Method Article

Visualización de la estructura de la solución en interfaces sólido-líquido mediante el mapeo de fuerza rápido tridimensional

DOI:

10.3791/62585

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August 6th, 2021

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1Physical and Computational Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 2Department of Materials Science and Engineering, University of Washington, 3Department of Chemical Engineering, University of Washington, 4Department of Chemistry, Washington State University, 5CUNY City College of New York

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aquí, presentamos un protocolo para usar el mapeo de fuerza rápida tridimensional, una técnica de microscopía de fuerza atómica, para visualizar la estructura de la solución en interfaces sólido-líquido con la resolución subnanométrica mediante el mapeo de las interacciones punta-muestra dentro de la región interfacial.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Entre los desafíos para una variedad de campos de investigación se encuentran la visualización de las interfaces sólido-líquido y la comprensión de cómo se ven afectadas por las condiciones de la solución, como las concentraciones de iones, el pH, los ligandos y los aditivos traza, así como la cristalografía y la química subyacentes. En este contexto, el mapeo tridimensional de fuerza rápida (FFM 3D) ha surgido como una herramienta prometedora para investigar la estructura de la solución en las interfaces. Esta capacidad se basa en la microscopía de fuerza atómica (AFM) y permite la visualización directa de regiones interfaciales en tres dimensiones espaciales con resolución subnanométrica. Aquí proporcionamos una descripción detallada del protocolo experimental para la adquisición de datos FFM 3D. Se discuten las principales consideraciones para optimizar los parámetros de funcionamiento en función de la muestra y la aplicación. Además, se discuten los métodos básicos para el procesamiento y análisis de datos, incluida la transformación de los observables del instrumento medido en mapas de fuerza de muestra de punta que se pueden vincular a la estructura de la solución local. Por último, arrojamos luz sobre algunas de las cuestiones pendientes relacionadas con la interpretación de datos FFM en 3D y cómo esta técnica puede convertirse en una herramienta central en el repertorio de la ciencia de superficies.

Introduction

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Muchos fenómenos interesantes ocurren a unos pocos nanómetros de una interfaz sólido-líquido donde las teorías clásicas para las interacciones coloidales se rompen1. Las moléculas de solvente y los iones se organizan en patrones inesperados2 y diversos procesos, como la catálisis3, la adsorción de iones 4,5, la transferencia de electrones 6,7, el ensamblaje biomolecular8, la agregación de partículas9, la unión10,11 y el ensamblaje12,13, puede ocurrir. Sin embargo, pocas técnicas pueden caracterizar la estructura de la solución en la interfaz, particularmente con una resolución 3D subnanométrica. En este contexto, el mapeo tridimensional de fuerzas rápidas (FFM 3D), una técnica basada en la microscopía de fuerza atómica (AFM), ha surgido como una herramienta útil para determinar la estructura de la solución interfacial14,15 y comprender su impacto en dichos fenómenos.

En general, las técnicas de AFM emplean un voladizo con una punta de tamaño nanométrico para caracterizar superficies utilizando dos clases principales de mediciones: imágenes topográficas que miden la altura de un sustrato en cada píxel xy o mediciones de fuerza que cuantifican las propiedades mecánicas, interacciones coloidales16,17 o fuerzas adhesivas entre una punta funcionalizada y el sustrato. Hoy en día, las capacidades de este versátil instrumento se extienden mucho más allá de estas aplicaciones tradicionales; Los usuarios expertos que operan instrumentos modernos pueden medir las propiedades eléctricas, magnéticas y químicas de la superficie mediante el acoplamiento de la microscopía de fuerza a la espectroscopia y otros métodos18. Quizás los avances más fascinantes han sido la capacidad de obtener imágenes de materiales y procesos en sus soluciones nativas, con resolución espacial a nanoescala, en tiempo real 19,20,21. Esta última capacidad facilitó el desarrollo de FFM 3D, que extiende las mediciones de AFM a la tercera dimensión espacial mediante la combinación de curvas de fuerza 1D con imágenes topográficas14. Específicamente, la punta adquiere curvas de fuerza consecutivas en cada coordenada xy para producir un mapa 3D de las fuerzas detectadas por la punta en la interfaz sólido-líquido. La novedad aquí es que una punta suficientemente rápida y sensible puede detectar gradientes de fuerza menores correspondientes a la distribución local de las moléculas para mapear la estructura de la solución interfacial.

