القوة الذرية المجهرية المسافة البادئة القائمة على الكابولي: قياسات الخواص الميكانيكية على المستوى النانوي في الهواء والسوائل

Summary

يتيح تحديد منطقة التلامس والقوة المطبقة بواسطة طرف مسبار مجهر القوة الذرية (AFM) على سطح العينة تحديد الخصائص الميكانيكية النانوية. تمت مناقشة أفضل الممارسات لتنفيذ المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM في الهواء أو السائل على العينات اللينة والصلبة لقياس معامل المرونة أو الخواص الميكانيكية النانوية الأخرى.

Abstract

يقيس مجهر القوة الذرية (AFM) بشكل أساسي التفاعل بين طرف مسبار AFM النانوي وسطح العينة. إذا كان من الممكن قياس القوة التي يطبقها طرف المسبار ومنطقة ملامسته للعينة ، فمن الممكن تحديد الخواص الميكانيكية النانوية (على سبيل المثال ، معامل المرونة أو يونغ) للسطح الذي يتم فحصه. يتم توفير إجراء مفصل لإجراء تجارب المسافة البادئة النانوية الكمية القائمة على الكابولي AFM هنا ، مع أمثلة تمثيلية لكيفية تطبيق هذه التقنية لتحديد الوحدات المرنة لمجموعة متنوعة من أنواع العينات ، بدءا من kPa إلى GPa. وتشمل هذه الخلايا الجذعية الوسيطة الحية (MSCs) والنوى في المخزن المؤقت الفسيولوجي ، والمقاطع العرضية لصنوبر لوبلولي المجففة المضمنة في الراتنج ، وصخر باكين بتركيبة مختلفة.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM لاستكشاف قوة التمزق (أي قوة الاختراق) لطبقات الفوسفوليبيد المزدوجة. تتم مناقشة الاعتبارات العملية المهمة مثل اختيار الطريقة وتطويرها ، واختيار المسبار ومعايرته ، وتحديد منطقة الاهتمام ، وعدم تجانس العينة ، وحجم الميزة ونسبة العرض إلى الارتفاع ، وتآكل الطرف ، وخشونة السطح ، وتحليل البيانات وإحصاءات القياس للمساعدة في التنفيذ السليم للتقنية. أخيرا ، يتم توضيح التوطين المشترك للخرائط الميكانيكية النانوية المشتقة من AFM مع تقنيات الفحص المجهري الإلكتروني التي توفر معلومات إضافية بشأن التركيب العنصري.

Introduction

يعد فهم الخواص الميكانيكية للمواد أحد أهم المهام الأساسية والأساسية في الهندسة. لتحليل خصائص المواد السائبة ، هناك العديد من الطرق المتاحة لتوصيف الخواص الميكانيكية لأنظمة المواد ، بما في ذلك اختبارات الشد¹ ، واختبارات الضغط² ، واختبارات الانحناء (الانحناء) ثلاثية أو أربع نقاط³. في حين أن هذه الاختبارات المجهرية يمكن أن توفر معلومات لا تقدر بثمن فيما يتعلق بخصائص المواد السائبة ، إلا أنها تجرى بشكل عام للفشل ، وبالتالي فهي مدمرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها تفتقر إلى الدقة المكانية اللازمة للتحقيق بدقة في الخصائص الدقيقة والنانوية للعديد من أنظمة المواد التي تهم اليوم ، مثل الأغشية الرقيقة والمواد البيولوجية والمركبات النانوية. للبدء في معالجة بعض المشاكل المتعلقة بالاختبارات الميكانيكية واسعة النطاق ، وخاصة طبيعتها المدمرة ، تم اعتماد اختبارات الصلابة الدقيقة من علم المعادن. الصلابة هي مقياس لمقاومة المادة لتشوه البلاستيك في ظل ظروف محددة. بشكل عام ، تستخدم اختبارات الصلابة الدقيقة مسبارا صلبا ، عادة ما يكون مصنوعا من الفولاذ المقوى أو الماس ، لوضع مسافة بادئة في مادة. يمكن بعد ذلك استخدام عمق المسافة البادئة الناتج و / أو المساحة لتحديد الصلابة. تم تطوير عدة طرق ، بما في ذلك صلابة فيكرز⁴ و Knoop⁵ و Brinell⁶ . يوفر كل منها مقياسا لصلابة المواد المجهرية ، ولكن في ظل ظروف وتعريفات مختلفة ، وعلى هذا النحو ينتج فقط البيانات التي يمكن مقارنتها بالاختبارات التي يتم إجراؤها في ظل نفس الظروف.

تم تطوير المسافة البادئة النانوية الآلية لتحسين القيم النسبية التي تم الحصول عليها من خلال طرق اختبار الصلابة الدقيقة المختلفة ، وتحسين الدقة المكانية الممكنة لتحليل الخواص الميكانيكية ، وتمكين تحليل الأغشية الرقيقة. الأهم من ذلك ، من خلال استخدام الطريقة التي طورها أوليفر وفار⁷ لأول مرة ، يمكن تحديد معامل المرونة أو يونغ ، E ، لعينة المادة عن طريق المسافة البادئة النانوية الآلية. علاوة على ذلك ، من خلال استخدام مسبار بيركوفيتش الهرمي ثلاثي الجوانب (الذي تتطابق وظيفة منطقة طرفه المثالية مع وظيفة مسبار فيكرز الهرمي رباعي الجوانب)⁸ ، يمكن إجراء مقارنة مباشرة بين قياسات الصلابة النانوية والأكثر تقليدية على نطاق مصغر. مع نمو شعبية AFM ، بدأت المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM تحظى بالاهتمام أيضا ، خاصة لقياس الخواص الميكانيكية للمواد الأكثر ليونة. نتيجة لذلك ، كما هو موضح بشكل تخطيطي في الشكل 1 ، فإن التقنيتين الأكثر استخداما اليوم لاستجواب وقياس الخواص الميكانيكية النانوية هما المسافة البادئة النانوية الآلية (الشكل 1 أ) والمسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM (الشكل 1 ب) ⁹ ، وهذا الأخير هو محور هذا العمل.

الشكل 1: مقارنة بين أنظمة المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي و AFM. مخططات تخطيطية تصور أنظمة نموذجية لإجراء (أ) المسافة البادئة النانوية الآلية و (ب) المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM. تم تعديل هذا الرقم من Qian et ^al.51. اختصار: AFM = مجهر القوة الذرية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تستخدم كل من المسافة البادئة النانوية القائمة على الأجهزة و AFM مسبارا صلبا لتشويه سطح عينة محل الاهتمام ومراقبة القوة الناتجة والإزاحة كدالة للوقت. عادة ، يتم تحديد ملف تعريف الإزاحة للحمل المطلوب (أي القوة) أو (Z-piezo) من قبل المستخدم عبر واجهة البرنامج ويتم التحكم فيه مباشرة بواسطة الأداة ، بينما يتم قياس المعلمة الأخرى. الخاصية الميكانيكية التي يتم الحصول عليها غالبا من تجارب المسافة البادئة النانوية هي معامل المرونة (E) ، والذي يشار إليه أيضا باسم معامل يونغ ، والذي يحتوي على وحدات ضغط. معامل المرونة للمادة هو خاصية أساسية تتعلق بصلابة الرابطة ويتم تعريفه على أنه نسبة إجهاد الشد أو الانضغاط (σ ، القوة المطبقة لكل وحدة مساحة) إلى الإجهاد المحوري (ε ، التشوه النسبي على طول محور المسافة البادئة) أثناء التشوه المرن (أي القابل للانعكاس أو المؤقت) قبل ظهور تشوه البلاستيك (المعادلة [1]):

(1)

تجدر الإشارة إلى أنه نظرا لأن العديد من المواد (خاصة الأنسجة البيولوجية) هي في الواقع لزجة مرنة ، في الواقع ، يتكون المعامل (الديناميكي أو المعقد) من مكونات مرنة (تخزين ، في الطور) ولزجة (خسارة ، خارج الطور). في الممارسة الفعلية ، ما يتم قياسه في تجربة المسافة البادئة النانوية هو المعامل المختزل ، E * ، المرتبط بمعامل العينة الحقيقي محل الاهتمام ، E ، كما هو موضح في المعادلة (2):

(2)

حيث E_tip و ν tip هما معامل المرونة ونسبة بواسون ، على التوالي ، لطرف nanoindenter ، و ν هي نسبة بواسون المقدرة للعينة. نسبة بواسون هي النسبة السالبة للإجهاد المستعرض إلى المحوري ، وبالتالي تشير إلى درجة الاستطالة المستعرضة للعينة عند تعرضها لإجهاد محوري (على سبيل المثال ، أثناء تحميل المسافة البادئة النانوية) ، كما هو موضح في المعادلة (3):

(3)

التحويل من المعامل المختزل إلى المعامل الفعلي ضروري لأن أ) قد يتم تحويل بعض الإجهاد المحوري الذي ينقله طرف المسافة البادئة إلى إجهاد عرضي (أي أن العينة قد تتشوه عن طريق التمدد أو الانكماش عموديا على اتجاه التحميل) ، و ب) الطرف البادئ ليس صعبا بشكل لا نهائي ، وبالتالي فإن فعل المسافة البادئة للعينة يؤدي إلى بعض (صغير) تشوه الطرف. لاحظ أنه في الحالة التي يكون فيها_طرف E >> E (أي أن طرف المسافة البادئة أصعب بكثير من العينة ، وهو ما يكون صحيحا غالبا عند استخدام مسبار الماس) ، فإن العلاقة بين معامل العينة المختزلة والفعلية تبسط إلى حد كبير إلى E ≈ E * (1 - v²). في حين أن المسافة البادئة النانوية الآلية متفوقة من حيث توصيف القوة الدقيق والنطاق الديناميكي ، فإن المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM أسرع ، وتوفر أوامر من حيث الحجم قوة أكبر وحساسية إزاحة ، وتمكن من تصوير عالي الدقة وتحسين تحديد موقع المسافة البادئة ، ويمكنها في نفس الوقت التحقيق في الخصائص المغناطيسية والكهربائية النانوية⁹. على وجه الخصوص ، تعتبر المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM متفوقة في القياس الكمي للخصائص الميكانيكية على المستوى النانوي للمواد اللينة (على سبيل المثال ، البوليمرات ، والمواد الهلامية ، والطبقات الثنائية الدهنية ، والخلايا أو المواد البيولوجية الأخرى) ، والأغشية الرقيقة للغاية (دون ميكرومتر) (حيث يمكن أن تلعب تأثيرات الركيزة دورا اعتمادا على عمق المسافة البادئة)^10،11 ، والمواد المعلقة ثنائية الأبعاد (2D)¹²،^13،14 مثل الجرافين 15^،16 ، الميكا¹⁷ ، نيتريد البورون السداسي (h-BN) ¹⁸ ، أو ديكالكوجينيدات المعادن الانتقالية (TMDCs ؛ على سبيل المثال ، MoS₂) ¹⁹. ويرجع ذلك إلى قوتها الرائعة (sub-nN) وحساسية الإزاحة (sub-nm) ، وهو أمر مهم لتحديد نقطة الاتصال الأولية بدقة والبقاء داخل منطقة التشوه المرن.

في المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM ، يتم تشغيل إزاحة مسبار AFM نحو سطح العينة بواسطة عنصر كهرضغطية معاير (الشكل 1 ب) ، مع انحناء الكابولي المرن في النهاية بسبب قوة المقاومة التي يتعرض لها عند ملامسته لسطح العينة. عادة ما يتم مراقبة هذا الانحناء أو الانحراف للناتئ عن طريق عكس الليزر من الجزء الخلفي من الكابولي إلى كاشف ضوئي (كاشف حساس للموضع [PSD]). إلى جانب معرفة صلابة الكابولي (في nN / nm) وحساسية الانحراف (في nm / V) ، من الممكن تحويل هذا الانحراف الكابولي المقاس (في V) إلى القوة (في nN) المطبقة على العينة. بعد الاتصال ، ينتج عن الفرق بين حركة Z-piezo وانحراف الكابولي عمق المسافة البادئة للعينة. إلى جانب معرفة وظيفة منطقة الطرف ، يتيح ذلك حساب منطقة تلامس عينة الطرف. يمكن بعد ذلك ملاءمة ميل الأجزاء الملامسة لمنحنيات مسافة القوة أو إزاحة القوة (F-D) الناتجة باستخدام نموذج ميكانيكا اتصال مناسب (انظر قسم تحليل البيانات في المناقشة) لتحديد الخواص النانوية الميكانيكية للعينة. في حين أن المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM تمتلك بعض المزايا المميزة على المسافة البادئة النانوية الآلية كما هو موضح أعلاه ، فإنها تقدم أيضا العديد من تحديات التنفيذ العملي ، مثل المعايرة وتآكل الأطراف وتحليل البيانات ، والتي سيتم مناقشتها هنا. الجانب السلبي المحتمل الآخر للمسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM هو افتراض المرونة الخطية ، حيث يجب أن يكون نصف قطر التلامس وأعماق المسافة البادئة أصغر بكثير من نصف قطر المسافة البادئة ، والذي قد يكون من الصعب تحقيقه عند العمل مع مجسات AFM النانوية و / أو العينات التي تظهر خشونة سطح كبيرة.

تقليديا ، اقتصرت المسافة البادئة النانوية على المواقع الفردية أو تجارب المسافة البادئة للشبكة الصغيرة ، حيث يتم تحديد الموقع المطلوب (أي منطقة الاهتمام [ROI]) ويتم إجراء مسافة بادئة واحدة خاضعة للرقابة ، ومسافات بادئة متعددة في موقع واحد مفصولة ببعض وقت الانتظار ، و / أو شبكة خشنة من المسافات البادئة بمعدل هرتز. ومع ذلك ، فإن التطورات الحديثة في AFM تسمح بالحصول على الخواص الميكانيكية والطوبوغرافيا في وقت واحد من خلال استخدام أوضاع التصوير القائمة على منحنى القوة عالية السرعة (المشار إليها بأسماء تجارية مختلفة اعتمادا على الشركة المصنعة للنظام) ، حيث يتم إجراء منحنيات القوة بمعدل kHz تحت التحكم في الحمل ، مع استخدام أقصى قوة لعينة الطرف كنقطة ضبط للتصوير. كما تم تطوير طرق التأشير والتصوير ، مما يسمح بالحصول على صورة تضاريس AFM متبوعة بمسافة بادئة نانوية انتقائية لاحقة في نقاط الاهتمام داخل الصورة ، مما يوفر تحكما مكانيا نانويا على موقع المسافة البادئة النانوية. على الرغم من أنه ليس التركيز الأساسي لهذا العمل ، إلا أن أمثلة تطبيقية مختارة محددة لكل من التصوير القائم على منحنى القوة والمسافة البادئة النانوية القائمة على النقطة والتصوير الكابولي معروضة في النتائج التمثيلية ، ويمكن استخدامها جنبا إلى جنب مع البروتوكول الموضح أدناه إذا كان متاحا على منصة AFM المحددة المستخدمة. على وجه التحديد ، يحدد هذا العمل بروتوكولا معمما للتنفيذ العملي للمسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM على أي نظام AFM قادر ويقدم أربعة أمثلة لحالة الاستخدام (اثنان في الهواء ، واثنان في السوائل) للتقنية ، بما في ذلك النتائج التمثيلية ومناقشة متعمقة للفروق الدقيقة والتحديات والاعتبارات المهمة لاستخدام التقنية بنجاح.

Protocol

ملاحظة: نظرا للتنوع الكبير في AFMs المتاحة تجاريا وتنوع أنواع العينات والتطبيقات الموجودة للمسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي ، فإن البروتوكول التالي مصمم عن قصد ليكون عاما نسبيا بطبيعته ، مع التركيز على الخطوات المشتركة اللازمة لجميع تجارب المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي بغض النظر عن الأداة أو الشركة المصنعة. لهذا السبب ، يفترض المؤلفون أن القارئ يمتلك على الأقل معرفة أساسية بتشغيل الأداة المحددة المختارة لأداء المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي. ومع ذلك ، بالإضافة إلى البروتوكول العام الموضح أدناه ، يتم تضمين إجراء تشغيل قياسي مفصل خطوة بخطوة (SOP) خاص ب AFM والبرمجيات المستخدمة هنا (انظر جدول المواد) ، والتي تركز على المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي للعينات في السوائل ، كمادة تكميلية.

1. إعداد العينة وإعداد الأداة

1. قم بإعداد العينة بطريقة تقلل من خشونة السطح (مقياس نانومتر مثالي ، ~ 10x أقل من عمق المسافة البادئة المقصود) والتلوث دون تغيير الخواص الميكانيكية للمنطقة (المناطق) ذات الأهمية.
2. حدد مسبار AFM مناسبا للمسافة البادئة النانوية للعينة المقصودة بناء على الوسيط (أي الهواء أو السائل) ، والمعامل المتوقع ، وتضاريس العينة ، وأحجام الميزات ذات الصلة (انظر اعتبارات اختيار المسبار في المناقشة). قم بتحميل المسبار على حامل المسبار (انظر جدول المواد) وقم بتوصيل حامل المسبار برأس مسح AFM.
3. حدد وضع المسافة البادئة النانوية المناسب في برنامج AFM الذي يتيح للمستخدم التحكم في المنحدرات الفردية (أي منحنيات إزاحة القوة).
   ملاحظة: سيختلف الأسلوب المحدد باختلاف مصنعي AFM والأدوات الفردية (انظر الإجراء التشغيلي الموحد المقدم في المواد التكميلية للحصول على مزيد من التفاصيل ومثال محدد).
4. قم بمحاذاة الليزر على الجزء الخلفي من الكابولي للمسبار ، مقابل موقع طرف المسبار وفي PSD.
   ملاحظة: انظر مثال تطبيق الخلايا الجذعية الوسيطة لمزيد من التفاصيل حول الاعتبارات المهمة عند محاذاة الليزر وإجراء المسافة البادئة النانوية في السوائل ، على وجه الخصوص ، تجنب الحطام العائم و / أو فقاعات الهواء ، والتي يمكن أن تشتت أو تنكسر الحزمة. قد تحتاج بصريات AFM أيضا إلى التعديل للتعويض عن مؤشر انكسار السائل ولتجنب تحطم المسبار عند تعشيق السطح.
   1. قم بتوسيط بقعة شعاع الليزر على الجزء الخلفي من الكابولي عن طريق تعظيم الجهد الكلي (الشكل 2 أ).
   2. قم بتوسيط بقعة شعاع الليزر المنعكسة على PSD عن طريق ضبط إشارات الانحراف X و Y (أي الأفقية والرأسية) لتكون قريبة من الصفر قدر الإمكان (الشكل 2A) ، وبالتالي توفير أقصى نطاق انحراف يمكن اكتشافه لإنتاج جهد خرج يتناسب مع انحراف الكابولي.
5. إذا لم تكن متأكدا من تضاريس العينة و / أو خشونة السطح و / أو كثافة السطح (في حالة الرقائق أو الجسيمات) ، فقم بإجراء مسح طبوغرافي AFM قبل أي تجارب مسافة بادئة نانوية لتأكيد ملاءمة العينة ، كما هو موضح في الخطوة 1.1 وجزء تحضير العينة من المناقشة.

