(Phys.org) —JILA-onderzoekers hebben een korte, flexibel, herbruikbare sonde voor de atomic force microscope (AFM) die ultramoderne precisie en stabiliteit mogelijk maakt bij krachtmetingen op picoschaal. korter, zachter en wendbaarder dan standaard en recent verbeterde AFM-sondes, de JILA-tips zullen ten goede komen aan nanotechnologie en studies van vouwen en rekken in biomoleculen zoals eiwitten en DNA.

Een AFM-sonde is een cantilever, in de vorm van een kleine duikplank met een kleine, punt op atomaire schaal aan het vrije uiteinde. Om krachten op moleculaire schaal in een vloeistof te meten, de sonde hecht zijn punt aan een molecuul zoals een eiwit en trekt; de resulterende doorbuiging van de cantilever wordt gemeten. De krachten bevinden zich in het rijk van piconewtons, of biljoensten van een newton. Eén Newton is ongeveer het gewicht van een kleine appel.

Het nieuwe sondeontwerp, beschreven in ACS Nano, is de derde recente vooruitgang van de JILA-onderzoeksgroep in AFM-technologie. JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

De groep verbeterde eerder de stabiliteit van de AFM-positie door laserstralen te gebruiken om beweging te detecteren en de gouden coating van lange sondetips te verwijderen. of uitkragingen, om de stabiliteit van de strijdkrachten op lange termijn te verbeteren. Echter, het verwijderen van het goud vermindert de sterkte van het signaal dat wordt gemeten, en het gebruik van lange uitkragingen leidt tot andere meetproblemen, zoals een tragere reactie op dynamische gebeurtenissen zoals het ontvouwen van eiwitten.

De laatste wijziging verhelpt deze en andere problemen, verbetering van de precisie zonder verlies van stabiliteit, snelheid, of gevoeligheid. JILA-onderzoekers gebruikten een gefocusseerde ionenstraal om een ​​gat in het midden van een korte commerciële cantilever te snijden en de resterende ondersteunende structuren te verdunnen. waardoor de stijfheid en wrijving van de cantilever in de buurt van oppervlakken wordt verminderd. Het resultaat is een uitstekende stabiliteit op lange termijn en een verbeterde precisie op korte termijn, respectievelijk, in AFM-krachtmetingen.

JILA-onderzoekers voegden ook een beschermende glazen dop toe over de gouden coating aan het einde van de cantilever om de gunstige reflectiviteit te behouden, en verwijderde vervolgens het resterende goud om krachtstabiliteit te verkrijgen. De gewijzigde cantilever maakt snelle, nauwkeurige en stabiele krachtmetingen over een breed scala aan werkfrequenties.

"Eerder, we moesten het gemiddelde nemen van de Brownse (willekeurige) beweging van onze favoriete cantilever gedurende ongeveer 60 milliseconden om een ​​meting te krijgen met een precisie van 1 piconewton, "JILA/NIST biofysicus Tom Perkins zegt. "Nu, we kunnen dezelfde precisie krijgen in ongeveer 1 milliseconde."

JILA-onderzoekers hebben significante voordelen aangetoond voor studies met één molecuul. Bijvoorbeeld, de korte, zachte uitkragingen kunnen snel abrupte veranderingen in kracht meten wanneer een eiwit zich ontvouwt. Eiwitvouwing is vereist voor een goede biologische functie en verkeerd vouwen kan leiden tot ziekten zoals de ziekte van Alzheimer. De nieuwe cantilevers passen bij de respons van stijvere, ongewijzigde uitkragingen maar met grotere stabiliteit en precisie. Krachtstabiliteit is cruciaal in deze toepassing omdat de snelheid van het vouwen en ontvouwen van eiwitten exponentieel gevoelig is voor kleine veranderingen (kleiner dan 1 piconewton) in de toegepaste belasting. Het nieuwe apparaat kan ook vluchtige gebeurtenissen op nanoschaal volgen, inclusief eiwitvouwing, over honderden seconden - veel langere perioden dan voorheen mogelijk was. Het nieuwe ontwerp moet ook toepasbaar zijn op het snel onderzoeken van de mechanische eigenschappen van materialen op nanoschaal.

aanzienlijk, de nieuwe uitkragingen zijn robuust genoeg om meerdere dagen te worden hergebruikt. Bovendien, JILA-onderzoekers zeggen dat het nieuwe ontwerp eenvoudig en goedkoop te maken is, en daarom, geschikt voor routinematig gebruik.

"Verbazingwekkend, dit project werd geleid door een getalenteerde student. We hopen dat andere groepen met vergelijkbare getalenteerde studenten deze uitkragingen zullen overnemen. Wij zijn zeker, ' zei Perkins.