Development of a hybrid Atomic Force microscope and Optical Tweezers apparatus

• Autorzy: Zembrzycki K. , Pawłowska S. , Nakielski P. , Pierini F.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

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.

PL

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).

Słowa kluczowe

EN

optical tweezers; atomic force microscopy (AFM); AFM/OT

PL

mikroskopia sił atomowych; szczypce optyczne; AFM/OT

• Wydawca: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Czasopismo: IPPT Reports on Fundamental Technological Research
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 2
• Strony: 1--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zembrzycki K.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk

autor

Pawłowska S.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk

autor

Nakielski P.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk

autor

Pierini F.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk

Bibliografia

• [1] Pierini F, Zembrzycki K, Nakielski P, Pawłowska S and Kowalewski T A 2016 Atomic force microscopy combined with optical tweezers (AFM/OT) Meas. Sci. Technol. 27 025904-1–11.
• [2] Janshoff A, Neitzert M, Oberdorfer Y and Fuchs H 2000 Force spectroscopy of molecular systems - Single molecule spectroscopy of polymers and biomolecules Angew. Chem. Int. Ed. 39 3213–18.
• [3] Binnig G, Quate C F and Gerber C 1986 Atomic force microscope Phys. Rev. Lett. 9 930–56.
• [4] Sevim S, Tolunay S and Torun H 2014 Micromachined sample stages to reduce thermal drift in atomic force microscopy Microsyst. Technol.
• [5] Beyder A, Spagnoli C and Sachs F 2006 Reducing probe dependent drift in atomic force microscope with symmetrically supported torsion levers Rev. Sci. Instrum. 77 056105.
• [6] Voulgarakis N K, Redondo A, Bishop A R and Rasmussen K Ø 2006 Sequencing DNA by Dynamic Force Spectroscopy: Limitations and Prospects Nano Lett. 6 1483–7.
• [7] Neuman K C and Nagy A 2008 Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy Nat. Methods 5 491–6.
• [8] Ashkin A 1970 Acceleration and trapping of particles by radiation pressure Phys. Rev. Lett. 24 156.
• [9] Ashkin A, Dziedzic J M, Bjorkholm J E and Chu S 1986 Observation of a singlebeam gradient force optical trap for dielectric particles Opt. Lett. 11 288–5.
• [10] Nasalski W 2007 Optical beams at dielectric interfaces – fundamentals. Institute of Fundamental technological Research. ISBN 978-83-89687-26-5.
• [11] Neuman K C and Block S M 2004 Optical trapping Rev. Sci. Instrum. 75 2787.
• [12] Ashkin A 1992 Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime Biophys. J. 61 569–2.
• [13] Malagnino N, Pesce G, Sasso A and Arimondo E 2002 Measurements of trapping efficiency and stiffness in optical tweezers Opt. Commun. 214 15–24.
• [14] Grier D G 1997 Optical tweezers in colloid and interface science Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2 264–3.
• [15] Meiners J -C and Quake S R 2000 Femtonewton Force Spectroscopy of Single Extended DNA Molecules Phys. Rev. Lett. 84 5014.
• [16] Berthelot J, Acimovic S S, Juan M L, Kreuzer M P, Renger J and Quidant R 2014 Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers Nature Nanotech. 9 295–299.
• [17] Visscher K, Schnitzer M J and Block S M 1999 Single kinesin molecules studied with a molecular force clamp Nature 400 184.
• [18] Comstock M J, Ha T and Chemla Y R 2011 Ultrahigh-resolution optical trap with single-fluorophore sensitivity Nat. Methods 8 335–340.
• [19] Lipfert J, Skinner G M, Keegstra J M, Hensgens T, Jager T, Dulin D, Köber M, Yu Z, Donkers S P, Chouc F –C, Das R and Dekker N H 2014 Doublestranded RNA under force and torque: Similarities to and striking differences from double-stranded DNA Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111 15408–15413.
