A microscopia de força atômica (MFA) é uma técnica de varredura por sonda de alta resolução que mede a topografia da superfície detectando as forças entre uma ponta afiada e a amostra. Diferentemente da microscopia eletrônica, a MFA pode imagear amostras não condutoras em condições ambiente ou em líquido, tornando-a particularmente adequada para caracterização de materiais biológicos e macios.
Princípios da MFA
Uma MFA consiste em uma ponta afiada montada na extremidade de um cantilever flexível. À medida que a ponta varre a superfície da amostra, as interações ponta-amostra causam a deflexão do cantilever. Um feixe de laser refletido na superfície do cantilever em um fotodetector sensível à posição mede essa deflexão com precisão subnanométrica. Um circuito de realimentação ajusta a altura da amostra ou a posição da ponta para manter uma força ou distância constante.
O raio da ponta é tipicamente de 1–20 nm para sondas padrão e abaixo de 1 nm para pontas superafiadas. A sensibilidade de força pode atingir níveis de piconewtons, permitindo a medição de interações moleculares.
Modos de Imageamento
O modo contato mantém contato constante ponta-amostra durante a varredura. A deflexão do cantilever é mantida constante ajustando a posição z, produzindo um mapa topográfico. O modo contato fornece altas velocidades de varredura, mas pode danificar amostras macias ou deslocar material fracamente aderido.
O modo tapping (contato intermitente) oscila o cantilever próximo à sua frequência de ressonância enquanto varre. A ponta toca a amostra brevemente na parte inferior de cada oscilação. Mudanças na amplitude de oscilação devido à interação ponta-amostra são usadas para realimentação. O modo tapping reduz forças laterais e é o modo preferido para amostras biológicas, polímeros e partículas fracamente adsorvidas.
O modo não contato oscila o cantilever acima da amostra sem tocá-la, detectando forças atrativas de van der Waals. Este modo evita danos à amostra completamente, mas requer superfícies limpas e condições estáveis.
Espectroscopia de Força
A MFA pode medir curvas força-distância em pontos únicos ou ao longo de uma grade. A deflexão do cantilever é registrada à medida que a ponta se aproxima, contacta e retrai da amostra. A curva de força resultante revela rigidez, adesão e deformação da amostra.
A espectroscopia de força é usada para medir forças de desligamento molecular entre pares ligante-receptor, forças de desenovelamento de proteínas e elasticidade de polímeros. A técnica pode detectar forças tão baixas quanto alguns piconewtons, comparáveis às forças de ligações de hidrogênio individuais.
Considerações sobre Amostras
A MFA requer amostras relativamente planas com rugosidade superficial menor que a faixa z do scanner, tipicamente alguns micrômetros. As amostras são montadas em lâminas de vidro, discos de mica ou wafers de silício usando adesivo ou atração eletrostática. Amostras biológicas podem ser imageadas em soluções tampão para manter a conformação nativa.
A imobilização é crítica para imageamento estável. Biomoléculas podem ser adsorvidas em mica ou superfícies funcionalizadas, ou fixadas através de ligações específicas. Bicamadas lipídicas suportadas e proteínas de membrana podem ser imageadas em condições fisiologicamente relevantes.
Técnicas Avançadas
A MFA de alta velocidade captura processos dinâmicos como movimento de proteínas, atividade enzimática e dinâmica celular em tempo real. Taxas de varredura de 10–50 quadros por segundo são alcançadas com cantilevers pequenos e scanners otimizados.
O imageamento multiparamétrico registra simultaneamente mapas de topografia, rigidez, adesão e dissipação de energia. O modo de tapping com força de pico controla a força máxima aplicada em cada pixel, permitindo mapeamento quantitativo de propriedades mecânicas com deformação mínima da amostra.
A MFA condutora, microscopia de força Kelvin e microscopia de força magnética estendem as capacidades da MFA para medir propriedades elétricas, eletrostáticas e magnéticas em escala nanométrica.
Aplicações
A MFA é amplamente utilizada na ciência dos materiais para caracterizar rugosidade superficial, morfologia de filmes finos e nanopartículas. Na biologia, a MFA imageia proteínas de membrana, DNA e estruturas do citoesqueleto em resolução molecular. Na ciência dos polímeros, a MFA mapeia separação de fases, cristalinidade e propriedades mecânicas. Na fabricação de semicondutores, a MFA mede rugosidade de borda de linha e dimensões críticas.
Limitações
A MFA tem uma área de varredura limitada, tipicamente 10–100 µm para scanners de alta resolução. A aquisição de imagem é mais lenta que a MEV, e artefatos de ponta podem distorcer características. A técnica imageia apenas superfícies e não fornece identificação química direta. Operação qualificada é necessária para imageamento livre de artefatos.
