Ученые объяснили механизмы 3D-визуализации в атомно-силовой микроскопии

Исследователи из Института нанобионаук (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы сообщили о трехмерной визуализации подвешенной наноструктуры. Использованная методика является расширением атомно-силовой микроскопии (АСМ) и перспективна для визуализации различных 3D-биологических систем.

АСМ изначально была создана для визуализации поверхностей с наноразрешением. Её базовый принцип — перемещение ультратонкого зонда над поверхностью образца. Во время сканирования в плоскости XY положение зонда в перпендикулярном направлении следует профилю высоты образца, создавая карту рельефа поверхности.

В последние годы исследуются способы расширить метод для 3D-визуализации. Сейчас Такеши Фукума из Университета Канадзавы и его коллеги провели детальное исследование специально разработанного гибкого образца, предоставив важные сведения о теоретической основе и интерпретации экспериментов по 3D-АСМ. Исследование опубликовано в журнале Small Methods.

С помощью методов микрофабрикации ученые создали образец, состоящий из волокна углеродной нанотрубки, лежащего на платиновых столбиках, которые, в свою очередь, расположены на кремниевой подложке. Подвешенная часть нанотрубки имела длину около 2 микрометров. Вся структура была погружена в воду, так как многие интересные 3D-биомолекулярные системы существуют в жидких средах.

Фукума и его коллеги провели эксперименты по 3D-АСМ в двух разных режимах:

• В статическом режиме нанозонд опускается вертикально к образцу. При контакте с подвешенным волокном нанотрубка отталкивается в сторону и изгибается при дальнейшем погружении зонда.
• В динамическом режиме зонд, закрепленный на кантилевере, заставляют колебаться на резонансной частоте во время опускания.

Анализ изменения силы, действующей на зонд, в зависимости от глубины погружения показал, что трение между зондом и волокном в статическом режиме значительно выше, чем в динамическом. Последний режим является предпочтительным, так как меньшее трение снижает вероятность повреждения образца.

Компьютерное моделирование подтвердило, что подвешенная нанотрубка смещается вбок, а постоянно вибрирующий зонд (как в динамическом режиме) создает более слабые силы, воздействующие на образец, препятствуя сильному прилипанию зонда к волокну.

Затем ученые провели эксперименты с волокном углеродной нанотрубки, подвешенным над регулярным массивом наноразмерных платиновых точек на кремниевой подложке. Измерения проводились в динамическом режиме. Восстановленная 3D-карта просканированного объема четко показала волокно и точки под ним, что подчеркивает способность 3D-АСМ визуализировать вертикально перекрывающиеся наноструктуры.

Эти результаты демонстрируют, что АСМ в принципе применима для визуализации гибких 3D-структур. «Достижения этого исследования могут потенциально привести к более детальному и точному АСМ-анализу различных 3D-биологических систем, таких как клетки, органеллы, хромосомы и везикулы», — заявляют ученые.