الشكل 2: شاشة كاشف حساسة للوضع. (أ) شاشة PSD تشير إلى ليزر محاذ بشكل صحيح ينعكس من الجزء الخلفي من ناتئ المسبار وعلى مركز PSD (كما يتضح من جهد المجموع الكبير وعدم وجود انحراف رأسي أو أفقي) قبل التعشيق على سطح العينة (أي المسبار بعيدا عن ملامسة العينة). (ب) يزداد جهد الانحراف الرأسي عندما ينحرف الكابولي (على سبيل المثال، عندما يتلامس المسبار مع العينة). الاختصارات: PSD = كاشف حساس للموضع ؛ VERT = عمودي ؛ هوريز = أفقي ؛ AMPL = السعة ؛ n/a = لا ينطبق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. مسبار المعايرة

ملاحظة: هناك ثلاث قيم ضرورية لتحديد الخواص الميكانيكية للعينة باستخدام بيانات منحنى F-D التي تم جمعها أثناء المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي: حساسية الانحراف (DS) لنظام الكابولي / PSD (نانومتر / V أو V / نانومتر) ، وثابت الزنبرك الكابولي (nN / nm) ، ومنطقة تلامس المسبار ، غالبا ما يتم التعبير عنها من حيث نصف قطر طرف المسبار الفعال (نانومتر) عند عمق مسافة بادئة معينة أقل من نصف قطر المسبار في حالة المسبار الكروي بقشيش.

1. قم بمعايرة DS لنظام المسبار / AFM عن طريق التكثيف على مادة شديدة الصلابة (على سبيل المثال ، الياقوت ، E = 345 GPa) بحيث يتم تقليل تشوه العينة وبالتالي يتم تحويل حركة Z المقاسة للبيزو بعد بدء ملامسة طرف العينة فقط إلى انحراف ناتئ.
   ملاحظة: يجب إجراء معايرة DS في نفس الظروف مثل تجارب المسافة البادئة النانوية المخطط لها (أي درجة الحرارة ، والوسط ، وما إلى ذلك) لتعكس بدقة DS للنظام أثناء التجارب. قد تكون فترة تسخين الليزر الطويلة (30 دقيقة) ضرورية لتحقيق أقصى قدر من الدقة لإتاحة الوقت للوصول إلى التوازن الحراري وإنشاء طاقة خرج ليزر مستقرة واستقرار التوجيه. يجب إعادة قياس DS في كل مرة يتم فيها إعادة محاذاة الليزر ، حتى إذا تم استخدام نفس المسبار ، حيث يعتمد DS على شدة الليزر وموضعه على الكابولي ، بالإضافة إلى جودة الانعكاس من المسبار (أي أن تدهور الطلاء الخلفي للمسبار سيؤثر على DS) وحساسية PSD²⁰.
   1. قم بإعداد وتنفيذ المسافات البادئة لمعايرة DS على الياقوت لتحقيق نفس انحراف المسبار تقريبا (في V أو nm) مثل المسافات البادئة للعينة المخطط لها ، نظرا لأن الإزاحة المقاسة هي دالة لزاوية انحراف الطرف وتصبح غير خطية للانحرافات الكبيرة.
   2. حدد DS (في نانومتر / V) ، أو بدلا من ذلك ، حساسية الذراع الضوئية العكسية (في V / nm) ، من ميل الجزء الخطي من نظام الاتصال بعد نقطة الاتصال الأولية في منحنى F-D الناتج ، كما هو موضح في الشكل 3A.
   3. كرر المنحدر 5x على الأقل ، مع تسجيل كل قيمة DS. استخدم متوسط القيم لتحقيق أقصى قدر من الدقة. إذا تجاوز الانحراف المعياري النسبي (RSD) للقياسات ~ 1٪ ، فأعد قياس DS ، حيث تكون منحنيات F-D القليلة الأولى في بعض الأحيان غير مثالية بسبب الإدخال الأولي لقوى اللصق.
   4. إذا لم يتم معايرة ثابت زنبرك الكابولي للمسبار ، k ، في المصنع (على سبيل المثال ، عبر قياس اهتزاز دوبلر بالليزر [LDV]) ، فقم بمعايرة ثابت الزنبرك.
      ملاحظة: طريقة الضبط الحراري مثالية للناتئات اللينة نسبيا مع k < 10 N / m (انظر قسم ثابت الزنبرك من المناقشة للحصول على قائمة ووصف للطرق البديلة ، خاصة بالنسبة للناتئات الصلبة ذات k > 10 N / m). كما هو موضح في الشكل 3B ، C ، يتم دمج الضبط الحراري عادة في برنامج التحكم AFM.
2. إذا لم يكن المسبار مزودا بقياس نصف قطر طرف تمت معايرته في المصنع (على سبيل المثال ، عن طريق التصوير المجهري الإلكتروني الماسح [SEM]) ، فقم بقياس نصف قطر الطرف الفعال ، R.
   ملاحظة: هناك طريقتان شائعتان لقياس نصف قطر الطرف (انظر قسم المناقشة المقابل) ، ولكن الطريقة الأكثر شيوعا لأطراف المسبار على مقياس النانومتر هي طريقة إعادة بناء الطرف الأعمى (BTR) ، والتي تستخدم معيار الخشونة (انظر جدول المواد) يحتوي على العديد من الميزات الحادة للغاية (دون نانومتر) التي تعمل على تصوير الطرف بشكل فعال ، بدلا من تصوير الطرف للعينة.
   1. في حالة استخدام طريقة BTR ، قم بتصوير عينة الخشونة (توصيف الأطراف) باستخدام معدل مسح بطيء (<0.5 هرتز) ومكاسب ردود فعل عالية للمساعدة في تحسين تتبع الميزات الحادة للغاية. اختر حجم الصورة وكثافة البكسل (الدقة) بناء على نصف قطر الطرف المتوقع (على سبيل المثال ، صورة 1024 × 1024 بكسل بمساحة 3 ميكرومتر × 3 ميكرومتر سيكون لها دقة جانبية ~ 3 نانومتر).
   2. استخدم برنامج تحليل الصور AFM (انظر جدول المواد) لنمذجة طرف المسبار وتقدير نصف قطره النهائي وقطر الطرف الفعال عند عمق المسافة البادئة المتوقعة للعينة ، كما هو موضح في الشكل 3D-F.
3. عند الانتهاء من معايرة المسبار ، أدخل قيم DS و k و R في برنامج الجهاز ، كما هو موضح في الشكل 4A.
   1. أدخل تقديرا لنسبة بواسون للعينة، ν، لتمكين تحويل المعامل المختزل المقاس إلى معامل العينة^{الفعلي 9}. في حالة استخدام نموذج ميكانيكا اتصال مخروطي أو مخروطي بناء على شكل الطرف وعمق المسافة البادئة ، فمن الضروري أيضا إدخال زاوية نصف الطرف (الشكل 4C).
      ملاحظة: المعامل غير حساس نسبيا للأخطاء الصغيرة أو عدم اليقين في نسبة بواسون المقدرة. تقدير ν = 0.2-0.3 هو نقطة انطلاق جيدة للعديد من المواد²¹.

الشكل 3: معايرة المسبار. أ: تحديد حساسية الانحراف. نتيجة قياس حساسية الانحراف التمثيلي الذي تم إجراؤه على ركيزة الياقوت (E = 345 GPa) لمسبار وضع النقر القياسي (الاسمي k = 42 نيوتن / م ؛ انظر جدول المواد) مع طلاء خلفي عاكس من الألومنيوم. تظهر منحنيات النهج المقاس (التتبع الأزرق) والتراجع أو السحب (التتبع الأحمر). تم تحديد حساسية الانحراف المقاسة البالغة 59.16 نانومتر / فولت من خلال ملاءمة منحنى الاقتراب بين نقاط التلامس السريعة ونقطة الدوران ، كما يتضح من المنطقة الواقعة بين الخطوط الحمراء الرأسية المنقطة. تشير منطقة الانحراف السلبي الواضح في منحنى السحب / السحب قبل السحب من السطح إلى التصاق عينة طرف. (ب، ج) ضبط حراري. أطياف الضوضاء الحرارية الكابولية التمثيلية (آثار زرقاء) مع نوبات مقابلة (آثار حمراء) لمسبارين مختلفين. (ب) إعداد الضبط الحراري ومعلمات الملاءمة لمسبار تصوير AFM القياسي القائم على منحنى القوة (انظر جدول المواد) مع ثابت الزنبرك الاسمي k = 0.4 N / m المستخدم كتخمين أولي. ينتج عن ملاءمة طيف الضوضاء الحرارية الكابولي تردد رنين أساسي يبلغ f 0 = 79.8 كيلو هرتز ، وهو ما يتفق بشكل جيد مع القيمة الاسمية f₀ = 70 kHz. عامل Q المقاس هو 58.1. تعتمد جودة الملاءمة (R² = 0.99) على اتفاق الملاءمة مع البيانات بين الخطين الأحمرين المتقطعين العموديين. لاحظ أنه من المهم معرفة وإدخال كل من درجة الحرارة المحيطة وحساسية الانحراف للحصول على نتائج دقيقة. (ج) طيف الضوضاء الحرارية الكابولي والملاءمة المقابلة (أي اللحن الحراري) مع ثابت الزنبرك المحسوب الناتج k = 0.105 N / m لناتئ شديد النعومة يستخدم لإجراء قياسات ميكانيكية نانوية على الخلايا الحية والنوى المعزولة. لاحظ تردد الرنين الطبيعي المنخفض بشكل ملحوظ ~ 2-3 كيلو هرتز. (مد-واو) إعادة بناء الطرف الأعمى. سير عمل إعادة بناء الطرف الأعمى التمثيلي لمسبار طرف الماس (الاسمي R = 40 نانومتر ؛ انظر جدول المواد). (د) صورة 5 ميكرومتر × 5 ميكرومتر لعينة توصيف طرف تتكون من سلسلة من مسامير التيتانيوم الحادة للغاية (دون نانومتر) التي تعمل على تصوير طرف مسبار AFM. (ه) نموذج ناتج معاد بناؤه (صورة ارتفاع مقلوب) لطرف المسبار. (F) نتائج تركيب إعادة بناء الطرف الأعمى ، بما في ذلك نصف قطر نهاية تقديري يبلغ R = 29 نانومتر وقطر طرف فعال يبلغ 40 نانومتر عند ارتفاع يختاره المستخدم يبلغ 8 نانومتر (أي عمق المسافة البادئة << R) من قمة الطرف ، محسوبة بتحويل منطقة تلامس عينة الطرف عند هذا الارتفاع إلى قطر فعال بافتراض ملف تعريف دائري (أي ، A = πr 2 = π (d / 2) ²) للاستخدام مع نماذج ميكانيكا الاتصال الكروية. الاختصارات: AFM = مجهر القوة الذرية ؛ ETD = قطر الطرف الفعال. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: مدخلات واجهة البرنامج. (أ) ثوابت معايرة المسبار. واجهة مستخدم البرنامج (انظر جدول المواد) لإدخال حساسية الانحراف المقاسة وثابت الزنبرك ونصف قطر الطرف لتمكين القياسات النانوميكانيكية الكمية. تعد نسبة بواسون لكل من المسبار والعينة ضرورية لحساب معامل المرونة أو يونغ للعينة من منحنيات قوة المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي. (ب) نافذة التحكم في المنحدر. واجهة مستخدم البرنامج (انظر جدول المواد) لإعداد تجارب المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي ، المنظمة في المعلمات التي تصف المنحدر نفسه (أي ملف تعريف المسافة البادئة) ، وتشغيل الأداة (على سبيل المثال ، القوة مقابل التحكم في الإزاحة) ، وتحليل القوة اللاحق ، وحدود الحركة (لتحسين حساسية القياس عن طريق تضييق النطاق الذي يجب أن يعمل عليه محول A / D في التحكم في Z-piezo وقراءة انحراف PSD). (ج) تعتبر زاوية نصف الطرف (بناء على هندسة المسبار أو القياس المباشر) مهمة إذا تم استخدام نموذج ميكانيكا اتصال مخروطي أو هرمي أو كونيسفير (على سبيل المثال ، سنيدون). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. جمع بيانات إزاحة القوة (F-D)

ملاحظة: قد تختلف قيم المعلمات المعروضة هنا (انظر الشكل 4B) اعتمادا على نطاق القوة والمسافة البادئة لعينة معينة.

1. تنقل في العينة تحت رأس AFM وشارك في المنطقة التي تريدها موضع الاهتمام.
   1. راقب إشارة الانحراف الرأسي (الشكل 2 ب) أو قم بإجراء منحدر أولي صغير (~ 50-200 نانومتر) (الشكل 4 ب) للتحقق من أن الطرف والعينة على اتصال (انظر الشكل 5 أ).
   2. اضبط موضع رأس AFM لأعلى قليلا (بخطوات تقابل ~ 50٪ من حجم المنحدر الكامل) وانحنى مرة أخرى. كرر حتى يصبح الطرف والعينة بعيدين عن الاتصال ، كما يتضح من منحدر مسطح تقريبا (الشكل 5 ب) والحد الأدنى من الانحراف الرأسي للناتئ (الشكل 2 أ).
   3. بمجرد عدم وجود تفاعل واضح بين الطرف والعينة (قارن الشكل 2A والشكل 2B) ، قم بخفض رأس AFM بمقدار يتوافق مع ~ 50٪ -100٪ من حجم المنحدر لضمان عدم اصطدام طرف المسبار بالعينة أثناء تحريك رأس AFM يدويا. انحدر مرة أخرى ، وكرر حتى يتم ملاحظة منحنى جيد (الشكل 5 د) أو منحنى مشابه للشكل 5 ج. في الحالة الأخيرة ، قم بإجراء تعديل صغير إضافي لخفض رأس AFM يساوي ~ 20٪ -50٪ من حجم المنحدر لتحقيق اتصال جيد ومنحنى قوة مشابه لتلك الموضحة في الشكل 5D.
2. ضبط معلمات المنحدر (كما هو موضح أدناه والموضح في الشكل 4 ب) لتحسين الأداة والمسبار والعينة ، والحصول على منحدرات مماثلة لتلك الموضحة في الشكل 5 د.
   1. حدد حجم المنحدر المناسب (أي إجمالي حركة Z-piezo خلال دورة منحدر واحدة) اعتمادا على العينة (على سبيل المثال ، السماكة ، المعامل المتوقع ، خشونة السطح) وعمق المسافة البادئة المطلوب.
      ملاحظة: بالنسبة للعينات الأكثر صلابة ، من المحتمل أن يحدث تشوه أقل للعينة (وبالتالي انحراف أكبر للمسبار لحركة Z-piezo معينة) ، لذلك يمكن أن يكون حجم المنحدر أصغر بشكل عام من العينات الأكثر ليونة. قد تكون أحجام المنحدر النموذجية للعينات الصلبة والناتئات عشرات نانومتر ، بينما بالنسبة للعينات اللينة والناتئات قد يتراوح حجم المنحدرات من مئات نانومتر إلى بضعة ميكرومتر ؛ يتم عرض أمثلة محددة للتطبيقات المختارة في قسم النتائج التمثيلية. لاحظ أن الحد الأدنى والحد الأقصى لأحجام المنحدر الممكنة يعتمدان على الأداة.
   2. حدد معدل منحدر مناسب (1 هرتز نقطة انطلاق جيدة لمعظم العينات).
      ملاحظة: قد يكون معدل المنحدر محدودا بالتحكم و / أو الكشف عن السرعات الإلكترونية / عرض النطاق الترددي. بالاقتران مع حجم المنحدر ، يحدد معدل المنحدر سرعة الطرف. تعتبر سرعة الطرف مهمة بشكل خاص في الاعتبار عند وضع مسافة بادئة للمواد اللينة حيث قد تتسبب التأثيرات اللزجة المرنة في حدوث قطع أثرية من التباطؤ ^9,22.
   3. اختر ما إذا كنت تريد استخدام منحدر تم تشغيله (يتم التحكم في الحمل) أو غير مشغل (يتم التحكم فيه بالإزاحة).
      ملاحظة: في المنحدر المشغل، سيقترب النظام من العينة في خطوات يحددها المستخدم (بناء على حجم المنحدر ودقته أو عدد نقاط البيانات) حتى يتم اكتشاف عتبة الزناد المطلوبة (أي قوة نقطة الضبط أو انحراف الكابولي)، وعند هذه النقطة سيتراجع النظام إلى موضعه الأصلي ويعرض منحنى F-D. في المنحدر غير المشغل ، يقوم النظام ببساطة بتمديد Z-piezo المسافة المحددة بواسطة حجم المنحدر المحدد من قبل المستخدم ويعرض منحنى F-D المقاس. يفضل استخدام المنحدرات المشغلة لمعظم حالات الاستخدام ، ولكن يمكن أن تكون المنحدرات غير المشغلة مفيدة عند فحص المواد اللينة التي لا تظهر نقطة اتصال حادة يسهل التعرف عليها.
      1. إذا تم اختيار منحدر تم تشغيله ، فقم بتعيين عتبة الزناد (الحد الأقصى المسموح به للقوة أو انحراف المنحدر المحدد من قبل المستخدم) لينتج عنه المسافة البادئة المطلوبة في العينة.
         ملاحظة: يعني استخدام عتبة الزناد أن المنحدر قد ينتهي (أي قد يبدأ المسبار في التراجع) قبل الوصول إلى حجم المنحدر الكامل (امتداد Z-piezo) المحدد. قد تتراوح القيم من عدد قليل من nN إلى عدد قليل من μN ، اعتمادا على نظام عينة الطرف.
      2. اضبط موضع المنحدر لتحديد جزء النطاق الأقصى ل Z-piezo الذي سيتم استخدامه لتنفيذ المنحدر. تأكد من أن النطاق الإجمالي لحجم المنحدر لا يبدأ أو ينتهي خارج نطاق Z-piezo الأقصى (انظر الأمثلة التمثيلية في الشكل 6) ، وإلا فلن يمثل جزء من منحنى F-D أي قياس مادي (على سبيل المثال ، سيتم تمديد Z-piezo بالكامل أو سحبه ، وليس الحركة).
   4. اضبط عدد العينات / المنحدر (على سبيل المثال ، 512 عينة / منحدر) لتحقيق الدقة المطلوبة للقياس (أي كثافة النقطة لمنحنى F-D).
      ملاحظة: قد يكون الحد الأقصى للعينات/المنحدر محدودا بقيود البرامج (حجم الملف) أو الأجهزة (على سبيل المثال، سرعة التحويل من التناظرية إلى الرقمية [A/D]، اعتمادا على معدل المنحدر). من الممكن أيضا الحد من نطاق Z-piezo أو الانحراف المسموح به (انظر معلمات الحدود في الشكل 4B) لزيادة الدقة الفعالة لمحول A / D للنظام.
   5. اضبط الدوران X لتقليل قوى القص على العينة والطرف عن طريق تحريك المسبار قليلا في نفس الوقت في الاتجاه X (مواز للناتئ) أثناء المسافة البادئة في الاتجاه Z (عمودي على الكابولي). استخدم قيمة لتدوير X تساوي زاوية إزاحة حامل المسبار بالنسبة إلى السطح الطبيعي (12 درجة نموذجية).
      ملاحظة: يعد الدوران X ضروريا لأن الكابولي مثبت في حامل المسبار بزاوية صغيرة بالنسبة للسطح للسماح لشعاع الليزر الساقط بالانعكاس في PSD. بالإضافة إلى ذلك ، قد تختلف الزوايا الأمامية والخلفية لطرف المسبار عن بعضها البعض (على سبيل المثال ، قد يكون طرف المسبار غير متماثل). يمكن الحصول على معلومات أكثر تحديدا من مصنعي المسبار الفردي و AFM.

