Mikroskopia sił atomowych Nanotwardość oparta na wspornikach: pomiary właściwości mechanicznych w nanoskali w powietrzu i płynie
2 grudnia 2022
Ilościowe określenie powierzchni styku i siły wywieranej przez końcówkę sondy mikroskopu sił atomowych (AFM) na powierzchnię próbki umożliwia określenie właściwości mechanicznych w nanoskali. Omówiono najlepsze praktyki w zakresie wdrażania nanotwardości opartej na wspornikach AFM w powietrzu lub płynie na miękkich i twardych próbkach w celu pomiaru modułu sprężystości lub innych właściwości nanomechanicznych.
Mikroskopia sił atomowych, czyli nanotwardość oparta na wspornikach AFM, może być wykorzystana do określenia nanoskalowych właściwości mechanicznych materiałów w zakresie modułu, od kilopaskali do gigapaskali zarówno w powietrzu, jak i płynie. Nanotwardość oparta na wspornikach AFM umożliwia kolokalizowane obrazowanie topograficzne i ilościowe pomiary właściwości mechanicznych in situ z nanoskalową precyzją i rozdzielczością na szerokim zakresie materiałów i odpowiednich środowisk. Nanowgłębienie oparte na wspornikach AFM może być stosowane do różnicowania zdrowych i chorych struktur, tkanek lub komórek, które wykazują rozbieżne właściwości mechaniczne
.Dokładne określenie powierzchni styku próbki końcówki i siły przyłożonej podczas nanotwardości opartej na wsporniku wymaga starannej kalibracji sondy AFM, co jest trudne, ale niezbędne do ilościowych pomiarów właściwości mechanicznych w nanoskali. Aby rozpocząć, wybierz odpowiednią mikroskopię sił atomowych lub sondę AFM do nanotwardości zamierzonej próbki w oparciu o medium, oczekiwany moduł, topografię próbki i odpowiednie rozmiary cech. Załaduj sondę do uchwytu sondy i przymocuj uchwyt sondy do głowicy skanującej AFM.
Wybierz odpowiedni tryb nanoindentacji w oprogramowaniu AFM, który umożliwia użytkownikowi kontrolę nad poszczególnymi rampami. Ustaw laser z tyłu wspornika sondy naprzeciwko miejsca końcówki sondy i do detektora czułego na położenie lub PSD. Wyśrodkuj plamkę wiązki laserowej z tyłu wspornika, maksymalizując sumę napięcia.
Następnie wyśrodkuj odbitą wiązkę laserową na PSD, dostosowując sygnały odchylenia w pionie i poziomie tak, aby były jak najbardziej bliskie zeru, zapewniając w ten sposób maksymalny wykrywalny zakres ugięcia w celu wytworzenia napięcia wyjściowego proporcjonalnego do ugięcia wspornika. Skalibruj czułość ugięcia (DS) systemu AFM sondy. Aby to zrobić, ustaw i wykonaj wgłębienia kalibracyjne DS na Sapphire, aby uzyskać w przybliżeniu takie samo ugięcie sondy, jak planowane wgłębienia próbki, ponieważ zmierzone przemieszczenie jest funkcją kąta ugięcia końcówki i staje się nieliniowe dla dużych ugięć.
Powtórz rampę pięć razy. Określić DS w nanometrach na wolt lub odwrotną czułość dźwigni optycznej i wolty na nanometr na podstawie nachylenia części liniowej reżimu kontaktowego po początkowym punkcie kontaktu na wynikowej krzywej przemieszczenia siły lub FD. Użyj średniej wartości, aby uzyskać maksymalną dokładność.
Jeśli względne odchylenie standardowe przekracza 1%, należy ponownie zmierzyć DS, ponieważ czasami kilka pierwszych krzywych FD nie jest idealnych ze względu na początkowe wprowadzenie sił adhezyjnych. Jeśli stała sprężystości wspornika sondy K nie jest fabrycznie skalibrowana, należy skalibrować stałą sprężystości. Jeśli sonda nie ma fabrycznie skalibrowanego pomiaru promienia końcówki, zmierz efektywny promień końcówki R. Jeśli korzystasz z metody rekonstrukcji końcówki ślepej, zobrazuj charakterystykę końcówki lub próbkę chropowatości przy użyciu niskiej szybkości skanowania i wysokich zysków sprzężenia zwrotnego, aby zoptymalizować śledzenie bardzo ostrych elementów.
Wybierz rozmiar obrazu i gęstość pikseli na podstawie oczekiwanego promienia końcówki. Następnie użyj oprogramowania do analizy obrazu AFM, aby zamodelować końcówkę sondy i oszacować jej promień końcowy oraz efektywną średnicę końcówki przy oczekiwanej głębokości wgłębienia próbki. Po zakończeniu kalibracji sondy wprowadź wartości DS, K i R w oprogramowaniu.
