تصور هيكل الحل في الواجهات الصلبة والسائلة باستخدام رسم خرائط القوة السريعة ثلاثية الأبعاد

Summary

هنا ، نقدم بروتوكولا لاستخدام رسم خرائط القوة السريعة ثلاثية الأبعاد - تقنية الفحص المجهري للقوة الذرية - لتصور بنية المحلول في واجهات صلبة سائلة بدقة دون النانومتر عن طريق رسم خرائط تفاعلات عينة الطرف داخل المنطقة البينية.

Abstract

من بين التحديات التي تواجه مجموعة متنوعة من مجالات البحث تصور الواجهات الصلبة والسائلة وفهم كيفية تأثرها بظروف المحلول مثل تركيزات الأيونات والأس الهيدروجيني والروابط والمواد المضافة النزرة ، بالإضافة إلى علم البلورات والكيمياء الأساسية. في هذا السياق ، ظهر رسم خرائط القوة السريعة ثلاثية الأبعاد (3D FFM) كأداة واعدة للتحقيق في بنية الحل في الواجهات. تعتمد هذه القدرة على الفحص المجهري للقوة الذرية (AFM) وتسمح بالتصور المباشر للمناطق البينية في ثلاثة أبعاد مكانية بدقة دون النانومتر. نقدم هنا وصفا مفصلا للبروتوكول التجريبي للحصول على بيانات 3D FFM. تتم مناقشة الاعتبارات الرئيسية لتحسين معلمات التشغيل اعتمادا على العينة والتطبيق. علاوة على ذلك ، تتم مناقشة الطرق الأساسية لمعالجة البيانات وتحليلها ، بما في ذلك تحويل أجهزة المراقبة المقاسة إلى خرائط قوة عينة الطرف التي يمكن ربطها بهيكل الحل المحلي. أخيرا ، نلقي الضوء على بعض الأسئلة المعلقة المتعلقة بتفسير بيانات FFM ثلاثي الأبعاد وكيف يمكن لهذه التقنية أن تصبح أداة مركزية في ذخيرة علوم السطح.

Introduction

تحدث العديد من الظواهر المثيرة للاهتمام في غضون بضعة نانومترات من واجهة صلبة سائلة حيث تتحلل النظريات الكلاسيكية للتفاعلات الغروية¹. تنظم جزيئات المذيبات والأيونات في أنماط غير متوقعة² وعمليات متنوعة ، مثل التحفيز³ ، وامتصاص الأيونات^4،5 ، ونقل الإلكترون^6،7 ، والتجميع الجزيئي^{الحيوي 8} ، وتجميع الجسيمات⁹ ، والمرفق^10،11 ، والتجميع^12،13، يمكن أن يحدث. ومع ذلك ، يمكن لعدد قليل من التقنيات أن تميز بنية الحل في الواجهة ، لا سيما مع دقة 3D دون النانومتر. في هذا السياق ، ظهر رسم خرائط القوة السريعة ثلاثية الأبعاد (3D FFM) - وهي تقنية تعتمد على الفحص المجهري للقوة الذرية (AFM) - كأداة مفيدة لتحديد بنية الحل البيني^{14 ، 15} وفهم تأثيرها على مثل هذه الظواهر.

بشكل عام ، تستخدم تقنيات AFM ناتئا بطرف نانوي الحجم لتوصيف الأسطح باستخدام فئتين رئيسيتين من القياسات: التصوير الطبوغرافي الذي يقيس ارتفاع الركيزة عند كل بكسل xy أو قياسات القوة التي تحدد الخواص الميكانيكية أو التفاعلات الغروية^16،17 أو القوى اللاصقة بين الطرف الوظيفي والركيزة. اليوم ، تمتد قدرات هذه الأداة متعددة الاستخدامات إلى ما هو أبعد من هذه التطبيقات التقليدية. يمكن للمستخدمين المهرة الذين يقومون بتشغيل الأدوات الحديثة قياس خصائص السطح الكهربائي والمغناطيسي والكيميائي عن طريق اقتران الفحص المجهري للقوة بالتحليل الطيفي وطرق أخرى¹⁸. ربما كانت أكثر التطورات روعة هي القدرة على تصوير المواد والعمليات في حلولها الأصلية ، بدقة مكانية نانوية ، في الوقت الفعلي^19،20،21. سهلت هذه القدرة الأخيرة تطوير 3D FFM ، الذي يوسع قياسات AFM إلى البعد المكاني الثالث من خلال الجمع بين منحنيات القوة 1D والتصوير الطبوغرافي¹⁴. على وجه التحديد ، يكتسب الطرف منحنيات قوة متتالية عند كل إحداثيات xy لإنتاج خريطة ثلاثية الأبعاد للقوى التي يكتشفها الطرف في الواجهة الصلبة والسائلة. الحداثة هنا هي أن الطرف السريع والحساس بما فيه الكفاية يمكنه اكتشاف تدرجات القوة الطفيفة المقابلة للتوزيع المحلي للجزيئات لرسم خريطة لبنية المحلول البيني.

