Developing Atomic Force Microscopy Methods for Soft Matter Characterization

Titelangaben

Raßmann, Nadine:
Developing Atomic Force Microscopy Methods for Soft Matter Characterization.
Bayreuth , 2026 . - XVI, 251 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

This dissertation investigated soft matter by surface analytical tools, primarily based on atomic force microscopy (AFM). Throughout the work, AFM-based techniques were developed and employed to gain an in-depth understanding of soft matter’s physicochemical properties and formation processes. The work covered method developments, ranging from hyphenating existing techniques with electrochemistry to correlating X-ray scattering and AFM, as well as for studying the elasticity of particulate soft matter. The first project studied the nanostructure of colloidal crystals from bacteriophages. The assembly of the colloidal structures was governed by the interaction of bacteriophages with polyelectrolyte and depended on the chain length of the polycation as well as the assembly pH. Small-angle X-ray scattering (SAXS) proposed a hexagonal structure of the colloidal crystals in suspensions. Establishing an AFM-based imaging approach allowed for the characterization of the nanostructure of the surface-immobilized colloidal crystal in liquid, in real space, for the first time. By complementary use of AFM and SAXS, the hexagonal pattern of the colloids in the assemblies could be verified in real and reciprocal space. The second project characterized the electrochemical formation of a hydrogel film from a low molecular weight compound by two AFM-based techniques. The low molecular weight hydrogelator (LMWHG) was electrogelated directly at the electrode interface. Electrochemical water splitting at the working electrode induced the required pH shift to trigger interface-mediated hydrogelation of the pH-responsive LMWHG. Implementing the electrochemical cell into the AFM allowed to study the film thickness directly in the swollen state by means of AFM nanoindentation. Additionally, the films were dried, and the thickness was determined at a scratch in the dried films. Combining both AFM-based techniques, the impact of the LMWHG concentration, applied potential, and gelation time on the electrogelation could be demonstrated. Establishing the AFM-based techniques for thickness characterization opened up the possibility of controlling the hydrogel thickness. The electrogelation was studied exemplarily on a benzenetrisamide LMWHG. However, the principle and characterization techniques would work for any pH-responsive hydrogelator. The third project developed a novel method − the electrochemical picobalance − by integrating cantilever-based mass sensing with electrochemistry. Suitable electrochemical balance probes with an integrated microelectrode were custom-developed and fabricated. These electrochemical balance probes (EBPs) served a dual purpose: they detected the deposited mass via changes in the cantilever resonance frequency while they acted as microelectrodes simultaneously. The electrochemical standard process of copper deposition was employed to validate the novel method. The copper deposition on the marked not only the first electrodeposition on an AFM cantilever, simultaneously tracked electrochemically and gravimetrically. More importantly, the evaluation of the electrochemical mass via Faraday’s law of electrolysis demonstrated the quantitative mass detection at the electrochemical picobalance with a mass resolution of ≲ 1 pg. The here-developed and validated analytical technique enables tracing dynamic electrochemically induced or stimulated processes like electrogelation directly on an AFM cantilever with picogram resolution. Finally, the fourth project reassessed and enhanced a widely used method, namely AFM-nanoindentation. Albeit the technique of nanoindentation has been used for decades, there is still an ongoing discussion about the role of the indenter geometry and other parameters. Here, a systematic approach to these problems has been pursued. Two different microfluidically fabricated microgels were characterized by AFM nanoindentation, focusing on the impacts of experimental parameters like the geometry of the indenter, contact model, alignment of the indenter with the sample, or ramping velocity. The identical particles were indented with up to six cantilever-based indenters resembling the conical, spherical, and parallel-plate interaction geometries to elucidate the impact of the indenter geometry on the Young’s modulus. Combining AFM nanoindentation with finite element simulations of the microgel deformation before and during the indentation and total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy was the key to unraveling previously observed deviations between different indenter geometries. The findings showed that the simplified double contact model (SDC model) describes the indentation more adequately in comparison to the simpler Hertz model. Residual discrepancies between the indenter geometries in the framework of the SDC model originated from the varied contribution of the substrate-particle adhesion, which depends on the indenter size. The project concluded with best-practice advice to improve microgel nanoindentation’s cross-study comparability and data accuracy, which is also directly transferable for analyzing single cells.