Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-12-02T13:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 58 s
Description: 学习原子力显微镜悬臂式纳米压痕技术，在空气和流体环境中精确测量材料的纳米级弹性模量等机械性能。该方法可实现共定位形貌成像与定量力学分析，适用于生物组织、细胞及多种材料的纳米力学研究。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

所有原子力显微镜（AFM）实验均在博伊西州立大学表面科学实验室（SSL）完成。扫描电子显微镜（SEM）表征在博伊西州立大学材料表征中心（BSCMC）完成。本出版物中关于生物燃料原料的研究部分得到了美国能源部能效与可再生能源办公室生物能源技术办公室的支持，属于原料转化界面联盟（FCIC）项目，并由美国能源部爱达荷州运营办公室合同 DE-AC07-051ID14517 资助。细胞力学研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）资助项目 AG059923、AR075803 和 P20GM109095，以及美国国家科学基金会（NSF）资助项目 1929188 和 2025505 的支持。模型脂双层系统的研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）R01 EY030067 项目的资助。作者感谢 Elton Graugnard 博士提供了 图11 所示的合成图像。

作者声明无利益冲突。

样品制备 
对于在空气中进行的纳米压痕实验，常见的制备方法包括冷冻切片（例如组织样品）、研磨和/或抛光后进行超薄切片（例如树脂包埋的生物样品）、离子铣削或聚焦离子束制备（例如不适合抛光的半导体、多孔材料或混合硬度样品）、机械抛光或电化学抛光（例如金属合金），或薄膜沉积（例如原子层沉积、化学气相沉积、分子束外延）。目标是获得表面粗糙度极小的样品（理想情况下为纳米级，≤预期压痕深度的0.1倍）。使用上述许多方法制备的样品，可能需要随后用高纯度过滤溶剂（例如HPLC级）冲洗和/或超声处理，并用超高纯度（99.999%）氮气（N2）干燥，以去除颗粒碎屑。或者，可将片状材料（例如二维材料）或颗粒（例如纳米颗粒或微胶囊）通过旋涂或滴涂的方式从使用高纯度过滤溶剂配制的溶液中沉积到基底上。在这种情况下，目标是在样品任意随机区域的视野范围内，获得多个不重叠的片状物或颗粒，且表面密度适中。对于在液体中进行的纳米压痕测试（常用于需缓冲液维持活性的生物样品），必须将样品沉积或制备在具有光滑表面（纳米级表面粗糙度）的基底上（例如显微镜载玻片、培养皿或新剥离的绢云母云母）<sup class="xr...

