Lezione n. 2 OLTRE LA MICROSCOPIA OTTICA: Le nuove nano -scopie (Parte II)

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1 Lezione n. 2 OLTRE LA MICROSCOPIA OTTICA: Le nuove nano -scopie (Parte II) Sandro Carrara Corso di NanoBioTecnologie I microscopi ci fanno vedere le cose micro Microbi Cellule I circuiti della microelettronica i nano -scopi quelle nano Proteine DNA e Virus Nanotubi Nanoparticelle

2 Potere risolutivo Luce di Sincrotrone Sincrotrone di Grenoble Sincrotrone di Trieste

3 Immagini da microscopia a raggi X Buono ma micro! un Globulo Rosso, nella forma a riccio, dovuta alla tecnica di essiccamento Immagini da microscopia a raggi X Nano ma ancora troppo! Un Batterio accumulatore di Mn

4 Microscopia SEM Microscopia Elettronica SEM TEM

5 Principi della Microscopia Elettronica Vale per tutte le microscopie a Scansione La scansione sul campione genera l immagine ricostruita dal calcolatore Immagini da microscopia Elettronica Decine di nano: buono!!! Virus Batteriofago T4

6 Immagini da microscopia Elettronica Molto ben definiti i dettagli! Colonia di Chroococcidiopsis al TEM con tre cellule racchiuse da un involucro polisaccaridico Immagini da microscopia Elettronica Effetto 3D nel SEM Parte terminale di un filamento di Nodularia (cianobatterio filamentoso) al SEM

7 Microscopia AFM Principi della Microscopia AFM Sfrutta l interazione tra gli atomi della punta e quelli del campione

8 Immagini da microscopia AFM Movimento e/o migrazione di un Macrofago Immagini da microscopia AFM Il Batterio S.Aureus (A) e il famoso E.Coli (B)

9 Immagini da microscopia AFM Rodopsina (proteina) impaccata nella membrana nativa Immagini da microscopia AFM Nanosfere (40 nm) fluorescenti

10 Immagini da microscopia AFM nanotubi Immagini da microscopia AFM Nanoparticelle d oro protette da un monostrato di tioli al fine della loro stabilizzazione

11 Immagini da microscopia AFM DNA Microscopia STM

12 Principi della Microscopia STM Fenomeno quantistico detto di Tunnel Principi della Microscopia STM Sfrutta la corrente di Tunnel che si instaura tra la punta e il campione

13 Spettroscopia STM Interrotta la scansione e posizionata la punta sulla regione di interesse, è possibile registrare una curva corrente/tensione Il ruolo dell acqua nella microscopia STM Modello di assorbimento dell acqua in film di molecole durante l acquisizione di immagine nella microscopia STM

14 Il ruolo dell acqua nella microscopia STM Immagini STM di un film di molecole a differenti gradi di umidità relativa (20% a sx e 42% a dx) Il ruolo dell acqua nella microscopia STM L equazione che definisce la corrugazione in funzione del tasso di umidità della camera di misura

15 Il ruolo dell acqua nella microscopia STM Average Corrugation [Amstrong] Ra ltive e nvironme nt humidity [%] Contact Angle [ ] % 50% 100% Relative Humidity [%] Andamento della corrugazione e dell angolo di contatto in funzione della Umidità Relativa della camera di misura Immagini da microscopia STM Immagine di Proteine (Centri di Reazione Fotosensibili) prima e dopo un riscaldamento a 150 C (dimensioni immagine 57.6 x 57.6 nm)

16 Spettroscopia STM su Proteine Curva corrente/tensione registrata su un Centro di Reazione in condizioni di luce (linea continua) e al buio (tratteggio) Immagini da microscopia STM Immagini di derivati dell acido Isoftalico (la barra rappresenta 2 nm)

17 Immagini da microscopia STM Immagini di DNA nella sua forma idratata (A) e parzialmente de-idratata (B) Immagini da microscopia STM Immagine di due giri di DNA comparata con il suo modello molecolare (dimensione immagine 5.2nm x 5.2nm)

18 Spettroscopia STM su Nanostrutture commento Immagini da microscopia STM Nanoparticelle di Solfuro di Cadmio (dimensioni tipiche 3 nm)

19 Immagini da microscopia STM? Atomi di Grafite altamente orientata visti al Microscopio STM Le distorsioni spaziali nella microscopia STM x x 1, x i = ) x j ( 2 = R ji φ x1 cos = x2 sin x1 = cos x2 = sin cos xi = sin ( φ) sin( φ) x1 ( ) ( ) φ cos φ x2 ( φ) x1 sin( φ) x2 ( ) ( ) φ x1 + cos φ x2 ( φ) x1 sin( φ) x2 ( φ ) x + cos( φ) x 1 2 Isomorfismo tra due spazi geometrici

20 Le distorsioni spaziali nella microscopia STM Teorema di Fourier Teorema di Fourier DIMOSTRAZIONE via Excel del Teorema

21 Calcolo Armoniche di Fourier Calcolo Armoniche di Fourier

22 Immagini da microscopia STM direzione z direzione y prima armonica seconda armonica direzione x Correzione delle distorsioni spaziali mediate FFT Le distorsioni spaziali nella microscopia STM Si riescono a correggere le distorsioni! Funzione inversa x x 1, x i = ) x j ( 2 = R ji φ x1 cos = x2 sin x1 = cos x2 = sin cos xi = sin ( φ) sin( φ) x1 ( ) ( ) φ cos φ x2 ( φ) x1 sin( φ) x2 ( ) ( ) φ x1 + cos φ x2 ( φ) x1 sin( φ) x2 ( φ ) x + cos( φ) x 1 2 Isomorfismo tra due spazi geometrici

23 Immagini da microscopia STM 0.24 nm! Correzione delle distorsioni spaziali sull immagine originale Conclusione Tutte queste microscopie sono strettamente necessarie per le Nano -Bio-Tecnologie