BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICSDEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

BIOLÓGIAI ÉRZÉKELŐ FELÜLETEK MINŐSÍTÉSE AFM MÓDSZERRELBONYÁR ATTILA, DR. SÁNTHA HUNOR

2010. február 9.

/132

1.Bevezetés – Bioérzékelők

2. AFM* képalkotás

3. Összefoglalás

*AFM – Atomerő mikroszkópia (Atomic Force Microscopy)

Áttekintés

Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

/133

1. Bevezetés - Bioérzékelők

Bioérzékelő = Biológiailag aktív receptor + Transzducer

Bioérzékelők kutatása és fejlesztése:

1. A bioreceptor réteg fejlesztése

2. A transzducer fejlesztése

3. Az immobilizációs eljárások fejlesztése

Technológiai tudást igényel

Alkalmazott transzducerek:• elektrokémiai

• optikai• piezoelektromos

(QCM)

arany vékonyréteg elektródok

Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

/134

1. Bevezetés - Bioérzékelők

Bioérzékelők -> biológiailag aktív anyagok alkalmazása érzékelő elemként

Affinitás típusú bioérzékelők-> szelektív kémiai megkötés természetben előforduló kulcs-zár mechanizmusok alapján

DNS szenzorok: komplementer-DNS szálak összekapcsolódása = hibridizáció

Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

Forrás: www.emeraldinsight.com

Multibioszenzorok – receptormátrixBioérzékelők előnyei:• nagyfokú szelektivitás,• egyszerű és gyors,• DNS szintézis révén tetszőleges receptor szekvencia előállítható:

génanalízis, rákkutatás, kórokozó detektálás, környezeti vizsgálatok.

/13

Forrás: A. B. Steel, T. M. Herne – 1998

5Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

Az immobilizáció jelentősége

Cél: A DNS szálak hibridizációs képességének megőrzése

Mit befolyásol az immobilizáció?

A szenzor

• érzékenységét,

• szelektivitását,

• élettartamát,

• stabilitását (megbízhatóságát),

• regenerálhatóságát.

1. Bevezetés

SAM – Self-Assembled Monolayer (önszerveződő monoréteg technika):

• a szálas receptor egyik végére egy tiol (SH) csoportot szintetizálunk

• kén-arany kovalens kötés

Célunk a DNS rétegek strukturális vizsgálata

Az immobilizáció és hibridizáció kvalitatív és kvantitatív jellemzése

/136Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

diInnova

2. AFM képalkotás

A BME-ETT 2008-ban Veeco diInnova típusú SPM-et (pásztázó mikroszkóp) szerzett be ipari kapcsolatok támogatásával

Támogatott üzemmódok:• AFM (Atomic Force Microscopy),

kontakt mód, kopogtató (tapping) mód,

• LFM (Lateral Force Microscopy),• STM (Scanning Tunneling Microscopy)• EFM (Electric Force Microscopy),• MFM (Magnetic Force Microscopy),• SCM (Scanning Capacitance Microscopy).

Fluidikai cella: kompatibilitás biológiai mintákkal DNS nanoborotválás

/137Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

2. AFM képalkotásA képalkotás elve a kontakt üzemmód bemutatásán keresztül

/138

2. AFM képalkotás

Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

A pont-spektroszkópia és a nyomóerő szabályozása

Hooke törvénye:

A nyomóerő szabályozása:

Ahol: F: erő [nN], k: rugóállandó [nN/nm], x: Z riányú kitérés [nm], R: a tű és a felület jellemző rugalmassága [nm/mV], Usp: setpoint (referencia) feszültség [mV]

/139

2. AFM képalkotásA DNS nanoborotválás (nanoshaving) és alkalmazása

Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

Hibridizáció után

Immobilizáció után

Az eljárás elve: a felületre felvitt DNS réteg eltávolítása a pásztázó tű

nyomásának növelésével

Keresztmetszeti analízis

Forrás: M. Castronovo – 2008

/1310Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

2. AFM képalkotásNanoborotválás a gyakorlatban

Dr. Giampaolo Zuccheri (Bolognai Egyetem)

laboratóriumában közösen készített képek

MultiMode AFM – képalkotás folyadékcellában

DNS réteg nanoborotválása (nanoshaving)

A leborotvált DNS réteg vastagsága 1,908 nm.

„Kopogtatunk a nanovilág kapuján”

/1311Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

2. AFM képalkotásA hordozó felületi érdességének jellemzése

Vizsgálatukhoz atomi simaságú felület

szükséges

Alapvető probléma: a DNS monorétegek nm-es

tartományban vannak

800 nm

800 nm

X:Y:Z -> 1:1:1/26 a

DNS szál hosszúsága: 0,33 nm/bázispár, jellemző receptorhossz 15-25 bp 5-8 nm

Polikristályos üres arany vékonyréteg (200 nm Au, 40 nm Ti üveghordozón) felületi érdessége – kontakt módú AFM kép (BME-ETT)

/1312Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

2. AFM képalkotásA mica (csillám) replika készítés technológiája

Cél: Atomi simaságú (felületi érdességű) arany vékonyréteg

előállítása

Forrás: M. Hegner, P. Wagner - 1993

/1313Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

3. Összefoglalás

Az AFM-es technikák alkalmasak a nanométeres tartományokhoz tartozó bioreceptor rétegek vizsgálatára

MICA (csillám) replika készítéssel atomi simaságú arany vékonyréteg elektródfelületeket állíthatunk elő

A DNS nanoborotválás technika a BME-ETT-n néhány hónapon belül rutinszerűen alkalmazható lesz.

Főbb kézzel fogható eredmények:

Au-MICA készítés Labor SOP (Standard Operation Procedure – technológiai útmutató)

AFM mérés fluidikai cellában Labor SOP (Standard Operation Procedure – technológiai útmutató)