Hasta la fecha, el FFM 3D ha sido desarrollado por solo unos pocos grupos de investigación, lo que, en nuestra opinión, no se debe a sus limitaciones técnicas, sino más bien a la necesidad de personalizar los instrumentos internamente para realizar estas mediciones. Sin embargo, la FFM 3D se comercializó recientemente y ahora es accesible para investigadores de todas las disciplinas relevantes. Desde el punto de vista científico, esta técnica tiene un atractivo amplio y multidisciplinario. Por ejemplo, los primeros experimentos 3D de FFM se realizaron en sistemas de soluciones minerales 15,22,23,24, donde las cuestiones importantes incluían la comprensión de los mecanismos de crecimiento y disolución de cristales, la adsorción de iones y moléculas, y el papel de las capas de hidratación en la agregación y unión de partículas. Los experimentos exitosos han identificado átomos de calcio y magnesio en una red cristalina de dolomita25, visualizado la estructura de la solución alrededor de los defectos puntuales de calcita26 y fotografiado la adsorción de iones en las superficies de mica27,28 y fluorita24,29.

Más allá de la visualización de interfaces mineral-solución, 3D FFM puede proporcionar información sobre cuestiones fundamentales en física de superficies y coloidales, como el escalado de las interacciones coloidales de corto alcance, la estructura de las capas dobles eléctricas a nivel molecular y la naturaleza y los orígenes de las fuerzas de solvatación. Estas mediciones tienen implicaciones importantes para la electroquímica y la investigación de baterías, ya que 3D FFM puede mapear las interfaces electrodo-electrolito y sondear su respuesta a los campos eléctricos3. Otras aplicaciones en la ciencia de los materiales incluyen la comprensión de los fenómenos que ocurren en las superficies de las membranas de separación, los catalizadores heterogéneos y los recubrimientos de polímeros. A medida que esta capacidad se desarrolle aún más, anticipamos que también desempeñará un papel importante en la obtención de imágenes de biomoléculas y en la delineación del papel de las interacciones, los iones y las moléculas de solvente en su autoensamblaje.

Uno de los aspectos clave para avanzar en la interpretación de datos en FFM 3D es la evaluación comparativa con otras herramientas experimentales y de simulación que se han utilizado anteriormente para estudiar interfaces sólido-líquido. Por ejemplo, las técnicas basadas en la reflectividad o difracción de rayos X miden perfiles de densidad de electrones que se pueden mapear a la distribución de iones y moléculas de solvente en función de la altura de la interfaz 30,31,32,33. Este enfoque ha tenido éxito para una variedad de sistemas de soluciones minerales, pero sigue limitado a grandes superficies atómicamente lisas y, a menudo, es incapaz de producir datos resueltos lateralmente. Otras técnicas, como la espectroscopia de generación de frecuencia suma, proporcionan evidencia de aspectos particulares de la estructuración del solvente en superficies minerales, como la orientación de las moléculas de solvente en la superficie, pero no la visualización directa de la estructura34,35. Además, las simulaciones de dinámica molecular han avanzado significativamente y ahora pueden sondear de forma rutinaria los perfiles de distribución de disolventes en superficies cristalinas 4,36,37,38,39. Si bien cada una de estas técnicas tiene sus propios desafíos y limitaciones, forman un conjunto complementario de herramientas para investigar la estructura de la solución interfacial; 3D FFM está preparado para contribuir significativamente a este sentido y ampliar la gama de sistemas sólido-líquido que se pueden estudiar, así como las preguntas de investigación que se pueden responder.

