Visualisatie van de oplossingsstructuur op vaste-vloeistofinterfaces met behulp van driedimensionale snelle krachtmapping

Summary

Hier presenteren we een protocol voor het gebruik van driedimensionale snelle krachtmapping - een atoomkrachtmicroscopietechniek - voor het visualiseren van de oplossingsstructuur op vaste-vloeistofinterfaces met de subnanometerresolutie door de tip-monsterinteracties binnen het grensvlakgebied in kaart te brengen.

Abstract

Tot de uitdagingen voor een verscheidenheid aan onderzoeksgebieden behoren de visualisatie van vaste-vloeistofinterfaces en het begrijpen hoe deze worden beïnvloed door de oplossingsomstandigheden zoals ionenconcentraties, pH, liganden en sporenadditieven, evenals de onderliggende kristallografie en chemie. In deze context is driedimensionale snelle krachtmapping (3D FFM) naar voren gekomen als een veelbelovend hulpmiddel voor het onderzoeken van de oplossingsstructuur op interfaces. Deze mogelijkheid is gebaseerd op atoomkrachtmicroscopie (AFM) en maakt de directe visualisatie van grensvlakgebieden in drie ruimtelijke dimensies met een resolutie van minder dan nanometer mogelijk. Hier geven we een gedetailleerde beschrijving van het experimentele protocol voor het verkrijgen van 3D FFM-gegevens. De belangrijkste overwegingen voor het optimaliseren van de bedrijfsparameters, afhankelijk van het monster en de toepassing, worden besproken. Bovendien worden de basismethoden voor gegevensverwerking en -analyse besproken, waaronder de transformatie van de waargenomen objecten van het gemeten instrument in tip-sample krachtkaarten die kunnen worden gekoppeld aan de lokale oplossingsstructuur. Ten slotte werpen we licht op enkele van de openstaande vragen met betrekking tot de interpretatie van 3D FFM-gegevens en hoe deze techniek een centraal hulpmiddel kan worden in het repertoire van de oppervlaktewetenschap.

Introduction

Veel interessante verschijnselen doen zich voor binnen een paar nanometer van een vast-vloeistof-interface waar klassieke theorieën voor colloïdale interacties uiteenvallen¹. Oplosmiddelmoleculen en ionen organiseren zich in onverwachte patronen² en diverse processen, zoals katalyse³, ionenadsorptie ^4,5, elektronenoverdracht ^6,7, biomoleculaire assemblage⁸, deeltjesaggregatie⁹, bijlage ^10,11 en assemblage^12,13, kan voorkomen. Er zijn echter maar weinig technieken die de oplossingsstructuur op het grensvlak kunnen karakteriseren, met name met een 3D-resolutie van minder dan nanometer. In deze context is driedimensionale snelle krachtmapping (3D FFM) - een techniek gebaseerd op atoomkrachtmicroscopie (AFM) - naar voren gekomen als een nuttig hulpmiddel voor het bepalen van de grensvlakoplossingsstructuur^14,15 en het begrijpen van de impact ervan op dergelijke verschijnselen.

Over het algemeen maken AFM-technieken gebruik van een cantilever met een punt van nanoformaat om oppervlakken te karakteriseren met behulp van twee hoofdklassen van metingen: topografische beeldvorming die de hoogte van een substraat meet bij elke xy-pixel of krachtmetingen die mechanische eigenschappen kwantificeren, colloïdale interacties^16,17, of kleefkrachten tussen een gefunctionaliseerde punt en het substraat. Tegenwoordig reiken de mogelijkheden van dit veelzijdige instrument veel verder dan deze traditionele toepassingen; Bekwame gebruikers die moderne instrumenten bedienen, kunnen elektrische, magnetische en chemische oppervlakte-eigenschappen meten door krachtmicroscopie te koppelen aan spectroscopie en andere methoden¹⁸. Misschien wel de meest fascinerende vooruitgang is de mogelijkheid om materialen en processen in hun oorspronkelijke oplossingen af te beelden, met ruimtelijke resolutie op nanoschaal, in realtime 19,20,21. Deze laatste mogelijkheid vergemakkelijkte de ontwikkeling van 3D FFM, die AFM-metingen uitbreidt naar de derde ruimtelijke dimensie door 1D-krachtcurven te combineren met topografische beeldvorming¹⁴. In het bijzonder verkrijgt de punt opeenvolgende krachtcurven bij elke xy-coördinaat om een 3D-kaart te produceren van de krachten die door de punt worden gedetecteerd op het grensvlak tussen vaste stof en vloeistof. Het nieuwe hier is dat een voldoende snelle en gevoelige punt kleine krachtgradiënten kan detecteren die overeenkomen met de lokale verdeling van moleculen om de structuur van de grensvlakoplossing in kaart te brengen.

