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.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
القوة الذرية المجهرية المسافة البادئة القائمة على الكابولي: قياسات الخواص الميكانيكية على المستوى النانوي في الهواء والسوائل
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
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.
المقدمة
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 ال....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
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 ....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
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.......
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
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 ، الطبق.......
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للكشف عنه.
شكر وتقدير
تم إجراء جميع تجارب AFM في مختبر علوم السطح بجامعة ولاية بويز (SSL). تم إجراء توصيف SEM في مركز ولاية بويز لتوصيف المواد (BSCMC). تم دعم الأبحاث الواردة في هذا المنشور فيما يتعلق بالمواد الأولية للوقود الحيوي جزئيا من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ، ومكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة ، ومكتب تقنيات الطاقة الحيوية كجزء من اتحاد واجهة تحويل المواد الخام (FCIC) ، وبموجب عقد مكتب عمليات وزارة الطاقة في أيداهو DE-AC07-051ID14517. تم دعم دراسات ميكانيكا الخلية من قبل المعاهد الوطنية للصحة (الولايات المتحدة الأمريكية) بموجب منح AG059923 و AR075803 و P20GM109095 ، ومن قبل مؤسسة العلوم الوطنية (الولايات المتحدة الأمريكية) منح 1929188 و 2025505. تم دعم عمل أنظمة الطبقة الثنائية ا....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
يستخدم
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| مجهر القوة | الذرية Bruker | Dimension Icon | برنامج التحكم في المنظار النانوي ، بما في ذلك رسم الخرائط النانوية الميكانيكية الكمية PeakForce (PF-QNM) ، وحجم القوة السريعة (FFV) ، ومساحات العمل التجريبية Point-and-Shoot |
| Ramping AtomicJ | المعهد الأمريكي للفيزياء | https://doi.org/10.1063/1.4881683 | حزمة برمجيات تحليل منحنى القوة المرنة والقوية والمجانية مفتوحة المصدر المستندة إلى Java. يدعم العديد من نماذج ميكانيكي الاتصال ، مثل Hertz و Sneddon DMT و JKR و Maugis والمخروط أو الهرم (بما في ذلك الحاد والمقطوع). يتضمن أيضا مجموعة متنوعة من طرق تقدير نقطة الاتصال الأولية للاختيار من بينها. يدعم المعالجة المجمعة للبيانات والتحليل الإحصائي اللاحق (على سبيل المثال ، المتوسطات ، والانحرافات المعيارية ، والرسوم البيانية ، وجودة الملاءمة ، وما إلى ذلك). الاقتباس من الأدب هو: P. Hermanowicz و M. Sarna و K. Burda و H. Gabry , “ AtomicJ: برنامج مفتوح المصدر لتحليل منحنيات القوة" Rev. Sci. Instrum.< / em> 85< / strong>: 063703 (2014) ، https://doi.org/10.1063/1.4881683 |
