Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanische eigenschapsmetingen op nanoschaal in lucht en vloeistof

Atoomkrachtmicroscopie, of AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie, kan worden gebruikt om de mechanische eigenschappen op nanoschaal te bepalen van materialen variërend van modulus, van kilopascals tot gigapascals in zowel lucht als vloeistof. AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie maakt co-gelokaliseerde topografische beeldvorming en in situ kwantitatieve mechanische eigenschappen metingen mogelijk met nanoschaal precisie en resolutie op een breed scala aan materialen en relevante omgevingen. AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen gezonde en ziektestructuren, weefsels of cellen die uiteenlopende mechanische eigenschappen vertonen.

Het nauwkeurig bepalen van het contactoppervlak van het tipmonster en de kracht die wordt uitgeoefend tijdens nano-indentatie op basis van cantilever, vereist een zorgvuldige kalibratie van de AFM-sonde, wat een uitdaging is maar essentieel voor kwantitatieve metingen van mechanische eigenschappen op nanoschaal. Selecteer om te beginnen een geschikte atoomkrachtmicroscopie of AFM-sonde voor nano-indentatie van het beoogde monster op basis van het medium, de verwachte modulus, de monstertopografie en relevante kenmerkgroottes. Laad de sonde op de sondehouder en bevestig de sondehouder aan de AFM-scankop.

Selecteer een geschikte nano-indentatiemodus in de AFM-software die de gebruiker controle biedt over individuele hellingen. Lijn de laser uit op de achterkant van de sonde cantilever tegenover de locatie van de sondepunt en in de positiegevoelige detector of PSD. Centreer de laserstraalspot op de achterkant van de cantilever door de somspanning te maximaliseren.

Centreer vervolgens de gereflecteerde laserstraalspot op de PSD door de verticale en horizontale afbuigingssignalen zo dicht mogelijk bij nul te brengen, waardoor het maximaal detecteerbare doorbuigingsbereik wordt geboden voor het produceren van een uitgangsspanning die evenredig is met de cantilever-doorbuiging. Kalibreer de doorbuigingsgevoeligheid, of DS, van het AFM-systeem van de sonde. Om dit te doen, stelt u DS-kalibratie-inspringingen op saffier in en voert u deze uit om ongeveer dezelfde sondeafbuiging te bereiken als de geplande inspringingen van het monster, aangezien de gemeten verplaatsing een functie is van de doorbuigingshoek van de punt en niet-lineair wordt voor grote doorbuigingen.

Herhaal de helling vijf keer. Bepaal de DS in nanometers per volt of de inverse optische hefboomgevoeligheid en volt per nanometer uit de helling van het lineaire deel van het in-contactregime na het eerste contactpunt in de resulterende krachtverplaatsing, of FD, curve. Gebruik het gemiddelde van de waarden voor maximale nauwkeurigheid.

Als de relatieve standaardafwijking groter is dan 1%, meet de DS opnieuw, omdat de eerste paar FD-curven soms niet ideaal zijn vanwege de initiële introductie van kleefkrachten. Als de veerconstante K van de sonde niet in de fabriek is gekalibreerd, kalibreert u de veerconstante. Als de sonde geen in de fabriek gekalibreerde tipradiusmeting heeft, meet dan de effectieve tipradius R.Als u de blindepuntreconstructiemethode gebruikt, moet u de tipkarakterisering of het ruwheidsmonster in beeld brengen met behulp van een langzame scansnelheid en hoge feedbackwinsten om het volgen van de zeer scherpe functies te optimaliseren.

Kies een afbeeldingsgrootte en pixeldichtheid op basis van de verwachte tipradius. Gebruik vervolgens AFM-beeldanalysesoftware om de sondepunt te modelleren en de eindradius en effectieve tipdiameter te schatten op de verwachte inspringdiepte van het monster. Na het voltooien van de sondekalibratie voert u de DS-, K- en R-waarden in de software in.

Voer ten slotte een schatting in van de Poisson-verhouding van het monster om de gemeten gereduceerde modulus om te zetten in de werkelijke monstermodulus. Als u een conisch of conosferisch contactmechanicamodel gebruikt op basis van de tipvorm en inkepingdiepte, is het invoeren van de punthelfthoek noodzakelijk. Navigeer het voorbeeld onder het AFM-hoofd en ga in op het gewenste interessegebied.

