本文介绍了一种利用三维快速力映射技术——一种原子力显微镜技术——通过在固液界面区域内映射针尖与样品间的相互作用,以亚纳米分辨率可视化固液界面溶液结构的实验方案。
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本文介绍了一种利用三维快速力映射技术——一种原子力显微镜技术——通过在固液界面区域内映射针尖与样品间的相互作用,以亚纳米分辨率可视化固液界面溶液结构的实验方案。
在众多研究领域中,面临的挑战包括固液界面的可视化,以及理解溶液条件(如离子浓度、pH值、配体和痕量添加剂)和潜在的晶体结构与化学性质如何影响这些界面。在此背景下,三维快速力映射(3D FFM)已成为研究界面溶液结构的一种有前景的工具。该技术基于原子力显微镜(AFM),能够以亚纳米分辨率直接在三维空间中可视化界面区域。本文详细描述了获取3D FFM数据的实验方案,讨论了根据样品和应用优化操作参数的主要考虑因素。此外,还介绍了数据处理与分析的基本方法,包括将测得的仪器可观测量转化为针尖-样品作用力图,从而与局部溶液结构相关联。最后,我们探讨了与3D FFM数据解释相关的一些尚未解决的问题,并展望了该技术如何成为表面科学研究工具库中的核心手段。
在固液界面几纳米范围内,会发生许多有趣的现象,而经典的胶体相互作用理论在此处不再适用1。溶剂分子和离子会形成出人意料的排列结构2,并可能引发多种过程,例如催化3、离子吸附4,5、电子转移6,7、生物分子组装8、颗粒聚集9、附着10,11以及组装过程12,13。然而,目前能够表征界面溶液结构的技术十分有限,尤其是具备亚纳米三维分辨率的技术更为稀缺。在此背景下,基于原子力显微镜(AFM)的三维快速力映射技术(3D FFM)已成为研究界面溶液结构14,15及其对上述现象影响的重要工具。
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1. 原子力显微镜探针的装载与校准
2. 加载底物和溶液
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图2A 展示了三维力映射的示意图。与其它在振幅调制模式下运行的原子力显微镜(AFM)技术类似,将一个振荡的微悬臂在样品表面进行扫描。除了记录每个坐标位置的针尖高度外,仪器还会采集针尖接近和离表面时的相位偏移和振幅等可观测量。结果得到一个三维可观测量数据集,主要包括振荡振幅、相位偏移和针尖偏转,这些数据可直接转换为作用在针尖上的力的测量值。这种针尖调制方法适用于高速采集,并能在数十秒的合理时间尺度内获得可靠的三维数据。
作为一个代表性示例,提供了水环境中云母表面的三维力图(图2B,C)。数据以原子力显微镜针尖所受的力梯度(下文详述)表示,展示了在三个空间维度中具有横向和纵向亚纳米级特征。这些特征归因于界面溶液结构,并在距离表面超过一纳米的高度处向体相溶液中逐渐消散。关于三维力映射显微术(3D FFM)的科学意义及最新研究成果的详细描述,读者可参考Fukuma与Garcia撰写的一篇综述文章14
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选择原子力显微镜探针
与任何原子力显微镜(AFM)应用一样,探针的关键特性包括共振频率、悬臂尺寸、针尖半径、针尖材料和弹性系数。迄今为止,几乎所有三维力曲线显微术(3D FFM)文献均报道使用了刚性强、高频的探针。最常见的例子是基于硅的探针(如 AC55TS、PPP-NCH、Tap300-G 等),这些探针可用于其较高的共振模式14。其他研究团队则选择了 USC-F5-k30-10 碳探针。以下讨论一些重要的考虑因素。
悬臂应具有较高的刚性,其弹簧常数 k > 1 N/m。否则,探针尖端在每次逼近和 retracting 循环中将发生显著偏转,并可能粘附于表面,无法遵循预期的正弦轨迹。除了表面相互作用引起的探针偏转外,溶液结构本身也可能影响低弹簧常数探针的稳定性,因为所测得的力梯度可能超过 0.1 N/m,具体取决于样品性质。在这种情况下,即使探针能够检测到力曲线中的振荡特征,所得数据也不可靠。另一方面,过于刚性的探针可能无法检测力曲线中的微小特征。后一问题在一定程度上可通过在高共振频率.......
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作者声明不存在竞争性财务利益或其他利益冲突。
我们感谢 Asylum Research 的 Marta Kocun 博士、金泽大学的 Takeshi Fukuma 博士、马德里高等科学研究委员会(CSIC Madrid)的 Ricardo Garcia 博士、比勒费尔德大学的 Angelika Kühnle 博士、比勒费尔德大学的 Ralf Bechstein 博士、比勒费尔德大学的 Sebastien Seibert 以及神户大学的 Hiroshi Onishi 博士提供的有益讨论。
3D FFM 实验方案的开发是 IDREAM(放射性环境与材料中的界面动力学)项目的一部分,IDREAM 是由美国能源部(DOE)科学办公室(SC)基础能源科学办公室(BES)资助的能源前沿研究中心。3D FFM 数据分析代码的开发得到了太平洋西北国家实验室(PNNL)实验室主导研究与开发计划(LDRD)的支持,E.N. 对 Linus Pauling 杰出博士后奖学金项目提供的资助表示感谢。3D FFM 测量能力的开发是在 PNNL 进行的,得到了 BES 材料科学与工程部门合成与加工科学计划的支持。PNNL 是由巴特尔纪念研究所根据合同编号 DEAC05-76RL0-1830 为美国能源部运营的多项目国家实验室。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AC55TS 原子力显微镜探针 | Olympus | ||
| Cypher VRS 原子力显微镜 | Asylum Research | ||
| PPP-NCH 原子力显微镜探针 | Nanosensors | ||
| Tap300-G 原子力显微镜探针 | Budget Sensors | ||
| USC-F5-k30-10 原子力显微镜探针 | Nanoworld | ||
| (注意:仅需选择其中一种原子力显微镜探针) |
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