نانومتر الفرعي التصوير القرار مع السعة التشكيل الذرية المجهري القوة في السائل

الهدف العام من هذا الإجراء هو تحقيق أعلى دقة تصوير ممكنة في السوائل، باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) تجاري يعمل بنمط تعديل السعة، والمعروف أيضاً بنمط النقر (tapping mode). وتساعد هذه الطريقة في دفع حدود التشغيل القياسي لمجهر القوة الذرية في السوائل، وذلك من خلال استخدام أفضل مجموعة من المعلمات لتحقيق دقة عالية. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في إمكانية استخدامها مع معظم أجهزة AFM التجارية، وبالتالي فهي لا تتطلب أي معدات تخصصية.

تستهدف الطريقة المقدمة هنا العلماء والفنيين الذين لديهم بالفعل بعض المعرفة الأساسية بمجهر القوة الذرية (AFM)، ولكنهم يرغبون في تحقيق استفادة أكبر من هذه التقنية. ولا تقتصر هذه الطريقة على نوع معين من العينات، بل يمكن تطبيقها على نطاق واسع على عينات من مجالات الفيزياء والأحياء والكيمياء والمواد والعلوم الخدمية. وبشكل عام، قد يواجه المبتدئون في هذه التقنية بعض الصعوبات، لأنها تتطلب قدراً من الصبر للعثور على أفضل المعايير المناسبة لعينة معينة.

قم بإجراء تنظيف بالموجات فوق الصوتية في حمام مائي للأدوات والقرص الحامل للركيزة باستخدام الماء فائق النقاء، يليه الإيزوبروبانول، ثم الماء فائق النقاء مرة أخرى، لمدة 10 دقائق لكل عملية. فعند السعي لتحقيق دقة عالية، يمكن أن تؤدي أي ملوثات إلى عواقب وخيمة.

ارتدِ القفازات في جميع الأوقات، وتأكد من تنظيف جميع الأسطح أو الأدوات التي تلامس العينة، أو العارضة، أو خلية مجهر القوة الذرية (AFM) تنظيفاً تاماً. بعد عملية التنظيف بالموجات فوق الصوتية، جفف كل أداة من الأدوات وقرص العينة تحت تدفق من النيتروجين. استخدم قرصاً فولاذياً كدعامة للميكا، لتصوير أيونات معدنية مفردة ممتزة.

قم بتنظيف الأسطح التي لا يمكن تنظيفها بواسطة جهاز التنظيف بالموجات فوق الصوتية ماديًا عن طريق مسحها بمناديل ذات وبر منخفض وأحادية الطبقة مبللة بالماء فائق النقاء، ثم بالإيزوبروبانول، ثم بالماء فائق النقاء على التوالي. اترك السطح ليجف في الهواء لمدة تصل إلى 30 دقيقة. بعد ذلك، قم بتحضير كمية صغيرة من غراء الإيبوكسي عن طريق خلط الكواشف جيدًا، ثم ضع حوالي 10 µL من الإيبوكسي على قرص عينة الفولاذ النظيف.

ضع ركيزة الميكا فوق الإيبوكسي، وثبتها على القرص الفولاذي عن طريق الضغط على الركيزة. اترك الإيبوكسي يتصلب لعدة ساعات في درجة حرارة مرتفعة وفقاً لمواصفات الشركة المصنعة. بعد ذلك، اضغط بقوة على قطعة من الشريط اللاصق بعرض 2.5 centimeter فوق الركيزة، بحيث يتم تغطية السطح بالكامل، ثم انزع الطبقة العلوية بسلاسة.

كرر هذه العملية مرتين إلى ثلاث مرات حتى يصبح الميكا ناعماً كالمرآة بالعين المجردة. اغمر شريحة الكابول في حمام من isopropanol ثم في ماء فائق النقاء لمدة 60 دقيقة لكل منهما. بعد ذلك، عرض الطرف للأشعة فوق البنفسجية UV لمدة تصل إلى خمس دقائق لتعزيز تكوين مواقع إماهة مستقرة.

