Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

51
POSDRU/159/1.5/S/138963 Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM Activitatea A4. Metode avansate de caracterizare a materialelor. Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica (AFM) Notiuni teoretice Conf.dr.ing. Cătălin ZAHARIA, UPB, Departament Bioresurse si Stiinta Polimerilor UPB, Local Polizu, Corp A, Sala A III.2 04 august 2015

Transcript of Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

Page 1: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Activitatea A4. Metode avansate de caracterizare a

materialelor. Investigatii morfo-structurale prin Microscopie

de Forta Atomica (AFM) – Notiuni teoretice

Conf.dr.ing. Cătălin ZAHARIA, UPB, Departament Bioresurse si Stiinta Polimerilor

UPB, Local Polizu, Corp A, Sala A III.2

04 august 2015

Page 2: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

TIPURI DE MICROSCOAPE

Instrument pentru obtinerea unor imagini marite cu o mare rezolutie a detaliilor

Microscoapele optice si electronice sunt cele mai utilizate

Microscoape: acustice utilizeaza ultrasunete de inalta frecventa

Microscoapele cu efect tunel

Microscoapele de forta, care formeaza imagini dupa felul probei de a resimti

bombardamentele cu particule. Acestea pot mari de milioane de ori, pentru a reda un

singur atom.

Page 3: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

NOTIUNI DE MICROSCOPIE

Folosirea lentilelor este mentionata inca din perioada Egiptului antic (secolul 6 inainte de

Hristos).

Au fost descoperite lentile intr-o pestera sacra din Creta in secolul 5 inainte de Hristos.

Totusi, aparitia unor lentile care sa corectezele deficientele de citit ale ochiului au aparut

mult mai tarziu (anul 800 dupa Hristos) – pietre de citit folosite de calugari presbiopici

(sfere de sticla).

Folosirea lentilelor s-a accentuat dupa aparitia ochelarilor (Salvino D’Armate din Florenta,

Italia, 1258-1312) undeva in secolul al XIII-lea.

Luand in calcul aparita si utilizarea din ce in ce mai mult a lentilelor si ochelarilor, pasul

pana la descoperirea microscopului era doar o notiune de timp.

Page 4: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Microscopia optica – a aparut putin dupa anul 1500

Sacharias Janssen (1580–1638) impreuna cu tatal sau Hans Janssen incep sa desfasoare

experimente cu diferite lentile introduse in tuburi (tuburile sunt considerate stramosii

microscopului compus de transmisie si telescopului).

Primul microscop compus inventat de Sacharias Janssen avea o putere de marire de 3-9 ori.

Galilelo Galilei utilizeaza telescopul ca un microscop pentru a mari componente ale insectelor

(1610). In 1624 Galilei a realizat un microscop cu ajutorul caruia ulterior s-au scris lucrari

despre anatomia insectelor.

Giovanni Faber a definit termenul de microscop: micron-mic si skopein-a vedea, a privi

(termenul provine din limba greaca).

Robert Hooke realizeaza primul microscop compus de interes practic in anul 1675, devenind

pionierul observatiilor microscopice de precizie. El a observat pori in materialul de tip pluta.

Page 5: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Ernst Abbe (1840–1905) – un alt pionier in domeniul lentilelor - propune o formula

matematica denumită Conditia de sinus a lui Abbe”, cu ajutorul careia se putea obtine, in

cifre, rezolutia maxima posibila a microscopului optic.

Richard Zsigmondy (1865–1929, Premiul Nobel in Chimie in anul 1925) inventeaza

ultramicroscopul, instrument cu ajutorul caruia se pot studia obiecte foarte mici – studiul

miscarii Browniene.

Frits Zernike (1888–1966, Premiul Nobel in Fizica in 1953) inventeaza microscopul cu

contrast de faza (1932) – in acest mod de puteau studia materiale biologice incolore sau

transparente.

Un alt tip de microscopie optica este cea de baleiaj cu fascicul laser. Aceasta microscopie are

2 directii principale: microscopia confocală si microscopia in camp apropiat.

Principiul microscopiei confocale a fost patentat de Marvin Minsky in 1957.

Comparativ cu microscopia clasica, microscopia confocala permite controlarea adancimii campului,

elimina sau reduce informaţia de fundal a planului focal (se obtine o claritate mai buna a imaginii), si are

capacitatea de a colecta sectiuni optice seriale din grosimea materialelor analizate.

