El Microscopio de Fuerza Atómica – Explorando “ver” a nanoescala

Originalmente publicado en inglés por Arielle Mensch
Publicado el 24 de marzo del 2015
Traducido por Ana Fernández Ruiz de Alegria, Editado por Mariah Dooley

Echa un vistazo a tu alrededor: ¿ves una superficie que parezca un poco irregular? Ahora cierra los ojos, extiende tu mano y siente esa superficie. ¿Te has hecho una idea de cómo se siente? ¡Genial! Ahora, ¿podrías emplear lo que has aprendido o sentido con el tacto para dibujar una imagen de esta superficie irregular? Probablemente, no. Crear imágenes tridimensionales de superficies como la que acabas de tocar es una tarea difícil para un ser humano, pero es la especialidad de uno de los instrumentos que utilizo, ¡el microscopio de fuerza atómica!

Aquí hay una foto del AFM con el que trabajo.

Figura 1. Aquí hay una foto del AFM con el que trabajo. Está configurado para analizar muestras que contienen fluidos que fluyen, para que podamos imitar las condiciones ambientales.

La microscopía de fuerza atómica o AFM (por sus siglas en inglés) mide la topografía de una superficie. En otras palabras, mapea la altura de rasgos morfológicos muy pequeños en una superficie. Puedes pensar en esto como si se tratara de mapear la altura de las montañas en una cordillera. Al igual que podrías rastrear su altura sobre la superficie de la Tierra a medida que asciendes a través de una cordillera, un microscopio de fuerza atómica rastrea las alturas de las pequeñas características de una superficie, en cierto sentido, como si estuviera caminando sobre ella.

El AFM nos da información en tres direcciones: x (longitud), y (ancho), z (altura). Pero lo que es increíble de esta técnica es la resolución que podemos obtener con ella. De hecho, ¡somos capaces de distinguir diferencias de altura de menos de un nanómetro (una billonésima parte de un metro)!

Entonces, ¿cómo funciona realmente este microscopio? No es exactamente como el microscopio que hayas podido usar anteriormente en las clases de ciencias de la escuela intermedia. Su característica principal es un voladizo (como una viga asegurada en un solo extremo) que tiene una punta de sondeo muy afilada en el extremo. Esta punta tiene un radio de escala nanométrica, y se “arrastra” sobre una muestra para escanear su topografía. Podemos controlar la interacción entre la punta y la muestra, y mantenemos esta fuerza de interacción constante durante todo el experimento. Esto se logra alineando un láser con la sonda al final del voladizo; el láser se refleja del voladizo a un espejo, y este último, a su vez, lo refleja en un detector. 

El esquema muestra los diferentes componentes de un AFM.

Figura 2. El esquema muestra los diferentes componentes de un AFM.

 

Cuando comienza el rastro, el escáner empieza a moverse en la dirección x e y, permitiendo que el voladizo y la punta sigan la superficie de la muestra. Mientras esto sucede, la luz láser se mueve hacia arriba y hacia abajo en el fotodiodo detector. Cuanto más “irregular” sea la muestra, más se moverá la luz láser. Este movimiento, captado por el fotodiodo detector, se retroalimenta, de manera que el instrumento, entonces, mueve la muestra en la dirección z para mantener constante la interacción entre la punta y la muestra. Como resultado, sabremos la altura (dimensión z) de cada punto de nuestra muestra (dimensiones x e y) en función de cuánto se desvió la posición de la luz láser de su punto original. ¡A partir de esta información podemos crear una imagen visual de la topografía de nuestra muestra!

a punta de la sonda AFM traza la topografía de una superficie de muestra. Imagen modificada

Figura 3. La punta de la sonda AFM traza la topografía de una superficie de muestra. (Imagen modificada de Wikimedia Commons.)

 

Aquí, en el Centro de Nanotecnología Sostenible, usamos el AFM para ayudarnos a responder muchas preguntas diferentes sobre los nanomateriales y sus interacciones con otros sistemas, como las membranas celulares. También usamos el AFM para determinar el tamaño de los diferentes nanomateriales que usamos, pero principalmente lo uso para estudiar las interacciones entre las bicapas lipídicas soportadas (un imitador de las membranas celulares) y varias nanopartículas. Uno de los beneficios del AFM es que podemos realizar experimentos con fluidos, lo que nos ayuda a modelar mejor el entorno natural. Esto significa que nuestras muestras no tienen que permanecer secas, un requisito de muchas otras técnicas de imagen.

En los estudios con bicapas lipídicas de nuestro laboratorio, primero construimos una bicapa y tomamos una imagen de “antes de las nanopartículas” con el AFM. Luego introducimos los nanomateriales y escaneamos la bicapa nuevamente para obtener una imagen de “después”. Esto nos ayuda a entender cuántas nanopartículas están interactuando con la bicapa y si están causando la destrucción de la bicapa. También podemos ver si las nanopartículas prefieren adherirse a algunas partes de las bicapa que a otras. Por ejemplo, la imagen de abajo muestra el “antes” de una capa que tiene tres componentes diferentes. Las regiones brillantes representan dos componentes que se encuentran, aproximadamente, a un nanómetro por encima del componente principal de la bicapa, que se ve en las regiones oscuras. El AFM puede decirnos cómo se orientan las diferentes partes de la bicapa y si los nanomateriales tienen preferencia por unirse a algunos componentes sobre otros. Esto nos ayuda a comprender cómo los nanomateriales interactúan con células reales y vivas que también contienen regiones de diferentes alturas.

Un ejemplo de la imagen que produce un AFM.

Figura 4. Un ejemplo de la imagen que produce un AFM. Las regiones brillantes son áreas aproximadamente 1 nanómetro más altas que las regiones más oscuras.

 

La microscopía de fuerza atómica es solo una de las muchas técnicas a las que tenemos acceso como parte de nuestras colaboraciones a través del Centro de Nanotecnología Sostenible. 1 Por sí solo, el AFM nos puede ayudar a responder muchas preguntas, pero la combinación de la información que obtenemos del AFM con otras técnicas diferentes, realmente, nos ayuda a comprender cómo interactúan las nanopartículas con las bicapas y las células vivas. ¡Es solo una herramienta en nuestra caja de herramientas para ayudarnos a alcanzar nuestras metas!

Para leer el blog original en inglés, haz clic aquí.


REFERENCIAS (Puede necesitar estar suscrito para obtener acceso completo):

  1. Troiano J.M.; Olenick L.L.; Keuch T.R.; Melby E.S.; Hu D.; Lohse S.E.; Mensch A.C.; Doğangün M.; Vartanian A.M.; Torelli M.D.; Ehimiaghe E.; Walter S.R.; Fu L.; Anderton C.R.; Zhu Z.; Wang H.; Orr G.; Murphy C.J.; Hamers R.J.; Pedersen J.A.; Geiger F.M. Direct Probes of 4-nm Diameter Gold Nanoparticles Interacting with Supported Lipid Bilayers, Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119(1), 534–546.  http://dx.doi.org/10.1021/jp512107z  (Lee el resumen del blog para el público en inglés aquí.)