Sıvıda Çalışan Atomik Çözünürlüklü Yüzeye Değmeyen Atomik Kuvvet Mikroskobu

Abstract

Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) yöntemi yalıtkan örneklerin özelliklerini bozmadan inceleyebilmeye olanak sağlayan tek yöntemdir. Sadece iletken örnekler Taramalı Tünelleme Mikroskobu ile incelenebilir. AKM ile örnekleri sıvı ortamda incelemek mümkündür. Bu olay biyologları heyecanlandıran bir gelişmedir. AKM yöntemi biyomoleküllerin kendi doğal biyolojik sıvı ortamlarındaki aktivitelerinin yüksek çözünürlükte incelenmesine olanak sağlayan tek yöntemdir. Son gelişmelerle birlikte yüksek kuvvet hassasiyeti ile yüksek hızda ortamı 3 boyutlu olarak karakterize etmek mümkündür. Bu gelişmelerle biyolojik moleküllerin dinamik yapı değişimini ve dinamik etkileşimlerini incelemek mümkündür. Bu tezde AKM ile sıvı ortamda atomik çözünürlük elde edilmesi hedeflenmiştir. Bu çalışmada sıvı ortamda çalışan yüksek çözünürlüklü AKM geliştirilmesinden bahsedilecektir. Sıvı içerisinde gerçek atomik çözünürlük elde edilebilen ve ‘yüzeye-değmeyen’ modda çalışabilen (Frekans Modülasyonu AKM) bir Atomik Kuvvet Mikroskobu üzerinde çalışılmıştır. Sıvı içerisinde Frekans Modülasyonu AKM (FM-AKM) görüntüleme tekniği, malzemelerin atomik çözünürlükte görüntülenmesine imkân verir. Geliştirilen tasarımla birlikte kapalı sıvı hücre içerisinde görüntüleme sağlanmıştır. Bununla birlikte birçok yeni çalışma alanı ortaya çıkacağı düşünülmektedir. Biyolojik molekülleri kendi doğal sıvı ortamlarında inceleyebilmek mümkün olacaktır. Kapalı hücreye sıvı akışı sayesinde akışa göre ortamdaki değişimler gözlenebilecektir. Örneğin kapalı ortamın pH değerlerine göre proteinlerin yüzeye bağlanma morfolojileri üzerine çalışabilmek mümkün olacaktır. Sensörün kapalı ortamda titreştirilmesi ile yüzey taramanın yanında cantilevere fonksiyon kazandırılarak biyosensör olarak kullanabilmek mümkün olabilecektir. Çalışmamızda NanoManyetik Bilimsel Cihazlar tarafından üretilmiş Atomik Kuvvet Mikroskobu modifiye edilerek kullanılmıştır. Sensor tutucu akustik olarak titreştirilecek şekilde dizayn edilmiş ve akustik empedans özelliği olan malzemeler ile tasarlanarak AKM yayının sıvı ortamdaki gerçek rezonans eğrilerinin alınması sağlanmıştır. Lazer kaynağı olarak RF modüle edilerek 635 nm dalga boyunda lazer kullanılmıştır. RF modülasyonu optik geri bildirim ve girişim gürültülerinin düşürülmesinde etkilidir. Tasarladığımız mikroskop sisteminde lazer sapma gürültü yoğunluğu havada 20 fm/√Hz ve sıvıda 29 fm/√Hz kaydedilmiştir. Sıvıda frekans gürültüsü yaklaşık olarak 1Hzpp kaydedilmiştir. Geliştirilen sistemin hassasiyeti PBS sıvısı içerisinde mika yüzeyi atomik çözünürlükte görüntülenerek gösterilmektedir.

Atomic Force Microscope (AFM) method is the only way to study insulating samples without deformation. Only conducting or semiconducting surfaces can be imaged with Scanning Tunneling Microscope. It is possible to investigate the samples in liquid using AFM. It is an exciting development for biologists. The Atomic Force Microscope (AFM) has a unique capability of allowing the high-resolution imaging of biological samples on substratum surfaces in physiological solutions. Recent technological progress of AFM in biological research has resulted in remarkable improvements in both the imaging speed and the tip force acting on the sample. These improvements have enabled the direct visualization of dynamic structural changes and dynamic interactions occurring in individual biological macromolecules, which is currently not possible with other techniques. The first true atomic resolution imaging in liquid excited the biologist. In this thesis, we describe development of a high resolution liquid AFM. We developed a closed liquid cell for liquid AFM. The understanding of biological phenomena at the molecular level requires the direct imaging of individual mobile molecules in real-time as well as in real space under physiological environment. There might be many new applications with closed liquid cell. It might be possible to characterize the samples in different pH values or to use the cantilever in liquid cell as a biosensor. We modified the Atomic Force Microscope supplied by NanoMagnetics Instruments. Cantilever is excited with acoustic waves. Cantilever holder designed with materials wich has acustic properties. True cantilever resonance peaks were optained in liquid. We used RF modulated diode laser to decrease laser internal and external noise sources. We have developed a low noise cantilever deflection sensor with a deflection noise density of 20 fm/√Hz in air and 29 fm/√Hz in liquid by optimizing the parameters used in optical beam deflection (OBD) method. Approximately 1Hzpp frequency noise measured in liquid. True atomic resolution of the developed FM-AFM is demonstrated by imaging mica in PBS solution.