Un requisito previo para implementar FFM 3D en una muestra en particular es la capacidad de obtener imágenes topográficas con la resolución espacial deseada. Para un protocolo experimental detallado sobre imágenes de AFM de alta resolución, se remite al lector a un manuscrito reciente de Miller et al.20. Para un funcionamiento óptimo de la FFM 3D, se recomienda encarecidamente dominar primero la técnica de imagen de alta resolución descrita en ella. La mayoría de las recomendaciones de ese protocolo son aplicables y necesarias para la FFM 3D. En el siguiente protocolo, destacamos brevemente los pasos principales para la obtención de imágenes de alta resolución, pero nos centramos en consideraciones específicas para la FFM 3D.

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Protocol

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1. Carga y calibración de la punta AFM

  1. Limpie la punta del voladizo sumergiéndola en agua y disolventes de isopropanol consecutivamente durante varios minutos para eliminar los contaminantes y los adsorbentes orgánicos. Otros métodos comunes para la limpieza incluyen el tratamiento de superficies con plasma de argón o ultravioleta-ozono.
    NOTA: Sea coherente en la preparación de la muestra y el voladizo al comparar diferentes conjuntos de datos. Los cambios en el proceso de limpieza pueden afectar a las propiedades de la punta, como la química de la superficie, la hidrofilicidad o incluso la forma, y por lo tanto influir en las fuerzas medidas40.
  2. Limpie también el soporte en voladizo con agua y disolventes de isopropanol.
  3. Cargue el voladizo en el soporte usando la abrazadera o el tornillo del soporte, como es típico para el instrumento AFM en uso. Conecte el soporte en voladizo al AFM.
  4. Alinee el punto láser en la punta para maximizar la señal de respuesta utilizando el software AFM y, a continuación, ponga a cero la señal de desviación.
  5. Mida la constante del resorte en voladizo en el aire. Este paso se automatiza en la mayoría de los microscopios modernos registrando las fluctuaciones térmicas del voladizo y ajustando el primer pico de resonancia a un modelo de oscilador armónico simple realizado siguiendo el protocolo del fabricante.
    NOTA: La medición de la constante de resorte a menudo se pasa por alto en algunas aplicaciones de AFM, pero es crucial para la interpretación correcta de los datos FFM 3D, particularmente para convertir los datos de los observables del instrumento en fuerzas medidas, como se describe en una sección posterior.

2. Carga del sustrato y la solución

  1. Desconecte y retire el soporte en voladizo de la platina AFM y agregue ~ 60 μL de la solución de imagen en la punta del voladizo. Asegúrese de que la punta esté completamente sumergida en la solución. Tenga cuidado de evitar crear burbujas de aire durante este proceso.
    NOTA: La solución de imagen puede ser cualquier cosa relacionada con la investigación científica. Como solución de prueba, use [KCl] = 10 mM o incluso agua pura.
  2. Corte la muestra (por ejemplo, mica) inmediatamente antes de las mediciones para obtener una superficie lisa y limpia. Enjuague la muestra con la solución de imagen y luego agregue ~ 100 μL de la misma solución de imagen sobre la superficie de la muestra.
    1. Coloque el sustrato limpio en la plataforma de muestra. El tamaño del sustrato varía según el experimento; Puede ser tan grande como una oblea de 1 x 1cm2 o tan pequeño como nanopartículas depositadas en una superficie.
      NOTA: Al igual que con cualquier otra medición de AFM, tener una superficie limpia es muy crítico para obtener datos 3D confiables, ya que la interfaz es particularmente sensible a la contaminación por orgánicos y otros residuos27.
  3. Regrese y asegure el soporte en voladizo en su posición en el escenario. Baje con cuidado la posición en voladizo hasta que la solución caiga en la punta y la muestra entre en contacto. La etapa de muestra está controlada por el software del instrumento o por una perilla física en el cuerpo del instrumento.
  4. Deje que la superficie de la muestra se equilibre químicamente e intercambie iones con la solución de imagen durante unos 10 minutos.
    1. Como paso opcional, retire la punta en voladizo, reemplace la solución de imagen por una alícuota nueva, devuelva el soporte en voladizo y acerque la muestra hasta que la punta se sumerja nuevamente en la solución.