理解材料的力学性能是工程领域中最基本且最重要的任务之一。对于块体材料性能的分析，已有多种方法可用于表征材料体系的力学性能，包括拉伸试验1、压缩试验2以及三点或四点弯曲（抗弯）试验3。尽管这些宏观尺度的测试能够提供有关块体材料性能的宝贵信息，但通常测试会进行至材料失效，因此属于破坏性测试。此外，这些方法缺乏足够的空间分辨率，无法精确研究当前许多备受关注的材料体系在微米和纳米尺度下的性能，例如薄膜材料、生物材料和纳米复合材料。为初步解决大规模力学测试存在的问题（主要是其破坏性），人们从矿物学中引入了显微硬度测试。硬度是指材料在特定条件下抵抗塑性变形的能力。通常，显微硬度测试使用一个刚性探针（通常由淬火钢或金刚石制成）压入材料表面，通过测量所产生的压痕深度和/或面积来确定材料的硬度。目前已发展出多种测试方法，包括维氏（Vickers）4、努氏（Knoop）5和布氏（Brinell）6硬度测试；这些方法均可反映材料在微米尺度下的硬度，但由于测试条件和定义不同，所得数据仅能在相同测试条件下进行比较。
仪器化纳米压痕技术的发展旨在改进所获得的相对数值 通过 各种显微硬度测试方法，提高力学性能分析的空间分辨率，并实现对薄膜的分析。重要的是，通过采用 Oliver 和 Pharr 首次开发的方法7弹性模量或杨氏模量 E样品材料的，可以被测定 通过 仪器化纳米压痕。此外，通过使用Berkovich三面锥体纳米压头探针（其理想尖端面积函数与Vickers四面锥体探针相匹配）8，可以在纳米尺度与更传统的微米尺度硬度测量之间进行直接比较。随着原子力显微镜（AFM）的日益普及，基于AFM悬臂梁的纳米压痕技术也开始受到关注，尤其适用于测量较软材料的力学性能。因此，如示意图所示 图1目前用于研究和量化纳米尺度力学性能的两种最常用技术是仪器化纳米压痕（图1A以及基于原子力显微镜悬臂的纳米压痕（图1B)9后者是本研究的重点。
<img alt="图 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64497/64497fig01.jpg" /> 
图 1：压痕仪与基于原子力显微镜悬臂梁的纳米压痕系统的比较。 示意图展示了典型的（A）压痕仪纳米压痕系统和（B）基于原子力显微镜悬臂梁的纳米压痕系统。该图改编自 Qian 等人51。缩写：AFM = atomic force microscopy（原子力显微镜）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64497/64497fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
仪器化纳米压痕和基于原子力显微镜（AFM）悬臂梁的纳米压痕均采用刚性探针对目标样品表面施加形变，并实时监测相应的力与位移变化。通常，用户可设定所需的载荷（即力）或（Z轴压电陶瓷）位移曲线 通过 软件界面并由仪器直接控制，而另一参数则被测量。纳米压痕实验中最常获得的力学性能是弹性模量（E），也称为杨氏模量，其单位为压力单位。材料的弹性模量是一个与键合刚度相关的基本属性，定义为拉伸或压缩应力与&#963;，单位面积上的作用力）与轴向应变（&#949;，压痕轴向上弹性变形（即，可逆或临时变形）期间的正比变形量）在塑性变形开始之前（公式[1]):
<img alt="公式 1" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq01.jpg" style="margin: auto;" />&#160; &#160; （1）
需要注意的是，由于许多材料（尤其是生物组织）实际上具有黏弹性，因此在实际情况中，（动态或复数）模量包含弹性（储能，同相）和黏性（损耗，异相）两个组分。在实际操作中，纳米压痕实验所测量的是约化模量 E*，其与感兴趣的样品真实模量 E 之间的关系如公式（2）所示：
<img alt="公式 2" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq02.jpg" style="margin: auto;" />&#160; &#160; （2）
其中，Etip 和 νtip 分别为纳米压痕探针的弹性模量和泊松比，ν 为样品的估计泊松比。泊松比是横向应变与轴向应变的负比值，因此可表示样品在受到轴向应变（例如纳米压痕加载过程中）时横向伸长的程度，如公式（3）所示：
<img alt="公式 3" src="/files/ftp_upload/64497/64497eq03.jpg" style="margin: auto;" />&#160; &#160; (3)
从约化模量转换为实际模量是必要的，因为 a）压头尖端施加的部分轴向应变可能会转化为横向应变（即样品可能发生变形） 通过 与加载方向垂直的膨胀或收缩），以及 b) 压头尖端并非无限坚硬，因此对样品进行压入时会导致尖端发生一定程度（微小）的变形。需注意，在以下情况下 E尖端 &#62;&#62; E （即压头尖端远比样品坚硬，这在使用金刚石探针时通常成立），&#160;约化模量与实际样品模量之间的关系大大简化为 E &#8776; E*(1 -&#160;v2）。尽管仪器化纳米压痕在力的精确表征和动态范围方面更具优势，但基于原子力显微镜悬臂梁的纳米压痕技术速度更快，力和位移灵敏度高出数个数量级，可实现更高分辨率的成像和更精确的压痕定位，并能同时探测纳米尺度的磁学和电学性质。9特别是，基于原子力显微镜（AFM）悬臂梁的纳米压痕技术在量化软材料（如聚合物、凝胶、脂质双层、细胞或其他生物材料）以及极薄（亚微米）样品的纳米尺度力学性能方面具有显著优势。&#181;m薄膜（其中基底效应可能根据压痕深度而产生影响）10,11，以及悬浮二维（2D）材料12,13,14 例如石墨烯15,16，云母17，六方氮化硼（h-BN）18，或过渡金属二硫属化物（TMDCs；例如，MoS2)19这是由于其卓越的力（亚纳牛）和位移（亚纳米）灵敏度，这对于准确确定初始接触点并保持在弹性变形区域内至关重要。
在基于原子力显微镜（AFM）悬臂梁的纳米压痕技术中，通过一个经过校准的压电元件驱动AFM探针向样品表面位移（图1B），当探针接触样品表面时，由于受到阻力作用，柔性悬臂梁会发生弯曲。这种悬臂梁的弯曲或偏转通常通过将一束激光反射至悬臂梁背面并进入光电探测器（位置敏感探测器[PSD]）进行监测。结合已知的悬臂梁刚度（单位为nN/nm）和偏转灵敏度（单位为nm/V），可将测得的悬臂梁偏转信号（单位为V）转换为施加在样品上的作用力（单位为nN）。接触发生后，Z方向压电陶瓷的位移与悬臂梁偏转之间的差值即为样品的压入深度。结合探针针尖面积函数的知识，可进一步计算出针尖与样品之间的接触面积。随后，可通过合适的接触力学模型（参见讨论部分的数据分析）对所得力-距离或力-位移（F-D）曲线中接触段的斜率进行拟合，从而确定样品的纳米力学性能。尽管如上所述，基于AFM悬臂梁的纳米压痕技术相较于仪器化纳米压痕具有一些明显优势，但在实际应用中仍面临若干挑战，例如校准、针尖磨损和数据分析等问题，本文将对此进行讨论。另一潜在局限在于线弹性假设，即要求接触半径和压入深度远小于压头半径；然而，在使用纳米尺度AFM探针和/或表面粗糙度较大的样品时，这一条件可能难以满足。
传统上，纳米压痕技术仅限于单个位置或小范围网格压痕实验，即选择一个目标位置（如感兴趣区域[ROI]），以赫兹（Hz）量级的速率进行单次受控压痕、在同一位置间隔一定时间的多次压痕，或进行粗略的压痕网格实验。然而，近年来原子力显微镜（AFM）技术的进步使得通过基于高速力-距离曲线的成像模式（根据系统制造商的不同，该模式有多种商品化名称）可同时获取样品的力学性能与表面形貌信息。在此类模式中，力-距离曲线在负载控制下以千赫兹（kHz）速率采集，以针尖-样品间最大作用力作为成像设定值。此外，点选式方法也已发展成熟，允许先获取AFM表面形貌图像，随后在图像中特定感兴趣位置进行选择性纳米压痕，从而实现对纳米压痕位置的纳米级空间控制。尽管这些方法并非本研究的主要关注点，但特定选择 应用实例 代表性结果中展示了基于力-距离曲线成像和点对点悬臂梁式纳米压痕技术的应用，若所使用的原子力显微镜（AFM）平台具备相应功能，可将这些方法与下述实验方案结合使用。本文具体阐述了一种通用的AFM悬臂梁式纳米压痕技术在任何具备相应功能的AFM系统上的实际操作流程，并提供了四项应用实例（两项在空气中，两项在液体环境中），包括代表性结果以及对技术细节、挑战和关键注意事项的深入讨论。

