原子力显微镜悬臂式纳米压痕:空气和流体中纳米级机械性能测量

原子力显微镜或基于AFM悬臂的纳米压痕可用于确定材料在空气和流体中从千帕斯卡到千兆帕斯卡的模量的纳米级机械性能。基于AFM悬臂的纳米压痕能够在各种材料和相关环境中以纳米级精度和分辨率进行共定位形貌成像和原位定量机械性能测量。基于AFM悬臂的纳米压痕可用于区分表现出不同机械性能的健康与疾病结构，组织或细胞。

准确确定尖端样品接触面积和在悬臂式纳米压痕过程中施加的力需要仔细校准AFM探头，这对于定量纳米级机械性能测量具有挑战性，但至关重要。首先，根据介质、预期模量、样品形貌和相关特征尺寸选择合适的原子力显微镜或AFM探针，对目标样品进行纳米压痕。将探头装载到探头支架上，并将探头支架连接到AFM扫描头。

在AFM软件中选择适当的纳米压痕模式，使用户能够控制各个斜坡。将激光对准探头悬臂的背面，与探头尖端的位置相对，并进入位置敏感检测器或PSD。通过最大化总电压，将激光束光斑居中悬臂背面。

接下来，通过将垂直和水平偏转信号调整为尽可能接近零，将反射的激光束光斑居中在PSD上，从而提供最大的可检测偏转范围，以产生与悬臂偏转成比例的输出电压。校准探头 AFM 系统的偏转灵敏度或 DS。为此，请在 Sapphire 上设置并执行 DS 校准压痕，以实现与计划样品压痕大致相同的探头偏转，因为测量的位移是尖端偏转角的函数，并且对于大挠度变为非线性。

重复斜坡五次。在产生的力位移或FD曲线中的初始接触点之后，确定以纳米/伏特为单位的DS或反向光杠杆灵敏度和每纳米伏特。使用值的平均值以获得最大精度。

如果相对标准偏差超过1%重新测量DS，因为有时由于最初引入粘附力，前几条FD曲线是不理想的。如果探头悬臂的弹簧常数 K 未经过工厂校准，请校准弹簧常数。如果探头没有工厂校准的尖端半径测量，请测量有效尖端半径R.如果使用盲尖重建方法，请使用慢扫描速率和高反馈增益对尖端特征或粗糙度样品进行成像，以帮助优化对非常尖锐特征的跟踪。

根据预期的尖端半径选择图像大小和像素密度。接下来，使用AFM图像分析软件对探针尖端进行建模，并在预期的样品压痕深度估计其末端半径和有效尖端直径。完成探头校准后，在软件中输入 DS、K 和 R 值。

最后，输入样品泊松比的估计值，以将测量的降低模量转换为实际样本模量。如果采用基于尖端形状和压痕深度的圆锥形或圆锥形接触力学模型，则需要输入尖端半角。在AFM头下导航样品，并在所需的感兴趣区域接合。

监测垂直偏转信号或执行一个小的初始斜坡，以验证吸头和样品是否接触。稍微向上调整AFM头部位置，然后再次斜坡。重复直到吸头和样品刚好不接触，几乎平坦的斜坡和悬臂的最小垂直偏转证明了这一点。

一旦不存在明显的尖端样品相互作用，将AFM头降低相当于斜坡尺寸的约50%，以确保探头在手动移动AFM头时不会撞到样品中。再次斜坡，重复直到观察到良好的曲线。调整斜坡参数。

根据样品和所需的压痕深度选择合适的斜坡尺寸。然后，选择适当的斜坡速率。对于大多数样本来说，一赫兹是一个很好的起点。

设置每个斜坡的样本数，以达到所需的测量分辨率。设置 X 旋转以减少样品和尖端上的剪切力，方法是同时在 X 方向上稍微移动探头，同时在 Z 方向上缩进。对"X 旋转"（X Rotate） 使用的值等于探头支架相对于表面法线的偏移角度。

接下来，选择是采用触发坡道还是未触发斜坡。如果选择了触发斜坡，请设置触发阈值以在样品中产生所需的压痕。在所选位置执行缩进。

在软件中选择并加载要分析的数据。输入弹簧常数、DS 或反向光杆灵敏度和探头尖端半径的校准值，以及样品泊松比的估计值。选择适合针尖和样品的纳米压痕接触力学模型。

运行拟合算法。检查FD曲线是否正确拟合。对应于平均 R 平方接近单位的低残差表明与所选模型的良好拟合。

如果需要，抽查单个曲线，以目视检查曲线、模型拟合和计算的接触点。显示了在树脂嵌入的枇杷松样品和间充质干细胞核上的磷酸盐缓冲盐溶液的空气中获得的近乎理想的FD曲线。使用硅探头，在整个成像过程中，尖端相对于其初始原始状态经历了显着磨损。

对于每个后续图像，尖端逐渐变得更加圆润。与金刚石探头相比，尖端半径在盲尖重建方法的极限内没有变化，突出了金刚石的极端耐磨性。此处显示了覆盖多个细胞的AFM形貌图像，具有伪3D描绘和Loblolly松样品的相应模量图。

在获得AFM图像时生成的AFM衍生模量图显示，图像中心的矿物内含物明显比周围的有机基质更硬。显示了探针尖端半径和形状对Bakken页岩样品高纵横比特征外观的影响。悬臂式纳米压痕在间充质干细胞和分离的细胞核上表现出弹性模量无统计学差异。

这里展示了AFM研究的含脂质双层胆固醇的形态和机械性能。在接触力学模型中进行适当的探头校准和选择合适的斜坡参数对于精确的纳米力学测量至关重要。除了实现弹性模块化测量外，基于AFM悬臂的纳米压痕还可用于探测生理相关条件下磷脂双层的断裂强度或突破力。

基于AFM悬臂的纳米压痕能够研究结构敲除，药物治疗和低强度振动的影响，以模拟运动对间充质干细胞核的机械性能。