| محلول عازلة (PBS) فيشر | كيميكال (NaCl) ، سيجما ألدريتش (KCl) ، فيشر بيولوجيا (Na 2< / sub>HPO4< / sub> و KH2< / sub>PO4< / sub>) | S271 (نقاء >99٪ كلوريد الصوديوم) ، P9541 (نقاء >99٪ KCl) ، BP332 (>99٪ نقاء Na2< / sub>HPO4< / sub>) ، BP362 (>99٪ نقاء KH2< / sub>PO4< / sub> | تحضير محلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS) في المختبر كمحلول مائي يتكون من 137 ملي مولار كلوريد الصوديوم ، 2.7 ملي مولار KCl ، 10 ملي مولار Na 2< / sub>HPO4< / sub> ، و 1.8 ملي مولار KH2< / sub>PO4< / sub> مذابة في ماء فائق النقاء. تم قياس الكواشف باستخدام ميزان تحليلي ، وتم تنظيف الأواني الزجاجية بالماء والصابون متبوعا بالتعقيم قبل الاستخدام مباشرة. |
| طرف الماس الكلوروفورم | |||
| AFM | Bruker | PDNISP | مكعب الزاوية المعايرة مسبقا في المصنع (E< / em> = 1140 GPa) مسبار طرف AFM (الاسمي R< / em> = 40 نانومتر) مع ناتئ من الفولاذ المقاوم للصدأ (الاسمي k< / em> = 225 نيوتن / م ، f0< / sub>< / em> = 50 كيلو هرتز). يتم قياس ثابت الزنبرك في المصنع (k< / em> = 256 نيوتن / م للمسبار ، المسلسل # 13435414 ، المستخدم هنا) ويتم توفير بيانات المعايرة (بما في ذلك صور AFM للمسافات البادئة التي تظهر هندسة المسبار) مع المسبار. |
| شفرة الماس ultramicrotome | Diatome | Ultra 35 درجة ؛ | عرض 2.1 مم. تستخدم أيضا شفرة زجاجية قياسية للقطع الخشن الأولي لسطح العينة قبل الانتقال إلى شفرة الماس لإعداد السطح النهائي |
| غراء الإيبوكسي | غوريلا 26853-31-6 | تم خلط راتنجات الايبوكسي وهاردنر بنسبة 1: 1 ، وتم وضع قطرة صغيرة على عفريت عينة من الفولاذ المقاوم للصدأ (تيد بيلا) ، وتم إرفاق ميكا موسكوفيت من الدرجة V1 (تيد بيلا) لإنشاء سطح مستو ذريا لإعداد أغشية الفوسفوليبيد. | |
| الإيثانول | |||
| LR الراتنج الأبيض ، درجة متوسطة (محفز) | علوم المجهر الإلكتروني | 14381 | زجاجة 500 مل ، الكثير # 150629 |
| الخلايا الجذعية الوسيطة (MSCs) | N / A | N / A | كانت الخلايا الجذعية الوسيطة للدراسات الميكانيكية النانوية عبارة عن خلايا أولية تم حصادها من ذكور C57BL / 6 بعمر 8-10 أسابيع كما هو موضح في Goelzer ، M. et al. "Lamin A / C يمكن الاستغناء عن القمع الميكانيكي لتكوين الشحم" Int J Mol Sci< / em> 22< / strong>: 6580 (2021) doi: 10.3390 / ijms22126580 و Peister، A. et al. "تختلف الخلايا الجذعية البالغة من نخاع العظام (MSCs) المعزولة من سلالات مختلفة من الفئران الفطرية في الحائمات السطحية ومعدلات الانتشار وإمكانية التمايز" الدم < / em>103< / قوي>: 1662-1668 (2004) ، دوي: 10.1182 / الدم - 2003-09-3070. |
| معايير معامل | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | تستخدم HOPG (E< / em> = 18 GPa) و PS (E< / em> = 2.7 GPa). يحتوي أيضا على 2x PDMS (Tack 0 ، < م > E< / em> = 2.5 ميجا باسكال ؛ Tack 4 ، E< / em> = 3.5 ميجا باسكال) ، PS-LDPE (E< / em> = 2.0 / 0.2 GPa) ، السيليكا المنصهرة (E< / em> = 72.9 GPa) ، الياقوت (E< / em> - 345 GPa) ، وتوصيف الطرف (خشونة التيتانيوم) عينة. تأتي جميع العينات مثبتة مسبقا على قرص فولاذي قطره 12 مم (عفريت العينة). |
| ميكا موسكوفيت | تيد بيلا | 50-12 | قطر 12 مم ، V1 الصف المسكوفيت الميكا |