<table><tbody><tr><td>原子力显微镜</td><td>Bruker</td><td>维度图标</td><td>使用 Nanoscope 控制软件，包括 PeakForce 定量纳米力学映射 (PF-QNM)、快速力体积 (FFV) 和点触式斜坡实验工作区</td></tr><tr><td>AtomicJ</td><td>美国物理联合会</td><td>https://doi.org/10.1063/1.4881683</td><td>基于 Java 的开源免费力曲线分析软件包，具有灵活性和强大功能。支持多种接触力学模型，如赫兹（Hertz）、斯内登（Sneddon）、DMT、JKR、毛吉斯（Maugis）以及圆锥或棱锥模型（包括钝化和截断形式）。提供多种初始接触点估算方法供选择。支持数据的批量处理及后续统计分析（如平均值、标准差、直方图、拟合优度等）。文献引用为：P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda, and H. Gabry&lt;图片 替代文本=&quot;公式 1&quot; 源文本：src=&quot;/files/ftp_upload/64497/64497eq05.jpg&quot; 样式=&quot;margin: auto;&quot;/&gt;, &amp;ldquo;AtomicJ：一款用于力曲线分析的开源软件&amp;rdquo; &lt;em&gt;科学仪器评论&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;85&lt;/strong&gt;：063703（2014），https://doi.org/10.1063/1.4881683</td></tr><tr><td>缓冲液（PBS）</td><td>Fisher Chemical（NaCl），Sigma Aldrich（KCl），Fisher BioReagents（Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;HPO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt; 和 KH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;)</td><td>S271 (&gt;99% 纯度 NaCl），P9541（&gt;99% 纯度 KCl)，BP332&gt;99% 纯度 Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;HPO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;），BP362（&gt;99% 纯度 KH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;)</td><td>磷酸盐缓冲液（PBS）在实验室中配制而成，其成分为137 mM NaCl、2.7 mM KCl、10 mM Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;HPO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;，以及 1.8 mM KH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt; 溶于超纯水中。试剂使用分析天平称量，玻璃器皿先用肥皂和水清洗，随后在使用前立即进行高压灭菌。</td></tr><tr><td>氯仿</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>金刚石尖端原子力显微镜探针</td><td>布鲁克</td><td>PDNISP</td><td>预装的工厂校准立方角金刚石（&lt;em&gt;E&lt;/em&gt; = 1140 GPa）尖端的原子力显微镜探针（标称 &lt;em&gt;R&lt;/em&gt; = 40 nm）与不锈钢悬臂梁（标称 &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 225 N/m, &lt;em&gt;f&lt;sub&gt;0&lt;/sub&gt;&lt;/em&gt; = 50 kHz）。弹簧常数在工厂测量（&lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 256 N/m（探针编号：13435414）的探针，其校准数据（包括显示探针几何形状的原子力显微镜压痕图像）随探针一并提供。</td></tr><tr><td>金刚石超薄切片刀</td><td>硅藻</td><td>Ultra 35&amp;deg;</td><td>2.1 毫米宽度。在使用金刚石刀片进行最终表面制备之前，先使用标准玻璃刀对样品表面进行初步粗切</td></tr><tr><td>环氧树脂</td><td>Gorilla Glue</td><td>26853-31-6</td><td>环氧树脂与固化剂按1:1比例混合，取少量滴加于不锈钢样品载片（Ted Pella）上，粘附V1级白云母云母（Ted Pella），以制备用于磷脂膜制备的原子级平整表面。</td></tr><tr><td>乙醇</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>LR White树脂，中等纯度（已催化）</td><td>电子显微镜科学公司</td><td>14381</td><td>500 mL 瓶，批号 #150629</td></tr><tr><td>间充质干细胞（MSCs）</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>用于纳米力学研究的MSCs是从8至10周龄雄性C57BL/6小鼠中分离的原代细胞，具体方法见Goelzer, M. et al.的描述。 &quot;Lamin A/C 对脂肪生成的机械抑制作用并非必需&quot; &lt;em&gt;国际分子科学杂志&lt;/em&gt; &lt;strong&gt;22&lt;/strong&gt;：6580（2021）doi:10.3390/ijms22126580 以及 Peister, A. 等人 &quot;不同近交系小鼠骨髓来源的成体干细胞（MSCs）在表面表位、增殖速率及分化潜能方面存在差异&quot; &lt;em&gt;血液 &lt;/em&gt;&lt;strong&gt;103&lt;/strong&gt;：1662-1668（2004），doi:10.1182/blood-2003-09-3070。</td></tr><tr><td>模量标准</td><td>Bruker</td><td>PFQNM-SMPKIT-12M</td><td>使用过的HOPG（高定向热解石墨）&lt;em&gt;E&lt;/em&gt; = 18 GPa）和PS（聚苯乙烯）&lt;em&gt;E&lt;/em&gt; = 2.7 GPa）。还含有 2x PDMS（Tack 0， &lt;em&gt;E&lt;/em&gt; = 2.5 MPa；初粘性 4， &lt;em&gt;E&lt;/em&gt; = 3.5 MPa），PS-LDPE（&lt;em&gt;E&lt;/em&gt; = 2.0/0.2 GPa)，熔融石英（&lt;em&gt;E&lt;/em&gt; = 72.9 GPa），蓝宝石（&lt;em&gt;E&lt;/em&gt; - 345 GPa）和针尖表征（钛粗糙度）样品。所有样品均预先安装在直径为12 mm的钢制圆盘（样品载片）上。</td></tr><tr><td>云母</td><td>Ted Pella</td><td>50-12</td><td>12 mm 直径，V1 级白云母云母</td></tr><tr><td>Nanscope 分析</td><td>布鲁克</td><td>版本 2.0</td><td>免费的原子力显微镜（AFM）图像处理与分析软件包，但专为布鲁克（Bruker）AFM 设计，具有专有性或使用限制；类似功能亦可通过其他免费、跨平台的 AFM 图像处理与分析软件包实现，例如 Gwyddion、WSxM 等。该软件内置力曲线分析功能，但在力曲线分析方面，AtomicJ 具有更高的灵活性和更全面的功能（例如提供更多内置的接触力学模型选择、力曲线拟合结果的统计分析等），并支持力曲线的批量处理。</td></tr><tr><td>磷脂：POPC、胆固醇（绵羊源）</td><td>Avanti Polar Lipids</td><td>POPC：CAS # 26853-31-6，胆固醇：CAS # 57-88-5</td><td>从供应商处获得溶于氯仿的POPC脂质（25 mg/mL），未经进一步纯化直接使用。同一家供应商提供的胆固醇粉末溶于氯仿（20 mg/mL）。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>探针支架（流体、脂质双层）</td><td>布鲁克</td><td>MTFML-V2</td><td>特定于所使用的原子力显微镜；MTFML-V2 是用于在 MultiMode 原子力显微镜上进行液体环境中扫描的玻璃探针支架。</td></tr><tr><td>探针支架（流体，间充质干细胞）</td><td>布鲁克</td><td>FastScan Bio Z-扫描仪</td><td>与 Dimension FastScan 探头（XY 柔性扫描器）配合使用。序列号 MXYPOM5-1B154。</td></tr><tr><td>探针支架（标准型，常温）</td><td>Bruker</td><td>DAFMCH</td><td>特定于所使用的原子力显微镜型号；DAFMCH 是 Dimension Icon 原子力显微镜的标准接触模式与轻敲模式探针 holder，适用于纳米压痕（PF-QNM、FFV 和定点射击 ramping）</td></tr><tr><td>样品载具</td><td>Ted Pella</td><td>16218</td><td>产品编号适用于直径为15 mm的不锈钢样品载片。直径为6 mm、10 mm、12 mm和20 mm的型号也可在以下网址获取：https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459</td></tr><tr><td>蓝宝石衬底</td><td>Bruker</td><td>PFQNM-SMPKIT-12M</td><td>极硬表面&lt;em&gt;E&lt;/em&gt; = 345 GPa）用于测量探针的偏转灵敏度（确保所有偏转均来自探针本身，而非基底）。属于PF-QNM/模量标准套件的一部分。</td></tr><tr><td>扫描电子显微镜</td><td>日立</td><td>S-3400N-II</td><td>位于博伊西州立大学。用于对除增材制造（AM）Ti-6Al-4V以外的所有样品进行共定位SEM/EDS分析。</td></tr><tr><td>硅原子力显微镜探针（标准）</td><td>NuNano</td><td>Scout 350</td><td>标准轻敲模式硅探针，背面镀有反射铝层； &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 42 N/m（标称值）， &lt;em&gt;f&lt;sub&gt;0&lt;/sub&gt;&lt;/em&gt; = 350 kHz。标称值 &lt;em&gt;R&lt;/em&gt; = 5 nm。也可提供未涂层或带反射性金背涂层的探针。其他制造商也提供具有类似规格的探针（例如，Bruker TESPA-V2）。</td></tr><tr><td>硅制原子力显微镜探针（刚性）</td><td>布鲁克</td><td>RTESPA-525，RTESPA-525-30&amp;nbsp;</td><td>带有反射性铝背侧涂层的旋转尖端蚀刻硅探针； &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 200 N/m（标称值）， &lt;em&gt;f&lt;sub&gt;0&lt;/sub&gt; &lt;/em&gt;= 525 kHz。