını devre dışı bırakmak için bahşiş yazılımındaki duraklat düğmesine tıklayın. Yazılımdaki X, Y ve Z onay kutularını işaretleyerek ve uç yazılımındaki başlat düğmesine tıklayarak tüm uzamsal eksenler boyunca uç hareketinin el kontrolünü etkinleştirin.
Temas eden molekülün yörüngenin sonunda yüzeyden tamamen ayrıldığı başarılı bir kaldırma yörüngesi bulmaya çalışın. Bunu yapmak için, sanal sahnede mevcut uç konumunu temsil eden kürenin hareketini takip ederken, izlenebilir nesneyi hareket ettirerek ankrajın uç molekül temasının oluşumunu sergilediği noktaya yaklaşın. Temas kurulur kurulmaz, VR arayüzünde yeni bir yörünge kaydetmeye başlayın.
İzlenebilir nesneyi buna göre hareket ettirerek molekülü kaldırmaya uygun bir yönde çekin. Uç molekül temasında bir kopma tespit edilirse, yörüngeyi kaydetmeyi durdurun. Temas noktasına dönün, temas oluşumunda yörünge kaydını başlatın ve farklı bir manipülasyon gerçekleştirin.
Kaldırma başarılı olana kadar bu sırayı tekrarlayın. Uç molekül teması Z'de hala stabil ise 10 angstromdan büyükse, bu molekülün başarılı bir şekilde kaldırılmasının imzasıdır. Molekülün uçta olduğundan emin olmak için yüzeye tekrar yaklaşın.
Uç hala yüzeyden uzaktayken yaklaşma sırasında meydana gelen düzgün bir delta-f artışı, molekülün uca bağlı olduğunu ve yüzeye dik olarak yönlendirildiğini gösterir. Başarılı bir kaldırma işleminden sonra, ucu yüzeyden 10 ila 20 angstrom daha geri çekmek için izlenebilir nesneyi yukarı hareket ettirin. Bu, kaldırılan molekülün yüzeyle herhangi bir etkileşimini azaltır.
Z onay kutusunun işaretini kaldırarak uç yüksekliğini düzeltin ve el kumandasını kullanarak ucu ilk X, Y koordinatlarına geri getirin. İlgili koordinat sıfıra yaklaştığında X veya Y onay kutusunun işaretini kaldırın. Mevcut uç konumunu düzeltmek ve el kumandasını devre dışı bırakmak için uç yazılımındaki duraklat düğmesine tıklayın.
Geri besleme döngüsünü açmadan, X Y ofset üstünü ayarla'yı seçin ve ardından ucu, molekülün çıkarıldığı adadan 50 ila 100 angstrom uzaktaki temiz gümüş olanın üzerine yerleştirmek için ilgili görüntüye tıklayın. Ardından akım amplifikatörü kazancını amper başına 10 ila 9. volta bir kez ayarlayın. İpucu yazılımındaki X ve Y onay kutularının işaretini kaldırın ve başlat düğmesine tıklayın.
İzlenebilir nesneyi, ölçülebilir bir akım görünene kadar yüzeye yaklaşacak şekilde hareket ettirin. El kumandasını devre dışı bırakmak için bahşiş yazılımındaki duraklat düğmesine tıklayın. Adım adım, SPM yazılımında fare kontrollü bir kaydırıcı kullanarak, molekülün yüzeye düştüğünü gösteren akım ve delta-f'de eşzamanlı bir sıçrama olana kadar önyargı voltajını artırın.
Alanı sabit akım modunda tarayın ve molekülün gerçekten yüzeye geri bırakılıp bırakılmadığını kontrol edin. Son olarak, yaratılan boşluğu incelemek için molekülün çıkarıldığı bölgedeki alanı tarayın. Burada, elle kontrol edilen manipülasyon ile bir moleküler katmanın nano yapılandırılması için bir örnek gösterilmektedir.
STM görüntüleri serisi, tek tek PTCDA moleküllerinin kapalı bir katmandan art arda çıkarılmasıyla 47 boşluğun sıralı olarak oluşturulmasını göstermektedir. Bu animasyon, PTCDA'nın mono katmandan başarılı bir şekilde kaldırılmasına yol açan 34 manipülasyon yörüngesini göstermektedir. İşte yörünge iyileştirmesini ve tekrarlanabilirliği gösteren 3D uç yörüngelerinin bir animasyonu, elle kontrol edilen manipülasyon olacaktır.
Gri eğri, önceki animasyonda gösterilen yörüngelerin ortalamasının alınmasından elde edilen bir ilk referansı temsil eder. Renkli eğriler, hepsi başarısız olan referans yörüngesini takip eden yedi manipülasyon girişimi ve yeni bulunan bükülmüş bir yörünge boyunca yedi başarılı denemedir. Elle kontrol edilen manipülasyon yöntemimiz, yeni manipülasyon görevlerine veya yeni moleküllere kolayca uygulanabilir.
Maliyetli simülasyonları dahil etmeye gerek kalmadan. Bir kez ustalaştıktan sonra, elle kontrol edilen manipülasyon, başka türlü erişilemeyen konfigürasyonlarda tek molekülleri incelemek için kullanılabilir. Bu tür deneylerin yapılması, bu tür metal molekülü metal bağlantılarında meydana gelen temel süreçler hakkındaki anlayışımızı önemli ölçüde genişletebilir.
