Chimie Analytique II. Microscopie à force atomique

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1 Chimie Analytique II Microscopie à force atomique Daniel Abegg Nicolas Calo Emvuli Mazamay Pedro Surriabre Université de Genève, Science II, Laboratoire 144 Groupe 4 29 décembre 2008 Résumé Les résultats obtenus de l analyse de la topographie d un CD et d un DVD par la microscopie à force atomique (AFM) diffèrent des valeurs standards de fabrication. Des problèmes dans les réglages de l appareil ou un échantillon en mauvais état sont des possibles explications pour ces résultats. Par contre la valeur expérimentale du rayon de la ferritine est assez proche de la valeur théorique. Ce rayon a été obtenu à partir de la valeur du rayon de la pointe du cantilever de l appareil qui a son tour a été déterminé grâce à l analyse d un échantillon d or colloïdal qui sont des particules non déformables. Quelques caractéristiques concernant les CD et DVD seront aussi discutées. Introduction La microscopie à force atomique est une des méthodes utilisée pour l étude de la topographie de certaines surfaces. L interaction entre les atomes d un échantillon scanné et la pointe d un levier modifie l amplitude de vibration de ce dernier. Deux modes peuvent être utilisé, Contact et Tapping, ce dernier étant caractérisé par la vibration du levier à une certaine fréquence. Cette variation est lue par la réflexion d un laser sur des photodiodes, ce qui permet d obtenir la hauteur z et un système piézoélectrique ou galvanométrique crée et mesure les différents déplacements de l échantillon en x et en y. Ces mesures en trois dimensions sont ensuite récoltées par un ordinateur qui les transforme en images. Le but de ce TP est d apprendre les principes de base d utilisation de cette méthode, 1

2 de visualiser la topographie des échantillons de CD, de DVD et de mesurer la distance entre deux puits, leur profondeur et leur largeur. Les dimensions d une protéine globulaire et le rayon de la pointe du levier seront aussi déterminés. Méthodologie CD et DVD On prélève un échantillon de CD et de DVD de 1 1 cm qui, après avoir été débarrassé de la couche réfléchissante, est nettoyé et placé sous la pointe du levier. La méthode utilisée pour ces mesures est le tapping. On règle les différents paramètres de l ordinateur permettant d obtenir une meilleure qualité de l image. Les puits y apparaissent sous la forme des petits traits noirs sur un fond doré. On y mesure différentes longueurs telles que la profondeur d un puits, sa longueur et sa distance aux puits voisins. Dimensions d une protéine globulaire On prépare une solution aqueuse de ph 4 de Ferritine, puis on découpe un morceau de mica et une de ses faces est retirée. Celui-ci est plongé dans la solution de Ferritine pendant 15 minutes et la protéine est ainsi fixée, pour être ensuite séchée. Les dimensions des molécules de Ferritine sont finalement déterminées. Détermination du rayon de la pointe de levier On découpe un morceau de mica et une de ses faces est enlevée. La pièce est ensuite plongée dans une solution aqueuse préalablement préparée de 0.1 M de Polyéthyleneimine. Le morceau de mica y est plongé pour que le poly électrolyte s y dépose. La pièce de polyélectrolyte positivement chargé est incubée pendant 10 minutes dans une solution d or colloïdal (ph 4) de charge négative, pour qu il s y fixe par interaction électrique. La pièce est retirée puis séchée et enfin, on mesure la hauteur et largeur des particules d or. 2

3 Résultats Topologie des CD et DVD Fig. 1 Image des alvéole d un CD prise avec une résolution de µm. Fig. 2 Image des alvéole d un DVD prise avec une résolution de µm. CD CD th DVD DVD th distance entre puits 995.4± ±9.3 >400 longueur des puits ± ±1.8 >400 profondeur puits 57.3± ± Tab. 1 Distances caractéristiques du CD et DVD en nm. Dimension de la protéine globulaire Ferritine Ferritine Particule d or hauteur 10.66± ±0.06 largeur 192.0± ±0.49 ratio h/l Tab. 2 Hauteur et largeur mesurée pour la ferritine et les particules d or en nm ainsi que le ratio hauteur/longueur. 3

4 Fig. 3 Vue de la protéine Ferritine avec une résolution de 5 5 µm, avec artefacts de la pointe Fig. 4 Vue des particules d or avec une résolution de 5 5 µm, avec artefacts de la pointe Taille de la pointe du microscope ( ) 2 d = (R pointe + r or) 2 (R pointe r or) 2 = 4R pointe r or 2 Rayon de la ferritine R pointe = d2 = r or = nm r ferritine = Précision des mesures d 2 16 R pointe = = 6.73 nm résolution [µm] erreur Tab. 3 Erreur lors de la prise des mesures en nm. Les données pour le CD ont été en grande partie (75%) prise à partir d image µm et les autres en µm, pour le DVD les valeurs sont selon la résolution µm et un peu en 5 5 µm. Les dimensions de la protéine ont été prise sur une image 5 5 et pour les particules d or la même résolution a été utilisé. 4

