Üç Boyutlu Hızlı Kuvvet Haritalaması Kullanarak Katı-Sıvı Arayüzlerinde Çözüm Yapısını Görselleştirme

Summary

Burada, arayüzey bölgesindeki uç-numune etkileşimlerini haritalayarak nanometre altı çözünürlüğe sahip katı-sıvı arayüzlerinde çözelti yapısını görselleştirmek için üç boyutlu hızlı kuvvet haritalamasını - bir atomik kuvvet mikroskobu tekniği - kullanmak için bir protokol sunuyoruz.

Abstract

Çeşitli araştırma alanlarındaki zorluklar arasında, katı-sıvı arayüzlerinin görselleştirilmesi ve bunların iyon konsantrasyonları, pH, ligandlar ve eser katkı maddeleri gibi çözelti koşullarından ve ayrıca altta yatan kristalografi ve kimyadan nasıl etkilendiğinin anlaşılması yer almaktadır. Bu bağlamda, üç boyutlu hızlı kuvvet haritalama (3D FFM), arayüzlerde çözüm yapısını araştırmak için umut verici bir araç olarak ortaya çıkmıştır. Bu yetenek, atomik kuvvet mikroskobuna (AFM) dayanır ve arayüzey bölgelerinin nanometre altı çözünürlükle üç uzamsal boyutta doğrudan görselleştirilmesine izin verir. Burada, 3D FFM verilerini elde etmek için deneysel protokolün ayrıntılı bir açıklamasını sunuyoruz. Numuneye ve uygulamaya bağlı olarak çalışma parametrelerini optimize etmek için ana hususlar tartışılmaktadır. Ayrıca, ölçülen alet gözlemlenebilirlerinin yerel çözüm yapısına bağlanabilen uç-numune kuvvet haritalarına dönüştürülmesi de dahil olmak üzere veri işleme ve analiz için temel yöntemler tartışılmaktadır. Son olarak, 3D FFM veri yorumlaması ve bu tekniğin yüzey bilimi repertuarında nasıl merkezi bir araç haline gelebileceği ile ilgili bazı önemli sorulara ışık tutuyoruz.

Introduction

Kolloidal etkileşimler için klasik teorilerin parçalandığı bir katı-sıvı arayüzünün birkaç nanometre içinde birçok ilginç fenomen meydana gelir¹. Çözücü molekülleri ve iyonları, kataliz³, iyon adsorpsiyonu ^4,5, elektron transferi ^6,7, biyo-moleküler düzenek⁸, parçacık toplama⁹, bağlantı ^10,11 ve düzenek^12,13 gibi beklenmedik modeller² ve çeşitli süreçler halinde organize olurlar, oluşabilir. Bununla birlikte, çok az teknik, özellikle nanometre altı 3D çözünürlükle arayüzdeki çözelti yapısını karakterize edebilir. Bu bağlamda, atomik kuvvet mikroskobuna (AFM) dayalı bir teknik olan üç boyutlu hızlı kuvvet haritalama (3D FFM), arayüzey çözelti yapısını^14,15 belirlemek ve bu tür fenomenler üzerindeki etkisini anlamak için yararlı bir araç olarak ortaya çıkmıştır.

Genel olarak, AFM teknikleri, iki ana ölçüm sınıfı kullanarak yüzeyleri karakterize etmek için nano boyutlu bir uca sahip bir konsol kullanır: her xy pikselinde bir alt tabakanın yüksekliğini ölçen topografik görüntüleme veya mekanik özellikleri, kolloidal etkileşimleri ^16,17 ölçen kuvvet ölçümleri veya işlevselleştirilmiş bir uç ile alt tabaka arasındaki yapışma kuvvetleri. Bugün, bu çok yönlü cihazın yetenekleri bu geleneksel uygulamaların çok ötesine uzanıyor; Modern aletleri kullanan yetenekli kullanıcılar, kuvvet mikroskobunu spektroskopi ve diğer yöntemlerle birleştirerek elektriksel, manyetik ve kimyasal yüzey özelliklerini ölçebilir¹⁸. Belki de en büyüleyici ilerlemeler, malzemeleri ve süreçleri doğal çözümlerinde nano ölçekli uzamsal çözünürlükle gerçek zamanlı olarak görüntüleme yeteneği olmuştur 19,20,21. Bu ikinci yetenek, 1B kuvvet eğrilerini topografik görüntüleme ile birleştirerek AFM ölçümlerini üçüncü uzamsal boyuta genişleten 3B FFM'nin geliştirilmesini kolaylaştırdı¹⁴. Spesifik olarak, uç, katı-sıvı arayüzünde uç tarafından algılanan kuvvetlerin bir 3B haritasını üretmek için her xy koordinatında ardışık kuvvet eğrileri alır. Buradaki yenilik, yeterince hızlı ve hassas bir ucun, arayüzey çözelti yapısını haritalamak için moleküllerin yerel dağılımına karşılık gelen küçük kuvvet gradyanlarını tespit edebilmesidir.