Bewaak het verticale afbuigingssignaal of voer een kleine initiële helling uit om te controleren of de tip en het monster met elkaar in contact zijn. Stel de AFM-koppositie iets naar boven en helling weer op. Herhaal dit totdat de punt en het monster net geen contact meer hebben, zoals blijkt uit een bijna vlakke helling en minimale verticale doorbuiging van de cantilever.

Zodra er geen duidelijke interactie met het tipmonster aanwezig is, verlaagt u de AFM-kop met een hoeveelheid die overeenkomt met ongeveer 50% van de hellinggrootte om ervoor te zorgen dat de sondepunt niet tegen het monster botst terwijl u de AFM-kop handmatig beweegt. Nogmaals opstijgen, herhalen totdat een goede bocht wordt waargenomen. Pas de opritparameters aan.

Selecteer een geschikte hellinggrootte, afhankelijk van het monster en de gewenste inkepingdiepte. Selecteer vervolgens een geschikte rampsnelheid. Eén hertz is een goed uitgangspunt voor de meeste monsters.

Stel het aantal monsters per oprijplaat in om de gewenste resolutie van de meting te bereiken. Stel de X Rotate in om de schuifkrachten op het monster en de tip te verminderen door de sonde tegelijkertijd iets in de X-richting te bewegen terwijl de sonde in de Z-richting inspringt. Gebruik een waarde voor de X Roteren die gelijk is aan de verschuivingshoek van de sondehouder ten opzichte van het normale oppervlak.

Kies vervolgens of u een geactiveerde of niet-getriggerde oprit wilt gebruiken. Als een geactiveerde helling wordt gekozen, stelt u de triggerdrempel zo in dat de gewenste inspringing in het monster wordt weergegeven. Voer een inspringing uit op de gekozen locatie.

Selecteer en laad de te analyseren gegevens in de software. Voer gekalibreerde waarden in voor de veerconstante, DS of inverse optische hefboomgevoeligheid en de straal van de sondepunt, samen met een schatting voor de Poisson-verhouding van het monster. Kies een nano-indentatiecontactmechanicamodel dat geschikt is voor de tip en het monster.

Voer het aanpassingsalgoritme uit. Controleer of de FD-curven goed passen. Een lage restfout die overeenkomt met een gemiddelde R-kwadraat in de buurt van eenheid duidt op een goede pasvorm met het gekozen model.

Controleer desgewenst individuele curven om de curve, de pasvorm van het model en de berekende contactpunten visueel te inspecteren. Bijna ideale FD-curven verkregen in de lucht op een in hars ingebed loblolly-dennenmonster en in fosfaat-gebufferde zoutoplossing op een mesenchymale stamcelkern worden getoond. Met de siliciumsonde ondervond de tip aanzienlijke slijtage ten opzichte van de oorspronkelijke ongerepte toestand tijdens de beeldvorming.

Bij elke volgende afbeelding wordt de punt steeds meer afgerond. In tegenstelling tot de diamantsonde veranderde de tipradius niet binnen de grenzen van de blinde tipreconstructiemethode, wat de extreme slijtvastheid van de diamant benadrukte. Een AFM-topografiebeeld dat meerdere cellen bedekt met een pseudo-3D-afbeelding en een bijbehorende moduluskaart van een loblolly-dennenmonster wordt hier getoond.

AFM-afgeleide moduluskaart gegenereerd tijdens het verkrijgen van een AFM-afbeelding laat zien dat de minerale opname in het midden van afbeeldingen aanzienlijk moeilijker is dan de omringende organische matrix. Het effect van de straal en vorm van de sondepunt op het uiterlijk van kenmerken met een hoge beeldverhouding van een Bakken-schaliemonster wordt getoond. Op cantelever gebaseerde nano-indentatie op mesenchymale stamcellen en geïsoleerde kernen vertoonde geen statistisch verschil in elastische modulus.

De morfologie en mechanische eigenschappen van cholesterolhoudende lipide bilayers bestudeerd door AFM worden hier aangetoond. Een goede kalibratie van de sonde en de selectie van geschikte rampparameters in contactmechanicamodellen zijn essentieel voor nauwkeurige nanomechanische metingen. Naast het mogelijk maken van elastische modulaire metingen, kan AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie worden gebruikt om de breuksterkte of doorbraakkracht van fosfolipide bilayers onder fysiologische relevante omstandigheden te onderzoeken.

AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie heeft onderzoek mogelijk gemaakt naar de effecten van structurele knock-outs, farmaceutische behandelingen en trillingen met lage intensiteit om oefening op de mechanische eigenschappen van mesenchymale stamcelkernen te simuleren.