标称值 &lt;em&gt;R&lt;/em&gt; = 8 nm（RTESPA-525） &lt;em&gt;R&lt;/em&gt; = 30 nm（适用于 RTESPA-525-30）。每根 RTESPA-525-30 的弹簧常数均由工厂通过激光多普勒测振法单独测量，并随探针提供。</td></tr><tr><td>碳化硅砂纸（研磨圆盘）</td><td>联合</td><td>50-10005</td><td>120目</td></tr><tr><td>氮化硅原子力显微镜探针（软质，大半径半球形针尖）</td><td>Bruker</td><td>MLCT-SPH-5UM，MLCT-SPH-5UM-DC</td><td>也称为 MLCT-SPH-1UM-DC。新系列产品，由工厂校准（所有悬臂梁的探针半径和弹簧常数），大半径（&lt;em&gt;R&lt;/em&gt; = 1 或 5 mm）半球形探针尖端（位于 23 mm 长圆柱形杆末端）。DC = 漂移补偿涂层。每根探针含 6 个悬臂梁（A–F）。标称弹簧常数：A， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.07 N/m；B， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.02 N/m；C， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.01 N/m；D， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.03 N/m；E， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.1 N/m；F， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.6 N/m。</td></tr><tr><td>氮化硅原子力显微镜探针（软质，中等尖锐针尖）</td><td>Bruker</td><td>DNP</td><td>4 个悬臂/探针（A-d）。标称弹簧常数：A， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.35 N/m；B， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.12 N/m；C， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.24 N/m；D， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.06 N/m。标称曲率半径， &lt;em&gt;R&lt;/em&gt; = 10 nm</td></tr><tr><td>氮化硅原子力显微镜探针（软质，尖锐针尖）</td><td>布鲁克</td><td>ScanAsyst-Air</td><td>标称值：共振频率， &lt;em&gt;f&lt;sub&gt;0&lt;/sub&gt; &lt;/em&gt;= 70 kHz；弹簧常数， &lt;em&gt;k&lt;/em&gt; = 0.4 N/m；曲率半径， &lt;em&gt;R&lt;/em&gt; = 2 纳米。专为基于力曲线的原子力显微成像设计。</td></tr><tr><td>超级胶水</td><td>亨克尔</td><td>Loctite 495</td><td>基于氰基丙烯酸酯的瞬干胶。许多性能相近的产品均可轻易获得。</td></tr><tr><td>注射泵</td><td>New Era泵系统</td><td>NE1000US</td><td>单通道注射泵系统，具备输注和抽吸功能</td></tr><tr><td>尖端表征标准</td><td>Bruker</td><td>PFQNM-SMPKIT-12M</td><td>钛（Ti）粗糙度标准品。PF-QNM/模量标准品套件的组成部分。</td></tr><tr><td>超高纯度氮气（UHP N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;), 99.999%</td><td>Norco</td><td>SPG TUHPNI - T</td><td>用于样品干燥的超高纯度（99.999%）氮气T型压缩气瓶</td></tr><tr><td>超薄切片机</td><td>Leica</td><td>EM UC6</td><td>配备玻璃刀片（标准型，用于初始样品制备）和金刚石刀片（用于最终制备）</td></tr><tr><td>超纯水</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>Barnstead Nanopure Model 7146</td><td>型号已停产，但有等效产品可供选择。可产生 &amp;ge;18.2 M&amp;Omega;含1-5 ppb TOC（总有机碳），通过在线紫外监测获得的超纯水，包含0.2 &amp;micro;微粒过滤器、离子交换柱和紫外氧化室。</td></tr><tr><td>变速研磨机</td><td>Buehler</td><td>EcoMet 3000</td><td>使用碳化硅砂纸进行手工抛光时采用。</td></tr><tr><td>主动式隔振台</td><td>Herzan</td><td>TS-140</td><td>与Bruker MultiMode原子力显微镜联用。置于TMC 65-531减振台上。Bruker Dimension Icon原子力显微镜采用完全被动式减振系统（制造商提供定制声学罩、气浮台和花岗岩基座）。</td></tr><tr><td>被动式振动隔离台</td><td>TMC</td><td>65-531</td><td>35&quot; × 30&quot; 配备可选空气阻尼（已禁用）的隔振台。与Bruker MultiMode原子力显微镜联用。Herzan TS-140 &quot;表稳定性&quot; 主动振动控制台位于上方。</td></tr></tbody></table>

