研究人员解释原子力显微镜在3D中的成像机制

金泽大学纳米生命科学研究所的研究人员报告了悬浮纳米结构的3D成像。所使用的技术是原子力显微镜的扩展，是可视化各种3D生物系统的一种很有前途的方法

原子力显微镜（AFM）最初是为了以纳米级分辨率可视化表面而发明的。它的基本工作原理是在样品表面移动超薄尖端。在该xy扫描运动期间，尖端在垂直于xy平面的方向上的位置遵循样本的高度轮廓，从而产生表面的高度图

近年来，金泽大学纳米生命科学研究所（WPI NanoLSI）的研究人员报告了在活细胞上进行的开创性实验，探索了将该方法扩展到3D成像的方法。然而，为了使3D-AFM发展成为一种广泛应用的可视化柔性分子结构的技术，有必要彻底了解其成像机制

现在，金泽大学的Takeshi Fukuma及其同事对一个专门设计的柔性样本进行了详细研究，为3D-AFM实验的理论基础和解释提供了重要见解。这项研究发表在《小方法》杂志上

使用微制造工具，科学家们制作了一个由碳纳米管纤维组成的样品，碳纳米管纤维位于铂柱上，铂柱又位于硅衬底上。碳纳米管是一种可以想象为一个原子厚的卷起的碳片的结构。纳米管的独立部分约为2微米长。由于许多感兴趣的3D生物分子系统出现在液体环境中，因此整个结构都浸泡在水中

Fukuma及其同事随后在两种不同模式下进行了3D-AFM实验。在静态模式下，纳米尖端朝着样品垂直下降。当尖端与悬浮的纳米管纤维接触时，后者被推到一边，并在探针进一步下降时弯曲。在动态模式下，连接到悬臂上的尖端在降低的同时以共振频率振荡

通过分析尖端所受的力如何随着尖端深度的变化而变化，研究人员得出结论，与动态模式相比，静态模式下尖端与纤维之间的摩擦力要大得多。因此，后者是选择的模式，因为较小的摩擦意味着对样品的潜在损坏可能性较小

科学家们进行了计算机模拟，以模拟当尖端到达碳纳米管纤维时会发生什么。模拟证实，悬浮的纳米管横向位移，并且连续振动的尖端（如在动态模式中）导致样品受到较弱的力，阻碍尖端与纤维的强粘附

Fukuma及其同事随后用碳纳米管纤维进行了实验，碳纳米管纤维悬浮在沉积在硅衬底上的纳米铂点的规则图案上方。测量是在动态模式下进行的。扫描体积的重建3D图清楚地显示了纤维及其下方的点，强调了3D-AFM对垂直重叠的纳米结构成像的能力

这些发现表明，AFM通常可以用于可视化柔性3D结构。科学家们表示：“这项研究的进展可能会对细胞、细胞器、染色体和囊泡等各种3D生物系统进行更详细、准确的AFM分析。” More information: Mohammad Shahidul Alam et al, Revealing the Mechanism Underlying 3D‐AFM Imaging of Suspended Structures by Experiments and Simulations, Small Methods (2024). DOI: 10.1002/smtd.202400287

Journal information: Small Methods