מיקרוסקופ כוח אטומי ננו-הזחה מבוססת Cantilever: מדידות תכונות מכניות בקנה מידה ננומטרי באוויר ובנוזל

ניתן להשתמש במיקרוסקופ כוח אטומי, או ננו-הזחה מבוססת AFM, כדי לקבוע את התכונות המכניות הננומטריות של חומרים בטווח מודולוס, מקילופסקל ועד ג'יגה-פסקל באוויר ובנוזל. ננו-הזחה מבוססת AFM cantilever מאפשרת הדמיה טופוגרפית מקומית ומדידות תכונות מכניות כמותיות באתרן עם דיוק ורזולוציה ננומטריים במגוון רחב של חומרים וסביבות רלוונטיות. ניתן להשתמש בננו-הזחה מבוססת AFM כדי להבדיל בין מבנים בריאים ומחלות, רקמות או תאים בעלי תכונות מכניות שונות.

קביעה מדויקת של שטח המגע של דגימת החוד והכוח המופעל במהלך ננו-הזחה מבוססת קנטיליבר דורשת כיול זהיר של גשושית AFM, שהיא מאתגרת אך חיונית למדידות תכונות מכניות ננומטיות כמותיות. כדי להתחיל, בחר מיקרוסקופ כוח אטומי מתאים או בדיקת AFM עבור ננו-הזחה של הדגימה המיועדת בהתבסס על המודולוס הבינוני, הצפוי, טופוגרפיית הדגימה וגדלי התכונות הרלוונטיים. טען את הגשושית על מחזיק הבדיקה וחבר את מחזיק הבדיקה לראש סריקת AFM.

בחר מצב ננו-הזחה מתאים בתוכנת AFM המעניק למשתמש שליטה ברמפות בודדות. יישרו את הלייזר על גב הגשושית מול המיקום של קצה הגשושית ולתוך הגלאי הרגיש למיקום, או PSD. מרכז את נקודת קרן הלייזר בגב הפתח על ידי מקסום מתח הסכום.

לאחר מכן, מרכזו את נקודת קרן הלייזר המוחזרת ב-PSD על ידי התאמת אותות הסטייה האנכית והאופקית כך שיהיו קרובים ככל האפשר לאפס, ובכך מספקים את טווח הסטייה המרבי הניתן לגילוי לצורך הפקת מתח יציאה פרופורציונלי לסטיית הקנטיליבר. כיול רגישות הסטיה, או DS, של מערכת AFM של הגשושית. לשם כך, הגדר ובצע כניסות כיול DS בספיר כדי להשיג בערך את אותה סטיית בדיקה כמו כניסות הדגימה המתוכננות, מכיוון שהתזוזה הנמדדת היא פונקציה של זווית הטיית הקצה והופכת ללא ליניארית עבור סטיות גדולות.

חזור על הרמפה חמש פעמים. קבע את ה-DS בננומטרים לוולט או את רגישות המנוף האופטי ההופכי ואת הוולט לננומטר מהשיפוע של החלק הליניארי של משטר המגע לאחר נקודת המגע הראשונית בעקומת תזוזת הכוח או FD שנוצרה. השתמש בממוצע הערכים לקבלת דיוק מרבי.

אם סטיית התקן היחסית עולה על 1%, מדדו מחדש את ה-DS, מכיוון שלפעמים עקומות ה-FD הראשונות אינן אידיאליות עקב ההקדמה הראשונית של כוחות הדבק. אם קבוע הקפיץ K של הגשושית אינו מכויל על-ידי היצרן, כייל את קבוע הקפיץ. אם לבדיקה אין מדידת רדיוס קצה מכויילת על-ידי היצרן, מדוד את רדיוס החוד האפקטיבי R.If תוך שימוש בשיטת שחזור החוד העיוור, צלם את אפיון החוד או דגימת החספוס באמצעות קצב סריקה איטי ורווחי משוב גבוהים כדי לסייע במעקב אופטימלי אחר התכונות החדות מאוד.

בחרו גודל תמונה וצפיפות פיקסלים בהתאם לרדיוס הקצה הצפוי. לאחר מכן, השתמש בתוכנת ניתוח תמונות AFM כדי למדל את קצה הגשושית ולהעריך את רדיוס הקצה שלה ואת קוטר הקצה האפקטיבי שלה בעומק כניסת הדגימה הצפוי. עם השלמת כיול הבדיקה, הזן את הערכים DS, K ו- R בתוכנה.

לבסוף, הזן אומדן של יחס פואסון של הדגימה כדי להמיר את המודולוס המופחת שנמדד למודולוס המדגם בפועל. אם משתמשים במודל מכניקת מגע חרוטי או קונוספרי המבוסס על צורת החוד ועומק הכניסה, יש צורך בהזנת חצי זווית החוד. נווט את הדגימה תחת ראש AFM ועסוק באזור העניין הרצוי.

