Hurtigere og mindre invasiv atomkraftmikroskopi til visualisering af biomolekylære systemer

High-speed atomic force microscopy (HS-AFM) er en billeddannelsesteknik, der kan bruges til at visualisere biologiske processer, for eksempel proteiners aktivitet. I dag, typiske HS-AFM-billedhastigheder er så høje som 12 billeder i sekundet. For at forbedre metodens muligheder, så det kan anvendes på et stadigt voksende område af biologiske prøver, der er behov for bedre videofrekvenser, selvom. I øvrigt, hurtigere optagelsestider indebærer mindre interaktion mellem prøven og sonden - et tip, der scanner prøveoverfladen - hvilket gør billeddannelsesproceduren mindre invasiv. Nu, Shingo Fukuda og Toshio Ando fra Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University har udviklet en alternativ HS-AFM-tilgang til at øge billedhastigheden med op til 30 billeder i sekundet.

Et AFM -billede genereres ved at sideværts flytte et tip rundt lige over en prøves overflade. Under denne xy-scanningsbevægelse, spidsens position i retningen vinkelret på xy-planet (z-koordinaten) følger prøvens højdeprofil. Variationen af ​​spidsens z-koordinat frembringer derefter et højdekort-billedet af prøven.

Fukuda og Ando arbejdede på HS-AFM i den såkaldte amplitude-moduleringstilstand. Spidsen får derefter til at svinge med en indstillet amplitude. Mens du scanner en overflade, oscillationsamplituden vil ændre sig på grund af højdevariationer i prøvens struktur. For at komme tilbage til den oprindelige amplitude, en korrektion af spids-prøve afstanden skal foretages. Hvor stor korrektionen skal være, er relateret til prøvens overfladetopologi, og er dikteret af den såkaldte feedback-kontrolfejl i opsætningen. Forskerne bemærkede, at feedback -kontrolfejlen er anderledes, når spidsen bevæger sig i modsatte retninger, kaldes sporing og sporing. Denne forskel skyldes i sidste ende de forskellige fysiske kræfter, der spiller, når spidsen 'trækkes' (sporing), og når den 'skubbes' (spores tilbage).

Baseret på deres indsigt i sporings- og sporingsprocessernes fysik, Fukuda og Ando udviklede et billeddannelsesregime, der omgår retracing. Dette skal derefter redegøres korrekt for styringsalgoritmen. Forskerne testede deres eneste spor-billeddannelsestilstand på aktinfilamentprøver. (Actin er et meget almindeligt protein i celler.) Billeddannelsen var ikke kun hurtigere, men også mindre invasiv - filamenterne knækkede meget sjældnere. De registrerede også polymerisationsprocesser (gennem protein-protein-interaktioner); igen, metoden viste sig at være hurtigere og mindre forstyrrende i forhold til standard AFM-sporing-sporing.

Forskerne er overbeviste om, at deres "enkle og yderst effektive metode snart vil blive installeret i de eksisterende og kommende HS-AFM-systemer, og vil forbedre en lang række HS-AFM-billeddannelsesundersøgelser inden for biofysik og andre områder. "