Page 6: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Page 7: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Page 8: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Page 9: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

MISCROCOPIA ELECTRONICA

Aparitia microscopului electronic este legata de fizicianul Louis de Broglie (1924). Datorita lungimii de

unda mai mici a electronilor, microscopul electronic furnizeaza o rezolutie mult mai buna decat cele

optice.

1931 – Ernst Ruska (1906-1988) construieste prima lentila electronica, iar prin folosirea in serie a mai

multor asemenea lentile, Ernst Ruska si Max Knoll (1897–1969) construiesc in 1933 primul microscop

electronic.

1938 - Manfred von Ardenne (1907–1997) construieste microscopul electronic de transmisie cu baleiaj

sau Scanning TEM (STEM) si ulterior un microscop electronic universal (M von Ardenne and D.

Beischer, 1940).

1981 - Gerd Binnig (1947-, Premiul Nobel in Fizica in 1986) si Heinrich Rohrer (1933-, Premiul Nobel in

Fizica in 1986) inventeaza la IBM Zurich Research Laboratory microscopul electronic de baleiaj cu efect

tunel (STM). STM permite furnizarea unor imagini tridimensionale ale suprafetelor pana la nivel atomic.

Bining a observat pentru prima data un virus iesind dintr-o celula vie.

Page 10: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Microscop electronic prin transmisie

TEM

http://www.nano.pitt.edu/node/237

Microscop electronic de baleiaj SEM

http://www.cas.miamioh.edu/~rakovajf/facilities.

html

Page 11: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Microscop cu forta atomica AFM

https://www.kfu.edu.sa/en/Colleges/Science/Dep

artments/Dep_1/Pages/section_6.aspx

Page 12: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Microscopul cu forta atomica (AFM)

1986 - Gerd Binnig alaturi de Christoph Gerber de la IBM Zurich si Calvin Quate de la

Universitatea Stanford California produc prototipul unui nou tip de scanner, microscopul cu forta

atomica (AFM).

AFM permite vizualizarea imaginilor cu un contrast topografic foarte bun si masurarea precisa a

suprafetelor. Imaginile tridimensionale in AFM sunt obtinute fara o preparare costisitoare a

probelor ce urmeaza a fi studiate si ofera informatii mult mai complete decat cele bidimensionale

obtinute din probele taiate transversal.

1988 - Alfred Cerezo, Terence Godfrey si George Smith aplica un senzor de detectie a pozitiei la un

microscop cu forta atomica, facand astfel posibila vizualizarea 3D la nivel atomic.

Page 13: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.1. Monitorizarea fortelor

si interactiunea varf-proba

Masoara fortele dintre un varf

ascutit si suprafata probei la

distante foarte mici

Tehnica AFM:

Moderna

Precisa

Simpla

Eficienta

Spectaculoasa

Rezolutie spatiala pana la nivel de atom

Investigarea morfologiei suprafetelor

Proprietati locale:

magnetice

electrice

termice

mecanice

https://prezi.com/fjfzcax60pgi/atomic-force-microscopy/

Page 14: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Rezolutia atomica in cazul AFM este obtinuta prin monitorizarea unor forte mici aplicate pe

suprafata cu ajutorul unui varf subtire montat pe un cantilever flexibil care actioneaza ca un

arc.

AFM a fost aplicat pe probe biologice in mediu apos (varf flexibil) la scurt timp dupa

introducerea sa ca si tehnica multifunctionala si a gasit numeroase aplicatii precum structura

si functia biomoleculelor.

AFM

Reda morfologia suprafetei probelor

Ofera informatii despre forta de frecare, aderenta

Masoara proprietatile elastice (rigiditatea) ale probei

Masoara proprietatilor electrice si magnetice

Poate sa opereze in diferite medii precum aerul, vid ultra inalt sau lichide

Page 15: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

COMPONENTE DE BAZA

varf

cantilever

Cantilever flexibil care contine un varf ascutit

Detector fotodioda

Laser

Scanner piezoelectric

Sistem de feedback

Fig.2. Sonda AFM Fig.3. Componente AFM

http://www.lookfordiagnosis.com/mesh_info.php?term=Mi

croscopy%2C+Atomic+Force&lang=1

Page 16: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Cand primul microscop a fost inventat (Binning, Quate si Gerber, 1986) un mic diamant lipit la unul din

capetele unei foite de aur, atingea usor suprafata şi se curba ca raspuns la micile variaţii ale fortei.