El kontrollü manipülasyon yaparken, deneyci öğrenme sürecine tabi tutulur. Daha sonra bu öğrenmeyi resmileştirmeyi ve sonunda bir bilgisayara devretmeyi planlıyoruz.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, bir metal yüzey üzerinde bireysel organik moleküllerin elle kontrollü manipülasyonunu taramalı prob mikroskobu kullanarak gösterir. Bir hareket yakalama sistemi ve sürükleyici sanal gerçeklik gözlükleri kullanarak, araştırmacılar manipülasyon protokollerini üç boyutta sezgisel olarak keşfedebilir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Moleküler Nanoteknoloji
- Taramalı Prob Mikroskobu
- Sanal Gerçeklik Uygulamaları
Arka Plan
- Geleneksel yöntemler, önceden programlanmış uç yörüngelerini içerir.
- Manipulasyon sürecinde doğrudan katılım, keşfi artırır.
- 3B manipülasyon, protokollerin sistematik olarak rafine edilmesini sağlar.
- Moleküller arası yönlerin ve süper moleküler yapıların incelenmesi kolaylaştırılır.
Çalışmanın Amacı
- Moleküler manipülasyonun sezgisel keşfini sağlamak.
- Bireysel moleküller için manipülasyon protokollerini rafine etmek.
- Karmaşık süper moleküler yapıları üretmek.
Kullanılan Yöntemler
- Moleküler manipülasyon için taramalı prob mikroskobu.
- El hareketlerini izlemek için hareket yakalama sistemi.
- Gelişmiş etkileşim için sürükleyici sanal gerçeklik gözlükleri.
- 3B'de manipülasyon protokollerinin sistematik keşfi.
Ana Sonuçlar
- Bireysel organik moleküllerin başarılı bir şekilde manipülasyonu.
- Moleküler etkileşimlerin daha iyi anlaşılması.
- Manipulasyon süreci üzerinde sezgisel kontrol.
- Karmaşık moleküler yapıların üretimi için potansiyel.
Sonuçlar
- Teknik, moleküler manipülasyona yeni bir yaklaşım sunar.
- Geleneksel programlama kısıtlamalarından kurtulur.
- Bu yöntem, moleküler nanoteknolojiyi önemli ölçüde ilerletebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Hand-controlled molecular manipulation via scanning probe microscopy enables intuitive, three-dimensional exploration of nanoscale interactions, supporting early-stage target validation and mechanistic de-risking in molecular nanotechnology. This approach reduces reliance on pre-programmed trajectories, allowing direct experimental engagement that accelerates hypothesis testing and pathway clarification for single-molecule systems. The method enhances predictive confidence in molecular behavior, informing go/no-go decisions in discovery pipelines focused on novel functional materials or biomolecular assemblies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by visualizing single-molecule binding and rupture events in real time.
- Operational Value: Supports functional target validation through direct measurement of tip-molecule interaction forces and bond stability.
- Predictive Value: Enhances confidence in molecular interaction models by capturing reproducible 3D manipulation trajectories under controlled conditions.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated molecular systems for downstream screening by enabling precise, repeatable positioning of single molecules.
- Quantitative Output: Generates measurable current and delta-f signals that serve as quantitative readouts for molecular interaction strength.
- Reproducibility: Facilitates standardization of manipulation protocols across users through motion-capture-guided trajectory recording and playback.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical work by enabling study of molecule-surface interactions relevant to drug delivery or biosensor interfaces.
- Mechanistic De-risking: Reduces ambiguity in nanoscale binding mechanisms by allowing direct observation of molecular orientation and detachment pathways.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs early go/no-go decisions by quantifying the force required to rupture specific molecular bonds under defined environmental conditions.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven manipulation of single molecules, supporting lead identification through systematic exploration of binding geometries and interaction strengths.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by allowing experimenters to test how molecular orientation affects binding stability and manipulation outcomes.
- Screening: Enhances assay readiness by generating reproducible 3D trajectories that can be used to standardize single-molecule interaction measurements.
- Analytics: Provides quantitative delta-f and current readouts that help compare molecular interaction conditions across experimental replicates.
- Translational Research: Connects to preclinical relevance by enabling study of molecule-metal junction behavior analogous to biosensor or implant interfaces.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for probing molecular interactions across diverse target classes without requiring new synthesis or labeling.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in molecular interaction models through direct, real-time observation of bond formation and rupture.
- Operational Value: Improves standardization and reproducibility via motion-capture-guided hand control and virtual reality feedback.
- Strategic Value: Enhances capital efficiency by reducing late-stage failure risk through early mechanistic de-risking of nanoscale interactions.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of molecular candidates based on quantifiable binding stability and manipulation reproducibility.
Implementation Considerations
- Requires expertise in scanning probe microscopy, vacuum systems, and cryogenic sample handling.
- Dependent on low-temperature STM/AFM instrumentation with piezoelectric scanning and feedback loop control.
- Necessitates motion capture systems and immersive VR hardware for real-time 3D visualization and hand tracking.
- Involves adaptation across molecule types, necessitating re-optimization of binding conditions and tip functionalization.
- Limited by the need for ultra-high vacuum and cryogenic temperatures, restricting compatibility with native biological environments.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:05
Prepare Scanning Probe Microscope (SPM) for the Manipulation of Single PTCDA Molecules
3:20
Preparation for Hand Controlled Manipulation
4:18
Use HCM for Controlled Manipulation of PTCDA
7:17
Deposit the Lifted Molecule to a Clean Ag(111) Surface Area
9:03
Results: Systematic and Intuitive Exploration of a 3D Virtual Reality Interface
10:00
Conclusion
