Method Article

3次元高速フォースマッピングを用いた固液界面における溶液構造の可視化

DOI:

10.3791/62585

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August 6th, 2021

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1Physical and Computational Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 2Department of Materials Science and Engineering, University of Washington, 3Department of Chemical Engineering, University of Washington, 4Department of Chemistry, Washington State University, 5CUNY City College of New York

In This Article

Summary

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ここでは、界面領域内の先端とサンプルの相互作用をマッピングすることにより、サブナノメートルの分解能で固液界面の溶液構造を視覚化するための3次元高速フォースマッピング(原子間力顕微鏡技術)を使用するためのプロトコルを紹介します。

Abstract

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さまざまな研究分野での課題の中には、固液界面の可視化と、イオン濃度、pH、配位子、微量添加物などの溶液条件、および基礎となる結晶学と化学によってそれらがどのように影響を受けるかを理解することがあります。これに関連して、3次元高速フォースマッピング(3D FFM)は、界面での解構造を調査するための有望なツールとして浮上しています。この機能は原子間力顕微鏡(AFM)に基づいており、サブナノメートルの分解能で3空間次元の界面領域を直接視覚化することができます。ここでは、3D FFMデータを取得するための実験プロトコルについて詳しく説明します。サンプルとアプリケーションに応じて動作パラメータを最適化するための主な考慮事項について説明します。さらに、測定された機器の観測量を局所解構造にリンクできるチップサンプル力マップに変換するなど、データ処理と分析の基本的な方法について説明します。最後に、3D FFMデータの解釈に関連するいくつかの未解決の問題と、この手法が表面科学のレパートリーの中心的なツールになる方法に光を当てます。

Introduction

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多くの興味深い現象は、コロイド相互作用の古典的な理論が破綻する固液界面の数ナノメートル内で発生します1。溶媒分子とイオンは、触媒3、イオン吸着4,5、電子移動6,7、生体分子集合体8、粒子凝集9、付着物10,11、集合体12,13など、予想外のパターン2と多様なプロセスに組織化されますが発生する可能性があります。しかし、界面での溶液構造を特徴付けることができる手法は、特にサブナノメートルの3D解像度ではほとんどありません。この文脈で、原子間力顕微鏡(AFM)に基づく技術である3次元高速フォースマッピング(3D FFM)は、界面溶液構造を決定し、そのような現象への影響....

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Protocol

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1. AFMチップの装填とキャリブレーション

  1. カンチレバーチップを水とイソプロパノール溶剤に数分間連続して浸して清掃し、汚染物質や有機吸着物を除去します。その他の一般的な洗浄方法には、アルゴンプラズマまたは紫外線オゾン表面処理が含まれます。
    注:異なるデータセットを比較するときは、サンプルとカンチレバーの準備に一貫性を持たせてください。洗浄プロセスの変更は、表面化学、親水性、さらには形状などの先端特性に影響を与える可能性があり、したがって、測定された力40に影響を与える可能性がある。
  2. カンチレバーホルダーも水とイソプロパノール溶剤で清掃します。
  3. 使用中のAFM機器に典型的であるように、ホルダークランプまたはネジを使用してカンチレバーをホルダーにロードします。カンチレバーホルダーをAFMに接続します。
  4. AFMソフトウェアを使用して応答信号を最大化するように先端のレーザースポットを位置合わせし、偏向信号をゼロにします。
  5. 空気中のカンチレバースプリング定数を測定します。このステップは、カンチレバーの熱変動を記録し、最初の共振ピークをメーカーのプロトコルに従って実行される単純な調和振動子モデルに適合させることにより、最新のほとんどの顕微鏡で自動化されています。
    注:ばね定数の測定は、一部のAFMアプリケーション....

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Results

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図2A は、3Dフォースマッピングの概略図を示しています。振幅変調モードで動作する他のAFM技術と同様に、振動するカンチレバーが表面を横切ってスキャンされます。各座標での先端高さに加えて、先端が表面に近づいたり、表面から後退したりするときに、位相シフトや振幅などの機器の観測量が収集されます。その結果、観測可能なデータ(特に振動振幅、位相シフト、先端のたわみ)の3Dデータセットが得られ、先端にかかる力の測定値に容易に変換できます。このチップ変調方法は、高速な取得速度に適しており、数十秒の妥当な時間スケールで信頼性の高い3Dデータを生成します。

代表的な例として、水と接触した白雲母雲母の表面の3Dフォースマップが提供されています(図2B、C)。AFMティップが受ける力勾配に関するデータ(詳細は以下)は、3つの空間次元で横方向と垂直方向のサブナノメートルの特徴を示しています。これらの特徴は、界面溶液の構造に起因し、表面から1ナノメートル.......

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Discussion

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AFMチップの選択
他のAFMアプリケーションと同様に、プローブチップの主な特性は、共振周波数、カンチレバーサイズ、チップ半径、チップの材質、およびスプリング定数です。これまでのほぼすべての3D FFM文献で、硬い高周波チップの使用が報告されています。最も一般的な例は、シリコンベースのチップ(AC55TS、PPP-NCH、Tap300-Gなど)であり、これらはより高い共振モード14で利用できる。他の研究グループは、USC-F5-k30-10カーボンチップを選択しました。いくつかの重要な考慮事項について、以下で説明します。

カンチレバーは硬く、ばね定数は k > 1 N/m です。そうしないと、先端は大きなたわみを受け、目的の正弦波軌道をたどるのではなく、各接近および後退サイクル中に表面に付着する可能性があります。表面との相互作用によるチップのたわみに加えて、測定された力勾配がサンプルによっては0.1 N/mを超える可能性があるため、溶液構造自体がスプリング定数が低いチップの安定性を損なう可.......

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Disclosures

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著者は、競合する金銭的利益またはその他の利益相反を宣言しません。

Acknowledgements

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貴重な議論をしてくださったMarta Kocun博士(Asylum Research)、福間武博士(金沢)、Ricardo Garcia博士(CSICマドリード)、Angelika Kühnle博士(ビーレフェルト)、Ralf Bechstein博士(ビーレフェルト)、Sebastien Seibert(ビーレフェルト)、大西浩博士(神戸)に感謝いたします。

3D FFM実験プロトコルの開発は、米国エネルギー省(DOE)、科学局(SC)、基礎エネルギー科学局(BES)が資金提供するエネルギーフロンティア研究センターであるIDREAM(Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials)の一部として支援されました。3D FFMデータ解析コードの開発は、パシフィックノースウエスト国立研究所(PNNL)のLaboratory Directed Research and Development Program(LDRD)によって、Linus Pauling Distinguished Postdoctoral Fellowshipプログラムを通じて支援されました。3D FFM測定機能の開発は、BES材料科学工学部門、合成およびプロセス科学プログラムの支援を受けてPNNLで行われました。PNNLは、契約番号の下でバテル記念研究所がDOEのために運....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AC55TS AFMティップオリンパス
サイファー VRS 原子間力顕微鏡アサイラムリサーチ
PPP-NCH AFMティップナノセンサー
Tap300-G AFMティップ バジェットセンサー
USC-F5-k30-10 AFMティップナノワールド
(AFMティップのオプションは1つだけ必要です)

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Israelachvili, J. N. Intermolecular and Surface Forces. Third edition. , Academic Press. (2011).
  2. Israelachvili, J. N., Pashley, R. M. Molecular layering of water at surfaces and origin of repulsive hydration forces. Nature. 306, (1983).
  3. Bentley, C. L., Kang, M., Unwin, P. R.

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