Na koniec wprowadź oszacowanie współczynnika Poissona próbki, aby przeliczyć zmierzony moduł zredukowany na rzeczywisty moduł próbki. W przypadku stosowania stożkowego lub konosferycznego modelu mechaniki kontaktowej opartego na kształcie końcówki i głębokości wcięcia, konieczne jest wprowadzenie kąta połówkowego końcówki. Poruszaj się po próbce pod głowicą AFM i zaangażuj się w żądany obszar zainteresowania.
Monitoruj sygnał odchylenia pionowego lub wykonaj małą początkową rampę, aby sprawdzić, czy końcówka i próbka stykają się. Ustaw głowicę AFM lekko w górę i ponownie pochyl. Powtarzaj tę czynność, aż końcówka i próbka przestaną się stykać, o czym świadczy prawie płaska rampa i minimalne odchylenie wspornika w pionie.
Gdy nie występuje żadna oczywista interakcja z próbką końcówki, opuść głowicę AFM o ilość odpowiadającą około 50% rozmiaru rampy, aby upewnić się, że końcówka sondy nie uderzy w próbkę podczas ręcznego przesuwania głowicy AFM. Ponownie rampa, powtarzając się, aż zostanie zaobserwowana dobra krzywa. Dostosuj parametry rampy.
Wybierz odpowiedni rozmiar rampy w zależności od próbki i żądanej głębokości wcięcia. Następnie wybierz odpowiednią szybkość narastania. Jeden herc jest dobrym punktem wyjścia dla większości próbek.
Ustaw liczbę próbek na rampę, aby osiągnąć żądaną rozdzielczość pomiaru. Ustaw obrót X, aby zmniejszyć siły ścinające na próbce i końcówce, jednocześnie lekko przesuwając sondę w kierunku X i wciskając w kierunku Z. Należy użyć wartości dla opcji Obrót X równej kątowi odsunięcia uchwytu sondy względem normalnej powierzchni.
Następnie wybierz, czy chcesz zastosować rampę wyzwalaną, czy nieaktywną. W przypadku wybrania wyzwalanej rampy należy ustawić próg wyzwalania tak, aby powodował pożądane wgłębienie w próbce. Wykonaj wcięcie w wybranym miejscu.
Wybierz i załaduj dane do analizy w oprogramowaniu. Wprowadź skalibrowane wartości stałej sprężystości, DS lub odwróconej czułości dźwigni optycznej oraz promienia końcówki sondy, wraz z oszacowaniem współczynnika Poissona próbki. Wybierz model mechaniki kontaktu z nanoindentacją odpowiedni dla końcówki i próbki.
Uruchom algorytm dopasowania. Sprawdź, czy krzywe FD są prawidłowo dopasowane. Niski błąd resztkowy odpowiadający średniej R-kwadrat bliskiej jedności wskazuje na dobre dopasowanie do wybranego modelu.
W razie potrzeby należy przeprowadzić wyrywkową kontrolę poszczególnych krzywych, aby wizualnie sprawdzić krzywą, dopasowanie modelu i obliczone punkty kontaktu. Pokazano bliskie ideału krzywe FD uzyskane w powietrzu na próbce sosny loblolly zatopionej w żywicy oraz w buforowanym fosforanem roztworze soli na jądrze mezenchymalnych komórek macierzystych. W przypadku sondy krzemowej końcówka doświadczyła znacznego zużycia w stosunku do początkowego stanu pierwotnego podczas obrazowania.
Z każdym kolejnym obrazem końcówka staje się coraz bardziej zaokrąglona. W przeciwieństwie do sondy diamentowej, promień końcówki nie zmieniał się w granicach metody rekonstrukcji końcówki nieprzelotowej, co podkreśla ekstremalną odporność diamentu na zużycie. Pokazano tutaj obraz topograficzny AFM obejmujący wiele komórek z pseudo obrazem 3D i odpowiadającą mu mapą modułu próbki sosny loblolly.
Mapa modułu pochodząca z AFM wygenerowana podczas uzyskiwania obrazu AFM pokazuje, że inkluzja mineralna w środku obrazów jest znacznie trudniejsza niż otaczająca matryca organiczna. Przedstawiono wpływ promienia i kształtu końcówki sondy na wygląd cech o wysokim współczynniku kształtu próbki łupków Bakken. Nanowgłębienia oparte na wspornikach na mezenchymalnych komórkach macierzystych i izolowanych jądrach nie wykazały statystycznej różnicy w module sprężystości.
Przedstawiono morfologię i właściwości mechaniczne dwuwarstw lipidowych zawierających cholesterol badanych za pomocą AFM. Właściwa kalibracja sondy i dobór odpowiednich parametrów rampy w modelach mechaniki kontaktowej są niezbędne do dokładnych pomiarów nanomechanicznych. Oprócz umożliwienia elastycznych pomiarów modułowych, nanotwardość oparta na wspornikach AFM może być stosowana do badania wytrzymałości na zerwanie lub siły przebicia dwuwarstw fosfolipidowych w odpowiednich warunkach fizjologicznych.
