Cosa significa "risoluzione" in questo caso? Risolto l'enigma della microscopia

Con i microscopi ottici convenzionali, questo valore può essere calcolato utilizzando formule relativamente semplici. Tuttavia, le tecniche di microscopia più complesse sono oggi utilizzate in molti settori in cui è molto più difficile rispondere a questa domanda.

Una di queste è la microscopia a forza atomica-spettroscopia infrarossa (AFM-IR), che può essere utilizzata per visualizzare la distribuzione delle sostanze chimiche. Questo metodo può essere utilizzato, ad esempio, per identificare e visualizzare le proteine in una cellula. Tuttavia, spesso non è chiaro quanto questo metodo funzioni bene in quali situazioni. La risoluzione del metodo varia e dipende in modo complicato da molti effetti diversi. La TU di Vienna è ora riuscita a descrivere questi effetti e a calcolare la risoluzione di questi microscopi. Ciò che prima poteva essere determinato solo per tentativi, ora può essere previsto in modo affidabile.

Microscopi a forza atomica e radiazione infrarossa

La tecnica di microscopia AFM-IR è stata oggetto di ricerca presso la TU Wien per diversi anni. Essa combina la microscopia a forza atomica (AFM) con la spettroscopia a infrarossi (IR).

La radiazione infrarossa può essere utilizzata per rilevare molecole di grandi dimensioni come le proteine: Molecole diverse reagiscono a lunghezze d'onda infrarosse diverse. Misurando a diverse lunghezze d'onda infrarosse, si ottiene il cosiddetto spettro infrarosso, qualcosa di simile all'impronta digitale di una molecola. Questo spettro ci permette di riconoscere la molecola con cui abbiamo a che fare.

"Tuttavia, non si sa ancora dove si trovi esattamente questa molecola", afferma il Prof. Georg Ramer dell'Istituto di Tecnologie Chimiche e Analitiche della TU Wien. Tuttavia, questo metodo a infrarossi può essere combinato con un microscopio a forza atomica. Ciò comporta la scansione della superficie del campione con una punta molto sottile. Se una molecola che sta assorbendo la radiazione infrarossa si trova in un determinato punto, si verifica un riscaldamento localizzato proprio in quel punto. Il campione si espande leggermente e questo può essere misurato con il microscopio a forza atomica. In questo modo non solo si sa di quale molecola si tratta, ma anche dove si trova esattamente.

La risoluzione esatta? Un mistero

"Molti ricercatori e aziende utilizzano questo metodo con successo perché può dire con una risoluzione molto alta dove si trovano le molecole. Finora, però, è stato una sorta di sporco segreto", spiega Georg Ramer. "Nessuno poteva dire quanto fosse alta la risoluzione spaziale della tecnologia. Le risposte che si trovano in letteratura - 10 nanometri o addirittura 100 nanometri - sono raramente davvero fondate, ma piuttosto congetture". Il metodo non funziona sempre allo stesso modo; varia da campione a campione.

Questo è un problema, perché se non si conosce la risoluzione, non si può dire per quali applicazioni il metodo può essere utilizzato. È possibile che si eseguano esperimenti per i quali questa tecnica non è effettivamente adatta.

"Abbiamo analizzato più da vicino la questione e abbiamo condotto esperimenti, oltre a sviluppare modelli computazionali e simulazioni al computer", spiega Yide Zhang, uno dei due dottorandi che hanno lavorato al progetto. "Ora possiamo finalmente spiegare esattamente perché si verifica questo strano effetto, in cui la risoluzione è a volte migliore e a volte peggiore".

Quando una molecola sul campione assorbe la luce infrarossa e si riscalda, non sempre si verifica la stessa espansione misurata. L'espansione dipende anche dalla velocità con cui il calore viene dissipato e dalla quantità di materiale presente tra la molecola e la punta dello strumento. Il nuovo modello computerizzato può essere utilizzato per calcolare quanto fortemente ogni campione reagisce a questo effetto termico e in quali casi specifici questo effetto dovrebbe essere visibile e in quali no.

Imparare di più sul campione come mai prima d'ora

"I nostri risultati possono ora essere utilizzati per decidere in anticipo se un particolare esperimento con il metodo ha senso", afferma Georg Ramer. "E non è tutto: il nostro lavoro ci permette anche di interpretare più correttamente gli esperimenti e di ottimizzare la sensibilità e la risoluzione". Fino ad oggi, ad esempio, il campione veniva solitamente considerato come una superficie bidimensionale. Con le nuove scoperte, invece, ora è possibile fare affermazioni anche sulla terza dimensione: È ora possibile creare un'immagine 3D del campione su scala nanometrica.