Rasterkraftmikroskopie

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1 Technische Universität München Physik Department Fortgeschrittenenpraktikum Versuch 42 Rasterkraftmikroskopie vorgelegt am: 20. August 2011 Namen: Dincer Bekmezci, Daniel Biedermann, Patrick Christ Matrikelnummern: , , Gruppennummer: 118 Studienbereich: Biophysik Studiengang: Physik B.Sc Betreuer: Bizan Balzer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Versuchsdurchführung Vorbemerkungen Abbildung einer CD Abbildung von DNA an der Luft Ergänzende Anmerkungen DNA-Spaÿ Frage Frage Frage Frage Frage Frage Literatur 13 2

3 1 Einleitung In diesem Praktikumsversuch wurde mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops (AFM) eine CD und DNS-Moleküle betrachtet. Dieses AFM bestand aus insgesamt fünf Elementen. Eine weicher Federbalken, der sogenannte Cantilever, einer Vorrichtung zur Bestimmung Federbalkenverbiegung, einem elektronischen Rückkopplungssystem, einer mechanischen Rastermöglichkeit und einem Bildgebungssystem. Betrieben wird das Rasterkraftmikroskop in zwei verschiedenen Betriebsmodi: Der Kontaktmodus bei dem die Spitze in direktem Kontakt mit der Oberäche des betrachteten Stoes tritt und der Intermittent- Kontaktmodus. Dabei wirken verschiedene Kräfte auf die Spitze. Die zwischen der Spitze und der Oberäche wirkenden Kräfte sind zum einen die Oberächenkräfte (Stichwort Lennard-Jones-Potenzial), die Kapilarkräfte und die Deformationskräfte. Bei deren Messungen musste auch immer auf das Auftreten von Spitzenartefakten (Geometrische Effekte die das Mess-Signal verfälschen) geachtet werden. 2 Versuchsdurchführung 2.1 Vorbemerkungen Mittels dieses Vorwissens konnte der Versuch an sich durchgeführt werden. Dabei wurden zunächst in einem ersten Schritt unter Verwendung des Rasterkraftmikroskops die auf einer CD-Rom vorhandenen Bits gemessen. Dadurch konnte im weiteren Verlauf die Gesamtspeicherkapazität dieses Datenträgers gemessen werden. Anschlieÿend wurde die Abbildung von DNS im Rasterkraftmikroskop vorgenommen. Dazu musste die Probe zunächst aufwendig auf einem Glasobjektträger mittels einer ZnCl 2 -Lösung aufbereitet werden. Diese beiden Versuche werden im folgenden näher beschrieben. 2.2 Abbildung einer CD Alle Informationen dieses Abschnittes entstammen der Quelle [1]. Die Abbildung der CD erfolgte im Kontaktmodus (constant-force), in zwei verschieden Flächen, nämlich 15x15 µm und 2x2 µm. Bei der Aufnahme wurden die Aufnahmeparameter Scangeschwindigkeit(clock), Loop Gain, Filter und Setpoint (reference) so lange verlängert bis ein optimales Bild entsteht. Hierbei hatten die Aufnahmeparameter einen groÿen Einuss. Den stärksten Einuss hatte die Scangeschwindigkeit. Die optimalste Einstellung war bei Scangeschwindigkei t= 100 µs, Loop Gain = 16, Filter = 3Hz. Das folgende Bild stellt eine Abbildung unter Verwendung dieser idealen Parameter da. 3

4 Abbildung 1: Abbildung unter Verwendung idealer Parameter im Rasterkraftmikroskop Abweichende Werte ergaben weniger gute Ergebnise. Verkürzt man beispielsweise den unter Clock angegebenen Zeitparameter, so ergibt sich eine kürze Dauer des Scanprozesses. Das AFM benötigt also weniger Zeit für den Scan jedes Rasterpunktes. Eine kürzere Scanzeit ergibt ein wesentlich unschärferes Bild (siehe beispielhafte Abbildung 2). Dieser Umstand entspricht der Alltagserfahrung bei der Verwendung von Scannern. Hier ergibt auch die Einstellung einer kürzere Belichtungszeit des zu kopierenden Blattes ein unschärferes Ergebnis. Längere Clock-Zeiten als die für die ideale Abbildung verwendeten 100µs sind zwar möglich, für jedoch zu keiner wesentlichen Verbesseruung der Schärfe. Daher führen höhere Werte nur zu unnötigen Wartezeiten auf die Fertigstellung der Aufnahme. 4