Astazi, exista o gama larga de materiale din care sunt facute cantileverele, cele mai des folosite sunt cele

din siliciu si nitrura de siliciu.

Alta componentă importanta a microscopului este scanerul piezoelectric. Functia lui este aceea de a

misca varful sau proba in directiile x, y, z cu o rezolutie atomica.

Sonda microscopului cu forta atomica este alcatuita dintr-o lamela sub forma de cruce, alungita si

elastica, numita cantilever, cu dimensiuni de ordinul zecilor de microni, in capatul careia este plasat un

ac ascutit, perpendicular pe cantilever.

Cantileverul este miscat in plan xy si vertical de un sistem de pozitionare piezoelectric, cu precizia in jur

de 5 nm orizontal si pana la 10 pm vertical. In timp ce acul baleiaza suprafata, miscandu-se in sus si in

jos odata cu conturul acesteia, o raza laser cade oblic pe partea superioara (puternic reflectatoare) a

cantileverului si se reflecta catre un senzor alcatuit din doua fotodiode alaturate. Diferenta dintre

semnalele celor doua diode indica pozitia spotului laser pe senzor si deci pozitia pe verticala a

cantileverului. Deoarece distanta intre cantilever si detector este de obicei de mii de ori mai mare decit

lungimea cantileverului, sistemul realizeaza o marire a deplasarii cu un factor de peste 2000, usor de

masurat.

Page 17: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

AFM ofera un profil 3D a suprafetelor la scara nanometrica prin masurarea fortelor dintre un

varf ascutit (<10 nm) si suprafata probei la distante foarte mici (0.2-10 nm).

Varful este plasat la capatul cantileverului sub forma unui arc. Fortele dintre sonda si proba

sunt dependente de rigiditatea cantileverului si de distanta dintre sonda si suprafata. Fortele

pot fi descrise de legea lui Hook:

F=-kx

k-constanta arcului

x-deviatia cantileverului

Daca constanta arcului cantileverului (0.1-1 N/m) este mai mica decat suprafata, miscarile si

deviatia cantileverului sunt monitorizate iar fortele care rezulta variaza intre nN si µN in aer.

Sondele sunt facute in mod normal din Si3N4 sau Si.

Miscarea sondei pe suprafata este controlata cu ajutorul scanerulul piezoelectronic, deviatia

sondei este masurata de un fascicule laser care se reflecta. Deviatia cantileverului este folosita

pentru a genera o harta cu topografia suprafetei.

Page 18: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Principalele forte de interactiune la distante mici sonda-proba sunt interactiunile Van der

Waals.

In timpul contactului cu proba, sonda resimte fortele de respingere Van der Waals (modul

contact) ducand la deviatia varfului.

In timp ce varful se departeaza de suprafata apar forte de atractie Van der Waals.

http://www.nanosensors.com/PointProbe-Plus-Non-

Contact-Tapping-Mode-High-Resonance-Frequency-

afm-tip-PPP-NCH

Page 19: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

http://www-old.mpi-

halle.mpg.de/department2/index.php?id=682&type=98&no_cache=1

Page 20: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Varf normal Supervarf (super tip) Ultralever

Varf acoperit cu diamant – suprafete

foarte dure (constanta k a

cantileverului mai mare de 200 N/m

Varf foarte ascutit (suprafete

plane cu imagini la nivel atomic)

Varf acoperit cu aur

(imagini foarte clare)

Page 21: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Moduri de operare

1. Mod contact (<0.5 nm sonda-proba)

Cand constanta arcului cantileverului este mai mica decat suprafata , cantileverul se indoaie

deoarece fortele (de pe supafata) sunt repulsive. Prin mentinerea constanta a deviatiei

cantileverului, fortele dintre proba si sonda raman constante.

Avantaje: Scanare rapida, folosit pentru probele dure.

Dezavantaje: fortele pot deteriora sau deforma proba dar proba poate sa stea in lichid si

impedimentul este rezolvat.

Fig. 4. Mod contact - Interactiunea dintre atomii individuali ai

varfului cantileverului (tip) si cei ai suprafetei, unde apar forte

repulsive

Page 22: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

2. Modul non-contact

Varful este oscilat la frecventa de rezonanta si amplitudinea

oscilatiei este mentinuta constanta.

