Depuis son invention, il y a trois décennies, la microscopie à force atomique (AFM) 1 a imposé comme une technique de choix pour l' étude des échantillons à l'échelle nanométrique, en particulier lorsque la moyenne sur des surfaces macroscopiques est pas possible et l' information locale est nécessaire. Dans une mesure typique de l'AFM, la déviation d'un bras de levier flexible est utilisé pour quantifier la force d'interaction entre un petit nombre de molécules et d'une pointe de ultrasharp monté à l'extrémité du cantilever. Selon le type d'interactions et les échelles de temps considérées, un large éventail d'informations peuvent être dérivées, y compris les propriétés viscoélastiques des membranes biologiques mous 2,3, la force d'un seul produit chimique ou de liaison moléculaire 4,5, les détails d'un atomistique surface 6-8, le 9 magnétique, capacitif 10, la conduite 11, thermiques et chimiques 12,13 14 propriétés d'échantillons 15. Une partie du succès de l' AFM est sa capacité à travailler sur une large gamme de matériaux 16 et dans de multiples environnements tels que le vide 17, gaz ou liquide 11,18 19,20, car il ne repose pas sur une force spécifique entre la sonde et de l' échantillon .
En pratique, toutefois, l'exploitation de l'AFM dans des conditions autres que la température ambiante peut être des résultats difficiles et nombreux sont encore publiés obtenus dans l'air. Une difficulté supplémentaire provient du fait qu'il est généralement nécessaire pour faire fonctionner l'AFM en mode dynamique (pointe vibrante) afin de préserver à la fois la pointe et l'échantillon en évitant d'importantes forces de frottement. Bien que plus difficile, le fonctionnement dynamique peut, en principe, de fournir plus d'informations sur l'échantillon analysé, et sans perte de résolution spatiale. Au cours de la dernière décennie, le domaine de l' AFM dynamique liquide a connu des développements importants, depuis l'avènement de l' AFM vidéo taux de 21 - 23, des mesures multifréquences 24,25 et sous-nanomètre imagerie des structures d'hydratation au niveau des interfaces 26 - 31. Le fonctionnement de l' AFM tout immergé dans un liquide est maintenant couramment utilisé en biologie et biophysique 32-36, la recherche de polymère 37, électrochimie 38 - 40 et interfaces solide-liquide caractérisation 41-44. La présence de liquide autour du levier vibrant modifie considérablement sa dynamique 45, ainsi que l'interaction entre la pointe et l'échantillon 29,42. Lorsqu'il est utilisé de manière appropriée, le liquide peut être exploitée pour améliorer la résolution d'imagerie 26,29, avec une amélioration typique de presque un ordre de grandeur par rapport à la meilleure résolution obtenue dans des conditions ambiantes 46.
Dans AFM, la résolution spatiale la plus élevée possible pour une mesure particulière dépend à la fois la qualité de l'AFM lui-même et la nature de til interaction sondé 20,47,48. À l'heure actuelle, plus haut de gamme, AFMS disponibles dans le commerce présentent des niveaux de bruit qui sont proches de celle de la limite thermique 12 de sorte que le facteur déterminant pour la résolution est généralement l'interaction pointe-échantillon. Il est effectivement le gradient spatial de cette interaction qui détermine la résolution: mesures basées sur courte distance, en décomposition rapide interaction produisent les résultats de la résolution plus élevée que lorsque les interactions à longue portée sont en jeu. Dans un liquide, les forces de solvatation peuvent améliorer la résolution d'image car elles ont tendance à disparaître au- dessus de quelques diamètres moléculaires du liquide (typiquement <1 nm) lors du déplacement à une distance de la surface de l'échantillon 49. Ces forces proviennent de l'interaction entre les molécules de liquide et la surface de l'échantillon. Un liquide ayant une affinité forte pour la surface aura tendance à être plus ordonné et moins mobile que le liquide en vrac à l'interface avec l'échantillon 29,42,50. Par conséquent,il faudra plus d' énergie pour une pointe d'AFM vibrant pour déplacer les molécules liquides interfaciale vrac liquide 42, ce qui rend la mesure très sensible aux variations locales dans les propriétés liquides interfaciale à l'échelle nanométrique -le solvatation paysage.
Afin d'exploiter les forces de solvatation, plusieurs aspects pratiques doivent être pris en considération. En premier lieu, l'amplitude d'oscillation de l'embout doit être comparable à la plage des forces de solvatation, typiquement <1 nm. Deuxièmement, le liquide utilisé doit former un paysage de solvatation bien définie à la surface de l'échantillon. Macroscopiquement, ce qui équivaut à imposer un liquide de «mouillage» pour l'échantillon considéré. Par exemple, dans l' eau , il est plus facile d'obtenir une résolution au niveau moléculaire de mica hydrophile que le graphite hydrophobe 42,51. Enfin, la constante du ressort de la poutre supportant la pointe doit être choisie de façon appropriée 52,53. Lorsque vous travaillez dans ces conconditions, l'AFM ne fournissent pas seulement des images de niveau moléculaire de l'interface, mais il tire également des informations sur l'affinité locale échantillon liquide qui peut être utilisé pour obtenir de l' information chimique sur la surface de l'échantillon 54.
