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Titel:Multi-mode atomic force microscope as a versatile tool for bionanotechnology
Autor:Yang, Fang
Weitere Beteiligte: Hampp, Norbert (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2017
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0047
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0047
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-00475
DDC:540 Chemie
Titel(trans.):Multi-Mode-Rasterkraftmikroskopie als nützliches Werkzeug in der Bionanotechnologie
Publikationsdatum:2016-11-29
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Nanotechnology, Nanotechnologie

Summary:
The kernel of this dissertation is multi-mode atomic force microscopy (AFM) which is a useful and powerful tool for characterizing and analyzing samples of nano- or micro size. Various modes can satisfy specified requirements according to different samples, i.e., topography, surface electrostatic potential, magnetic domain visual observation, single molecular force analysis and a novel real-time monitoring cell viability system based on modification of AFM. No matter whether samples are in air or in liquid, topological image can be realized. Hence, the flexibility makes AFM a universal tool for exploring the biological nano-world. The subjects consist of different working modes towards biological applications. Firstly, topography is aimed at quantitative analysis of cellular morphology and surface changes, which are effected by uptake of nanoparticles. In the case of concentration-dependent experiments, the volume and number of filopodia is calculated by analyzing topological images of AFM. It is verified that cellular morphology plays an important role for quantitative indicating of harmful effects of NPs to cells. In addition, the roughness of the cellular surface which derives from disruption of cell membrane integrity, when the cells internalized magnetic NPs subjected to a rotating magnetic field, is evaluated for exploring magneto-cell-poration and magneto-cellanalysis. Secondly, single molecule force microscopy is aimed at quantitative analysis of elasticity of gold nanoparticles (Au NPs), which are coated with polyethylene glycol (PEG), whereby the diameter of the gold cores as well as the thickness of the shell of PEG was varied. A conical tip indent into single NP and then Sneddon’s equation is employed for calculating the elasticity, which serves as one of the basic physicochemical parameters having effect on structural and functional cell parameters. Thirdly, magnetic force microscopy is aimed at qualitative visual observation of magnetic domains of the sample, which is a multifunctional co-loading NP with anti-drug tetradine and superparamagnetic iron dioxide (Fe3O4) NPs. The magnetic domains of co-loading NPs, which is reflected in phase section, can present magnetic profile which is attributed to the Fe3O4 NPs. Thus such multifunctional co-loading NPs are further used for magnetic ablation to tumor cells, so that a dual enhanced anti-cancer NP can be successfully realized. Fourthly, electrostatic force microscopy (EFM) is aimed at qualitative visual observation of electrostatic potential on surface of the sample, which is a mutant purple membrane (PM) modified by functional NPs. A bias voltage between a conductive tip and the modified PM is applied in an oscillating mode. The tip is lifted such that it can induce a long term electrostatic force without effect of molecular repulsive force. Thus electric gradient dependent on surface of the PM makes phase shift in a given frequency and then the EFM signal is extracted. Therefore, the electric property of such a novel biomembrane is characterized. Fifthly, a generally applicable quantitative real-time cell viability monitoring system which uses cell adhesion property is successfully setup based on the oscillation system of AFM. The amplitude of an oscillating cantilever at a given frequency is highly dependent on the mass of the cantilever, in this situation, the mass of attached cells on the cantilever. In our method, the dynamic toxic process can be observed and recorded, and can be analyzed even at an early stage of intoxication. Therefore, this will be a greatly promising method for real-time exploring and quantitatively analyzing of cellular toxicity.

