Atomik kuvvet mikroskobu nedir? Ne işe yarar?

Görsel: Hamdi Torun (CC-BY)

Gözünüzü kapatın ve parmak ucunuzu gezdirdiğiniz yüzeyi betimleyecek bir resim oluşturmaya çalışın. Yüzey üzerindeki girinti ve çıkıntıları hissederek, yüzeyin üç boyutlu bir resmini zihninizde oluşturabilirsiniz. Ayrıca, yüzeyin parmağınıza göre ne kadar sert veya yumuşak olduğunu betimleyen bir tasvir yapabilirsiniz. İsterseniz bu imge yüzeyin ne kadar yapışkan veya kaygan olduğu üzerine de olabilir; hatta parmağınıza yapışan ve devamında tutup koparabileceğiniz parçalar da olabilir.  Ünlü vurmalı çalgı sanatçıları Burhan Öçal ya da Zakir Hussain kadar yetenekliyseniz parmaklarınız üzerinde dans ederken yüzeyde oluşan titreşimlerden yeni bir tasvir oluşturabilirsiniz.

Şimdi parmağınızı mikrometre (metrenin milyonda biri) boyutlarına; parmak ucunuzu da nanometre (metrenin milyarda biri) boyutlarına küçülttüğünüzü düşünün. Yüzey üzerinde geziniyorsunuz ve yüzeye vurmaya devam ediyorsunuz. Etkileşim alanı o kadar küçük ki artık yüzey üzerindeki molekülleri ve hatta atomları hissedebiliyor; onları etkileyebiliyorsunuz. İşte atomik kuvvet mikroskobuyla (Atomic force microscopy, AFM) yapılan tam olarak bu.

AFM nasıl çalışır?

Şekil 1. Atomik Kuvvet Mikroskobunun şematik gösterimi

Yazıya başladığımız analojiyle devam edecek olursak, parmağımız Şekil 1’deki manivelanın (cantilever) eşleniği olacak. Parmağımızı hareket ettirmemizi sağlayan kaslarımızın eşleniği de elektromekanik bir eyleyici (actuator) olacak. AFM sistemlerinde bu eyleyici, piezoelektrik kristallerle oluşturulan ve üç boyutlu öteleme sağlayan bir sistem bileşenidir (Şekil 1’deki “x-y-z piezo”). Piezo, üzerine uygulanan elektrik kutuplaşma (electrical polarisation) işareti sonucu nanometre hassasiyetle şekil değiştirerek manivelayı hareket ettiriyor. Parmağımızla taradığımız örnek yüzey ile parmak ucumuz arasındaki etkileşimleri hissetmemizi sağlayan sinir sistemimizin AFM’deki karşılığı ise Şekil 1’deki opto-elektronik düzenek. Manivelanın test örneği yüzeyiyle etkileşmesi sonucu manivelanın mekanik olarak ne kadar büküldüğünü basit bir optik düzenekle ölçebiliriz. Manivelanın bükülmesiyle elde edilen bilgiyi de manivelayı hareket ettiren sistem bileşenine aktararak görece akıllı bir sistem ile yüzey taramasını tamamlayabiliriz.

Şekil 2. Tipik bir atomik kuvvet mikroskobu (a) manivelasının [1] ve (b) manivela ucunun [2] taramalı elektron mikroskobu ile elde edilen görüntüleri
Atomik kuvvet mikroskobu sistemlerinin kalbinde yer alan manivelalar farklı malzemeler (genellikle silisyum ve silisyum nitrür) kullanılarak, farklı geometrilerde (genellikle basit bir dikdörtgen prizması veya üçgen kiriş) üretilir. Manivelalar, uzunlukları tipik olarak birkaç yüz mikrometre, örnek yüzeyine temas eden sivri uçları da birkaç nanometre boyutunda olacak şekilde seri bir şekilde üretilebilir. Şekil 2’de ticari olarak kullanıma sunulan AFM manivela örneklerinden ikisinin taramalı elektron mikroskobu ile elde edilmiş görüntülerini görebilirsiniz.

AFM neleri, nasıl “görebilir”?

Atomik kuvvet mikroskobu ile yüzey taraması sonucu elde edilecek bilginin yüzeyin uzamsal düzlemi üzerindeki uzamsal çözünürlüğünü (spatial resolution) belirleyen en temel parametre tahmin edeceğiniz gibi manivelanın yüzeyle temas eden ucun sivriliğidir. Yüzeyin pürüzlülüğünü hangi hassasiyetle ölçeceğimizi belirleyen parametre ise optoelektronik algılayıcının hassasiyetidir. Mevcut teknoloji düzeyinde optoelektronik algılayıcının duyarlılığı daha yüksek olmakla beraber hem yüzey pürüzlülüğünü hem de yüzeyin uzamsal düzlem bilgisini ångström (metrenin on milyarda biri) boyutunda ölçebildiğimizi söyleyebiliriz. Bu çözünürlük tek bir atomun gözlenmesi için yeterlidir. Örneğin bir altın atomunu bir küre olarak hayal edersek kürenin çapı 1,44 ångströmdür.

