Summary
इस पत्र स्थानिक सहसंबद्ध रासायनिक, संरचनात्मक, और nanoindentation का उपयोग Atractosteus रंग की बहुस्तरीय पैमाने (ए रंग) के यांत्रिक गुणों की जांच के लिए इस्तेमाल किया तरीकों को प्रस्तुत करता है, फूरियर अवरक्त (FTIR) स्पेक्ट्रोस्कोपी, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM), और एक्स रे टोमोग्राफी (एक्स - रे सीटी) का अभिकलन. प्रयोगात्मक परिणामों सुरक्षात्मक जैविक सामग्री की डिजाइन सिद्धांतों की जांच के लिए इस्तेमाल किया गया है.
Abstract
ऐसे खनिज मछली तराजू, gastropod गोले, राम के सींग, सींग, और कछुआ गोले के रूप में सुरक्षात्मक जैविक सामग्री की श्रेणीबद्ध वास्तुकला भविष्य में सुरक्षात्मक सामग्री और प्रणालियों के डिजाइन के मार्गदर्शन के लिए क्षमता के साथ अद्वितीय डिजाइन सिद्धांतों प्रदान करता है. विफलता आरंभ करता है जहां microscale और नैनो पैमाने पर इन सिस्टम सामग्री के लिए संरचना संपत्ति रिश्ते को समझना आवश्यक है. वर्तमान में, इस तरह के nanoindentation, एक्स - रे, सीटी, और SEM के रूप में प्रयोगात्मक तकनीक इन सिस्टम सामग्री 1-6 की श्रेणीबद्ध microstructures साथ यांत्रिक व्यवहार सहसंबंधी करने के लिए एक तरह के साथ शोधकर्ताओं प्रदान करते हैं. हालांकि, mineralized biomaterials के नमूना तैयार करने के लिए एक अच्छी तरह से परिभाषित मानक प्रक्रिया वर्तमान में उपलब्ध नहीं है. इस अध्ययन में, स्थानिक सहसंबद्ध रासायनिक, संरचनात्मक, और ए के बहुस्तरीय पैमाने के यांत्रिक गुणों की जांच के लिए तरीकों रंग nanoindentation का उपयोग, साथ FTIR, SEM, एनऊर्जा फैलानेवाला एक्स - रे (EDX) Microanalysis, और एक्स - रे सीटी प्रस्तुत कर रहे हैं.
Introduction
शोधकर्ताओं संरचनात्मक biomaterials जांच कर रहे हैं और इस तरह के बहुत अधिक क्रूरता और उनके व्यक्तिगत घटकों की तुलना में जब ताकत के रूप में सुधार यांत्रिक गुणों के साथ संरचनात्मक biomaterials प्रदान जो डिजाइन सिद्धांतों, स्पष्ट करने के लिए कोशिश कर रहे हैं. के लिए बख्तरबंद मछली तराजू की डिजाइन सिद्धांतों पर जांच Pagrus प्रमुख 7, Polypterus senagalus 2,6, अरपाइमा gigas 3, Cyprinus कार्पियो 4, और Atractosteus रंग 1 संरचनात्मक प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए मौजूदा प्रयोगात्मक विधियों के आवेदन का विस्तार करने की जरूरत का प्रदर्शन किया है और microstructural विशेषताओं, विस्तृत मानक प्रक्रियाओं सामग्री और प्रयोगों के इन प्रकार के लिए उपलब्ध नहीं हैं.
चर्चा की अलग बख़्तरबंद मछली तराजू के अलावा, ए रंग केंद्रीय अमेरिका 8 की एक ऐतिहासिक शीर्ष शिकारी है और उच्च के साथ एक प्रजाति हैly mineralized तराजू. त्वचा जन के लिए प्रजातियों एक्सचेंजों मांसपेशियों पहले 9 उल्लेख तुलनीय आकार की मछलियों की तुलना में एक बेहतर शिकारी रक्षा प्रणाली को प्राप्त करने के लिए. पेज और गड़गड़ाहट 10, ए के अनुसार रंग सफेद स्टर्जन (Acipenser transmontanus) और बड़ी प्रजाति जा रहा अटलांटिक प्रकार की समुद्री मछली (Acipenser Oxyrhynchus) के साथ उत्तर अमेरिका में तीसरा सबसे बड़ा मीठे पानी में मछली है. ए की अत्यधिक-mineralized मछली तराजू रंग केवल हाल ही में अध्ययन किया जा रहा है. थॉम्पसन और McCune 11 gar तराजू की आकृति विज्ञान एक ganoine बाहरी परत, एक फैलाना हड्डी परत, और परतदार हड्डी परत से मिलकर तीन स्तरित संरचना है कि सुझाव दिया. ए पर वर्तमान शोध रंग तराजू फैलाना या परतदार हड्डी क्षेत्रों में हड्डी परत प्रतिष्ठित नहीं किया है, लेकिन सिर्फ एक ही भीतरी परत 1,12 के रूप में हड्डी क्षेत्र का अध्ययन किया गया है.
इस अध्ययन में, में लिए प्रक्रियाओंmicrostructure, nanostructure, रासायनिक संरचना, और ए के तराजू के यांत्रिक गुणों के स्थानिक वितरण vestigating रंग स्पेक्ट्रोस्कोपी FTIR के परिणामों के आधार पर, SEM, एक्स - रे, सीटी, और nanoindentation तकनीक प्रस्तुत कर रहे हैं.