5 Discussion Les différents puits observés dans la topographie du CD et du DVD correspondent à de l information codée et emmagasiné. Les plus petits puits correspondent à un bit, et donc les largeurs des puits plus grands sont des multiples de la largeur du plus petit puits. Nous observons que les valeurs déterminées expérimentalement pour la profondeur des puits dans le CD sont considérablement plus petits que les valeurs standards (environ un tiers) pour la fabrication des ces disques. Quelques explications ont été envisagées : l échantillon analysé contenait de la saleté qui a rempli partiellement les puits ou peut-être les paramètres (PI et Pgain) de l appareil n étaient pas bien ajustés pour une observation adéquate de la profondeur des puits du CD. D autre part il faut considérer aussi que l erreur de mesure est très grande (table 3) car la mesure est fait manuellement et sur l écran les valeurs affichées varient beaucoup pour un faible déplacement de la souris, ce qui se voit par la distance à la mi-hauteur (width) des gaussiennes en annexe. Nous constatons aussi que la profondeur des puits dans le CD est plus grande que dans un DVD. En réalité c est devrait être l inverse, car la longueur d onde du laser pour le CD est de 780 nm contre nm pour le DVD et la profondeur d un puits est le quart de la longueur d onde (indice de réfraction du polycarbonate est égal à 1.55). Les résultats non cohérent pourrait être expliqué par un problème de paramètres. On observe aussi que les puits sont beaucoup plus nombreux dans le DVD que dans les CD. Ceci explique pourquoi on peut stocker plus d information dans un DVD. Une approximation de la taille d un DVD peut-être faite. Un CD peut stocker 650 MB mais pour le DVD il y a environ une longueur et une distance entre puits de moitié et en plus l espacement entre piste est aussi de moitié du CD donc la taille devrait être huit fois supérieur soit 5200 MB, en réalité elle est de 4700 MB La principale différence entre un vinyle et un CD c est que le premier est analogique et le deuxième est numérique. En effet, l instrument utilisé pour lire les CD est un laser qui va lire les puits et ensuite il y a décodage de cette information numérique. Ainsi si on veut coder le numéro 5 dans le CD il faut d abord le transformer en écriture binaire qui donne 101, donc 3 bits qui correspondent à un plat, un puits et un plat. Il faut aussi préciser que les CD contiennent une couche réflective sur les puits pour permettre au rayon laser d être réfléchi et ainsi lire le signal. Par contre, dans les vinyles c est une aiguille est utilisée pour reconnaître les aspérités gravées dans le sillon qui correspondent à un signal analogique qui est directement interprété comme musique. La distance de 3 bites sur un CD de correspond à µm[2] soit la taille minimale d un puits, ce qui est très petit comparé au diamètre d un cheveu humain (8-180 µm). Si on prend un CD-RW, on n observerait pas des puits, car les CD-RW utilisent un autre principe pour enregistrer de l information. En effet, il existe une couche polycristalline (composée d argent, d indium, d antimoine et de tellure) qui est thermosensible et que selon la température à laquelle elle est chauffée elle peut devenir transparente ou opaque. Ces changements des caractéristiques sont interprétés par le laser du lecteur comme de 5