يمكن أن تؤدي أوقات التعريض المفرط الطويلة إلى تلف السن، أو زيادة نصف قطر انحنائه. أدخل العارضة في حامل عارضة الـ AFM، وباستخدام الماصة، ضع 25 µL من سائل التصوير على العارضة والسن لترطيب السطح مسبقاً. سيقلل هذا من ظهور فقاعات الهواء عند الاقتراب من العينة.

قم بصهر قرص العينة والركيزة على منصة العينة وأضف قطرة من سائل التصوير إلى العينة. ثم قم بتوصيل حامل الكابول بـ AFM. قرّب الكابول والعينة من بعضهما البعض بحيث يتكون جسر شعري بين السوائل الموجودة على طرف الكابول وتلك الموجودة على العينة.

استخدم برنامج AFM لمحاذاة ليزر القياس بحيث يكون قريباً من طرف ذراع الكابول (cantilever). بعد ذلك، حدد تردد الرنين لذراع الكابول من خلال القمة الرئيسية في طيفه الحراري. إذا كان انحراف ذراع الكابول مُعايرًا، فإن مطابقة قمة الرنين مع نموذج المذبذب التوافقي البسيط يتيح استخراج ثابت الزنبرك لذراع الكابول.

بعد ذلك، قم بضبط العتلة من خلال إيجاد استجابة السعة الخاصة بها عند تحفيزها خارجيًا عبر نطاق من الترددات القريبة من تردد الرنين الذي تم تحديده في الطيف الحراري. اضبط سعة التحفيز بحيث تكون سعة التذبذب الحر تكون في حدود 5 nanometers تقريبًا. وهذا يتوافق عادةً مع 0.2-0.8 volts في معظم أجهزة AFM.

بعد ذلك، اضبط نقطة ضبط السعة لتكون حوالي 80% من السعة الحرة. ثم، اضبط مكاسب التغذية الراجعة لتكون مرتفعة نسبيًا. وبعد التأكد من عدم حدوث أي عدم استقرار أو رنين، اضبط معدل المسح الأولي على حوالي 1 هرتز، وحجم المسح على 10 نانومتر.

ابدأ تقريب السن من السطح باستخدام برنامج التحكم في AFM. قم بتقييم ما إذا كان السن قد وصل إلى السطح دون البدء في التصوير عن طريق تغيير قيمة نقطة الضبط (set point) بشكل طفيف. إذا كان السن عند السطح، فإن التأثير على تمدد منطقة ZPA يجب أن يكون ضئيلاً.

بمجرد وصول السن إلى السطح، اسحب منطقة ZPA وأعد ضبط الكانتيليفر. من المرجح أن يكون تردد الرنين قد انزاح إلى قيمة أقل بسبب التفاعلات بين السن والعينة. الآن، غيّر نقطة الضبط إلى حوالي 80% من السعة الحرة التي تم ضبطها حديثاً، وقم بتشغيل الكانتيليفر لإجراء مسح للسطح بمساحة 10 × 10 نانومتر مربع في وضع تعديل السعة للتحقق من ملاءمة معلمات التصوير.

تحقق من تطابق ملفات تتبع المسار وإعادة التتبع فوق بعضها البعض. إذا لم يحدث ذلك، فقم بخفض نقطة الضبط (set point) بشكل أكبر، وجرب زيادة قيم الكسب (gains). وإذا أصبحت الصورة مشوشة، فقم بخفض قيم الكسب.

كرر العملية على منطقة واسعة من العينة تتراوح مساحتها من 1 إلى 5 ميكرومتر مربع، إذا كان ذلك ممكناً. وفي حالة العينات اللينة أو البيولوجية، قد يؤدي ذلك إلى تلوث السن. قم بتقليل حجم المسح إلى قيمة مناسبة لتصوير المعالم المراد دراستها.