الشكل 5: تحسين فصل عينة الطرف بعد التعشيق للحصول على منحنيات قوة جيدة. أمثلة متسلسلة لمنحنيات إزاحة القوة التمثيلية التي تم الحصول عليها أثناء المسافة البادئة في السائل (محلول ملحي مخزن بالفوسفات) على نواة خلية جذعية حية من اللحمة المتوسطة مع ناتئ نيتريد السيليكون الناعم المعاير ( الاسمي k = 0.04 N / m) ينتهي في طرف نصف كروي نصف قطره 5 ميكرومتر (انظر جدول المواد). تم الحصول على منحنيات في عملية إشراك سطح الخلية وتحسين معلمات المسافة البادئة ، مع نهج المسبار الموضح باللون الأزرق والتراجع / السحب باللون الأحمر. (أ) يكون الطرف قد تعشيق بالفعل وتلامس مع العينة قبل بدء المنحدر ، مما يؤدي إلى انحراف وقوى ناتئة كبيرة ، مع عدم وجود خط أساس مسطح قبل الاتصال. (ب) بعد تحريك الطرف يدويا بعيدا بما فيه الكفاية عن العينة ، ينتج عن منحدر 2 ميكرومتر غير المشغل منحنى F-D مسطح تقريبا (أي لا يوجد تغيير في القوة تقريبا). في الظروف المحيطة ، سيكون المنحنى أكثر تسطحا ، ولكن في السوائل ، يمكن أن تتسبب لزوجة الوسط في انحرافات طفيفة في ناتئ المسبار أثناء المنحدر كما هو موضح هنا ، حتى مع عدم ملامسة السطح. (C) بعد الاقتراب قليلا من السطح قبل بدء المنحدر ، تظهر منحنيات الاقتراب والتراجع زيادة طفيفة في القوة (زيادة الميل) بالقرب من نقطة تحول المنحدر (أي الانتقال من الاقتراب إلى الانسحاب). العلامة المنبهة التي يجب البحث عنها هي أن منحنيات الاقتراب (الأزرق) والسحب (الأحمر) تبدأ في التداخل (المنطقة المشار إليها بالدائرة السوداء) ، مما يدل على تفاعل مادي مع السطح. (D) منحنى F-D مثالي تم الحصول عليه بعد تحسين معلمات المنحدر والاقتراب قليلا (~ 1 ميكرومتر) من سطح الخلية منه في C بحيث يقضي المسبار ما يقرب من نصف المنحدر في اتصال مع الخلية ، مما يتيح تشوها كافيا لتناسب جزء التلامس من منحنى الاقتراب وتحديد معامل المرونة. يسهل خط الأساس الطويل نسبيا والمسطح والمنخفض الضوضاء على خوارزمية التركيب تحديد نقطة الاتصال. اختصار: F-D = قوة الإزاحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: حجم المنحدر وموضعه. شاشة Z-piezo تظهر مدى المنحدر (الشريط الأزرق) بالنسبة إلى إجمالي نطاق حركة Z-piezo المتاح (الشريط الأخضر). (أ) يقع موضع Z-piezo بالقرب من منتصف نطاق حركته ، كما يتضح من كل من الشريط الأزرق الموجود تقريبا في منتصف الشريط الأخضر وجهد Z-piezo الحالي (-78.0 V) تقريبا بين قيمه المنسحبة بالكامل (-212.2 فولت) والممتدة (+102.2 فولت). (ب) يمتد Z-piezo بالنسبة إلى A ، دون تطبيق جهد تحيز. (ج) يتراجع Z-piezo بالنسبة إلى A و B. (د) موضع Z-piezo هو نفسه الموجود في C عند -156.0 V ، ولكن تم زيادة حجم المنحدر بالنسبة إلى A-C للاستفادة من المزيد من نطاق حركة Z-piezo الكامل. € حجم المنحدر كبير جدا بالنسبة لموضع المنحدر الحالي ، مما يؤدي إلى تمديد Z-piezo إلى نهاية نطاقه. سيؤدي ذلك إلى تسطيح منحنى F-D حيث لا يمكن للنظام تمديد Z-piezo أكثر. اختصار: F-D = قوة الإزاحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. تحليل منحنى F-D

1. اختر حزمة برامج تحليل البيانات المناسبة. حدد وتحميل البيانات المراد تحليلها.
   ملاحظة: تحتوي العديد من الشركات المصنعة ل AFM وبرامج معالجة الصور AFM على دعم مضمن لتحليل منحنى F-D. بدلا من ذلك ، قد تكون المرونة والميزات المتزايدة لحزمة تحليل منحنى F-D المخصصة ، مثل حزمة برامج AtomicJ مفتوحة المصدر ، مفيدة²³ ، خاصة لمعالجة الدفعات والتحليل الإحصائي لمجموعات البيانات الكبيرة أو تنفيذ نماذج ميكانيكا الاتصال المعقدة.
2. قيم معايرة المدخلات لثابت الزنبرك ، DS ، ونصف قطر طرف المسبار ، جنبا إلى جنب مع تقديرات معامل يونغ ونسبة بواسون لطرف المسبار (بناء على تكوين مادته) ونسبة بواسون للعينة.
   ملاحظة: في حالة استخدام مسافة بادئة ذات طرف ماسي ، يمكن استخدام القيم E tip = 1140 GPa و ν_tip = 0.07²¹،²⁴،^25،26. بالنسبة لمسبار السيليكون القياسي ، يمكن عادة استخدام _طرف E = 170 GPa و ν_tip = 0.27 ، على الرغم من أن معامل Young للسيليكون يختلف اعتمادا على الاتجاه البلوري²⁷.
3. اختر نموذج ميكانيكا ملامسة المسافة البادئة النانوية المناسب للطرف والعينة.
   ملاحظة: بالنسبة للعديد من نماذج الأطراف الكروية الشائعة (على سبيل المثال ، Hertz و Maugis و DMT و JKR) ، من الضروري أن يكون عمق المسافة البادئة في العينة أقل من نصف قطر الطرف ؛ وإلا فإن الهندسة الكروية لطرف المسبار تفسح المجال لشكل مخروطي أو هرمي (الشكل 4C). بالنسبة للنماذج المخروطية (على سبيل المثال ، Sneddon²⁸) والنماذج الهرمية ، زاوية نصف الطرف (أي الزاوية بين الجدار الجانبي للطرف وخط التقسيم العمودي على نهاية الطرف ؛ الشكل 4 ج) يجب أن تكون معروفة وعادة ما تكون متاحة من الشركة المصنعة للمسبار. لمزيد من المعلومات حول نماذج ميكانيكا الاتصال ، يرجى الاطلاع على قسم تحليل البيانات في thedDiscussion.
4. قم بتشغيل خوارزمية التركيب. تحقق من التركيب المناسب لمنحنيات F-D ؛ عادة ما يشير الخطأ المتبقي المنخفض المقابل لمتوسط R 2 بالقرب من الوحدة (على سبيل المثال ، R² > 0.9) إلى ملاءمة جيدة للنموذج المختار^29,30. قم بفحص المنحنيات الفردية لفحص المنحنى بصريا وملاءمة النموذج ونقاط الاتصال المحسوبة إذا رغبت في ذلك (على سبيل المثال ، انظر الشكل 7 وقسم تحليل البيانات في المناقشة).

Representative Results

منحنيات إزاحة القوة
يوضح الشكل 7 منحنيات F-D التمثيلية شبه المثالية التي تم الحصول عليها من تجارب المسافة البادئة النانوية التي أجريت في الهواء على عينات صنوبر لوبلولي المضمنة بالراتنج (الشكل 7A) وفي السائل (محلول ملحي مخزن بالفوسفات [PBS]) على نوى الخلايا الجذعية الوسيطة (MSC) (الشكل 7B). يعتمد استخدام أي نموذج ميكانيكا اتصال على التحديد الدقيق والموثوق لنقطة الاتصال الأولية لعينة الطرف. وبالتالي ، فإن خط الأساس المسطح نسبيا والمنخفض الضوضاء الذي يسبق نقطة الاتصال الأولية والمنحدر السلس لجزء التلامس من منحنيات F-D الموضحة في الشكل 7 يجعلها مثالية للتحليل لاستخراج الخواص الميكانيكية ، كما يتضح من الاتفاق الممتاز بين منحنيات الاقتراب (الآثار الزرقاء) والنوبات المقابلة (الآثار الخضراء) في الإدخالات.

على العكس من ذلك ، هناك العديد من المشكلات الشائعة التي قد يواجهها المستخدم أثناء إجراء المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي والتي ستؤدي إلى منحنيات F-D غير مثالية. واحدة من أكثر المشكلات شيوعا ، خاصة بعد الانخراط مباشرة ، هي أن طرف المسبار على اتصال بالفعل بالعينة قبل بدء المنحدر (الشكل 5 أ) ، مما يمنع الحصول على خط الأساس الضروري خارج الاتصال لتحديد نقطة الاتصال الأولية. يمكن أن يؤدي هذا أيضا إلى قوى كبيرة بشكل مفرط في حالة المنحدرات غير المحفزة (أي الإزاحة الخاضعة للرقابة). هذا مصدر قلق خاص عند إجراء منحدر كبير مع ناتئ صلب ، حيث قد تؤدي القوى الناتجة إلى كسر الكابولي و / أو إتلاف العينة أو الطرف. لتجنب ذلك ، راقب جهد الانحراف الرأسي أثناء وبعد التعشيق الأولي. إذا كان جهد الانحراف الرأسي المقاس موجبا (بافتراض المحاذاة الأولية المناسبة) كما هو موضح في الشكل 2B ، فإن الكابولي ينحرف ويكون الطرف ملامسا للعينة. تتوافق الفولتية الموجبة الأكبر مع انحرافات ناتئة أكبر ، ولكن بغض النظر عن حجم الانحراف ، يجب على المستخدم رفع رأس AFM يدويا (على سبيل المثال ، عن طريق استخدام محرك متدرج) بعيدا عن العينة. يجب أن ينخفض جهد الانحراف الرأسي ببطء وقد ينخفض مؤقتا إلى ما دون الصفر في حالة وجود قوى لاصقة قوية لعينة الطرف ، ولكنه سيصل في النهاية إلى 0 فولت (أو قريب من 0 فولت) بمجرد أن يصبح الطرف غير ملامس للعينة (الشكل 2 أ). من هذه النقطة ، يمكن للمستخدم استئناف تحسين معلمات المنحدر وإجراء المسافات البادئة.

هناك مشكلة شائعة أخرى (خاصة بالنسبة للمنحدرات غير المشغلة) وهي أن يظهر منحنى F-D بأكمله مسطحا تقريبا ، مع عدم وجود علامة واضحة على تفاعل الطرف مع العينة ، كما هو موضح سابقا في الشكل 5B. إذا كان ذلك متاحا على الجهاز ، فإن الحل لذلك هو خفض رأس SPM يدويا بنسبة ~ 10٪ أقل من حجم المنحدر (لتجنب تحطم طرف المسبار) والمنحدر مرة أخرى ، والتكرار حتى يتم ملاحظة زيادة واضحة في القوة بسبب تفاعل عينة الطرف (الشكل 5C ، D) قبل الشروع في تحسين معلمات المنحدر الأخرى.

ارتداء طرف
يقدم الشكل 8 مثالا على تآكل الأطراف في بيئة تجريبية. تم استخدام مسبار AFM أحادي صلب من السيليكون (انظر جدول المواد) لتصوير عدة مناطق كبيرة من عينة Bakken الصخرية (انظر مثال التطبيق المقابل لمزيد من التفاصيل) باستخدام طريقة تصوير سريعة (معدل kهرتز) تعتمد على منحنى القوة ، وتم استخدام طريقة BTR لنمذجة هندسة الطرف وتقدير نصف قطر نهاية الطرف قبل وبعد كل صورة من ثلاث صور متتالية. تألفت عينات الصخر الزيتي قيد الفحص من مصفوفة من الطين والمواد العضوية (E ~ 5 GPa) مع شوائب معدنية غير عضوية أكثر صلابة منتشرة في جميع أنحاء (E > 30 GPa). نظرا لأن العينة احتوت على اختلافات كبيرة في تضاريس السطح (±2 ميكرومتر) عبر مناطق المسح الكبيرة (85 ميكرومتر × 85 ميكرومتر) المصورة ، فقد تم ضبط معدل المسح على الحد الأدنى المسموح به على الجهاز المستخدم ، 0.1 هرتز. مع معدل اكتساب منحنى القوة البالغ 2 كيلو هرتز ومعدل المسح الضوئي 0.1 هرتز ، على مدار صورة واحدة 1024 × 1024 بكسل ، كان هناك أكثر من 20 مليون تفاعل لعينة طرف. نتيجة لذلك ، تعرض طرف المسبار لتآكل كبير بالنسبة لحالته الأصلية (الشكل 8 أ) على مدار تصوير العينة ، حيث زاد بأكثر من ترتيب من حيث الحجم من نصف قطر نهاية فعال يبلغ ~ 11 نانومتر كما تم استلامه إلى ~ 129 نانومتر في ختام الصور الثلاث (الشكل 8 د). خلال الصورة الأولى ، يبدو أن الطرف قد انكسر ، مما أدى إلى التغيير المورفولوجي الكبير الذي شوهد في الشكل 8B. في كل صورة لاحقة ، يصبح الطرف أكثر تقريبا بشكل تدريجي ، وهو مثال ممتاز على الظاهرة الأكثر شيوعا المتمثلة في التآكل التدريجي (انظر المناقشة). يتم تضمين أنصاف أقطار الطرف المقدرة من نماذج BTR في الشكل 8.

في المقابل ، يقدم الشكل 8E ، F نماذج BTR لمسبار طرف الماس (انظر جدول المواد) تم الحصول عليه بفارق 6 أشهر ، مع الآلاف من المسافات البادئة النانوية ومئات الملايين من تفاعلات عينة الطرف القائمة على تصوير منحنى القوة التي تحدث بينهما. كما يتضح من أنصاف أقطار الطرف المقدرة ب 29 نانومتر (الشكل 8E) و 28 نانومتر (الشكل 8F) ، لم يتغير نصف قطر طرف المسبار في حدود طريقة BTR ، مما يسلط الضوء على مقاومة التآكل الشديدة للماس. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن مجسات الطرف الماسي (مثل جميع مجسات AFM) عرضة للتلوث من الحطام غير الملتصق الذي يمكن أن يؤثر على وظيفة منطقة الطرف والصلابة الفعالة. وفقا لذلك ، تظل نظافة العينة أمرا حيويا للحفاظ على الطرف والقياسات النانوية الدقيقة.

أمثلة التطبيق
من خلال الاختيار الحكيم لتكوين مادة المسبار ، وثابت الزنبرك الكابولي ، وهندسة الطرف ونصف القطر ، يمكن استخدام المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي لتحديد الخواص الميكانيكية النانوية للمواد ذات الوحدات المرنة التي تتراوح من كيلو باسكال إلى GPa ، سواء في السوائل أو في الظروف المحيطة. فيما يلي أمثلة تطبيقية مختارة لتسليط الضوء على عدد قليل من مجموعة واسعة من حالات الاستخدام الممكنة للمسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي.