Nanoindentyzacja oparta na wspornikach AFM umożliwiła zbadanie wpływu nokautów strukturalnych, leczenia farmakologicznego i wibracji o niskiej intensywności w celu symulacji ćwiczeń na właściwości mechaniczne jąder mezenchymalnych komórek macierzystych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł dotyczy zastosowania nanowciska z wykorzystaniem mikroskopii sił atomowych (AFM) do pomiaru nanoskalowych właściwości mechanicznych materiałów. Podkreśla znaczenie dokładnego określenia obszaru kontaktu i siły stosowanej przez sondę AFM dla ilościowych pomiarów.
Kluczowe komponenty badania
Obszar nauki
- Neuronauka
- Biofizyka
- Nauki materiałowe
Tło
- AFM umożliwia wysokorozdzielcze obrazowanie i pomiar właściwości mechanicznych.
- Może rozróżniać między zdrowymi i chorobowymi tkankami na podstawie ich właściwości mechanicznych.
- Kalibracja sondy AFM jest kluczowa dla dokładnych pomiarów.
- AFM może być stosowany w różnych środowiskach, w tym w powietrzu i w płynach.
Cel badania
- Dostarczyć najlepszych praktyk implementacji nanowciska z wykorzystaniem sondy AFM.
- Pomiar modułu sprężystości i innych nanomechanicznych właściwości.
- Poprawić zrozumienie właściwości materiałów w skali nano.
Stosowane metody
- Wybór odpowiednich sond AFM na podstawie charakterystyki próbki.
- Kalibracja sondy AFM dla dokładnego pomiaru obszaru kontaktu i siły.
- Przeprowadzanie nanowciska w środowiskach powietrznych i płynowych.
- Zlokalizowane współcześnie obrazowanie topograficzne podczas oceny właściwości mechanicznych.
Główne wyniki
- Udane pomiary właściwości mechanicznych w zakresie różnych materiałów.
- Wykazanie zdolności do rozróżniania różnych typów tkanek.
- Walidacja technik kalibracji dla poprawy dokładności pomiarów.
- Wgląd w zachowanie mechaniczne miękkich i twardych próbek.
Wnioski
- Nanowciska z wykorzystaniem sondy AFM jest potężnym narzędziem do analizy w skali nano.
- Właściwa kalibracja i wybór sondy są niezbędne dla wiarygodnych wyników.
- Ta technika może postępować w badaniach naukowych o materiałach i biologii.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
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.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of cellular and subcellular mechanical properties relevant to disease mechanisms.
- Supports functional target validation by differentiating mechanical phenotypes in response to genetic or pharmacological perturbations.
- Facilitates mechanistic de-risking by providing direct biophysical readouts at the nanoscale.
Screening & Assay Development
- Prepares validated biological systems for downstream compound screening by establishing baseline mechanical profiles.
- Delivers reproducible, quantitative outputs such as elastic modulus and rupture strength for assay standardization.
- Enables high-resolution mapping of sample heterogeneity, supporting robust assay development and platform scalability.
Translational & Preclinical Research
- Aligns nanoscale mechanical measurements with disease-relevant models, enhancing translational biomarker discovery.
- Provides continuity from discovery through preclinical validation by enabling co-localized imaging and mechanical mapping.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by quantifying the impact of structural or pharmacological interventions on mechanical properties.
Pipeline & Workflow Integration
AFM nanoindentation integrates into the discovery-to-preclinical continuum by providing quantitative, reproducible mechanical data for hypothesis testing, assay development, and translational research.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification through direct measurement of mechanical phenotypes.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative outputs for compound evaluation and reproducibility assessment.
- Analytics: Provides force-displacement curves, modulus maps, and rupture strength data for comparative analysis.
- Translational Research: Enables alignment of nanoscale mechanical properties with disease models and biomarker strategies.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for diverse sample types and experimental questions across R&D teams.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Standardizes measurement protocols and enhances reproducibility across experiments and teams.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and improves capital efficiency by providing robust biophysical data early in the pipeline.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of candidates based on quantitative mechanical criteria.
Implementation Considerations
- Requires expertise in AFM operation, probe calibration, and contact mechanics modeling.
- Demands access to high-precision instrumentation and analytical software for data acquisition and analysis.
- Necessitates cross-team standardization of calibration and measurement protocols for reproducibility.
- Must adapt probe selection and ramp parameters to accommodate sample heterogeneity and feature size.
- Considers limitations such as tip wear, surface roughness, and model selection for accurate data interpretation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:58
Sample Preparation and Instrument Setup
2:05
Probe Calibration
4:15
Collecting Force-Displacement (F-D) Data
5:58
F-D Curve Analysis
6:44
Results: Recent Advances in Atomic Force Microscopy for Surface Property Studies
8:07
Conclusion
