Nanoscale AFM Calibration Standard Using DNA Origami Nanotechnology
Atomic Force Microscopy (AFM) is one of the important tools in the field of nanotechnology, facilitating both the fabrication and analysis of nanostructures. Precise calibration of AFM instruments is imperative to guarantee measurement accuracy. Currently, lateral calibration standards for a range of several tens of nanometers are hardly commercially available, an essential range for many nanotechnological applications. Furthermore, there is a lack of reference standards for validating accurate measurements in the liquid state, crucial for biological and chemical samples in AFM.
This study addresses these challenges by proposing a novel approach to develop a calibration standard for AFMs at the nanoscale, compatible with both air and liquid environments. The method is based on DNA origami nanotechnology. DNA origami nanostructures are recognized as ideal candidates for engineering precise nanostructures because of their unique properties. These features include the precise addressability of DNA origami structures and the potential for atomic-scale labeling. In this study, the rectangular DNA origami was chosen for its simplicity and ease of modification. To minimize AFM tip-sample convolution effects, well-defined protrusions were placed onto the origami, providing clearer reference points for the AFM tip. These precisely positioned protrusions, define the final standard measurand.
To ensure that the designed structure aligns with metrological requirements, a series of crucial assessments were performed on it in both air and liquid environments. These assessments focused on stability, reproducibility, and durability, which are significant factors for the nanostructures if they are used as dimensional calibration standards.
The outcomes confirm the robustness of DNA origami structures, establishing them as a viable option for reliable calibration standards. After successful testing of the designed structure, an innovative AI-based measurement tool was developed to automate data analysis efficiently, ensuring the reliability of measurement results across a large number of nanostructures.
This nanoscale reference standard, created by leveraging simple equipment and materials, opens doors to affordable and precise calibration, transforming the landscape for research and industry.
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist ein wichtiges Werkzeug in der Nanotechnologie und erleichtert sowohl die Herstellung als auch die Analyse von Nanostrukturen. Eine präzise Kalibrierung von AFM-Instrumenten ist unerlässlich, um die Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten. Derzeit sind kaum laterale AFM-Kalibrierstandards für den Bereich von einigen zehn Nanometern verfügbar, der für viele nanotechnologische Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus fehlen Referenzstandards zur Validierung präziser Messungen in Flüssigkeitsumgebung, die für biologische und chemische Proben in der AFM entscheidend sind.
Diese Studie stellt einen neuartigen Ansatz zur Entwicklung eines Kalibrierstandard für AFM-Messungen im Nanometerbereich vor, mit dem diese Problematik gelöst wird. Die Methode ist sowohl mit Luft- als auch mit Flüssigkeitsumgebungen kompatibel und basiert auf der DNA-Origami-Nanotechnologie. DNA-Origami-Nanostrukturen gelten aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften als ideale Kandidaten für die Konstruktion präziser Nanostrukturen. Zu diesen Eigenschaften gehören die genaue Adressierbarkeit von DNA-Origami-Strukturen und die Möglichkeit, in atomarem Maßstab Markierungen zu erstellen. Aufgrund seiner Einfachheit und leichten Modifizierbarkeit wurde in dieser Studie das rechteckige DNA-Origami gewählt. Um die Faltungseffekte der AFM-Spitze an der Probe zu minimieren, wurden mithilfe von auf dem DNA-Origami platzierten Nanostrukturen wohldefinierte Referenzpunkte für die AFM-Spitze geschaffen. Diese präzise positionierten Nanostrukturen definieren das finale Standardmessobjekt.
Um sicherzustellen, dass die entwickelte Struktur den messtechnischen Anforderungen entspricht, wurde sie sowohl in Luft- als auch in Flüssigkeitsumgebungen einer Reihe von essentiellen Untersuchungen unterzogen. Diese Untersuchungen konzentrierten sich auf Stabilität, Reproduzierbarkeit und Haltbarkeit, die wichtige Faktoren für Nanostrukturen sind, die als dimensionale Kalibrierstandards verwendet werden. Die Ergebnisse bestätigen die Robustheit von DNA-Origami-Strukturen und etablieren sie als praktische Option für zuverlässige Kalibrierstandards. Nach erfolgreichem Test der entwickelten Struktur wurde ein neuartiges, KI-basiertes Messwerkzeug entwickelt, um die Datenanalyse effizient zu automatisieren und die Zuverlässigkeit der Messergebnisse über viele Nanostrukturen hinweg zu gewährleisten.
Dieser nanoskalige Referenzstandard, der mit einfachen Geräten und Materialien hergestellt wird, eröffnet den Weg zu einer kostengünstigen und präzisen Kalibrierung und verändert damit die Rahmenbedingungen für Forschung und Industrie.
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