액체의 진폭 변조 원자 힘 현미경과 서브 나노 미터 해상도 이미징

이 절차의 전반적인 목표는 상용 AFM 작동 및 진폭 변조(태핑 모드라고도 함)를 사용하여 액체에서 가능한 최고 해상도의 이미징을 달성하는 것입니다. 이 방법은 고해상도를 위한 최상의 매개변수 조합을 사용하여 액체에서 표준 AFM 작동의 한계를 극복하는 데 도움이 됩니다. 이 기술의 주요 장점은 대부분의 상용 AFM과 함께 사용할 수 있으므로 전문 장비가 필요하지 않다는 것입니다.

여기에 제시된 방법은 이미 AFM에 대한 기본 지식을 가지고 있지만 이 기술을 통해 더 많은 것을 얻고자 하는 과학자 및 기술자를 대상으로 합니다. 이 방법은 특정 유형의 시료를 대상으로 하지 않으며 물리학, 생물학, 화학, 재료 및 서비스 과학의 시료에 광범위하게 적용할 수 있습니다. 일반적으로 이 기술을 처음 접하는 개인은 주어진 샘플에 대한 최상의 매개변수를 찾는 데 약간의 인내심이 필요하기 때문에 어려움을 겪을 것입니다.

목욕은 기구를 초음파 처리하고, 기판을 지지하는 디스크를 초순수로 초음파 처리합니다. 이소프로판올, 그리고 다시 초순수를 각각 10분 동안 투여합니다. 고해상도를 목표로 할 때 모든 오염은 해로운 결과를 초래할 수 있습니다.

항상 장갑을 착용하고 샘플, 캔틸레버 또는 AFM 셀과 접촉하는 모든 표면이나 기구를 철저히 청소하십시오. 초음파 처리 후 각 기기와 샘플 디스크를 질소의 흐름으로 건조시킵니다. 강철 디스크를 운모의 지지대로 사용하여 단일 흡수된 금속 이온을 이미지화합니다.

초음파 처리로 청소할 수 없는 표면은 초순수, 이소프로판올 및 초순수에 적신 단일 플라이 낮은 보푸라기 조직으로 순차적으로 닦아 물리적으로 청소합니다. 표면을 최대 30분 동안 공기 중에서 건조시키십시오. 다음으로, 시약을 철저히 혼합하여 소량의 에폭시 접착제를 준비하고 깨끗한 강철 샘플 디스크에 약 10마이크로리터의 에폭시를 놓습니다.

운모 기판을 에폭시에 놓고 기판에 압력을 가하여 강철 디스크에 부착합니다. 에폭시가 제조업체 사양에 따라 고온에서 몇 시간 동안 경화되도록 합니다. 그런 다음 2.5cm 너비의 접착 테이프를 기판에 단단히 눌러 얼굴 전체를 덮고 최상층을 부드럽게 떼어냅니다.

운모가 눈에 매끄럽게 거울처럼 보일 때까지 이 과정을 두세 번 반복합니다. 캔틸레버 칩을 이사프로판올 욕조에 담근 다음 초순수를 각각 60분 동안 담그십시오. 그런 다음 팁을 최대 5분 동안 자외선에 노출시켜 안정적인 수분 부위를 형성합니다.

과다 노출 시간이 길면 팁이 손상되거나 곡률 반경이 증가할 수 있습니다. 캔틸레버를 AFM의 캔틸레버 홀더에 삽입하고 이미징 액체 25마이크로리터를 캔틸레버와 팁에 피펫팅하여 표면을 미리 적십니다. 이렇게 하면 샘플에 접근할 때 기포가 나타나는 것을 줄일 수 있습니다.

샘플 디스크와 기판을 샘플 스테이지에 녹이고 이미징 액체 한 방울을 샘플에 추가합니다. 그런 다음 캔틸레버 홀더를 AFM에 연결합니다. 캔틸레버와 샘플을 가까이 가져와서 캔틸레버 팁의 유체와 샘플의 유체 사이에 모세관 다리를 형성합니다.

AFM 소프트웨어를 사용하여 측정 레이저를 캔틸레버의 팁 끝 부분에 가깝게 정렬합니다. 다음으로, 열 스펙트럼의 주 피크에서 캔틸레버의 체류 주파수를 찾으십시오. 캔틸레버의 편향이 보정된 경우 레지던스 피크를 단순 고조파 발진기 모델에 맞추면 캔틸레버의 스프링 상수가 생성됩니다.

그런 다음 열 스펙트럼에서 식별된 공진 주파수에 가까운 주파수 범위에서 외부에서 구동될 때 진폭 응답을 찾아 캔틸레버를 조정합니다. 자유 진동 진폭이 약 5나노미터가 되도록 구동 진폭을 조정합니다. 이것은 일반적으로 대부분의 AFM에서 0.2-0.8볼트에 해당합니다.

그런 다음 진폭 설정점을 자유 진폭의 약 80%로 조정합니다. 다음으로, 피드백 게인을 상대적으로 높게 설정합니다. 불안정성이나 링잉이 발생하지 않는지 확인한 후 초기 스캔 속도를 약 1헤르츠로 설정하고 스캔 크기를 10나노미터로 설정합니다.