Bugüne kadar, 3D FFM sadece birkaç araştırma grubu tarafından geliştirilmiştir ve bize göre bu, teknik sınırlamalarından değil, bu ölçümleri gerçekleştirmek için cihazların şirket içinde özelleştirilmesi ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, 3D FFM yakın zamanda ticarileştirildi ve artık ilgili tüm disiplinlerden araştırmacılar tarafından erişilebilir durumda. Bilimsel bir bakış açısından, bu tekniğin geniş ve çok disiplinli bir çekiciliği vardır. Örneğin, ilk 3D FFM deneyleri, kristal büyümesi ve çözünme mekanizmalarının anlaşılmasını, iyonların ve moleküllerin adsorpsiyonunu ve hidrasyon katmanlarının parçacık agregasyonu ve bağlanmasındaki rolünü içeren önemli soruların bulunduğu mineral-çözelti sistemleri^15,22,23,24 üzerinde gerçekleştirildi. Başarılı deneyler, bir dolomit kristal kafesinde²⁵ kalsiyum ve magnezyum atomlarını tanımlamış, kalsit nokta kusurları²⁶ etrafındaki çözelti yapısını görselleştirmiş ve mika^27,28 ve florit^24,29 yüzeylerinde iyon adsorpsiyonunu görüntülemiştir.

Mineral-çözelti arayüzlerini görselleştirmenin ötesinde, 3D FFM, kısa menzilli kolloidal etkileşimlerin ölçeklendirilmesi, moleküler düzeyde elektrik çift katmanlarının yapısı ve çözünme kuvvetlerinin doğası ve kökenleri gibi yüzey ve kolloidal fizikteki temel sorulara içgörü sağlayabilir. Bu ölçümlerin elektrokimya ve pil araştırmaları için önemli etkileri vardır, çünkü 3D FFM elektrot-elektrolit arayüzlerini haritalayabilir ve elektrik alanlarına^tepkilerini araştırabilir 3. Malzeme bilimindeki diğer uygulamalar, ayırma membranlarının, heterojen katalizörlerin ve polimer kaplamaların yüzeylerinde meydana gelen olayların anlaşılmasını içerir. Bu yetenek daha da geliştikçe, biyomoleküllerin görüntülenmesinde ve etkileşimlerin, iyonların ve çözücü moleküllerinin kendi kendine bir araya gelmelerindeki rolünün tanımlanmasında da önemli bir rol oynayacağını tahmin ediyoruz.

3D FFM'de veri yorumlamayı ilerletmenin en önemli yönlerinden biri, daha önce katı-sıvı arayüzlerini incelemek için kullanılan diğer deneysel ve simülasyon araçlarıyla kıyaslamadır. Örneğin, X-ışını yansıtıcılığına veya kırınıma dayalı teknikler,^30,31,32,33 arayüzünden yüksekliğin bir fonksiyonu olarak iyonların ve çözücü moleküllerinin dağılımına eşlenebilen elektron yoğunluğu profillerini ölçer. Bu yaklaşım, bir dizi mineral-çözelti sistemi için başarılı olmuştur, ancak büyük atomik olarak pürüzsüz yüzeylerle sınırlı kalmıştır ve genellikle yanal olarak çözülmüş veri üretemez. Toplam frekans oluşturma spektroskopisi gibi diğer teknikler, yüzeydeki çözücü moleküllerinin oryantasyonu gibi mineral yüzeylerde çözücü yapılanmasının belirli yönlerine dair kanıt sağlar, ancak yapının doğrudan görselleştirilmesi^{değildir 34,35}. Ayrıca, moleküler dinamik simülasyonları önemli ölçüde ilerlemiştir ve artık ^{4,36,37,38,39} kristal yüzeylerindeki çözücü dağılım profillerini rutin olarak inceleyebilmektedir. Bu tekniklerin her birinin kendi zorlukları ve sınırlamaları olsa da, arayüzey çözüm yapısını araştırmak için tamamlayıcı bir araç paketi oluştururlar; 3D FFM, bu konuya önemli ölçüde katkıda bulunmaya ve çalışılabilecek katı-sıvı sistemleri yelpazesini ve cevaplanabilecek araştırma sorularını genişletmeye hazırlanıyor.