6 l information codée en binaire. Il n y a donc pas de puits crée pour enregistrer de l information. Lors de l analyse de la topographie des protéines de ferritine ainsi que de l or colloïdal, nous avons observé que les formes des ceux-ci n étaient pas exactement des cercles, mais des demi-cercles avec l autre partie en forme triangulaire. Ceci étai dû à un effet d artefact de la pointe. Donc il a fallu faire une coupe transversale du demi-cercle pour obtenir les mesures correctes. Il est observé que la dimension de la pointe du microscope est très élevée, car normalement elle se situe est 10 et 100 nm. Ceci peut être dû à l artefact de la pointe mentioné ci-dessus ou bien nous avons mesuré des argregats (voir ratio table 2). La même chose s est produite pour les mesures de la ferritine, ce qui nous a permis d obtenir un rayon cohérent. Pour la préparation de l échantillon d or colloïdal nous avons utilisé du poly(éthylèneimine) (PEI) qui est un polymère à plusieurs branches contenant des amines primaires, secondaires et tertiaires. A ph 4, le polymère est chargé positivement puisque les amines sont toutes protonées. A ph 10 le polymère ne possède pas de charge. Faire absorber la ferritine à ph 3 dans une surface de silice n est pas une bonne idée car à ce ph la silice est neutre et la ferritine est chargée positivement, donc il n y aura pas une bonne interaction entre les deux. Les paramètres Setpoint et PI (proportional integral) du feedback loop auront une influence important sur la mesure de la hauteur des particules d or et de la ferritine, car ils contrôlent la manière d agir du cantilever lors de l interaction de la pointe avec la surface. L amplitude du Tapping est importante car la précision de la mesure dépend d elle. Si l amplitude est trop grande, la pointe passe beaucoup moins de temps en contact avec la surface de l échantillon que si elle avait une amplitude moindre, ceci se traduit par une perte d information sur la topographie de l échantillon. Analyser l or colloïdal avec le mode Contact pourrait entraîner des variations par rapport à la mesure correcte. En mode contact, la pointe reste tout le temps en contact avec la surface de l échantillon, et donc dans le cas de l or, la pointe pourrait faire déplacer une particule qui éventuellement n est pas très bien adsorbé, et comme conséquence elle mesure une longueur plus grande. Il est très important de faire l analyse de la topographie de la ferritine avec la même pointe qu on a utilisé pour analyser l or colloïdal. Les calculs pour le rayon de la pointe dépendent des résultats de l analyse de l or et les calculs pour le rayon de la protéine dépendent du rayon de la pointe. Le rayon expérimental déterminé (6.73 nm) est assez proche de la valeur du rayon hy- 6

7 Fig. 5 Coupe de profil illustrant la hauteur expérimentale de la ferritine prise sur une image de 2 2 µm. drodynamique (rayon de Stokes) théorique de la protéine qui est de 6,71 nm[1]. Or nous observons que la hauteur moyenne du signal est de nm au lieu d être d environ 13 nm, cependant dans quelques cas nous avons mesuré des protéines qui avaient une hauteur entre 12 et 15 nm (figure 12). Donc la plupart de protéines sont aplaties. Conclusion De mauvaises calibrations pour les paramètres de PI et Pgain nous ont empêché d avoir de bons résultats pour la topographie du CD et du DVD. Par contre, lors de la mesure des rayons de particules d or colloïdal et de la ferritine, les paramètres étaient bien ajustés et les résultats expérimentaux sont assez proches de valeurs théoriques. Nous avons constaté que malgré la puissance de l appareil pour faire des mesures à l échelle du nanomètre, nous perdons beaucoup de précision en faisant manuellement la prise de données. D autre part ce TP nous a permis de approfondir nos connaissances sur le fonctionnement du CD et du DVD, ainsi que explorer une méthode moderne et puissante pour l analyse des surfaces. Références [1] Christoph de Haën. Molecular weight standards for calibration of gel filtration and sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis : Ferritin and apoferritin. udi=b6w9v-4dytnj8-1r3&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort= d&view=c&_acct=c &_version=1&_urlversion=0&_userid=10&md5= 5b54ffb2a7a09eec014be85a5f91aca [2] Commentcamarche. Ordinateur - CD, CD audio et CD-ROM. commentcamarche.net/contents/pc/cdrom.php [3] M. Borkovec. Lab journal of analytical chemistry II : Microscopie à force atomique,

8 Annexes CDrom Fig. 6 Distance entre les puits d un CDrom avec une résolution de 20x20 et 12x12 nm Fig. 7 Longueur entre les puits d un CDrom avec une résolution de 20x20 et 12x12 nm Fig. 8 Profondeur des puits d un CDrom avec une résolution de 20x20 et 12x12 nm 8

9 DVDrom Fig. 9 Distance entre les puits d un DVDrom avec une résolution de 10x10 et 5x5 nm Fig. 10 Longueur entre les puits d un DVDrom avec une résolution de 10x10 et 5x5 nm Fig. 11 Profondeur des puits d un DVDrom avec une résolution de 10x10 et 5x5 nm 9

10 Ferritine Fig. 12 Hauteur de la ferritine avec une résolution de 5x5 nm Fig. 13 Largeur de la ferritine avec une résolution de 5x5 nm 10

11 Particules d or Fig. 14 Largeur des particules d or avec une résolution de 10x10 et 5x5 nm Fig. 15 Largeur des particules d or avec une résolution de 10x10 et 5x5 nm 11

12 Données expérimentales CD DVD Ferritine Or distance profondeur longueur distance profondeur longueur hauteur largeur hauteur largeur

13 CD DVD Ferritine Or distance profondeur longueur distance profondeur longueur hauteur largeur hauteur largeur Tab. 4: Données exprérimentales en nm. 13

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