Zasada działania mikroskopu AFM

Jak sama nazwa wskazuje, kluczowe w działaniu mikroskopu AFM są „siły atomowe”. Zbliżenie do badanej próbki ostrza, którego czubek stanowią pojedyncze atomy skutkuje wystąpieniem sił międzyatomowych pomiędzy atomami próbki oraz ostrza. W zależności od odległości do pewnego momentu będą to siły przyciągające, a po przekroczeniu odpowiedniej granicy – siły odpychające.

Ostrze mikroskopu jest przymocowane do mikro-dźwigni, która skanuje próbkę punkt po punkcie uginając się przy tym odpowiednio w zależności od występujących sił międzyatomowych. Do pomiarów ugięcia wykorzystuje się światło lasera, którego zmienne położenie jest następnie przekształcane przez fotodetektor na sygnał elektryczny i obraz próbki.

Rys. Schemat mikroskopu sił atomowych.

© Źródło: Wikipedia, autor: GregorioW , licencja: CC-BY-SA 3.0 Deed

Mikroskop AFM może pracować w 3 trybach: kontaktowym, bezkontaktowym lub przerywanym. W zależności od trybu ostrze dotyka powierzchnię próbki bądź też nie. Ponadto w trybie bezkontaktowym dźwignia zostaje wprawiona w drgania przy wykorzystaniu piezoelementu.

Mikroskop AFM jest doskonałym narzędziem pozwalającym na zobrazowanie topografii powierzchni próbki z bardzo dużą rozdzielczością - nawet poniżej 1 nm, a także jej scharakteryzowanie pod kątem właściwości mechanicznych poprzez pomiar sztywności, chropowatości czy tarcia. Z pewnością duże znaczenie dla wykorzystania tej metody ma też brak wymagań dotyczących preparatyki próbek oraz możliwość przeprowadzenia badania w komorze cieczowej i w zakresie różnych temperatur, co pozwala na odtworzenie warunków fizjologicznych.

Badanie wpływu odżywek na strukturę włosów

Częste farbowanie, rozjaśnianie, suszenie, a nawet czesanie włosów może mieć negatywny wpływ na ich kondycję. Mikroskop AFM umożliwia przyjrzenie się strukturze włosa i jego zniszczeniom z niezwykle dużą dokładnością. Co więcej, pozwala też ocenić wpływ odżywek kondycjonujących na morfologię zniszczonych włosów.

Odżywki kondycjonujące działają na zasadzie przyciągania pomiędzy ujemnie naładowaną powierzchnią włosów a dodatnio naładowanymi środkami powierzchniowo czynnymi. Kosmetyk pokrywa włosy, zwłaszcza te najbardziej zniszczone z najbardziej ujemnym ładunkiem, chroniąc je przed ponownym zniszczeniem i odstawaniem łusek. Mikroskop sił atomowych  pozwala porównać topografię włosów przed i po zastosowaniu odżywki ukazując warstwy kosmetyku osadzone w różnych miejscach włosa.

Do oceny wpływu odżywki na włosy wykorzystuje się też badania adhezji i chropowatości. Wyniki uzyskane przy pomocy mikroskopu AFM zostały opublikowane przez  prof. Bharata Bhushana i Carmena LaTorre z Uniwersytet Stanowego w Ohio i wskazywały na występowanie mniejszych sił adhezji dla włosów zniszczonych, a większych dla tych, które miały kontakt z odżywką [2]. 

W przypadku badań chropowatości wyniki polskiego zespołu z Centrum Naukowego dr Eris wskazywały na wzrost chropowatości włosów po zastosowaniu odżywki kondycjonującej [3]. Na pierwszy rzut oka takie wyniki mogą dziwić ze względu na powszechnie znane „wygładzanie włosów” po zastosowaniu tego rodzaju kosmetyku. Jednakże interpretując wyniki uzyskane za pomocą mikroskopii AFM należy wziąć pod uwagę, że jest to chropowatość w skali nano, a zwiększenie chropowatości wynika w tym przypadku z osadzenia grudek kosmetyku w zniszczonych miejscach włosa i dowodzi tym samym skuteczności działania odżywki. 

Morfologia i elastyczność skóry

Celem produktów przeznaczonych do pielęgnacji skóry jest między innymi zwiększenie jej gładkości, miękkości i elastyczności. Podobnie jak w przypadku włosów wpływ preparatu kosmetycznego na stan skóry również można poddać ocenie za pomocą mikroskopu sił atomowych. Wykorzystując możliwość ingerencji ostrza mikroskopu w powierzchnię materiału można wykonać badanie „nano-zarysowania” skóry wyjściowej oraz skóry po aplikacji kosmetyku. Przykładem są wyniki badań B. Bushnana i zespołu wskazujące na lepszą odporność na nano-zarysowanie skóry po aplikacji kremu. Powierzchnia skóry wytrzymywała działanie ostrza aż do obciążenia normalnego równego 15µN [5]. 

Mikroskop sił atomowych wyposażony w sztywną dźwignię z diamentowym ostrzem bądź też specjalny przetwornik siła-przemieszczenie daje możliwość przeprowadzania testu nano-wgłębiania, znanego też jako nano-indentacja. W ten sposób sprawdza się twardość i moduł sztywności skóry w skali nano. Mniejsza twardość i sztywność skóry poddanej działaniu kremu dowodzi, że dany kosmetyk wykazuje właściwości nawilżające i zmiękczające w stosunku do skóry.

Ciekawe wyniki dotyczące badań sztywności przedstawiono w pracy I.Dulińskiej-Molak i reszty, gdzie sprawdzano sztywność komórek skóry właściwej-fibroblastów w zależności od wieku (30, 40 i 60 lat), a także po zastosowaniu przeciwzmarszczkowego tripeptydu. Sztywność charakteryzowana jest za pomocą modułu Younga – im jest on większy tym większa jest sztywność. We wspomnianych badaniach  moduł Younga sprawdzano poprzez wgłębienie ostrza w komórkę na odległość 200 nm i 600 nm. Przy indentacji na głębokość 200 nm zaobserwowano wyraźną korelację między sztywnością a wiekiem komórek, przy czym największym modułem Younga charakteryzowały się fibroblasty pochodzące ze skóry 60-latki.

W drugiej części badań porównano sztywność komórek skóry właściwej hodowanych w obecności tripeptydów przeciwzmarszczakowych i bez nich. Największą różnicę zarejestrowano dla najstarszych komórek. Ich moduł Younga zmniejszał się do poziomu właściwego dla skóry 30-latek dowodząc równocześnie pozytywnego wpływu zastosowanych peptydów na stan skóry.

Jak pokazują powyższe przykłady mikroskop AFM jest przyrządem bardzo wszechstronnym. Znajduje zastosowanie w wielu odmiennych obszarach badawczych, a w samych tylko badaniach z zakresu  kosmetologii pozwala na scharakteryzowanie próbek pod wieloma aspektami – od topografii po właściwości mechaniczne takie jak moduł sztywności czy tarcie w skali nano.     

Oliwia Jeznach