In modul non-contact fortele ce apar sunt de atractie,

distanta intre varf si proba fiind ceva mai mare comparativ

cu modul contact.

Fig. 5. Mod non-contact - Interactiunea dintre atomii

individuali ai varfului cantileverului (tip) si cei ai suprafetei,

unde apar forte de atractie

Page 23: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

3. Mod intermitent (0.5-2 nm)

Modul de analiza este similar cu cel de la modul contact, totusi in acest mod cantileverul oscileaza

la o frecventa de rezonanta. Sonda atinge usor suprafata probei in timpul scanarii.

Prin mentinerea unei amplitudini constante de oscilatie sunt mentinute interactiunile varf-proba.

Avantaje: Permite rezolutii ridicate ale probelor care pot fi usor deteriorate in modul contact.

Folosita pentru probele biologice.

Dezavantaje: Mai greu de realizat pentru probele in lichid, viteza de scanare mai mica.

Fig.6. Deviatia cantileverului

Page 24: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.7. Comparatie intre modul contact si non-contact in tehnica AFM

http://www.parkafm.com/index.php/park-spm-modes/91-standard-imaging-mode/217-

true-non-contact-mode

Page 25: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.8. Imagini AFM cu modul contact in stanga si non-contact in dreapta

Page 26: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Page 27: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

INFORMATII OBTINUTE PRIN TEHNICA AFM

1. Masurarea rigiditatii probei. Proprietatile elastice ale probei

Fig.9. Imagini AFM mod contact pentru cauciuc cu continut de negru de fum (anvelopa)

Stanga – topografie 2D; dreapta – imagine distributie de faza (FMM- force modulation

microscopy)

Diferentierea zonelor mai rigide de cele

mai elastice

Page 28: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

2. Evaluarea rugozitatii probei analizate

AFM este esential pentru masurarea rugozitatii la scara nanometrica.

Masurarea rugozitatii oricarui tip de suprafata depeide de rezolutia spatiala si verticala a aparatului

deoarece suprafata reala prezinta rugozitati nano- si micrometrice.

Chiar si o suprafata de dimensiuni atomice are o rugozitate cuntificabila cu ajutorul unui

instrument cu rezolutie subangstron precum Cyber AFM important in industria semiconductorilor.

Factori care afecteaza rezolutia masuratorii:

1. Zgomotul dat de instrument limiteaza rezolutia verticala (vibratiile macanice si fluctuatiile

din semnalele electrice). O metoda comuna de cuantificare a zgomotului aparatului este masurarea

variatiei semnalului AFM in absenta unui semnal real, se seteaza distanta de scanare la zero si se

raporteaza rugozitatea aparenta.

2. Raza si uzura varfului afecteaza precizia masuratorii.

Page 29: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.10. Imagini AFM pentru o membrana pe baza de acetat de celuloza

Stanga – analiza topografica 3D

Dreapta – Curbe inaltime-distanta

Page 30: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.11. Imagini AFM-3D topografie -

Fibre de celuloza bacteriana cu (jos) si

fara nanoparticule magnetice (sus)

Page 31: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

3. Masurarea proprietatilor electrice si conductivitatii – distributia de sarcini electrice

de pe suprafata probei

Fig.12. Schema de functionare a unui varf conductiv

(incarcat negativ sau pozitiv)

Page 32: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Aplicatiile tehnicii AFM

Domeniul biologiei

Mod de operare in lichide - Microscopul de forta atomica poate sa opereze in diferite medii

precum aerul, vid ultra inalt sau lichide.

Tehnica este viabila pentru studierea moleculelor biologice individuale.

Pentru studierea probelor biologice precum celulele, membranele, proteinele, virusii etc. este

oportun sa se lucreze intr-un mediu lichid pentru pastrarea functionalitatii biomoleculelor.

Obtinerera unor imagini ale probelor in mediul lor de viata este mai complicate deoarece fortele

care intervin in masuratorile AFM sunt afectate de forta de atractie hidrodinamica care rezulta din

frecarea cantileverului cu lichidul inconjurator. Acest fenomen apare mai ales cand viteza sondei

este sub cativa µm/s. Forta de atractie este dependenta de anumiti factori precum rigiditatea,

dimensiunile si viteza cantileverului, viscozitatea fluidului si suprafata de separatie varf-proba.

Page 33: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Folosirea tehnicii AFM in cerceterea biologica (celule, membrane, proteine, virusi, bacterii

et.) permite examinarea morfologiei si proprietatilor mecanice a probelor biologice in mediul

lor natural, deoarece mediul lichid permite probelor sa ramana vii in timpul scanarii.