Tot op heden is 3D FFM ontwikkeld door slechts enkele onderzoeksgroepen, wat naar onze mening niet te wijten is aan de technische beperkingen, maar eerder aan de noodzaak om instrumenten in eigen huis aan te passen om deze metingen uit te voeren. 3D FFM is echter onlangs op de markt gebracht en is nu toegankelijk voor onderzoekers van alle relevante disciplines. Vanuit wetenschappelijk oogpunt heeft deze techniek een brede en multidisciplinaire aantrekkingskracht. De eerste 3D FFM-experimenten werden bijvoorbeeld uitgevoerd op mineraaloplossingssystemen 15,22,23,24, waarbij belangrijke vragen onder meer het begrijpen van mechanismen van kristalgroei en -oplossing, de adsorptie van ionen en moleculen en de rol van hydratatielagen bij deeltjesaggregatie en -hechting waren. Succesvolle experimenten hebben calcium- en magnesiumatomen geïdentificeerd in een dolomietkristalrooster²⁵, de oplossingsstructuur rond calcietpuntdefecten²⁶ gevisualiseerd en ionenadsorptie op mica^27,28 en fluoriet 24,29-oppervlakken in beeld gebracht.

Naast het visualiseren van interfaces tussen mineralen en oplossingen, kan 3D FFM inzicht verschaffen in fundamentele vragen in de oppervlakte- en colloïdale fysica, zoals de schaling van colloïdale interacties op korte afstand, de structuur van elektrische dubbele lagen op moleculair niveau en de aard en oorsprong van solvatiekrachten. Deze metingen hebben belangrijke implicaties voor elektrochemie en batterijonderzoek, aangezien 3D FFM elektrode-elektrolytinterfaces in kaart kan brengen en hun reactie op elektrische velden kan onderzoeken³. Andere toepassingen in de materiaalkunde zijn onder meer het begrijpen van verschijnselen die optreden aan de oppervlakken van scheidingsmembranen, heterogene katalysatoren en polymeercoatings. Naarmate dit vermogen zich verder ontwikkelt, verwachten we dat het ook een belangrijke rol zal spelen bij het afbeelden van biomoleculen en het afbakenen van de rol van interacties, ionen en oplosmiddelmoleculen in hun zelfassemblage.

Een van de belangrijkste aspecten voor het bevorderen van gegevensinterpretatie in 3D FFM is benchmarking met andere experimentele en simulatietools die eerder zijn gebruikt om vaste-vloeistofinterfaces te bestuderen. Technieken op basis van röntgenreflectiviteit of diffractie meten bijvoorbeeld elektronendichtheidsprofielen die kunnen worden toegewezen aan de verdeling van ionen en oplosmiddelmoleculen als functie van de hoogte van het grensvlak 30,31,32,33. Deze benadering is succesvol gebleken voor een reeks mineraaloplossingssystemen, maar blijft beperkt tot grote atomair gladde oppervlakken en is vaak niet in staat om lateraal opgeloste gegevens te produceren. Andere technieken, zoals spectroscopie voor het genereren van somfrequenties, leveren bewijs van bepaalde aspecten van de structurering van oplosmiddelen op minerale oppervlakken, zoals de oriëntatie van oplosmiddelmoleculen op het oppervlak, maar niet van directe visualisatie van de structuur^34,35. Bovendien zijn moleculaire dynamica-simulaties aanzienlijk gevorderd en kunnen ze nu routinematig oplosmiddeldistributieprofielen onderzoeken op kristaloppervlakken 4,36,37,38,39. Hoewel elk van deze technieken zijn eigen uitdagingen en beperkingen heeft, vormen ze een complementaire reeks hulpmiddelen voor het onderzoeken van de structuur van grensvlakoplossingen; 3D FFM is klaar om in dit opzicht een belangrijke bijdrage te leveren en het scala aan vaste-vloeistofsystemen die kunnen worden bestudeerd uit te breiden, evenals de onderzoeksvragen die kunnen worden beantwoord.