5 Abbildung 2: Abbildung bei einer Clock von 66.67µs im Rasterkraftmikroskop Neben dem Clock-Parameter führt auch eine Abänderung des sogenannten loop gains zu Unterschieden in der Aufnahme. Dieser Wert bestimmt die Nachregelung. Zu niedirge oder zu hohe Werte führen dabei wiederum zu Unschärfen, die Konturen wirken verweicht. Der Grund liegt darin, dass zu kleine Nachregelung die Unschärfe nicht genügend vermindert. Zu groÿe Parameter des loop gains führen dagegen zu einer Überregulierung der Verstärkung. Zudem wirken die Pits bei zu hohen Werten sehr hell (wirken als würden sie strahlen), der Kontrast ist also wesentlich zu hoch. Eine solche Aufnahme kann der folgenden Abbildung 3 entnommen werden. Ein idealer Wert lag bei 16. 5

6 Abbildung 3: Abbildung bei Loop Gains 32 im Rasterkraftmikroskop Der letzte wichtige Punkt lag bei der Verwendung unterschiedlicher Frequenzen des Filters. Dabei hatten sich 3Hz als idealer Wert herauskristallisiert. Die Einstellung des Filters bestimmt dabei, die Häugkeit in der das AFM reguliert wird. Ein zu geringer Wert kann daher dann die Pits nicht richtig wiedergeben. Höhere Werte als 3Hz haben dabei zu keiner merklichen Änderung bei der Aufnahmequalität geführt. Allerdings könnten höhere Frequenzen eventuell zu Ozilationen in der Abbildung führen. Daher wurde dieser Wert als idealer angenommen. Um den Unterschied von niedrigeren Frequenzen zu höheren zu vergleichen ist im folgenden ein Doppelbild abgebildet. Dabei entspricht die obere Hälfte der Aufnahme der bei 1Hz und die untere dem idealen Wert bei 3Hz. Die Unterschiede sind recht deutlich zu erkennen. 6

7 Abbildung 4: Abbildung bei einem und drei Hertz im Rasterkraftmikroskop Im folgenden Schritt werden aus den mittels des Rasterkraftmikroskops gewonnenen Daten der Speicherbedarf einer CD-Rom bestimmt. Diese können der folgenden Tabelle entnommen werden: Abmessungen der Pits Spurillenbreite Länge Höhe Spurillenabstand 1. Pit 0.854µm 1.50µm 0.58µm 1.60µm 2. Pit 0.832µm 1.52µm 0.56µm 1.60µm 3. Pit 0.825µm 1.50µm 0.54µm 1.58µm 4. Pit 0.846µm 1.24µm 0.56µm 1.60µm 5. Pit 0.854µm 1.23µm 0.57µm 1.61µm 6. Pit 0.839µm 1.25µm 0.55µm 1.59µm Mittelwert 0.842µm 1.37µm 0.560µm 1.60µm Literaturwert 0.50µm 0.83 bis 3.05µm / 1.60µm Fehler 68.3% im Bereich / 0.31% Tabelle 1: Berechnungen der Pits bei einer CD-Rom Mit Hilfe dieser Tabelle und dem Durchmesser einer CD von 11.9cm lässt sich nun sehr einfach die Speicherkapazität einr CD-Rom berechnen. Dazu benötigt man noch die Fläche dieses Speichermediums. Dieses ergibt sich über A = r 2 π = 111.3cm 2 (1) 7

8 Auf Grund des durchschnittlichen Spurillenabstandes von a = 1.60µm (Pitmittelpunkt zu Pitmittelpunkt) und der Spurillenbreite von b = 0.842µm kann der Platzbedarf F eines Pites berechnet werden: F = a b = 1.35µm 2 (2) Dividiert man die Fläche der CD-Rom durch diese Fläche eines Pits ergibt sich die Gesamtanzahl N der Pits zu: N = A F = (3) Da ein Pit einem Bit entspricht, und acht Bits einem Byte, kann man den gesamten Speicherbedarf S einer CD berechnen zu: S = N 8 = 1.03Gb (4) Dadurch ergibt sich ein Speicherbedarf von 1.03Gb. Zu erwarten wären dabei laut Anleitung ein Wert von 700M b gewesen. Damit ergibt sich eine Abweichung von über 300Mb oder 43%. Das Problem bei derart feinen Messungen ist, dass trotz der mittels Federn gedämpften Messgeräte, äussere Erschütterungen für hohe Abweichungen sorgen können. Da am Tag der Durchführung dieses Praktikums Bauarbeiten um das Gebäude herum vorgingen, ist diese Abweichung mit groÿer Sicherheit darauf zurückzuführen. 2.3 Abbildung von DNA an der Luft In den AFM-Aufnahmen konnte man mehrere DNS-Stränge untersuchen. Neben einer groÿen Ansammlung im oberen linken Bereich lieÿ sich im unteren rechten ein einzelner Strang beobachten. Aus den aufgenommenen Bildern lieÿ sich die DNS-Breite bestimmen. Es wurden jeweils 10 Messungen mit unterschiedlichen Bildern durchgeführt. Die Ergebnise lassen sich der folgenden Tabelle entnehmen. Als wichtige Grundlage diees Abschnittes wurde [2] verwendet. 8

