Extracellular vesicles are important players in cell-to-cell communication and have the potential to be used as biomarkers for decease. The mechanical properties of extracellular vesicles is an active field of research, with new methods and models being developed. In this thesis, two samples of extracellular vesicles containing different levels of membrane protein expressions are investigated using atomic force microscopy. Three models for determining stiffness are applied to the samples: the Hertz model, an adhesion angle dependent model, and the modified Canham-Helfrich model. The Hertz model indicated a higher Young’s Modulus for vesicles without membrane proteins, but with large errors. The adhesion angle dependent model did not provide high enough sensitivity to determine any difference in stiffness between the two samples. The modified Canham-Helfrich model indicated a higher bending modulus for the vesicles with membrane proteins. The results highlight the importance of taking several measurements on each vesicle, in contrast to how the method is currently applied in research. / Extracellulära vesiklar är essentiella komponenter inom cell-till-cell-kommunikation, och har potentialen att kunna användas som sjukdomsmarkörer. Extracellulära vesiklars mekaniska egenskaper är ett aktivt forskningsfält där nya experimentella metoder och teoretiska modeller är under utveckling. I den här arbetet används atomkraftsmikroskopi för att undersöka de mekaniska egenskaperna av två prover av extracellulära vesiklar med olika mängd membranproteiner. Tre modeller för att utvärdera deras styvhet tillämpas: Hertz-modellen, en adhesionsvinkelberoende modell, och den modifierade Canham-Helfrichmodellen. Hertz-modellen indikerade högre elasticitetsmodul för provet med lägre antal membranprotein, men med stora fel i mätningarna. Den adhesionsvinkelbaserade modellen var inte känslig nog att påvisa några skillnader i styvhet mellan proverna. Den modifierade Canham-Helfrich-modellen indikerade att vesiklarna med membranprotein har högre böjmodul än veiklarna utan membranprotein. Resultaten understryker att det är viktigt att göra flertalet mätningar på varje vesikel, i kontrast mot hur modellen tillämpas i dagsläget.

Extracellular vesicles (EVs) are lipid bilayer encapsulated nanoparticles which have emerged as an excellent source of biomarkers for multiple diseases, including cancer. However, they are highly heterogeneous in their molecular compositions which remains a major challenge hindering the utilization of their biomarker potential. A single-EV analysis is essential to both discovery and detect EVs that carry disease-specific signature. In this work, we designed plasmonic nanohole array for capturing single EVs and perform fluorescence detection of their membrane proteins by exploiting plasmonic amplification of the fluorescence signal. The design of the array was optimized using COMSOL Multiphysics-based simulation. Nanohole arrays with three different periodicities were fabricated on aluminum thin film on glass substrate. The substrates were then functionalized with three different methods for investigation of antibody-free capturing techniques, which are electrostatic interaction, hydrophobic interaction, and size-selective capturing. After surface functionalization with each of the techniques, genetically engineered EVs expressing mNeonGreen (mNG) were incubated and their capture efficiency were compared. The presence of single-EVs within plasmonic nanoholes was verified through both fluorescence analysis and atomic force microscopy (AFM). Fluorescence intensities of mNG-EVs recorded with the plasmonic chip with different periodicities showed intensity variations in agreement with the simulation results. Furthermore, the EVs were immunostained with R-phycoerythrin (R-PE) conjugated CD-9 to demonstrate the possibility of general and multimarker fluorescence detection. In a separate experiment, DOPC liposomes were synthesized and their deformability was analyzed by using AFM. The nanohole array provides a basis for a future platform of EV analyses, promising to capture the signature arising from low expressing proteins. / Extracellulära vesiklar (EV) är lipadmembranförsedda nanopartiklar som har dykt upp som en utmärkt källa till biomarkörer för flera sjukdomar, däribland cancer. De är dock mycket heterogena i sina molekylära sammansättningar, vilket skapar en stor utmaning och hindrar utnyttjandet av deras potential som biomarkörer. EV-analys på enpartikelnivå är nödvändig både för att upptäcka och detektera vesiklar som har en sjukdomsspecifik signatur. I detta arbete designade vi en plasmonisk uppsättning av nanohål för att fånga enstaka EVs och utföra fluorescensdetektion av deras membranproteiner genom att utnyttja plasmonisk amplifiering av fluorescenssignaler. Designen av uppsättningen optimerades med hjälp av COMSOL Multiphysics-baserad simulering. Nanohålsuppsättningar med tre olika periodiciteter tillverkades på tunn aluminiumfilm på glassubstrat. Substraten funktionaliserades sedan enligt tre olika metoder för undersökning av antikroppsfria bindningsmetoder. De tre metoderna är elektrostatisk interaktion, hydrofob interaktion och storleksselektiv bindning. Efter ytfunktionalisering med var och en av teknikerna inkuberades vesiklar genetiskt modifierade att uttrycka mNeonGreen (mNG) och deras bindningseffektivitet jämfördes. Närvaron av individuella EVs i plasmoniska nanohål bekräftades genom både fluorescensmikroskopi och atomkraftsmikroskopi (AFM). Fluorescensintensiteter för mNG-EVs registrerades med plasmonchipet med olika periodiciteter och visade intensitetsvariationer i överensstämmelse med simuleringsresultaten. Dessutom immunfärgades vesiklarna med R-fykoerytrin (R-PE) konjugerad CD-9 för att påvisa möjligheten till allmän och multimarkör fluorescensdetektion. I ett separat experiment syntetiserades DOPC-liposomer och deras deformerbarhet analyserades med AFM. Nanohåluppsättningen lägger grund för en framtida plattform för EV-analys, som lovar att fånga signaturen som uppstår från låguttryckande proteiner.