3. Ajuste de los parámetros del instrumento para mediciones de AFM con modulación de amplitud

  1. Adquiere otro gráfico térmico mientras la punta está sumergida en la solución. En este punto, asegúrese de que la constante del resorte esté fija en el valor calculado en el paso 1.5, mientras se utiliza un parámetro de instrumento (por ejemplo, el parámetro AmpInVOLS) para ajustar el pico térmico. Una vez más, este paso se automatiza en la mayoría de los microscopios modernos con unos pocos clics en la sección de gráfico térmico en el software del instrumento.
    NOTA: Este parámetro calibra la conversión de la señal electrónica detectada por el instrumento a la distancia entre la punta y la muestra en valores nanométricos para que el experimentador pueda obtener datos fiables de la posición y la deflexión de la punta.
  2. Ajuste la punta del voladizo ajustando la frecuencia de accionamiento (νexc) a la frecuencia de resonancia (νe) y, posteriormente, centrando el cambio de fase a 90° cerca de la frecuencia de resonancia. Estos son parámetros del instrumento que los usuarios pueden controlar utilizando el protocolo del fabricante cuando operan el instrumento en el modo de amplitud modulada.
    NOTA: Algunos instrumentos AFM utilizan excitación fototérmica, para la cual la frecuencia de resonancia es el mismo valor obtenido en el paso 3.1. Este método de excitación de la punta es muy ventajoso para el mapeo de fuerza en 3D, ya que permite unas condiciones de imagen estables, incluso a amplitudes de accionamiento muy bajas.
  3. Localice la altura aproximada de la superficie de la muestra y acérquese con cuidado a la punta hasta que encaje con la superficie. Haga esto cambiando la amplitud del punto de ajuste a aproximadamente ~ 70% de la amplitud libre utilizando el parámetro Punto de ajuste en el software del instrumento. A medida que la punta se acerca a la superficie, la amplitud disminuye hasta que alcanza el valor del punto de ajuste y, por lo tanto, se determina que está enganchada en la superficie.
  4. Obtenga una sola curva de fuerza a partir de ~ 200 nm de distancia de la superficie. Normalmente, esto se hace en el panel Fuerza del software del instrumento. Antes de retirar la punta, vuelva a afinar y centre el cambio de fase a 90° como en el paso 3.2. La frecuencia de resonancia disminuirá ligeramente debido a las interacciones entre la punta y la superficie.
    NOTA: Este paso garantiza que, durante las mediciones 3D FFM posteriores, el desplazamiento de fase sea de aproximadamente 90 grados en la posición de la punta retraída.
  5. Cambie la amplitud establecida a ~ 70% de la amplitud libre. No utilice valores de punto de ajuste muy bajos (fuerza aplicada grande), ya que esto podría dañar prematuramente la punta.
  6. Adquirir una imagen topográfica. Para superficies lisas como la mica, comience con una imagen de ~20 x 20 nm2 . Para superficies más rugosas, comience por obtener imágenes de áreas más grandes antes de ubicar rápidamente un área atómicamente suave de 20 x 20 nm2 para obtener imágenes. Examine cuidadosamente las imágenes adquiridas. En este punto, la resolución de la imagen 2D debe ser al menos equivalente a la resolución de mapeo de fuerza 3D deseada.