Een voorwaarde voor het implementeren van 3D FFM op een bepaald monster is de mogelijkheid om topografische beelden met de gewenste ruimtelijke resolutie te verkrijgen. Voor een gedetailleerd experimenteel protocol over AFM-beeldvorming met hoge resolutie wordt de lezer verwezen naar een recent manuscript van Miller et ^al.20. Voor een optimale werking van 3D FFM is het sterk aan te raden om eerst de daarin beschreven beeldvormingstechniek met hoge resolutie onder de knie te krijgen. De meeste aanbevelingen in dat protocol zijn toepasbaar en noodzakelijk voor 3D FFM. In het volgende protocol belichten we kort de belangrijkste stappen voor beeldvorming met hoge resolutie, maar richten we ons op specifieke overwegingen voor 3D FFM.

Protocol

1. Laden en kalibreren van de AFM-tip

1. Reinig de uitkragende punt door deze enkele minuten achtereenvolgens onder te dompelen in water en isopropanoloplosmiddelen om verontreinigingen en organische adsorbaten te verwijderen. Andere veelgebruikte methoden voor reiniging zijn argon-plasma of ultraviolet-ozon oppervlaktebehandeling.
   OPMERKING: Wees consistent in de voorbereiding van het monster en de cantilever bij het vergelijken van verschillende datasets. Veranderingen in het reinigingsproces kunnen van invloed zijn op de eigenschappen van de tip, zoals oppervlaktechemie, hydrofiliciteit of zelfs vorm, en zo de gemeten krachten⁴⁰.
2. Reinig de zweefhouder ook met water en isopropanoloplosmiddelen.
3. Laad de cantilever in de houder met behulp van de houderklem of schroef, zoals typisch voor het gebruikte AFM-instrument. Sluit de zweefhouderhouder aan op de AFM.
4. Lijn de laserspot op de punt uit om het responssignaal te maximaliseren met behulp van de AFM-software en zet vervolgens het afbuigsignaal op nul.
5. Meet de vrijdragende veer constant in de lucht. Deze stap wordt op de meeste moderne microscopen geautomatiseerd door de thermische fluctuaties van de cantilever te registreren en de eerste resonantiepiek aan te passen aan een eenvoudig harmonisch oscillatormodel dat wordt uitgevoerd volgens het protocol van de fabrikant.
   OPMERKING: Het meten van de veerconstante wordt in sommige AFM-toepassingen vaak over het hoofd gezien, maar is cruciaal voor de juiste interpretatie van 3D FFM-gegevens, met name voor het omzetten van gegevens van waarneembare instrumenten in gemeten krachten, zoals beschreven in een later gedeelte.

2. Laden van het substraat en de oplossing

1. Koppel de cantileverhouder los en verwijder deze van de AFM-trap en voeg ~60 μL beeldvormingsoplossing toe aan de cantilevertip. Zorg ervoor dat de punt volledig is ondergedompeld in de oplossing. Zorg ervoor dat er tijdens dit proces geen luchtbellen ontstaan.
   OPMERKING: De beeldvormingsoplossing kan alles zijn wat verband houdt met het wetenschappelijk onderzoek. Gebruik als testoplossing [KCl] = 10 mM of zelfs zuiver water.
2. Splijt het monster (bijv. mica) onmiddellijk voorafgaand aan de metingen om een glad en schoon oppervlak te verkrijgen. Spoel het monster af met de beeldvormingsoplossing en voeg vervolgens ~100 μL van dezelfde beeldvormingsoplossing toe aan het monsteroppervlak.
   1. Plaats het gereinigde substraat op de monsterfase. De substraatgrootte varieert afhankelijk van het experiment; Het kan zo groot zijn als een wafer van 1 x 1 cm² of zo klein als nanodeeltjes die op een oppervlak worden afgezet.
      OPMERKING: Net als bij elke andere AFM-meting, is het hebben van een schoon oppervlak van cruciaal belang voor het verkrijgen van betrouwbare 3D-gegevens, aangezien de interface bijzonder gevoelig is voor verontreiniging door organische stoffen en andere residuen²⁷.
3. Plaats de sledehouder terug en zet hem vast op zijn plaats op het podium. Laat de uitkraging voorzichtig zakken totdat de oplossing op de punt druppelt en het monster in contact komt. De sampletrap wordt bestuurd door de instrumentsoftware of door een fysieke knop op de instrumentbody.
4. Laat het monsteroppervlak chemisch in evenwicht komen en wissel ionen uit met de beeldvormingsoplossing gedurende ongeveer 10 minuten.
   1. Verwijder als optionele stap de uitkragende uiteinde, vervang de beeldvormingsoplossing door een vers aliquot, plaats de uitkragende houder terug en benader het monster totdat de punt weer in de oplossing is ondergedompeld.

