Атомно-силовая микроскопия

АСМ или AFM (Atomic Force Microscopy)

Для получения изображения поверхности с разрешением вплоть до атомарного используется резкая зависимость силы взаимодействия твердых тел в зависимости от расстояния между ними.

Первый член описывает отталкивание электронных облаков, а второй – несколько более дальнодействующую силу притяжения. Как правило, при получении изображений ориентируются прежде всего на величины отталкивания, а логика получения изображений та же, что и в случае сканирующей туннельной микроскопии.

Зонд подводится так близко к поверхности образца, чтобы начали действовать атомные силы притяжения и отталкивания, после чего зонд начинает перемещаться вдоль поверхности, а его положение вдоль оси z поддерживается на таком уровне, чтобы значение атомных сил оставалось неизменным. Траектория движения зонда повторяет рельеф поверхности.

Устройство атомно-силового микроскопа

Пьезопривод 1 обеспечивает движение зонда вблизи образца. Кантиле́вер 2 – кремниевая пластинка, полученная с помощью микроэлектронных технологий, на конце которой выращена пирамидка 3, выполняющая роль зонда. На обратную сторону кантилевер напылено зеркало, от которого отражается свет лазера 4 и регистрируется многосекторным детектором 5, который позволяет следить за трехмерным перемещением кантилевера вблизи образца 6. Как правило, кантилевер совершает принудительные колебания с амплитудой порядка 2 нм, а наличие атомно-силового взаимодействия с поверхностью сказывается на частоте колебаний, что и регистрируется детектором. Сигнал с детектора усиливается усилителем 7 и подается на управляющее устройство 8, которое, в свою очередь, подает на привод напряжение, обеспечивающее сканирование поверхности вдоль координат x, y и перемещение зонда вдоль координаты z таким образом, чтобы сила взаимодействия поддерживалась на постоянном уровне. Полученная совокупность профилей поверхности дает её трехмерное изображение с разрешением в пределе 1,5-2 Å. Измерения могут выполняться как на воздухе, так и в водной среде. При этом следует иметь в виду, что из-за конденсации влаги между пирамидкой и образцом присутствует мениск, который перемещается зондом по поверхности образца, т.е. на самом деле, все измерения методом АСМ выполняются в водной среде.

Поскольку атомные силы можно рассматривать в качестве источника трения, то регистрируя деформации кантилевера, можно получить информацию о силе трения. Иногда такие изображения, полученные в режиме Friction имеют больший контраст, чем обычные силовые изображения.

Изображения, полученные методом АСМ в целом идентичны геометрическому рельефу, однако, если на поверхности есть участки, сильно отличающиеся по характеру функциональных групп, это может приводить к искажению изображения.

С другой стороны, если на поверхности пирамидки имеются специально созданные функциональные группы, то это позволяет находить комплементарные им группировки на поверхности образца. В частности, таким образом были измерены взаимодействия с учасстием антител.

Метод атомно-силовой микроскопии позволяет исследовать и сложные молекулы в водной среде. В частности, есть наборы изображений, позволяющие проследить напрямую за репликацией ДНК.