- Tytuł:
- Development of a hybrid Atomic Force microscope and Optical Tweezers apparatus
- Autorzy:
-
Zembrzycki, K.
Pawłowska, S.
Nakielski, P.
Pierini, F. - Powiązania:
- https://bibliotekanauki.pl/articles/31343079.pdf
- Data publikacji:
- 2016
- Wydawca:
- Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
- Tematy:
-
optical tweezers
atomic force microscopy (AFM)
AFM/OT
mikroskopia sił atomowych
szczypce optyczne - Opis:
-
The role of mechanical properties is essential to understand molecular, biological materials and nanostructures dynamics and interaction processes. Atomic force microscopy (AFM), due to its sensitivity is the most commonly used method of direct force evaluation. Yet because of its technical limitations this single probe technique is unable to detect forces with femtonewton resolution. In this paper, we present the development of a combined atomic force microscopy and optical tweezers (AFM/OT) instrument. The system is based on a commercial AFM and confocal microscope. The addition of three lasers along with beam shaping and steering optics, on which the optical tweezer is based upon, provide us with the ability to manipulate small dielectric objects suspended in a fluid. Additionally, this same device allows for direct displacement and force measurement with very high resolution and accuracy in the same AFM scanning zone. We have also fitted a laser and a set of filters to observe fluorescent samples appropriately exited. We show that this is a great improvement of a standalone AFM force resolution and more so opens a way to conduct experiments using a hybrid double probe technique with high potential in nanomechanics, molecules manipulation and biological studies. This paper describes in detail the construction of all the modules such as the trapping laser optics, detection laser optics and the fluorescence module. Also, due to its importance on the performance of the equipment, the electronics part of the detection system is described. In the following chapters the whole adjustment and calibration is explained. The performance of the apparatus is fully characterized by studying the ability to trap dielectric objects and quantifying the detectable and applicable forces. The setting and sensitivity of the particle position detector and force sensor is shown. We additionally describe and compare different optical tweezer calibration methods. In the last part we show the ability of our instrument to conduct experiments using the proposed double-probe technique, in this case to study interaction forces between two particles.
Pomiary własności mechanicznych i sił w mikro i nanoskali mają bardzo ważne znaczenie w badaniach dynamiki i oddziaływań materiałów biologicznych i nanostruktur. Mikroskopia sił atomowych (ang. AFM), z uwagi na swoją czułość, jest najczęściej używaną techniką do bezpośredniego pomiaru sił. Jednak z powodu swoich ograniczeń nie jest w stanie mierzyć sił z rozdzielczością w zakresie femtonewtonów. Takie możliwości stwarza metoda optyczna oparta na tzw. szczypcach optycznych (ang. OT). Z drugiej strony z uwagi na fizyczne ograniczenia tej metody pomiary charakteryzujące oddziaływujące powierzchnie w niewielkich odległościach, nadal wymagają stosowania mikroskopii sił atomowych. W poniższej pracy opisujemy unikalną konstrukcję hybrydową bazującą na połączeniu obu technik w jednym systemie. Skonstruowany system (AFM/OT) oparty jest na autorskiej modyfikacji komercyjnego mikroskopu AFM (firmy NT-MDT) i jest możliwy do zastosowania zasadniczo w każdym innym dostępnym na rynku mikroskopie typu AFM. Modyfikacja polega zasadniczo na budowie dodatkowego systemu optycznego formującego wiązki trzech laserów, na których bazują szczypce optyczne. Umożliwia to manipulację małymi obiektami dielektrycznymi zawieszonymi w płynie i precyzyjną detekcję ich położenia. Dzięki takiej modyfikacji stworzony system AFM/OT pozwala na bezpośrednie pomiary przemieszczenia oraz siły z bardzo dużą rozdzielczością i dokładnością w obszarze działania sondy AFM. Dodatkowo system został wyposażony w laser i elementy optyczne pozwalające na pobudzanie i detekcję fluorescencji odpowiednio przygotowanych obiektów. Wykazujemy, że ten instrument istotnie poprawia zakres i rozdzielczość sił mierzonych za pomocą standardowego mikroskopu AFM, jak również otwiera drogę do przeprowadzania eksperymentów z użyciem hybrydowej techniki dwóch sond, mającej wysoki potencjał zastosowań w nanomechanice, badaniach biologicznych i nanomanipulacji. Niniejsza praca przedstawia szczegóły konstrukcyjne zbudowanych modułów szczypiec optycznych, jak i układ elektroniczny pozwalający na precyzyjne pomiary przemieszczeń obiektów uwięzionych przez szczypce optyczne. W kolejnych partiach pracy przedstawiona jest procedura dostrajania układu optycznego i metodyka kalibracji systemu pomiaru sił i przemieszczeń. Podstawowe parametry aparatury zostają w pełni scharakteryzowane poprzez zbadanie jej zdolności do manipulacji dielektrycznymi obiektami oraz do mierzeni wywieranych na nie sił. Dodatkowo przedstawiamy opis i porównanie różnych metod kalibracji szczypiec optycznych. W ostatniej części pracy przedstawiamy na przykładzie pomiaru oddziaływań bliskiego kontaktu dwóch cząstek koloidalnych potencjał naszego instrumentu dla przeprowadzania pomiarów z jednoczesnym użyciem techniki dwóch sond (AFM/OT). - Źródło:
-
IPPT Reports on Fundamental Technological Research; 2016, 2; 1-58
2299-3657 - Pojawia się w:
- IPPT Reports on Fundamental Technological Research
- Dostawca treści:
- Biblioteka Nauki
Artykuł