Belirli bir numune üzerinde 3D FFM'yi uygulamak için bir ön koşul, istenen uzamsal çözünürlüğe sahip topografik görüntüler elde etme yeteneğidir. Yüksek çözünürlüklü AFM görüntüleme ile ilgili ayrıntılı bir deneysel protokol için, okuyucu Miller ve ^ark.20 tarafından yakın zamanda yazılmış bir el yazmasına yönlendirilir. 3D FFM'nin en iyi şekilde çalışması için, öncelikle burada açıklanan yüksek çözünürlüklü görüntüleme tekniğine hakim olmanız şiddetle tavsiye edilir. Bu protokoldeki önerilerin çoğu 3D FFM için uygulanabilir ve gereklidir. Aşağıdaki protokolde, yüksek çözünürlüklü görüntüleme için ana adımları kısaca vurguluyoruz, ancak 3D FFM için belirli hususlara odaklanıyoruz.

Protocol

1. AFM ucunun yüklenmesi ve kalibre edilmesi

1. Kirleticileri ve organik adsorbatları gidermek için konsol ucunu birkaç dakika art arda suya ve izopropanol çözücülere batırarak temizleyin. Temizleme için diğer yaygın yöntemler arasında argon-plazma veya ultraviyole-ozon yüzey işlemi bulunur.
   NOT: Farklı veri setlerini karşılaştırırken numune ve konsol hazırlığında tutarlı olun. Temizleme işlemindeki değişiklikler, yüzey kimyası, hidrofiliklik ve hatta şekil gibi uç özelliklerini etkileyebilir ve dolayısıyla ölçülen kuvvetleri⁴⁰ etkileyebilir.
2. Konsol tutucuyu su ve izopropanol çözücülerle de temizleyin.
3. Tutucuyu kullanarak konsolu tutucuya yükleyinamp veya kullanılan AFM cihazı için tipik olduğu gibi vida. Konsol tutucuyu AFM'ye bağlayın.
4. AFM yazılımını kullanarak yanıt sinyalini en üst düzeye çıkarmak için uçtaki lazer noktasını hizalayın ve ardından sapma sinyalini sıfırlayın.
5. Havadaki konsol yayı sabitini ölçün. Bu adım, çoğu modern mikroskopta, konsolun termal dalgalanmalarını kaydederek ve ilk rezonans tepe noktasını, üreticinin protokolüne göre gerçekleştirilen basit bir harmonik osilatör modeline uydurarak otomatikleştirilir.
   NOT: Yay sabitinin ölçülmesi, bazı AFM uygulamalarında genellikle göz ardı edilir, ancak daha sonraki bir bölümde açıklandığı gibi, özellikle cihaz gözlemlenebilirlerinden gelen verileri ölçülen kuvvetlere dönüştürmek için 3D FFM verilerinin doğru yorumlanması için çok önemlidir.

2. Alt tabakanın ve çözeltinin yüklenmesi

1. Konsol tutucuyu AFM aşamasından ayırın ve çıkarın ve konsol ucuna ~60 μL görüntüleme solüsyonu ekleyin. Ucun çözeltiye tamamen daldırıldığından emin olun. Bu işlem sırasında hava kabarcıkları oluşturmamaya özen gösterin.
   NOT: Görüntüleme çözümü, bilimsel araştırma ile ilgili herhangi bir şey olabilir. Test çözeltisi olarak [KCl] = 10 mM veya hatta saf su kullanın.
2. Pürüzsüz ve temiz bir yüzey elde etmek için numuneyi (örn. mika) ölçümlerden hemen önce ayırın. Numuneyi görüntüleme solüsyonu ile durulayın ve ardından numune yüzeyine aynı görüntüleme solüsyonundan ~ 100 μL ekleyin.
   1. Temizlenmiş alt tabakayı numune tablasına yerleştirin. Alt tabaka boyutu deneye bağlı olarak değişir; 1 x 1^cm2'lik bir gofret kadar büyük veya bir yüzeyde biriken nanopartiküller kadar küçük olabilir.
      NOT: Diğer tüm AFM ölçümlerinde olduğu gibi, temiz bir yüzeye sahip olmak, güvenilir 3D veriler elde etmek için çok önemlidir, çünkü arayüz özellikle organikler ve diğer kalıntılar tarafından kontaminasyona karşı hassastır²⁷.
3. Konsol tutucuyu geri dönün ve sahnedeki konumuna sabitleyin. Çözelti uçta damlayana ve numune temas edene kadar konsol konumunu dikkatlice indirin. Numune aşaması ya cihaz yazılımı tarafından ya da cihaz gövdesi üzerindeki fiziksel bir düğme ile kontrol edilir.
4. Numune yüzeyinin kimyasal olarak dengelenmesine ve yaklaşık 10 dakika boyunca görüntüleme çözeltisi ile iyon alışverişi yapmasına izin verin.
   1. İsteğe bağlı bir adım olarak, konsol ucunu çıkarın, görüntüleme solüsyonunu yeni bir alikotla değiştirin, konsol tutucuyu geri koyun ve uç tekrar solüsyona daldırılana kadar numuneye yaklaşın.

