2022년 12월 2일
원자력 현미경(AFM) 프로브 팁이 샘플 표면에 가하는 접촉 면적과 힘을 정량화하면 나노 크기의 기계적 특성을 측정할 수 있습니다. 탄성 계수 또는 기타 나노기계적 특성을 측정하기 위해 연질 및 경질 샘플의 공기 또는 유체에서 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 구현하는 모범 사례에 대해 설명합니다.
원자력 현미경 또는 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 공기와 유체 모두에서 킬로파스칼에서 기가파스칼에 이르는 모듈러스 범위의 재료의 나노 스케일 기계적 특성을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 광범위한 재료 및 관련 환경에서 나노 단위의 정밀도와 분해능으로 공동 국소화된 지형 이미징 및 현장 정량적 기계적 특성 측정을 가능하게 합니다. AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 다양한 기계적 특성을 나타내는 건강한 구조와 질병 구조, 조직 또는 세포를 구별하는 데 사용할 수 있습니다.
캔틸레버 기반 나노인덴테이션 중에 가해지는 팁 시료 접촉 면적과 힘을 정확하게 결정하려면 AFM 프로브를 세심하게 보정해야 하며, 이는 까다롭지만 정량적인 나노스케일 기계적 특성 측정에 필수적입니다. 시작하려면 매체, 예상 계수, 샘플 지형 및 관련 피처 크기를 기반으로 의도한 샘플의 나노인덴테이션을 위한 적절한 원자력 현미경 또는 AFM 프로브를 선택합니다. 프로브를 프로브 홀더에 로드하고 프로브 홀더를 AFM 스캔 헤드에 부착합니다.
AFM 소프트웨어에서 사용자가 개별 램프를 제어할 수 있는 적절한 나노인덴테이션 모드를 선택합니다. 레이저를 프로브 팁 위치 반대쪽의 프로브 캔틸레버 뒷면과 위치 감지 감지기(PSD)에 맞춥니다. 합계 전압을 최대화하여 캔틸레버 뒷면의 레이저 빔 스폿을 중앙에 배치합니다.
다음으로, 수직 및 수평 편향 신호를 가능한 한 0에 가깝게 조정하여 반사된 레이저 빔 스폿을 PSD에 중앙에 배치함으로써, 캔틸레버 편향에 비례하는 출력 전압을 생성하기 위한 최대 검출 가능한 편향 범위를 제공합니다. 프로브 AFM 시스템의 편향 감도(DS)를 교정합니다. 이렇게 하려면 측정된 변위가 팁 편향 각도의 함수이고 큰 편향에 대해 비선형이 되기 때문에 계획된 샘플 압흔과 거의 동일한 프로브 편향을 달성하기 위해 Sapphire에서 DS 보정 압흔을 설정하고 수행합니다.
램프를 다섯 번 반복합니다. 볼트당 나노미터 단위의 DS 또는 역광학 레버 감도 및 결과적인 힘 변위 또는 FD 곡선의 초기 접촉점 이후 인접촉 영역의 선형 부분의 기울기로부터 나노미터당 볼트 단위의 DS를 결정합니다. 최대 정확도를 위해 값의 평균을 사용합니다.
상대 표준 편차가 1%를 초과하면 DS를 재측정합니다., 때때로 처음 몇 개의 FD 곡선은 접착력의 초기 도입으로 인해 이상적이지 않습니다. 프로브 캔틸레버의 스프링 상수 K가 공장에서 보정되지 않은 경우 스프링 상수를 보정합니다. 프로브에 공장에서 보정된 팁 반경 측정값이 없는 경우 블라인드 팁 재구성 방법을 사용하는 경우 효과적인 팁 반경 R.If 매우 선명한 형상의 추적을 최적화하는 데 도움이 되도록 느린 스캔 속도와 높은 피드백 게인을 사용하여 팁 특성화 또는 거칠기 샘플을 이미지화합니다.
예상 팁 반경을 기준으로 이미지 크기와 픽셀 밀도를 선택합니다. 다음으로, AFM 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 프로브 팁을 모델링하고 예상 샘플 압흔 깊이에서 프로브 팁의 끝 반경과 유효 팁 직경을 추정합니다. 프로브 교정이 완료되면 소프트웨어에 DS, K 및 R 값을 입력합니다.
마지막으로, 샘플의 포아송 비율 추정치를 입력하여 측정된 감소된 계수를 실제 샘플 계수로 변환합니다. 팁 모양과 압흔 깊이를 기반으로 하는 원뿔형 또는 원구형 접촉 역학 모델을 사용하는 경우 팁 반각을 입력해야 합니다. AFM 헤드 아래의 샘플을 탐색하고 원하는 관심 영역에 참여합니다.
수직 편향 신호를 모니터링하거나 작은 초기 램프를 수행하여 팁과 샘플이 접촉하는지 확인합니다. AFM 헤드 위치를 약간 위쪽으로 조정하고 ramp 다시. 팁과 샘플이 접촉하지 않을 때까지 반복하며, 이는 거의 평평한 램프와 캔틸레버의 최소 수직 처짐에 의해 입증됩니다.