3. Instellen van instrumentparameters voor amplitude-gemoduleerde AFM-metingen

1. Verkrijg nog een thermische grafiek terwijl de punt in de oplossing is ondergedompeld. Zorg er nu voor dat de veerconstante is vastgesteld op de waarde die is berekend in stap 1.5, terwijl een instrumentparameter (bijv. AmpInVOLS-parameter) wordt gebruikt om de thermische piek te passen. Nogmaals, deze stap is op de meeste moderne microscopen geautomatiseerd met een paar klikken onder het gedeelte over de thermische grafiek in de instrumentsoftware.
   OPMERKING: Deze parameter kalibreert de omzetting van het elektronische signaal dat door het instrument wordt gedetecteerd naar de tip-monsterafstand in nanometerwaarden, zodat de experimentalist betrouwbare gegevens kan verkrijgen over de positie en afbuiging van de tip.
2. Stem de cantilevertip af door de aandrijffrequentie (ν_exc) in te stellen op de resonantiefrequentie (ν_e) en vervolgens de faseverschuiving te centreren op 90° dicht bij de resonantiefrequentie. Dit zijn instrumentparameters die de gebruikers kunnen regelen met behulp van het protocol van de fabrikant wanneer het instrument in de amplitudegemoduleerde modus wordt gebruikt.
   OPMERKING: Sommige AFM-instrumenten gebruiken fotothermische excitatie, waarvoor de resonantiefrequentie dezelfde waarde is die in stap 3.1 is verkregen. Deze methode van tip-excitatie is zeer voordelig voor 3D-krachtmapping, omdat het stabiele beeldvormingsomstandigheden mogelijk maakt, zelfs bij zeer lage aandrijfamplitudes.
3. Zoek de geschatte hoogte van het monsteroppervlak en benader de punt voorzichtig totdat deze in contact komt met het oppervlak. Doe dit door de setpoint-amplitude te wijzigen in ongeveer ~70% van de vrije amplitude met behulp van de Set Point-parameter in de instrumentsoftware. Naarmate de punt het oppervlak nadert, neemt de amplitude af totdat deze de instelwaarde bereikt en wordt dus bepaald dat deze aan het oppervlak wordt ingeschakeld.
4. Verkrijg een enkele krachtcurve vanaf ~200 nm afstand van het oppervlak. Meestal wordt dit gedaan in het Force-paneel van de instrumentsoftware. Voordat u de punt terugtrekt, stelt u de faseverschuiving opnieuw af en centreert u deze op 90°, zoals in stap 3.2. De resonantiefrequentie zal iets afnemen als gevolg van interacties tussen punt en oppervlak.
   OPMERKING: Deze stap zorgt ervoor dat tijdens de daaropvolgende 3D FFM-metingen de faseverschuiving ongeveer 90 graden is op de ingetrokken tippositie.
5. Verander de ingestelde amplitude in ~70% van de vrije amplitude. Gebruik geen zeer lage instelwaarden (grote, uitgeoefende kracht), omdat dit de punt voortijdig kan beschadigen.
6. Verkrijg een topografisch beeld. Voor gladde oppervlakken zoals mica begint u met een beeld van ~20 x 20 nm² . Voor ruwere oppervlakken begint u met het afbeelden van grotere gebieden voordat u snel een atomair glad gebied van 20 x 20 nm² lokaliseert om af te beelden. Onderzoek de verkregen afbeeldingen zorgvuldig. Op dit punt moet de 2D-beeldvormingsresolutie ten minste gelijk zijn aan de gewenste 3D-resolutie voor krachttoewijzing.
   OPMERKING: Er moet voor worden gezorgd dat de schade aan de tip tot een minimum wordt beperkt. Maak bijvoorbeeld niet meer foto's dan nodig is en gebruik zachte instelpunten, grote beeldversterkingen en lage scansnelheden bij het maken van grote en ruwe gebieden.