基于原子力显微镜悬臂的纳米压痕技术：在空气与液体环境中进行纳米尺度力学性能测量

Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid

原子力显微镜（AFM）本质上是测量纳米尺度的AFM探针尖端与样品表面之间的相互作用。如果能够量化探针尖端施加的力及其与样品的接触面积，则有可能确定被测表面的纳米级力学性能（例如弹性模量或杨氏模量）。本文提供了开展基于AFM悬臂梁定量纳米压痕实验的详细步骤，并举例说明该技术如何应用于测定多种类型样品的弹性模量，范围从kPa到GPa，包括生理缓冲液中的活体间充质干细胞（MSCs）和细胞核、脱水后包埋在树脂中的火炬松横截面，以及不同成分的巴肯页岩。
此外，基于原子力显微镜（AFM）悬臂梁的纳米压痕技术被用于探测磷脂双分子层的破裂强度（即穿刺力）。本文讨论了该技术正确实施过程中涉及的重要实际因素，包括方法的选择与开发、探针的选取与校准、感兴趣区域的识别、样品的异质性、特征尺寸与长径比、针尖磨损、表面粗糙度，以及数据分析与测量统计。最后，展示了将AFM获得的纳米力学图谱与可提供元素组成附加信息的电子显微镜技术进行共定位分析的应用。

力-位移曲线 
图7展示了在空气中对树脂包埋的湿地松样品进行纳米压痕实验所获得的典型近理想力-位移（F-D）曲线（图7A），以及在液体环境（磷酸盐缓冲盐水 [PBS]）中对间充质干细胞（MSC）细胞核进行实验所获得的曲线（图7B）。任何接触力学模型的应用都依赖于对初始针尖-样品接触点的准确且可靠的确定。因此，图7中F-D曲线在初始接触点前具有相对平坦、低噪声的基线，且接触段斜率平滑，非常适合用于分析以提取力学性能参数。插图中接近段曲线（蓝色轨迹）与相应拟合结果（绿色轨迹）之间良好的一致性也证明了这一点。
相反，用户在进行基于悬臂梁的纳米压痕实验时可能会遇到若干常见问题，从而导致获得非理想的力-位移（F-D）曲线。其中最常见的问题之一是在接触后立即出现探针尖端在开始斜坡加载前已与样品接触的情况（<stro...

量化原子力显微镜（AFM）探针尖端与样品表面之间的接触面积及施加的力，可实现纳米尺度力学性能的测定。本文讨论了在空气或液体环境中，对软质和硬质样品实施基于AFM悬臂梁的纳米压痕技术以测量弹性模量或其他纳米力学性能的最佳实践方法。