    NOTA: Se debe tener cuidado de minimizar el daño incurrido por la punta. Por ejemplo, no tome más imágenes de las necesarias y utilice puntos de ajuste suaves, grandes ganancias de imagen y bajas velocidades de escaneo cuando obtenga imágenes de áreas grandes y ásperas.
  7. Utilizando el software del instrumento, reduzca la amplitud de la unidad a aproximadamente 0,25 nm, e incluso más baja cuando sea posible. Reduzca el punto de ajuste en consecuencia para que siempre sea menor que la amplitud de la unidad y adquiera imágenes de prueba. Con una selección adecuada de la punta y las condiciones de imagen, la amplitud de la unidad se puede reducir a ~0,1 nm. Sin embargo, tenga mucho cuidado al obtener imágenes con una amplitud tan pequeña sobre una superficie rugosa, ya que la topografía podría dañar la punta.
    NOTA: Para una mejor resolución vertical, la amplitud de la unidad debe ser menor que las características de la solución que se está tratando de resolver. La amplitud libre más pequeña que se puede alcanzar de manera realista está limitada por el ruido térmico asociado con el voladizo y la configuración instrumental. Se puede evaluar cualitativamente la relación señal-ruido mientras se ajusta el voladizo analizando la amplitud máxima en comparación con el ruido de referencia.
  8. Adquiera curvas de fuerza única a partir de una distancia entre la punta y la muestra de 200 nm. Posteriormente, reduzca la distancia entre la punta y la muestra para las curvas de fuerza a 50 nm, 10 nm y, finalmente, 5 nm.
    NOTA: Optimice las condiciones de medición de modo que la amplitud en la posición de la punta retraída sea lo más baja posible (< 0,25 nm); el cambio de fase en la posición de la punta retraída es de ~ 90 °; la frecuencia de excitación (νexc) es igual o muy cercana a la frecuencia de resonancia (νe), lo que simplifica la conversión de los observables del instrumento en fuerzas medidas en los pasos posteriores; Y el punto de ajuste es lo suficientemente bajo como para que el cambio de fase (y la amplitud) caiga significativamente (en ~ 40-50%) dentro de los últimos dos nanómetros de la medición de fuerza. La fuerza aplicada se puede aumentar aún más (punto de ajuste disminuido). La desventaja es que la punta se daña más rápidamente en este proceso.
  9. Asegúrese de retirar la punta después de que se haya detenido la adquisición de la curva de fuerza. Si la punta permanece enganchada y cerca de la superficie, podría desviarse y estrellarse contra la superficie.
    NOTA: La Figura 1 traza una curva de fuerza 1D para el sistema moscovita-agua adquirida en la solución [NaCl] = 10 mM, específicamente las respuestas de fase (φ), amplitud (A) y deflexión (δ). En esta etapa, estos perfiles deben mostrar evidencia de las características que se buscan en los mapas 3D y que se manifiestan como características oscilatorias que son en su mayoría obvias en la curva de fase. Tenga en cuenta que la coordenada de altura de estos datos sin procesar es arbitraria. En una sección posterior se proporcionan más detalles sobre el procesamiento y el análisis de datos.