Ionic liquids (ILs) present new approaches for controlling interactions at the solid-liquid interface. ILs are defined as liquids consisting of bulky and asymmetric ions, with a melting point below 373 K. Owing to their amphiphilic character they are powerful solvents but also possess other interesting properties. For example, ILs can self-assemble and are attracted to surfaces due to their charged nature. As a result, they are capable of forming nanostructures both in bulk and at interfaces. This thesis describes how the solid-IL interface responds to external influences such as elevated temperatures, the addition of salt and polarisation. An improved understanding of how these factors govern the surface composition can provide tools for tuning systems to specific applications such as friction. Normal and friction forces are measured for ethylammonium nitrate (EAN) immersed between a mica surface and a silica probe, at different temperatures or salt concentrations. The results demonstrate that an increase in temperature or low concentrations of added salt only induce small changes in the interfacial structure and that the boundary layer properties remain intact. In contrast, at sufficiently large salt concentrations the smaller lithium ion prevails and the surface composition changes. The interfacial layer of a similar IL is also investigated upon the addition of salt and the results reveal that lithium ions affect the surface composition differently depending on the ion structure of the IL. This demonstrates that the surface selectivity strongly depends on the ion chemistry. Remarkably, a repulsive double layer force manifests itself for EAN at 393 K, which is not observed for lower temperatures. This indicates a temperature dependent change in EAN’s microscopic association behaviour and has general implications for how ILs are perceived. A new method is developed based on a quartz crystal microbalance to investigate how the surface compositions of ILs respond to polarisation. The approach demonstrates that interfacial layers of both a neat IL and an IL dissolved in oil can be controlled using potentials of different magnitudes and signs. Furthermore, the method enables two independent approaches for monitoring the charges during polarisation which can be used to quantify the surface composition. The technique also provides information on ion kinetics and surface selectivity. This work contributes to the fundamental understanding of the solid-IL interface and demonstrates that the surface composition of ILs can be controlled and monitored using different approaches. / Jonvätskor möjliggör nya tillvägagångssätt för att kontrollera interaktioner vid gränsskiktet mellan fasta ytor och vätskor. Jonvätskor definieras som vätskor som består av stora och asymmetriska joner med en smältpunkt under 373 K. På grund av sin amfifila karaktär är de starka lösningsmedel men har också andra intressanta egenskaper. Jonvätskor kan till exempel självorganisera sig och attraheras till ytor på grund av sin laddning. En följd av detta är att de bildar nanostrukturer både i bulk och på ytor. Denna avhandling beskriver hur gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor svarar på yttre påverkan såsom en ökning i temperatur, tillsättning av ett salt samt polarisering. En ökad förståelse för hur dessa faktorer styr ytkompositionen av jonvätskor kan bidra med verktyg för att kontrollera system till specifika applikationer såsom friktion. Normala- och friktionskrafter mäts för etylammonium nitrat (EAN) mellan en glimmeryta och en kolloidprob vid olika temperaturer eller saltkoncentrationer. Resultaten visar att en ökning av temperatur eller låga koncentrationer av tillsatt salt bara marginellt framkallar ändringar i strukturen på gränsytan och att det adsorberade lagret förblir intakt. När saltkoncentrationen emellertid