JILAS kort, fleksibel, genanvendelig AFM-sonde

(Phys.org) – JILA-forskere har konstrueret en kort, fleksibel, genanvendelig sonde til atomkraftmikroskopet (AFM), der muliggør avanceret præcision og stabilitet i picoscale kraftmålinger. Kortere, blødere og mere adræt end standard og nyligt forbedrede AFM-sonder, JILA-tipsene vil gavne nanoteknologi og studier af foldning og strækning i biomolekyler som proteiner og DNA.

En AFM-sonde er en cantilever, formet som et lille vippebræt med en lille, atomskala punkt på den frie ende. At måle kræfter på molekylær skala i en væske, sonden fastgør sin spids til et molekyle såsom et protein og trækker; den resulterende udbøjning af cantileveren måles. Kræfterne er i pikonewtonernes rige, eller trillioner af en newton. En newton er nogenlunde vægten af ​​et lille æble.

Det nye sondedesign, beskrevet i ACS Nano, er JILA-forskningsgruppens tredje seneste fremskridt inden for AFM-teknologi. JILA drives i fællesskab af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

Gruppen forbedrede tidligere AFM-positionsstabilitet ved at bruge laserstråler til at registrere bevægelse og fjerne guldbelægningen fra lange sondespidser, eller cantilevers, for at forbedre den langsigtede styrkestabilitet. Imidlertid, fjernelse af guldet reducerer styrken af ​​det signal, der måles, og brug af lange cantilevers fører til andre måleproblemer såsom langsommere respons på dynamiske hændelser som proteinudfoldelse.

Den seneste ændring overvinder disse og andre problemer, forbedre præcisionen uden tab af stabilitet, hastighed, eller følsomhed. JILA-forskere brugte en fokuseret ionstråle til at skære et hul i midten af ​​en kort kommerciel cantilever og fortyndede de resterende støttestrukturer, derved reduceres cantileverens stivhed og friktion nær overflader. Resultatet er fremragende langsigtet stabilitet og forbedret kortsigtet præcision, henholdsvis, i AFM kraftmålinger.

JILA-forskere tilføjede også en beskyttende glashætte over guldbelægningen for enden af ​​cantileveren for at bevare gavnlig reflektionsevne, og fjernede derefter det resterende guld for at opnå kraftstabilitet. Den modificerede cantilever muliggør hurtig, præcise og stabile kraftmålinger over en bred vifte af driftsfrekvenser.

"Tidligere vi var nødt til at tage et gennemsnit af den Brownske (tilfældige) bevægelse af vores yndlingsudkrager i omkring 60 millisekunder for at få en måling, der havde en præcision på 1 piconewton, " JILA/NIST biofysiker Tom Perkins siger. "Nu, vi kan få den samme præcision på 1 millisekund eller deromkring."

JILA-forskere viste betydelige fordele ved enkeltmolekyleundersøgelser. For eksempel, den korte, bløde cantilevers kan hurtigt måle pludselige ændringer i kraft, når et protein folder sig ud. Proteinfoldning er nødvendig for korrekt biologisk funktion, og fejlfoldning kan føre til sygdomme som Alzheimers. De nye cantilevers matcher responsen af ​​stivere, umodificerede cantilevers men med større stabilitet og præcision. Kraftstabilitet er afgørende i denne applikation, fordi proteinfoldnings- og udfoldningshastigheder er eksponentielt følsomme over for små ændringer (mindre end 1 piconewton) i påført belastning. Den nye enhed kan også spore flygtige begivenheder i nanoskala, herunder proteinfoldning, over hundreder af sekunder - meget længere perioder end tidligere muligt. Det nye design skulle også kunne anvendes til hurtig sondering af materialers mekaniske egenskaber på nanoskala.

Væsentligt, de nye cantilevers er robuste nok til at blive genbrugt i flere dage. I øvrigt, JILA-forskere siger, at det nye design er enkelt og billigt at lave, og dermed, velegnet til rutinemæssig brug.

"Utroligt nok, dette projekt blev ledet af en talentfuld undergraduate. Vi håber, at andre grupper med lignende talentfulde studerende vil tage disse udkragere i brug. Det er vi bestemt, " sagde Perkins.