Single molecule tracking in confined geometries

Abstract

Tek moleküllerin ikili blok kopolimerlerin kullanılması ile elde edilen çevrelenmiş geometrilerdeki yayınım dinamiklerini anlamak için oda sıcaklığında tam içten yansımalı ışıma mikroskoplaması tekniği kullanılarak tek molekül deneyleri yapıldı. Öncelikle, tek moleküllerde görülen ışımanın yanıp sönmesi ve tümüyle sönmesi (görüntü şiddetinin bir basamakta gürültü seviyesine inmesi) fenonmenleri gözlenen ışımaların çeşitli saçılmalardan ziyade gerçekten tek moleküllerden geldiğini bildirmek amacıyla gösterildi. Ayrıca, moleküllerin çevrelenmiş geometrilerdeki (kanal çapları ~12-30 nm) yayınımlarının izlenmesinin ve elde edilen ikili blok kopolimerlerden elde edilen örneklerde oluşan yüzey şekil özelliklerinin incelenmesinin kullanılan deney düzeneği ile mümkün olduğunu göstermek için moleküllerin konumlandırılmasında ~1.5 nm'lik hassasiyete ulaşıldığı gösterildi. Bu amaçlar doğrultusunda, terrylene ve rhodamine B molekülleri kullanıldı ve bu moleküller PS, PMMA polimerleri ve farklı molekül ağırlıklarında üç ayrı PB-PEO ikili blok kopolimerleri içlerine gömüldü. Sırasıyla rhodamine B ve terrylene molekülleri, tek moleküllerin (ışıyan tek boya molekülleri) karakteristik özelliklerini anlamak ve incelemek için PMMA ve PS polimerleri içerisinde kullanıldı. Bu moleküller bahsedilen polimerler içerisinde ayrıca deneysel düzeneğin tek moleküllerin konumlandırılmasındaki çözünürlüğünün hesaplanmasında da kullanıldı. Terrylene molekülleri ayrıca, PB-PEO ikili blok kopolimer örnekleri içerisinde moleküllerin çevrelenmiş geometrilerdeki difüzyonlarının incelenmesi için kullanıldı.Terrylene moleküllerini içeren PB-PEO ikili blok kopolimer çözeltilerinin spin kaplanmasıyla elde edilen ince filmler, yüzey üzerinde önceden belirlenmiş şekil özelliklerini daha düzgün bir şekilde elde edebilmek için tavlandı. Bu sayede, terrylene moleküllerinin 1- ve 2- boyutlu yayınım yapmalarını sağlayacak PEO kristali içerisinde silindirik PB kanalları ve hava-film ara yüzeyinde PEO katmanı üzerinde 2- boyutlu PB katmanı elde edildi. Bunun sağlanmasından sonra, bu kanallar içerisinde ve katman yüzeyinde yayınım yapan moleküllerin izledikleri yollar çıkarıldı ve analiz edildi. Moleküllerin izledikleri yol bilgilerinin kullanılmasıyla yapılan incelemelerde, iki farklı molekül ağırlığındaki asimetrik PB-PEO ikili blok kopolimerleri yüzeyinde oluşan iki farklı genişlikte elde edilen PB kanallarında 1-boyutlu yayınım gösteren ve simetrik PB-PEO ikili blok kopolimerinden elde edilen 2-boyutlu PB katmanında 2-boyutlu yayınım yapan terrylene molekülleri gözlendi.1-boyutlu yayınım katsayılarının dağılımının 2-boyutlu yayınım katsayılarının dağılımından beklendiği gibi daha dar olduğu bulundu. Terrylene moleküllerinin normal yayınımları dışında ortalama karesel yerdeğişimi ile adım aralığı arasında parabolik ilişki gözlemlenen kanallar içerisinde yayınım yapan ve belli bir yönde akışa maruz kalan moleküller de moleküllerin izledikleri yollar ve bunların analiz edilmesiyle gözlendi. Bu tip bir harekete kanal yapılanması sırasında oluşan bozuklukların sebep olabileceği açıklandı. Şöyleki, PB kanal genişliklerinin bölgesel farklılıkları kanal içerisinde bölgesel yoğunluk değişimiyle sonuçlanabilir ve bu tarz bir hareketin gözlenmesine sebep olabilir. Bunlara ek olarak tek molekül izlenmesi yönteminin kendi kendine yapılanan blok kopolimer yüzey özelliklerinin karakterizasyonundaki hassasiyeti, kanal içerisinde bulunan düzensizlik ve heterojenliklerin molekülün hareketindeki etkileri nin incelenmesiyle vurgulandı. Bunların dışında elde edilen veriler AKM ve TEM sonuçları ile karşılaştırıldı ve sonuçların çok güzel uyum içerisinde olduğu gözlendi.

Single molecule experiments were performed utilizing total internal reflection fluorescence microscopy technique at room temperature for understanding diffusion dynamics of single molecules in confined geometries of diblock copolymer thin films. The characteristic behavior of single molecules such as blinking and photobleaching were first shown indicating the observation of real dyes rather than some scattering. Then, ~1.5 nm resolution of our experimental setup in positioning fluorescent dyes was shown which allowed us to study the dynamics of single molecules inside the obtained confined geometries (channel diameters ~12-30 nm) and to analyze the surface morphology of different block copolymer thin films. For this purpose, terrylene and rhodamine B dye molecules were used and embedded in PS, PMMA and three different molecular weight PB-PEO diblock copolymers. Rhodamine B and terrylene dye molecules were incorporated with PMMA and PS polymers for understanding and observation of characteristic behavior of single molecules, respectively. They were also utilized for the determination of resolution of our experimental setup in positioning single dye molecules. The usage of terrylene molecules in PB-PEO diblock copolymer samples was for studying the confined diffusion of single molecules.After spun-casting the thin films which were prepared by using PB-PEO diblock copolymer solutions including terrylene molecules, they were annealed to obtain better intended morphology. By this way, cylindrical channels of PB inside PEO crystalline matrix and 2-dimensional layer of PB at air film interface on top of PEO layer were obtained for providing 1- and 2-dimensional diffusion of terrylene dyes. After that, the trajectories of diffusion single molecules were obtained and analyzed. In this manner, the motion of terrylene probe molecules in confined PB channels having different channel diameter of two asymmetric PB-PEO diblock copolymers and the normal diffusion of terrylene dyes in 2-dimensional PB layer of symmetric PB-PEO diblock copolymer were investigated.The distribution of 1-dimensional diffusion coefficients were found to have narrower distribution compared to 2-dimensional diffusion coefficients in PB. In addition to normal diffusion of terrylene dyes, directed motion of them was also observed through the trajectories of some single molecules and their analysis where mean square displacement had parabolic time dependence. The origin of this behavior was explained by the presence of some defects in channel formations, i.e. change in local density inside the channel due to local variations in the PB channel width. Furthermore, effects of non-uniformities and heterogeneities in channels on motion of single molecule were studied demonstrating the sensitivity of single molecule tracking in characterizing self-assembled block copolymer morphologies where the trajectories of single molecules were well correlated with AFM and SEM results.