حتى الآن ، تم تطوير 3D FFM من قبل عدد قليل فقط من المجموعات البحثية ، والتي ، في رأينا ، لا ترجع إلى قيودها التقنية بل إلى الحاجة إلى تخصيص الأدوات داخليا لإجراء هذه القياسات. ومع ذلك ، تم تسويق 3D FFM مؤخرا وهو متاح الآن للباحثين من جميع التخصصات ذات الصلة. من وجهة نظر علمية ، تتمتع هذه التقنية بجاذبية واسعة ومتعددة التخصصات. على سبيل المثال ، تم إجراء تجارب FFM ثلاثية الأبعاد الأولى على أنظمة الحلول المعدنية^{15،22،23،24} ، حيث تضمنت الأسئلة المهمة فهم آليات نمو البلورات وحولها ، وامتصاص الأيونات والجزيئات ، ودور طبقات الترطيب في تجميع الجسيمات وارتباطها. حددت التجارب الناجحة ذرات الكالسيوم والمغنيسيوم في شبكة بلورية^{الدولوميت 25} ، وتصور هيكل المحلول حول عيوب نقطة الكالسيت²⁶ ، وامتصاص الأيونات المصورة في الميكا^27،28 والفلوريت^24،29 السطح.

بالإضافة إلى تصور واجهات المحلول المعدني ، يمكن أن يوفر 3D FFM رؤى حول الأسئلة الأساسية في الفيزياء السطحية والغروية ، مثل تحجيم التفاعلات الغروية قصيرة المدى ، وبنية الطبقات الكهربائية المزدوجة على المستوى الجزيئي ، وطبيعة وأصول قوى الذوبان. هذه القياسات لها آثار مهمة على الكيمياء الكهربائية وأبحاث البطاريات ، حيث يمكن ل 3D FFM رسم خريطة لواجهات القطب الكهربائي والإلكتروليت وفحص استجابتها للمجالات الكهربائية³. تشمل التطبيقات الأخرى في علم المواد فهم الظواهر التي تحدث على أسطح أغشية الفصل والمحفزات غير المتجانسة وطلاء البوليمر. مع تطور هذه القدرة بشكل أكبر ، نتوقع أنها ستلعب أيضا دورا مهما في تصوير الجزيئات الحيوية وتحديد دور التفاعلات والأيونات وجزيئات المذيبات في تجميعها الذاتي.

أحد الجوانب الرئيسية لتطوير تفسير البيانات في 3D FFM هو المقارنة مع الأدوات التجريبية والمحاكاة الأخرى التي تم استخدامها سابقا لدراسة الواجهات الصلبة والسائلة. على سبيل المثال ، تقيس التقنيات القائمة على انعكاسية الأشعة السينية أو حيود ملفات تعريف كثافة الإلكترون التي يمكن تعيينها لتوزيع الأيونات وجزيئات المذيبات كدالة للارتفاع من الواجهة^{30،31،32،33}. وقد نجح هذا النهج في مجموعة من أنظمة الحلول المعدنية ولكنه لا يزال مقصورا على الأسطح الكبيرة الملساء ذريا وغالبا ما يكون غير قادر على إنتاج بيانات محلولة أفقيا. توفر التقنيات الأخرى ، مثل التحليل الطيفي لتوليد التردد الإجمالي ، دليلا على جوانب معينة من هيكلة المذيبات على الأسطح المعدنية ، مثل اتجاه جزيئات المذيبات على السطح ، ولكن ليس التصور المباشر للهيكل^34،35. علاوة على ذلك ، تقدمت محاكاة الديناميكيات الجزيئية بشكل كبير ويمكنها الآن استكشاف ملفات توزيع المذيبات بشكل روتيني على الأسطح البلورية^{4،36،37،38،39}. في حين أن كل من هذه التقنيات لها تحدياتها وقيودها الخاصة ، إلا أنها تشكل مجموعة تكميلية من الأدوات للتحقيق في بنية الحل البيني. تستعد 3D FFM للمساهمة بشكل كبير في هذا الصدد وتوسيع نطاق الأنظمة الصلبة والسائلة التي يمكن دراستها ، بالإضافة إلى أسئلة البحث التي يمكن الإجابة عليها.