7. Verminder met behulp van de instrumentsoftware de amplitude van de aandrijving tot ongeveer 0,25 nm en indien mogelijk zelfs lager. Verlaag het instelpunt dienovereenkomstig, altijd kleiner dan de amplitude van de aandrijving en verkrijg testbeelden. Met een juiste selectie van de tip en beeldvormingscondities kan de amplitude van de aandrijving worden teruggebracht tot ~0,1 nm. Wees echter heel voorzichtig wanneer beeldvorming met zo'n kleine amplitude over een ruw oppervlak de top kan beschadigen.
   OPMERKING: Voor een betere verticale resolutie moet de amplitude van de schijf kleiner zijn dan de oplossingsfuncties die men probeert op te lossen. De kleinste vrije amplitude die realistisch gezien kan worden bereikt, wordt beperkt door de thermische ruis die gepaard gaat met de cantilever en instrumentale opstelling. Men kan de signaal-ruisverhouding kwalitatief evalueren tijdens het afstemmen van de cantilever door de piekamplitude te analyseren in vergelijking met de basisruis.
8. Verkrijg enkelvoudige krachtcurven vanaf een tip-sample afstand van 200 nm. Verklein vervolgens de tip-sample-afstand voor de krachtcurven tot 50 nm, 10 nm en ten slotte 5 nm.
   OPMERKING: Optimaliseer de meetomstandigheden zodanig dat de amplitude in de ingetrokken puntpositie zo laag mogelijk is (< 0,25 nm); De faseverschuiving in de ingetrokken tippositie is ~90°; De excitatiefrequentie (ν_eX) is gelijk aan of zeer dicht bij de resonantiefrequentie (ν_e), wat de conversie van waarneembare instrumenten naar gemeten krachten in de latere stappen vereenvoudigt; En het setpoint is laag genoeg zodat de faseverschuiving (en amplitude) aanzienlijk daalt (met ~40-50%) binnen de laatste paar nanometer van de krachtmeting. De uitgeoefende kracht kan verder worden verhoogd (setpoint verlaagd). De wisselwerking is dat de punt in dit proces sneller wordt beschadigd.
9. Zorg ervoor dat u de punt terugtrekt nadat de krachtcurve is gestopt. Als de punt vast blijft zitten en dicht bij het oppervlak blijft, kan deze naar het oppervlak drijven en tegen het oppervlak botsen.
   OPMERKING: Figuur 1 geeft een 1D-krachtcurve weer voor het muscoviet-watersysteem verkregen in [NaCl] = 10 mM-oplossing, met name de faserespons (φ), amplitude (A) en afbuiging (δ). In dit stadium moeten deze profielen bewijs tonen van de kenmerken waarnaar wordt gestreefd in de 3D-kaarten en die zich manifesteren als oscillerende kenmerken die meestal duidelijk zijn in de fasecurve. Merk op dat de hoogtecoördinaat voor deze onbewerkte gegevens willekeurig is. Meer details over gegevensverwerking en -analyse vindt u in een latere paragraaf.

4. Het verkrijgen van 3D krachtkaarten

OPMERKING: Het vinden van de optimale parameters voor 3D FFM-metingen hangt af van het monsteroppervlak, de uitkragende punt en de beeldvormingsoplossing. Algemene richtlijnen worden als uitgangspunt gegeven, maar de juiste parameters voor elk monster vereisen het verkrijgen en analyseren van datasets met verschillende meetomstandigheden. De volgende stappen laten zien hoe u de 3D-krachtkaarten voor het mineraalwatersysteem kunt verkrijgen. Alle parameters die in stap 4.2 worden beschreven, worden ingesteld met behulp van de instrumentsoftware.