دراسة الخواص الميكانيكية لصنوبر لوبلولي لتطبيقات الوقود الحيوي
أشجار الصنوبر Loblolly (Pinus taeda) هي نوع من الأخشاب اللينة سريعة النمو وفيرة للغاية في جنوب الولايات المتحدة ، وتحتل أكثر من 13 مليون هكتار³¹. بسبب وفرتها ، تعد أشجار الصنوبر loblolly محصولا تجاريا مهما في جنوب الولايات المتحدة ، وتستخدم عادة لكل من الأخشاب وخشب اللب. بالإضافة إلى ذلك ، فهي مورد مهم لإنتاج الجيل الثاني من الوقود الحيوي السليلوزي³². الأهم من ذلك ، أن الطلب يتزايد على المواد الأولية للوقود الحيوي السليلوزي بسبب قانون استقلال وأمن الطاقة (EISA) لعام 2007 ، والذي ينص على أنه بحلول عام 2022 ، يجب أن يكون إجمالي استخدام الوقود المتجدد في صناعة النقل الأمريكية 36 مليار جالون ، مع 16 مليار جالون مشتقة من الكتلة الحيوية السليلوزية. وفقا لذلك ، نظرا لمعدل النمو السريع لصنوبر loblolly وقابليته للتعديل لمشاريع الحراجة الزراعية ، فقد أصبح مادة وسيطة للوقود الحيوي ذات أهمية كبيرة في السنوات الأخيرة³³. قد تسمح معرفة الخواص الميكانيكية لصنوبر loblolly ، بما في ذلك التباين عبر الأشجار الفردية ، والكسور التشريحية (مثل الخشب الأبيض ، واللحاء ، والإبر) ، ومناطق الخلايا (على سبيل المثال ، جدار الخلية مقابل الداخل) ، بالفصل المستهدف لتيارات الكتلة الحيوية لتحسين المعالجة الميكانيكية والتحويل الكيميائي الحراري³⁴.

يقدم الشكل 9 صورة تمثيلية لتضاريس AFM (مستشعر الارتفاع) (الشكل 9 أ) وخريطة معامل المرونة المقابلة (الشكل 9 ب) لعينة مقطع عرضي من الخشب الأبيض تم الحصول عليها من فرع على صنوبر لوبلولي يبلغ من العمر 23 عاما مع دائرة نصف قطرها ~ 30 نانومتر من مسبار طرف الماس المنحني المثبت على ناتئ من الفولاذ المقاوم للصدأ (k = 256 نيوتن / م). تم إنشاء خرائط التضاريس والمعامل في وقت واحد باستخدام التصوير السريع القائم على منحنى قوة معدل كيلوهرتز AFM ، مع خريطة المعامل التي تقدم نتائج شبه كمية بناء على القيم الاسمية لثوابت معايرة المسبار (أي ثابت الزنبرك وحساسية الانحراف ونصف قطر الطرف) وتركيب منحنيات القوة في الوقت الفعلي لنموذج ميكانيكا الاتصال DMT (Derjaguin و Muller و Toporov)³⁵. تم تحضير العينات المقطعية المشذبة لتكون <3 مم في جميع الأبعاد الثلاثة (الطول × العرض × الارتفاع) للتصوير عن طريق الجفاف التسلسلي باستخدام تركيزات متزايدة من الإيثانول (33٪ و 55٪ و 70٪ و 90٪ و 100٪) ³⁶ ، قبل التسلل بالراتنج (انظر جدول المواد) والبلمرة عند 60 درجة مئوية بين عشية وضحاها. تم طحن العينات المدمجة بالراتنج المعالجة بالكامل أولا ، ثم تم تعظيمها بشفرة ماسية تعمل بسرعة قطع ~ 1 مم / ثانية مع انخفاض سمك التغذية من 1 ميكرومتر إلى 50-70 نانومتر لكل شريحة لإنتاج سطح مستو قابل للتصوير AFM. ومع ذلك ، كما يتضح من شريط مقياس الألوان في الشكل 9 أ ، فإن السطح الناتج في هذه الحالة لا يزال خشنا نسبيا ، ربما بسبب وجود حطام متبقي على سطح العينة و / أو شفرة فائقة الميكروتوم ، مما يؤدي إلى "ثرثرة" الشفرة أثناء التقسيم ، بينما أظهرت عينات أخرى تضاريس سطح أكثر سلاسة.

يستنسخ الشكل 9C صورة تضاريس AFM من الشكل 9A ، ولكن مع الشعيرات المتصالبة البيضاء التي تشير إلى مواقع ثمانية صفائف من 50 مسافة بادئة نانوية لكل منها ليتم إجراؤها على طول جدران الخلايا المختارة داخل عائد الاستثمار ، حيث كان الهدف من المشروع المعني هو فهم كيفية اختلاف الخصائص الميكانيكية النانوية لصنوبر loblolly عبر أنواع الأنسجة المختلفة وعمر الأشجار. تم استخدام عتبة الزناد البالغة 1 μN عادة للمنحدرات (حجم منحدر اسمي 60 نانومتر يتم إجراؤه بمعدل منحدر 1 هرتز) ، مما يؤدي إلى عمق مسافة بادئة ~ 10 نانومتر على طول جدران الخلايا (8 ± 2 نانومتر عبر جميع العينات المدروسة) أو أعمق قليلا (14 ± 4 نانومتر) في الأجزاء الداخلية للخلية ، والتي تكون أكثر ليونة إلى حد ما من جدران الخلايا. تم تباعد المسافات البادئة داخل كل خط ≥100 نانومتر لضمان فصلها جيدا ، وتم جمع 1024 نقطة بيانات لكل منحدر لإنتاج منحنيات مقاربة وتراجع مميزة جيدا. من خلال الجمع بين التصوير القائم على منحنى القوة السريع مع المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي ، كان من الممكن إنشاء إحصائيات وتحديد الاختلافات في الوحدات عبر هياكل الخلايا. على سبيل المثال ، كما هو موضح في الجدول 1 ، وجد أن متوسط معامل المرونة لداخل الخلية كان حوالي نصف معامل الجدار الخلوي عبر عينات الخشب الأبيض المشتقة من فروع متعددة من الأشجار من أعمار مختلفة.

عينة	مكان	E* (GPa)	E (GPa)	تشوه (نانومتر)	الكونت (ن)
1	داخل	1.5 ± 0.4	1.4 ± 0.4	14 ± 2	199
	جدار	4.7 ± 1.3	4.3 ± 1.3	7 ± 2	202
2	داخل	1.3 ± 0.3	1.2 ± 0.3	16 ± 3	198
	جدار	3.2 ± 0.9	2.9 ± 0.9	9 ± 2	199
3	داخل	1.9 ± 0.6	1.7 ± 0.6	12 ± 3	198
	جدار	5.7 ± 1.2	5.2 ± 1.2	6 ± 1	199
4	داخل	2.4 ± 0.8	2.2 ± 0.8	11 ± 3	202
	جدار	4.2 ± 2.1	3.8 ± 2.1	9 ± 4	193
5	داخل	2.6 ± 0.8	2.3 ± 0.8	10 ± 2	198
	جدار	4.3 ± 1.6	3.9 ± 1.6	7 ± 2	199
متوسط	داخل	1.9 ± 0.6	1.8 ± 0.6	13 ± 3
	جدار	4.4 ± 1.4	4.0 ± 1.4	8 ± 2

الجدول 1: إحصائيات معامل مرونة الصنوبر Loblolly: جدران الخلايا مقابل داخل الخلية. تم قياس الوحدات المرنة لجدران الخلايا مقابل الأجزاء الداخلية للخلية لخمس عينات من فرع خشب الصنوبر الأبيض لوبلولي تم جمعها من شجرتين من أعمار مختلفة. تم حساب جميع قيم المعامل عن طريق ملاءمة جزء الاقتراب من منحنى إزاحة القوة مع نموذج DMT وافتراض نسبة بواسون 0.3 للعينة. يتم الإبلاغ عن الوحدات كمتوسط ± الانحراف المعياري لكل موقع عينة ، مع تحليل عدد منحنيات القوة (العد ، n) لإنتاج النتيجة المبلغ عنها المشار إليها. تم تحويل الوحدات المختزلة المقاسة (E *) إلى وحدات العينة الفعلية (E) ، بافتراض معامل يونغ البالغ 1,140 GPa ونسبة بواسون البالغة 0.07 للطرف الماسي المستخدم indenter المستخدم. يظهر أيضا متوسط تشوه العينة للحمل المطبق البالغ 1 ميكرونيوتن.

الميكانيكا النانوية المترابطة والتحليل الطيفي الإلكتروني على صخر باكين
تم العثور على رواسب الصخر الزيتي Bakken داخل حوض ويليستون في مونتانا ونورث داكوتا في الولايات المتحدة وأجزاء من ساسكاتشوان في كندا. إنها ثاني أكبر خزان هيدروكربوني في الولايات المتحدة ، لكن دراسة الرواسب لا تزال في مهدها³⁷. تم إجراء تحقيق في الخواص النانوية الميكانيكية لصخر باكين كدالة للتكوين والنضج الحراري من خلال المشاركة في توطين المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM مع تصوير المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتوصيف التركيب الطيفي المشتت للطاقة (EDS) ، كما هو موضح في الشكل 10. على وجه التحديد ، تم استخدام رسم خرائط SEM-EDS لتوصيف التوزيع الأولي (الشكل 10C) ، وبالتالي تحديد وجود وموقع شوائب معدنية مختلفة داخل مصفوفة الصخر الزيتي. تم تحديد موقع التصوير السريع القائم على منحنى القوة (معدل kHz AFM (الشكل 10B) مع خرائط SEM-EDS من خلال تحديد أصل يمكن التعرف عليه بصريا في صورة SEM للإلكترون الثانوي (SE) (الشكل 10A) وتتبع حركة المرحلة لكل من AFM و SEM³⁸. من خلال استخدام مسبار طرف ماسي مثبت على ناتئ صلب من الفولاذ المقاوم للصدأ ، كان من الممكن رسم خرائط للاختلافات في معامل المرونة للمناطق الكبيرة (85 ميكرومتر × 85 ميكرومتر) التي تحتوي على شوائب ذات أهمية (الشكل 10 د). لاحظ أن خريطة المعامل المعروضة في الشكل 10D هي نوعية وليست كمية بطبيعتها ، حيث لم يتم إدخال ثوابت معايرة المسبار المناسبة في البرنامج قبل التصوير والحصول على البيانات.

تسلط صور AFM في الشكل 10B والشكل 10D الضوء أيضا على أحد عيوب مسبار الطرف الماسي المستخدم ، وهو عدم قدرته على تتبع ميزات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية بدقة (انظر المنطقة البيضاوية السوداء في الشكل 10B) بسبب هندسة طرف الزاوية المكعبة. يمكن رؤية الدقة المنخفضة وعدم القدرة على تتبع الميزات شديدة الانحدار بدقة بشكل أكثر وضوحا في الشكل 11 ، حيث تم تصوير نفس المنطقة العامة لعينة Bakken الصخرية بواسطة طرف الماس في زاوية المكعب (الشكل 11A) ومسبار AFM السليكوني الأكثر حدة وأعلى نسبة عرض إلى الارتفاع (الشكل 11 ب). وبشكل أكثر تحديدا ، تم الحصول على الصورة الموضحة في الشكل 11B باستخدام المسبار الموضح في الشكل 8A-D ، بين نماذج BTR في الشكل 8A (R = 11 نانومتر) والشكل 8B (R = 43 نانومتر). للمقارنة المباشرة ، تقدم أزواج الصور الشكل 11C ، D ، جنبا إلى جنب مع الشكل 11E ، F ، صورا مكبرة لنفس ميزات سطح العينة التي تم الحصول عليها باستخدام طرف الماس ومسبار السيليكون ، على التوالي ، مما يدل على تأثير هندسة الطرف ونصف القطر على دقة الصورة ودقتها. يقدم الشكل 11G صورة ثلاثية الأبعاد مركبة تجمع بين تضاريس السطح المكتسبة مع مسبار السيليكون الحاد عالي الجانب (الشكل 8A ، B) وقيم المعامل المكتسبة باستخدام مسبار طرف الماس (الشكل 8E ، F) المشفر على أنه الجلد الملون المتراكب.

بالإضافة إلى الصور الكبيرة الموضحة في الشكل 10 والشكل 11 ، تم الحصول على صور أصغر (10 ميكرومتر × 10 ميكرومتر) تعتمد على منحنى القوة السريعة باستخدام مسبار طرف الماس المعاير بالكامل. ركزت هذه الصور على المناطق التي لا تحتوي على شوائب معدنية غير عضوية مرئية بصريا للتحقيق في خصائص المصفوفة العضوية المحيطة بمزيد من التفصيل. من خلال استخدام دقة بكسل تبلغ 512 × 512 (أي ~ 20 نانومتر × 20 نانومتر لأخذ العينات) ، تم التقاط >262000 منحنى F-D فردي وحفظها مع كل صورة 10 ميكرومتر × 10 ميكرومتر ، مما يتيح إحصاءات ممتازة. تمت معالجة بيانات F-D وتحليلها على دفعات باستخدام حزمة برامج AtomicJ²³ لتنفيذ نموذج ميكانيكا الاتصال Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) ³⁵. بعد التركيب ، تم تنظيف البيانات لإزالة المنحنيات التي أدت إلى معامل مرونة محسوب <0 (غير فيزيائي) أو >30 GPa (حيث ركزت الدراسة على الجزء غير المعدني من الصخر الزيتي ، E << 30 GPa) على غرار الدراسات الأخرى^39,40 ، بالإضافة إلى البيانات مع نموذج يناسب R² < 0.7. في حين أن قطع R² تعسفي إلى حد ما ، فقد تم اختياره لإزالة البيانات التي من الواضح أن النموذج لا يمكن أن يناسبها بدقة. باستثناء قيمة شاذة واحدة تضمنت إدراجا معدنيا كبيرا في منطقة التصوير ، شكلت المنحنيات التي تمت إزالتها أقل من 0.5٪ من إجمالي البيانات لكل صورة. ويمكن الاطلاع على موجز للنتائج الإحصائية في الجدول 2. تختلف وحدات المرونة المحسوبة من 3.5 إلى 6.1 GPa ، في نطاق ما وجدته دراسات مماثلة أيضا^39,40.

عينة	E (GPa)	العائد بعد تنظيف البيانات	الكونت (ن)
1	6.1 ± 3.8	93.70%	7,36,874
2	5.1 ± 2.6	99.70%	7,84,267
3	3.5 ± 1.9	99.60%	7,83,427

الجدول 2: إحصائيات معامل المرونة ل Bakken Shales. تم قياس معامل المرونة للمصفوفات العضوية في ثلاث عينات من صخر باكين بتركيبة مختلفة ونضج حراري. العينة 1 هي عنصر تحكم ، بينما تم تلدين العينتين 2 و 3 لمدة 12 ساعة و 48 ساعة ، على التوالي ، لمحاكاة النضج الحراري بشكل مصطنع. يتم الإبلاغ عن وحدات المرونة كمتوسط ± الانحراف المعياري لكل موقع عينة ، مع عدد منحنيات القوة (العد ، n) المدرجة في التحليل بعد استخدام إجراء تنظيف البيانات الموصوف في النص المشار إليه. يقع متوسط الوحدات المحسوبة (3.5-6.1 GPa) ضمن النطاق المبلغ عنه في دراسات أخرى مماثلة مثل دراسة Li et ^al.40 ، التي وجدت نطاق معامل من 2.9-11.8 GPa.

تغيرات الصلابة النووية للخلايا الجذعية الوسيطة بسبب المحفزات الخارجية
الخلايا الجذعية الوسيطة (MSCs) هي خلايا سلفية يمكن أن تصبح خلايا غضروفية وخلايا دهنية وبانيات عظمية وخلايا عضلية⁴¹. يتأثر تمايز MSC في هذه الأنواع المختلفة من الأنسجة بالمحفزات الميكانيكية الخارجية على الخلية عبر رابط الهيكل الخلوي والهيكل النووي (LINC) ، والذي يربط غشاء الخلية الخارجي ماديا بالغشاء النووي⁴¹. يتكون مركب LINC من بروتينات SUN و Nesprin التي تتفاعل مع الهيكل الخلوي للخلية للكشف عن القوى الفيزيائية على الخلية وتسهيل الاستيراد النووي للعوامل الحساسة ميكانيكيا β-catenin و YAP لبدء عملية التمايز⁴²،^43،44. جنبا إلى جنب مع الاستيراد النووي ل β-catenin و YAP بعد التحفيز الميكانيكي للخلايا ، يخضع الهيكل الخلوي أيضا لإعادة الترتيب ، بما في ذلك تكوين خيوط F-actin حول النواة بالإضافة إلى النقل النووي للأكتين⁴⁴،^45،46. نظرا لأن التحفيز الميكانيكي يبدأ تغييرات في الهيكل الخلوي للخلية والدخول النووي للأكتين ، فإن الصلابة الكلية (المعامل) للخلايا والنوى تتأثر ويمكن قياسها بواسطة المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM. أكدت الدراسات السابقة ذلك من خلال الكشف عن انخفاض في المعامل الخلوي والنووي بعد تعطيل مجمع LINC ، وعكسيا زيادة في معامل الخلية والنووي بعد التحفيز الميكانيكي ل MSCs⁴⁷. لا تزال الأبحاث الحالية تبحث في آليات استيراد الأكتين إلى النواة وكيف تؤثر بلمرة الأكتين على الخلية والمعامل النووي بعد التحفيز الميكانيكي.

للتحقيق في الخواص الميكانيكية للخلايا الحية ، يجب إجراء التجارب في محلول عازل ، عادة PBS. يطرح إجراء المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي في السائل مشاكل فريدة ، خاصة لقياس العينات شديدة النعومة مثل MSCs (E≈ 2 kPa). على وجه الخصوص ، تتطلب وحدات المرونة المنخفضة للخلايا الحية استخدام نصف قطر مسبار كبير لتقليل الضغط المنقول على بنية الخلية وتجنب ثقب الغشاء. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكابوليات الثابتة ذات الزنبرك المنخفض جدا (k = 0.04 N / m) ضرورية لقياس مثل هذه المعامل المرنة المنخفضة ، ولكن هذا يزيد من احتمال التعشيق الخاطئ بسبب السحب اللزج للسائل ، مما يؤدي إلى انحراف الكابولي الناعم أثناء خطوة الخفض السريع الأولية لعملية تعشيق AFM. لمواجهة الميل العالي للتعشيق الخاطئ ، قد يكون من الضروري استخدام نقطة ضبط تعشيق أكبر (أي عتبة تشغيل جهد الانحراف لإنهاء عملية الاشتباك). نظرا لأن الكابوليات الأكثر ليونة يمكن أن تتشوه بشكل عام بشكل مرن إلى حد أكبر من الكابوليات الصلبة ، فإن الانحناء الأكبر الذي يحدث مع نقطة ضبط أعلى في السائل لا يضر عموما بمثل هذه المجسات اللينة. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري أن تكون المحاليل المستخدمة في بيئة السوائل خالية من الحطام والفقاعات ، حيث يمكن أن يتداخل الحطام أو الفقاعات العائمة بشكل عابر مع انتقال الليزر عبر السائل إلى PSD أو تلتصق بالكابولي وتسد الليزر. سيؤثر التداخل مع شعاع الليزر سلبا على منحنيات F-D الناتجة وغالبا ما يؤدي إلى اكتشاف الاصطدام الخاطئ أو التعشيق الخاطئ. أخيرا ، تتطلب المسافة البادئة النانوية على الخلايا الحية أيضا مدخلات مستخدم أكثر من المواد الأكثر صلابة وغير الحية. على وجه الخصوص ، نظرا لأن الخلايا وبيئتها السائلة أكثر ديناميكية ، فقد يكون من الضروري ضبط ارتفاع المسبار بشكل فعال لكل منحدر لضمان الحصول على منحنى F-D جيد.