| تحليل نانسكوب | بروكر | الإصدار 2.0 | حزمة برامج معالجة وتحليل الصور AFM المجانية ، ولكنها مصممة من أجل Bruker AFMs وملكيتها / مقتصرة ؛ تتوفر وظائف مماثلة من حزم برامج معالجة وتحليل الصور AFM المجانية والمستقلة عن النظام الأساسي مثل Gwyddion و WSxM وغيرها. لديه قدرات مدمجة لتحليل منحنى القوة ، لكن AtomicJ أكثر مرونة / كاملة الميزات (على سبيل المثال ، المزيد من نماذج ميكانيكا الاتصال المضمنة للاختيار من بينها ، والتحليل الإحصائي لنتائج تركيب منحنى القوة ، وما إلى ذلك) لتحليل منحنى القوة ويتعامل مع المعالجة المجمعة لمنحنيات القوة. |
| الدهون الفوسفورية: POPC ، الكوليسترول (الأغم) | Avanti Polar Lipids | POPC: CAS # 26853-31-6 ، الكوليسترول: CAS # 57-88-5 | تم الحصول على دهون POPC المذابة في الكلوروفورم (25 مجم / مل) من البائع واستخدامها دون مزيد من التنقية. تم إذابة مسحوق الكوليسترول من نفس البائع في الكلوروفورم (20 مجم / مل). |
| حامل المسبار (الطبقات الثنائية السائلة والدهونية) | Bruker | MTFML-V2 | خاص ب AFM المعين المستخدم ؛ MTFML-V2 هو حامل مسبار زجاجي للمسح الضوئي في السائل على MultiMode AFM. |
| حامل المسبار (سائل ، MSCs) | الماسح الضوئي Bruker FastScan Bio Z | المستخدم مع رأس Dimension FastScan (ماسحات ضوئية XY flexure). الرقم التسلسلي MXYPOM5-1B154. | |
| حامل المسبار (قياسي ، محيط) | Bruker | DAFMCH | خاص ب AFM المعين المستخدم ؛ DAFMCH هو حامل مسبار وضع الاتصال والتنصت القياسي ل Dimension Icon AFM ، وهو مناسب للمسافة البادئة النانوية (PF-QNM ، FFV ، وتصاعد التوجيه والتصوير) |
| عينة Puck | Ted Pella | 16218 | رقم المنتج هو لعفريت عينة من الفولاذ المقاوم للصدأ بقطر 15 مم. متوفر أيضا بأقطار 6 مم و 10 مم و 12 مم و 20 مم في https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 |
| ركيزة الياقوت | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | سطح صلب للغاية (E< / em> = 345 GPa) لقياس حساسية انحراف المجسات (تريد أن يأتي كل الانحراف من المسبار ، وليس الركيزة). جزء من مجموعة معايير PF-QNM/المعامل. |
| مجهر إلكتروني ماسح | هيتاشي | S-3400N-II | يقع في ولاية بويز. تستخدم لأداء SEM / EDS الموضعية المشتركة على جميع العينات باستثناء Ti-6Al-4V المصنعة بشكل إضافي (AM) Ti-6Al-4V. |
| مجسات السيليكون AFM (قياسي) | NuNano | Scout 350 | مسبار السيليكون القياسي وضع التنصت مع طلاء مؤخر من الألومنيوم العاكس ؛ k< em> = 42 نيوتن / م (اسمي) ، f 0< / sub>< / em> = 350 كيلو هرتز. الاسمية R< / em> = 5 نانومتر. متوفر أيضا غير مطلي أو مع طلاء مؤخر ذهبي عاكس. تتوفر مجسات ذات مواصفات مماثلة من الشركات المصنعة الأخرى (على سبيل المثال ، Bruker TESPA-V2). |
| مجسات السيليكون AFM (صلبة) | Bruker | RTESPA-525, RTESPA-525-30 | مجسات السيليكون المحفورة ذات الطرف المستدير مع طلاء مؤخر من الألومنيوم العاكس ؛ k< / em> = 200 نيوتن / م (اسمي) ، f0< / sub> < / em> = 525 كيلو هرتز. الاسمية R< / em> = 8 نانومتر ل RTESPA-525 ، R< / em> = 30 نانومتر ل RTESPA-525-30. يتم قياس ثابت الزنبرك لكل RTESPA-525-30 بشكل فردي في المصنع عن طريق قياس اهتزاز دوبلر بالليزر وتزويده بالمسبار. |
| ورق حبيبات كربيد السيليكون (أقراص كاشطة) | مجسات AFM | المتحالفة 50-10005 | 120 حصى |