1. Voer alle stappen uit zoals beschreven in sectie 2 en 3.
2. Stel de tip-sampleafstand (z) in op 2-5 nm. Deze afstand is voldoende om de kenmerken van de grensvlakoplossing op te lossen, aangezien de punt zich dicht bij het oppervlak bevindt en de punt ook in evenwicht kan brengen met de bulkoplossing wanneer deze zich terugtrekt naar de verste positie.4.3.
3. Stel het scangebied in op 3 x 3 nm² of 10 x 10 nm², met een resolutie van 64 x 64 pixels² -128 x 128 pixels².
   OPMERKING: Andere toepassingen, zoals beeldvorming met biomoleculen, vereisen mogelijk grotere scanformaten in alle drie de ruimtelijke dimensies.
4. Stel de snelheid van de verwerving van de krachtcurve in op 200-800 Hz, wat overeenkomt met 15-120 s per 3D-gegevensset. Idealiter verlaagt u dit aantal zo veel mogelijk om beeldvervorming en thermische drift van de punt te minimaliseren, terwijl u een behoorlijke resolutie in de z-richting behoudt. Voor deze scansnelheden en afmetingen worden na verwerking van de gegevens 50-100 pix/nm verkregen in de z-richting , wat meestal voldoende is om de structuur van de grensvlakoplossing op te lossen.
5. Kies als uitgangspunt een waarde voor Instelpunt , zodat de faseverschuiving routinematig daalt tot ~50-60° in elke krachtcurve. Het instelpunt kan worden gedefinieerd als slechts 50% van de vrije amplitude. Dit hangt echter vooral af van het type monster dat wordt gemeten en vereist vallen en opstaan. Het gebruik van een laag instelpunt (hoge druk) kan bijvoorbeeld de punt beschadigen of het oppervlak vervormen in het geval van zachte moleculen. Aan de andere kant is een hoog instelpunt (lage druk) misschien niet voldoende om door te dringen en de hydratatielagen te onderzoeken.
6. Controleer of de software vier belangrijke observabelen registreert die nodig zijn om de amplitudegemoduleerde AFM-gegevens te analyseren: tiphoogte, amplitude, fase en afbuiging. Houd er rekening mee dat er meerdere datakanalen kunnen bestaan voor het volgen van de tiphoogte, afhankelijk van het instrument en de software. Aangezien 3D FFM een zeer hoge resolutie vereist, is het belangrijk om de meest vloeiende tiphoogteprofielen te gebruiken met de minste overliggende elektronische ruis van het instrument. Naast het vastleggen van deze belangrijke variabelen zijn andere operationele parameters en metadata nodig om de krachten die op de tip worden uitgeoefend te analyseren en te reconstrueren (meestal standaard opgeslagen in uw gegevensbestand), zoals besproken in een later gedeelte.
   OPMERKING: 3D FFM is aangetoond in zowel amplitude gemoduleerde als frequentie gemoduleerde AFM-modi. Wat de kwaliteit en analyse van de gegevens betreft, zijn de twee methoden gelijkwaardig. Dienovereenkomstig wordt de voorkeursmodus overgelaten aan het oordeel en de ervaring van de experimentalist. Een mogelijk voordeel van de amplitudegemoduleerde modus is de stabiliteit van de tip over grotere z-afstanden , waardoor de gebruiker 3D-gegevens kan verkrijgen die zich uitstrekken >10 nm in de oplossing. Ter vergelijking: een nadeel van deze modus betreft het afbeelden van zachte moleculen met relaxatietijdschalen die langzamer zijn dan de cantileverbeweging. Deze laatste toepassing biedt FFM de mogelijkheid om grensvlakrelaxatie in zacht materiaal en stroperige vloeistoffen te onderzoeken. In deze gevallen kunnen de gemeten amplitudeprofielen hysterese vertonen in de naderings- en intrekcycli, waardoor onzekerheid ontstaat over de werkelijke tiphoogte.

5. Verwerking van 3D-krachtkaartgegevens

OPMERKING: De volgende stappen kunnen worden uitgevoerd in de voorkeurssoftware voor gegevensanalyse met behulp van intern gegenereerde codes of met behulp van de gegevensverwerkingsbestanden die in de ondersteunende informatie worden verstrekt.