3. Genlik modülasyonlu AFM ölçümleri için cihaz parametrelerinin ayarlanması

1. Uç çözeltiye daldırılırken başka bir termal grafik elde edin. Bu noktada, yay sabitinin adım 1.5'te hesaplanan değerde sabitlendiğinden ve termal tepe noktasına uyması için bir cihaz parametresi (örneğin, AmpInVOLS parametresi) kullanıldığından emin olun. Yine, bu adım, çoğu modern mikroskopta, cihaz yazılımındaki termal grafik bölümünün altında birkaç tıklama ile otomatikleştirilir.
   NOT: Bu parametre, cihaz tarafından algılanan elektronik sinyalin nanometre değerlerinde uç-numune mesafesine dönüştürülmesini kalibre eder, böylece deneyci uç konumu ve sapması hakkında güvenilir veriler elde edebilir.
2. Sürücü frekansını (ν_exc) rezonans frekansına (ν_e) ayarlayarak ve ardından faz kaymasını rezonans frekansına yakın 90°'de ortalayarak konsol ucunu ayarlayın. Bunlar, kullanıcıların cihazı genlik modülasyonlu modda çalıştırırken üreticinin protokolünü kullanarak kontrol edebilecekleri cihaz parametreleridir.
   NOT: Bazı AFM cihazları, rezonans frekansının adım 3.1'de elde edilen değerle aynı olduğu fototermal uyarma kullanır. Bu uç uyarma yöntemi, çok düşük sürücü genliklerinde bile kararlı bir görüntüleme koşullarına izin verdiği için 3D kuvvet haritalaması için oldukça avantajlıdır.
3. Numune yüzeyinin yaklaşık yüksekliğini bulun ve uca yüzeyle temas edene kadar dikkatlice yaklaşın. Bunu, cihaz yazılımındaki Ayar Noktası parametresini kullanarak ayar noktası genliğini serbest genliğin yaklaşık ~%70'ine değiştirerek yapın. Uç yüzeye yaklaştıkça, genlik ayar noktası değerine ulaşana kadar düşer ve böylece yüzeyde devreye girdiği belirlenir.
4. Yüzeyden ~200 nm uzaklıktan başlayarak tek bir kuvvet eğrisi elde edin. Tipik olarak bu, cihaz yazılımının Force panelinde yapılır. Ucu geri çekmeden önce, faz kaymasını adım 3.2'deki gibi 90°'de yeniden ayarlayın ve ortalayın. Rezonans frekansı, uç-yüzey etkileşimleri nedeniyle biraz azalacaktır.
   NOT: Bu adım, sonraki 3D FFM ölçümleri sırasında, geri çekilmiş uç konumunda faz kaymasının yaklaşık 90 derece olmasını sağlar.
5. Ayarlanan genliği serbest genliğin ~%70'i olarak değiştirin. Çok düşük ayar noktası değerleri (büyük, uygulanan kuvvet) kullanmayın çünkü bu, uca zamanından önce zarar verebilir.
6. Topografik bir görüntü elde edin. Mika gibi pürüzsüz yüzeyler için ~20 x 20^nm2 görüntüyle başlayın. Daha pürüzlü yüzeyler için, atomik olarak pürüzsüz 20 x 20^nm2'lik bir alanı hızlı bir şekilde görüntülemeden önce daha geniş alanları görüntüleyerek başlayın. Elde edilen görüntüleri dikkatlice inceleyin. Bu noktada, 2D görüntüleme çözünürlüğü en azından istenen 3D kuvvet eşleme çözünürlüğüne eşdeğer olmalıdır.
   NOT: Ucun verdiği hasarı en aza indirmek için özen gösterilmelidir. Örneğin, gerekenden daha fazla görüntü çekmeyin ve büyük ve pürüzlü alanları görüntülerken yumuşak ayar noktaları, büyük görüntüleme kazançları ve düşük tarama hızları kullanın.