Protocol
1. मछली पैमाने नमूना तैयार
इस अध्ययन के लिए, तराजू एक लगभग 600 मिमी लंबे gar (ए रंग) से अमेरिकी सेना के अभियंता अनुसंधान और विकास केंद्र के मध्य लंबाई में (ERDC) पर्यावरण प्रयोगशाला (29 वें दुम स्तंभ) से प्राप्त किया गया. मछली तराजू स्वास्थ्य (एनआईएच) जानवरों की देखभाल के दिशा निर्देशों के ERDC और राष्ट्रीय संस्थान के अनुसार प्राप्त किया गया.
- सामग्री
अध्ययन के लिए प्राप्त तराजू की मछली पर स्थानिक स्थान रिकॉर्ड. उचित संगठन या ऐसी एनआईएच जानवरों की देखभाल के दिशा निर्देशों के रूप में जैविक नमूनों को प्राप्त करने के लिए सरकारी दिशा निर्देशों का पालन करना सुनिश्चित करें. जलयोजन बनाए रखने और वे मछली से हटा रहे हैं एक बार खनिज सामग्री को बनाए रखने के लिए इस तरह फॉस्फेट बफर खारा समाधान के रूप में एक पर्याप्त मध्यम में तराजू स्टोर. Nanoindentation डेटा को प्रभावित कर सकते हैं, जो खनिज हानि में परिणाम कर सकते हैं कि लंबे समय तक भंडारण करने से बचें. ब्रश और टी बाल खड़े एक माध्यम का उपयोगकठिन तराजू से किसी भी नरम ऊतक निकालने के लिए weezers. - बढ़ते और सेक्शनिंग नमूना
एक अनुप्रस्थ FTIR का उपयोग कर मछली पैमाने के कम धुरी की धारा (चित्रा 1) और nanoindentation की जांच पहले इस तरह के एक राल और hardener से मिलकर एक दो भाग epoxy के रूप में एक कठोर माध्यम में बड़े पैमाने पर बढ़ते आवश्यकता है. इस तरह के कम से कम 55 डिग्री सेल्सियस के एक चोटी के तापमान था कि इस अध्ययन में इस्तेमाल वाणिज्यिक सामान्य प्रयोजन epoxy के रूप में कम शिखर तापमान के साथ सामान्य उद्देश्य आरटी इलाज epoxies का प्रयोग करें
ए के चित्रा 1. एक्स - रे सीटी छवियों ए के इस अध्ययन में जांच शॉर्ट अक्ष अनुप्रस्थ अनुभाग चित्रण रंग पैमाने nanoindentation और FTIR का उपयोग कर रंग [ए (पूर्वकाल), पी (पीछे), डी (पृष्ठीय), वी (उदर)]. </ P>
- एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध प्लास्टिक नमूना धारक का उपयोग कर एक 32 मिमी व्यास नमूना मोल्ड में मछली पैमाने पकड़ो. इस epoxy में बढ़ते हैं, जबकि सही ढंग से उन्मुख नमूना रहता है.
- नमूना मोल्ड में आयोजित किया जाता है एक बार, नमूना पर uncured epoxy डालना और फिर epoxy निर्माता के निर्देशों के अनुसार इलाज करने के लिए अनुमति देते हैं.
- Epoxy ठीक हो जाने के बाद, खंड एक हीरा ब्लेड उच्च परिशुद्धता कट ऑफ का उपयोग घुड़सवार नमूना नमूना के midline पर देखा था.
- नमूना से किसी भी मलबे को हटाने के लिए 15 मिनट के लिए आसुत जल में sonicate.
- Nanoindentation और FTIR के लिए चमकाने
चित्रा 2 में दर्शाया के रूप में nanoindentation के लिए एक चिकनी सतह फ्लैट प्राप्त करने के लिए निम्न चमकाने प्रक्रिया और मापदंडों पालिशगर निर्माण और परीक्षण के नमूने के साथ विचार विमर्श के आधार पर सुझाव दिया है. हालांकि मापदंडों के आधार पर प्रतिक्रियाएं अलग biomaterials के लिए समायोजित करने की आवश्यकता हो सकती हैऐसी सामग्री हटाने दरों के रूप में. चमकाने के कदम के बीच आसुत पानी की एक स्नान में नमूनों की ultrasonication कदम चमकाने एक मोटे कणों से सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है बाद में एक महीन चमकाने कदम में पेश नहीं कर रहे हैं.
एक पॉलिश लघु अक्ष अनुप्रस्थ अनुभाग ए का चित्रा 2. छवि epoxy में घुड़सवार रंग पैमाने.
- एक स्नेहक के रूप में एक 15 माइक्रोन हिज्जे पैड और पानी के साथ मोटे पोलिश नमूना जब तक मिनट (आरपीएम) प्रति 200 क्रांतियों की 7 lbf और गति का स्वत: चमकाने सिर के बल का उपयोग कर विमान है.
- 15 मिनट के लिए आसुत पानी की एक स्नान में नमूना Sonicate.
- इंटरमीडिएट 130 आरपीएम की पट्ट गति से पानी चिकनाई का प्रयोग एक 6 माइक्रोन हिज्जे पैड के साथ पोलिश और के लिए 7 lbf का बल5 मिनट.
- 15 मिनट के लिए आसुत पानी की एक स्नान में Sonicate नमूना.
- 130 आरपीएम की पट्ट गति और 5 मिनट के लिए 7 lbf के बल पर पानी चिकनाई का प्रयोग एक 1 माइक्रोन हिज्जे पैड के साथ पॉलिश.
- 15 मिनट के लिए आसुत पानी की एक स्नान में नमूना Sonicate.
