Атомно-силовая микроскопия (АСМ) - ключевой инструмент для нанотехнологий

9 November 2019
czl.ru/blog/atomic-force-microscopy/
czl.ru/blog/atomic-force-microscopy/

Всякий раз, когда вы читаете статью о нано, есть вероятность, что вы столкнетесь с большим количеством сбивающих с толку трехбуквенных сокращений - AFM, SFM, SEM, TEM, SPM, FIB, CNT и так далее. Кажется, что ученые зарабатывают дополнительную похвалу, когда они предлагают новую комбинацию из трех букв. Одним из наиболее важных сокращений в нанотехнологиях является АСМ - атомно-силовая микроскопия. Этот инструмент стал наиболее широко используемым инструментом для визуализации, измерения и управления веществом на наноуровне и, в свою очередь, вдохновил множество других методов сканирующего зонда.

Первоначально АСМ использовался для визуализации топографии поверхностей, но, изменяя наконечник, можно измерять и другие величины (например, электрические и магнитные свойства, химические потенциалы, трение и т. д.), А также выполнять различные виды спектроскопии и анализ. Сегодня мы рассмотрим один из инструментов, благодаря которому все это стало возможным. К настоящему времени опубликовано более 20 000 статей, связанных с АСМ. Было выдано более 500 патентов на различные виды сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ). Несколько десятков компаний занимаются производством СЗМ и сопутствующих инструментов, годовой оборот по всему миру составляет 250–300 млн. долл. США. Продано 10 000 коммерческих систем (не считая значительного количества домашних систем).

Причина, по которой нанонауки и нанотехнологии взлетели с такой удивительной силой за последние 20 лет, заключается в том, что постоянный поиск миниатюризации привел к появлению таких инструментов, как AFM (изобретенный в 1986 году) или его предшественник сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, который изобретен в 1982 году). В сочетании с усовершенствованными процессами, такими как электронно-лучевая литография, это позволило ученым манипулировать и производить наноструктуры, чего раньше было невозможно.

Эти инженерные наноматериалы, либо с помощью подхода сверху вниз или снизу вверх (в первом случае объемный материал уменьшается в размерах до наноразмерных частиц, в последнем случае более крупные структуры строятся или выращиваются атом за атомом или молекула за молекулой), выходят за рамки просто еще одного шага в миниатюризации. Они преодолели физический барьер за или, точнее, стандартные законы физики заменены так называемыми «квантовыми эффектами». Любой материал, уменьшенный до наноразмеров, может внезапно показать совершенно другие свойства, чем тот, который он показывает в макро- и более широком масштабе. Например, непрозрачные вещества становятся прозрачными (медь), инертные материалы становятся катализаторами (платина), стабильные материалы превращаются в горючие (алюминий), твердые вещества превращаются в жидкости при комнатной температуре (золото), изоляторы становятся проводниками (кремний).

Вторым важным аспектом наноразмера является то, что чем меньше наночастицы, тем больше становится их относительная площадь поверхности. Чем больше относительная площадь поверхности, тем более активной становится частица по отношению к другим веществам. Очарование нанотехнологиями проистекает из этих уникальных квантовых и поверхностных явлений, которые материя проявляет на наноуровне, открывая новые применения и интересные материалы.

Но без АСМ всего этого бы не случилось.

Термин « микроскоп» в названии на самом деле является неправильным, потому что он подразумевает поиск, в то время как на самом деле информация собирается путем ощущения поверхности механическим зондом. Принцип работы АСМ основан на трех ключевых элементах:

1) атомно-острый наконечник («зонд»), размещенный на конце гибкой консольной балки, который приводится в физический контакт с поверхностью образца. Консольная балка отклоняется пропорционально силе взаимодействия;

2) пьезоэлектрический преобразователь для облегчения позиционирования и сканирования зонда в трех измерениях над образцом с очень точными движениями;

3) система обратной связи для обнаружения взаимодействия зонда с образцом.

Сканируя по всей поверхности, острый наконечник следует за выпуклостями и бороздками, образованными атомами на поверхности. Контролируя отклонения гибкой консольной балки, можно создать топографию поверхности.