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Dissertation untersuchte weiche Materie mit oberflächenanalytischen Methoden, hauptsächlich basierend auf Rasterkraftmikroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurden rastermikroskopische Techniken, zur Charakterisierung physikochemischer Eigenschaften und Bildungsprozesse von weicher Materie, entwickelt und angewendet. Die Arbeit umfasste hierbei Methodenentwicklungen von der Verknüpfung existierender Methoden mit Elektrochemie hin zur korrelativen Verwendung von Rasterkraftmikroskopie und Streumethoden, sowie Elastizitätsbestimmung partikulärer weicher Systeme. Das erste Projekt untersuchte die Nanostruktur von Kolloidkristallen aus Bakteriophagen. Die Bildung der Kolloidkristalle wurde durch die Interaktion der Biokolloide mit Polyelektrolyten abhängig vom pH-Wert der umgebenden Lösung, sowie der Länge des Polykations gesteuert. Ergebnisse von Röntgenstreuexperimenten implizierten eine hexagonale Struktur der Kolloidkristalle in Suspension. Die Entwicklung einer rasterkraftmikroskopischen Technik zur Abbildung der filigranen Nanostukturen in Flüssigkeit, immobilisiert an einer Goldoberfläche, bestätigte die hexagonale Nanostruktur der Biokolloide im Realraum. Die Kombination komplementärer Techniken, Rasterkraftmikroskopie und Röntgenkleinwinkelstreuung ermöglichte den übereinstimmenden Nachweis hexagonaler kolloidaler Strukturen im Real- und reziproken Raum. Das zweite Projekt charakterisierte die elektrochemische Hydrogelbildung eines niedermolekularen Gelatormoleküls mittels zweier Rasterkraftmikroskopiemethoden. Die niedermolekulare, hydrogelbildende Verbindung wurde elektrochemisch an einer Elektrode geliert, ein Prozess der als Elektrogelierung bezeichnet wird. Die benötigen Protonen, um die Assemblierung der Moleküle zu initiieren, wurden elektrochemisch direkt an der Elektrodenoberfläche durch die Elektrolyse von Wasser generiert. Die Implementierung der Elektroden in eine Flüssigkeitszelle für Rastermikroskopie ermöglichte die Charakterisierung der Filmdicke im gequollenen Zustand mittels Indentationsmessungen. Darüber hinaus wurden die Hydrogelfilme getrocknet und die Schichtdicke aus Rasterkraftmikroskopieaufnahmen an der Kante eines Kratzers bestimmt und die Ergebnisse beider Methoden an denselben Filmen gegenübergestellt. Auf Grundlage beider Methoden konnte der Einfluss des angelegten Potenzials, der Elektrogelierungsdauer und der Gelatorkonzentration auf die Dicke der Hydrogelfilme demonstriert werden. Die rasterkraftmikroskopische Schichtdickenbestimmung legte hierdurch die analytische Grundlage zur Kontrolle der Schichtdicke im Assemblierungsprozess der niedermolekularen Hydrogel Filme. Die Elektrogelierung wurde hier exemplarisch anhand eines Trisamides untersucht. Sowohl das Prinzip der Elektrogelierung, also auch die Methoden zur Charakterisierung der Filmdicke, sind auf andere pH-responsive Gelatoren übertragbar. Das dritte Projekt entwickelte eine neue Methode, die elektrochemische Picowaage, durch Fusionierung einer existierenden Cantilever-basierten Picowaage mit einer elektrochemischen Zelle. Hierzu wurden spezielle elektrisch isolierte Rasterkraftmikroskopiesonden, welche eine planare Mikroelektrode beinhalten, entwickelt. Diese fungierten in der elektrochemischen Picowaage gleichermaßen als Arbeitselektrode und Massensensor. Die neue Methode wurde anhand der Kupferabscheidung, einem elektrochemischem Standardprozess, validiert. Hierdurch konnte nicht nur erstmals ein elektrochemischer Depositionsprozess, der mit einer Massenänderung einhergeht, simultan elektrochemisch und gravimetrisch auf einem AFM Cantilever verfolgt werden. Vielmehr wurde mit der Auswertung elektrochemischen Masse, nach Faradays Eletrolysegesetz, die quantitative Massendetektion in der Picowaage mit einer Auflösung von ≲ 1 pg demonstriert. Die erfolgreiche Validierung und Kalibrierung ermöglicht zukünftig dynamische elektrochemische Prozesse, wie die Elektrodepostion weicher Materie oder elektrische Stimulation biologischer Zellen, direkt an Rasterkraftmikroskopiesonden simultan gravimetrisch und potentiometrisch zu verfolgen. Das vierte Projekt setzte sich mit den instrumentellen Einflussfaktoren der rasterkraftmikroskopiegestützten Nanoindentation von Mikrogelpartikeln auseinander. Während die Technik zur Charakterisierung von Zellen und Mikrogelen bereits breite Anwendung findet, waren essenzielle Fragen zum Einfluss der Indentergeometrie, weiterer experimenteller Parameter, sowie die Beschreibung der Interaktion durch ein geeignetes Kontaktmodell, bisher nur unzureichend geklärt. Im Rahmen des letzten Projekts wurden diese offenen Fragen systematisch adressiert. Einzelne Mikrogelpartikel wurden mit sechs verschiedenen Indentern (rund, konisch, Kompression zwischen zwei Platten) deformiert und die Elastizitätsmoduln bestimmt. Die Indentationsdaten wurden mit Finite-Elemente-Simulationen und Interner Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie des Kontakts kombiniert. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Doppelkontaktmodell die bessere Beschreibung der Interaktion im Vergleich zum einfacheren Hertz Modell bietet und die verbleibende Diskrepanz auf unterschiedlich ausgeprägten Einfluss der Substrat-Partikel Adhäsion für verschiedene Indenter zurückgeführt werden kann. Darüber hinaus wurde die Wichtigkeit akkurater, Rasterkraftmikroskopie-basierter Ausrichtung von Indenter zum Mikrogelpartikel sowie der Einfluss von Indentationsgeschwindigkeit und Indentationstiefe demonstriert. Ausgehend von den umfangreichen experimentellen Untersuchungen verschiedener instrumenteller Einflussfaktoren auf die Elastizitätsmessungen mit den Rasterkraftmikroskop wurden praktische Hinweise für weitere Arbeiten auf ähnlichen Systemen formuliert.