- इस तरह के एक निर्माता 50 एनएम निलंबन के लिए पता चलता है कि एक उच्च घनत्व, गैर बुना, कम झपकी झरझरा polyurethane के रूप में एक उपयुक्त चमकाने पैड का उपयोग कर एक 50 एनएम कोलाइडयन सिलिका निलंबन के साथ अंतिम पॉलिश. 5 मिनट के लिए 7 lbf की एक शक्ति के साथ 130 आरपीएम की गति से पोलिश.
- 15 मिनट के लिए आसुत पानी की एक स्नान में नमूना Sonicate.
2. Nanoindentation परीक्षण
- प्रति परीक्षण के प्रत्येक बैच से पहले nanoindentation प्रणाली जांचना दिशा निर्देश बनाती है. अंशांकन Berkovich टिप और फ्रेम कठोरता के लिए प्रणाली के क्षेत्र समारोह का निर्धारण शामिल होना चाहिए. इसके अतिरिक्त, इस कदम पर एक माइक्रोस्कोप से इंडेंट अंशांकन प्रदर्शनइंडेंट चुना माइक्रोस्कोप स्थानों के लिए सहसंबंधी सुनिश्चित करने के लिए.
- Nanoindenter नमूना में लोड और ध्यान में नमूना लाने के लिए nanoindenter पर ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप नियंत्रण का उपयोग.
- पहले मांगपत्र के लिए स्थान के लिए नमूना स्थानांतरित करने के लिए सॉफ्टवेयर नियंत्रण का प्रयोग करें. आदर्श रूप में, इस पैमाने के पार अनुभाग के centerline के साथ ganoine परत के किनारे से epoxy में लगभग 10 मीटर है.
- प्रदर्शन करना indents के 4 समानांतर पंक्तियों में एक सांख्यिकीय महत्वपूर्ण डेटा इस स्थान पर शुरू सेट प्राप्त करने के अलावा 15 माइक्रोन स्थान दिया गया है. 5 0.1 करोड़ / सेकंड की एम.एन., लदान और उतराई दरें, 30 सेकंड के एक समय पकड़, और प्रत्येक पंक्ति के लिए 5 माइक्रोन का एक न्यूनतम मांगपत्र रिक्ति की एक अधिकतम लोड करने के लिए nanoindenter सेट करें. इंडेंट की पंक्ति ganoine सतह के orthogonal चलाने के लिए सेटअप किया जाना चाहिए, और EPOX में लगभग 10 माइक्रोन से गुजर जबकि indents के लिए पर्याप्त संख्या पैमाने के पार अनुभाग भर में यात्रा करने के लिए निर्दिष्ट किया जाना चाहिएबोनी परत पिछले y.
- बैच पूरा हो गया है, nanoindenter क्रमशः, ganoine परत से पहले और हड्डी परत के बाद epoxy में होना चाहिए, जो पहली और आखिरी मांगपत्र पर 100 करोड़ की अधिकतम लोड, साथ विश्वस्त इंडेंट बना है. ये indents के प्रत्येक पंक्ति के लिए प्रारंभ और अंत बिंदु से संबद्ध हों.
- Nanoindentation के बाद, आगे निर्जलीकरण से बचने के लिए पीबीएस समाधान में नमूना वापस जगह है.
- एक समय स्वतंत्र सामग्री प्रतिक्रिया मनाया जाता है ओलिवर-Pharr विधि 13 के आधार पर मापांक और कठोरता निर्धारित करने के लिए nanoindentation सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें. अन्यथा पकड़ समय भी जल्दी उतारने से मनाया रेंगना पर काबू पाने के लिए बढ़ाया जा करना पड़ सकता है.
3. Spatially हल एटीआर स्पेक्ट्रोस्कोपी FTIR
एक स्लाइड पर एक FTIR खुर्दबीन से जुड़ी एटीआर गौण का उपयोग ला की अवरक्त (FTIR) स्पेक्ट्रा बदलना स्थानिक संकल्प लिया फूरियर इकट्ठा करने के लिए एक सुझाव विधि हैएक मछली पैमाने नमूने में yers. एटीआर गौण किसी भी अन्य FTIR तकनीक के साथ प्राप्य नहीं है, जो बहुत छोटे (~ 10 माइक्रोन 2) स्थानिक संकल्प के साथ उच्च गुणवत्ता स्पेक्ट्रा के संग्रह के लिए अनुमति देता है. एक ही पॉलिश नमूना nanoindentation प्रयोगों के लिए तैयार (चित्रा 2) के इन प्रयोगों में इस्तेमाल किया गया था.
- उच्च गुणवत्ता स्पेक्ट्रा एटीआर-FTIR spectromicroscopy से प्राप्त किया जाता है यह सुनिश्चित करने के विश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया जा रहा FTIR माइक्रोस्कोप के लिए उपयुक्त एक सतह और आयामों के साथ एक नमूना चुनें.
- डेटा एकत्र करने के लिए FTIR माइक्रोस्कोप तैयार करें. FTIR microspectroscopy नमूना मापने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा के रूप में एक ही नमूना परिस्थितियों में FTIR संकेत की जांच की आवश्यकता है. आमतौर पर, यह डिटेक्टर ठंडा और इसे स्थिर करने के लिए समय देने के साथ ही एक ही पर्यावरण की स्थिति के तहत सभी पृष्ठभूमि स्पेक्ट्रा और नमूना स्पेक्ट्रा का संग्रह शामिल है. यह हवा में है क्योंकि सीओ 2 और जल वाष्प, विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो सकता है घ कर सकते हैंramatically FTIR स्पेक्ट्रा प्रभावित करते हैं. यह साधन प्रकाशिकी गठबंधन कर रहे हैं कि यह सुनिश्चित करने के लिए भी महत्वपूर्ण है.