7. Cihaz yazılımını kullanarak, Sürücü genliğini yaklaşık 0.25 nm'ye ve hatta mümkün olduğunda daha da düşürün. Ayar Noktasını her zaman sürücü genliğinden daha az olacak şekilde uygun şekilde azaltın ve test görüntülerini elde edin. Ucun ve görüntüleme koşullarının uygun bir şekilde seçilmesiyle, sürücü genliği ~0,1 nm'ye düşürülebilir. Bununla birlikte, pürüzlü bir yüzey topografyası üzerinde bu kadar küçük bir genlikle görüntüleme uca zarar verebileceğinde çok dikkatli olun.
   NOT: Daha iyi bir dikey çözünürlük için, sürücü genliği, çözülmeye çalışılan çözüm özelliklerinden daha küçük olmalıdır. Gerçekçi olarak ulaşılabilen en küçük serbest genlik, konsol ve enstrümantal kurulumla ilişkili termal gürültü ile sınırlıdır. Temel gürültüye kıyasla tepe genliğini analiz ederek konsolu ayarlarken sinyal-gürültü oranı kalitatif olarak değerlendirilebilir.
8. 200 nm'lik bir uç-numune mesafesinden başlayarak tek kuvvet eğrileri elde edin. Ardından, kuvvet eğrileri için uç-numune mesafesini 50 nm, 10 nm ve son olarak 5 nm'ye düşürün.
   NOT: Ölçüm koşullarını, geri çekilmiş uç konumundaki genlik mümkün olduğunca düşük olacak şekilde optimize edin (< 0.25 nm); Geri çekilmiş uç pozisyonundaki faz kayması ~ 90 ° 'dir; Uyarma frekansı (ν_EXC), rezonans frekansına (ν_E) eşit veya çok yakındır, bu da alet gözlemlenebilirlerinin sonraki adımlarda ölçülen kuvvetlere dönüştürülmesini basitleştirir; Ve ayar noktası, kuvvet ölçümünün son birkaç nanometresinde faz kayması (ve genlik) önemli ölçüde (~% 40-50 oranında) düşecek kadar düşüktür. Uygulanan kuvvet daha da artırılabilir (ayar noktası azaltılabilir). Takas, bu süreçte ucun daha hızlı hasar görmesidir.
9. Kuvvet eğrisi alımı durdurulduktan sonra ucu geri çektiğinizden emin olun. Uç birbirine bağlı ve yüzeye yakın kalırsa, yüzeye doğru sürüklenebilir ve çarpabilir.
   NOT: Şekil 1 , [NaCl] = 1 mM çözeltide elde edilen muskovit-su sistemi, özellikle faz (φ), genlik (A) ve sapma (δ) tepkileri için bir 10D kuvvet eğrileri çizmektedir. Bu aşamada, bu profiller, 3B haritalarda hedeflenen ve faz eğrisinde çoğunlukla belirgin olan salınımlı özellikler olarak ortaya çıkan özelliklerin kanıtlarını göstermelidir. Bu ham veriler için yükseklik koordinatının isteğe bağlı olduğunu unutmayın. Veri işleme ve analizi hakkında daha fazla ayrıntı daha sonraki bir bölümde verilmiştir.

4. 3D kuvvet haritalarının edinilmesi

NOT: 3D FFM ölçümleri için en uygun parametrelerin bulunması, numune yüzeyine, konsol ucuna ve görüntüleme çözümüne bağlı olacaktır. Genel yönergeler bir başlangıç noktası olarak verilmiştir, ancak her numune için uygun parametreler, çeşitli ölçüm koşullarına sahip veri kümelerinin elde edilmesini ve analiz edilmesini gerektirecektir. Aşağıdaki adımlar, maden suyu sistemi için 3B kuvvet haritalarının nasıl elde edileceğini göstermektedir. Adım 4.2'de açıklanan tüm parametreler cihaz yazılımı kullanılarak ayarlanır.

