Konstnärens uppfattning om JILAs framsteg inom design av atomkraftmikroskop (AFM). För att mäta picoscale krafter i vätska, en AFM-sond fäster till en molekyl som DNA och drar, och sondens avböjning mäts. JILA-forskare fann att sonder med guldbeläggningen borttagen (lila i illustrationen) gör mätningar som är 10 gånger mer stabila och exakta än de som görs med konventionella guldbelagda sonder. Guld hjälper till att reflektera laserljuset men det kan också potentiellt spricka, ålder, och krypa, vilket försämrar dess mekaniska egenskaper och minskar mätprecisionen. Kredit:Baxley/JILA
(Phys.org) -- Guld är inte nödvändigtvis dyrbart - åtminstone inte som en beläggning på atomkraftmikroskopsonder (AFM).
JILA-forskare fann att avlägsnande av en AFM-sonds guldbeläggning – som hittills ansetts vara till hjälp – avsevärt förbättrade kraftmätningar utförda i en vätska, mediet som gynnas för biofysikaliska studier som att sträcka DNA eller veckla ut proteiner. Som beskrivs i Nano Letters, * ta bort guldet från den trampbräda-formade sonden, eller cantilever, med ett kort kemiskt bad förbättrade precisionen och stabiliteten för kraftmätningar cirka 10 gånger. Framstegen förväntas snabbt och brett gynna områdena biofysik och nanovetenskap.
JILA är ett gemensamt institut för National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.
"Vad jag tycker är intressant med det här experimentet är att det är så otroligt enkelt. Det tar en minut att ta bort guldet från en kommersiell konsol och du får en 10-faldig förbättring av kraftprecision, " säger NIST/JILA-fysikern Thomas Perkins.
För att mäta krafter i molekylär skala, en AFM:s fribärande fäste vid en molekyl med sin spetsiga ände och drar; den resulterande avböjningen av konsolen mäts. Krafterna är i riket av piconewtons (pN), eller biljondelar av en newton. En kraftenhet, en newton är ungefär vikten av ett litet äpple.
Cantilevers är vanligtvis gjorda av kisel eller kiselnitrid och belagda med guld på båda sidor för att reflektera ljus. Perkins upptäckte att guldbeläggningen var ett problem medan hans forskargrupp undersökte veckningen och veckningen av proteinmolekyler under tidsperioder från sekunder till minuter. Gruppen har tidigare förbättrat AFM positionsstabilitet** och har ett relaterat patent, *** men upptäckte sedan att styrkan drev. "Det är kontraintuitivt, " säger Perkins. "Alla har antagit att du behövde guld för den förbättrade reflektionsförmågan, när i själva verket, guld är helt klart den dominerande källan till kraftdrift på korta och långa tidsskalor."
"Guld uppvisar en sorts komplex elastisk egenskap i högprecisionsmätningar, " Perkins förklarar. "När du böjer guld, det smyger sig lite, som dumt kitt. Ytterligare, läran i fältet är att guld kan spricka, det kan åldras, och molekyler kan binda till det - vilket alla kan förändra dess mekaniska egenskaper. Det här problemet är ännu värre när du gör biologiska experiment i vätska."
AFM-kraftmätningar i vätska har vanligtvis haft precision (felområde) på plus eller minus 5 till 10 pN. Genom att ta bort guldet minskade JILA-forskarna felet med 10 gånger, till cirka 0,5 pN för mätningar på både korta och långa tidsskalor. Forskare kan nu exakt mäta snabba processer, som att proteiner viker sig och vecklas ut 50 gånger per sekund, under långa tidsperioder på flera minuter. Betydligt nog, resultaten uppnåddes med kommersiellt tillgängliga mikroskop och konsoler, så de praktiska fördelarna kan appliceras snabbt för alla AFM kraftmätningar och avbildningar. AFM kan nu konkurrera med optiska fällor och magnetpincett när det gäller känslighet.