Un alt avantaj al realizarii scanarii in mediu este eliminarea fortelor capilare, reducerea

fortelor Van Der Waals de 10 ori si reducerea contaminarii probei.

Deoarece probele biologice ce contin molecule de obicei se lipesc de varful cantileverului

cauzand o imagine de slaba rezolutie in lichide calitatea imaginii este foarte mult

imbunatatita.

Obtinerea unor imagini a probelor biologice in lichide depinde de tipul de proba (proteine,

virusi, molecule de ADN, membrane, bacterii etc).

Page 34: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.13. Imagine in lichid.

Bacteria Shewanella

Fig.14. Imagine AFM

BacteriofagFig.15. Imagine AFM E.

coli

Fig. 16. Imagine SEM pentru bacteria Shewanella

http://www.sysbio.org/capabilities/cellimaging/electron.stm

Page 35: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig. 17. Imagine SEM pentru E. coli inoculata in mar

Golden

http://www.ift.org/knowledge-center/read-ift-publications/science-

reports/scientific-status-summaries/quorum-sensing-in-

biofilms.aspx

Fig. 18. Imagine AFM in mod intermitent pentru E.

coli si B. atropheus

http://www.biotechniques.com/BiotechniquesJournal/2009/March/

Chemical-tethering-of-motile-bacteria-to-silicon-

surfaces/biotechniques-118661.html?pageNum=4

Page 36: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig. 18. Imagine AFM – topografie 3D

pentru cromozomi umani limfocitari

(10x10 microni)

http://usa.jpk.com/human-lymphocyte-

chromosomes.314.us.html

Fig. 19. Imagine AFM – topografie 3D pentru cromozomi

umani (4.6 µm x 10 µm)

http://www.bioforce.uni-tuebingen.de/en/research.php

Page 37: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig. 20. ImagineAFM pentru un fragment

de ADN (plasmid DNA)

http://www.unmc.edu/pharmacy/research/nan

oimaging/nanoscale-imaging.html

Fig. 21. ImagineAFM pentru o proteina-

structuri fibrilare (Aβ42)

http://lpmv.epfl.ch/page-87040-en.html

Page 38: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.22. Imagini AFM pentru matase din vierme Bombyx mori si aceeasi matase modificata cu nanoparticule

magnetice (in mod contact: deflection, topography si 3D topography)

SF SFSF

SF/magnetita SF/magnetitaSF/magnetita

Page 39: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.23. Imagini AFM pentru os fracturat in care se vad si cimentul cu care a fost fixat

http://hansmalab.physics.ucsb.edu/afmapp.html

Page 40: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.24. Imagini AFM mod contact celule

osteosarcom depuse pe suprafete de plastic

Tesut dermic

Page 41: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.25. Imagini AFM (topografie si contrast de faza) pentru creier de sobolan

http://www.surfacesciencewestern.com/highlight-afm-reveals-subcellular-features-for-autism-research/

Page 42: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

BC BC

BC/magnetita5% BC/magnetita 5%

Fig.26. Imagini AFM pentru celuloza bacteriana si compozite celuloza bacteriana cu particule magnetice: mod

contact - deflection, topography si 3D topography

Page 43: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

MNP

MNP

Fig. 27. Imagini SEM pentru particule magnetita, fibre de

celuloza si compozite celuloza magnetita

Fig. 28. Imagini TEM pentru compozite

celuloza/particule magnetice

Page 44: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Fig.29. Imagini AFM pe cutii de Al

acoperite in interior cu strat polimeric

Imagini deflectie in stanga si distributie de

faza in dreapta Fig.30. Imagini AFM probe otel carbon

dupa expunere la abur uscat. In imaginea

din dreapta se pot vedea mici

aglomerari/plachete care sunt urme de

coroziune

http://www.asmicro.com/Applications/Metals.htm

Domeniul metalelor

Page 45: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Nanofire de GaN crescute prin tehnici speciale pentru a putea fi folosite ca varf

de cantilever in tehnica AFM.

http://www.nist.gov/pml/div686/manufacturing/gan-nanowires-as-afm-tips.cfm

Page 46: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Circuite electronice

Dispozitive electronice cu continut de grafene

http://materials386.rssing.com/chan-5960918/all_p11.html

Grafene crescute pe Ru, 150 nmx150 nm, 30 nmx30 nm

http://www.specs.de/cms/front_content.php?idart=552

Page 47: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Companii care produc aparate de tip AFM

Agilent Technologies

Anasys Instruments

Asylum Research

Angstrom Advanced

Bruker

JPK Instruments

NanoScience Technologies

Novascan

Park Systems

La ora actuala exista in literatura peste 20 000 lucrari cu

subiect investigatii AFM si peste 500 brevete publicate.

