Nanoscale imaging with atomic force microscopy (AFM)

Mgr. Veronika Horáčková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V mnoha oblastech vědy a technologií je velkým trendem dostat se u zkoumaného či vyvíjeného materiálu až k nanometrickému rozlišení, případně až na velikost atomů. Využívání mikroskopie atomárních sil (AFM) pro studium různých druhů vzorků v přírodovědných a technických aplikacích tedy stále rapidně roste. AFM není pouhým nástrojem pro měření topografie povrchu, ale učinila významné příspěvky v různých výzkumných oblastech, které se zabývají strukturou, vlastnostmi, dynamikou a nanomanipulací biologických materiálů. AFM stále prokazuje, že je užitečným a univerzálním nástrojem pro studium mikro a nanostruktur. Tato práce popisuje vybrané výsledky a prezentuje aspekty tohoto výzkumu. Vybrané příklady prezentují a zahrnují topografie nanostruktur, vlastnosti povrchů a interakce na molekulární úrovni. Je zde popsána celá řada imobilizací dsDNA na slídový povrch, dále interakce ssDNA se specifickým SSB proteinem pomocí silové spektroskopie. Práce také popisuje uplatnění AFM na poli charakterizace nanočástic pruské modři a velice moderních upkonverzních nanočástic. Kromě toho práce prezentuje AFM výsledky z výroby grafen oxidu z grafitového prášku, kde bylo AFM použito ke zjištění kvality připravovaných vzorků a následně pro popis topografie grafen oxidu. Získaná data a jiné poznatky jsou prezentovány v přiložených recenzovaných článcích a dále v kapitole s doplňujícími dosud nepublikovanými výsledky.

Abstract:

In many areas of science and technology a great trend is to achieve for the investigated or developed material the nanometric resolution, possibly up to the size of atoms. The use of atomic force microscopy (AFM) to study different types of materials in science and engineering applications is therefore rapidly growing. AFM is not merely an instrument for measuring surface topography, but it has made significant contributions in various research areas that deal with the structure, properties, dynamics and nanomanipulation of biological samples. This dissertation describes the obtained results and presents aspects of this research. Selected examples present and include topography of nanostructures, surface properties and interactions at the molecular level. AFM proves to be a useful and versatile tool for the study of micro– and nanostructures. The options of immobilization of dsDNA on mica surface are described, further interaction of ssDNA with specific single-stranded binding protein using force spectroscopy is discussed. The thesis also describes the application of AFM for the characterization of Prussian blue nanoparticles and recently introduced upconverting nanoparticles. In addition, AFM follows the production of graphene oxide from graphite powder, where it is used to determine the quality of the prepared sample and to describe the topography. The obtained data and other findings are presented in the accompanying peer-reviewed articles and a chapter with additional unpublished results.

Keywords

Atomic force microscopy (AFM), Nucleic acids, DNA-protein interaction, Prussian blue nanoparticles, Upconverting nanoparticles, Graphene oxide, Mikroskopie atomárních sil (AFM), Nukleové kyseliny, DNA-protein interakce, Nanočástice pruské modři, Upkonverzní nanočástice, Grafenoxid

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 6. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 3. 11. 2017
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.
• Reader: Mgr. Zdenka Fohlerová, Ph.D., prof. RNDr. Tibor Hianik, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biomolecular Chemistry