Şekil 3. (a) Naphthalene tetracarboxylic diimide (NTCDI) molekülü bağ modeli, (b) AFM ile edilmiş NTCDI görüntüsü, molekül bağ yapısı açıkça görülmektedir [3].
Manivelayı yüzey üzerinde gezdirirken manivelanın bükülmesiyle elde edilen bilgiyi yani atomik çözünürlükle oluşturulmuş pek çok büyüleyici görüntüyü internet üzerinde bulabilirsiniz. (Örneğin Şekil 3 Naphthalene tetracarboxylic diimide (NTCDI) molekülü bağ yapısını gösteriyor).

Yüzeyi tarayarak oluşturabileceğiniz görüntüler sadece yüzey pürüzlülüğü bilgisiyle sınırlı değil. Vurmalı çalgılardan tabla virtüözü Zakir Hussain’e tekrar dönmek isterim. Parmaklarını vurmalı bir çalgı üzerinde hızla dans ettirdiğinde yüzeyin mekanik özelliklerini hissedeceği gibi siz de AFM manivelasıyla yüzeye hafifçe vurarak yüzeyin mekanik özelliklerini ölçebilir ve bu bilgileri kullanarak yeni görüntüler oluşturabilirsiniz.

Örneğin, bir fitoplankton hücre duvarının görüntüleri Şekil 4’te gösteriliyor. Dokunuşlu görüntüleme (tapping mode) çalışmasıyla yüzeyin pürüzlülüğü (“height” ibareli resim) ile birlikte yüzeyin yapışım özelliğini (adhesion) ve sertliği (DMT modulus) de ortaya konabilir. Bu görüntülerin her biri yüzey hakkında farklı bilgi sunuyor ve AFM sistemleriyle oluşturulabilecek görüntü modları yeni çalışmalarla birlikte giderek artıyor.

Şekil 4. Fitoplankton hücre duvarının AFM ile elde edilmiş görüntüleri. Tek bir vurmalı tarama ile yüzey pürüzlülüğü ile birlikte yüzeyin mekanik özelliklerinden oluşturulmuş görüntüler elde etmek mümkündür. Sol üst köşedeki görüntü taramalı elektron mikroskobuyla elde edilmiş ve karşılaştırma için sunulmuştur.[4]

Moleküler etkileşimleri anlamak için AFM

AFM ile yapabileceğiniz tüm ölçümleri sıvı içinde de yapabilirsiniz. Bu basit gözüken cümle aslında çok büyük bir potansiyelin önümüzde durduğuna işaret ediyor: tek bir molekülün bir başka molekülle nasıl etkileştiğini kendi fizyolojik ortamlarında ölçebiliriz. Bu alanda geniş bir literatür var. Moleküllerin birbiriyle nasıl etkileşip bağ yaptığını ölçebilmek, hem bu konudaki bilimsel bilgimizi arttırıyor, hem de biyomoleküler yeni uygulamalara kapı aralıyor.

Literatürden güncel bir örnek vermek gerekirse: Yeni tip koronavirüsün (SARS-CoV-2) hücrelere ACE2 reseptörüne bağlanarak girdiğini duymayanız kalmamıştır. Virüs yüzeyindeki diken proteinleri (spike protein), ACE2 reseptörlerine bağlanarak virüs RNA’sının hücrelere girmesini sağlayan yolu açıyor. Tek bir diken proteininin tek bir ACE2 reseptörüyle nasıl etkileştiği AFM ile incelenip ve bu etkileşimi baskılamanın (inhibition) yolları araştırılıyor (Şekil 5).

Şekil 5. SARS-CoV-2 virüs yüzeyindeki diken proteinlerinin ACE2 reseptörleriyle tek molekül düzeyinde yaptığı etkileşimlerin AFM yardımıyla ölçülmesi. AFM manivelasına tutturulmuş ve yeşil renkle gösterilen moleküller (S1/RBD) virüs yüzeyindeki diken proteinlerini; test yüzeyi ve hücreler üzerinde kahverengi ile gösterilen moleküller de ACE2 reseptörünü gösteriyor.([5]‘ten Türkçeleştirilmiştir)
Manivelanın sivri ucunda diken proteini, manivelayla etkileşen yüzeyde de ACE2 proteini olduğunu düşünün. Manivelayı yüzeyle temas ettirdiğinizde moleküller birbirine bağlanacak, manivelayı yüzeyden ayırdığınızda da moleküler birbirinden kopacaktır. Bu şekilde yapılan deneyler manivelayı çekme hızınıza bağlı olarak moleküllerin 50-100 pikoNewton kuvvetle birbirine bağlandığını ortaya koymuştur. (1 Newton kuvvetin trilyonda biri. 100 gr ağırlığındaki bir elmayı elinizde tuttuğunuzda, elmanın size uygulayacağı kuvvet yaklaşık 1 Newton olacaktır.)

Teknolojinin tarihi ve bugünü

Herhangi bir teknolojiyi tanıtırken tarihiyle başlamak adettendir, ben de yazının sonuna bu konuda birkaç satır eklemek isterim. Teknolojinin mucitleri Gerd Binnig, Christoph Gerber ve Calvin Quate; 1985 yılında Stanford Üniversitesi’nde ilk sistemi kurmuşlar ve ilk görüntüleri elde etmişler. Bilimsel ve teknolojik ilerlemeler her ne kadar sistematik çalışmaların bir sonucu olsa da hayalimizde romantize ettiğimiz bir Evreka anı hep vardır.