| (طرف نصف كروي ناعم وكبير نصف القطر) | Bruker | MLCT-SPH-5UM ، MLCT-SPH-5UM-DC | أيضا MLCT-SPH-1UM-DC. خط إنتاج جديد من مجسات نصف قطر كبيرة (نصف قطر المسبار وثوابت الزنبرك لجميع الكاتيليفرز) نصف قطر كبير (R< / em> = 1 أو 5 مم) طرف نصف كروي (في نهاية عمود أسطواني بطول 23 مم). DC = طلاء تعويض الانجراف. 6 ناتئ / مسبار (A-F). ثوابت الربيع الاسمية: A ، k< / em> = 0.07 نيوتن / م ؛ ب ، < م > ك < م > = 0.02 نيوتن / م ؛ C ، < م > ك < م > = 0.01 نيوتن / م ؛ D ، k< / em> = 0.03 نيوتن / م ؛ E, k = 0.1 N/m; F ، <م > ك < م > = 0.6 نيوتن / م. |
| مجسات نيتريد السيليكون AFM (طرف ناعم ومتوسط الحاد) | Bruker | DNP | 4 ناتئ / مسبار (A-d). ثوابت الربيع الاسمية: A ، k< em> = 0.35 نيوتن / م ؛ ب ، < م > ك < / م > = 0.12 نيوتن / م ؛ C ، k< / em> = 0.24 N / m ؛ د ، <م > ك < م > = 0.06 نيوتن / م. أنصاف أقطار الانحناء الاسمية ، R< / em> = 10 نانومتر. |
| مجسات AFM نيتريد السيليكون (طرف ناعم وحاد) | Bruker | ScanAsyst-Air | القيم الاسمية: تردد الرنين ، f0< / sub> < / em> = 70 كيلو هرتز ؛ ثابت الربيع ، k< / em> = 0.4 نيوتن / م ؛ نصف قطر الانحناء ، R< / em> = 2 نانومتر. مصممة لتصوير AFM المستند إلى منحنى القوة. |
| Superglue | Henkel | Loctite 495 | مادة لاصقة فورية قائمة على Cyanoacrylate. تتوفر الكثير من المنتجات المكافئة تقريبا بسهولة. |
| مضخة الحقنة | أنظمة مضخات العصر الجديد | NE1000US | نظام مضخة حقنة أحادية القناة مع قدرة التسريب والسحب |
| معيار توصيف الطرف | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | معيار خشونة التيتانيوم (Ti). جزء من مجموعة معايير PF-QNM/المعامل. |
| نيتروجين فائق النقاء (UHP N2< / sub>) ، 99.999٪ | Norco | SPG TUHPNI - T | أسطوانة غاز مضغوط ذات نقاء فائق (99.999٪) نيتروجين لتجفيف العينات |
| Ultramicrotome | Leica | EM UC6 | مجهزة بشفرة زجاجية (قياسية ، لتحضير العينة الأولية) وشفرة ماسية (للتحضير النهائي) |
| ماء فائق النقاء | Thermo Fisher | Barnstead Nanopure موديل 7146 | تم إيقاف النموذج ، ولكن تتوفر منتجات مكافئة. ينتج ≥ 18.2 M & Omega ؛ * سم ماء فائق النقاء مع 1-5 جزء في البليون TOC (إجمالي المحتوى العضوي) ، لكل مراقبة مضمنة للأشعة فوق البنفسجية. يتضمن 0.2 وميكرو ؛ مرشح الجسيمات M ، أعمدة التبادل الأيوني ، وغرفة أكسدة الأشعة فوق البنفسجية. |
| مطحنة متغيرة السرعة | Buehler | EcoMet 3000 | تستخدم مع أوراق حبيبات كربيد السيليكون أثناء التلميع اليدوي. |
| طاولة عزل الاهتزاز (نشطة) | Herzan | TS-140 | تستخدم مع Bruker MultiMode AFM. يجلس على طاولة عزل الاهتزاز TMC 65-531. يستخدم Bruker Dimension Icon AFM عزل الاهتزاز السلبي تماما (يأتي من الشركة المصنعة مع غطاء صوتي مخصص وطاولة هواء وبلاطة من الجرانيت). |
| طاولة عزل الاهتزاز (السلبية) | TMC | 65-531 | 35 "× 30" طاولة عزل الاهتزاز مع تخميد هواء اختياري (معطل). تستخدم مع Bruker MultiMode AFM. يقع جدول التحكم في الاهتزاز النشط Herzan TS-140 "Table Stable" في الأعلى. |
المراجع
- Hart, E. W. Theory of the tensile test. Acta Metallurgica. 15 (2), 351-355 (1967).
- Fell, J. T., Newton, J. M. Determination of tablet strength by the diametral-compression test. Journal of Pharmaceutical Sciences. 59 (5), 688-691 (1970).
- Babiak, M., Gaff, M.,....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
