Investigadores del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas han desarrollado un nuevo método para mejorar la capacidad de detección de imágenes químicas a nanoescala utilizando microscopía de fuerza atómica. Estas mejoras reducen el ruido asociado con el microscopio, aumentando la precisión y la variedad de muestras que se pueden estudiar.

El estudio "Imágenes espectroscópicas infrarrojas de microscopía de fuerza atómica en bucle cerrado para caracterización molecular a nanoescala" se publicó en Comunicaciones de la naturaleza .

La microscopía de fuerza atómica se utiliza para escanear las superficies de los materiales y generar una imagen de su altura, pero la técnica no puede identificar fácilmente la composición molecular. Los investigadores han desarrollado previamente una combinación de AFM y espectroscopia infrarroja llamada AFM-IR. El microscopio AFM-IR utiliza un voladizo, que es una viga que está conectada a un soporte en un extremo y una punta afilada en el otro, para medir movimientos sutiles de la muestra introducida al hacer brillar un láser IR. La absorción de luz por la muestra hace que se expanda y desvíe el voladizo, generando una señal de infrarrojos.

"Aunque la técnica se utiliza ampliamente, hay un límite para su desempeño, "dijo Rohit Bhargava, Profesor Fundador de Ingeniería y director del Centro de Cáncer de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. "El problema es que había fuentes desconocidas de ruido que limitaban la calidad de los datos".

Los investigadores crearon un modelo teórico para comprender cómo funciona el instrumento y, por lo tanto, identificar las fuentes de ruido. Adicionalmente, desarrollaron una nueva forma de detectar la señal de infrarrojos con mayor precisión.

"La deflexión en voladizo es susceptible al ruido que empeora a medida que aumenta la deflexión, "dijo Seth Kenkel, estudiante de posgrado en el Laboratorio de Estructuras e Imágenes Químicas, que es dirigido por Bhargava. "En lugar de detectar una deflexión en voladizo, utilizamos un componente piezoeléctrico como escenario para mantener una deflexión cero. Al aplicar un voltaje al material piezoeléctrico, podemos mantener una pequeña desviación con poco ruido mientras registramos la misma información química que ahora está codificada en el voltaje piezoeléctrico ".

En lugar de mover el voladizo, los investigadores utilizan el movimiento del cristal piezoeléctrico para registrar la señal de infrarrojos. "Esta es la primera vez que alguien ha controlado un actuador piezoeléctrico para detectar la señal. Otros investigadores trabajan en torno a desafíos como el ruido mediante el uso de sistemas de detección más complejos que no abordan los problemas subyacentes asociados con AFM-IR". "Dijo Kenkel.

"La gente solo ha podido utilizar esta técnica para medir muestras que tienen una señal fuerte debido al problema del ruido, "Bhargava dijo." Con la sensibilidad mejorada, podemos obtener imágenes de un volumen de muestras mucho menor, como las membranas celulares ".

Además de medir muestras más diversas, los investigadores también esperan utilizar esta técnica para medir volúmenes de muestra más pequeños. "Podríamos usar esta técnica para observar mezclas complejas que están presentes en pequeños volúmenes, como una sola bicapa lipídica, "Dijo Bhargava.

"La nueva técnica desarrollada por el laboratorio de Bhargava es emocionante. Nuestro grupo está interesado en utilizar esta técnica de inmediato para aprender sobre la deformación de proteínas en superficies complejas, "dijo Catherine Murphy, el jefe del Departamento de Química y la Cátedra Dotada de Química Larry Faulkner.