Şekil 6. AFM mucitleri Binning, Gerber ve Quate 2016 yılında Kavli Nanoscience ödülünü aldılar [6]
Gerber de otobiyografisinde ilk görüntüleri aldıkları gecenin sonunda sabahın altısında o mutlulukla laboratuvardan çıkıp biraz golf oynadıklarını anlatır [7]. Eğer yolunuz Londra’daki Bilim Müzesi’ne düşerse, onların “icat ettiği” ilk AFM sistemini de görebilirsiniz [8]. Titreşimden etkilenmemesi için iplerle asılı bir şekilde çalıştırdıkları o küçük düzenek bugün yaklaşık 1 milyar Amerikan Doları büyüklüğünde bir pazar haline gelmiş durumda.

AFM, mikro/nanoteknolojideki gelişmelerle birlikte evrilen ve uygulama alanları genişleyen aktif bir araştırma alanı olarak bilim insanlarının ilgisini çekmeye devam ediyor. Türkiye’den pek çok bilim insanı da AFM literatürüne katkı yapıyor. Bazı örneklerle bu yazıyı sonlandırmak isterim. Bilkent Üniversitesi rektörü Abdullah Atalar ile Özyeğin Üniversitesi öğretim üyelerinden G. Göksenin Yaralıoğlu’nun teknolojinin mucitlerinden Calvin Quate ile birlikte yayınları bulunuyor. Orta Doğu Teknik Üniversitesi öğretim üyelerinden Ahmet Oral’ın kurucusu olduğu Nanomagnetics Instruments [8] kurulduğu 1998 yılından beri dünyanın pek çok ülkesine AFM sistemleri ihraç ediyor .

Hamdi Torun
Northumbria Üniversitesi, Matematik, Fizik ve Elektrik Mühendisliği Bölümü 

Kaynaklar/İleri Okuma

[1] NanoAndMore GMBH- The World of Scanning Probes and More  https://www.nanoandmore.com/AFM-Tip-OSCM-PT
[2] Team Nanotec – Micro and Nanofabrication Technology https://www.team-nanotec.de/index.cfm?contentid=10
[3] Sweetman, A. M., et al. “Mapping the force field of a hydrogen-bonded assembly.” Nature communications 5.1 (2014): 1-7.
[4] Berquand, Alexandre “Quantitative Imaging of Living Biological Samples by PeakForce QNM Atomic Force Microscopy”, Bruker Nano Surfaces Application Note #135
[5] Yang, Jinsung, et al. “Molecular interaction and inhibition of SARS-CoV-2 binding to the ACE2 receptor.” (2020).
[6] Atomic Force Microscopy: Yesterday, Today and Tomorrow, http://kavliprize.org/events-and-features/atomic-force-microscopy-yesterday-today-and-tomorrow
[7] Christopher Gerber- My Life in Science http://kavliprize.org/sites/default/files/Christoph%20Gerber%20autobiography.pdf
[8] First atomic force microscope, United States, 1985 https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co8685/first-atomic-force-microscope-united-states-1985-atomic-force-microscope
[9] Nanomagnetic Instruments, https://www.nanomagnetics-inst.com/tr/anasayfa/


Creative Commons LisansıBu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır. İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.


Önceki İçerikYapay zekâ ve protein katlanması -Ezgi Karaca ile söyleşi
Sonraki İçerikTıpta kullanılan görüntüleme sistemlerinin fiziği
Avatar photo

Hamdi Torun, Northumbria Üniversitesi’nde öğretim üyesidir. 2011-2017 arasında Boğaziçi Üniversitesi’nde öğretim üyeliği yapmış; 2009-2010 arasında Georgia Teknoloji Enstitüsü’nde doktora-sonrası araştırmacı olarak çalışmıştır. Biyomedikal teknolojiler geliştiren GlakoLens şirketinin kurucu ortağıdır. Lisans derecesini 2003 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi’nden, yüksek lisans derecesini 2005 yılında Koç Üniversitesi’nden, doktora derecesini 2009 yılında Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden almıştır.

Araştırmalarını mikro-nanosistemler alanında sürdüren Hamdi Torun, 2016’da BAGEP ve Elginkan Vakfı Teknoloji Ödülü’ne, 2014’te “MIT Tech Review Innovator Under 35 Turkey” ödülüne layık görülmüştür. 2011’de Marie Curie Fellowship (MC-IRG Grant) desteği almıştır. Araştırmalarının mühendislik odağı algılayıcı ve görüntüleme sistemlerinin, giyilebilir algılayıcı teknolojilerinin ve mikroakışkan platformların geliştirilmesidir. Bu yöntemlerle biyomoleküler etkileşimlerin tek molekül seviyesinde nasıl gerçekleştiği ve yüzeylerin sıvılarla mikro-boyutta nasıl etkileştiklerini araştırmaktadır.