في المسافة البادئة النانوية للخلايا الحية ، غالبا ما تكون هناك حاجة إلى تشوه عينة أكبر بكثير لينتج عنه نفس انحراف الكابولي بالنسبة للعينات الأكثر صلابة. يمكن أن يؤدي هذا التشوه الأكبر إلى نتائج تجريبية تنحرف عن افتراض نموذج هيرتز للمرونة الخطية ، وبالتالي قد يلزم تطبيق عامل تصحيح لحساب السلوك المفرط المرونة لتحليل F-D الدقيق⁴⁸. لقد وجد أن نسبة الحجم الهندسي ، حيث R ₂ هو نصف قطر المسافة البادئة و R₁ هو نصف قطر الخلية (انظر الشكل 12A) ، يمكن استخدامها للتنبؤ بالتزام البيانات الناتجة بالميكانيكا الهرتزية. وجد أن نسبة الحجم الهندسي المثالية هي β = 0.3 ، مع قيم β <0.3 مما يؤدي إلى التقليل من شأن معامل المرونة والقيم β > 0.3 مما يؤدي إلى المبالغة في تقدير معامل المرونة عند تحليلها باستخدام نظرية اتصال هيرتز⁴⁸. إحدى الطرق الشائعة لتجنب التأثيرات غير الخطية هي إبقاء التشوهات صغيرة. في هذه الدراسة ، اقتصر عمق المسافة البادئة على 500 نانومتر -1 ميكرومتر.

يظهر الشكل 12B مجموعة بيانات تمثيلية توضح نتائج مجموعة واحدة من تجارب المسافة البادئة النانوية على MSCs والنوى المعزولة. في البيانات المقدمة في الشكل 12B ، التي تمت معايرتها مسبقا (ثابت الزنبرك عبر LDV ونصف قطر الطرف عبر SEM) ، تم استخدام مجسات نصف كروية نصف قطرها 5 ميكرومتر مع ثابت زنبركي اسمي k = 0.04 N / m لدراسة الاختلافات في المعامل بين MSCs الحية السليمة ونوى MSC المعزولة ، والتي كانت بمثابة ضوابط لاختبار تأثيرات السلالات الثابتة والديناميكية على الخواص الميكانيكية الخلوية^{والنووية 46}. نظرا للاختلافات والتحديات في التعامل مع الخلايا والنوى ، تميل بيانات المعامل المستخرجة إلى إظهار تباين كبير (أي توزيع القيم). وفقا لذلك ، تقدم مجموعة البيانات في الشكل 12B نسبة مئوية 75 من البيانات التي تم جمعها. بسبب هذا التباين الفطري بين الخلايا الحية وانتشار القياس الناتج ، يوصى بإجراء تجارب المسافة البادئة النانوية المكررة على أعداد كبيرة من العينات مع ثلاث نسخ بيولوجية على الأقل من أجل توليد إحصاءات قوية لتحليل البيانات وتفسيرها³⁰.

الخواص الميكانيكية لطبقات الدهون المحتوية على الكوليسترول
تم تحضير الأغشية الدهنية المدعومة التي تحتوي على نسبة عالية جدا من الكوليسترول (>50٪) (Chol) ، وهي نموذجية للتكوين الموجود في أغشية عدسات العين ، وحضنها على الميكا^{المسكوفيت المشقوق حديثا 49}. تظهر صورة تضاريس AFM تمثيلية لمثل هذا الغشاء الدهني المدعوم (SLM) المحضر في نسبة خلط Chol / POPC (POPC = 1-بالميتويل-2-أوليويل-جليسيرو-3-فوسفوكولين) تبلغ 1 في الشكل ، مع ملف تعريف الارتفاع على طول الخط الأرجواني في الصورة الموضحة أسفل الشكل. غطت SLM في الشكل 13A سطح الميكا المكشوف بالكامل بوقت حضانة كاف (~ 25 دقيقة) وتركيز دهون كاف (0.3 مجم / مل) ، كما يتضح من عدم وجود ميزات مميزة في صورة التضاريس. وبالمثل ، يوفر ملف تعريف الارتفاع عبر الصورة تفاصيل هيكلية تتعلق بخشونة سطح الغشاء ، مع سلاسة SLM كما هو متوقع.

ويعرض الشكل 13 باء مجموعة من أقسام الاقتراب من منحنيات القوة الملتقطة على آلية الإدارة المستدامة للأراضي المبينة في الشكل 13 ألف. ولتحقيق إحصاءات أفضل فيما يتعلق بالخواص الميكانيكية لآلية الإدارة المستدامة للأراضي، جمعت منحنيات القوة عند نقاط متساوية البعد متباعدة لا تقل عن 100 نانومتر، تغطي عرض الإدارة المستدامة للأراضي بالكامل تقريبا. تم اختيار التباعد بين النقاط (≥10x عمق المسافة البادئة) لمنع حدوث المسافة البادئة بالقرب من بعضها البعض. تظهر منحنيات القوة حدث اختراق واضح ، كما يتضح من الانقطاع أو القفزة المفاجئة بين مسافات الفصل ~ 0 و ~ 5 نانومتر في قسم الاقتراب من منحنيات القوة حيث تنخفض القوة بشكل حاد من ~ 10 nN إلى ~ 5 nN. تم حساب متوسط قوة الاختراق للغشاء الموضح في الشكل 13A (نسبة خلط Chol / POPC 1) بناء على منحنيات الاقتراب في الشكل 13B ليكون 9.25 ± 0.27 nN.

في المقابل ، يوضح الشكل 13C صورة تضاريس AFM للغشاء الجزئي أو بقع الغشاء التي تشكلت عن طريق احتضان الأغشية مرة أخرى بنسبة خلط Chol / POPC تبلغ 1 ، ولكن بتركيز أقل بكثير من الدهون (~ 15 ميكروغرام / مل) ومع وقت حضانة أقصر (~ 5-6 دقائق) ⁴⁹. يظهر ملف تعريف الارتفاع على طول الخط الأحمر عبر رقعة الغشاء في وسط الصورة أسفل الشكل. يوفر القياس عبر الطبقة المزدوجة الجزئية سمك SLM ، كما هو موضح بالخطوط المتقطعة السوداء في الشكل 13C لتكون ~ 7 نانومتر. ومع ذلك ، فإن هذه السماكة المقاسة تتضمن أيضا طبقة ماء 1-2 نانومتر بين الغشاء وقرص الميكا⁵⁰. تجدر الإشارة إلى أن الغشاء الجزئي غالبا ما يكون مرتبطا بشكل ضعيف فقط بسطح الميكا ، مما قد يتسبب في إزالة جزيئات الدهون من حافة بقع الغشاء الجزئية أثناء المسح ، ولكن وقت الحضانة الأطول قليلا أو خفض قوة التصوير يمكن أن يزيل هذه الصعوبة.

تعد معايرة مسبار AFM أمرا بالغ الأهمية لتحديد الخواص الميكانيكية ل SLM بدقة. على وجه الخصوص ، على الرغم من أن ثابت زنبرك الطرف يظل ثابتا في الهواء أو وسط السوائل ، يجب معايرة حساسية الانحراف في نفس الوسط حيث يتم إجراء التجارب. من الأهمية بمكان معايرة حساسية الانحراف مباشرة قبل كل مجموعة من عمليات اكتساب منحنى القوة لضمان نتائج قابلة للتكرار ، حيث يمكن أن تتغير محاذاة الليزر و / أو انعكاسية الطلاء الخلفي بمرور الوقت ، خاصة في السوائل. لا ينصح باستخدام مجسات حادة جدا لالتقاط منحنيات قوة الغشاء ، لأنها تثقب بسهولة SLM وقد تؤدي إلى قياس قوة اختراق منخفضة بشكل خاطئ أو عدم حدوث اختراق على الإطلاق. ومع ذلك ، فإن الاستخدام المتكرر لنفس الطرف دون تنظيف مناسب يزيد من فرصة تراكم الحطام على الطرف وبالتالي تبلد الطرف أو التأثير على قوى لاصقة عينة الطرف. قد يتوافق عدم وجود أحداث اختراق واضحة في منحنيات قوة الاقتراب أيضا مع الدفع فقط على الميكا بدلا من الغشاء الفعلي. وبالتالي ، من الضروري التأكيد البصري لتشكيل الغشاء قبل التقاط منحنيات القوة.

الشكل 7: منحنيات الإزاحة التمثيلية للقوة (F-D) في الهواء والسوائل. منحنيات القوة التمثيلية التي تم الحصول عليها على (أ) صنوبر لوبلولي في الهواء مع ملاءمة نموذج DMT المصاحب ، و (ب) نواة MSC حية في PBS مع ملاءمة نموذج هرتز مصاحبة. تظهر الأجزاء الداخلية في اللوحتين A و B تكبير منطقة التلامس لمنحنيات الاقتراب المقابلة (آثار زرقاء) مع ملاءمة مصاحبة (آثار خضراء). في كل لوحة ، تتم الإشارة إلى نقطة الاتصال الأولية لعينة الطرف (كما تحددها خوارزمية التركيب) بواسطة ماسة خضراء ، بينما يشار إلى نقطة الدوران (أي الانتقال من النهج إلى التراجع أو الانسحاب) بدائرة سماوية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8: مقارنة بين تآكل طرف مسبار السيليكون مقابل الماس. (أ-د) طرف مسبار السيليكون. سلسلة من النماذج التي تم إنشاؤها بواسطة طريقة إعادة بناء الطرف الأعمى بعد تصوير عينة توصيف الطرف ، مما يدل على التطور في نصف قطر مسبار طرف السيليكون الكابولي القاسي (انظر جدول المواد) بسبب تآكل الطرف التدريجي الذي حدث على مدار ثلاث صور متتالية 85 ميكرومتر × 85 ميكرومتر (1024 × 1024 بكسل) قائمة على منحنى القوة لعينة من الصخر الزيتي Bakken ، أجريت بمعدل مسح خطي يبلغ 0.1 هرتز ومعدل أخذ عينات منحنى القوة يبلغ 2 كيلو هرتز (أي ~ 20 مليون تفاعل / صورة لعينة طرف). (أ) نصيحة كما وردت (خارج الصندوق) ، قبل الاستخدام. ص = 11 نانومتر. (B) طرف بعد صورة واحدة (R = 43 نانومتر). (C) طرف بعد صورتين (R = 94 نانومتر). (د) طرف بعد ثلاث صور (R = 129 نانومتر). (ه، و) طرف مسبار الماس. تم الحصول على نماذج BTR من نفس مسبار طرف الماس (انظر جدول المواد) ~ 6 أشهر. بين الحصول على صور الطرف المستخدمة لتوليد النماذج الموضحة في E و F ، تم إجراء الآلاف من المسافات البادئة النانوية باستخدام المسبار وحدثت مئات الملايين من تفاعلات عينة الطرف أثناء التصوير القائم على منحنى القوة. ومع ذلك ، نظرا لصلابة الماس ، لم يتغير نصف قطر نهاية الطرف المقدر ~ 30 نانومتر ضمن حدود عدم اليقين لتقنية BTR بين الحصول على الصور الأولية (E) والمتابعة (F) للطرف. من المرجح أن تكون الشدة التي لوحظت في النموذج السابق (المشار إليها بالدائرة السوداء في اللوحة E إما قطعة أثرية لطريقة BTR أو بسبب وجود ملوث نانوي (على سبيل المثال ، جسيمات الغبار) على جانب الطرف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 9: تضاريس AFM وخرائط معامل لعينة صنوبر لوبلولي. بيانات AFM التمثيلية التي تم الحصول عليها في الهواء على عينة صنوبر لوبلولي مقطعية مضمنة في الراتنج لتمكين قياسات المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي على جدران الخلايا. (A) صورة تضاريس AFM تغطي خلايا متعددة تم الحصول عليها عبر وضع التصوير القائم على منحنى القوة السريعة ، والتي يتم تقديمها كتصوير زائف ثلاثي الأبعاد. (ب) خريطة معامل المرونة أو يونغ التي تم إنشاؤها في الوقت الفعلي بواسطة برنامج AFM من خلال تحليل منحنى القوة المكتسب عند كل بكسل وملاءمة البيانات لنموذج DMT ، مما يدل على أن جدران الخلايا أكثر صلابة من الأجزاء الداخلية للخلية. لاحظ أنه تم استخدام معلمات معايرة المسبار الاسمية ، بدلا من القياس ، لذلك يجب التعامل مع قيم المعامل على أنها نوعية أو شبه كمية فقط. (ج) نظرة عامة على عائد الاستثمار تشير إلى المواقع (ثمانية خطوط تتكون من 50 شعيرة متصالبة بيضاء متباعدة ≥100 نانومتر) حيث تم إجراء 400 مسافة بادئة نانوية (حجم منحدر اسمي 60 نانومتر ، مع عتبة تشغيل 1 μN المقابلة لمتوسط عمق المسافة البادئة ~ 10 نانومتر) على طول جدران الخلايا المختارة بعد الحصول على صورة AFM لتمكين تحديد موقع المسافات البادئة بدقة متناهية الصغر. قضبان المقياس = 20 ميكرومتر (أ ، ب). الاختصارات: AFM = مجهر القوة الذرية ؛ DMT = ديرجاجين مولر توبوروف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 10: AFM و SEM / EDS المترجمة المشتركة لعينة من الصخر الزيتي Bakken. (أ) صورة SEM إلكترونية ثانوية لجزء من عينة صخر باكين. (B) صورة تضاريس AFM للمنطقة المشار إليها بالصندوق الأسود في A. يشير الشكل البيضاوي الأسود إلى منطقة تؤدي فيها نسبة العرض إلى الارتفاع المنخفضة للمسبار إلى تصوير الجدار الجانبي للمسبار بدلا من ميزة تضاريس السطح شديدة الانحدار ونسبة العرض إلى الارتفاع العالية. (ج) خريطة تكوين عناصر EDS التي تم الحصول عليها لصورة SEM الموضحة في A. (د) خريطة معامل المرونة المشتقة من AFM أو خريطة معامل يونغ التي تم إنشاؤها أثناء الحصول على صورة تضاريس AFM في B ، والتي توضح أن إدراج المعادن في وسط الصور A-D أصعب بكثير من المصفوفة العضوية المحيطة. قضبان المقياس = 50 ميكرومتر. الاختصارات: AFM = مجهر القوة الذرية ؛ SEM = المجهر الإلكتروني الماسح ؛ EDS = التحليل الطيفي المشتت للطاقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 11: تأثير نصف قطر طرف المسبار وشكله على ظهور ميزات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية. مقارنة دقة الميزات التي تم الحصول عليها باستخدام مسبار طرف الماس (A) R≈ ونسبة عرض إلى ارتفاع منخفضة 30 نانومتر (زاوية نصف الطرف = 47 درجة) (انظر جدول المواد) أو (B) مسبار سيليكون صلب R≈ 10 نانومتر (زاوية نصف طرف ≈ 19 درجة) (الاسمي k = 200 نيوتن / م ؛ انظر جدول المواد) لتصوير نفس الموقع على عينة من الصخر الزيتي Bakken. (سي إف) صور مكبرة للمناطق المحاصرة باللون الأزرق (C ، D) والبرتقالي (E ، F) في A و B تم الحصول عليها إما بنصف قطر أكبر لمسبار طرف الماس ذو نسبة العرض إلى الارتفاع المنخفضة (C ، E) أو مسبار وضع النقر السليكوني الصلب الأكثر وضوحا والأعلى نسبة العرض إلى الارتفاع (D ، F) ، مما يسلط الضوء على دقة الميزات المنخفضة وإدخال القطع الأثرية ذات الجدار الجانبي في صورة تضاريس AFM التي تم الحصول عليها باستخدام مسبار الطرف الماسي نظرا لنصف قطر الطرف الأكبر و نصف زاوية. تحتوي المناطق التي تم تسليط الضوء عليها في C-F على ميزات شديدة الانحدار وعميقة تشبه البئر توضح المقايضات من حيث الدقة الجانبية والتتبع الدقيق ودقة الصورة بين مسبار سيليكون أكثر سهولة ، في البداية حاد أو مسبار طرف ماسي أكثر حدة ومقاومة للاهتراء. (G) صورة 3D مركبة تم إنشاؤها من خلال الجمع بين تضاريس AFM المكتسبة مع مسبار السيليكون الصلب الحاد ونسبة العرض إلى الارتفاع الأعلى مع بيانات المعامل (الجلد الملون المتراكب) المستمدة من تصوير منحنى القوة السريع لنفس المنطقة من العينة باستخدام مسبار طرف الماس. يشار إلى الميزات التي أبرزها المربعان الأزرق والأبيض في A و B في G أيضا. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 12: المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي على الخلايا أو النوى. (أ) خلية نصف قطرها R ₁ تقع على ركيزة مسطحة صلبة تفصل مسافة بادئة إلى عمق d بواسطة مسافة بادئة كروية نصف قطرها R₂. وقد استنسخ هذا الرقم من قضية دينغ وآخرين (^Ding.48). (ب) مخططات القيمة الفردية لقياسات المعامل التمثيلي التي تم الحصول عليها من تجارب المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM على MSCs للفأر والنوى المعزولة المستخرجة من MSCs للفئران. تم قياس ما مجموعه 10 خلايا و 10 نوى خمس مرات لكل منها على عمق المسافة البادئة من 500-600 نانومتر (تم اختياره للسماح باستخدام نموذج ميكانيكا الاتصال هرتز). تمت معالجة بيانات منحنى F-D الخام الناتجة باستخدام Atomic J²³ لحساب وحدات المرونة. نظرا للتباين الفطري الكبير للخلايا ، يتم^{رسم نسبة} 75 من البيانات. لم تظهر الخلية والنوى المعزولة أي فرق إحصائي في معامل المرونة ، حيث بلغ متوسط الوحدات المقاسة 0.75 ± 0.22 كيلو باسكال و 0.73 ± 0.22 كيلو باسكال على التوالي. تم جمع بيانات مماثلة وتحليلها لتحديد الاختلافات في الصلابة النووية بسبب التحفيز الميكانيكي ، والضربة القاضية للبروتين ، والعلاجات الكيميائية. الاختصارات: MSC = الخلايا الجذعية الوسيطة. AFM = مجهر القوة الذرية ؛ F-D = قوة الإزاحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 13: المورفولوجيا والخواص النانوية الميكانيكية للطبقات الثنائية الليبيدية . (أ) صورة طبوغرافية AFM تظهر الحد الأدنى من تباين الارتفاع لغشاء دهني كامل مدعوم (SLM) مكون من Chol / POPC بنسبة خلط 1 التي تشكلت عبر سطح الميكا المكشوف بالكامل مع وقت حضانة طويل (~ 25 دقيقة) وتركيز عالي للدهون (0.3 مجم / مل). يظهر ملف الارتفاع على طول الخط الأرجواني عبر منتصف الصورة أسفل الشكل، وهو ما يوفر تفاصيل تركيبية لسطح الغشاء. كما هو متوقع ، فإن SLM سلس للغاية. (ب) مجموعة من مقاطع الاقتراب من منحنيات القوة الملتقطة على آلية الإدارة المستدامة للأراضي المبينة في A. تم جمع منحنيات القوة عند نقاط متساوية البعد ≥100 نانومتر تغطي حركة تحرير السودان بأكملها تقريبا. تظهر منحنيات القوة حدث اختراق واضح ، كما يتضح من الانقطاع أو القفزة المفاجئة في قسم الاقتراب من منحنيات القوة. متوسط قوة الاختراق هو 9.25 ± 0.27 نيوتن. (C) غشاء جزئي أو بقع غشائية تتكون من أغشية حاضنة بنسبة خلط Chol / POPC تبلغ 1 مع وقت حضانة أقصر (~ 5-6 دقائق) وتركيز دهون أقل (~ 15 ميكروغرام / مل) بالنسبة إلى A⁴⁹. يظهر ملف تعريف الارتفاع على طول الخط الأحمر على الرقعة أسفل الصورة. تتيح الطبقة الثنائية الجزئية قياس سمك SLM ، كما هو موضح بالخطوط المتقطعة السوداء في ملف تعريف الارتفاع. لاحظ أن السماكة المقاسة تتضمن أيضا طبقة ماء 1-2 نانومتر بين الغشاء وقرص الميكا⁵⁰. تم تكييف هذا الرقم من Khadka et ^al.49 بإذن من Elsevier. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