1. Bölüm 2 ve 3'te açıklanan tüm adımları gerçekleştirin.
2. Uç-numune mesafesini (z) 2-5 nm olarak ayarlayın. Bu mesafe, uç yüzeye yakın olduğu için arayüzey çözeltisi özelliklerini çözmek için yeterlidir ve ayrıca ucun en uzak konuma geri çekildiğinde yığın çözeltisi ile dengelenmesini sağlar.4.3.
3. Tarama Alanını 3 x 3 nm² veya 10 x 10 nm² olarak ayarlayın, Çözünürlük 64 x 64 piksel² -128 x 128 piksel².
   NOT: Biyo-molekül görüntüleme gibi diğer uygulamalar, üç uzamsal boyutta da daha büyük tarama boyutları gerektirebilir.
4. Kuvvet Eğrisi Edinme Hızını 200-800 Hz olarak ayarlayın, bu da 3B veri kümesi başına 15-120 sn'ye karşılık gelir. İdeal olarak, z yönünde iyi bir çözünürlüğü korurken görüntü bozulmasını ve ucun termal kaymasını en aza indirmek için bu sayıyı mümkün olduğunca azaltın. Bu tarama hızları ve boyutları için, veriler işlendikten sonra z yönünde 50-100 pix/nm elde edilir, bu da genellikle arayüzey çözüm yapısını çözmek için yeterlidir.
5. Başlangıç noktası olarak, Ayar Noktası için faz kayması her kuvvet eğrisinde rutin olarak ~50-60°'ye düşecek şekilde bir değer seçin. Ayar noktası, serbest genliğin %50'si kadar düşük olarak tanımlanabilir. Bununla birlikte, bu özellikle ölçülen numunenin türüne bağlıdır ve deneme yanılma gerektirecektir. Örneğin, düşük bir ayar noktası (yüksek basınç) kullanmak, yumuşak moleküller söz konusu olduğunda uca zarar verebilir veya yüzeyi deforme edebilir. Öte yandan, hidrasyon katmanlarına nüfuz etmek ve araştırmak için yüksek bir ayar noktası (düşük basınç) yeterli olmayabilir.
6. Yazılımın, genlik modülasyonlu AFM verilerini analiz etmek için gereken dört temel gözlemlenebiliri kaydettiğini doğrulayın: uç yüksekliği, genlik, faz ve sapma. Cihaza ve yazılıma bağlı olarak uç yüksekliğini izlemek için birden fazla veri kanalının mevcut olabileceğini unutmayın. 3D FFM çok yüksek çözünürlük gerektirdiğinden, cihazdan en az üst üste binen elektronik gürültü ile en yumuşak uç yükseklik profillerini kullanmak önemlidir. Bu temel değişkenlerin kaydedilmesine ek olarak, daha sonraki bir bölümde tartışıldığı gibi, uca uygulanan kuvvetleri (genellikle varsayılan olarak veri dosyanıza kaydedilir) analiz etmek ve yeniden yapılandırmak için diğer çalışma parametreleri ve meta veriler gereklidir.
   NOT: 3D FFM, hem genlik modülasyonlu hem de frekans modülasyonlu AFM modlarında gösterilmiştir. Veri kalitesi ve analizi ile ilgili olarak, iki yöntem eşdeğerdir. Buna göre, tercih edilen çalışma modu, deneycinin takdirine ve deneyimine bırakılmıştır. Genlik modülasyonlu mod için olası bir avantaj, kullanıcının çözeltiye >10 nm uzanan 3D veriler elde etmesine olanak tanıyan daha büyük z mesafeleri boyunca ucun stabilitesidir. Karşılaştırıldığında, bu modun bir dezavantajı, konsol hareketinden daha yavaş gevşeme zaman ölçeklerine sahip yumuşak moleküllerin görüntülenmesiyle ilgilidir. İkinci uygulama, FFM'nin yumuşak malzeme ve viskoz sıvılarda arayüzey gevşemesini araştırması için bir fırsat sunar. Bu durumlarda, ölçülen genlik profilleri, yaklaşma ve geri çekme döngülerinde histerezis gösterebilir ve bu da gerçek uç yüksekliği hakkında belirsizlik yaratır.

5. 3D kuvvet haritası verilerinin işlenmesi

NOT: Aşağıdaki adımlar, tercih edilen veri analizi yazılımında, şirket içinde oluşturulan kodlar kullanılarak veya alternatif olarak Destekleyici Bilgiler'de sağlanan veri işleme dosyaları kullanılarak gerçekleştirilebilir.

