Rasterkraftmikroskopie an biologischen Probensystemen, Übergangsmetall-Dichalkogeniden und im Lichtfeld

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-456639
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.45663

Pürckhauer, Korbinian

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Date of publication of this fulltext: 11 May 2021 11:49

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	11 May 2021
Referee:	Prof. Dr. Franz J. Gießibl
Date of exam:	15 April 2021
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Giessibl > Group Franz J. Giessibl
Keywords:	AFM, Rasterkraftmikroskopie, qPlus Sensor, atomare Auflösung, molekulare Auflösung, DNA, Lipide, Doppellipidschicht, biological samples, atomic resolution, FM-AFM, Muskovit, Mica, TMDC, Umbebungsbedingungen, ambient, Reaktivität, Lichtfeld
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences 500 Science > 570 Life sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	45663

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Abstract (German)

Abstract (German)

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein bekanntes Werkzeug, mit dem Proben auf atomaren Skalen untersucht werden können. Ein Ziel dieser Arbeit war es, biologische Proben in physiologischen Umgebungen und mit einer hohen Ortsauflösung abzubilden. Hierzu wurde die Frequenzmodulations-Rasterkraftmikroskopie (FM-AFM) unter Verwendung von steifen qPlus Sensoren und kleinen Schwingungsamplituden angewandt. Um mit dem damit ermöglichten Nicht-Kontakt-Modus biologische Proben zu untersuchen, muss zunächst eine Biokompatibilität der Messumgebung gewährleistet sein. Aus diesem Grund wurde eine Flüssigkeitszelle entwickelt, damit die Proben in wässrigen Umgebungen untersucht werden können. Das Potential des Mikroskops wurde anhand der Abbildung der atomaren Struktur von Muskovit in verschiedenen biologisch-relevanten Flüssigkeiten gezeigt: Wasser, Zellkulturmedium und Pufferlösung. Ferner wurden zum ersten Mal hochaufgelöste Messungen von biologische Proben unter Verwendung eines qPlus Sensors demonstriert. So konnte neben der erfolgreichen Abbildung von DNA und DNA Origami die molekulare Struktur der Lipide innerhalb einer Doppellipidschicht aufgelöst werden.

Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Reaktivität von Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) gegenüber Luftmolekülen untersucht. Die Messungen in dieser Arbeit offenbarten, dass die Oberflächen der Selenide MoSe₂ und WSe₂ an Luft mit Adsorbaten bedeckt sind. Im Gegensatz dazu wiesen die Messungen auf den Oberflächen der Sulfide MoS₂ und WS₂ keinerlei Bedeckung mit Adsorbaten auf. Ferner konnte aus der Spaltung einer Probe in einer reinen Ultrahochvakuum-Umgebung, welche eine saubere Oberfläche zur Folge hatte, gefolgert werden, dass die Adsorbate aus der Luft kommen. Überdies wurde bei allen Proben die atomare Struktur bei den AFM-Messungen an Luft aufgelöst.

Zudem wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiges kombiniertes Rastertunnel/Rasterkraftmikroskop (STM/AFM) für die Verwendung an Luft entwickelt. Die bisher an Luft verwendeten Rasterkraftmikroskope basierten auf Mikroskopköpfen, welche für die Verwendung in Ultrahochvakuum-Kammern optimiert waren. Der neue Aufbau unterscheidet sich von den alten Mikroskopen durch einen verbesserten optischen Zugang zu Spitze und Probe, was die Kombination des AFMs mit fokussierender Optik ermöglicht. So kann beispielsweise ein optisches Mikroskop mit hoher numerischer Apertur verwendet werden, um die AFM-Spitze auf kleinen Proben zu positionieren. Des Weiteren kann ein derartiges AFM verwendet werden, um die hohe Ortsauflösung der Rasterkraftmikroskopie mit der zeitlichen Auflösung von ultraschneller Optik zu kombinieren. Abschließend wurde deshalb in dieser Arbeit ein Ausblick auf eine solche Kombination vorgestellt.

Translation of the abstract (English)

The atomic force microscope is a well-known tool to investigate samples on the atomic scale. One goal of this work was to image biological samples in a physiological environment with high spacial resolution. Thus, frequency-modulation atomic force microscopy (FM-AFM) by using qPlus sensors and small amplitudes was utilized. This technique enables a non-contact imaging mode, but however, a biological compatible environment has to be assured. Therefore, a liquid cell was built to image samples in an aqueous solution. The potential of the microscope was demonstrated by imaging the atomic lattice of muscovite mica in various biologically-relevant solutions: water, cell culture medium and buffer solution. Moreover, for the first time high-resolution images of biological samples were recorded with a qPlus sensor. Beside imaging DNA and DNA Origami the molecular structure of lipids in a lipid bilayer was observed.

Furthermore, the reactivity of transition metal dichalcogenides towards air molecules was investigated. The experiments performed in this work show that the surfaces of the selenides MoSe₂ and WSe₂ are covered with adsorbates. In contrast the measurements on the surfaces of the sulfides MoS₂ and WS₂ didn’t show a coverage with adsorbates. Moreover, by cleaving a sample in a clean ultra-high vacuum environment, which led to a clean surface, the airborne nature of the adsorbates was demonstrated. In addition, the atomic lattice of all samples was observed in the AFM experiments performed in air.

Additionally, in this work a new combined scanning tunneling microscope and atomic force microscope was developed. Until now the microscopes which are operated in air are mainly based on microscope heads optimized for ultra-high vacuum conditions. The new setup differs from these old types by an improved optical access towards tip and sample that enables the combination of AFM with focusing optics. Thus, for example an optical microscope with high numerical aperture can be used to position the AFM tip above a specific point on a small sample. Moreover, this advanced optical access can be used to combine the high spacial resolution of an AFM with the high temporal resolution of ultra-fast optics. Therefore, as a last point an outlook on such a combination is shown.

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