Development of the AE-AFM for biological applications

Hannah Seferovic

angefertigt am Institut für Biophysik der JKU

Kurzfassung (pdf)

Die Rasterkraftmikroskopie ist eine gängigen Methoden, um Oberflächen zu studieren. Auch in der Biophysik ist sie ein wichtiges Instrument, um Vorgänge in unserem Körper zu untersuchen und zu analysieren. Dabei wird ein kleines, biegbares Plättchen, an dessen Ende sich eine extrem dünne Spitze befindet, so nah an die Probe gebracht, dass die Kräfte der Oberflächenatome das Plättchen verbiegen: daher der Name “atomic force microscope” (AFM). Für das Blattfederchen hat sich der englische Name “Cantilever” eingebürgert. Da man mit der Spitze die Oberfläche systematisch abrastert, spricht man auch von “scanning force microscope” (SFM).

Die Kraftmikroskopie bietet die Möglichkeit, die genaue Oberflächenstruktur von Molekülen oder Zellen sichtbar zu machen und somit Information über ihre Form — wie z.B. Länge, Breite und Höhe — zu gewinnen. Man kann so quasi “zusehen” wie sich solche Maße verändern, wenn z.B. eine Zelle mit anderen Biomolekülen in Kontakt tritt. Bei den biologischen Proben, die mit der Rasterkraftmikroskopie untersucht werden, handelt es sich meistens um lebende Zellen oder Moleküle, die spezielle Maßnahmen benötigen, um nicht zu früh geschädigt zu werden. Insbesondere erfordert dies meist, dass sie in verschiedenen Flüssigkeiten schwimmen.

Bei kommerziellen AFM Systemen werden die winzigen Verbiegungen des Cantilevers dadurch sichtbar gemacht, dass man einen Laserstrahl auf seine beschichtete Rückseite richtet und die Reflexion misst. Diese Signal wird rückgekoppelt und zur Feinsteuerung verwendet. Für ein solch optisches Ausleseverfahren muss naturgemäß die verwendete Flüssigkeit für die Wellenlänge des Lasers durchsichtig sein. Hochgradig lichtempfindliche Zellen können mit diesen AFMs ebenfalls nicht untersucht werden.

Ich habe daher ein “all-electric AFM” (AE-AFM) weiterentwickelt und verfeinert, das mit Piezowiderstands-Sensoren arbeitet. Diese AE-AFM kann durch sein kompaktes Design mit anderen Mikroskopie- und Spektroskopietechniken vereint werden, auch Messungen mit mehreren Cantileverreihen sind möglich.

Mit meinem neuen Gerät studierte ich Proben in deionisiertem Wasser und in nicht-transparenten Flüssigkeiten wie Milch, verdünntem Serum und verdünntem Blut. Um eine neue Präparationsmethode an roten Blutkörperchen zu testen, untersuchte ich diese sowohl im Trockenen, in diversen Flüssigkeiten und auch noch mit einem Setup, das das AE-AFM mit dem Rasterelektronenmikroskop der JKU verbindet. Zusätzlich zur Analysierte der Struktur und Topographie der Proben, führte ich außerdem sogenannte “force-volume” Messungen an den Thrombozyten durch, um ihre elastischen Eigenschaften zu bestimmen.

In einem weiteren Teil meiner Arbeit entwickeltentwickelte und optimierte ich einen Aufbau, der das AE_AFM mit Infra- rotspektroskopie verbindet, was zusätzlich eine chemische Analyse der Proben erlaubt.