I ricercatori del Beckman Institute for Advanced Science and Technology hanno sviluppato un nuovo metodo per migliorare la capacità di rilevamento dell'imaging chimico su nanoscala utilizzando la microscopia a forza atomica. Questi miglioramenti riducono il rumore associato al microscopio, aumentando la precisione e la gamma di campioni che possono essere studiati.

Lo studio "Closed-Loop Atomic Force Microscopy-Infrared Spectroscopic Imaging for Nanoscale Molecular Characterization" è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

La microscopia a forza atomica viene utilizzata per scansionare le superfici dei materiali per generare un'immagine della loro altezza, ma la tecnica non può identificare facilmente la composizione molecolare. I ricercatori hanno precedentemente sviluppato una combinazione di spettroscopia AFM e infrarossa chiamata AFM-IR. Il microscopio AFM-IR utilizza un cantilever, che è una trave che è collegata ad un supporto ad un'estremità e ad una punta aguzza all'altra, per misurare i movimenti sottili del campione introdotti facendo brillare un laser IR. L'assorbimento della luce da parte del campione lo fa espandere e deviare il cantilever, generare un segnale IR.

"Sebbene la tecnica sia ampiamente utilizzata, c'è un limite alle sue prestazioni, " disse Rohit Bhargava, un professore fondatore di ingegneria e direttore del Cancer Center presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. "Il problema è che c'erano fonti sconosciute di rumore che limitavano la qualità dei dati".

I ricercatori hanno creato un modello teorico per capire come funziona lo strumento e quindi identificare le fonti di rumore. Inoltre, hanno sviluppato un nuovo modo per rilevare il segnale IR con maggiore precisione.

"La deflessione del cantilever è suscettibile al rumore che peggiora con l'aumentare della deflessione, " disse Seth Kenkel, uno studente laureato presso il Laboratorio di Imaging e Strutture Chimiche, che è guidato da Bhargava. "Invece di rilevare la deflessione del cantilever, abbiamo usato un componente piezoelettrico come palcoscenico per mantenere una deflessione zero. Applicando una tensione al materiale piezoelettrico, possiamo mantenere una piccola deflessione con basso rumore mentre registriamo le stesse informazioni chimiche che ora sono codificate nella tensione piezoelettrica."

Invece di spostare il cantilever, i ricercatori utilizzano il movimento del cristallo piezoelettrico per registrare il segnale IR. "Questa è la prima volta che qualcuno ha controllato un attuatore piezoelettrico per rilevare il segnale. Altri ricercatori aggirano sfide come il rumore utilizzando sistemi di rilevamento più complessi che non affrontano i problemi sottostanti associati all'AFM-IR, " ha detto Kenkel.

"Le persone sono state in grado di utilizzare questa tecnica solo per misurare campioni che hanno un segnale forte a causa del problema del rumore, "Bhargava ha detto. "Con la sensibilità migliorata, possiamo immaginare un volume di campioni molto più piccolo, come le membrane cellulari".

Oltre a misurare campioni più diversi, i ricercatori sperano anche di utilizzare questa tecnica per misurare volumi di campione più piccoli. "Potremmo usare questa tecnica per esaminare miscele complesse che sono presenti in piccoli volumi, come un unico doppio strato lipidico, "Bhargava ha detto.

"La nuova tecnica sviluppata dal laboratorio Bhargava è entusiasmante. Il nostro gruppo è interessato a utilizzare immediatamente questa tecnica per conoscere la deformazione delle proteine ​​su superfici complesse, "ha detto Catherine Murphy, il capo del Dipartimento di Chimica e la Larry Faulkner Endowed Chair in Chemistry.