إعداد العينة
بالنسبة للمسافة البادئة النانوية في الهواء ، تشمل طرق التحضير الشائعة التقسيم بالتبريد (على سبيل المثال ، عينات الأنسجة) ، والطحن و / أو التلميع متبوعا بالموجات الدقيقة الفائقة (على سبيل المثال ، العينات البيولوجية المضمنة بالراتنج) ، أو الطحن الأيوني أو تحضير الحزمة الأيونية المركزة (على سبيل المثال ، أشباه الموصلات أو المسامية أو عينات الصلابة المختلطة غير القابلة للتلميع) ، أو التلميع الميكانيكي أو الكهروكيميائي (مثل السبائك المعدنية) ، أو ترسيب الأغشية الرقيقة (على سبيل المثال ، الطبقة الذرية أو ترسيب البخار الكيميائي ، شعاع الجزيئية epitaxy). الهدف هو إنشاء عينة بأقل خشونة سطحية (من الناحية المثالية مقياس نانومتر ، ≤0.1x عمق المسافة البادئة المقصود). مع العديد من الطرق السابقة ، قد تحتاج العينة لاحقا إلى شطفها و / أو صوتنها في مذيب عالي النقاء مصفى (على سبيل المثال ، درجة HPLC) وتجفيفها بغاز النيتروجين عالي النقاء (99.999٪) (N₂) لإزالة حطام الجسيمات. بدلا من ذلك ، يمكن طلاء الرقائق (على سبيل المثال ، مواد 2D) أو الجسيمات (على سبيل المثال ، الجسيمات النانوية أو الكبسولات الدقيقة) بالدوران أو إخراجها من المحاليل المحضرة باستخدام مذيبات مفلترة عالية النقاء. في هذه الحالة ، الهدف هو تحقيق كثافة سطحية تنتج عدة رقائق أو جزيئات غير متداخلة داخل مجال الرؤية في أي منطقة تم اختيارها عشوائيا في العينة. بالنسبة للمسافة البادئة النانوية في السوائل (غالبا ما تستخدم للعينات البيولوجية التي تتطلب حلا عازلا لتظل قابلة للحياة) ، فإن ترسب أو تحضير العينات على ركيزة ناعمة (خشونة السطح بمقياس نانومتر) (على سبيل المثال ، شريحة المجهر ، أو طبق بتري ، أو ميكا المسكوفيت المشقوقة حديثا) ضروري⁴⁶،^47،49.

اعتبارات اختيار التحقيق
يعد اختيار المسبار المناسب ذا أهمية قصوى للتحليل الكمي لمنحنيات F-D ، حيث أن تفاعل الطرف والعينة هو الخاصية الأساسية التي يتم قياسها في المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي. الأسئلة التالية لها أهمية خاصة عند اختيار مسبار لتجربة معينة. ما هي خشونة السطح المتوقعة (أو المقاسة) للعينة ونطاق معامل المرونة؟ يمكن أن تتسبب عينات الخشونة العالية في تآكل متسارع مقارنة بالعينات الأكثر سلاسة بسبب زيادة القوى الجانبية الموجودة على الطرف عند تتبع الميزات شديدة الانحدار ، فضلا عن زيادة احتمالية حدوث أحداث كسر الطرف⁵³. وبالمثل ، كلما كانت العينة أكثر صلابة ، زادت سرعة ارتداء طرف المسبار. بالإضافة إلى ذلك ، كم عدد الصور و / أو المسافات البادئة النانوية اللازمة؟ مع تقليل التصوير والمسافة البادئة ، يمكن توقع تآكل أقل للطرف. كما هو موضح بمزيد من التفصيل أدناه ، يمكن تقليل تآكل الطرف من خلال استخدام طلاء الكربون الشبيه بالماس (DLC) أو التخلص منه فعليا باستخدام مجسات طرف الماس (مع تعويض التكلفة العالية للاكتساب بمرور الوقت من خلال عمر المسبار اللانهائي تقريبا).

هناك اعتبار آخر في اختيار مسبار مناسب وهو حجم ميزات الاهتمام. بالنسبة للمسافة البادئة النانوية ، غالبا ما يكون من الأفضل استخدام أكبر حجم ممكن للطرف مع الحفاظ على الدقة المكانية اللازمة للعينة (العينات) المعنية ومحتوى المعلومات المطلوب ، لأن الأطراف الأكبر حجما أقل عرضة لتجربة تغييرات مفاجئة في هندسة الطرف بسبب الكسر وستظهر أيضا معدلات تآكل أقل⁵⁴. من المهم أيضا مراعاة ما إذا كانت هناك طرق AFM أخرى يمكن توطينها بشكل مشترك مع المسافة البادئة النانوية ، مثل AFM⁵⁵ الموصل ، أو مجهر قوة مسبار كلفن (KPFM) ⁵⁶ ، أو مجهر القوة المغناطيسية (MFM) ⁵⁷. إذا كان سيتم استخدام مقاييس إضافية مثل هذه ، فقد يحتاج طرف المسبار إلى أن يكون موصلا للكهرباء أو مغناطيسيا ، مما سيؤثر على تكوين المواد وبالتالي مجموعة من الخصائص ، بما في ذلك الصلابة ومقاومة التآكل ونصف قطر الطرف. وبالمثل ، إذا تم إجراء المسافة البادئة في السائل ، فإن تكوين الطلاء الخلفي العاكس للمسبار (إن وجد) هو اعتبار مهم آخر ، حيث يجب أن يكون مقاوما للتآكل (على سبيل المثال ، طلاء الجانب الخلفي Au شائع لمجسات السوائل). أخيرا ، وربما الأهم من ذلك ، يجب مطابقة ثابت زنبرك الكابولي للمسبار مع النطاق المتوقع للوحدات المرنة المراد قياسها. إذا كان ثابت الزنبرك لا يتطابق جيدا مع معامل العينة ، فقد تحدث إحدى الحالتين. إذا كان الكابولي شديد الصلابة ، قياس انحراف ضئيل أو معدوم ويصبح التوصيف مستحيلا ؛ على العكس من ذلك ، إذا كان الكابولي طريا جدا ، فلن يكون قادرا على تشويه العينة بما يكفي لقياس خواصه الميكانيكية.

ارتداء طرف
يمكن تعريف التآكل بعدة طرق. لمناقشة تآكل طرف مسبار AFM هنا ، سيتم تعريفه على أنه أي تغيير في تضاريس سطح طرف المسبار بسبب تشوه البلاستيك دون أي فقد للمواد ، وكذلك أي إزالة للمواد من السطح بسبب التفاعلات المادية⁵⁸. بمعنى أوسع ، قد ينطوي التآكل أيضا على تفاعلات كيميائية مثل الأكسدة والترطيب. في تطبيقات AFM العادية ، عادة ما تكون الدقة المكانية الجانبية محدودة بنصف قطر الطرف⁵⁹ ، وتفاعل عينة الطرف هو الخاصية الأساسية المقاسة. نظرا لأن نصف قطر الطرف هو معلمة رئيسية في نمذجة ميكانيكا التلامس لنظام عينة الطرف وبالتالي تحديد الخواص الميكانيكية ، فإن تآكل الطرف يمثل مصدر قلق خاص عند إجراء تجارب المسافة البادئة النانوية وهو قيد رئيسي للتفسير الدقيق لنتائج المسافة البادئة النانوية⁵³. نظرا للطبيعة التدريجية عادة لتآكل الأطراف (بصرف النظر عن أحداث كسر الأطراف) ، لا يمكن تحديد تآكل الطرف بسبب دورة المسافة البادئة النانوية الواحدة (أي المنحدر). بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحركة العمودية لطرف المسبار بالنسبة للعينة في المسافة البادئة النانوية (خصم التصوير القائم على منحنى القوة السريع) تفسح المجال لتقليل معدل التآكل ، حيث أن الوضع الأساسي لتآكل الطرف هو عادة قوى القص التي تتطور أثناء أوضاع المسح⁶⁰. على هذا النحو ، فإن المصدر الأساسي لتآكل الطرف في تجارب المسافة البادئة النانوية هو أي تصوير يتم إجراؤه بعد معايرة المسبار الأولية (على وجه الخصوص ، حساسية الانحراف وقياسات نصف قطر الطرف) ولكن قبل المسافة البادئة النانوية. لذلك يوصى بأنه في حالة استخدام مجسات السيليكون أو نيتريد السيليكون ، يجب فحص نصف قطر الطرف قبل وبعد كل تجربة لمراقبة وحساب أي تآكل للطرف باستخدام إحدى الطرق الموضحة أعلاه (على سبيل المثال ، تحليل SEM أو BTR).

مواد التحقيق
الكربون الشبيه بالماس (DLC)
من خلال استخدام أطراف المسبار المطلية ب DLC أو أطراف الماس ، يمكن تقليل تآكل الأطراف بشكل كبير أو إبطاله تماما⁵³. تعتبر مقاومة التآكل المحسنة لمواد الطرف البديلة هذه مغرية للغاية لقياس الخواص الميكانيكية ، خاصة للمواد شديدة الصلابة. لقد ثبت أن أطراف مسبار DLC يمكن أن تظهر زيادة بمقدار 1,600 ضعف في مقاومة التآكل مقارنة بأطراف مسبار السيليكون العادية⁵⁴. يمكن أن تعزى هذه الزيادة الهائلة في مقاومة التآكل إلى عدة عوامل. أولا ، الروابط الموجودة في DLC (C-C و C = C) وواجهتها مع السيليكون (Si-O ، Si-C) هي بعض من أقوى الروابط لأي أزواج عنصرية ، وأقوى بكثير من روابط Si-Si الموجودة في أطراف السيليكون. كما أن المحتوى القابل للتنزيل له تأثير في تقليل الاحتكاك ، والذي بدوره يقلل من ضغوط القص داخل الطرف ، وبالتالي تقليل التآكل. بالإضافة إلى ذلك، تختلف كيمياء سطح المحتوى القابل للتنزيل عن كيمياء سطح السيليكون، حيث يمكن أن تواجه أطراف السيليكون نقشا كيميائيا ثلاثي في ظروف الرطوبة المحيطة، في حين أن أطراف المحتوى القابل للتنزيل لا تفعل ذلك (أو على الأقل ليس بأي طريقة ذات مغزى مقارنة بوضع التآكل الأساسي)⁵⁴. الجانب السلبي الأساسي للأطراف المطلية ب DLC (بخلاف السعر المتزايد بالنسبة لأطراف السيليكون القياسية غير المطلية) هو زيادة نصف قطر الطرف بسبب الطلاء نفسه. تبلغ معظم أنصاف أقطار طرف مسبار DLC ≥30 نانومتر ، في حين أن الأطراف غير المطلية ب DLC يمكن أن تصل بشكل موثوق إلى 1-2 نانومتر في دائرة نصف قطرها⁶¹. ومع ذلك ، غالبا ما يكون نصف قطر الطرف الأكبر مرغوبا فيه لتجارب المسافة البادئة النانوية لتقليل الخطأ في قياسات الخصائص ، حيث أن التناقضات النانوية بين وظيفة عمق المنطقة المثالية ووظيفة عمق المنطقة الفعلية ، بسبب عيوب المسبار أو الانحرافات ، ستؤثر بشكل غير متناسب على القياسات التي يتم إجراؤها باستخدام مجسات نصف قطرها أصغر بسبب الخطأ النسبي الأكبر. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من مقاومته الفائقة للتآكل ، قد يتآكل طلاء DLC في النهاية في البقع ، مما يؤدي إلى تآكل تفاضلي بين قلب السيليكون المكشوف وطلاء DLC المتبقي. لسوء الحظ ، قد تكون مقاومة التآكل لطلاء DLC محدودة أيضا بسبب التصاق الطلاء بطرف السيليكون بدلا من الصلابة الفعلية للطلاء وحده.

ماس
يعرف الماس بأنه أحد أصعب المواد وأكثرها مقاومة للتآكل على وجه الأرض. ومع ذلك ، فقد ثبت أنه لا يزال من الممكن حدوث تآكل كبير في أطراف الماس عند استخدام قوى كبيرة (60 ميكرونيوتن) في محاولة متعمدة لاستكشاف تآكل الطرف⁶². على العكس من ذلك ، في سيناريوهات المسافة البادئة النانوية العادية والتصوير حيث تكون القوى المبذولة على الطرف أقل بكثير ، لم تكن هناك دراسات صارمة لتآكل طرف الماس. ومع ذلك ، كما هو موضح في الشكل 8E ، F ، فإن نمذجة BTR لنفس طرف المسبار الماسي في ظل ظروف متطابقة على نفس عينة توصيف الطرف بفارق 6 أشهر ولدت نماذج شكل طرف لا يمكن تمييزها تقريبا (أي لا يوجد دليل واضح على التآكل). بين صور BTR الأولى والثانية ، تم استخدام المسبار لأداء الآلاف من المسافات البادئة النانوية وخضع لمئات الملايين من تفاعلات عينات الطرف أثناء تصوير مجموعة متنوعة من المواد الصلبة (E > 15 GPa) ، بما في ذلك الخشب (صنوبر loblolly) ، والصخر الزيتي ، والجرافيت الحراري عالي الطلب (HOPG) ، والعديد من أغشية الجرافين الرقيقة. بشكل ملحوظ ، تغير نصف قطر الطرف المقدر بمقدار ~ 1 نانومتر بين الصورتين في الشكل 8E ، F ، وهو ما يقع ضمن خطأ طريقة BTR⁶³. على الرغم من أن هذه المقارنة ليست دراسة كاملة ، إلا أنها توضح المتانة الممتازة لمسبار الماس في ظل ظروف المسافة البادئة النانوية التجريبية العادية (وحتى التصوير). تتمثل العيوب الرئيسية المرتبطة باستخدام أطراف الماس (بخلاف التكلفة الأولية الباهظة) في زيادة نصف قطر الطرف ، وفي بعض النواحي الأكثر إثارة للقلق ، نسبة العرض إلى الارتفاع المنخفضة لهندسة الزاوية المكعبة لمعظم أطراف الماس المتاحة تجاريا. يقدم الشكل 11A ، B صورا مقارنة جنبا إلى جنب ل AFM لنفس المنطقة من عينة Bakken الصخرية التي تم الحصول عليها باستخدام مسبار سيليكون حاد بنصف قطر طرف اسمي يبلغ 8 نانومتر ومتوسط نصف زاوية ~ 19 درجة مقابل مسبار طرف ماسي بنصف قطر طرف اسمي يبلغ 40 نانومتر ومتوسط زاوية جانبية تبلغ 47 درجة. عند مقارنة المناطق المكبرة (الشكل 11C ، D والشكل 11E ، F) ، من الواضح بسهولة أن مسبار طرف الماس غير قادر على حل وتتبع الميزات الأكثر انحدارا (نسبة العرض إلى الارتفاع الأعلى) داخل الصورة. بدلا من ذلك ، في حالة وجود ميزات شديدة الانحدار ، يتلامس الجدار الجانبي للطرف مع الحافة العلوية ويتتبع نظام AFM بشكل أساسي الجدار الجانبي للمسبار حتى تتلامس نهاية الطرف مع السطح مرة أخرى ويستأنف التتبع العادي.

