High-speed atomic force microscopie (HS-AFM) is een beeldvormende techniek die kan worden gebruikt voor het visualiseren van biologische processen, bijvoorbeeld de activiteit van eiwitten. Vandaag de dag, typische HS-AFM-framesnelheden zijn zo hoog als 12 frames per seconde. Om de mogelijkheden van de methode te verbeteren, zodat het kan worden toegepast op een steeds groter wordende reeks biologische monsters, er zijn betere videosnelheden nodig, Hoewel. Bovendien, snellere opnametijden impliceren minder interactie tussen het monster en de sonde - een tip die het oppervlak van het monster scant - waardoor de beeldvormingsprocedure minder invasief is. Nutsvoorzieningen, Shingo Fukuda en Toshio Ando van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University heeft een alternatieve HS-AFM-aanpak ontwikkeld om de framesnelheid te verhogen tot 30 frames per seconde.

Een AFM-beeld wordt gegenereerd door een tip zijdelings net boven het oppervlak van een monster te bewegen. Tijdens deze xy-scanbeweging, de positie van de punt in de richting loodrecht op het xy-vlak (de z-coördinaat) zal het hoogteprofiel van het monster volgen. De variatie van de z-coördinaat van de punt produceert dan een hoogtekaart - het beeld van het monster.

Fukuda en Ando werkten aan HS-AFM in de zogenaamde amplitudemodulatiemodus. De tip wordt dan gemaakt om te oscilleren met een ingestelde amplitude. Tijdens het scannen van een oppervlak, de oscillatie-amplitude zal veranderen vanwege hoogtevariaties in de structuur van het monster. Om terug te keren naar de oorspronkelijke amplitude, er moet een correctie op de tip-sample afstand worden gemaakt. Hoe groot de correctie moet zijn, hangt af van de oppervlaktetopologie van het monster, en wordt gedicteerd door de zogenaamde feedbackcontrolefout van de opstelling. De wetenschappers merkten op dat de feedbackcontrolefout anders is wanneer de punt in tegengestelde richtingen beweegt, traceren en herleiden genoemd. Dit verschil is uiteindelijk te wijten aan de verschillende fysieke krachten die in het spel zijn wanneer de punt wordt 'getrokken' (tracing) en wanneer deze wordt 'geduwd' (retracing).

Op basis van hun inzichten in de fysica van de traceer- en retracingprocessen, Fukuda en Ando ontwikkelden een beeldvormingsregime dat retracing omzeilt. Hier moet dan goed rekening mee worden gehouden in het controlerende algoritme. De onderzoekers testten hun enige-trace-imaging-modus op actinefilamentmonsters. (Actine is een eiwit dat veel voorkomt in cellen.) De beeldvorming was niet alleen sneller, maar ook minder invasief - de filamenten braken veel minder vaak. Ze registreerden ook polymerisatieprocessen (via eiwit-eiwit-interacties); opnieuw, de methode bleek sneller en minder storend te zijn in vergelijking met de standaard AFM tracing-retracing operatie.

De wetenschappers zijn ervan overtuigd dat hun "eenvoudige en zeer effectieve methode binnenkort zal worden geïnstalleerd in de bestaande en toekomstige HS-AFM-systemen, en zal een breed scala aan HS-AFM-beeldvormingsstudies op biofysica en andere gebieden verbeteren."