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Die vorgelegte Arbeit zeigt die Ausarbeitung und die Überprüfung einer Theorie, mit welcher die Ergebnisse aus einem neu entwickelten Mess-Verfahren (DySEM-Technik) beschrieben werden können. Mit dem Begriff “DySEM“ (Dynamic Scanning Electron Microscopy) wird ein experimentelles Verfahren bezeichnet, bei dem ein Elektronenstrahl als Mess-Sonde über einem mikroskaligen Schwinger verfahren wird, wobei die Schwingung durch eingesetzte Lock-In Technik frequenzaufgelöst dargestellt werden kann. Neben dem klassischen Sekundärelektronen-Signal wird zur Bildgebung auch der Anteil aus dem Signal genutzt, der sich anregungssynchron ändert. Die DySEM-Technik ermöglicht eine direkte Visualisierung der Schwingungsdynamik der oszillierenden Struktur, da zwischen unterschiedlichen Eigenmoden (flexural, torsional) als auch den jeweiligen höheren Harmonischen optisch eindeutig unterschieden werden kann. Damit bietet sich dieses Verfahren als ein Werkzeug der Modal-Analyse mikroskaliger Schwinger an, welche in mikro- bzw. nanoelektromechanischen Systemen (MEMS bzw. NEMS) häufig Verwendung finden und bei denen eine Optimierung der Designparameter oft erst durch die Bildgebung der Schwingung zu erreichen ist. Zusätzlich zeigen die DySEM-Bilder charakteristische Amplituden-abhängige Bildmerkmale, die theoretisch verstanden werden müssen. Prinzipiell ist die DySEM-Technik nicht an den Elektronenstrahl als Mess-Sonde gekoppelt. Allerdings erweist sich gerade im Zuge fortschreitender Miniaturisierung mit immer kleinskaligeren Schwingern eine elektronenoptische Orts-Auflösung als günstig. Bei der theoretischen Analyse des Abbildungsmechanismus liegt der Fokus auf der Untersuchung der raum-zeitlichen Dynamik der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und der periodisch darunter hinweg schwingenden Mikrostruktur, für die erstmals ein umfängliches Modell abgeleitet werden konnte, wodurch die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse möglich wurde. Zusätzlich spielen lokale Eigenschaften (Materialeigenschaften) des Schwingers eine Rolle. Ebenso müssen die Beiträge von Energieverlustmechanismen zur Bildgebung berücksichtigt werden. Um die bildgebenden Gleichungen explizit ableiten zu können, beschränkt sich die mathematische Analyse in dieser Arbeit auf die Annahme eines frei oszillierenden, einseitig geklemmten Schwingers ohne Wechselwirkung mit Materie, wie es im DySEM-Experiment durch die Bildgebung im Hochvakuum angenähert wird. Die aufgrund dieses Modells simulierten DySEM-Bilder stimmen mit den experimentell gewonnenen Ergebnissen qualitativ und quantitativ gut überein.
Theoretical analysis of vibrating microstructuresusing Dynamic Scanning Electron Microscopy (DySEM)
(2015)
Tapping mode AFM (TM-AFM) is a standard technique to image biomolecules and cells avoiding damage to susceptible samples.
For preparing AFM samples we fixed (untreated and radiated) plasmids chemically on ultra-smooth mica silanized with APTES.
The recorded AFM images were examined concerning the contour length, the conformation and the writhing number of the plasmids.
We found that the measured contour length is in accordance with the number of base pairs. Apart from that, we indicate different structures of plasmids from our AFM images, which were assigned to our plasmid data from agarose gel-electrophoresis.
Structural changes in plasmid DNA caused by radiation and its protection by Ectoine: an AFM analysis
(2017)
Most ionizing radiation in water ends in an avalanche of low energy electrons which play a dominant role together with OH-radicals in damaging DNA. In the present study we irradiated plasmid DNA with electrons (primary energy 30keV) under physiological conditions, performed with as well as without Ectoine. Ectoine is a compatible solute, synthesized and accumulated in molar concentration within bacteria to withstand osmotic stress or different other stressors.
Plasmid DNA (pUC19, 2686 bp) was studied due to its supercoiled isoform which is highly sensitive to radiation damage. In biochemistry gel electrophoresis is applied for structural analysis of DNA. Although it is a standard technique, a reliable discrimination of short fragments caused by radiation is often difficult. AFM is also commonly used for imaging susceptible biomolecules and, since it is based on a single molecule observation, for analysis of contour lengths of linear DNA as well. Therefore, in our study the structural changes in plasmid DNA after irradiation with different doses were quantitatively analyzed by means of intermittent contact AFM. The figure shows representative AFM images of electron irradiated pUC19 DNA (bar=200nm). For AFM imaging the DNA was chemically fixed on ultra-smooth mica. As can be clearly seen, with increasing radiation dose the number of undamaged DNA declines and fragmented DNA arises (A, B). In aqueous Ectoine solution (1M) the effect of radiation on DNA is dramatically depressed. Ectoine apparently confers protection even against high radiation: the plasmids remain predominantly in the supercoiled isoform (D). Therefore, we strongly believe that Ectoine is a potent protective substance of DNA against ionizing radiation.
We use a dynamic scanning electron microscope (DySEM) to analyze the movement of oscillating micromechanical structures. A dynamic secondary electron (SE) signal is recorded and correlated to the oscillatory excitation of scanning force microscope (SFM) cantilever by means of lock-in amplifiers. We show, how the relative phase of the oscillations modulate the resulting real part and phase pictures of the DySEM mapping. This can be used to obtain information about the underlying oscillatory dynamics. We apply the theory to the case of a cantilever in oscillation, driven at different flexural and torsional resonance modes. This is an extension of a recent work (Schr¨oter et al 2012 Nanotechnology 23 435501), where we
reported on a general methodology to distinguish nonlinear features caused by the Imaging process from those caused by cantilever motion.
A specially designed scanning force microscope (SFM, atomic force microscope – AFM) was incorporated into the chamber of a commercial scanning electron microscope (SEM) to investigate vibrating SFM cantilevers at their resonance. Inherently, the spatial resolution of electron microscopy is higher than that of optical methods. In this paper we present vibration modes (eigenmodes) of two different SFM cantilevers. Their nonlinear behavior is also explored in order to depict their 2nd harmonics (twice the fundamental frequency). Imaging of the local vibration is performed by measuring the frequency- and phase-selective responses of the SE signal at different X and Y positions of the scanned electron beam.