Атомно-силовая микроскопия

Электронно-микроскопическая томография

Метод ЭМ томографии, разработанный сравнительно недавно, прочно вошел в практику структурных исследований биологических объектов. В его основе лежит известный метод послойной томографии, когда реконструкция трехмерного изображения проводится на основе последовательных рентгеновских снимков, сделанных с неподвижного объекта. В ЭМ-томографии поворачивается объект, на который пучок электронов падает под разным углом. Поворот объекта (сеточки с образцом) осуществляется с помощью гониометра, конструкция которого должна надежно обеспечивать поворот образца на строго фиксированный угол, обычно – 0,5-1 градус. После каждого поворота делается снимок с помощью цифровой камеры. После полной серии поворотов образца (диапазон до 140^о) производится трехмерная реконструкция с помощью компьютерной программы, - очень важный этап. Реконструкция трехмерного изображения в ЭМ-томографии представляет собой более сложную задачу, чем в обычной томографии, поскольку первичные «срезы» получаются под углом.

ЭМ-томографию делают для разных типов объектов. Наиболее «продуктивным» метод оказался для изучения трехмерной организации макромолекул, в частности, белков, для которых невозможно получить кристаллы для рентгеноструктурного исследования. Сочетание ЭМ-томографии с криоЭМ позволяет получать трехмерную реконструкцию нативных объектов, что очень важно.

Первый атомно-силовой микроскоп был сконструирован Г. Биннигом, Х. Гербером и С. Квайтом в 1986 году, после того как годом ранее Г. Бинниг показ принципиальную возможность неразрушающего контакта зонда с поверхностью образца.

Действительно, если подвести зонд к образцу на расстояние в несколько ангстрем, то между атомами, образующими острие, и атомами, расположенными на поверхности образца, начнет действовать Ван-дер-Ваальсова сила притяжения. Под действием этой силы зонд будет приближаться к образцу до тех пор, пока не начнется электростатическое отталкивание одноименно (отрицательно) заряженных электронных оболочек атомов зонда и поверхности (в химии обычно используют специальную форму кривой, описывающего такие взаимодействия – так называемый «потенциал 6-12»).

В современных атомно-силовых микроскопах зонд закрепляют на гибкой балке, называемой «кантилевером» или консолью. При подводе зонда к образцу на расстояние в несколько ангстрем и возникновении отталкивающего взаимодействия «кантилевер» изгибается до тех пор, пока давление со стороны зонда (определяемое силой упругости консоли) не окажется больше предела упругой деформации материала образца или зонда. Таким образом, основным свойством «кантилевера» является его жесткость, а подбор материала и геометрических характеристик «кантилевера» позволяет использовать метод АСМ для самых различных приложений.

Перемещаясь в плоскости образца над поверхностью, «кантилевер» изгибается, отслеживая ее рельеф. Однако при сканировании образца в контактном режиме поверхность образца частично повреждается, а разрешение метода оказывается достаточно низким. Разработка методов полуконтактного и бесконтактного сканирования, когда, зонд входит в контакт с поверхностью только в нижней точке траектории собственных резонансных колебаний или не входит в контакт вообще, позволили увеличить разрешение АСМ, значительно снизив давление на образец со стороны зонда. Для регистрации отклонения «кантилевера» предложены различные системы, основанные на использовании емкостных датчиков, интерферометров, систем отклонения светового луча или пьезоэлектрических датчиков. В современных приборах угол изгиба «кантилевера» регистрируется с помощью лазера, луч которого отражается от внешней стороны консоли и падает на фотодиодный секторный датчик. Система обратной связи отслеживает изменение сигнала на фотодетекторе и управляет «системой нанопозицонирования».

Помимо непосредственного исследования структуры поверхности методом контактной АСМ, можно регистрировать силы трения и адгезионные силы. В настоящее время разработаны многопроходные методики, при которых регистрируется не только топография, но и электростатическое или магнитное взаимодействие зонда с образцом. С помощью этих методик удается определять магнитную и электронную структуру поверхности, строить распределения поверхностного потенциала и электрической емкости, и т.д. Для этого используют специальные «кантилеверы» с магнитными или проводящими покрытиями. АСМ также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие зонды, можно делать гравировку и проводить «наночеканку» – выдавливать на поверхности крошечные рисунки. Применение жидкостной атомно-силовой микроскопии позволяет локально проводить электрохимические реакции, прикладывая потенциал между зондом и проводящей поверхностью.

Изучение биологических объектов с помощью АСМ осложняется особыми свойствами биологических мембран, особенно – эукариотических клеток, на поверхности которых локализуются многочисленные молекулярные «хвосты». В настоящее время в основном метод АСМ используют для визуализации бактерий и вирусов.

Дата добавления: 2014-03-03; просмотров: 464; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!