Zusammenfassung:
Der Kern dieser Arbeit ist die Multi-Mode-Rasterkraftmikroskopie, die ein nützliches und leistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung von Proben im Mikro- und Nanogrößenbereich darstellt. Verschiedene Modi können spezifizierte Anforderungen verschiedener Proben erfüllen, wie u.a. Messung der Topographie, des elektrostatischen Potentials der Oberfläche, magnetische Domänen, einzelne molekulare Kraftanalyse und Echtzeit-Monitoring-System. Dabei kann in Luft, Flüssigkeit und im Vakuum gemessen werden. Das macht das Rasterkraftmikroskop (AFM) zu einem flexiblen, universellen Werkzeug für die biologische Nanowelt. Die Themen bestehen aus unterschiedlichen Arbeitsweisen in Richtung biologische Anwendungen mit Multi-Mode- Rasterkraftmikroskopie. Zuerst wurde anhand quantitativer, topographischer Messungen die Zellmorphologie und Oberflächenveränderungen nach Aufnahme verschiedener Nanopartikel beobachtet. Bei konzentrationsabhängigen Experimenten konnte das Volumen und die Anzahl von Filopodien anhand der topologischen AFM-Aufnahmen berechnet werden. Dadurch wurde bestätigt, dass die zelluläre Morphologie eine wichtige Rolle für die quantitative Angabe schädlicher Auswirkungen durch Nanopartikel auf Zellen spielt. Zusätzlich wurden die Nanopartikel enthaltenen Zellen einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt und anschließend ihre Oberfläche erneut vermessen. Die Rauigkeit der Zelloberflächen, die aus Störungen der Zellmembranintegrität resultierte, wurde für die Untersuchung von magneto-Zell-Porenbildung und magneto-Zell-Analyse herangezogen. Als weiterer Teil dieser Arbeit wurden durch Einzelmolekülkraftspektroskopie an Goldnanopartikeln (AuNP) mit verschiedenen Durchmessern, die mit Polyethylenglykol (PEG) unterschiedlicher Dicke beschichtet waren, Elastizitätsmessungen durchgeführt. Hierzu wurde mit einer konischen Spitze auf die Nanopartikel gedrückt und die Auslenkung der Spitze in Funktion ihrer vertikalen Position gemessen. Zur Berechnung der Elastizität wurde die Sneddon- Gleichung genutzt. Die Elastizität dient als eine der grundlegenden physikalisch-chemischen Parameter der Beschreibung struktureller und funktioneller Zellparameter. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden superparamagnetische Eisendioxid (Fe3O4)–Nanopartikel mit Tetradine beschichtet (co-geladene NP) und in Zellen internalisiert. Anschließend wurden die magnetischen Eigenschaften dieser Zellen mit AFM gemessen. Die beobachteten magnetischen Domänen waren den Fe3O4-Nanopartikeln zuzuordnen. Diese Nanopartikel können durch ihre magnetische Eigenschaft zur Ablation von Tumorzellen verwendet werden, sodass verbesserte Anti-Krebs-NP realisiert werden können. Im nächsten Teil dieser Arbeit wurde das elektrostatische Potential der Oberfläche einer mutierten Purpurmembran (PM), die durch funktionelle Nanopartikel modifiziert war, anhand elektrostatischer Kraftmikroskopie (EFM) mit der AFM gemessen. Dazu wurde eine Spannung zwischen einer leitenden, oszillierenden Spitze und der modifizierten PM angelegt. Die Spitze wurde in einem vertikalen Offset zur Probe so angehoben, dass sie eine langfristige elektrostatische Kraft ohne Wirkung der molekularen Abstoßungskraft ausüben konnte. Aus der Phasenverschiebung der Oszillation der Spitze bei einer bestimmten Frequenz wurde das EFM-Signal extrahiert und zur Charakterisierung der elektrostatischen Eigenschaften dieser neuartigen Biomembran herangezogen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde ein System zur Beobachtung der Lebendigkeit von Zellen in Echtzeit entwickelt. Dieses System basiert auf Zelladhäsionseigenschaften in Zusammenspiel mit dem Schwingungssystem des AFM. Die Amplitude eines bei einer definierten Frequenz schwingenden Cantilevers ist stark abhängig von dessen Masse. Durch Aufbringen von Zellen auf den Cantilever konnte die Gesamtmasse des Cantilevers erhöht werden, somit stieg auch die Amplitude der Schwingung. Nach Apoptose ließ die Zellhaftung stark nach und die Amplitude sank wieder. So konnte die toxische Wirkung verschiedener Substanzen auf die Vitalität der Zellen in Echtzeit aufgenommen und quantitativ beschrieben werden.


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