4. Adquisición de mapas de fuerza en 3D

NOTA: La búsqueda de los parámetros óptimos para las mediciones 3D de FFM dependerá de la superficie de la muestra, la punta en voladizo y la solución de imagen. Se proporcionan pautas generales como punto de partida, pero los parámetros apropiados para cada muestra requerirán la obtención y el análisis de conjuntos de datos con diversas condiciones de medición. Los siguientes pasos muestran cómo adquirir los mapas de fuerza 3D para el sistema de agua mineral. Todos los parámetros descritos en los pasos 4.2 se ajustan mediante el software del instrumento.

  1. Realice todos los pasos descritos en las secciones 2 y 3.
  2. Establezca la distancia entre la punta y la muestra (z) en 2-5 nm. Esta distancia es suficiente para resolver las características de la solución interfacial, ya que la punta está cerca de la superficie y, además, permite que la punta se equilibre con la solución a granel cuando se retrae a la posición más alejada.4.3.
  3. Establezca el área de escaneo como 3 x 3 nm2 o 10 x 10 nm2, con una resolución de 64 x 64 píxeles2 -128 x 128 píxeles2.
    NOTA: Otras aplicaciones, como la adquisición de imágenes de biomoléculas, pueden requerir tamaños de escaneo más grandes en las tres dimensiones espaciales.
  4. Establezca la Tasa de adquisición de curva de fuerza en 200-800 Hz, lo que corresponde a 15-120 s por conjunto de datos 3D. Lo ideal es disminuir este número tanto como sea posible para minimizar la distorsión de la imagen y la deriva térmica de la punta, manteniendo una resolución decente en la dirección z . Para estas velocidades y dimensiones de escaneo, se obtienen 50-100 pix/nm en la dirección z después de procesar los datos, lo que suele ser suficiente para resolver la estructura de la solución interfacial.
  5. Como punto de partida, elija un valor para Punto de ajuste tal que el cambio de fase caiga rutinariamente a ~50-60° en cada curva de fuerza. El punto de ajuste podría definirse como tan bajo como el 50% de la amplitud libre. Sin embargo, esto depende especialmente del tipo de muestra que se esté midiendo y requerirá prueba y error. Por ejemplo, el uso de un punto de ajuste bajo (alta presión) puede dañar la punta o deformar la superficie en el caso de moléculas blandas. Por otro lado, un punto de ajuste alto (baja presión) puede no ser suficiente para penetrar y sondear las capas de hidratación.
  6. Verifique que el software esté registrando cuatro observables clave que se necesitan para analizar los datos de AFM de amplitud modulada: altura de la punta, amplitud, fase y deflexión. Tenga en cuenta que pueden existir múltiples canales de datos para realizar un seguimiento de la altura de la punta en función del instrumento y el software. Dado que 3D FFM requiere una resolución muy alta, es importante utilizar los perfiles de altura de punta más suaves con el menor ruido electrónico superpuesto del instrumento. Además de registrar estas variables clave, se necesitan otros parámetros de funcionamiento y metadatos para analizar y reconstruir las fuerzas ejercidas sobre la punta (normalmente guardadas en el archivo de datos de forma predeterminada), como se explica en una sección posterior.
    NOTA: Se ha demostrado 3D FFM en los modos AFM de amplitud modulada y frecuencia modulada. En cuanto a la calidad y el análisis de los datos, los dos métodos son equivalentes. En consecuencia, el modo de operación preferido se deja a discreción y experiencia del experimentalista. Una posible ventaja del modo de amplitud modulada es la estabilidad de la punta a distancias z más grandes, lo que permite al usuario obtener datos 3D que se extienden >10 nm en la solución. En comparación, un inconveniente de este modo se refiere a la obtención de imágenes de moléculas blandas con escalas de tiempo de relajación más lentas que el movimiento en voladizo. Esta última aplicación presenta una oportunidad para que la FFM investigue la relajación interfacial en materiales blandos y líquidos viscosos. En estos casos, los perfiles de amplitud medidos pueden mostrar histéresis en los ciclos de aproximación y retracción, lo que crea incertidumbre sobre la altura real de la punta.

5. Procesamiento de datos de mapas de fuerza 3D

NOTA: Los siguientes pasos se pueden realizar en el software de análisis de datos preferido utilizando códigos generados internamente o, alternativamente, utilizando los archivos de procesamiento de datos proporcionados en la información de apoyo.