ثابت الربيع / معامل مطابقة
كما ذكر أعلاه ، يجب مطابقة ثابت زنبرك الكابولي للمسبار مع النطاق المتوقع للوحدات المرنة المراد قياسها. للمساعدة في اختيار مسبار مناسب ، يعرض الجدول 3 ثوابت زنبركية ناتئة اسمية تقريبية مقترحة مناسبة لنطاقات واسعة مختارة من وحدات مرونة العينة المتوقعة التي تتراوح من عدد قليل من MPa إلى 100 GPa في حالة ~ 30-40 نانومتر أطراف مسبار نصف قطرها غالبا ما تستخدم للمسافة البادئة النانوية⁵². تتوفر مجسات ثابتة منخفضة الزنبرك (k < 0.1 نيوتن / م) حتى للمواد الأكثر ليونة (نطاق kPa) مثل الخلايا.

ثابت الربيع (N / m)	نطاق معامل العينة المتوقع
0.25	≤ 15 ميجا باسكال
5	5 – 500 ميجا باسكال
40	200 – 8,000 (0.2 – 8 جيجا باسكال)
200	1,000 – 50,000 (1 – 50 جيجا باسكال)
450	10,000 - 100,000 (10 - 100 جيجا باسكال)

الجدول 3: ثوابت زنبرك المسبار المثالية لقياس نطاقات المعامل المختلفة. ثوابت زنبركية اسمية تقريبية للقياس الأمثل لوحدات المرونة عبر نطاقات مختلفة من عدد قليل من MPa إلى 100 GPa ، بافتراض نصف قطر مسبار نموذجي ~ 30-40 نانومتر⁵².

بالإضافة إلى ثابت الزنبرك ، في الحالة الخاصة للمواد البيولوجية ، يجب مراعاة نصف قطر الطرف والقوى المطبقة أثناء التصوير والمسافة البادئة النانوية بعناية لتجنب التلف. في مثال التطبيق الذي يتضمن قياس الخواص الميكانيكية للطبقات الثنائية الدهنية المحتوية على الكوليسترول ، والتي تم تقديمها في قسم النتائج التمثيلية ، تم استخدام طرف حاد نسبيا (10 نانومتر) على وجه التحديد لتحليل قوة الاختراق في طبقات الدهون المزدوجة. في المقابل ، إذا كان عائد الاستثمار المادي كبيرا بما يكفي (على سبيل المثال ، كما هو الحال بالنسبة للخلايا ونوى الخلية) وكان هناك قلق بشأن احتمال حدوث ثقب ، فإن الأطراف نصف الكروية الأكبر حجما على نطاق ميكرون ، مثل تلك المستخدمة في قياسات الصلابة على نوى MSC الموصوفة في أحد أمثلة التطبيق في قسم النتائج التمثيلية مثالية وتوفر نتائج ممتازة للنعومة ، العينات الهشة مثل الخلايا الحية والنوى المعزولة. يقدم Kain et al. مناقشة متعمقة حول كيفية اختيار التركيبة المثلى لنصف قطر المسبار وثابت الزنبرك لتحقيق أعلى حساسية قياس ممكنة لمثل هذه العينات⁶⁴.

معايرة المسبار
حساسية الانحراف
ترتبط حساسية الانحراف بحركة Z-piezo (وبالتالي انحراف الكابولي عند المسافة البادئة على ركيزة صلبة بلا حدود ، بافتراض التشغيل في حدود الانحرافات الصغيرة) إلى تغيير محسوب في الجهد على PSD⁶⁵. يمكن الإبلاغ عن حساسية الانحراف (يشار إليها أحيانا باسم حساسية الذراع الضوئية العكسية [InvOLS]) في نانومتر / فولت أو فولت / نانومتر. فيما يلي نظرة عامة على طرق معايرة حساسية الانحراف الأكثر شيوعا.

ملامسة السطح الصلب
الطريقة الأسهل والأكثر شيوعا لتحديد حساسية الانحراف لنظام ليزر ارتداد الحزمة / مسبار AFM / PSD هي طريقة "ملامسة السطح الصلب"⁶⁵. إن بساطته وسهولة دمجه في سير عمل برنامج التحكم في AFM وطبيعته في الموقع كلها تضيف إلى جاذبية طريقة ملامسة السطح الصلب واستخدامها على نطاق واسع. لتنفيذ هذه الطريقة ، يتم تثبيت طرف مسبار AFM ضد مادة أكثر صلابة من الكابولي. ثم يعطي ميل الجزء الملامس لمنحنى إزاحة القوة (المعروض على شكل فولت لإشارة خطأ الانحراف الرأسي على PSD كدالة لحركة Z-piezo في نانومتر أو الجهد المطبق) حساسية الانحراف (الشكل 3 أ). يضمن استخدام الركيزة الصلبة أن كل الانحراف المقاس ينشأ من الانحناء الكابولي بدلا من التفاف تشوه العينة وإزاحة الكابولي. في حالة الكابوليات اللينة (على سبيل المثال ، k < 10 N / m) ، فإن السيليكون (E ≈ 170 GPa)²⁷ أو الميكا¹⁷ هي مواد يسهل الوصول إليها واستخدامها بسهولة (أو بدلا من ذلك الزجاج ، E≈ 70 GPa ، أو البلاستيك الصلب المناسب في حالة الخلايا التي يتم تجميدها على شريحة مجهرية أو طبق بتري) ، بينما بالنسبة للناتئات الأكثر صلابة ، مثل تلك المستخدمة في بعض تجارب المسافة البادئة النانوية (على سبيل المثال ، k > 200 N / m ؛ الجدول 3) ، قد يلزم استخدام الياقوت (E≈ 345 GPa) ^26,66 لضمان عدم حدوث تشوه في العينة. نظرا لأن هذه الطريقة تعتمد على قياس إزاحة القوة ، يجب أن يستخدم Z-piezo الخاص بالماسح الضوئي AFM مستشعر ارتفاع الحلقة المغلقة أو تتم معايرته جيدا (إذا كان يعمل في وضع الحلقة المفتوحة) باستخدام مجموعة متنوعة من معايير الارتفاع. أكبر مساهم في الخطأ في طريقة ملامسة السطح الصلب هو حركة بقعة الليزر على الكابولي بسبب التقلبات الحرارية. تحدث التغيرات في درجة حرارة الكابولي بشكل شائع بسبب ليزر الكشف ، على الرغم من أن تسخين الجول في الإلكترونيات المحيطة قد يساهم أيضا. تم الإبلاغ عن اختلافات في درجات الحرارة الإجمالية تبلغ 6 درجات مئوية بين الكابولي والهواء المحيط ، مما قد يؤدي إلى تحولات بقعة ليزر لعدة ميكرونات⁶⁷. لحساب أي تسخين ، ينصح بالانتظار لمدة ≥30 دقيقة بعد محاذاة بقعة الليزر الأولية للسماح للناتئ بالدخول في حالة توازن حراري مع محيطه للحصول على أفضل النتائج وأكثرها دقة. إن حساب متوسط منحدرات النهج ومنحنيات السحب لكل قياس حساسية سيأخذ في الاعتبار أي احتكاك في الطرف أو تأثيرات انزلاقية ويجب سنه إن أمكن⁶⁸. بالإضافة إلى ذلك ، سيساعد المتوسط عبر قياسات الحساسية المتعددة في قياس موثوقية القياس وقابليته للتكرار. يجب أن تؤدي قياسات الحساسية الجيدة إلى انحرافات بنسبة ≤1٪ وأن يتم إجراؤها بنفس الانحراف تقريبا مثل المسافات البادئة النانوية التجريبية المتوقعة لزيادة فعالية المعايرة⁶⁹. العيب الرئيسي لطريقة ملامسة السطح الصلب هو أن الاتصال الجسدي الضروري للمعايرة يمكن أن يتسبب في تلف أطراف السيليكون الهشة (على سبيل المثال ، تبلد أو إنشاء قطع أثرية مثل طرف مزدوج).

طريقة الضوضاء الحرارية
تتطلب طريقة الضوضاء الحرارية لتحديد حساسية الانحراف معايرة مسبقة لثابت الزنبرك الكابولي والقدرة على قياس طيف الضوضاء الحرارية للناتئ⁶⁷. غالبا ما يتم دمج طريقة الضوضاء الحرارية في برنامج التحكم في AFM الحديث ويمكن استخدامها جنبا إلى جنب مع طريقة Sader (انظر أدناه) للتحليل السريع وحساب كل من ثابت الزنبرك وحساسية الانحراف. ومع ذلك ، قد يكون من الصعب أو المستحيل استخدام طريقة الضوضاء الحرارية على ناتئات أكثر صلابة (k > 10 N / m) بسبب انخفاض سعة الاهتزاز. بالإضافة إلى ذلك ، فإن عدم اليقين النسبي المبلغ عنه لطريقة الضوضاء الحرارية أكبر بكثير ، ~ 20٪ مقارنة بطريقة ملامسة السطح الصلب الموضحة أعلاه⁷⁰. لا يمكن استخدام هذه التقنية إذا تم استخدام طريقة الضبط الحراري لتحديد ثابت الزنبرك الموصوف أدناه⁶⁷.

ثابت الربيع
المعيار الذهبي لقياس ثوابت الزنبرك الكابولي هو قياس اهتزاز دوبلر بالليزر (LDV) ، وهناك الآن العديد من المجسات المتاحة تجاريا والتي تأتي مع معلومات معايرة ثابتة للزنبرك مشتقة من LDV مقدمة من الشركة المصنعة لكل مسبار فردي (انظر جدول المواد). ومع ذلك ، في حين أن القياس الدقيق لثابت الزنبرك الكابولي هو ضرورة مطلقة للقياسات الميكانيكية النانوية الكمية ، فإن الطرق العملية للقيام بذلك في المختبر النموذجي للتحقيقات غير المعايرة متنوعة على نطاق واسع ويمكن أن تكون معقدة إلى حد ما. على هذا النحو ، يتم توفير نظرة عامة موجزة فقط على طريقتي المعايرة الثابتة الربيعية الأكثر شيوعا في الموقع هنا ، مع قائمة بالطرق الإضافية والاستشهادات الأدبية المناسبة للتشاور للحصول على مزيد من المعلومات.

طريقة الضبط الحراري
من المحتمل أن تكون الطريقة الأكثر شيوعا المتاحة في AFMs التجارية اليوم ، طريقة الضبط الحراري لتحديد ثوابت الزنبرك الكابولي مضمنة في برنامج التحكم للعديد من الأنظمة. على الرغم من أنها ليست مثالية للناتئات الأكثر صلابة (k > 10 N / m) بسبب انخفاض اكتشاف انحراف الكابولي وعرض النطاق الترددي المحدود للإلكترونيات ، فإن طريقة الضبط الحراري سهلة التنفيذ نسبيا وهي صالحة لمجموعة واسعة من الأشكال الهندسية^{للطرف 71}. تستخدم طريقة الضبط الحراري قياس وتركيب طيف الضوضاء الحرارية للناتئ ، متبوعا بتطبيق نظرية التقسيم المتساوي لحساب الطاقة الكامنة للناتئ ، مع تصميم الكابولي بشكل عام على أنه مذبذب توافقي بسيط⁷². تحتوي طريقة الضبط الحراري على خطأ ~ 5٪ -10٪ للتحقيقات اللينة وهي قابلة للتطبيق على أي شكل ناتئ^73,74. لمزيد من المعلومات التفصيلية، راجع المراجع المذكورة في هذا القسم.

طريقة الصدر
طريقة Sader هي طريقة أخرى غالبا ما يتم دمجها في برامج التحكم للعديد من AFMs^{الحديثة 75}،^76،77. تستخدم طريقة Sader الحمل الهيدروديناميكي الذي يتعرض له الكابولي أثناء اهتزازه في وسط سائل (عادة الهواء أو الماء) جنبا إلى جنب مع أبعاد عرض مخطط الكابولي وعامل الجودة لحساب ثابت الزنبرك الكابولي. تؤدي طريقة الصدر إلى خطأ ~ 10٪ -15٪ لثابت الزنبرك^{الكابولي 74}. يمكن أن توفر الأوراق المقابلة حول "الطريقة الأصلية"76،78 ، "الطريقة العامة"⁷⁹ ، وامتداد للطريقة العامة ^{77 ،} والوثائق الخاصة بالأداة مزيدا من التفاصيل.

طرق أخرى
هناك العديد من الطرق الأخرى التي تم تطويرها وتنفيذها لتحديد ثابت الزنبرك للناتئات AFM التي تقع خارج نطاق هذه الورقة. على الرغم من أن أيا من هذه الطرق ليست سهلة التنفيذ أو منتشرة مثل طرق معايرة الصدر أو الضبط الحراري ، إلا أن لكل منها مزايا وعيوب فريدة. توفر الأدبيات المذكورة تفاصيل تتعلق بتطبيقها وتنفيذها. على وجه الخصوص ، يوفر Sikora مراجعة ممتازة للعديد من طرق المعايرة الثابتة للزنبرك وهو مورد ممتاز حول الموضوع⁷². تتضمن قائمة غير شاملة للطرق الأخرى لتحديد ثوابت الزنبرك قياس اهتزاز دوبلر بالليزر (LDV) 73،74،⁸⁰ ، والأجهزة القائمة على الأنظمة الكهربائية الميكانيكية الدقيقة (MEMS)⁸¹ ، الكابولي المرجعي 82,83 ، الكتلة المضافة (كل من الديناميكية ⁷⁵ والثابتة ⁸⁴) ، توازن الدقة^85,86 ، التشغيل الكهرومغناطيسي ^{87 ،} وتحليل العناصر المحدودة (FEA) ^88,89.

نصف قطر الطرف
تشمل الطرق الشائعة لتحديد نصف قطر الطرف كلا من التصوير الثانوي SEM للإلكترون وطريقة إعادة بناء الطرف الأعمى (BTR).

تحليل التسويق عبر محرك البحث
يمكن أن يوفر التصوير الثانوي عبر محرك البحث الإلكتروني دقة تصل إلى 1 نانومتر ، مما يتيح مقارنة الصور التقدمية للتآكل بشكل مباشر وسهل. الجانب السلبي لتصوير SEM هو أنه نظرا لوجود أدوات AFM-SEM المدمجة التجريبية للغاية^{فقط 90} ، يجب عادة فك مسبار AFM ونقله إلى SEM لتحليله ، والذي يمكن أن يستغرق وقتا طويلا ويحتمل أن يعرض المسبار للتلوث. الجانب السلبي الآخر ل SEM هو أن الصورة الناتجة هي بطبيعتها إسقاط 2D للطرف ، مع عدم توفر معلومات 3D الكمية. يجب توخي الحذر لمحاذاة المسبار في نفس الاتجاه بالضبط في كل مرة حتى تكون النتائج المقارنة ذات مغزى ، حيث أن التغييرات الصغيرة في زاوية سقوط حزمة الإلكترون يمكن أن تغير الحجم والشكل الظاهرين لطرف المسبار. أخيرا ، يمكن أن يعاني تصوير SEM من تأثيرات الشحن وتلوث الكربون ، مما قد يؤدي إلى تشويش الصورة أو التسبب في تغييرات مادية في طرف المسبار ، على التوالي.

إعادة بناء الطرف الأعمى
على عكس SEM ، فإن طريقة BTR هي تقنية في الموقع يتم فيها تصميم هندسة طرف 3D بناء على تصوير عينة ذات العديد من الميزات الحادة (نسبة العرض إلى الارتفاع العالية) أصغر بكثير من نصف قطر المسبار. تعمل هذه الطريقة لأنه في AFM ، تكون الصورة المرصودة دائما عبارة عن التفاف لشكل طرف المسبار وشكل ميزة العينة ، لذلك من خلال نمذجة ميزات حادة للغاية على أنها حادة بلا حدود ، يمكن تقدير شكل الطرف. لسوء الحظ ، بالإضافة إلى افتراض وجود طفرات حادة بلا حدود (أي ميزات السطح أصغر بكثير من نصف قطر الطرف) ، يمكن أن تتأثر تقنية BTR بضوضاء التصوير ومعلمات المسح ، لذلك يجب الحصول على صور مقارنة باستخدام معلمات تصوير متشابهة جدا. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لاستخدام "صور" متعددة للطرف لإعادة بناء هندسته ، فإن الحساب العكسي المباشر لشكل الطرف أمر مستحيل. نظرا لطبيعتها ، فإن طريقة BTR قادرة عمليا فقط على إبلاغ المستخدم بالحد العلوي لشكل الطرف⁶³ ، وقد يؤدي تصوير المسبار لتنفيذ طريقة BTR إلى تآكل الطرف (على سبيل المثال ، تبلد أو تقطيع طرف المسبار).

