Entwicklung neuer Techniken zur Verbesserung der Rasterkraftmikroskopie
Die Verbesserungen werden die Vielseitigkeit und Präzision des Instruments erhöhen
Forscher am Beckman-Institut für fortgeschrittene Wissenschaft und Technologie haben eine neue Methode entwickelt, um die Detektionsfähigkeit der chemischen Bildgebung im Nanobereich mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie zu verbessern. Diese Verbesserungen reduzieren das Rauschen, das mit dem Mikroskop verbunden ist, und erhöhen die Präzision und den Bereich der zu untersuchenden Proben.
Chemisches Signal, das von einem 4 nm dicken Polymerfilm erzeugt wird, der mit der früheren AFM-IR-Detektion mit Ablenkung gesammelt wurde, oben, im Vergleich zum neuen Null-Ablenkungs-Ansatz.
Image courtesy the Beckman Institute for Advanced Science and Technology
Die Rasterkraftmikroskopie wird verwendet, um die Oberflächen von Materialien abzutasten und ein Bild ihrer Höhe zu erzeugen, aber die Technik kann die molekulare Zusammensetzung nicht ohne weiteres identifizieren. Forscher haben zuvor eine Kombination von AFM und Infrarotspektroskopie entwickelt, die AFM-IR genannt wird. Das AFM-IR-Mikroskop verwendet einen Cantilever, d.h. einen Strahl, der an einem Ende mit einem Träger und am anderen Ende mit einer scharfen Spitze verbunden ist, um subtile Bewegungen der Probe zu messen, die durch Bestrahlen mit einem IR-Laser eingeleitet werden. Die Absorption von Licht durch die Probe bewirkt, dass sie sich ausdehnt und den Cantilever ablenkt, wodurch ein IR-Signal erzeugt wird.
"Obwohl die Technik weit verbreitet ist, gibt es eine Grenze ihrer Leistungsfähigkeit", sagte Rohit Bhargava, ein Gründerprofessor für Ingenieurwesen und Direktor des Krebszentrums an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. "Das Problem ist, dass es unbekannte Lärmquellen gab, die die Qualität der Daten einschränkten".
Die Forscher schufen ein theoretisches Modell, um zu verstehen, wie das Instrument funktioniert, und so die Rauschquellen zu identifizieren. Zusätzlich entwickelten sie eine neue Methode, um das IR-Signal mit verbesserter Präzision zu detektieren.
"Die Auslenkung des Cantilevers ist anfällig für Rauschen, das mit zunehmender Auslenkung schlimmer wird", sagte Seth Kenkel, ein Doktorand im Chemical Imaging and Structures Laboratory, das von Bhargava geleitet wird. "Anstatt eine Auslenkung des Cantilevers zu erkennen, haben wir eine Piezokomponente als Stufe verwendet, um die Auslenkung auf Null zu halten. Durch Anlegen einer Spannung an das Piezomaterial können wir eine kleine Auslenkung mit geringem Rauschen aufrechterhalten und gleichzeitig die gleiche chemische Information aufzeichnen, die jetzt in der Piezospannung kodiert ist.
Anstatt den Cantilever zu bewegen, nutzen die Forscher die Bewegung des Piezokristalls, um das IR-Signal aufzuzeichnen. "Dies ist das erste Mal, dass jemand einen Piezoaktor steuert, um das Signal zu erfassen. Andere Forscher umgehen Herausforderungen wie Rauschen, indem sie komplexere Detektionssysteme verwenden, die die grundlegenden Probleme im Zusammenhang mit AFM-IR nicht angehen", sagte Kenkel.
"Wegen des Rauschproblems war man bisher nur in der Lage, mit dieser Technik Proben zu messen, die ein starkes Signal haben", sagte Bhargava. "Mit der verbesserten Empfindlichkeit können wir ein viel kleineres Volumen von Proben, wie z.B. Zellmembranen, abbilden.
Neben der Messung vielfältigerer Proben hoffen die Forscher, mit dieser Technik auch kleinere Probenvolumina messen zu können. "Wir könnten diese Technik nutzen, um komplexe Mischungen zu untersuchen, die in kleinen Volumina vorliegen, wie eine einzelne Lipid-Doppelschicht", sagte Bhargava.
"Die vom Bhargava-Labor entwickelte neue Technik ist aufregend. Unsere Gruppe ist daran interessiert, diese Technik sofort einzusetzen, um etwas über die Proteinverformung auf komplexen Oberflächen zu lernen", sagte Catherine Murphy, die Leiterin der Abteilung Chemie und des Larry-Faulkner-Stiftungslehrstuhls für Chemie.
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