- के खिलाफ नमूना घटाना करने के लिए एक उपयुक्त पृष्ठभूमि स्पेक्ट्रम लीजिए. इन प्रयोगों के लिए, एक पॉलिश, सोने में लिपटे खुर्दबीन स्लाइड FTIR spectromicroscopy के लिए एक पृष्ठभूमि के रूप में इस्तेमाल किया गया था.
- एक उपयुक्त उद्देश्य का उपयोग, नमूना पर ध्यान केंद्रित करने और विश्लेषण के लिए ब्याज की एक क्षेत्र का चयन करें.
- ब्याज की एक क्षेत्र में पाया गया है, एक बार, FTIR खुर्दबीन उद्देश्य के लिए एटीआर गौण देते हैं यह एटीआर आंतरिक प्रतिबिंब तत्व के साथ घनिष्ठ संपर्क में आता है, जब तक नमूना बढ़ा, और एक नमूना स्पेक्ट्रम इकट्ठा.
- FTIR स्पेक्ट्रा इकट्ठा करने के बाद, आवश्यक मानक डाटा प्रोसेसिंग अपेक्षित प्रदर्शन करते हैं.
4. एक्स - रे गणना टोमोग्राफी (सीटी)
- प्राप्त करें और धारा 1.1 में चर्चा के रूप में बड़े पैमाने पर तैयार
- स्कैनर सेटअप
- निर्माता विनिर्देशों के अनुसार वार्म अप एक्स - रे स्रोत.
- सेट एक्स - रे वोल्टेज और क्रमशः 50 केवी और 160 μA, करने के लिए वर्तमान.
- 1,450 मिसे के लिए जोखिम समय निर्धारित करें.
- एक 1.0 मिमी एल्यूमीनियम फिल्टर का चयन करें.
- एक्स - रे स्रोत बंद है (काले क्षेत्र) और (उज्ज्वल क्षेत्र) पर जब पिछले लदान नमूना करने के लिए, एक फ्लैट मैदान सुधार करना.
- माउंट और लोड नमूना
वे बदलाव या स्कैन की लंबाई भर में कदम नहीं है कि इतनी तराजू एक तरह से मुहिम शुरू की जानी चाहिए. इन नमूनों को भी एक्स - रे के लिए लगभग पारदर्शी हैं कि सामग्री के प्रयोग से मुहिम शुरू की जानी चाहिए. स्टायरोफोम और parafilm का एक संयोजन सीटी चरण के पैमाने सुरक्षित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.- सबसे लंबे समय तक आयाम डिटेक्टर के समानांतर है कि इतनी सख्ती से नमूना माउंट.
- स्कैनर चरण के लिए घुड़सवार नमूना सुरक्षित.
- यह स्कैन भर में रोटेशन के केंद्र में होगा तो नमूना स्थिति.
- इस मामले में पूरे पैमाने दृश्य (FOV) के क्षेत्र में होने की अनुमति देता है कि उच्चतम संकल्प, का चयन करें7.5 माइक्रोन.
- अधिग्रहण सेटिंग्स
0.25 ° का एक घूर्णी कदम और 15 के एक फ्रेम औसत मूल्य के साथ इस अध्ययन में स्कैन करते हैं. कम प्रस्तावों स्वीकार्य हैं, तो कदम आकार बढ़ाने के लिए और / या कुल स्कैन समय को कम करने के लिए औसतन फ्रेम में कमी. - पुनर्निर्माण पैरामीटर्स
किसी डेटा सेट प्राप्त हो जाने के बाद, पार के अनुभागीय छवियों वाले एक डेटा सेट बनाने के लिए एक्स - रे प्रक्षेपण छवियों के पुनर्निर्माण. निम्नलिखित के लिए छोड़कर SkyScan के NRecon सॉफ्टवेयर डिफ़ॉल्ट सेटिंग्स का चयन करें.- 20 को रिंग विरूपण साक्ष्य सुधार बदलें.
- 25% करने के लिए बीम हार्डनिंग सुधार बदलें.
- पार के अनुभागीय छवि स्तर बनाने के लिए सीएस स्टेटिक रोटेशन समायोजित.
- इमेज प्रोसेसिंग
अंतिम 3 डी ग्रे पैमाने पर छवि प्राप्त करने के लिए SkyScan के CTAN सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें. स्टायरोफोम और parafilm से कलाकृतियों को दूर करने के लिए एक उचित स्तर पर ग्रे पैमाने पर सीमा समायोजित करें.
Nanoindentation और micro-/nano-structure लक्षण वर्णन के लिए चमकाने द्वारा तैयार नमूने स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) का उपयोग कर जांच की गई. कम निर्वात मोड नमूनों की निर्जलीकरण और प्रवाहकीय कोटिंग्स के आवेदन के लिए की जरूरत को कम करने के लिए उपयोग किया गया था. स्थानीय रासायनिक विश्लेषण ऊर्जा फैलानेवाला एक्स - रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDX) का उपयोग SEM इमेजिंग के साथ संयोजन के रूप में पॉलिश नमूनों पर प्रदर्शन किया गया था. EDX विश्लेषण रासायनिक और यांत्रिक गुणों के बीच सहसंबंध प्रदान करने के क्रम में nanoindentation द्वारा विश्लेषण किया गया था कि एक ही पंक्ति / ग्रिड पर प्रदर्शन किया गया. हाल में खंडित सतहों भी मछली तराजू में मौजूद biomineralized संरचनाओं की आकृति विज्ञान और उन्मुखीकरण पर बेहतर जानकारी प्रदान करने के लिए SEM के द्वारा जांच की गई. खंडित सतहों पर नैनो पैमाने पर संरचना के अवलोकन के लिए संकल्प को सुधारने के लिए नमूनों धूम सोना (एयू) के साथ लेपित और उच्च वैक्यूम मोड में imaged किया गया. निम्नलिखितइस्तेमाल किया प्रक्रियाओं पर अतिरिक्त जानकारी प्रदान करता है.