9 Messung Höhe in [nm] Messung Höhe in [nm] Mittelwert Fehler 39 8 Tabelle 2: Messung der Breite der DNS Die Messungen haben ergeben, dass die DNS-Breite bzw. Durchmesser (38.8 ± 8.3 )nm beträgt. Desweitern lässt sich aus den Aufnahmen auch die DNA-Höhe bestimmen. Wiederum wurden jeweils 10 Messungen mit unterschiedlichen Bildern durchgeführt. Abbildung 5: Programm für die Messung der DNS-Höhe und Breite Dadurch ergab sich für die DNA die folgende Tabelle: 9

10 Messung Höhe in [nm] Messung Höhe in [nm] Mittelwert Fehler Tabelle 3: Messung der Höhe der DNS Der gemessene Wert weicht vom Literaturwert 2nm ab. Die groÿe Abweichung lässt sich durch mehrere Ursachen begründen. Die Auösungsgenauigkeit des Rasterkraftmikroskops durch die Spitzengeometrie beschränkt. Groÿer Spitzenradius und groÿer Önungswinkel verschlechtern die Messgenauigkeit. 3 Ergänzende Anmerkungen 3.1 DNA-Spaÿ Abgeschloÿen wurde der Versuch von verschiedenen Quiz-Fragen zum Thema DNS. Die Quellenangaben können dabei dem Punkt [3] entnommen werden Frage 1 Wie hoch ist der Informationsgehalt menschlicher DNA? (a) 1,4 Mbyte (x) 750 Mbyte (c) 500 Gbyte (d) 3 Tbyte Lösung (b) laut Wikipedia Artikel Genom. Auf diesen Wert kommt man auch über eine Abschätzung über die Speicherkapazität einer CD-Rom Frage 2 Angenommen Sie hätten ein DNA-Molekül mit 120 Basenpaaren. Würden sie nun alle Kombinationen der vier Grundbasen für dieses DANN-Molekül zusammen wiegen, wie schwer wären Sie? (a) 3,14 Gramm (b) ca. 93 Kilogramm (c) 7 Mondmassen (x) 5 Sonnenmassen 10

11 Lösung (d). Zunächst berechnet man die Anzahl der Basenpaare. Diese ist 120!. Multipliziert mit dem Gewicht von 2 Basenpaaren ergibt ein Gesamtgewicht von rund 5 Sonnenmassen Frage 3 Sie haben 1 Mol eines 120 Basen langen einzelsträngigen DANN-Moleküls. Wie hoch muss die Schwerebeschleunigung (Einheit: Erdbeschleunigung g) am Ort der Messung sein. Damit 1 Mol DNA ungefähr das Gewicht eines Mannes, gemessen auf der Erde, hat? (a) 0,2g (b) ca. 1g (c) ca. 274g (d) 3120 g Lösung (?):Das Gewicht eines Mannes auf der Erde ist etwa 85 kg. Ein Mol eines Basenpaares wiegt lt. Frage 2 0,649 g/mol. Man benötigt also etwa 24,3 g Frage 4 Wie hoch ist die Gesamtlänge einzelsträngiger DANN im menschlichen Körper (bitte berücksichtigen sie jede Zelle) (a) 1,8m (b) 42,195 km (c) 1,8m (d) 4 Lichtjahre Lösung (?):Laut Spektrum der Wissenschaft ist die Gesamtlänge der menschlichen DNA 1,5 m lang Frage 5 Nennen Sie die Anzahl der Menschen, deren einzelsträngige DANN benötigt wird, damit die Strecke von einem Lichtjahr erreicht wird? (a) 0,3 (x) eine deutsche Durchschnittsfamilie (c) 500 (d) alle Einwohner Münchens Lösung (b):die Anzahl der benötigten Menschen ist 9.5 was in der Gröÿenordnung einer deutschen Durchschnittsfamilie liegt Frage 6 Welches Lebewesen hat mehr Gene als der Mensch? (a) Schleimpilz (x) Elefant (x) Maus 11

12 (d) Viroid Lösung (b)(c):der Mensch hat , der Schleimpilz als Pilz etwa 6000, der Viroid 0 Gene. Die Anzahl der Gene des Elefanten ist zwar noch unbekannt, jedoch ist die Anzahl seiner Basenpaare mit in der Gröÿenordnung des Menschen (3 Milliarden). Auch die Maus liegt mit geschätzten in der Gröÿenordnung des Menschen. 12

13 Literatur [1] [2] Crick_Watson, Zeitungsausschnitt April 1954 [3] Zu DNA-Spaÿ: Frage 1: Frage 2: Frage 3: Frage 4: Frage 5: Frage 6: