Атомно-силовая микроскопия Наноиндентирование на основе кантилеверов: измерения механических свойств на наноуровне в воздухе и жидкости

Атомно-силовая микроскопия, или наноиндентирование на основе кантилеверов AFM, может быть использована для определения наноразмерных механических свойств материалов в диапазоне модулей от килопаскалей до гигапаскалей как в воздухе, так и в жидкости. Наноиндентирование на основе консоли АСМ позволяет совместно локализовать топографическую визуализацию и количественные измерения механических свойств in situ с наноразмерной точностью и разрешением на широком спектре материалов и соответствующих сред. Наноиндентирование на основе консоли AFM можно использовать для дифференциации здоровых и больных структур, тканей или клеток, которые проявляют различные механические свойства.

Точное определение площади контакта образца наконечника и силы, приложенной во время наноиндентирования на основе консоли, требует тщательной калибровки зонда АСМ, что является сложной задачей, но необходимо для количественных наноразмерных измерений механических свойств. Для начала выберите подходящую атомно-силовую микроскопию или зонд АСМ для наноиндентирования предполагаемого образца на основе среды, ожидаемого модуля, топографии образца и соответствующих размеров элементов. Нагрузите зонд на держатель зонда и прикрепите держатель зонда к сканирующей головке AFM.

Выберите подходящий режим наноиндентирования в программном обеспечении AFM, который позволяет пользователю управлять отдельными пандусами. Совместите лазер с задней частью консольного зонда напротив расположения наконечника зонда и с позиционно-чувствительным детектором или PSD. Отцентрируйте пятно лазерного луча на задней панели кантилевера, максимизировав суммарное напряжение.

Затем отцентрируйте отраженное пятно лазерного луча на PSD, отрегулировав сигналы вертикального и горизонтального отклонения так, чтобы они были как можно ближе к нулю, тем самым обеспечивая максимальный обнаруживаемый диапазон отклонения для получения выходного напряжения, пропорционального отклонению кантилевера. Откалибруйте чувствительность к отклонению, или DS, системы АСМ зонда. Для этого установите и выполните калибровочные отступы DS на Sapphire для достижения примерно того же отклонения зонда, что и запланированные отступы образца, поскольку измеренное смещение является функцией угла отклонения наконечника и становится нелинейным для больших отклонений.

Повторите пандус пять раз. Определите DS в нанометрах на вольт или обратную чувствительность оптического рычага и вольт на нанометр по наклону линейной части контактного режима после начальной точки контакта на результирующей кривой смещения силы или FD. Используйте среднее значение значений для максимальной точности.

Если относительное стандартное отклонение превышает 1%, повторно измерьте DS, так как иногда первые несколько кривых FD не идеальны из-за первоначального введения адгезионных сил. Если константа пружины K консоли зонда не откалибрована на заводе-изготовителе, откалибруйте постоянную пружины. Если датчик не имеет откалиброванного на заводе измерения радиуса наконечника, измерьте эффективный радиус наконечника R. Если вы используете метод реконструкции слепого наконечника, отобразите характеристику наконечника или образец шероховатости, используя медленную скорость сканирования и высокое усиление обратной связи, чтобы помочь оптимизировать отслеживание очень четких элементов.

Выберите размер изображения и плотность пикселей в зависимости от ожидаемого радиуса наконечника. Затем используйте программное обеспечение для анализа изображений AFM, чтобы смоделировать наконечник зонда и оценить его концевой радиус и эффективный диаметр наконечника при ожидаемой глубине вдавливания образца. После завершения калибровки датчика введите значения DS, K и R в программное обеспечение.

Наконец, введите оценку коэффициента Пуассона образца, чтобы преобразовать измеренный приведенный модуль в фактический модуль выборки. При использовании модели конической или коносферной контактной механики, основанной на форме наконечника и глубине вдавливания, необходимо ввести полуугол наконечника. Перемещайтесь по образцу под головкой AFM и занимайтесь нужной областью интереса.