  1. Cargue los datos sin procesar en un software de análisis preferido para cálculos y visualización.
    NOTA: Los observables necesarios para el análisis son la amplitud (A), el desplazamiento de fase (φ) y la deflexión de la punta (δ) en función del desplazamiento de la altura (z), así como las propiedades de la punta, como la frecuencia de resonancia (νe), la constante del resorte (k) y el factor de calidad (Q). Otros parámetros de funcionamiento incluyen las dimensiones de escaneo, la velocidad de escaneo, la frecuencia de excitación de la punta (νexc) y la amplitud de accionamiento (A0). Este último valor se registra normalmente en unidades de voltaje, pero se puede convertir fácilmente a nanómetros en función del valor de calibración obtenido en el Paso 3.1.
  2. Extraiga la imagen topográfica equivalente del dataset 3D registrando el desplazamiento de altura más lejano de la punta en cada coordenada xy . Con estos datos, calcule la inclinación de la muestra ajustando las líneas rectas a los perfiles de altura promedio en las direcciones de escaneo x e y . Incluso si la superficie es atómicamente lisa, como la mica, se espera una inclinación de la muestra de varios grados, y se debe tener en cuenta la pendiente de altura correspondiente antes del análisis de los datos.
    NOTA: En la mayoría de los instrumentos modernos, este paso está automatizado para la obtención de imágenes topográficas regulares, pero debe realizarse manualmente para los datos FFM 3D. Obviamente, este método debe modificarse ligeramente si el usuario mide superficies más complejas, como cristales con bordes de varios pasos.
  3. Linealice los perfiles de desplazamiento de altura. Recuerde que la punta en 3D FFM sigue trayectorias sinusoidales similares en cada ciclo de aproximación y retracción. Sin embargo, la extensión más lejana de la punta varía dependiendo del sitio cristalográfico en el que se aterriza, y las alturas de la punta registradas obviamente no son idénticas a la última cifra significativa. En consecuencia, los valores de altura medidos en todas las trayectorias de la punta se discretizan para obtener un único perfil z lineal para todas las curvas de fuerza.
    NOTA: El tamaño del contenedor depende de los parámetros de medición y de la escala de longitud de las entidades de interés. Para la mayoría de las aplicaciones, 0,2 Å es una resolución de altura suficiente. Este valor es más de diez veces menor que el tamaño de una molécula de agua; El uso de tamaños de contenedor más pequeños no proporciona ventajas y, de hecho, está dentro del ruido mecánico y electrónico del instrumento.
  4. Calcule los valores promedio observables correspondientes a los intervalos de altura para cada curva de fuerza individual. Este método produce un volumen 3D de los datos de fase/amplitud que se puede cortar y visualizar fácilmente en cualquier dirección.
    NOTA: En principio, los perfiles de fuerza del enfoque y la retracción de la punta deben ser similares. Se podría comprobar si es más apropiado utilizar los datos de uno o de ambos en función de la muestra específica. En particular, las biomoléculas y las moléculas más blandas y más grandes podrían mostrar efectos de histéresis en los ciclos de aproximación / retracción. En este caso, se recomienda al usuario que modifique las condiciones de imagen como se describe anteriormente.
  5. Ajuste los perfiles de altura teniendo en cuenta la deflexión de la punta. Este paso es opcional y se deja a discreción del usuario. Por ejemplo, con voladizos que tienen constantes de resorte grandes (>200 N/m), la deflexión de la punta en la solución de sal diluida suele ser inferior a <0,08 Å., lo que no influye significativamente en los datos.
    NOTA: En función de la muestra específica, el usuario puede 1) descuidar la deflexión de la punta para voladizos muy rígidos después de verificar dos veces que su efecto es insignificante, 2) corregir la altura de la punta utilizando el perfil de deflexión promediado de todo el conjunto de datos, 3) corregir la altura de la punta para cada curva de fuerza individual utilizando los datos de deflexión de punta correspondientes de esa curva de fuerza. Esta última opción es intuitivamente la más "correcta" y debe ejercerse cuando sea posible, pero este enfoque a menudo introduce más ruido en los datos que supera el mérito de esta corrección.
  6. Suavizar el conjunto de datos con un filtro de mediana 3D. En la mayoría de los casos, este paso opcional reduce el ruido sin comprometer la resolución. También es útil mantener una versión de los datos sin filtrar para las comprobaciones de coherencia durante los pasos de análisis posteriores. Además, el usuario puede explorar métodos de filtrado más avanzados, como los métodos basados en el análisis de componentes principales, que están disponibles con la mayoría de los programas de procesamiento de datos.
  7. Guarde los resultados procesados, así como los metadatos útiles (parámetros de medición importantes para transformar los observables de AFM en fuerza de muestra de punta) en un archivo de datos que se pueda utilizar para el análisis posterior.
    NOTA: Los tres archivos de procesamiento de datos proporcionados en la información de apoyo se pueden utilizar para realizar las funciones enumeradas en esta sección. El primer archivo carga los datos FFM 3D sin procesar y crea un archivo hdf5 que incluye los datos y metadatos relevantes; Se trata simplemente de una transferencia de los datos a un archivo más fácil de usar al que se podría acceder más fácilmente para su procesamiento. El segundo archivo procesa los datos sin procesar, de acuerdo con los pasos descritos anteriormente, extrayendo la imagen de altura equivalente, linealizando los perfiles de desplazamiento de altura, ordenando los valores de datos en los bins de altura correspondientes, suavizando el conjunto de datos mediante un filtro y guarda los resultados procesados en un archivo de datos de salida. El usuario también puede activar algunas funciones para trazar ejemplos de curvas de fuerza (sin procesar y procesadas), cortes xz/xy y la corrección de la inclinación del sustrato, así como realizar otras comprobaciones de consistencia de posprocesamiento. Estos scripts de procesamiento de datos son fáciles de usar y están anotados, mostrando los pasos exactos para que los usuarios ajusten los parámetros y extraigan datos de los archivos de instrumentos sin procesar.