Page 48: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Page 49: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

CONCLUZII

Fata de alte sisteme de microscopie, microscopul cu forta atomica prezinta urmatoarele avantaje

esentiale :

Microscopul cu forta atomica face posibila vizualizarea imaginilor cu un contrast topografic

extraordinar, pot fi facute masuratori precise de nivel pe suprafata probelor investigate (nu este necesara

tratarea probelor).

Imaginile tridimensionale sunt obtinute fara o preparare costisitoare a probelor cu urmeaza a fi studiate

si ofera informatii mult mai complete, comparativ cu profilele bidiminesionale obtinute din probele

taiate transversal.

Microscopul cu forta atomica permite masurarea precisa a pragurilor de inaltime de pe suprafata unei

probe.

Spre deosebire de tehnicile SEM de exemplu, AFM nu necesita neparata conditii de vid inalt, probele

putand fi analizate in aer sau intr-un mediu lichid.

Un dezavantaj al acestei tehnici poate consta in dimensiunea zonei scanate (suprafata scanata maxim

150 microni x150 microni) si in viteza relativ mica de scanare ceea ce poate duce la “alunecarea”

probei din cauza efectului termic (thermal drift).

Page 50: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Referinte bibliografice:

1. Allison M. Whited, Paul S. Park, Atomic force microscopy: A multifaceted tools to study

membrane proteins and their interactions with ligands, Biochimica et Biophysica Acta, 1838, 2014, 56-

68.

2. Robert A. Wilson and Heather A. Bullen, Basic Theory Atomic Force Microscopy (AFM),

Department of Chemistry, Northern Kentucky University, Highland Heights, KY 41099.

3. Frédéric Eghiaian, Felix Rico, Adai Colom, Ignacio Casuso, Simon Scheuring, High-speed

atomic force microscopy: Imaging and force spectroscopy, FEBS Letters, 2014.

4. M. Habibnejad Korayem, H. Jiryaei Sharahi, A. Habibnejad Korayem, Comparison of frequency

response of atomic force microscopy cantilevers under tip-sample interaction in air and liquids, Scientia

Iranica B (2012) 19 (1), 106–112

5. M.H. Korayem, M. Damircheli, The effect of fluid properties and geometrical parameters of

cantileveron the frequency response of atomic force microscopy, Precision Engineering, 38, (2014),

pp.321–329

Page 51: Investigatii morfo-structurale prin Microscopie de Forta Atomica

POSDRU/159/1.5/S/138963

Performanţă sustenabilă în cercetarea doctorală şi post doctorală - PERFORM

Referinte bibliografice:

6. Bozgan M. Istoria Ochelarilor, in Revista. Istorie și Civilizaţie, Nr. 2, Noiembrie 2009, p. 62,.

http://www. isciv.ro/revista/arhiva/67–istoria-ochelarilor.html.

7. Binnig G. Nobel Lecture”. Nobelprize.org. 17 Jun 2010 http://nobelprize.org/nobel_prizes/

physics/laureates/1986/binnig-lecture.html.

8. Rohrer H. (1986) Nobel Lecture. Nobelprize.org. 17 Jun 2010 http:// nobelprize.org / nobel_prizes /

physics/laureates / 1986/ rohrer- lecture. html.

9. Henderson RM, High resolution imaging of biological macromolecules using the atomic force

microscope, Exp Nephrol, 5 (1997), pp. 453-456

10. Jing Li, Luiz Ecco, Michele Fedel, Valentina Ermini, Gregory Delmas, Jinshan Pan, In-situ AFM

and EIS study of a solventborne alkyd coating with nanoclay for corrosion protection of carbon

steel, Progress in Organic Coatings, Volume 87, October 2015, Pages 179-188

11. Kozaburo Hayashi, Mayumi Iwata, Stiffness of cancer cells measured with an AFM indentation

method, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, Volume 49, September 2015,

Pages 105-111