Biologisten mikroskooppien sovellukset biologisessa tutkimuksessa
Binnig keksi pyyhkäisyanturimikroskoopin, joka voitti Nobelin fysiikan palkinnon. Tämä mikroskooppi saavuttaa paljon suuremman suurennuksen kuin perinteiset optiset mikroskoopit. Optisten mikroskooppien suurennus ei yleensä ylitä 1000-kertaista, kun taas elektronimikroskooppien suurennus on 100-100 000-kertainen, mikä mahdollistaa aineiden ja niiden rakenteiden suoran havainnoinnin atomimittakaavassa, josta on tullut yksi tärkeimmistä mikromaailman tutkimisen työkaluista.
Yksi atomivoimamikroskopian (AFM) ansioista on näytteen valmistelu. Toisin kuin transmissioelektronimikroskooppi, näytteet eivät vaadi monimutkaista esikäsittelyä. AFM voi tarkkailla eläviä biologisia näytteitä fysiologisissa olosuhteissa ja vangita elävien solujen dynaamisia muutoksia; Lisäksi AFM voi saada kolmiulotteisia kuvia. Periaatteessa atomivoimamikroskopia (AFM) voi ratkaista näytteiden pinnan morfologian ja fysikaaliset ominaisuudet nanometrin mittakaavassa sekä suorittaa yksittäisten biomolekyylien kuvantamisen ja analyysin. Lisäksi AFM:n saama signaali voi toimia myös sen voimaspektrina.
AFM mahdollistaa myös atomien tai molekyylien käsittelyn ja muuntamisen näytteen pinnalla, kuten atomien siirtämisen, näytteiden leikkaamisen ja solukalvojen rei'ittämisen. Yhteenvetona voidaan todeta, että korkea resoluutio, kyky tarkkailla eläviä näytteitä ja näytteen käsittely ovat atomivoimamikroskopian (AFM) kolme tärkeintä etua.
AFM käyttää yleensä mikroulokkeita, joissa on terävä kärki. Kärjen ja näytteen pinnan välillä on heikko voima. Kärjen ja näytteen välinen vuorovaikutusvoima voidaan kuvata Lennard-Jones-potentiaalilla: \\(F(r)=-\\frac{C}{r^D}+\\frac{\\sigma}{r^Z}\\); missä C ja \\(\\sigma\\) ovat vakioita, r edustaa kärjen ja näytteen välistä etäisyyttä. Kun kärki on lähellä näytteen pintaa, molekyylien välinen voima muuttuu houkuttelevasta voimasta hylkiväksi voimaksi. Kärkeen vaikuttava voima heijastaa pinnan morfologiaa ja muuta näytteelle ominaista tietoa.
Esimerkiksi \\(F(Z)=2KB(3-Z)\\), missä Z on anturin kärjen pystysuuntainen sijainti. Kirkaskenttäatomivoimamikroskopia (BFAM) käyttää laservalokimppua, joka heijastuu näytteen pinnalta ja heijastetaan sitten jaetulle fotodiodille. Näytteen pintarakenteen vaihtelut aiheuttavat muutoksia valon intensiteetissä, joten näytteen pinnan topografiatiedot voidaan saada. Näytteen atomitason morfologinen kuva tallennetaan atomivoimamikroskopialla.