1. Laad de onbewerkte gegevens in een voorkeursanalysesoftware voor berekeningen en visualisatie.
   OPMERKING: De vereiste waarneembare waarden voor analyse zijn amplitude (A), faseverschuiving (φ) en tipafbuiging (δ) als functie van de hoogteverplaatsing (z), evenals tipeigenschappen zoals de resonantiefrequentie (ν_e), veerconstante (k) en kwaliteitsfactor (Q). Andere bedrijfsparameters zijn de scanafmetingen, de scansnelheid, de tipbekrachtigingsfrequentie (ν_exc) en de aandrijfamplitude (A₀). De laatste waarde wordt meestal geregistreerd in spanningseenheden, maar kan gemakkelijk worden omgezet in nanometers op basis van de kalibratiewaarde die in stap 3.1 is verkregen.
2. Extraheer het equivalente topografische beeld uit de 3D-dataset door de verste hoogteverplaatsing van de punt op elke xy-coördinaat te registreren. Bereken aan de hand van deze gegevens de kanteling van het monster door rechte lijnen aan te passen aan de gemiddelde hoogteprofielen in zowel x- als y-scanrichtingen. Zelfs als het oppervlak atomair glad is, zoals mica, wordt een monsterhelling van enkele graden verwacht en moet rekening worden gehouden met de bijbehorende hoogtehelling voorafgaand aan de gegevensanalyse.
   OPMERKING: Op de meeste moderne instrumenten is deze stap geautomatiseerd voor regelmatige topografische beeldvorming, maar moet handmatig worden gedaan voor 3D FFM-gegevens. Het is duidelijk dat deze methode enigszins moet worden aangepast als de gebruiker complexere oppervlakken meet, zoals kristallen met meerstapsranden.
3. Lineariseer de hoogteverplaatsingsprofielen. Bedenk dat de punt in 3D FFM vergelijkbare sinusvormige trajecten volgt in elke naderings- en intrekcyclus. De verste omvang van de punt varieert echter afhankelijk van de kristallografische plaats waarop deze landt, en de geregistreerde tiphoogtes zijn duidelijk niet identiek aan het laatste significante cijfer. Dienovereenkomstig worden de hoogtewaarden die in alle tiptrajecten worden gemeten, gediscretiseerd om een enkel, lineair z-profiel voor alle krachtcurven te verkrijgen.
   OPMERKING: De grootte van de opvangbak is afhankelijk van de meetparameters en de lengteschaal van de interessante functies. Voor de meeste toepassingen is 0,2 Å een voldoende hoge resolutie. Deze waarde is meer dan tien keer kleiner dan de grootte van een watermolecuul; Het gebruik van kleinere bin maten levert geen voordelen op en zit in feite binnen de mechanische en elektronische ruis van het instrument.
4. Bereken de gemiddelde waarneembare waarden die overeenkomen met de hoogtebakken voor elke afzonderlijke krachtcurve. Deze methode produceert een 3D-volume van de fase-/amplitudegegevens die gemakkelijk in elke richting kunnen worden opgesplitst en gevisualiseerd.
   OPMERKING: In principe moeten de krachtprofielen van de tipbenadering en het intrekken vergelijkbaar zijn. Men zou kunnen testen of het geschikter is om gegevens van een of beide te gebruiken, afhankelijk van de specifieke steekproef. Met name biomoleculen en zachtere grotere moleculen kunnen hysterese-effecten vertonen in de naderende/intrekcycli. In dit geval wordt de gebruiker geadviseerd om de beeldvormingsvoorwaarden te wijzigen zoals hierboven beschreven.
5. Pas de hoogteprofielen aan door rekening te houden met de doorbuiging van de punt. Deze stap is optioneel en wordt overgelaten aan het oordeel van de gebruiker. Bij uitkragingen met grote veerconstanten (>200 N/m) is de doorbuiging van de punt in de verdunde zoutoplossing bijvoorbeeld doorgaans minder dan <0,08 Å, wat geen significante invloed heeft op de gegevens.
   OPMERKING: Op basis van het specifieke monster kan de gebruiker ofwel 1) de puntafbuiging voor zeer stijve uitkragingen verwaarlozen nadat hij nogmaals heeft gecontroleerd of hun effect verwaarloosbaar is, 2) de punthoogte corrigeren met behulp van het doorbuigingsprofiel dat is gemiddeld van de hele dataset, 3) de punthoogte voor elke individuele krachtcurve corrigeren met behulp van de bijbehorende puntafbuigingsgegevens van die krachtcurve. De laatste optie is intuïtief de meest "correcte" en moet waar mogelijk worden toegepast, maar deze aanpak introduceert vaak meer ruis in de gegevens die opweegt tegen de verdienste van deze correctie.
6. Maak de gegevensset vloeiend met behulp van een 3D-mediaanfilter. In de meeste gevallen vermindert deze optionele stap de ruis zonder afbreuk te doen aan de resolutie. Het is handig om ook een versie van de niet-gefilterde gegevens te bewaren voor consistentiecontroles tijdens latere analysestappen. Bovendien kan de gebruiker meer geavanceerde filtermethoden verkennen, zoals methoden op basis van analyse van hoofdcomponenten, die direct beschikbaar zijn met de meeste gegevensverwerkingssoftware.
7. Sla de verwerkte resultaten, evenals de nuttige metagegevens (meetparameters die belangrijk zijn voor het omzetten van AFM-observabelen naar tip-sample force) op in een gegevensbestand dat kan worden gebruikt voor latere analyse.
   OPMERKING: De drie gegevensverwerkingsbestanden in de ondersteunende informatie kunnen worden gebruikt om de in dit hoofdstuk genoemde functies uit te voeren. Het eerste bestand laadt de ruwe 3D FFM-gegevens en maakt een hdf5-bestand dat de relevante gegevens en metadata bevat; Dit is gewoon een overdracht van de gegevens naar een gebruiksvriendelijker bestand dat gemakkelijker toegankelijk is voor verwerking. Het tweede bestand verwerkt de onbewerkte gegevens, volgens de hierboven beschreven stappen, door de equivalente hoogteafbeelding te extraheren, de hoogteverplaatsingsprofielen te lineariseren, de gegevenswaarden te sorteren in de bijbehorende hoogtebakken, de gegevensset vloeiend te maken met behulp van een filter en de verwerkte resultaten op te slaan in een uitvoergegevensbestand. De gebruiker kan ook enkele functies activeren om bijvoorbeeld krachtcurven (onbewerkt en bewerkt), xz/xy-segmenten en de correctie voor substraatkanteling uit te zetten, en om andere consistentiecontroles na de verwerking uit te voeren. Deze gegevensverwerkingsscripts zijn gebruiksvriendelijk en geannoteerd en tonen de exacte stappen voor gebruikers om parameters aan te passen en gegevens uit de onbewerkte instrumentbestanden te extraheren.

Results

Figuur 2A geeft een schema van 3D-krachtmapping. Net als bij andere AFM-technieken die in amplitudegemoduleerde modus werken, wordt een oscillerende cantilever over het oppervlak gescand. Naast de tiphoogte op elke coördinaat, worden waarneembare instrumenten zoals faseverschuiving en amplitude verzameld wanneer de tip het oppervlak nadert en terugtrekt. Het resultaat is een 3D-dataset van waarneembare objecten - met name de oscillatieamplitude, faseverschui...

Discussion

De AFM-tip selecteren
Zoals bij elke AFM-toepassing, zijn de belangrijkste kenmerken van het sondeuiteinde de resonantiefrequentie, de grootte van de cantilever, de straal van het uiteinde, het materiaal van het uiteinde en de veerconstante. Bijna alle 3D FFM-literatuur tot nu toe heeft het gebruik van stijve, hoogfrequente tips gemeld. De meest voorkomende voorbeelden zijn op silicium gebaseerde tips (bijv. AC55TS, PPP-NCH, Tap300-G, enz.) tips die kunnen worden gebr...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AC55TS AFM tip	Olympus
Cypher VRS Atomic Force Microscope	Asylum Research
PPP-NCH AFM tip	Nanosensors
Tap300-G AFM tip	Budget Sensors
USC-F5-k30-10 AFM tip	Nanoworld
(Opmerking: slechts één van de AFM tip opties is vereist)