原子力显微镜（AFM）本质上是通过测量纳米尺度的AFM探针尖端与样品表面之间的相互作用力来实现检测。如果探针施加的力由……

原子力显微镜（AFM）悬臂梁式纳米压痕技术可用于测定多种材料在空气和液体环境中从千帕到吉帕范围内的纳米级力学性能，例如弹性模量。基于AFM悬臂梁的纳米压痕技术能够在多种材料及相关环境条件下，实现纳米级精度和分辨率的共定位形貌成像与原位定量力学性能测量。该技术可用于区分具有不同力学特性的健康与病变结构、组织或细胞。准确确定悬臂梁式纳米压痕过程中针尖与样品的接触面积以及所施加的力，需要对原子力显微镜（AFM）探针进行仔细校准，这对于定量测量纳米尺度的力学性能至关重要，尽管具有挑战性。首先，根据介质、预期模量、样品表面形貌及相关的特征尺寸，选择适用于目标样品纳米压痕的合适原子力显微镜（AFM）探针。将探针装载到探针 holder 上，并将探针 holder 安装至 AFM 扫描头。在AFM软件中选择合适的纳米压痕模式，该模式应允许用户控制各个斜坡。将激光对准探针尖端相对一侧的探针悬臂背面，并将其对准位置敏感探测器（PSD）。通过最大化总电压，将激光光斑中心调整至悬臂背面中央位置。接下来，通过调整垂直和水平偏转信号，使反射激光束光斑在位置敏感探测器（PSD）上的位置居中，尽可能接近零，从而为系统提供最大的可检测偏转范围，以产生与悬臂偏转成正比的输出电压。对探针原子力显微镜（AFM）系统的偏转灵敏度（DS）进行校准。为此，需在蓝宝石样品上设置并执行DS校准压痕，使探针偏转程度与计划在样品上进行的压痕大致相同，因为测得的位移依赖于针尖偏转角度，并在大偏转时呈现非线性。 重复该斜坡过程五次。根据力-位移（FD）曲线中初始接触点之后接触区域线性部分的斜率，确定悬臂的位移灵敏度（DS），单位为纳米每伏特（nm/V），或光杠杆灵敏度的倒数，单位为伏特每纳米（V/nm）。为获得最高准确度，使用多次测量值的平均值。如果相对标准偏差超过1%，则需重新测量DS，因为最初几个力-距离（FD）曲线可能由于粘附力的初始引入而不理想。如果探针悬臂的弹簧常数K未经厂家校准，则需校准弹簧常数。如果探针未提供厂家校准的针尖半径测量值，应测量有效针尖半径R。若采用盲法针尖重构方法，应使用较慢的扫描速率和较高的反馈增益对针尖表征样品或粗糙度样品成像，以优化对极尖锐特征的追踪效果。根据预期的针尖半径选择图像尺寸和像素密度。接下来，使用原子力显微镜（AFM）图像分析软件对探针针尖进行建模，估算其末端半径以及在预期样品压入深度下的有效针尖直径。完成探针校准后，在软件中输入DS、K和R值。最后，输入样品泊松比的估计值，以将测得的约化模量转换为实际的样品模量。如果采用基于针尖形状和压痕深度的圆锥形或锥球形接触力学模型，则需要输入针尖半角。移动样品至原子力显微镜（AFM）探头下方，并定位到目标区域进行检测。监测垂直偏转信号，或执行小幅初始斜坡扫描，以确认针尖与样品是否接触。轻微向上调整原子力显微镜（AFM）探头位置，再次进行斜坡扫描。重复此过程，直至针尖与样品恰好脱离接触，表现为斜坡曲线几乎平坦，且悬臂的垂直偏转极小。当无明显探针与样品相互作用时，将原子力显微镜（AFM）探头下降约等于 ramp 尺寸 50% 的距离，以确保在手动移动 AFM 探头时探针不会撞击样品。再次进行 ramp 操作，重复此过程直至观察到良好的曲线。调整 ramp 参数。根据样品和所需的压痕深度选择合适的斜坡尺寸。然后选择合适的斜坡速率。对于大多数样品，1 Hz 是一个良好的起始点。设置每个斜坡的样品数量，以实现测量所需分辨率。设置X轴旋转，以便在Z方向压入的同时轻微移动探针的X方向，从而减少样品和探针上的剪切力。X轴旋转的数值应等于探针支架相对于表面法线的偏移角度。接下来，选择使用触发式或非触发式斜坡加载。如果选择触发式斜坡加载，则设置触发阈值，以实现对样品所需的压入深度。在选定位置进行压痕操作。在软件中选择并加载待分析的数据。输入校准后的弹簧常数、DS（或倒光学杠杆灵敏度）和探针针尖半径值，并提供样品泊松比的估计值。根据针尖和样品的特性，选择合适的纳米压痕接触力学模型。运行拟合算法。检查力-距离（FD）曲线的拟合情况。残差误差较小且平均R平方值接近1时，表明数据与所选模型拟合良好。如有需要，可抽样检查单个力-距离曲线，以直观评估曲线形态、模型拟合情况以及计算得到的接触点。图中展示了在空气中对经树脂包埋的火炬松样品、以及在磷酸盐缓冲盐水溶液中对间充质干细胞核获得的接近理想的力-距离曲线。使用硅探针时，探针尖端在整个成像过程中相对于其初始 pristine 状态出现了显著磨损。随着每一张后续图像的获取，探针尖端逐渐变得更加圆钝。与金刚石探针相比，在盲尖重建方法的检测极限内，其尖端半径未发生改变，突显了金刚石极高的耐磨性。此处展示的是覆盖多个细胞的原子力显微镜形貌图像，包含伪三维呈现方式，以及对应的火炬松样品的模量图。在获取原子力显微镜（AFM）图像的同时生成的AFM模量图显示，图像中心的矿物包裹体显著硬于周围的有机基质。图中展示了探针针尖半径和形状对Bakken页岩样品高纵横比特征形貌的影响。基于悬臂梁的纳米压痕实验对间充质干细胞及分离细胞核进行测试，结果显示两者在弹性模量上无统计学差异。本文展示了利用原子力显微镜（AFM）研究含胆固醇脂质双层的形态学特征和机械性能。准确的纳米力学测量依赖于探针的正确校准以及在接触力学模型中选择合适的扫描参数。除了能够实现弹性模量测量外，基于AFM悬臂梁的纳米压痕技术还可用于探测磷脂双层在生理相关条件下的破裂强度或穿透力。基于原子力显微镜悬臂梁的纳米压痕技术已使得研究人员能够探究结构基因敲除、药物处理以及低强度振动（用以模拟运动）对间充质干细胞核力学特性的影响。