- पॉलिश सतहों के SEM इमेजिंग
- SEM चेंबर में पॉलिश नमूना प्लेस और 0.1-0.5 एम्बार के चैम्बर दबाव के साथ कम निर्वात मोड में चैम्बर पंप.
- लगभग 5.0 मिमी के लिए काम कर दूरी समायोजित करें.
- उच्च वोल्टेज (एचवी) को सक्रिय और ganoine और बोनी sublayers या हित के अन्य क्षेत्रों के बीच संक्रमण क्षेत्र भी शामिल है कि नमूना पर ब्याज के क्षेत्र में नेविगेट.
- 15 केवी एचवी और लगभग 3.9 एनए के बीम वर्तमान में चित्र प्राप्त.
- छवि ध्यान केंद्रित करने और सभी आवश्यक संरेखण और stigmation समायोजन करते हैं.
- प्रासंगिक आवर्धन (आमतौर पर 250X 10,000 एक्स) झरझरा हड्डी बनाम biomineral सामग्री और घनत्व में परिवर्तन (यानी, घने हड्डी की पहचान करने में सहायता करने के लिए कम वैक्यूम backscattered इलेक्ट्रॉन (बीएसई) डिटेक्टर का उपयोग करने में ब्याज की कम से कम तीन क्षेत्रों से छवियों पर कब्जा ).
- खंडित सतहों SEM इमेजिंग
- अस्थिभंग सतह का सामना करना पड़ के साथ दो तरफा कार्बन टेप का उपयोग कर एक 90 डिग्री SEM ठूंठ को हौसले खंडित नमूना प्रत्यय.
- अस्थिभंग सतह पर एक उप एनएम मोटी प्रवाहकीय परत प्रदान करने के साथ Au कोट धूम.
- SEM चेंबर में नमूना प्लेस और उच्च वैक्यूम मोड में चैम्बर पंप.
- 3.0 के बीच और 5.0 मिमी के लिए काम कर दूरी समायोजित करें.
- एचवी सक्रिय और नमूना पर ब्याज के क्षेत्रों में नेविगेट. इस मामले में ब्याज की प्राथमिक क्षेत्रों ganoine और बोनी परतों में संरचना मौजूद थे.
- 5 केवी और 15 केवी एचवी और 0.24 संकल्प में सुधार के लिए एनए के एक कम बीम वर्तमान के बीच में चित्र प्राप्त.
- प्रारंभ में नमूना ध्यान केंद्रित करने और प्रारंभिक संरेखण प्रदर्शन करते हैं.
- विसर्जन / अति उच्च संकल्प (UHR) लेंस में सामान्य क्षेत्र उत्सर्जन लेंस से अधिक से अधिक 5000 से एक्स और स्विच करने के लिए बढ़ाएँ बढ़ाई.
- UHR संरेखण और stigmation समायोजन प्रदर्शन करना.
- कम से कम तीन क्षेत्रों ओ से छवियों पर कब्जाप्रासंगिक आवर्धन पर च ब्याज (आमतौर पर 5,000 एक्स एक्स 250,000) माध्यमिक इलेक्ट्रॉन (एसई) मोड में संचालित लेंस डिटेक्टर (टीएलडी) के माध्यम से इस्तेमाल करते हैं.
- (SEM इमेजिंग के साथ संयोजन के रूप में प्रदर्शन) पॉलिश सतहों के EDX विश्लेषण. इन मानकों मोजर 14 से चर्चा की तो EDX बातचीत मात्रा nanoindentation बातचीत मात्रा के आकार में समान है सामग्री निर्भर कर रहे हैं और समायोजित करने की आवश्यकता होगी.
- इंडेंट के प्रत्येक पंक्ति के अंत में असंदिग्ध के निशान से संकेत nanoindentation ग्रिड शामिल है कि पॉलिश नमूना पर ब्याज के क्षेत्र पर जाएँ.
- एचवी कम से कम 15 केवी सुनिश्चित, किरण वर्तमान में कम से कम 3.9 एनए है, और काम कर दूरी 5.0 मिमी से अधिक है.
- EDX उपयोग विश्लेषण किया जा करने के लिए इस क्षेत्र के बीएसई छवि पर कब्जा.
- EDX विश्लेषण सॉफ्टवेयर का उपयोग, इंडेंट की रेखा के साथ रासायनिक विश्लेषण प्रदर्शन करने वाले क्षेत्रों का पता लगाने में सहायता करने के लिए एक ही छवि पर कब्जा.
- "लाइन विश्लेषण" तकनीक, पुलिस का प्रयोगपहले मांगपत्र में शुरू करने और पिछले मांगपत्र पर समाप्त इंडेंट के हित की रेखा के साथ रासायनिक विश्लेषण करने के लिए एक लाइन विपक्षी.
- रेखा के साथ रखा जाना विश्लेषण अंकों की संख्या निर्दिष्ट करें. यह रासायनिक संरचना और यांत्रिक गुणों के बीच एक सीधा स्थानिक सहसंबंध प्रदान करने के लिए मौजूद हैं जो विश्लेषण अंक और indents के एक ही नंबर का उपयोग करने के लिए सबसे अच्छा है.
- लाइन सही ढंग से तैनात है और अंक निर्दिष्ट किया जाता है, EDX सॉफ्टवेयर का उपयोग कर लाइन विश्लेषण आरंभ.
- लाइन विश्लेषण पूरा हो गया है, नमूना की पॉलिश सतह पर निर्दिष्ट रेखा के साथ प्राप्त बिंदु स्पेक्ट्रा से मात्रा निर्धारित किया जा करने के लिए ब्याज के तत्वों की पहचान.
- ब्याज के तत्वों की पहचान हो जाने के बाद, bremsstrahlung विकिरण और अन्य प्रभावों के लिए खाते में एक पृष्ठभूमि अंशांकन प्रदर्शन करते हैं.
- क्वान को निर्दिष्ट रेखा के साथ प्रत्येक बिंदु पर मात्रात्मक विश्लेषण प्राप्त करने के लिए सॉफ्टवेयर की deconvolution विश्लेषण विकल्प चुनेंप्रत्येक बिंदु पर रासायनिक संरचना tify.
- Nanoindentation का उपयोग करके मापा यांत्रिक गुणों के साथ स्थानिक सहसंबंध में सहायता करने के लिए विश्लेषण किया गया था कि निर्दिष्ट लाइन की छवि के साथ साथ मात्रात्मक रासायनिक विश्लेषण के परिणाम को बचाओ.
Representative Results
चित्रा 3 लगभग 800 मीटर लंबा, छोटा अक्ष अनुप्रस्थ पार अनुभाग भर में आयोजित स्थानिक सहसंबद्ध nanoinidentation / SEM / EDX विश्लेषण के औसत परिणाम दर्शाया गया है. लगभग 60 माइक्रोन मोटी ganoine परत में, nanoindenter 69.0 GPA और 3.3 GPa की कठोरता के एक औसत मापांक गणना की. nanoindenter लगभग 740 माइक्रोन मोटी हड्डी परत के लिए 0.5 GPa के 14.3 GPA और कठोरता की एक औसत मापांक निर्धारित की.
EDX कार्बन, ऑक्सीजन, कैल्शियम, और आमतौर पर mineralized तराजू में पाए जाते हैं जो फॉस्फोरस, निर्धारित की. हालांकि, ganoine और हड्डी परतों रासायनिक रचनाओं में quantifiable मतभेद होता है. हड्डी परत में मनाया कार्बन कील कि क्षेत्र भी बीएसई छवि के समग्र चमक में मनाया कमी के कारण होता है कि कार्बन में मामूली वृद्धि में जो परिणाम के रूप में अत्यधिक mineralized नहीं किया जा रहा करने के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है. विशेष रूप से, ganoine परत '; सीए के परमाणु एकाग्रता अनुपात मतलब: 1.71 के पी 1.67 की एक सैद्धांतिक अनुपात के साथ हाइड्रॉक्सियापटाइट के समान दिखाई दिया. हड्डी परत की औसत सीए: पी अनुपात ganoine परत से खनिज की मात्रा में कमी का प्रतिनिधित्व 1.51 की कमी हुई.
हड्डी परत और ganoine परत के लिए 4 चित्र में FTIR स्पेक्ट्रा एमाइड, कार्बोक्जिलिक, फॉस्फेट, और कार्बोनिल के रूप में मुख्य कार्य समूहों की पहचान की. विशेष रूप से, FTIR भीतरी (हड्डी) परत में बाहरी (ganoine) परत और कोलेजन हस्ताक्षरों में हाइड्रॉक्सियापटाइट हस्ताक्षरों का दृश्य अवलोकन की पुष्टि की. 3,500-3,000 सेमी -1 के कारण 1550 और 1500 सेमी -1 के बीच राष्ट्रीय राजमार्ग खींच और एनएच झुकने पर चोटियों हड्डी परत में एमाइड समूह का प्रतिनिधित्व करते हैं. लहर संख्या 1,470-1,365 सेमी के क्षेत्र में चोटियों एमाइड एवजी alkyl समूहों का प्रतिनिधित्व करते हैं -1. इसके अलावा, 1641 सेमी में खींच एक विशिष्ट सी = हे -1 हड्डी परत पर मनाया गया. मटर3,000-2,500 सेमी -1 से एस कार्बोक्जिलिक समूहों का प्रतिनिधित्व करते हैं. हड्डी और ganoine दोनों परतें 'स्पेक्ट्रा 1,079.33 सेमी -1 फॉस्फेट खींच का संकेत निकट एक विशिष्ट चोटी का उत्पादन किया.
चित्रा 5 में एक्स - रे सीटी कल्पना ganoine परत तराजू एक दूसरे को ओवरलैप जहां हड्डी परत को कवर नहीं करता है कि कब्जा. गहरे भूरे रंग की हड्डी परतों कम घने और कम कठोर चरणों से संकेत मिलता है जबकि उज्जवल ग्रे ganoine परतों, सघन कठिन, और stiffer चरणों से संकेत मिलता है. इसके अतिरिक्त, एक्स - रे सीटी कल्पना ganoine परत मोटाई में गैर एकरूपता की पहचान करने में सहायता प्राप्त. वास्तव में, स्पष्ट गड्ढों में सभी हड्डी परत को कवर नहीं है जो ganoine परत, के केंद्र के पास मनाया जाता है.
एच 3 4 पीओ के साथ etched अस्थिभंग सतह के चित्र 6A में SEM छवि ganoine परत के लिए एक स्तरित पैटर्न में आयोजित की nanostructures का पता चला. इस nanorod का आयोजनसंरचना ganoine क्षेत्र के लिए FTIR से प्राप्त हाइड्रॉक्सियापटाइट हस्ताक्षर करने के लिए संबद्ध.