var tillräckligt hög får den mindre litiumjonen överhanden och ytsammansättningen ändras. Ytlagret av en liknande jonvätska undersöks också vid tillsättning av salt och resultaten avslöjar att litiumjoner påverkar ytsammansättningen annorlunda beroende på jonstrukturen av jonvätskan. Detta visar att ytselektiviteten starkt beror på jonkemin. En repulsiv dubbellagerkraft yttrar sig anmärkningsvärt för EAN vid 393 K vilket inte observeras vid lägre temperaturer. Detta indikerar en ändring i EANs mikroskopiska sammansättningsbeteende och har generella återverkningar för hur jonvätskor uppfattas. En ny metod har utvecklats baserad på en kvartskristall mikrovåg för att undersöka hur ytsammansättningen av jonvätskor reagerar på polarisering. Denna metod visar att det adsorberade lagret av både en ren jonvätska och en jonvätska löst i olja kan kontrolleras genom att applicera spänningar med olika tecken och storlekar. Dessutom möjliggör metoden två oberoende tillvägagångssätt för att övervaka laddningarna under polarisering vilket kan användas för att kvantifiera ytsammansättningen. Tekniken ger också information om jonkinetik och ytselektivitet. Detta arbete bidrar till den grundläggande förståelsen av gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor och visar att ytsammansättningen av jonvätskor kan kontrolleras och övervakas med olika tillvägagångssätt. / <p>QC 20160518</p>

Carbon nanotubes (CNTs) have gathered a lot of interest because of their extraordinary mechanical, electrical and thermal properties and have potential applications in a wide variety of areas such as material-reinforcement and nano-electronics. The properties of nanotubes are dependent on their diameter and methods for determining this using atomic force microscopy (AFM) in tapping mode assume that the measured height of the tubes represent the real diameter. Based on early, faulty calculations, the forces in tapping mode were assumed to be much lower than in contact mode, however it was later shown that forces in tapping mode can at point of impact rival the forces present in contact mode. This means that there is a potential risk of tube deformation during tapping mode measurements, resulting in incorrectly determined diameters. This work studies CNTs deposited on a silicon-substrate to analyze the effect of three common AFM settings (tapping frequency, free oscillation amplitude and setpoint) to determine their effect on measured CNT diameters and recommendations for choosing settings are given. / Kolnanorör har skapat mycket intresse på grund av sina extraordinära mekaniska, elektriska och termiska egenskaper och har lovande tillämpningar inom en mängd olika områden så som materialförstärkning och nanoelektronik. Kolnanorörens egenskaper påverkas kraftigt av deras diameter och de metoder som använder sig av atomkraftsmikroskopi(AFM) för att mäta diametern hos rören antar att den höjd-data man får fram är ett bra mått på den verkliga diametern hos rören. Baserat på tidiga, felaktiga beräkningar, antog man att kraften i ’tapping mode’ skulle vara mycket lägre än i ’contact mode’ vilket skulle leda till att man inte deformerar ytan man undersöker. Senare forskning visade att kraften mellan spets och prov kan vara lika stor eller rentutav större i tapping mode än i contact mode under det ögonblick då spetsen slår ner i provytan. Det medför att det finns en potentiell risk för att man deformerar kolnanorören när man mäter på dom vilket skulle resultera i att man får felaktiga värden på deras diametrar. Under det här projektet har kolnanorör som placerats på ett kisel-substrat undersökts för att analysera hur tre vanliga inställningar hos AFMet påverkar de erhållna värdena för diametern hos kolnanorören. De tre inställningarna som testats är svängnings-frekvensen, svängnings-amplituden i luft och börvärdet hos svängnings-amplituden.

