FluidFM (Nano-Fluidik und Atomic Force Microscopy)
Final Report Abstract
Das Instrument basiert auf einer Kombination von Rasterkraftmikroskopie (engl. atomic force microscopy, AFM) und Nanofluidik, diese Technik wird auch als FluidFM bezeichnet. Wesentliches Element sind hierbei AFM-Kraftsensoren (engl. cantilever) welche in ihrem Inneren einen Kanal aufweisen der in einer Apertur an der Sondenspitze mündet. Hierdurch besteht die Möglichkeit an der Sondenspitze gezielt einen Unter- bzw. Überdruck einzustellen. Auf diese Weise können sowohl lokal Bedingungen an der Probenoberfläche verändert werden (bspw. Ionenkomposition, pH) als auch kolloidale Objekte reversibel aspiriert werden, wie etwa Partikel oder Zellen. Die Möglichkeit einer temporären Immobilisierung von Objekten stellt einen neuen Freiheitsgrad in der Rasterkraftmikroskopie dar: So konnten wir beispielsweise zeigen, dass auf diese Weise direkte Kraftmessungen mit „austauschbaren“ kolloidalen Sonden (engl. colloidal probes) realisiert werden können. Dies ist besonders wichtig, wenn Systeme untersucht werden bei denen es zwangsläufig zu einer Kontamination der Sonden kommt, wie etwa bei Proteinpartikeln. Kolloidale Sonden haben sich im vergangenen Jahrzehnt zu einer wichtigen analytischen Technik entwickelt um die Wechselwirkungs- und Adhäsionskräfte in kolloidalen System zu bestimmen. Allerdings bestand immer eine wesentliche Einschränkung in der Tatsache, dass solche direkten Kraftmessungen nur mit großen Partikeln (i.e. Durchmesser von mehreren μm) durchgeführt werden können. Viele industriell bedeutsame kolloidale Formulierungen bestehen jedoch aus Nanopartikeln mit Durchmessern < 500nm. Durch die rein mechanische Immobilisierung von Kolloiden mit der FluidFM-Technik besteht nun die Möglichkeit solche Partikel (i.e. < 1 μm) nun als kolloidale Sonden zu verwenden. Wir konnten auch anhand von Silica-Partikel demonstrieren, die häufig als kolloidale Sonden in der Rasterkraftmikroskopie verwendet werden, dass diese Messungen eine quantitative Bestimmung von Parametern, wie dem Oberflächenpotential erlauben. Auch die Möglichkeit der FluidFM-Technik lokal den pH-Wert zu ändern bietet vielfache Anwendungen, insbesondere im Hinblick auf additive oder subtraktive Strukturierungsverfahren auf der μm-Ebene. Hier konnten wir zeigen, dass es möglich ist supra-molekulare Hydrogele auf der Basis von Trisamiden gezielt zu strukturieren und komplexe Muster in Hydrogel-Filme zu schreiben, beispielsweise für Anwendungen im Bereich von Tissue-Engineering.
Publications
- „Colloidal Properties of Recombinant Spider Silk Protein Particles“ J. Phys. Chem. C 2016, 120, 18015-18027
N. Helfricht, E. Doblhofer, J. F. L. Duval, T. Scheibel, G. Papastavrou
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b03957) - „Extending the limits of direct force measurements: colloidal probes from sub-micron particles„ Nanoscale 2017, 9, 9491-9501
N. Helfricht, A. Mark, L. Dorwling-Carter, T. Zambelli, G. Papastavrou
(See online at https://doi.org/10.1039/C7NR02226C) - „Writing with Fluid: Structuring Hydrogels with Micrometer Precision by AFM in Combination with Nanofluidics”, Small
N. Helfricht, A. Mark, M. Behr, A. Bernet, H.-W. Schmidt, G. Papastavrou
(See online at https://doi.org/10.1002/smll.201700962)
