Mikroskopi gaya atom (AFM) adalah teknik probe pemindaian resolusi tinggi yang mengukur topografi permukaan dengan merasakan gaya antara ujung tajam dan sampel. Tidak seperti mikroskop elektron, AFM dapat mencitrakan sampel non-konduktif dalam kondisi ambien atau cairan, membuatnya sangat cocok untuk karakterisasi material biologis dan lunak.
Prinsip AFM
AFM terdiri dari ujung tajam yang dipasang di ujung kantilever fleksibel. Saat ujung memindai permukaan sampel, interaksi ujung-sampel menyebabkan kantilever membelok. Sinar laser yang dipantulkan dari permukaan kantilever ke fotodetektor peka-posisi mengukur defleksi ini dengan presisi sub-nanometer. Loop umpan balik menyesuaikan tinggi sampel atau posisi ujung untuk mempertahankan gaya atau jarak konstan.
Jari-jari ujung biasanya 1–20 nm untuk probe standar dan di bawah 1 nm untuk ujung super-tajam. Sensitivitas gaya dapat mencapai tingkat piconewton, memungkinkan pengukuran interaksi molekuler.
Mode Pencitraan
Mode kontak mempertahankan kontak ujung-sampel konstan selama pemindaian. Defleksi kantilever dijaga konstan dengan menyesuaikan posisi z, menghasilkan peta topografi. Mode kontak memberikan kecepatan pemindaian tinggi tetapi dapat merusak sampel lunak atau memindahkan material yang terikat longgar.
Mode tapping (kontak intermiten) mengosilasi kantilever di dekat frekuensi resonansinya saat memindai. Ujung menyentuh sampel sebentar di bagian bawah setiap osilasi. Perubahan amplitudo osilasi karena interaksi ujung-sampel digunakan untuk umpan balik. Mode tapping mengurangi gaya lateral dan merupakan mode yang lebih disukai untuk sampel biologis, polimer, dan partikel yang teradsorpsi longgar.
Mode non-kontak mengosilasi kantilever di atas sampel tanpa menyentuhnya, merasakan gaya van der Waals tarik menarik. Mode ini menghindari kerusakan sampel sepenuhnya tetapi memerlukan permukaan yang bersih dan kondisi yang stabil.
Spektroskopi Gaya
AFM dapat mengukur kurva gaya-jarak pada titik tunggal atau sepanjang grid. Defleksi kantilever dicatat saat ujung mendekat, menyentuh, dan menjauh dari sampel. Kurva gaya yang dihasilkan mengungkapkan kekakuan, adhesi, dan deformasi sampel.
Spektroskopi gaya digunakan untuk mengukur gaya pelepasan ikatan molekuler antara pasangan ligan-reseptor, gaya pembukaan lipatan protein, dan elastisitas polimer. Teknik ini dapat mendeteksi gaya serendah beberapa piconewton, sebanding dengan kekuatan ikatan hidrogen tunggal.
Pertimbangan Sampel
AFM memerlukan sampel yang relatif datar dengan kekasaran permukaan kurang dari rentang z pemindai, biasanya beberapa mikrometer. Sampel dipasang pada kaca slide, cakram mika, atau wafer silikon menggunakan perekat atau tarikan elektrostatik. Sampel biologis dapat dicitrakan dalam larutan buffer untuk mempertahankan konformasi asli.
Imobilisasi sangat penting untuk pencitraan yang stabil. Biomolekul dapat diadsorpsi ke mika atau permukaan yang difungsionalisasi, atau diikat melalui tautan spesifik. Lipid bilayer yang didukung dan protein membran dapat dicitrakan dalam kondisi yang relevan secara fisiologis.
Teknik Lanjutan
AFM kecepatan tinggi menangkap proses dinamis seperti pergerakan protein, aktivitas enzim, dan dinamika seluler secara real-time. Laju pemindaian 10–50 frame per detik dicapai dengan kantilever kecil dan pemindai yang dioptimalkan.
Pencitraan multiparametrik secara simultan merekam peta topografi, kekakuan, adhesi, dan disipasi energi. Mode peak force tapping mengontrol gaya maksimum yang diterapkan pada setiap piksel, memungkinkan pemetaan sifat mekanis kuantitatif dengan deformasi sampel minimal.
AFM konduktif, mikroskopi gaya probe Kelvin, dan mikroskopi gaya magnetik memperluas kemampuan AFM untuk mengukur sifat listrik, elektrostatik, dan magnetik pada skala nano.
Aplikasi
AFM banyak digunakan dalam ilmu material untuk mengkarakterisasi kekasaran permukaan, morfologi film tipis, dan nanopartikel. Dalam biologi, AFM mencitrakan protein membran, DNA, dan struktur sitoskeletal pada resolusi molekuler. Dalam ilmu polimer, AFM memetakan pemisahan fase, kristalinitas, dan sifat mekanis. Dalam manufaktur semikonduktor, AFM mengukur kekasaran tepi garis dan dimensi kritis.
Keterbatasan
AFM memiliki area pemindaian terbatas, biasanya 10–100 µm untuk pemindai resolusi tinggi. Akuisisi gambar lebih lambat dari SEM, dan artefak ujung dapat mendistorsi fitur. Teknik ini hanya mencitrakan permukaan dan tidak memberikan identifikasi kimia langsung. Diperlukan operator terampil untuk pencitraan bebas artefak.
