BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY B IOLÓGIAI ÉRZÉKELŐ FELÜLETEK MINŐSÍTÉSE AFM MÓDSZERREL B ONYÁR A TTILA, DR. S ÁNTHA H UNOR február 9.

/ Bevezetés – Bioérzékelők 2. AFM* képalkotás 3. Összefoglalás *AFM – Atomerő mikroszkópia (Atomic Force Microscopy) Áttekintés Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel

/ 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

/ 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: 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 – Biológiai 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

/13 6 Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel diI nnova 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

/13 7 Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel 2. AFM képalkotás A képalkotás elve a kontakt üzemmód bemutatásán keresztül

/ 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], U sp : setpoint (referencia) feszültség [mV]

/ AFM képalkotás A 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

/13 10 Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel 2. AFM képalkotás Nanoborotválás 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”

/13 11 Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel 2. AFM képalkotás A hordozó felületi érdességének jellemzése Vizsgálatukhoz atomi simaságú felület szükséges Alapvető probléma: a DNS monorétegek nm-es tartományban vannak 800 nm X:Y:Z -> 1:1:1/26 a DNS szál hosszúsága: 0,33 nm/bázispár, jellemző receptorhossz bp  5-8 nm Polikristályos üres arany vékonyréteg (200 nm Au, 40 nm Ti üveghordozón) felületi érdessége – kontakt módú AFM kép (BME-ETT)

/13 12 Biológiai érzékelő felületek minősítése AFM módszerrel 2. AFM képalkotás A mica (csillám) replika készítés technológiája Cél: Atomi simaságú (felületi érdességű) arany vékonyréteg előállítása Forrás: M. Hegner, P. Wagner

/13 13 Biológiai 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)