चित्रा 6A स्पष्ट रूप से. चित्रा 6B एच 3 4 पीओ साथ नक़्क़ाशी के बाद फ्रैक्चर सतह की उच्च वृद्धि SEM छवियों का चित्रण धराशायी लाइन के साथ ganoine और हड्डी परतों के बीच संक्रमण की पहचान एक अस्थिभंग सतह की एक ठेठ कम बढ़ाई SEM माइक्रोग्राफ दर्शाया गया है. एक फाइबर की तरह nanostructure हड्डी परत में मनाया जाता है, जबकि नक़्क़ाशी के बाद, बाहरी ganoine परत में उन्मुख nanorods स्पष्ट रूप से पहचाने जाने योग्य हैं.
चित्रा 3. मापांक और स्थानिक SEM / EDX रासायनिक संरचना के लिए सहसंबद्ध nanoindentation से कठोरता डेटा.
चित्रा 4. परतों (बोनी) (ganoine) बाहरी और भीतरी से एकत्र FTIR स्पेक्ट्रा.
चित्रा 5. एक्स - रे बाहरी (ganoine) पर खड़ा दिखा सीटी छवियों भीतरी (बोनी) परत को कवर परत.
चित्रा 6. ठेठ अस्थिभंग सतह (ए) कम बढ़ाई SEM छवि, (बी) के बाहरी (ganoine) में nanorods की उच्च बढ़ाई छवियों और भीतरी (ख में फाइबरony) परतों .. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.
Discussion
देखने का एक प्रयोगात्मक बिंदु से, शोधकर्ताओं निर्भर कर रहे हैं पूर्व अनुसंधान mineralized मछली तराजू के यांत्रिक गुणों से पता चला है के बाद से स्वाभाविक रूप से मछली पर पैमाने के स्थानिक स्थान रिपोर्टिंग, ऐसे खनिज मछली तराजू के रूप में जैविक सामग्री होने वाली के साथ काम करना महत्वपूर्ण है कि याद करने की जरूरत जहां तक तराजू मछली 4 पर स्थित थे.
Mineralized जैविक सामग्री के यांत्रिक गुणों भी 4 नमूने के जलयोजन राज्य पर निर्भर होना दिखाया गया है. ठीक से सूखा जीवाश्म के नमूनों का उपयोग जो खुले साहित्य में प्रकाशित परिणाम, को हाइड्रेटेड किया गया है कि ताजा नमूनों की तुलना करने की कोशिश कर रहा है जब यह इस तकनीक की उपयोगिता सीमित करता है. इसलिए, लंबे समय तक परीक्षण के समय nanoindentation दौरान एक नमूना के यांत्रिक गुणों पर निर्जलीकरण के प्रभाव को कम करने से बचा जाना चाहिए. सामग्री विशिष्ट पायलट अध्ययन अनुभव सुनिश्चित करने के लिए सिफारिश कर रहे हैंजाहिर देखने का समय सामग्री के यांत्रिक व्यवहार में बदलाव नहीं करने के लिए पर्याप्त कम है. गीले सेल nanoindentation परीक्षण उपकरण यह परमिट अगर सामग्री के एक निरंतर जलयोजन राज्य रखने के लिए एक पसंदीदा तरीका होगा.
उतराई वक्र से लोच के मापांक गणना की जो इस अध्ययन में इस्तेमाल nanoindentation विधि, सामग्री एक रेखीय लोचदार isotropic सामग्री के रूप में व्यवहार मानता है. तकनीक इंडेंट सुझावों की एक किस्म के साथ प्रयोग किया जा सकता है. हालांकि, 65.35 ° का एक आधा कोण के साथ तीन तरफा Berkovich टिप इस अध्ययन में इस्तेमाल किया गया था. ऐसे घन कोने (आधा कोण = 35.36 °) के रूप में वैकल्पिक सुझावों इस पांडुलिपि में प्रस्तुत प्रक्रिया के लिए उपयुक्त हैं, लेकिन घन कोने टिप Berkovich टिप दरारें से ज्यादा गंभीर है क्योंकि बहुत कम भार के साथ तुलना नमूना में उत्पन्न किया जा सकता Berkovich टिप.
चमकाने एक कम से कम surfac साथ एक चिकनी और सपाट सतह प्राप्त करने के लिए एक आवश्यक कदम हैई खुरदरापन nanoindentation परिणामों को प्रभावित नहीं करेगा. इस पांडुलिपि में प्रस्तुत चमकाने कदम इस्तेमाल किया जा रहा पालिशगर के प्रकार के आधार पर संशोधित करने की आवश्यकता हो सकती है कि एक सुझाव दिया प्रक्रिया कर रहे हैं. हालांकि, सटीक nanoindentation डेटा सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण कदम सतह खुरदरापन कम से कम है, और यह विशेष रूप से सामग्री के लिए एक 50 एनएम अंतिम पॉलिश की जांच की जा रही खरोज गहराई में एक चिकनी सतह फ्लैट प्राप्त करने के लिए आवश्यक था कि है.