يمكن أن تكون هذه القيمة منخفضة لتصل إلى 20 في 20 نانومتر. بعد ذلك، قم بتقليل سعة تشغيل الكابول (cantilever) بما يكفي لكي تقوم حلقة التغذية الراجعة بسحب منطقة ZPA تلقائياً، مما يؤدي إلى إبعاد الرأس عن السطح. وبينما يكون الكابول بعيداً عن السطح، اضبط سعة التشغيل بحيث تكون سعة الكابول من واحد إلى اثنين نانومتر من القمة إلى القمة.

قم بخفض نقطة الضبط تدريجيًا بخطوات صغيرة، حتى تمتد منطقة ZPA مرة أخرى باتجاه السطح، ويتم استعادة الصورة الأصلية. حافظ على سعة نقطة الضبط بين 75% و 95% من السعة الحرة الجديدة. بعد ذلك، أعد ضبط قيم الكسب (gains)، حيث يمكن استخدام قيم كسب أعلى عند السعات المنخفضة دون إدخال ضوضاء كبيرة.

قم بتحسين النظام للعثور على أفضل تركيبة من السعة الحرة، ونقطة الضبط، والكسب لتحقيق دقة عالية. تعتمد ظروف النظام المثلى على العينة، وخصائص ترطيب السائل، وكذلك الكابول المستخدم. وبالنسبة للأسطح البينية المحبة للمذيبات، استخدم كوابل بثابت نابض يتراوح من 0.5 إلى 2 newtons per meter.

باستخدام هذه التقنية، تم الحصول على صور بدقة أقل من النانومتر لمجموعة واسعة من العينات. وتشمل العينات الرخوة الموضحة هنا طبقة ليبيدية مزدوجة، وأغشية أرجوانية من *Halobacterium salinarum*، وطبقة أحادية متجمعة ذاتياً من جزيئات ثنائية محبة للجانبين، وبلورات أكوابورين من غشاء عدسة بقري. وفي كل حالة، تم إبراز السمات ذات الأهمية.

تؤدي سعات التذبذب الصغيرة ونقاط الضبط المرتفعة إلى تقليل القوة التي يبذلها الرأس على العينة، مما يسمح بتصوير التجميعات الذاتية الهشة للدهون في الطبقة الثنائية، والبروتينات في الأغشية الحيوية الأصلية، والجزيئات الأمفوفيلية (المحبة للماء والدهون) في المحلول دون إتلافها. كما يمكن تصوير المواد البلورية الأكثر صلابة، مثل الكالسيت وتيتانات السترونشيوم وكربيد السيليكون وأيونات المعادن المفردة الممتزة على سطح الميكا باستخدام هذا النهج، لأنه في كل حالة، يكون السائل البيني هو الذي يتم تصويره فعلياً، وليس البلورة نفسها. وبمجرد إتقان هذه التقنية، فإنها توفر دقة على المستوى الجزيئي أو الذري في السوائل في كل مرة يتم تنفيذها فيها بشكل صحيح.

عند محاولة تطبيق هذا الإجراء، من المهم مراعاة أن التصوير يتم للسائل البيني. وهذا يعني ضرورة استخدام ظروف تصوير لطيفة. وعادة ما يكون تلوث الطرف أو العينة أو السائل هو السبب الرئيسي للفشل في تحقيق دقة عالية.

في حال وجود أي شك، غالباً ما يكون من الجيد تنظيف جميع الأسطح الملامسة للسائل، وإعادة استخدام محاليل التصوير. كما أن الضوضاء الخارجية تضر بالدقة العالية؛ لذا يفضل استخدام أرضية منخفضة الاهتزاز وبعيدة عن فتحات التهوية.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تحسين معاملات التصوير الخاصة بك لتحقيق دقة عالية في مجهر القوة الذرية (AFM). وبالطبع، كما هو الحال مع أي تقنية متطورة، قد يتطلب الأمر عدة محاولات لتحديد أفضل طريقة لتصوير العينة، لذا فإن الصبر هو العامل الأساسي.