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Results

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La Figura 2A presenta un esquema del mapeo de fuerzas en 3D. De manera similar a otras técnicas de AFM que operan en modo de amplitud modulada, se escanea un voladizo oscilante a través de la superficie. Además de la altura de la punta en cada coordenada, se recogen los observables del instrumento, como el cambio de fase y la amplitud, a medida que la punta se acerca y se retira de la superficie. El resultado es un conjunto de datos 3D de observables, en particular la amplitud de oscilación,...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Selección de la punta AFM
Al igual que con cualquier aplicación AFM, las características clave de la punta de la sonda son la frecuencia de resonancia, el tamaño del voladizo, el radio de la punta, el material de la punta y la constante del resorte. Casi toda la literatura de FFM 3D hasta la fecha ha informado del uso de puntas rígidas de alta frecuencia. Los ejemplos más comunes son las puntas a base de silicio (por ejemplo, AC55TS, PPP-NCH, Tap300-G, etc.) que se pueden utilizar en sus modos de reso...

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Disclosures

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Los autores declaran no tener intereses financieros contrapuestos ni otros conflictos de intereses.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Agradecemos a la Dra. Marta Kocun (Asylum Research), al Dr. Takeshi Fukuma (Kanazawa), al Dr. Ricardo García (CSIC Madrid), a la Dra. Angelika Kühnle (Bielefeld), al Dr. Ralf Bechstein (Bielefeld), a Sebastien Seibert (Bielefeld) y al Dr. Hiroshi Onishi (Kobe) por sus útiles debates.

El desarrollo del protocolo experimental FFM 3D fue apoyado como parte de IDREAM (Dinámica Interfacial en Entornos y Materiales Radiactivos), un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), la Oficina de Ciencia (SC), la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía (BES). El desarrollo del código de análisis de datos FFM 3D fue apoyado por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio (LDRD) en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) a través del programa de becas postdoctorales distinguidas Linus Pauling, al que E.N. agradece su apoyo. El desarrollo de la capacidad de medición de FFM 3D se llevó a cabo en el PNNL con el apoyo de la División de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Programa de Ciencias de Síntesis y Procesamiento de BES. El PNNL es un laboratorio nacional multiprograma operado por el DOE por el Battelle Memorial Institute bajo el contrato no. DEAC05-76RL0-1830.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Punta AC55TS AFMOlympus
Cypher VRS Microscopio de fuerza atómicaAsylum Research
PPP-NCH Punta AFMNanosensores
Tap300-G Punta AFMSensores
económicos USC-F5-k30-10 Punta AFMNanoworld
(Nota: solo se requiere una de las opciones de punta AFM)

References

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