Les modes les plus dynamiques de fonctionnement communs pour l'AFM en liquide sont à modulation d'amplitude (AM, aussi «mode tapping») AFM et à modulation de fréquence (FM) AFM. Dans le premier cas 55, la pointe raster-analyse de l'échantillon tandis que son amplitude de vibration est maintenue constante par une boucle de rétroaction qui continue ré-ajuste la distance pointe-échantillon. Une image topographique de l'échantillon est obtenue à partir de la correction appliquée par la boucle de rétroaction. En FM-AFM 28,41,56, il est la fréquence d'oscillation du cantilever / pointe qui est maintenue constante tandis que la pointe balaye l'échantillon. Les deux techniques offrent une résolution topographique comparable dans le liquide 36,57. Quantification de l'interaction pointe-échantillon tend à être plus straightforward et précis dans FM-AFM, mais AM-AFM est plus facile à mettre en œuvre, plus robuste, et permet de travailler avec cantilevers plus doux, quelque chose d'utile pour l'étude des échantillons facilement déformables ou délicats. De manière significative, AM-AFM est plus répandue chez les utilisateurs de l'AFM, en partie pour des raisons historiques, mais aussi en raison du fait qu'il est techniquement plus facile à contrôler.
Bien que l'amplitude est maintenue constante par la boucle de rétroaction lors de l'imagerie AM-AFM, la phase-décalage entre l'oscillation de la pointe et l'oscillation d'entraînement est autorisé à changer librement. Le retard de phase peut fournir des informations utiles sur les interactions de la pointe-échantillon, étant lié à l'énergie dissipée pendant l' oscillation de la pointe à l'interface avec l'échantillon 58. Ainsi la phase d'imagerie peut être acquis en même temps à l'imagerie topographique, et est souvent complémentaire à mettre en évidence l'hétérogénéité d'une surface de l'échantillon. l'imagerie de phase a été utilisée pour la cartographie des interactions différentes, y compris le dicartographie rect de l' énergie d'adhérence 42, 58 propriétés viscoélastiques et le paysage d'hydratation d'une interface 44.
Pratiquement, l'obtention d'images à haute résolution dans le liquide reste non négligeable en raison du grand nombre de paramètres à contrôler, et l'absence d'un protocole simple et systématique qui fonctionne dans toutes les situations. La qualité d'image dépend généralement de la géométrie en porte à faux et l' élasticité, la composition chimique de pointe, l'amplitude d'oscillation et la raideur de l' échantillon, entre autres 55. Les mesures de l'AFM sont aussi, par définition, perturbatifs au système. En conséquence, l'évolution des variables d'imagerie et les conditions environnementales sans considérations appropriées peut conduire à des difficultés de reproductibilité et / ou observations misrepresentative et des résultats erronés.
Ici, nous vous présentons notre protocole pour obtenir des images à haute résolution d'échantillons durs et mous en solution, en utilisant des instruments commerciaux exploités en amplitude-modulation. Notre objectif est d'offrir une procédure pratique pour optimiser les principaux paramètres susceptibles d'influer sur la résolution sur différents échantillons, en expliquant dans chaque cas la justification de nos choix à partir des principes physiques sous-jacents du processus d'imagerie. Nous détaillons une approche étape par étape, à partir du substrat de nettoyage et de préparation, au choix du cantilever, réglage des paramètres d'imagerie et de la résolution des problèmes communs. Expliquer le raisonnement scientifique derrière nos choix et nos procédures de haute résolution devrait aider à faire des choix rationnels lors de l'adaptation de la méthodologie, et de servir de point de départ pour les systèmes d'imagerie de nouveaux.
Dans tout le texte, nous utilisons AM pour désigner le mode de fonctionnement à modulation d'amplitude d'un AFM. Nous nous référons au paramètre de rétroaction maintenue constante pendant la déviation soit en porte à faux (mode de contact) ou l' amplitude d' oscillation (mode AM) en tant que valeur de consigne. En mode AM, le cantilever est entraîné à l'extérieursoit par une oscillation acoustique ou par un laser pulsé focalisé sur la base de la poutre. L'amplitude d'entraînement est l'intensité du signal oscillant externe. La valeur absolue de l'amplitude d'entraînement nécessaire pour obtenir une amplitude d'oscillation donnée du cantilever dépend de nombreux paramètres tels que la méthode d'entraînement (acoustique, photothermique ou magnétique), en porte à faux fixation et les paramètres (raideur, la géométrie) et l'alignement du laser. La valeur exacte de l'amplitude d'entraînement est donc pas pertinent, mais il est ajusté dans chaque expérience de manière à fournir une amplitude d'oscillation appropriée (et quantifiable) de la poutre. Lorsque le cantilever entraîné est loin de l'échantillon et aucun amortissement de sa vibration se produit à travers des interactions pointe-échantillon, son amplitude d'oscillation est appelée l'amplitude d'oscillation libre. Lorsque la pointe vibrante se rapproche de la surface de l'échantillon, son amplitude commence à diminuer. Si le retour est activé, le z-piezo sera constantly réajuster son extension afin de quille l'amplitude de consigne sélectionnée, constante. La valeur de consigne est normalement toujours inférieure à l'amplitude libre. Il est courant de se référer au rapport de consigne, le rapport de l'amplitude de consigne (imagerie d' amplitude) sur l'amplitude libre. Plus le rapport de consigne, le plus sévère des conditions de formation d'image sont.