ライフサイエンスAFMプローブ

原子間力顕微鏡（AFM）は、生命科学および生物学の研究に非常に強力なツールです。

単一分子または単一原子のイメージングにAFMが使用されていることでお分かりのように、AFMは非常に高い解像度で3次元形状を測定できます。一方、AFM技術で、生体系の機械特性や、摩擦、接着力、粘弾性、静電的特性などの多くの表面特性を測定することで、ヤング率や相互作用力を決定することもできます。 AFM技術は、バイオサンプルのナノ構造と生体の力学特性の詳細を取得し、ポリマー、組織、ハイドロゲル、吸着分子、さらには本来の状態である生細胞など、あらゆる種類のサンプルを分析できます。

しかし、バイオサンプルにとってのAFMの最も重要な利点は、液中環境、特に難しいサンプル準備なしで、緩衝液環境下で動作できることです。したがって、AFMは、生理学的条件下の生体分子や生細胞を非破壊でイメージングできます。測定環境は、水だけでなく非水溶媒にも原理的には対応ができ、サンプル温度またはサンプルの化学的な構成要素にほとんど制限はありません。

ライフサイエンスにおけるAFMの応用分野は新しい応用が広がっています。 AFM技術を用いた細胞の研究には、例えば、表面形態や、細胞骨格構造、接着、機械的特性、粘弾性特性があります。がん細胞の研究を始め、動物細胞に対しても様々な用途で使われています。AFMのもう1つの重要な応用分野は、細胞膜、特に膜タンパク質と分子間の相互作用の研究です。 AFMは、液中環境において液相構造のナノメートルスケールでイメージングと機械的プロービングできる唯一の方法です。脂質膜を研究するための非常に重要なツールです。AFMは、DNAの構造研究や、DNA-タンパク質複合体構造と相互作用の研究にも使用できます。

イメージングに加えて、AFMは、単一の分子やファイバーの伸長を研究するためのひずみゲージとして、またはウイルスやDNA鎖などのバイオ構造物を解析するためのナノマニピュレーターとして使用できます。さらに、センサーとなる分子をAFM探針に修飾することにより、サンプル表面に局在するターゲット分子を検出するバイオセンサーとして使用できます。AFM探針の修飾と機能化により、リガンド-受容体ペア（例：抗原-抗体）の検出などの分子レベルの相互作用の研究が可能になります。

可能な限り多くの潜在的なアプリケーションをカバーするために、色々な材料を使った様々な機械的特性のAFMプローブが、メーカーNANOSENSORS™、NanoWorld®、Nanotools、BudgetSensors®、MikroMasch®、およびOPUS byµmasch®によって提供されています。

最も一般的なAFMプローブ材料は、シリコンと窒化シリコンです。これらは、大気中または液中環境でのコンタクトまたはダイナミックモードイメージングで使用でき、複数のばね定数と共振周波数が準備されています。AFMプローブの金コーティングは、ディフレクションレーザーの反射率を高め、アグレッシブな溶液中でのAFMプローブの使用を可能にします。また、AFM探針側の金コーティングがあればAFM探針の化学修飾ができます。

AFM探針またはAFMカンチレバーの素材だけでなく、AFM探針の形状もバイオサンプルを測定する際に非常に重要です。たとえば、高アスペクト比のAFMプローブは、大きな高低差があるサンプルを測定できます。nanotools biotoolシリーズは、疎水性表面を備えたAFM探針を備えています。深い溝の下部領域へもアクセスが可能な最大15µmの探針高さ、半径2nmの先端曲率半径、ソフトカンチレバーを組み合わせることで、バイオサンプルの非破壊高解像度測定を実現しています。

ほとんどの場合、生体分子をイメージングするには、可能な限り小さい先端曲率半径のAFM探針が必要です。しかしながら、たとえば細胞をイメージングする場合などは、鋭いAFM探針が細胞膜を突き抜けダメージを与える可能性があります。サンプルにかかる圧力を低下させるため、鋭いAFM探針ではなくあえて先端が丸いAFM探針チを使用する方が望ましい場合があります。NANOSENSORS™qp-BioAC-CIプローブは、このようなアプリケーション専用の丸い先端のAFM探針を備えています。壊れやすい生体サンプルのナノインデンテーションや機械的特性測定には、nanotools biosphereシリーズや NANOSENSORS™ Special Development のSphereティップのような先端が丸く、かつ制御された先端曲率半径の探針が必要です。

液中環境または測定環境温度の変化を伴うAFM測定では、AFMカンチレバーのドリフトが発生します。NANOSENSORS™uniqprobeシリーズは、熱ドリフトが低減したストレスのないAFMカンチレバーを備えているため、このような測定に特に適しています。さらに、NANOSENSORS™uniqprobeシリーズは、AFMプローブごとのばね定数のばらつきが非常に小さいため、定量的なナノメカニクス研究にも特に適しています。この場合、既知の、ほぼ同一のばね定数と共振周波数を持つAFMプローブを複数使用するからです。

NanoWorld®　ウルトラショートカンチレバー（USC）およびArrow超高周波数カンチレバー（UHF）は、生体系のダイナミクスのリアルタイム観察に使用できます。たとえば、メンブレンコンポーネントのダイナミクス、酵素活性の観察、複雑なサンプルの動的な機械的特性のマッピング、または微生物のリアルタイムのモニタリングは、高速AFM技術で実現可能です。

AFMは、従来からある光学顕微鏡や共焦点顕微鏡、分光法、パッチクランプ法、または流体デバイスなどの、さまざまな補完的観察手法と組み合わせることで、複雑な生体系の機械的、機能的、形態学的特性や応答を調査することもできます。