研究人员以三维方式解释原子力显微镜的成像机制

金泽大学纳米生命科学研究所 (WPI-NanoLSI) 的研究人员报告了悬浮纳米结构的 3D 成像。所用技术是原子力显微镜的扩展，是一种可视化各种 3D 生物系统的有前途的方法。

原子力显微镜 (AFM) 最初是为了以纳米级分辨率观察表面而发明的。其基本工作原理是将超薄探针头移到样品表面上。在此 xy 扫描运动过程中，探针头在垂直于 xy 平面方向上的位置跟随样品的高度分布，从而得到表面的高度图。

近年来，人们一直在探索将该方法扩展到 3D 成像的方法，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。然而，要使 3D-AFM 发展成为一种广泛适用的可视化柔性分子结构的技术，必须彻底了解其中的成像机制。

现在，金泽大学的 Takeshi Fukuma 和同事对一种特殊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《Small Methods》杂志上。

科学家们利用微加工工具制作了一个样品，该样品由一根碳纳米管纤维组成，该纤维位于铂柱上，而铂柱又位于硅基板上。碳纳米管是一种可以想象成卷起的、厚度为一个原子的碳片的结构。纳米管的独立部分长约 2 微米。整个结构浸入水中，因为许多感兴趣的 3D 生物分子系统都出现在液体环境中。

随后，Fukuma 及其同事以两种不同的模式进行了 3D-AFM 实验。在静态模式下，纳米探针尖端垂直下降至样品。当尖端与悬浮的纳米管纤维接触时，后者会被推到一边，并在探针进一步下降时弯曲。在动态模式下，尖端(附在悬臂上)在下降时以共振频率振荡。

通过分析尖端所受力随尖端深度的变化情况，研究人员得出结论，静态模式下尖端与光纤之间的摩擦力比动态模式下大得多。因此，动态模式下是首选模式，因为摩擦力越小，样品受到的潜在损坏就越小。

科学家们进行了计算机模拟，以模拟尖端到达碳纳米管纤维时发生的情况。模拟证实，悬浮的纳米管会横向位移，并且持续振动的尖端(如动态模式)会导致样品受到较弱的力，从而阻碍尖端与纤维的牢固粘附。

随后，Fukuma 及其同事对悬浮在硅基片上沉积的规则纳米铂点图案上方的碳纳米管纤维进行了实验。测量以动态模式进行。扫描体积的重建 3D 地图清晰地显示了纤维及其下方的点，突显了 3D-AFM 对垂直重叠纳米结构进行成像的能力。

这些发现表明，AFM 通常可用于可视化灵活的 3D 结构。“这项研究取得的进展可能会带来对各种 3D 生物系统(如细胞、细胞器、染色体和囊泡)更详细、更准确的 AFM 分析，”科学家表示。

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