atomic-force-microscopy-cantilever-based-nanoindentation-mechanical

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

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

细胞外基质的刚度显著影响黏附细胞的多种行为。基质刚度在组织内存在空间上的差异，并在多种疾病状态下发生改变。本文中，我们建立了利用原子力显微镜微压痕技术来表征正常及纤维化小鼠肺组织中刚度空间变化的方法。...

利用原子力显微镜对肺组织进行微机械特性表征

本文展示了一种利用原子力显微镜（AFM）通过微压痕法表征活细胞力学特性的实验方案。...

利用原子力显微镜测量活细胞的机械特性

胶体探针纳米显微技术可用于多个领域，以深入了解胶体体系的物理稳定性和凝集动力学，并借助生物系统辅助药物发现与制剂科学研究。本文所述方法为研究此类体系提供了定性与定量的手段。...

利用胶体探针纳米显微技术对颗粒-颗粒相互作用进行定量与定性分析

本文描述了一种利用原子力显微镜（AFM）研究蛋白质光感受器结构的方法。峰值力定量纳米力学性能成像（PF-QNM）可揭示云母表面完整存在的蛋白质二聚体。...

使用峰值力定量纳米力学性能成像对红光光感受器进行原子力显微镜观察

本文介绍了一种将多种单分子共价偶联到原子力显微镜（AFM）探针尖端的实验方案，并提供了测定这些分子在固体载体及生物界面黏附力和自由能的步骤与实例。...

通过原子力谱学研究单分子粘附

本实验方案描述了如何利用原子力显微镜在真正的纳米尺度上测量硬度，并检测单个原子级的塑性事件。...

通过仪器化原子力显微镜压痕法进行定量硬度测量

我们介绍一种在液体环境中利用振幅调制（轻敲模式）原子力显微镜获得亚纳米级分辨率图像的方法。该方法已在商用原子力显微镜上得到验证。我们解释了参数选择背后的原理，并提出了优化分辨率的策略。...

在液体中利用振幅调制原子力显微镜实现亚纳米级分辨率成像

该方案旨在研究液滴与空气中超疏水基底之间的相互作用。包括校准测量系统，并测量在具有不同网格分数的超疏水基底上的相互作用力。...

利用光杠杆法测量液滴与超疏水基底间的相互作用力

将探针分子共价连接到原子力显微镜（AFM）悬臂尖端是研究其物理性质的关键技术。通过基于AFM的单分子力谱法，可高度可重复地测定聚合物的拉伸力、脱附力及其长度。...

用于基于原子力显微镜的力谱单分子共价连接

本方案介绍了一种用于软材料纳米压痕实验的完整工作流程，包括水凝胶和细胞。首先，详细阐述了获取力谱数据的实验步骤；随后，通过一款新开发的开源 Python 软件对这类数据进行分析，该软件可从 GitHub...

软物质纳米压痕的实验与数据分析流程

本实验方案演示了如何制备小鼠肺组织的冷冻切片，进行原子力显微镜力图实验，并分析数据以测定天然小鼠肺基底膜的杨氏模量。...

从原子力显微镜力图中提取天然小鼠肺基底膜的杨氏模量

学习原子力显微镜悬臂式纳米压痕技术，在空气和流体环境中精确测量材料的纳米级弹性模量等机械性能。该方法可实现共定位形貌成像与定量力学分析，适用于生物组织、细胞及多种材料的纳米力学研究。

基于原子力显微镜悬臂的纳米压痕技术：在空气与液体环境中进行纳米尺度力学性能测量

探索更多视频