1. Ham verileri, hesaplamalar ve görselleştirme için tercih edilen bir analiz yazılımına yükleyin.
   NOT: Analiz için gerekli gözlemlenebilirler, yükseklik yer değiştirmesinin (z) bir fonksiyonu olarak genlik (A), faz kayması (φ) ve uç sapması (δ) ile rezonans frekansı (ν_e), yay sabiti (k) ve kalite faktörü (Q) gibi uç özellikleridir. Diğer çalışma parametreleri arasında tarama boyutları, tarama hızı, uç uyarma frekansı (ν_exc) ve sürücü genliği (A₀) bulunur. İkinci değer tipik olarak voltaj birimlerinde kaydedilir, ancak Adım 3.1'de elde edilen kalibrasyon değerine dayalı olarak kolayca nanometreye dönüştürülebilir.
2. Her xy koordinatında ucun en uzak yükseklik yer değiştirmesini kaydederek 3B veri kümesinden eşdeğer topografik görüntüyü çıkarın. Bu verileri kullanarak, hem x hem de y tarama yönlerinde ortalama yükseklik profillerine düz çizgiler uydurarak örnek eğimini hesaplayın. Yüzey mika gibi atomik olarak pürüzsüz olsa bile, birkaç derecelik bir numune eğimi beklenir ve veri analizinden önce karşılık gelen yükseklik eğimi hesaba katılmalıdır.
   NOT: Çoğu modern cihazda, bu adım normal topografik görüntüleme için otomatiktir, ancak 3D FFM verileri için manuel olarak yapılmalıdır. Açıkçası, kullanıcı çok adımlı kenarlara sahip kristaller gibi daha karmaşık yüzeyleri ölçüyorsa, bu yöntem biraz değiştirilmelidir.
3. Yükseklik yer değiştirme profillerini doğrusallaştırın. 3D FFM'deki ucun, her yaklaşma ve geri çekilme döngüsünde benzer sinüzoidal yörüngeleri izlediğini hatırlayın. Bununla birlikte, ucun en uzak boyutu, hangi kristalografik bölgeye indiğine bağlı olarak değişir ve kaydedilen uç yükseklikleri, son önemli rakamla açıkça aynı değildir. Buna göre, tüm uç yörüngelerinde ölçülen yükseklik değerleri, tüm kuvvet eğrileri için tek, doğrusal bir z profili elde etmek için ayrıklaştırılır.
   NOT: Kutu boyutu, ölçüm parametrelerine ve ilgilenilen özelliklerin uzunluk ölçeğine bağlıdır. Çoğu uygulama için 0,2 şyeterli bir yükseklik çözünürlüğüdür. Bu değer, bir su molekülünün boyutundan on kat daha küçüktür; Daha küçük kutu boyutlarının kullanılması avantaj sağlamaz ve aslında cihazın mekanik ve elektronik gürültüsü dahilindedir.
4. Her bir kuvvet eğrisi için yükseklik bölmelerine karşılık gelen ortalama gözlemlenebilir değerleri hesaplayın. Bu yöntem, herhangi bir yönde kolayca dilimlenebilen ve görselleştirilebilen faz/genlik verilerinin bir 3B hacmini üretir.
   NOT: Prensip olarak, uç yaklaşımından ve geri çekmeden gelen kuvvet profilleri benzer olmalıdır. Spesifik örneğe bağlı olarak ikisinden birinden veya her ikisinden gelen verileri kullanmanın daha uygun olup olmadığı test edilebilir. Özellikle, biyomoleküller ve daha yumuşak daha büyük moleküller, yaklaşan / geri çekilme döngülerinde histerezis etkileri gösterebilir. Bu durumda, kullanıcının görüntüleme koşullarını yukarıda açıklandığı gibi değiştirmesi önerilir.
5. Uç sapmasını hesaba katarak yükseklik profillerini ayarlayın. Bu adım isteğe bağlıdır ve kullanıcının takdirine bırakılmıştır. Örneğin, büyük yay sabitlerine (>200 N/m) sahip konsollarda, seyreltik tuz çözeltisindeki uç sapması tipik olarak <0.08 Å'den azdır ve bu da verileri önemli ölçüde etkilemez.
   NOT: Spesifik örneğe bağlı olarak, kullanıcı 1) etkilerinin ihmal edilebilir olduğunu iki kez kontrol ettikten sonra çok sert konsollar için uç sapmasını ihmal edebilir, 2) tüm veri setinden ortalaması alınan sapma profilini kullanarak uç yüksekliğini düzeltebilir, 3) bu kuvvet eğrisinden karşılık gelen uç sapma verilerini kullanarak her bir kuvvet eğrisi için uç yüksekliğini düzeltebilir. İkinci seçenek sezgisel olarak en "doğru" olanıdır ve mümkün olduğunda uygulanmalıdır, ancak bu yaklaşım genellikle verilerde bu düzeltmenin değerinden daha ağır basan daha fazla gürültü çıkarır.
6. 3B medyan filtresi kullanarak veri kümesini düzgünleştirin. Çoğu durumda, bu isteğe bağlı adım, çözünürlükten ödün vermeden gürültüyü azaltır. Daha sonraki analiz adımlarında tutarlılık denetimleri için filtrelenmemiş verilerin bir sürümünü de tutmak yararlıdır. Ayrıca kullanıcı, çoğu veri işleme yazılımında kolayca bulunabilen temel bileşen analizi tabanlı yöntemler gibi daha gelişmiş filtreleme yöntemlerini keşfedebilir.
7. İşlenen sonuçları ve yararlı meta verileri (AFM gözlemlenebilirlerini uç numune kuvvetine dönüştürmek için önemli olan ölçüm parametreleri) sonraki analizler için kullanılabilecek bir veri dosyasına kaydedin.
   NOT: Destekleyici Bilgiler'de sağlanan üç veri işleme dosyası, bu bölümde listelenen işlevleri gerçekleştirmek için kullanılabilir. İlk dosya, ham 3D FFM verilerini yükler ve ilgili verileri ve meta verileri içeren bir hdf5 dosyası oluşturur; Bu, verilerin işlenmek üzere daha kolay erişilebilecek daha kullanıcı dostu bir dosyaya aktarılmasıdır. İkinci dosya, eşdeğer yükseklik görüntüsünü çıkararak, yükseklik yer değiştirme profillerini doğrusallaştırarak, veri değerlerini karşılık gelen yükseklik bölmelerine sıralayarak, bir filtre kullanarak veri kümesini düzgünleştirerek ve işlenen sonuçları bir çıktı veri dosyasına kaydederek ham verileri yukarıda açıklanan adımlara göre işler. Kullanıcı ayrıca örnek kuvvet eğrilerini (ham ve işlenmiş), xz/xy dilimlerini ve alt tabaka eğimi düzeltmesini çizmek ve diğer işlem sonrası tutarlılık kontrollerini gerçekleştirmek için bazı özellikleri etkinleştirebilir. Bu veri işleme komut dosyaları kullanıcı dostudur ve açıklamalıdır, kullanıcıların parametreleri değiştirmesi ve ham cihaz dosyalarından veri çıkarması için tam adımları gösterir.

Results

Şekil 2A , 3B kuvvet haritalamasının bir şemasını sunar. Genlik modülasyonlu modda çalışan diğer AFM tekniklerine benzer şekilde, salınımlı bir konsol yüzey boyunca taranır. Her koordinattaki uç yüksekliğine ek olarak, uç yüzeye yaklaştıkça ve yüzeyden geri çekildikçe faz kayması ve genlik gibi alet gözlemlenebilirleri toplanır. Sonuç, gözlemlenebilirlerin (özellikle salınım genliği, faz kayması ve uç sapması) 3B bir veri setidir ve bu, uca uygulanan kuvvetin bir ölçümüne kolayca dönüştürüle...

Discussion

AFM ucunun seçilmesi
Herhangi bir AFM uygulamasında olduğu gibi, prob ucunun temel özellikleri rezonans frekansı, konsol boyutu, uç yarıçapı, uç malzemesi ve yay sabitidir. Bugüne kadarki hemen hemen tüm 3D FFM literatürü, sert, yüksek frekanslı uçların kullanıldığını bildirmiştir. En yaygın örnekler, daha yüksek rezonans modlarında kullanılabilen silikon bazlı uçlardır (örneğin, AC55TS, PPP-NCH, Tap300-G, vb.) uçlar¹⁴. Diğer araştırma grupları USC-F5-k30-10 karbon uçlarını ter...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AC55TS AFM ucu	Olympus
Cypher VRS Atomik Kuvvet Mikroskobu	İltica Araştırma
PPP-NCH AFM ucu	Nanosensörler
Tap300-G AFM ucu	Bütçe Sensörleri
USC-F5-k30-10 AFM ucu	Nanoworld
(AFM uç seçeneklerinden yalnızca birinin gerekli olduğunu unutmayın)