Coil coatings are durable  organic coatings used to protect metal sheets from corrosion and improve their aesthetic properties. Because of their extensive use, coil coatings have long been of interest for industrial and academic researchers. This interest has recently been furthered by a societal push towards the replacement of fossil-based raw materials with alternatives that are biobased and renewable. The aim of this licentiate thesis is to demonstrate how analyses on the macro-, micro-, and nanoscale can be used to better understand the degradation process of polyester-based coil coatings. The included manuscripts showcase methods for evaluating and comparing different coil coating formulations and for verifying accelerated weathering techniques. Multiple techniques, focusing on infrared (IR) spectroscopy and atomic force microscopy (AFM), were used to analyze coating systems before and after different types of weathering. IR data acquired from techniques without spatial resolution, such as attenuated total reflection (ATR) and photoacoustic spectroscopy (PAS) have been expanded upon with spatially resolved focal plane array (FPA) and s-SNOM  (scattering-type scanning near-field optical microscopy) measurements. Spatially resolved chemical data of coating cross sections were acquired and used to assess how the degradation at the surface and in the bulk was related. Additionally, differences between the degradation behavior of a standard fossil-based coating and a similar coating with biobased components as well as differences between the degradation caused by artificial and natural weathering was discussed. Nanoscale mechanical measurements of simplified coating surfaces showed that weathering increased nanomechanical stiffness and led to homogenization of mechanical properties on the local level. In addition, measurements with nanoscale FTIR correlated with macroscale FTIR. Even relatively minor changes in band intensities could be tracked on a local scale. Although the simplified samples were chemically homogeneous, nanoscale FTIR shows great promise for the assessment of local degradation of full systems. / Bandlackering är en process för att applicera stabila organiska beläggningar på metallytor för att skydda från korrosion och förbättra deras utseende. På grund av beläggningarnas omfattande användning så har utvärdering och analys av dem varit av intresse för både akademi och industri i flera årtionden. Detta långvariga intresse har ytterligare främjats av en ökade miljömedvetenhet och ett tryck att ersätta miljöfarliga och fossila råmaterial mot biobaserade och förnyelsebara alternativ. Målet med denna licentiatavhandling är att visa hur analysmetoder på makro-, mikro-, och nanonivå kan användas för att bättre förstå nedbrytning av bandlackerade beläggningar. Denna förståelse kan användas både för att utvärdera prestandan hos både nya redan befintliga system, men också för att kunna verifiera accelererade testmetoder vars mål är att minska tiden som krävs för utvärdering. Flera tekniker, med fokus på infraröd (IR) spektroskopi och atomkrafts-mikroskopi  (AFM) använts för att analysera beläggningar före och efter att de blivit utsatta för olika typer av aggressiva miljöer. Spektroskopiska data utan spatial upplösning som attenuerad totalreflektions FTIR (ATR) och fotoakustisk spektroskopi (PAS) har kompletterats med spatialt upplösta fokalplans array (FPA) och s-SNOM mätningar. Kemisk information med spatial upplösning har använts för att utvärdera hur nedbrytningen nära ytan relaterade till nedbrytningen längre ner i beläggningen. Likheter och skillnader i nedbrytningen som skedde i en standardbeläggning och ett system med biobaserade additiv jämfördes efter både väderbestendighets-testning som skedde utomhus och i labb. Skillnader mellan dessa exponeringsmetoder diskuterades också. Nanomekanisk analys med hjälp av atomkraftsmikroskopi användes för att bestämma lokala förändringar av mekaniska egenskaper i förenklade klarlacker. Mätningarna visade att exponeringar i aggressiva miljöer leder till en lokal homogenisering av mekaniska egenskaper och ökad styvhet. Utöver detta så utvärderades likheter och skillnader mellan FTIR spektra som tagits på makro- och nanonivå. Dessa mätningar gav lovande resultat för fortsatta ytanalyser. / <p>QC 2023-05-15</p>

The aim of this thesis work was to gain understanding of the interactions between talc mineral and surfaces, liquids and chemicals relevant for industrial applications, such as pulp and paper. Talc is used in the pulp and paper industry as a filler pigment, in control of pitch (lipophilic extractives) deposits and as a coating pigment. A deeper understanding of talc interactions will be beneficial in optimizing its use. Long-range attractive interactions between talc and hydrophobic model probes, as well as pitch probes, have been measured using the atomic force microscope (AFM) colloidal probe method. Two procedures for preparation of pitch colloidal probes were developed to allow these studies. Model hydrophobic, nanorough surfaces with surface energy characteristics similar to talc have also been prepared and their interactions with hydrophobic model probes compared to interactions between hydrophobic model probes and talc. It is demonstrated that talc mineral interacts with model hydrophobic particles, as well as with pitch, by long-range attractive forces, considerably stronger than the expected van der Waals force. The possible origin of the measured interaction