Onderzoekers van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology hebben een nieuwe methode ontwikkeld om het detectievermogen van chemische beeldvorming op nanoschaal te verbeteren met behulp van atoomkrachtmicroscopie. Deze verbeteringen verminderen de ruis die wordt geassocieerd met de microscoop, het vergroten van de precisie en het bereik van monsters die kunnen worden bestudeerd.

De studie "Closed-Loop Atomic Force Microscopy-Infrared Spectroscopic Imaging for Nanoscale Molecular Characterization" werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Atoomkrachtmicroscopie wordt gebruikt om de oppervlakken van materialen te scannen om een ​​beeld van hun hoogte te genereren, maar de techniek kan de moleculaire samenstelling niet gemakkelijk identificeren. Onderzoekers hebben eerder een combinatie van AFM en infraroodspectroscopie ontwikkeld, AFM-IR genaamd. De AFM-IR-microscoop maakt gebruik van een cantilever, dat is een balk die aan het ene uiteinde is verbonden met een steun en aan het andere uiteinde met een scherpe punt, om subtiele bewegingen van het monster te meten dat is geïntroduceerd door met een IR-laser te schijnen. De absorptie van licht door het monster zorgt ervoor dat het uitzet en de cantilever afbuigt, het genereren van een IR-signaal.

"Hoewel de techniek veel wordt gebruikt, er is een grens aan zijn prestaties, " zei Rohit Bhargava, een oprichter hoogleraar Engineering en de directeur van het Cancer Center aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "Het probleem is dat er onbekende geluidsbronnen waren die de kwaliteit van de gegevens beperkten."

De onderzoekers creëerden een theoretisch model om te begrijpen hoe het instrument werkt en zo de bronnen van ruis te identificeren. Aanvullend, ze ontwikkelden een nieuwe manier om het IR-signaal met verbeterde precisie te detecteren.

"De doorbuiging van de cantilever is gevoelig voor geluid dat erger wordt naarmate de doorbuiging toeneemt, " zei Seth Kenkel, een afgestudeerde student in het Chemical Imaging and Structures Laboratory, die wordt geleid door Bhargava. "In plaats van doorbuiging van de cantilever te detecteren, we gebruikten een piëzo-component als een podium om nul doorbuiging te behouden. Door een spanning op het piëzomateriaal aan te brengen, we kunnen een kleine doorbuiging behouden met weinig ruis terwijl we dezelfde chemische informatie opnemen die nu is gecodeerd in de piëzo-spanning."

In plaats van de cantilever te verplaatsen, de onderzoekers gebruiken de beweging van het piëzo-kristal om het IR-signaal op te nemen. "Dit is de eerste keer dat iemand een piëzo-actuator heeft bestuurd om het signaal te detecteren. Andere onderzoekers omzeilen uitdagingen zoals ruis door complexere detectiesystemen te gebruiken die de onderliggende problemen van AFM-IR niet aanpakken, ’ zei Kenkel.

"Mensen hebben deze techniek alleen kunnen gebruiken om samples te meten die een sterk signaal hebben vanwege het ruisprobleem, " zei Bhargava. "Met de verbeterde gevoeligheid, we kunnen een veel kleiner aantal monsters afbeelden, zoals celmembranen."

Naast het meten van meer diverse monsters, de onderzoekers hopen deze techniek ook te gebruiken om kleinere monstervolumes te meten. "We zouden deze techniek kunnen gebruiken om te kijken naar complexe mengsels die in kleine hoeveelheden aanwezig zijn, als een enkele lipide dubbellaag, ' zei Bhargava.

"De nieuwe techniek die is ontwikkeld door het Bhargava-lab is opwindend. Onze groep is geïnteresseerd om deze techniek onmiddellijk te gebruiken om meer te weten te komen over eiwitvervorming op complexe oppervlakken, " zei Catherine Murphy, het hoofd van de afdeling Scheikunde en de Larry Faulkner Endowed Chair in Chemistry.