AFM 제어 소프트웨어를 사용하여 표면에 대한 팁의 접근을 시작합니다. 설정값 값을 약간 변경하여 팁을 이미지화하지 않고 표면에 도달했는지 평가합니다. 팁이 표면에 있는 경우 ZPA 영역의 확장에 미치는 영향은 무시할 수 있어야 합니다.

팁이 표면에 도달하면 ZPA 영역을 후퇴시키고 캔틸레버를 다시 조정합니다. 공진 주파수는 팁 샘플 상호 작용으로 인해 더 낮은 값으로 이동했을 가능성이 높습니다. 이제 설정값을 새로 조정된 자유 진폭의 약 80%로 변경하고 캔틸레버를 사용하여 진폭 변조 모드에서 표면의 10 x 10 나노미터 제곱 스캔을 수행하여 이미징 매개변수가 적합한지 확인합니다.

추적 및 재추적 프로파일이 겹쳐지는지 확인합니다. 그렇지 않은 경우 설정값을 더 낮추고 이득을 높이십시오. 이미지에 노이즈가 생기면 게인을 낮추십시오.

가능한 경우 샘플의 1-5마이크로미터 제곱 영역으로 작업을 반복합니다. 연성 또는 생물학적 샘플에서는 팁이 오염될 수 있습니다. 스캔 크기를 관심 있는 기능을 시각화하는 데 적합한 값으로 줄입니다.

이것은 20 x 20 나노 미터만큼 낮을 수 있습니다. 다음으로, 피드백 루프가 ZPA 영역을 자동으로 후퇴시키고 표면에서 팁을 향상시킬 수 있을 만큼 캔틸레버의 구동 진폭을 줄입니다. 캔틸레버가 표면에서 떨어져 있는 동안 캔틸레버 진폭이 1-2나노미터 피크 투 피크가 되도록 구동 진폭을 조정합니다.

ZPA 영역이 다시 표면을 향해 확장되고 원본 이미지가 복구될 때까지 설정값을 작은 단계로 점진적으로 줄입니다. 설정점 진폭을 새로운 자유 진폭의 75%에서 95% 사이로 유지합니다. 그런 다음 더 높은 게인은 큰 노이즈를 도입하지 않고 더 낮은 진폭에서 사용할 수 있으므로 게인을 다시 조정하십시오.

고해상도를 위한 자유 진폭, 설정점 및 게인의 최적 조합을 찾을 수 있도록 시스템을 최적화합니다. 최적의 시스템 조건은 샘플, 액체의 습윤 특성 및 사용되는 캔틸레버에 따라 다릅니다. 용매 인터페이스의 경우 스프링 상수가 미터당 0.5에서 2뉴턴인 캔틸레버를 사용합니다.

이 기술을 사용하여 광범위한 샘플에서 나노미터 미만의 해상도 이미지를 얻었습니다. 여기에 표시된 부드러운 샘플에는 지질 이중층, halobacterium salinarum의 자주색 막, 친통성 이분자의 자체 조립 단층, 소 렌즈 막의 아쿠아포린 결정이 포함됩니다. 각각의 경우 관심 있는 기능이 강조 표시됩니다.

작은 진동 진폭과 높은 설정점은 팁이 샘플에 가하는 힘을 최소화하여 이중층의 지질, 천연 생체막의 단백질 및 친량성 분자의 취약한 자체 조립을 손상 없이 용액에서 이미지화할 수 있습니다. 운모 표면에 흡수된 방해석, 티탄화 스트론튬, 탄화규소 및 단일 금속 이온과 같은 더 단단한 결정질 물질은 이 접근 방식을 사용하여 이미지화할 수 있는데, 모든 경우에 효과적으로 이미징되는 것은 결정 자체가 아니라 계면 액체이기 때문입니다. 일단 숙달되면 이 기술은 올바르게 수행될 때마다 거의 매번 액체에서 분자 또는 원자 수준의 분해능을 제공합니다.

이 절차를 시도할 때 이미징되는 것이 계면 액체라는 점을 염두에 두는 것이 중요합니다. 이는 소프트 이미징 조건을 사용하는 것을 의미합니다. 팁, 샘플 또는 액체의 오염은 일반적으로 고분해능을 달성하지 못하는 주요 원인입니다.

의심스러우면 액체와 접촉하는 모든 표면을 청소하고 이미징 솔루션을 재사용하는 것이 좋습니다. 외부 소음도 고해상도에 해롭습니다. 환기 덕트에서 멀리 떨어진 낮은 진동 바닥이 더 좋습니다.

이 비디오를 시청한 후에는 고해상도 AFM을 달성하기 위해 이미징 매개변수를 최적화하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 물론 모든 최첨단 기술의 경우 샘플을 가장 잘 이미지화하는 방법을 알아내는 데 여러 번의 시도가 필요할 수 있으므로 인내심이 중요합니다.