المعايرة النسبية
في بعض الأحيان ، لا يمكن قياس خاصية مسبار معينة بسهولة وبدقة. على سبيل المثال ، من الصعب أو المستحيل قياس ثابت الزنبرك للناتئات الأكثر صلابة باستخدام طريقة الضبط الحراري بسبب قيود عرض النطاق الترددي والانحراف⁹¹. كما نوقش أعلاه ، توجد طرق أخرى لتحديد ثابت الزنبرك ، ولكن نظرا لأن طريقة الضبط الحراري مدمجة في العديد من AFMs الحديثة ، فغالبا ما يتم تنفيذها للاستخدام اليومي البسيط. وبالمثل ، يجب دائما معايرة حساسية الانحراف قبل التجريب لتحويل حركة الليزر على PSD إلى الانحراف المادي للناتئ للمسبار. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، فإن قياس نصف قطر الطرف هو خطوة المعايرة الأكثر استهلاكا للوقت ، والأكثر احتمالا لإتلاف طرف المسبار. إذا لم يكن من الممكن قياس نصف قطر الطرف مباشرة عبر SEM أو BTR ، فيمكن استخدام إجراء معايرة نسبي كبديل لتحديد نصف قطر الطرف الفعال ، بشرط توفر عينة مرجعية قياسية مع الحد الأدنى من خشونة السطح (مسطحة ذريا بشكل مثالي) ومعامل معروف قريب من المعامل التجريبي المتوقع متاح. ومن الأمثلة على هذه المعايير المرجعية المثالية للمعايرة النسبية الميكا^{المسكوفيت 17}،92،93،94،⁹⁵ و HOPG ^{96 ،} ولكنها تعمل أيضا على تسليط الضوء على صعوبة تحديد المعايير المرجعية المناسبة للعينات الأكثر ليونة مع وحدات في نطاق kPa إلى MPa. لإجراء معايرة نسبية ، يجب أولا معايرة حساسية الانحراف كما هو موضح في البروتوكول الرئيسي. ثانيا ، يجب إدخال ثابت الزنبرك الاسمي للمسبار (عادة ما يتم توفيره مع المسبار) أو قياسه عبر إحدى الطرق الموضحة أعلاه. الخطوة الثالثة هي المسافة البادئة على سطح العينة القياسي المرجعي للمعامل باستخدام المعلمات المناسبة. أخيرا ، يجب تحليل بيانات منحنى F-D التي تم جمعها وتعديل معلمة نصف قطر الطرف حتى يتطابق المعامل المخفض المقاس تجريبيا مع المعامل المخفض المتوقع. يجب ملاحظة متوسط عمق التشوه الذي تم تحقيقه في العينة المرجعية ، حيث يجب الحفاظ على هذا العمق عند المسافة البادئة على العينة التجريبية ذات الأهمية حتى تكون المعايرة ذات صلة. الآن ، يمكن أن تحدث المسافة البادئة على عينة الاهتمام ، وضبط معلمات المنحدر لتتناسب مع عمق التشوه الذي تم تحقيقه على المادة المرجعية القياسية للمعامل.

تتمثل إحدى مزايا طريقة المعايرة النسبية في أنها تتجنب الأخطاء المتراكمة المحتملة الناتجة عن المعايرة غير الدقيقة لحساسية الانحراف وثابت الزنبرك ونصف قطر الطرف⁵². بالإضافة إلى ذلك ، ربما يكون أسرع قليلا وأقل عرضة لإتلاف المسبار من طريقة BTR. أكبر عيوب طريقة المعايرة النسبية هي: 1) الحاجة إلى عينة مرجعية عالية الجودة مع خشونة سطح مقياس نانومتر إلى أنجستروم وخصائص ميكانيكية معروفة مماثلة لتلك الخاصة بالعينة ذات الأهمية والتي يمكن تحليلها بنفس المسبار مثل العينة التجريبية ، و 2) شرط تحقيق نفس عمق التشوه أو مشابه جدا على كل من العينات المرجعية والتجريبية حتى تكون المعايرة صالحة. وفقا لذلك ، يفضل قياس نصف قطر الطرف مباشرة إذا كان ذلك ممكنا.

تحليل البيانات
طريقة التحليل المستخدمة لتحديد الخواص الميكانيكية للعينة من منحنيات F-D المقاسة لا تقل أهمية عن جودة بيانات المسافة البادئة النانوية نفسها. هناك العديد من نظريات ميكانيكا الاتصال الشائعة التي تقوم بنمذجة علاقات إزاحة القوة بناء على افتراضات أساسية مختلفة (وبالتالي ، قابلة للتطبيق في سيناريوهات مختلفة). تشمل نماذج ميكانيكا الاتصال هذه Hertz⁹⁷ و Sneddon 28 و JKR (Johnson و Kendall و Roberts)⁹⁸ و DMT (Derjaguin و Muller و Toporov) ^35,99 و MD (Maugis-Dugdale) 100 و MYD (Muller و Yushchenko و Derjaguin) ^101,102. تم تقديم تحليل متعمق ومقارنة لنماذج ميكانيكا الاتصال المختلفة وتطبيقها للتحليل في مكان آخر²⁹،³⁰،103^،104. في حين أنه خارج نطاق هذه الورقة ، يقدم الجدول 4 لمحة موجزة عن بعض نماذج ميكانيكا الاتصال الأكثر شيوعا. وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى أن النماذج الأكثر تعقيدا مثل JKR و DMT وغيرها تتضمن تأثيرات التصاق عينة الطرف³⁰،³⁵،^98،99،100^{،101،102،103،104 ،} والتي يمكن أن تكون مهمة وغالبا ما يمكن التعرف عليها بسهولة من خلال ظهور انحراف سلبي في منحنى القوة (انظر الشكل 3). في الممارسة العملية ، يتم استخدام نموذج التحليل المختار لتناسب بيانات F-D التي تم جمعها وتحديد الخواص الميكانيكية ، مثل معامل المرونة. لملاءمة البيانات بشكل صحيح ، من الضروري وجود خط أساس مسطح لتحديد نقطة الاتصال الأولية أو نقطة اتصال فعالة تناسب جزء البيانات التجريبية مع أكبر ارتباط بالنموذج.

نظريه	انطباق	الافتراضات	القيود
هرتز	بسيط; كثيرا ما تستخدم للعينات في السوائل.	لا التصاق.	غير صالح للأنظمة التي تحتوي على قوى لاصقة موجودة.
ديرجاجين-مولر-توبوروف (DMT)	قاسية مع تشوهات صغيرة.	التصاق قصير المدى في منطقة التلامس بالإضافة إلى التصاق بعيد المدى خارج منطقة التلامس.	قد تتسبب الهندسة المقيدة في التقليل من شأن منطقة الاتصال.
جونسون كيندال روبرتس (JKR)	لينة مع تشوهات كبيرة.	قوى لاصقة قصيرة المدى في منطقة التلامس فقط.	يمكن التقليل من الحمل بسبب الالتصاق.
موجيس - دوغديل (دكتوراه في الطب)	يغطي هذا الحل العام النماذج اللاصقة الأخرى.	واجهة عينة تلميح على غرار الكراك.	حل تحليلي يتضمن معادلات بارامترية.

الجدول 4: نماذج ميكانيكا الاتصال الشائعة. نماذج ميكانيكا الاتصال الشائعة المختارة مع قابلية التطبيق والافتراضات والقيود المذكورة.

يتطلب التطبيق العملي للنماذج المذكورة أعلاه لتحليل منحنيات F-D استخدام برامج الكمبيوتر لتمكين معالجة الدفعات على نطاق واسع لآلاف أو ملايين المنحنيات في فترة زمنية قصيرة وإجراء تحليل إحصائي على النتائج. غالبا ما يتم استخدام التعليمات البرمجية المكتوبة داخليا في تحليل بيانات F-D ، كما توفر العديد من الشركات المصنعة ل AFM حزم البرامج. ومع ذلك ، نظرا لطبيعته مفتوحة المصدر وسهولة الاستخدام والمعلومات التكميلية التفصيلية ، يوصي المؤلفون باستخدام AtomicJ²³. يسمح البرنامج بتحليل بسيط ودقيق لبيانات F-D باستخدام أي من النظريات الموضحة أعلاه بالإضافة إلى العديد من النظريات الأخرى. نظرا لأن الكود مفتوح المصدر ، فمن السهل معالجته وتخصيصه لحالات استخدام محددة دون الحاجة إلى إنشاء كود معقد من البداية. ارجع إلى Hermanowicz et ^al.23 للحصول على معلومات متعمقة حول حزمة برامج AtomicJ.

في الختام ، من خلال المعايرة الدقيقة للمسبار ، يمكن تحديد منطقة التلامس والقوة المطبقة بواسطة طرف مسبار AFM على سطح العينة لتمكين تحديد الخواص الميكانيكية النانوية ، ولا سيما معامل المرونة. تم تقديم بروتوكول معمم يسلط الضوء على أفضل الممارسات لتنفيذ المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM بنجاح في الهواء أو السائل على كل من العينات اللينة والصلبة ، مع وحدات مرنة تتراوح من kPa إلى GPa ، مع أمثلة تمثيلية مقدمة. تمت مناقشة اعتبارات مهمة مثل اختيار المسبار (بما في ذلك خشونة سطح العينة ، وأحجام الميزات ، ونسبة العرض إلى الارتفاع للمسبار ، وتآكل الأطراف) ، ومعايرة المسبار ، وتحليل البيانات (بما في ذلك نماذج ميكانيكا الاتصال وإحصاءات القياس). وأخيرا، تم إثبات الموقع المشترك للخرائط النانوميكانيكية المشتقة من AFM مع تقنيات التوصيف الأخرى التي توفر معلومات تركيبية مثل SEM / EDS، بالإضافة إلى مثال على قياس خاصية ميكانيكية نانوية بخلاف معامل المرونة (أي قوة تمزق الطبقة الثنائية للدهون) عبر المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM لتقديم أمثلة على التطبيقات التآزرية الإضافية للتقنية. مجتمعة ، يجب أن توفر الأمثلة والمناقشة المقدمة هنا نقطة دخول للباحثين الذين يسعون إلى استخدام المسافة البادئة النانوية القائمة على الكابولي AFM لقياس الخواص الميكانيكية لأي نوع عينة تقريبا.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Atomic force microscope	Bruker	Dimension Icon	Uses Nanoscope control software, including PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM), FastForce Volume (FFV), and Point-and-Shoot Ramping experimental workspaces
AtomicJ	American Institute of Physics	https://doi.org/10.1063/1.4881683	Flexible, powerful, free open source Java-based force curve analysis software package. Supports numerous contact mechanic models, such as Hertz, Sneddon DMT, JKR, Maugis, and cone or pyramid (including blunt and truncated). Also includes a variety of initial contact point estimation methods to choose from. Supports batch processing of data and subsequent statistical analysis (e.g., averages, standard deviations, histograms, goodness of fit, etc.). Literature citation is: P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda, and H. Gabry, “AtomicJ: An open source software for analysis of force curves” Rev. Sci. Instrum. 85: 063703 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4881683
Buffer solution (PBS)	Fisher Chemical (NaCl), Sigma Aldrich (KCl), Fisher BioReagents (Na2HPO4 and KH2PO4)	S271 (>99% purity NaCl), P9541 (>99% purity KCl), BP332(>99% purity Na2HPO4), BP362 (>99% purity KH2PO4)	Phosphate buffered saline (PBS) was prepared in the laboratory as an aqueous solution consisting of 137 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, and 1.8 mM KH2PO4 dissolved in ultrapure water. Reagents were measured out using an analytical balance, and glassware was cleaned with soap and water followed by autoclaving immediately prior to use.
Chloroform
Diamond tip AFM probe	Bruker	PDNISP	Pre-mounted factory-calibrated cube corner diamond (E = 1140 GPa) tip AFM probe (nominal R = 40 nm) with a stainless steel cantilever (nominal k = 225 N/m, f0 = 50 kHz). Spring constant is measured at the factory (k = 256 N/m for the probe, Serial #13435414, used here) and calibration data (including AFM images of indents showing probe geometry) is provided with the probe.
Diamond ultramicrotome blade	Diatome	Ultra 35°	2.1 mm width. Also used a standard glass blade for intial rough cut of sample surface before transitioning to diamond blade for final surface preparation
Epoxy	Gorilla Glue	26853-31-6	Epoxy resin and hardner were mixed in a 1:1 ratio, a small drop was placed on a stainless steel sample puck (Ted Pella), and V1 grade muscovite mica (Ted Pella) was attached to create an atomically flat surface for preparation of phospholipid membranes.
Ethanol
LR white resin, medium grade (catalyzed)	Electron Microscopy Sciences	14381	500 mL bottle, Lot #150629
Mesenchymal stem cells (MSCs)	N/A	N/A	MSCs for nanomechanical studies were primary cells harvested from 8-10 week old male C57BL/6 mice as described in Goelzer, M. et al. "Lamin A/C Is Dispensable to Mechanical Repression of Adipogenesis" Int J Mol Sci 22: 6580 (2021) doi:10.3390/ijms22126580 and Peister, A. et al. "Adult stem cells from bone marrow (MSCs) isolated from different strains of inbred mice vary in surface epitopes, rates of proliferation, and differentiation potential" Blood 103: 1662-1668 (2004), doi:10.1182/blood-2003-09-3070.
Modulus standards	Bruker	PFQNM-SMPKIT-12M	Used HOPG (E = 18 GPa) and PS (E = 2.7 GPa). Also contains 2x PDMS (Tack 0, E = 2.5 MPa; Tack 4, E = 3.5 MPa), PS-LDPE (E = 2.0/0.2 GPa), fused silica (E = 72.9 GPa), sapphire (E - 345 GPa), and tip characterization (titanium roughness) sample. All samples come pre-mounted on a 12 mm diameter steel disc (sample puck).
Muscovite mica	Ted Pella	50-12	12 mm diameter, V1 grade muscovite mica
Nanscope Analysis	Bruker	Version 2.0	Free AFM image processing and analysis software package, but designed for, and proprietary/limited to Bruker AFMs; similar functionality is available from free, platform-independent AFM image processing and analysis software packages such as Gwyddion, WSxM, and others. Has built-in capabilities for force curve analysis, but AtomicJ is more flexible/full featured (e.g., more built-in contact mechanics models to choose from, statistical analysis of force curve fitting results, etc.) for force curve analysis and handles batch processing of force curves.
Phospholipids: POPC, Cholesterol (ovine)	Avanti Polar Lipids	POPC: CAS # 26853-31-6, Cholesterol: CAS # 57-88-5	POPC lipid dissolved in chloroform (25 mg/mL) was obtained from vendor and used without further purification. Cholesterol powder from the same vendor was dissolved in chloroform (20 mg/mL).
Probe holder (fluid, lipid bilayers)	Bruker	MTFML-V2	Specific to the particular AFM used; MTFML-V2 is a glass probe holder for scanning in fluid on a MultiMode AFM.
Probe holder (fluid, MSCs)	Bruker	FastScan Bio Z-scanner	Used with Dimension FastScan head (XY flexure scanners). Serial number MXYPOM5-1B154.
Probe holder (standard, ambient)	Bruker	DAFMCH	Specific to the particular AFM used; DAFMCH is the standard contact and tapping mode probe holder for the Dimension Icon AFM, suitable for nanoindentation (PF-QNM, FFV, and point-and-shoot ramping)
Sample Puck	Ted Pella	16218	Product number is for 15 mm diameter stainless steel sample puck. Also available in 6 mm, 10 mm, 12 mm, and 20 mm diameters at https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
Sapphire substrate	Bruker	PFQNM-SMPKIT-12M	Extremely hard surface (E = 345 GPa) for measuring deflection sensitivity of probes (want all of the deflection to come from the probe, not the substrate). Part of the PF-QNM/modulus standards kit.
Scanning electron microscope	Hitachi	S-3400N-II	Located at Boise State. Used to perform co-localized SEM/EDS on all samples except additively manufactured (AM) Ti-6Al-4V.
Silicon AFM probes (standard)	NuNano	Scout 350	Standard tapping mode silicon probe with reflective aluminum backside coating; k = 42 N/m (nominal), f0 = 350 kHz. Nominal R = 5 nm. Also available uncoated or with reflective gold backside coating. Probes with similar specifications are available from other manufacturers (e.g., Bruker TESPA-V2).
Silicon AFM probes (stiff)	Bruker	RTESPA-525, RTESPA-525-30	Rotated tip etched silicon probes with reflective aluminum backside coating; k = 200 N/m (nominal), f0 = 525 kHz. Nominal R = 8 nm for RTESPA-525, R = 30 nm for RTESPA-525-30. Spring constant of each RTESPA-525-30 is measured individually at the factory via laser Doppler vibrometry and supplied with the probe.
Silicon carbide grit paper (abrasive discs)	Allied	50-10005	120 grit
Silicon nitride AFM probes (soft, large radius hemispherical tip)	Bruker	MLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DC	Also MLCT-SPH-1UM-DC. New product line of factory-calibrated (probe radius and spring constants of all cantilevers) large radius (R = 1 or 5 mm) hemispherical tip (at the end of a 23 mm long cylindrical shaft) probes. DC = drift compensation coating. 6 cantilevers/probe (A-F). Nominal spring constants: A, k = 0.07 N/m; B, k = 0.02 N/m; C, k = 0.01 N/m; D, k = 0.03 N/m; E, k = 0.1 N/m; F, k = 0.6 N/m.
Silicon nitride AFM probes (soft, medium sharp tip)	Bruker	DNP	4 cantilevers/probe (A-d). Nominal spring constants: A, k = 0.35 N/m; B, k = 0.12 N/m; C, k = 0.24 N/m; D, k = 0.06 N/m. Nominal radii of curvature, R = 10 nm.
Silicon nitride AFM probes (soft, sharp tip)	Bruker	ScanAsyst-Air	Nominal values: resonance frequency, f0 = 70 kHz; spring constant, k = 0.4 N/m; radius of curvature, R = 2 nm. Designed for force curve based AFM imaging.
Superglue	Henkel	Loctite 495	Cyanoacrylate based instant adhesive. Lots of roughly equivalent products are readily available.
Syringe pump	New Era Pump Systems	NE1000US	One channel syringe pump system with infusion and withdrawal capacity
Tip characterization standard	Bruker	PFQNM-SMPKIT-12M	Titanium (Ti) roughness standard. Part of the PF-QNM/modulus standards kit.
Ultrahigh purity nitrogen (UHP N2), 99.999%	Norco	SPG TUHPNI - T	T size compressed gas cylinder of ultrahigh purity (99.999%) nitrogen for drying samples
Ultramicrotome	Leica	EM UC6	Equipped with a glass blade (standard, for intial sample preparation) and a diamond blade (for final preparation)
Ultrapure water	Thermo Fisher	Barnstead Nanopure Model 7146	Model has been discontinued, but equivalent products are available. Produces ≥18.2 MΩ*cm ultrapure water with 1-5 ppb TOC (total organic content), per inline UV monitoring. Includes 0.2 µm particulate filter, ion exchange columns, and UV oxidation chamber.
Variable Speed Grinder	Buehler	EcoMet 3000	Used with silicon carbide grit papers during hand polishing.
Vibration isolation table (active)	Herzan	TS-140	Used with Bruker MultiMode AFM. Sits on a TMC 65-531 vibration isolation table. Bruker Dimension Icon AFM utilizes strictly passive vibration isolation (comes from manufacturer with custom acoustic hood, air table, and granite slab).
Vibration isolation table (passive)	TMC	65-531	35" x 30" vibration isolation table with optional air damping (disabled). Used with Bruker MultiMode AFM. Herzan TS-140 "Table Stable" active vibration control table is located on top.