Applicazioni dei microscopi biologici nella ricerca biologica
Binnig ha inventato il microscopio a sonda a scansione, che ha vinto il Premio Nobel per la fisica. Questo microscopio raggiunge un ingrandimento molto maggiore rispetto ai microscopi ottici convenzionali. L'ingrandimento dei microscopi ottici generalmente non supera le 1000 volte, mentre quello dei microscopi elettronici varia da 100 a 100.000 volte, consentendo l'osservazione diretta delle sostanze e delle loro strutture su scala atomica, che è diventata uno dei principali strumenti per esplorare il micromondo.
Uno dei meriti della microscopia a forza atomica (AFM) risiede nella preparazione del campione. A differenza della microscopia elettronica a trasmissione, i campioni non richiedono pretrattamenti complicati. L'AFM può osservare campioni biologici viventi in condizioni fisiologiche e può catturare cambiamenti dinamici delle cellule viventi; inoltre l'AFM può ottenere immagini tridimensionali. In linea di principio, la microscopia a forza atomica (AFM) può risolvere la morfologia superficiale e le proprietà fisiche dei campioni su scala nanometrica ed eseguire l'imaging e l'analisi di singole biomolecole. Inoltre, il segnale ottenuto dall'AFM può fungere anche da spettro di forza.
L'AFM consente inoltre l'elaborazione e la modifica di atomi o molecole sulla superficie del campione, come lo spostamento di atomi, il taglio di campioni e la perforazione delle membrane cellulari. In sintesi, l'alta risoluzione, la capacità di osservare campioni viventi e l'elaborazione dei campioni sono i tre principali vantaggi della microscopia a forza atomica (AFM).
L'AFM utilizza solitamente microcantilever con punta affilata. Esiste una forza debole tra la punta e la superficie del campione. La forza di interazione tra la punta e il campione può essere descritta dal potenziale di Lennard-Jones: \\(F(r)=-\\frac{C}{r^D}+\\frac{\\sigma}{r^Z}\\); dove C e \\(\\sigma\\) sono costanti, r rappresenta la distanza tra la punta e il campione. Quando la punta è vicina alla superficie del campione, la forza intermolecolare si trasforma da forza attrattiva a forza repulsiva. La forza che agisce sulla punta riflette la morfologia superficiale e altre informazioni caratteristiche del campione.
Ad esempio, \\(F(Z)=2KB(3-Z)\\), dove Z è la posizione verticale della punta della sonda. La microscopia a forza atomica in campo chiaro (BFAM) utilizza un fascio di luce laser riflessa dalla superficie del campione e quindi proiettata su un fotodiodo diviso. Le variazioni nella struttura superficiale del campione causano cambiamenti nell'intensità della luce, quindi è possibile ottenere informazioni sulla topografia superficiale del campione. L'immagine morfologica a livello atomico del campione viene registrata mediante microscopia a forza atomica.