الشرط المسبق لتنفيذ 3D FFM على عينة معينة ، هو القدرة على الحصول على صور طبوغرافية بالدقة المكانية المطلوبة. للحصول على بروتوكول تجريبي مفصل حول تصوير AFM عالي الدقة ، تتم إحالة القارئ إلى مخطوطة حديثة بواسطة Miller et ^al.20. من أجل التشغيل الأمثل ل 3D FFM ، ينصح بشدة بإتقان تقنية التصوير عالية الدقة الموضحة فيه. ومعظم التوصيات الواردة في هذا البروتوكول قابلة للتطبيق وضرورية لتدفق الانبعاثات ثلاثي الأبعاد. في البروتوكول التالي ، نسلط الضوء بإيجاز على الخطوات الرئيسية للتصوير عالي الدقة ولكننا نركز على اعتبارات محددة ل 3D FFM.

Protocol

1. تحميل ومعايرة طرف AFM

1. نظف طرف الكابولي عن طريق غمره في الماء ومذيبات الأيزوبروبانول على التوالي لعدة دقائق لإزالة الملوثات والممتزات العضوية. تشمل الطرق الشائعة الأخرى للتنظيف المعالجة السطحية بالأرجون والبلازما أو الأشعة فوق البنفسجية والأوزون.
   ملاحظة: كن متسقا في إعداد العينة والناتئ عند مقارنة مجموعات البيانات المختلفة. قد تؤثر التغييرات في عملية التنظيف على خصائص الطرف مثل كيمياء السطح أو المحبة للماء أو حتى الشكل ، وبالتالي تؤثر على القوى المقاسة⁴⁰.
2. نظف حامل الكابولي بالماء ومذيبات الأيزوبروبانول أيضا.
3. قم بتحميل الكابول في الحامل باستخدام مشبك الحامل أو المسمار ، كما هو معتاد لأداة AFM المستخدمة. قم بتوصيل حامل الكابول ب AFM.
4. قم بمحاذاة بقعة الليزر على الطرف لزيادة إشارة الاستجابة إلى أقصى حد باستخدام برنامج AFM ، ثم قم بتصفير إشارة الانحراف.
5. قم بقياس ثابت الزنبرك الكابولي في الهواء. يتم أتمتة هذه الخطوة على معظم المجاهر الحديثة عن طريق تسجيل التقلبات الحرارية للناتئ وتركيب ذروة الرنين الأولى على نموذج مذبذب توافقي بسيط يتم إجراؤه وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
   ملاحظة: غالبا ما يتم التغاضي عن قياس ثابت الزنبرك في بعض تطبيقات AFM ولكنه أمر بالغ الأهمية للتفسير الصحيح لبيانات FFM ثلاثية الأبعاد، خاصة لتحويل البيانات من أجهزة المراقبة إلى قوى مقاسة، كما هو موضح في قسم لاحق.