נטר את אות הסטייה האנכית או בצע רמפה ראשונית קטנה כדי לוודא שהקצה והדגימה נמצאים במגע. כוונן את מיקום ראש ה-AFM מעט כלפי מעלה והכבוש שוב. חזרו על הפעולה עד שהקצה והדגימה פשוט יצאו ממגע, כפי שמעידה רמפה כמעט שטוחה וסטייה אנכית מינימלית של הקנטיליבר.

ברגע שאין אינטראקציה ברורה בין דגימת החוד, הנמיכו את ראש ה-AFM בסכום המתאים לכ-50% מגודל הרמפה כדי להבטיח שקצה הגשושית לא יתנגש בדגימה תוך כדי הזזת ראש ה-AFM באופן ידני. כבשו שוב, חזרו על הפעולה עד שנצפתה עקומה טובה. התאם את פרמטרי הרמפה.

בחר גודל רמפה מתאים בהתאם למדגם ולעומק הכניסה הרצוי. לאחר מכן, בחר קצב רמפה מתאים. הרץ אחד הוא נקודת התחלה טובה עבור רוב הדגימות.

הגדר את מספר הדגימות לכל רמפה כדי להשיג את הרזולוציה הרצויה של המדידה. הגדר את סיבוב X כדי להפחית את כוחות ההטיה של הדגימה והקצה על-ידי הזזת הבדיקה בו-זמנית מעט בכיוון X תוך הזחה בכיוון Z. השתמשו בערך של X Rotate שווה לזווית ההסטה של מחזיק הבדיקה יחסית למשטח הרגיל.

לאחר מכן, בחר אם להשתמש ברמפה מופעלת או לא מופעלת. אם נבחרה רמפה מופעלת, הגדר את סף ההדק כך שיביא לכניסה הרצויה לדגימה. ביצוע כניסה במיקום שנבחר.

בחר וטען את הנתונים לניתוח בתוכנה. ערכי קלט מכוילים עבור קבוע הקפיץ, DS, או רגישות מנוף אופטי הופכי, ורדיוס קצה הבדיקה, יחד עם הערכה ליחס פואסון של הדגימה. בחר דגם מכניקת מגע ננו-הזחה המתאים לקצה ולדגימה.

הפעל את אלגוריתם ההתאמה. בדוק התאמה נכונה של עקומות FD. שגיאה שיורית נמוכה המתאימה לממוצע R בריבוע ליד אחדות מצביעה על התאמה טובה לדגם הנבחר.

אם תרצה, בדוק נקודתית עקומות בודדות כדי לבדוק חזותית את העקומה, התאמת הדגם ונקודות המגע המחושבות. עקומות FD כמעט אידיאליות המתקבלות באוויר על דגימת אורן לובולי משובץ שרף ובתמיסת מלח חוצצת פוספט על גרעין תא גזע מזנכימלי מוצגות. עם גשושית הסיליקון, הקצה חווה שחיקה משמעותית ביחס למצבו הבתולי הראשוני במהלך ההדמיה.

עם כל תמונה עוקבת, הקצה הופך בהדרגה מעוגל יותר. בניגוד לבדיקת היהלום, רדיוס החוד לא השתנה בגבולות שיטת שחזור החוד העיוור, מה שהדגיש את עמידות השחיקה הקיצונית של היהלום. תמונת טופוגרפיה של AFM המכסה תאים מרובים עם תיאור תלת-ממדי מדומה ומפה מודולוס תואמת של דגימת אורן לובולי מוצגת כאן.

מפת מודולוס שמקורה ב-AFM שנוצרה בעת קבלת תמונת AFM מראה שהכללת המינרלים במרכז התמונות קשה משמעותית מהמטריצה האורגנית שמסביב. ההשפעה של רדיוס קצה הבדיקה וצורתו על המראה של תכונות יחס גובה-רוחב גבוה של דגימת פצלי Bakken מוצגת. ננו-הזחה מבוססת Cantilever על תאי גזע מזנכימליים וגרעינים מבודדים לא הראתה הבדל סטטיסטי במודולוס אלסטי.

המורפולוגיה והתכונות המכניות של כולסטרול המכיל דו-שכבות שומנים שנחקרו על ידי AFM מודגמות כאן. כיול בדיקה נכון ובחירה של פרמטרי רמפה מתאימים במודלים של מכניקת מגע חיוניים למדידות ננומכניות מדויקות. בנוסף להפעלת מדידות מודולריות אלסטיות, ניתן להשתמש בננו-הזחה מבוססת AFM כדי לחקור את חוזק הקרע או כוח פריצת הדרך של דו-שכבות פוספוליפידים בתנאים פיזיולוגיים רלוונטיים.

ננו-הזחה מבוססת AFM cantilever אפשרה לחקור את ההשפעות של נוקאאוטים מבניים, טיפולים תרופתיים ותנודות בעוצמה נמוכה כדי לדמות פעילות גופנית על התכונות המכניות של גרעיני תאי גזע מזנכימליים.