Следите за сигналом вертикального отклонения или выполните небольшую начальную рампу, чтобы убедиться, что наконечник и образец находятся в контакте. Отрегулируйте положение головки AFM немного вверх и снова поднимите рампу. Повторяйте до тех пор, пока наконечник и образец не выйдут из контакта, о чем свидетельствует почти плоская рампа и минимальный вертикальный прогиб консоли.

Если нет очевидного взаимодействия образца с наконечником, уменьшите головку АСМ на величину, соответствующую примерно 50% размера рампы, чтобы убедиться, что наконечник зонда не врежется в образец при ручном перемещении головки АСМ. Снова пандус, повторяя до тех пор, пока не будет наблюдаться хорошая кривая. Отрегулируйте параметры рампы.

Выберите подходящий размер рампы в зависимости от образца и желаемой глубины вдавливания. Затем выберите подходящую скорость нарастания. Один герц является хорошей отправной точкой для большинства образцов.

Установите количество образцов на рампу для достижения желаемого разрешения измерения. Установите X Rotate, чтобы уменьшить усилия сдвига на образце и наконечнике, одновременно слегка перемещая зонд в направлении X и делая отступ в направлении Z. Используйте значение параметра X Rotate, равное углу смещения держателя зонда относительно нормали поверхности.

Затем выберите, следует ли использовать триггерную или нетриггерную рампу. Если выбрана триггерная рампа, установите порог срабатывания, чтобы получить желаемый отступ в образце. Сделайте отступ в выбранном месте.

Выберите и загрузите данные для анализа в программном обеспечении. Введите калиброванные значения для постоянной пружины, DS или обратной оптической чувствительности рычага и радиуса наконечника зонда, а также оценку коэффициента Пуассона образца. Выберите модель механики контакта наноиндентирования, подходящую для наконечника и образца.

Запустите алгоритм подгонки. Проверьте правильность подгонки кривых FD. Низкая остаточная погрешность, соответствующая среднему R-квадрату, близкому к единице, указывает на хорошее соответствие выбранной модели.

При желании можно провести выборочную проверку отдельных кривых, чтобы визуально осмотреть кривую, подгонку модели и рассчитанные точки контакта. Показаны почти идеальные кривые FD, полученные в воздухе на образце сосны, залитом смолой, и в фосфатно-буферном физиологическом растворе на ядре мезенхимальных стволовых клеток. При использовании кремниевого зонда наконечник подвергался значительному износу по сравнению с его первоначальным первозданным состоянием на протяжении всего изображения.

С каждым последующим изображением кончик становится все более округлым. В отличие от алмазного зонда, радиус наконечника не изменялся в пределах метода реконструкции слепого наконечника, что подчеркивает чрезвычайную износостойкость алмаза. Здесь показано топографическое изображение АСМ, охватывающее несколько ячеек с псевдо-3D-изображением и соответствующей картой модуля модуля образца сосны лоблолистной.

Карта модуля упругости, полученная с помощью АСМ, полученная при получении изображения АСМ, показывает, что включение минералов в центре изображений значительно тверже, чем окружающая органическая матрица. Показано влияние радиуса и формы наконечника зонда на появление высокодисперсных характеристик образца сланца Баккена. Наноиндентирование на основе кантилеверов на мезенхимальных стволовых клетках и изолированных ядрах не показало статистической разницы в модуле упругости.

Продемонстрированы морфология и механические свойства холестеринсодержащих липидных бислоев, изученных с помощью АСМ. Надлежащая калибровка зонда и выбор соответствующих параметров рампы в моделях контактной механики имеют важное значение для точных наномеханических измерений. В дополнение к возможности эластичных модульных измерений, наноиндентирование на основе консоли AFM может быть использовано для исследования прочности на разрыв или силы прорыва фосфолипидных бислоев в физиологически значимых условиях.

Наноиндентирование на основе консолей AFM позволило исследовать влияние структурных нокаутов, фармацевтических методов лечения и низкоинтенсивных вибраций для имитации физических упражнений на механические свойства ядер мезенхимальных стволовых клеток.