Pesquisadores explicam os mecanismos de imagem da microscopia de força atômica em 3D

Pesquisadores do Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), da Universidade de Kanazawa, relatam a imagem 3D de uma nanoestrutura suspensa. A técnica usada é uma extensão da microscopia de força atômica e é uma abordagem promissora para visualizar vários sistemas biológicos 3D.

A microscopia de força atômica (AFM) foi originalmente inventada para visualizar superfícies com resolução em nanoescala. Seu princípio básico de funcionamento é mover uma ponta ultrafina sobre a superfície de uma amostra. Durante esse movimento de varredura xy, a posição da ponta na direção perpendicular ao plano xy segue o perfil de altura da amostra, resultando em um mapa de altura da superfície.

Nos últimos anos, maneiras de estender o método para imagens 3D foram exploradas, com pesquisadores do Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), da Universidade de Kanazawa, relatando experimentos pioneiros em células vivas. No entanto, para que o 3D-AFM evolua para uma técnica amplamente aplicável para visualizar estruturas moleculares flexíveis, é necessário um entendimento completo dos mecanismos de imagem em jogo.

Agora, Takeshi Fukuma da Universidade de Kanazawa e colegas realizaram um estudo detalhado de uma amostra flexível especialmente projetada, fornecendo insights essenciais sobre a base teórica e a interpretação de experimentos 3D-AFM. O estudo foi publicado no periódico Pequenos Métodos.

Usando ferramentas de microfabricação, os cientistas criaram uma amostra consistindo de uma fibra de nanotubo de carbono apoiada em pilares de platina que, por sua vez, foram posicionados em um substrato de silício. Um nanotubo de carbono é uma estrutura que pode ser considerada uma folha de carbono enrolada, com um átomo de espessura. A porção autônoma do nanotubo tinha cerca de 2 micrômetros de comprimento. Toda a estrutura foi imersa em água, como muitos sistemas biomoleculares 3D de interesse ocorrem em ambientes líquidos.

Fukuma e colegas então realizaram experimentos 3D-AFM em dois modos diferentes. No modo estático, a nanoponta é abaixada verticalmente em direção à amostra. Quando a ponta faz contato com a fibra de nanotubo suspensa, esta é empurrada para o lado e se curva enquanto a sonda desce mais. No modo dinâmico, a ponta, que é presa a um cantilever, é feita para oscilar em uma frequência de ressonância enquanto é abaixada.

Ao analisar como a força experimentada pela ponta muda em função da profundidade da ponta, os pesquisadores concluíram que o atrito entre a ponta e a fibra é muito maior no modo estático em comparação ao modo dinâmico. Este último é, portanto, o modo de escolha, pois menos atrito significa que danos potenciais à amostra são menos prováveis.

Os cientistas realizaram simulações de computador para modelar o que acontece quando a ponta atinge a fibra de nanotubo de carbono. As simulações confirmaram que o nanotubo suspenso se desloca lateralmente, e que uma ponta vibrando continuamente (como no modo dinâmico) resulta em forças mais fracas experimentadas pela amostra, dificultando a forte adesão da ponta à fibra.

Fukuma e colegas então realizaram experimentos com uma fibra de nanotubo de carbono suspensa acima de um padrão regular de pontos de platina de tamanho nanométrico depositados em um substrato de silício. As medições foram feitas em modo dinâmico. O mapa 3D reconstruído do volume escaneado mostrou claramente a fibra e os pontos abaixo dela, destacando a capacidade do 3D-AFM de criar imagens de nanoestruturas sobrepostas verticalmente.

Essas descobertas mostram que o AFM pode ser aplicado, de modo geral, para visualizar estruturas 3D flexíveis. “Os avanços feitos neste estudo podem potencialmente levar a uma análise AFM mais detalhada e precisa de vários sistemas biológicos 3D, como células, organelas, cromossomos e vesículas”, afirmam os cientistas.