Udvikling af nye teknikker til at forbedre atomkraftmikroskopi

Forskere ved Beckman Institute for Advanced Science and Technology har udviklet en ny metode til at forbedre detektionsevnen af ​​kemisk billeddannelse i nanoskala ved hjælp af atomkraftmikroskopi. Disse forbedringer reducerer støjen, der er forbundet med mikroskopet, øge præcisionen og rækkevidden af ​​prøver, der kan studeres.

Studiet "Closed-Loop Atomic Force Microscopy-Infrared Spectroscopic Imaging for Nanoscale Molecular Characterization" blev offentliggjort i Naturkommunikation .

Atomkraftmikroskopi bruges til at scanne overfladerne af materialer for at generere et billede af deres højde, men teknikken kan ikke let identificere den molekylære sammensætning. Forskere har tidligere udviklet en kombination af AFM og infrarød spektroskopi kaldet AFM-IR. AFM-IR mikroskopet bruger en cantilever, som er en bjælke, der er forbundet med en støtte i den ene ende og en skarp spids i den anden, at måle subtile bevægelser af prøven introduceret ved at skinne en IR-laser. Prøvens absorption af lys får den til at udvide sig og afbøje cantileveren, generere et IR-signal.

"Selvom teknikken er meget udbredt, der er en grænse for dens ydeevne, " sagde Rohit Bhargava, en grundlægger professor i ingeniørvidenskab og direktør for Cancer Center ved University of Illinois i Urbana-Champaign. "Problemet er, at der var ukendte kilder til støj, der begrænsede kvaliteten af ​​dataene."

Forskerne skabte en teoretisk model for at forstå, hvordan instrumentet fungerer og derfor identificere kilderne til støj. Derudover de udviklede en ny måde at detektere IR-signalet med forbedret præcision.

"Cantilever-afbøjningen er modtagelig for støj, som bliver værre, når afbøjningen øges, " sagde Seth Kenkel, en kandidatstuderende i Chemical Imaging and Structures Laboratory, som ledes af Bhargava. "I stedet for at detektere cantilever-afbøjning, vi brugte en piezo-komponent som et trin for at opretholde nul afbøjning. Ved at påføre en spænding til piezomaterialet, vi kan opretholde en lille afbøjning med lav støj, mens vi optager den samme kemiske information, som nu er kodet i piezospændingen."

I stedet for at flytte udkraget, forskerne bruger piezokrystallens bevægelse til at optage IR-signalet. "Dette er første gang nogen har styret en piezo-aktuator for at detektere signalet. Andre forskere arbejder omkring udfordringer som støj ved at bruge mere komplekse detektionssystemer, der ikke løser de underliggende problemer forbundet med AFM-IR, " sagde Kenkel.

"Folk har kun været i stand til at bruge denne teknik til at måle prøver, der har et stærkt signal på grund af støjproblemet, " sagde Bhargava. "Med den forbedrede følsomhed, vi kan afbilde en meget mindre mængde prøver, som cellemembraner."

Ud over at måle flere forskellige prøver, forskerne håber også at bruge denne teknik til at måle mindre prøvevolumener. "Vi kunne bruge denne teknik til at se på komplekse blandinger, der er til stede i små volumener, som et enkelt lipid-dobbeltlag, " sagde Bhargava.

"Den nye teknik udviklet af Bhargava-laboratoriet er spændende. Vores gruppe er interesseret i at bruge denne teknik med det samme for at lære om proteindeformation på komplekse overflader, " sagde Catherine Murphy, lederen af ​​Institut for Kemi og Larry Faulkner Begavet Chair in Chemistry.