• [20] Bennink M L, Leuba S H, Leno G H, Zlatanova J, de Grooth B G and Greve J 2001 Unfolding individual nucleosomes by stretching single chromatin fibers with optical tweezers Nat. Struct. Biol. 8 606–7.
• [21] Jeffries G D M, Edgar J S, Zhao J, Shelby J P, Fong C and Chiu D T 2007 Using Polarization Shaped Optical Vortex Traps for Single-Cell Nanosurgery Nano Lett. 7 415–2.
• [22] Wang X, Chen S, Kong M, Wang Z, Costa K D, Li R A and Sun D 2011 Enhanced cell sorting and manipulation with combined optical tweezer and microfluidic chip technologies Lab Chip 11 3656.
• [23] Pang Y, Song H, Kim J H, Hou X and Cheng W 2014 Optical trapping of individual human immunodeficiency viruses in culture fluid reveals heterogeneity with single-molecule resolution Nature Nanotech. 9 624–630.
• [24] Huang R, Chavez I, Taute K M, Lukić B, Jeney S, Raizen M G and Florin E–L 2011 Direct observation of the full transition from ballistic to diffusive Brownian motion in a liquid Nature Phys. 7 576–580.
• [25] Yogesha, Bhattacharya S and Ananthamurthy S 2012 Characterizing the rotation of non symmetric objects in an optical tweezer Opt. Commun. 285 2530–2535.
• [26] Schäffer E, Nørrelykke S F and Howard J 2007 Surface Forces and Drag Coefficients of Microspheres near a Plane Surface Measured with Optical Tweezers Langmuir 23 3654–3665.
• [27] Yao A, Tassieri M, Padgett M and Cooper J 2009 Microrheology with optical tweezers Lab Chip 9 2568–2575.
• [28] Nève N, Lingwood J K, Zimmerman J, Kohles S S and Tretheway D C 2008 The μPIVOT: an integrated particle image velocimeter and optical tweezers instrument for microenvironment investigations Meas. Sci. Technol. 24 095403.
• [29] Xu S, Lou L, Li Y and Sun Z 2005 On the aggregation kinetics of two particles trapped in an optical tweezers Colloids Surf. A 255 159–163.
• [30] Probst C, Grünberger A, Wiechert W and Kohlheyer D 2013 Microfluidic growth chambers with optical tweezers for full spatial single-cell control and analysis of evolving microbes J. Microbiol. Methods 95 470–476.
• [31] Schneckenburger H, Hendinger A, Sailer R, Gschwend M H, Strauss W S, Bauer M and Schütze K 2000 Cell viability in optical tweezers: high power red laser diode versus Nd:YAG laser J. Biomed. Opt. 5 40–44.
• [32] Abbondanzieri E A, Shaevitz J W and Block S M 2005 Picocalorimetry of Transcription by RNA Polymerase Biophys. J. 89 L61–L63.
• [33] Mahamdeh M and Schäffer E 2009 Optical tweezers with millikelvin precision of temperature-controlled objectives and base-pair resolution Opt. Express 17 17190–17199.
• [34] Mills J P, Qie L, Dao M, Lim C T and Suresh S 2004 Nonlinear elastic and viscoelastic deformation of the human red blood cell with optical tweezers Mech. Chem. Biosyst. 1 169–80.
• [35] Rohrbach A 2005 Stiffness of Optical Traps: Quantitative Agreement between Experiment and Electromagnetic Theory Phys. Rev. Lett. 95 168102.
• [36] Tolić-Nørrelykke S F, Schäffer E, Howard J, Pavone F S, Jülicher F and Flyvbjerg H 2006 Calibration of optical tweezers with positional detection in the back focal plane Rev. Sci. Instrum. 77 103101.
• [37] Labit H, Goldar A, Guilbaud G, Douarche C, Hyrien O and Marheineke K 2008 A simple and optimized method of producing silanized surfaces for FISH and replication mapping on combed DNA fibers Biotechniques 45 469–458.
• [38] Maroto J A and de las Nieves F J, 1998 Theoretical and experimental comparison of the colloid stability of two polystyrene latexes with different sign and value of the surface charge Colloid. Polym. Sci. 276 453–458.
• [39] Gan Y 2007 Invited Review Article: A review of techniques for attaching micro- and nanoparticles to a probe’s tip for surface force and near-field optical measurements Rev. Sci. Instrum. 78 081101–081108.
• [40] Lüderitz L A C and v Klitzing R 2013 Interaction forces between silica surfaces in cationic surfactant solutions: An atomic force microscopy study J. Colloid. Interface Sci. 402 19–26.
• [41] Guo S and Akhremitchev B B 2006 Biomacromolecules 7(5) 1630–1636.