명백한 팁 샘플 상호 작용이 없으면 램프 크기의 약 50%에 해당하는 양만큼 AFM 헤드를 낮추어 AFM 헤드를 수동으로 이동하는 동안 프로브 팁이 샘플에 충돌하지 않도록 합니다. 좋은 곡선이 관찰될 때까지 반복하면서 다시 램프를 돌립니다. 램프 매개변수를 조정합니다.
샘플과 원하는 압흔 깊이에 따라 적절한 램프 크기를 선택합니다. 그런 다음 적절한 램프 속도를 선택합니다. 1헤르츠는 대부분의 표본에서 좋은 출발점입니다.
r당 샘플 수를 설정합니다.amp 원하는 측정 분해능을 얻을 수 있습니다. X 회전을 설정하여 샘플과 팁의 전단력을 줄이면서 동시에 프로브를 X 방향으로 약간 움직여 Z 방향으로 움푹 들어간 곳을 설정합니다. X 회전(X Rotate) 값을 표면 수직에 대한 프로브 홀더의 오프셋 각도와 동일하게 사용합니다.
다음으로, 트리거된 램프를 사용할지 또는 트리거되지 않은 램프를 사용할지 여부를 선택합니다. 트리거된 램프를 선택한 경우 트리거 임계값을 설정하여 샘플에 원하는 압흔이 들어오도록 합니다. 선택한 위치에서 들여쓰기를 수행합니다.
소프트웨어에서 분석할 데이터를 선택하고 로드합니다. 스프링 상수, DS 또는 역 광학 레버 감도, 프로브 팁 반경에 대한 보정된 값과 샘플의 푸아송 비율 추정치를 입력합니다. 팁과 샘플에 적합한 나노인덴테이션 접촉 역학 모델을 선택합니다.
피팅 알고리즘을 실행합니다. FD 곡선이 제대로 맞는지 확인하십시오. 평균 R-제곱 근단일성에 해당하는 낮은 잔차 오차는 선택한 모형에 적합도가 높다는 것을 나타냅니다.
원하는 경우 개별 커브를 스폿 체크하여 커브, 모델 피팅 및 계산된 접촉점을 육안으로 검사합니다. 수지가 내장된 로블로리 소나무 샘플의 공기 중과 중간엽 줄기 세포 핵의 인산염 완충 식염수에서 얻은 거의 이상적인 FD 곡선이 표시됩니다. 실리콘 프로브를 사용하면 팁이 이미징 전반에 걸쳐 초기 원시 상태에 비해 상당한 마모를 경험했습니다.
이후의 각 이미지에서 팁은 점점 더 둥글게 됩니다. 다이아몬드 프로브와 달리 팁 반경은 블라인드 팁 재구성 방법의 한계 내에서 변하지 않아 다이아몬드의 극한의 내마모성을 강조했습니다. 의사 3D 묘사와 로블로리 소나무 샘플의 해당 모듈러스 맵으로 여러 세포를 덮고 있는 AFM 지형 이미지가 여기에 표시됩니다.
AFM 영상을 획득하는 동안 생성된 AFM 유래 모듈러스 맵은 영상의 중앙에 미네랄 함유가 주변 유기 매트릭스보다 현저히 더 단단하다는 것을 보여준다. 프로브 팁 반경과 모양이 Bakken 셰일 샘플의 고종횡비 특징의 모양에 미치는 영향을 보여줍니다. 중간엽 줄기 세포와 분리된 핵에 대한 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 탄성 계수에서 통계적 차이를 나타내지 않았습니다.
AFM에 의해 연구된 지질 이중층을 함유한 콜레스테롤의 형태 및 기계적 특성이 여기에서 입증됩니다. 접촉 역학 모델에서 적절한 프로브 교정과 적절한 램프 파라미터 선택은 정확한 나노 기계 측정에 필수적입니다. 탄성 모듈식 측정을 가능하게 하는 것 외에도 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 사용하여 생리학적 관련 조건에서 인지질 이중층의 파열 강도 또는 파열력을 조사할 수 있습니다.
AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 통해 구조적 녹아웃, 약물 처리 및 저강도 진동의 효과를 조사하여 중간엽 줄기 세포 핵의 기계적 특성에 대한 운동을 시뮬레이션할 수 있었습니다.
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이 기사는 원자간 힘 현미경(AFM) 캔틸레버 기반 나노 인덴테이션을 사용하여 재료의 나노 규모 기계적 특성을 측정하는 방법에 대해 설명합니다. 정량적 측정을 위해 AFM 프로브가 적용한 접촉 면적과 힘을 정확하게 결정하는 것의 중요성을 강조합니다.
Atomic force microscopy (AFM) cantilever-based nanoindentation enables quantitative measurement of nanoscale mechanical properties in both air and physiological fluids, supporting high-resolution biophysical characterization. This capability is critical for de-risking early discovery hypotheses, especially when distinguishing healthy from diseased cellular or tissue states based on mechanical phenotypes. The method's precision and adaptability across diverse sample types position it as a reusable platform for predictive confidence in biopharma R&D pipelines.
AFM nanoindentation integrates into the discovery-to-preclinical continuum by providing quantitative, reproducible mechanical data for hypothesis testing, assay development, and translational research.