इंडेंट की रिक्ति भी पिछले indents से होने वाली सामग्री विकृति से प्रभावित नहीं है कि सही nanoindentation डेटा सुनिश्चित करता है. इस अध्ययन में उपकरणों के लिए nanoindenter उपयोगकर्ता पुस्तिका मांगपत्र रिक्ति Berkovich के लिए अधिकतम प्रवेश गहराई 15 indenters कम से कम 20-30x होना चाहिए का सुझाव दिया. वैकल्पिक सामग्री के लिए, आवश्यक मांगपत्र रिक्ति खुले में पहले से चर्चा के रूप में लागू लोड और अधिकतम खरोज गहराई के आधार पर निर्धारित करने की आवश्यकता होगीसाहित्य 16,17. इसके अतिरिक्त, इस सामग्री के लिए पकड़ समय प्रयोग की जाने वाली nanoindenter सॉफ्टवेयर के ओलिवर-Pharr विश्लेषण विधि के लिए अनुमति की जांच विभिन्न सामग्री चरणों के लिए मनाया किसी भी रेंगना काबू पाने के लिए चुना गया था. हालांकि, Oyen 18 से चर्चा के रूप में वैकल्पिक विश्लेषण के तरीकों समय पर निर्भर सामग्री प्रतिक्रियाओं उपयुक्त पकड़ समय के साथ दूर नहीं किया जा सकता है जब जैविक सामग्री के लिए उपलब्ध हैं.
एक्स रे सीटी से उच्च संकल्प परिणाम प्राप्त करने के लिए, कई सेटिंग्स अनुकूलित किया जाना चाहिए. यह पत्र एक अद्वितीय आकार और बहुस्तरीय मोटाई के साथ एक मछली पैमाने पर इस्तेमाल के लिए मानकों का एक बहुत विशिष्ट सेट की रूपरेखा. अलग नमूना आकार के साथ, इन सेटिंग्स को उच्चतम गुणवत्ता की एक डाटासेट प्राप्त करने के लिए समायोजित करने की आवश्यकता होगी. प्रत्येक पैरामीटर के चयन की प्रक्रिया स्पष्ट रूप से मशीन का इस्तेमाल किया जा रहा है के साथ आता है कि उपयोगकर्ता के मैनुअल में परिभाषित किया जाना चाहिए. सेटिंग्स स्कैन (वोल्टेज, वर्तमान, जोखिम, फिल्टर चयन) और पुनर्निर्माण सेटिंग्स(अंगूठी कलाकृतियों, किरण सख्त) अन्य नमूना आकार और geometries की एक किस्म को समायोजित करने के लिए संशोधित करने की आवश्यकता हो सकती है.
एक्स - रे सीटी तराजू एक दूसरे को ओवरलैप नहीं था, जहां केवल सामग्री की एक बोनी परत को कवर एक ganoine परत की पहचान पूरे पैमाने आकृति विज्ञान की एक छवि प्रदान की. एक्स - रे सीटी कल्पना भी ganoine परत एक गैर वर्दी पैमाने भर मोटाई, और कुल मिलाकर ganoine परत का अभाव है कि यहां तक कि प्रदर्शन गड्ढों के शामिल है कि पहचान की.
दिलचस्प है, स्थानिक SEM / EDX रासायनिक विश्लेषण के लिए सहसंबद्ध nanoindentation डेटा बजाय पी. के mineralized मछली तराजू के लिए मनाया एक अधिक क्रमिक संक्रमण के 2 परतों के बीच एक तेज असतत संक्रमण की पहचान की senagalus (Bruet एट अल. 2 में).
Nanoindentation का एक संयोजन, FTIR, EDX, और SEM पुष्टि करने के लिए यांत्रिक संपत्ति, रासायनिक विश्लेषण, और संरचनात्मक जानकारी प्रदान कीतामचीनी की तरह आकृति विज्ञान और रसायन विज्ञान के साथ ganoine के रूप में बाहरी परत. इसके अतिरिक्त, इन तकनीकों सामग्री की एक बोनी परत के रूप में भीतरी परत की पुष्टि की.
अंत में, इस अध्ययन में उल्लिखित तरीकों ए के mineralized मछली पैमाने की जांच करने के लिए प्रक्रिया है और इसी के परिणाम की पहचान nanostructure और रासायनिक संरचना के नीचे थोक संरचना से रंग.
Disclosures
लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.
Acknowledgments
लेखक अमेरिकी सेना ERDC सैन्य इंजीनियरिंग 6.1 बेसिक रिसर्च प्रोग्राम और निर्देशित अनुसंधान कार्यक्रम के लिए ERDC केंद्र द्वारा उपलब्ध कराई गई इस काम के लिए वित्तीय सहायता को स्वीकार करना होगा. लेखक भी प्रयोगात्मक कार्य के समर्थन के लिए ERDC geotechnical और संरचनात्मक प्रयोगशाला कंक्रीट और सामग्री शाखा के कर्मचारियों और सुविधाओं को धन्यवाद देना चाहूंगा. प्रकाशित करने की अनुमति निदेशक, भू एवं संरचनाएं प्रयोगशाला द्वारा प्रदान की गई थी.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Epoxy resin | Buehler | 701-501512 | |
| Epoxy hardener | Buehler | 703-501528 | |
| Samplkups | Buheler | 20-8180 | |
| SamplKlips I | Buehler | 20-4100-100S | |
| High precision cut-off saw | Buehler | Isomet | |
| UltraMet 2002 sonic cleaner | Buehler | B2510R-MT | |
| Polisher | Buehler | 49-1750-160 | |
| 1,200 grit (15 μm) SiC paper | Struers | 40400012 | |
| 4,000 grit (6 μm) SiC paper | Struers | 40400014 | |
| 50 nm colloidal silica | Buehler | 40-10075 | |
| Chemomet polishing pad for 50 nm suspension | Buehler | 40-7918 | |
| Nanoindenter | MTS | G200 | |
| FTIR continuum microscope | Thermo Nicollet | 6700 | |
| X-ray computed tomography | Skyscan | Skyscan 1173 | |
| SEM | FEI | NovaNanoSEM 630 | |
| EDX | Bruker | AXS Xflash detector 4010 | |
| Sputter coater | Denton | Desk II |
References
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