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Atomic Force Microscope

Subject Area Materials Science
Term Funded in 2011
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 211045848
 
Final Report Year 2015

Final Report Abstract

Das in diesem Großgeräteantrag angeschaffte Atomkraftmikroskop mit Zubehör wird im Fachgebiet „Grenzflächen in der Bio-Nano-Werkstofftechnik – Hybrid Materials Interfaces“ des Fachbereichs Produktionstechnik an der Universität Bremen hauptsächlich in drei Themenbereichen verwendet, die hier kurz zusammengefasst werden. 1) Charakterisierung von Oberflächen und heterogenen Grenzflächen durch klassische AFM-Abbildung. In diesem Themenbereich werden durch verschiedene Abbildungsmodi sowohl Produkte der Synthese von neuen biohybriden Materialien als auch strukturierte Oberflächen funktioneller Materialien charakterisiert. Zum Beispiel wurde die optimale Konzentration von Ferritin-Proteinen für den Aufbau von homogenen und dichten Filmen aus magnetischen Eisenoxidnanopartikeln bestimmt, die Bildung von Oligopeptidaggregaten nach Adhäsion auf Festkörperoberflächen beobachtet oder es wurden die Ergebnisse der Synthese von selbstassemblierten Membranen aus Graphenoxid und Goldnanopartikeln analysiert. Es handelt sich hier um die Nutzung des AFM-Gerätes im klassischen Sinne, das heißt primär als Charakterisierungsmethode für flache Festköper/Flüssig-Grenzflächen in der Größenordnung von 10 bis 10000 nm (laterale Dimensionen) bzw. 0,1 bis 100 nm (Höhe). 2) Kraftmikroskopische Messung von Adhäsionskräften zwischen Nanopartikeln oder von Polypeptiden auf anorganischen Materialoberflächen. In diesem Forschungsbereich wird unser AFM-Gerät hauptsächlich im Kraftspektroskopie-Modus verwendet, um Adhäsionskräfte im Bereich von 10 bis 10000 pN zu messen. In einem DFG-Schwerpunktprojekt wurden so die Kräfte zwischen TiO2-Nanopartikeln in feuchter Luft gemessen und ihre Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit mit Hilfe von atomistischen Simulationen rationalisiert. Eine weitere sehr gelungene Kombination von AFM-Kraftspektroskopie und Molekulardynamik-Simulationen stellt die Untersuchung der Adhäsionskraft eines kurzen Oligopeptides an SiO2/Wasser-Grenzflächen dar. Hier wurden Kraftdatensätze in Abhängigkeit von der Belastungsrate gemessen und mit thermodynamischen Modellen gefittet, um daraus die freie Energie der Adsorption des Peptides auf SiO2 zu bestimmen. Sowohl die Kräfte als auch die freie Energie lassen sich mit theoretischen Vorhersagen quantitativ in Übereinstimmung bringen. Ähnliche Studien wurden durchgeführt, um die Adhäsion von DNA-Oligonukleotiden (sowohl Einzel- als auch Doppelsträngen) auf Graphitoberflächen zu bestimmen. Dies ist sowohl als selbstständiges Grundlagenforschungsthema, als auch hinsichtlich der Anwendung dieser Technik in der Biosensorik (nächster Themenbereich) wichtig. 3) Biosensorik unterschiedlicher Analytmoleküle mittels AFM-Kraftspektroskopie. Wir wenden in diesem Bereich die Kraftspektroskopie an, um die Anwesenheit von Polypeptiden, Nukleinsäuren, organischen 2+ Molekülen (wie z.B. Kokain und Adenosin) oder umweltschädlichen anorganischen Ionen (Hg ) zu beweisen. Zu diesem Zweck werden AFM-Spitzen mit Oligonukleotiden (Aptameren), deren Sequenzen eine starke spezifische Affinität für bestimmte Analyte aufweisen, funktionalisiert. Die gemessenen Kräfte zwischen der funktionalisierten Spitze und einem meist passiven Substrat (Graphit, Si, SiO2, Au) verändern sich dann je nachdem, ob der Analyt anwesend ist oder nicht. So sind wir in der Lage, die Anwesenheit von Molekülen im Bereich von 100 pM oder sogar weniger zu detektieren. Herausforderungen in diesem Gebiet sind die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, die Automatisierung des Prozesses sowie die Optimierung der Selektivität in komplexen Proben (z.B. in physiologischen Flüssigkeiten oder in Erdböden). Zu betonen ist der Einsatz der experimentellen AFM-Techniken in enger Verbindung mit atomistischer Simulation, was ein eindeutiges Alleinstellungsmerkmal unseres Fachgebietes ist. Die theoretische Abteilung des Fachgebietes ist dem Bremen Center for Computational Materials Science (BCCMS) angegliedert. Die experimentelle Abteilung ist im Laborgebäude des Zentrums für Umweltforschung und nachhaltige Technologien (UFT) integriert. Neben Atomkraftmikroskopie wird hier auch Zirkulardichroismus- Spektroskopie als wichtige Analysetechnik verwendet.

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