Этот принцип стал основой для одного из наиболее важных нанонаучных инструментов и позволил визуализировать наноразмерные объекты, где обычная оптика не может их разрешить из-за волновой природы света.

AFM может работать в нескольких режимах, в зависимости от применения, но для формирования изображений AFM чаще всего используются четыре режима: контактный режим (или режим постоянной высоты ), где отклонение кантилевера напрямую используется в качестве меры высоты кончика и нормальное усилие, приложенное к образцу, которое зависит от его высоты. В режиме постоянной силы нормальная сила отклонения кантилевера при сканировании отражает силы отталкивания, действующие на наконечник, и при достаточно малых скоростях сканирования обратная связь по силе может уменьшить нормальную силу. Режим касания (или бесконтактный режим), когда наконечник вибрирует (колеблется на своей резонансной частоте) перпендикулярно плоскости образца, чтобы избежать выдавливания образца, поскольку наконечник сканируется в боковом направлении, а боковые силы уменьшаются.

В четвертом режиме сканирования, режиме « сила-расстояние», наконечник подводится к образцу на частотах, значительно ниже резонансной частоты кантилевера, в то же время регистрируется отклонение. Это позволяет измерить локальное взаимодействие как функцию расстояния от вершины до образца.

С помощью АСМ было изучено большое количество различных биологических образцов, включая клетки, клеточные компартменты и биомолекулы. В некоторых из этих исследований AFM используется в качестве простого инструмента визуализации для исследования топографии иммобилизованных и (или) фиксированных образцов, дополняя существующие методы, такие как электронная микроскопия, с тем преимуществом, что подготовка образцов обычно более проста.

Для других экспериментов использование AFM является обязательным условием для изучения нефиксированных материалов и даже их динамики в водной среде. Помимо своих возможностей визуализации, AFM приобретает все большее значение в качестве инструмента наноманипуляции. С помощью АСМ возможен однофазный анализ сил взаимодействия, эластичности и третичной структуры белка в интактных биологических материалах.

Клетки изображения

приводит к площади контакта образца наконечника 50–100 нм в самой мягкой области клетки. Следовательно, (суб) нанометровое разрешение, которое обычно достигается на более жестких образцах, не может быть достигнуто на мембранах интактных клетках.

Структура, функция и взаимодействие отдельных молекул ДНК и белка

Помимо анализа клеток и клеточных мембран, за последнее десятилетие быстро развивались методы, основанные на AFM, для изучения очищенных отдельных молекул, таких как белки, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Уникальные детали механизма и функции ДНК - и белки, метаболизирующие РНК, могут быть непосредственно получены путем количественного определения количества, положения, объема и формы белковых молекул на их субстрате. Как и в случае других методик с одной молекулой, обнаруживаются все отдельные экземпляры всей популяции структур, которые также показывают редкие, но важные виды. Дальнейшее понимание механизма реакции может быть получено из анализа изображений путем измерения таких параметров, как изгибание, оборачивание и зацикливание ДНК, вызванное белком. Помимо топографической визуализации, силовая спектроскопия была успешной в раскрытии третичной структуры в белках, РНК и других полимерах.

Хотя это уже важный инструмент для структурного анализа и манипулирования сложными макромолекулами и живыми клетками, следует ожидать, что приложения на основе АСМ будут расширяться в будущем. Технические разработки будут способствовать развитию самой системы AFM за счет улучшения разрешения, скорости изображения, чувствительности и функциональности. Комбинация с дополнительными методами заполнит некоторые ограничения AFM.

Чтобы полностью использовать потенциал АСМ для изучения функциональных биомолекул и их взаимодействий для захвата динамических событий, потребуется видеомикроскопия. В настоящее время скорость сканирования ограничена механическим откликом кантилевера и пьезо. Меньшие кантилеверы приводят к более высоким резонансным частотам, обеспечивая более быструю скорость сканирования. Уменьшая размер кантилеверов на один порядок, частота кадров может быть снижается, как правило, с минуты до скорости видео, что позволяет изучать значительно больший диапазон биомолекулярных процессов.

Разрешение изображения во всех режимах зависит от геометрии наконечника. Уменьшение размера наконечника, увеличение его аспектного отношения и его износостойкости в результате сканирования окажут значительное влияние на все приложения АСМ.