В последнее время все чаще и чаще появляются исследования, в которых в качестве конструкционного материала при создании наноразмерных устройств используются природные макромолекулы (например, ДНК). Наиболее функциональный инструмент для манипуляций на таком уровне - это Сканирующая Зондовая Микроскопия (СЗМ). Приборы этого класса позволяют одновременно исследовать единичные молекулы и осуществлять манипуляции над ними. Рассмотрим три наиболее важных аспекта СЗМ, которые нужно учитывать при работе на молекулярном уровне.
Влияние остроты зонда на разрешение
|
|
|
Размер молекулы на АСМ изображении |
Мелкие особенности рельефа могут быть не обнаружены, если радиус зонда слишком велик. При использовании стандартного зонда ширина молекулы ДНК на изображении составляет 10-20 нм, тогда как реальный диаметр — около 2 нм. На скане показаны короткие фрагменты poly(dG)–poly(dC) ДНК, закрепленные на модифицированном высокоориентированном пиролитическом графите (см. далее). При использовании DLC зонда (радиус кривизны острия ~1 нм) можно увидеть расплетенные однонитевые участки (жирная стрелка) и даже спиральную структуру молекулы (тонкие стрелки). Более подробную информацию можно найти в статье Д.Клинова “High-resolution atomic force microscopy of duplex and triplex DNA molecules”. Nanotechnology (2007), V18, N22, p.225102.
Крепление ДНК: подложки и процедуры
|
|
|
Крепление на слюду с помощью неорганических катионов |
Кольцевые молекулы ДНК, закрепленные на поверхности слюды с помощью ионов Mg2+. Предварительная обработка слюды водой увеличивает поверхностную плотность отрицательных зарядов благодаря вымыванию катионов. В этом случае прикрепление ДНК более сильное и происходит быстро, поэтому на изображении молекулы выглядят компактными (А). Свежесколотая поверхность имеет более низкую поверхностную плотность зарядов, это делает возможной латеральную диффузию молекулы в процессе крепления – она «расправляется» (B).
|
Крепление на слюду с помощью органических молекул |
Крепление на высокоориентированный пиролитический графит (HOPG) |
|
Та же молекула плазмидной ДНК, закрепленная на поверхности слюды, обработанной APTES. Связывание происходит сравнительно быстро. |
Та же молекула ДНК, закрепленная на поверхности графита, обработанной органическим реактивом (CH2)n(NCRH2CO)m–NH2. Связывание происходит сравнительно медленно. |
Стабильность АСМ при прецизионных и долгосрочных исследованиях
|
Манипуляции на малых полях: низкий термодрейф |
Температурные дрейфы становятся серьезным препятствием при проведении долгосрочных экспериментов на малых полях. Обычно величина дрейфа в лучших коммерческих АСМ приборах составляет порядка 10-15 нм в час. В силу этого эффекта исследуемые образцы размером в десятки нанометров могут быть попросту потеряны в процессе наблюдения. Изображения слева иллюстрируют возможность манипуляций кремниевыми нанотрубками, схожими по своим размерам с ДНК, с помощью АСМ зонда. Пара изображений справа показывают те же объекты в долгосрочном эксперименте: смещение за 7 часов мало и наблюдаемые частицы остаются в поле зрения. Образец предоставлен Dr. H.B.Chan, кафедра физики, университет Флориды, США.
|
Манипуляции на малых полях: датчики обратной связи |
Датчики перемещения (closed-loop) особенно важны при необходимости возвращать зонд в определенное место на скане (например, при манипуляциях). Обычно из-за собственного шума датчики не используются в масштабах меньше 100 нм. NTEGRA Therma позволяет производить CL-коррекцию на сканах меньше 10 нм. Изображение показывает атомную решетку слюды, полученную с использованием датчиков обратной связи.