forces is discussed, and the conclusion is that the main cause is an attractive capillary force due to formation of a gas/vapor capillary between the surfaces. Force measurements using model hydrophobic, nanorough surfaces show that a large-scale waviness does not significantly influence the range and magnitude of the capillary attraction, but large local variations in these quantities are found. It is demonstrated that a large variation in adhesion force corresponds to a small variation in local contact angle of the capillaries at the surfaces. The nature of the surface topographical features influences the capillary attraction by affecting the local contact angle and by pinning of the three-phase contact line. The effect is clearly dependent on the size of the surface features and whether they exist in the form of crevices or as extending ridges. Entrapment of air also affects the imbibition of water in pressed talc tablets. The effects of wetting and dispersion agents on the interactions between talc and hydrophobic probes have also been investigated. It is demonstrated that a common dispersing agent used for talc, poly(acrylic acid), does not affect the capillary attraction between talc and non-polar probes. In fact, the results strongly suggest that poly(acrylic acid) does not adsorb on the basal plane of talc. From this finding it is inferred that the stabilizing effect of this additive most likely is due to adsorption to the edges of talc. In contrast, a wetting agent (the non-ionic triblock copolymer Pluronic PE6400) removes the long-range capillary attraction. It is suggested that such an ability to replace air at the talc surface is of great importance for an efficient wetting agent. The Hamaker constant for talc has also been estimated by using optical data obtained from spectroscopic ellipsometry. It is demonstrated that a nanocrystalline talc mineral, cut in different directions displays very small differences in Hamaker constant between the different crystallographic orientations, whereas a microcrystalline sample displays a significantly higher value. The estimated Hamaker constants are discussed for different material combinations of relevance for the pulp- and paper industry, such as cellulose and calcium carbonate. / Målet med detta avhandlingsarbete var att öka förståelsen för interaktioner mellan talkmineral och ytor, vätskor och kemikalier relevanta för industriella applikationer, såsom papper och massa. Talk används i pappers- och massaindustrin som fyllmedel, för kontroll av hartsrika (lipofila extraktivämnen) avsättningar och som bestrykningspigment. En djupare förståelse för talkinteraktioner kommer att vara användbart för att optimera dess användning. Långväga attraktiva interaktioner mellan talk och hydrofoba modellpartiklar, såväl som mellan talk och hartspartiklar, har uppmätts med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM) genom att fästa kolloidala partiklar på kraftsensorn. Två metoder för att framställa partiklar gjorda av harts har utvecklats för att möjliggöra dessa studier. Hydrofoba, nanostrukturerade modellytor med ytenergier liknande de för talk har också tillverkats och deras växelverkan med hydrofoba modellpartiklar har jämförts med dem mellan talk och hydrofoba modellpartiklar. Studierna visar att talkmineral växelverkar med hydrofoba modellpartiklar, såväl som med harts, genom långväga attraktiva krafter som är betydligt starkare än den förväntade van der Waals kraften. Möjliga orsaker till de uppmätta växelverkanskrafterna diskuteras och slutsatsen blir att huvudorsaken är en attraktiv kapillärkraft som uppkommer genom att en gas-/ångkapillär bildas mellan ytorna. Kraftmätningar gjorda med hydrofoba nanostrukturerade modellytor visar att en storskalig vågighet inte nämnvärt påverkar storleken av kapillärattraktionen, men stora lokala variationer existerar. Det demonstreras att en stor variation i adhesionskraft motsvaras av en liten variation i lokal kontaktvinkel för kapillärerna på ytorna. Ytornas topografi påverkar kapillärattraktionen genom att påverka den lokala kontaktvinkeln samt genom att trefaskontaktlinjen inte kan röra sig fritt över ytan. Effekten är tydligt beroende av huruvida ytojämnheterna existerar i form av nedsänkningar eller upphöjningar. Instängd luft påverkar också pressade talktabletters uppsugningsförmåga av vatten. Vätnings- och dispergeringsmedels inverkan på växelverkan mellan talk och hydrofoba partiklar har undersökts. Resultaten visar att ett vanligt dispergeringsmedel för talk, polyakrylsyra, inte påverkar kapillärattraktionen. I själva verket tyder data på att polyakrylsyra inte adsorberas på talks basalplan. Utifrån dessa resultat dras slutsatsen att polyakrylsyra stabiliserar talkdispersioner genom att adsorbera på talkkanterna. Ett vanligt vätmedel (nonjonisk triblock sampolymer Pluronic PE6400) tar å andra sidan bort långväga kapillärattraktion. Detta antyder att egenskapen att ersätta luft på talkytan är av stor betydelse för effektiva vätmedel. Hamakerkonstanten för talk har uppskattats genom att utnyttja optiska data från ellipsometrimätningar. Det demonstreras att ett nanokristallint talkmineral kapat i olika riktningar uppvisar mycket små skillnader i Hamakerkonstant mellan de olika kristallografiska orienteringarna, medan ett mikrokristallint prov uppvisar ett betydligt högre värde. De beräknade Hamakerkonstanterna diskuteras för olika materialkombinationer relevanta för pappersindustrin, såsom cellulosa och kalciumkarbonat. / QC 20100813