2. تحميل الركيزة والمحلول

1. افصل حامل الكابولي وأزله من مرحلة AFM وأضف ~ 60 ميكرولتر من محلول التصوير إلى طرف الكابول. تأكد من أن الطرف مغمور بالكامل في المحلول. احرص على تجنب تكوين فقاعات هواء أثناء هذه العملية.
   ملاحظة: يمكن أن يكون حل التصوير أي شيء متعلق بالتحقيق العلمي. كمحلول اختبار ، استخدم [KCl] = 10 ملي مولار أو حتى ماء نقي.
2. اقطع العينة (مثل الميكا) مباشرة قبل القياسات للحصول على سطح أملس ونظيف. اشطف العينة بمحلول التصوير ثم أضف ~ 100 ميكرولتر من نفس محلول التصوير على سطح العينة.
   1. ضع الركيزة النظيفة على مرحلة العينة. يختلف حجم الركيزة حسب التجربة. يمكن أن تكون كبيرة مثل رقاقة 1 × 1 سم² أو صغيرة مثل الجسيمات النانوية المترسبة على السطح.
      ملاحظة: كما هو الحال مع أي قياس AFM آخر ، يعد وجود سطح نظيف أمرا بالغ الأهمية للحصول على بيانات ثلاثية الأبعاد موثوقة ، حيث أن الواجهة حساسة بشكل خاص للتلوث بالمواد العضوية والمخلفات الأخرى²⁷.
3. أعد حامل الكابولي وقم بتثبيته في موضعه على المسرح. اخفض موضع الكابولي بعناية حتى يتساقط المحلول على الحافة ، وتلامس العينة. يتم التحكم في مرحلة العينة إما بواسطة برنامج الأداة أو بواسطة مقبض مادي على جسم الأداة.
4. اسمح لسطح العينة بالتوازن كيميائيا وتبادل الأيونات مع محلول التصوير لمدة 10 دقائق تقريبا.
   1. كخطوة اختيارية ، قم بإزالة طرف الكابول ، واستبدل محلول التصوير بقطعة جديدة ، وأعد حامل الكابولي ، واقترب من العينة حتى يتم غمر الطرف مرة أخرى في المحلول.

3. تحديد معلمات الجهاز لقياسات AFM المعدلة بالسعة

1. احصل على رسم بياني حراري آخر أثناء غمر الطرف في المحلول. في هذه المرحلة ، تأكد من أن ثابت الزنبرك ثابت عند القيمة المحسوبة في الخطوة 1.5 ، بينما يتم استخدام معلمة الأداة (على سبيل المثال ، معلمة AmpInVOLS) لتناسب الذروة الحرارية. مرة أخرى ، يتم أتمتة هذه الخطوة على معظم المجاهر الحديثة ببضع نقرات أسفل قسم الرسم البياني الحراري في برنامج الأداة.
   ملاحظة: تقوم هذه المعلمة بمعايرة تحويل الإشارة الإلكترونية التي تكتشفها الجهاز إلى مسافة عينة الطرف بقيم النانومتر بحيث يمكن للتجريبي الحصول على بيانات موثوقة عن موضع الطرف والانحراف.
2. قم بضبط طرف الكابولي عن طريق ضبط تردد محرك الأقراص (ν_exc) عند تردد الرنين (ν_e) ، وبالتالي توسيط تحول الطور عند 90 درجة بالقرب من تردد الرنين. هذه هي معلمات الأداة التي يمكن للمستخدمين التحكم فيها باستخدام بروتوكول الشركة المصنعة عند تشغيل الجهاز في وضع تعديل السعة.
   ملاحظة: تستخدم بعض أدوات AFM الإثارة الحرارية الضوئية ، حيث يكون تردد الرنين هو نفس القيمة التي تم الحصول عليها في الخطوة 3.1. هذه الطريقة من الإثارة طرف مفيدة للغاية لرسم خرائط القوة ثلاثية الأبعاد لأنها تسمح بظروف تصوير مستقرة ، حتى في سعات محرك منخفضة جدا.
3. حدد الارتفاع التقريبي لسطح العينة واقترب بعناية من الطرف حتى يتشابك مع السطح. قم بذلك عن طريق تغيير سعة نقطة الضبط إلى حوالي ~ 70٪ من السعة الحرة باستخدام معلمة Set Point في برنامج الجهاز. عندما يقترب الطرف من السطح ، تنخفض السعة حتى تصل إلى قيمة نقطة الضبط وبالتالي يتم تحديدها على أنها تعمل على السطح.
4. احصل على منحنى قوة واحد يبدأ من مسافة ~ 200 نانومتر من السطح. عادة ، يتم ذلك في لوحة Force الخاصة ببرنامج الأداة. قبل سحب الطرف ، أعد ضبط إزاحة الطور وتوسيطها عند 90 درجة كما في الخطوة 3.2. سينخفض تردد الرنين قليلا بسبب تفاعلات السطح الطرف.
   ملاحظة: تضمن هذه الخطوة أنه أثناء قياسات 3D FFM اللاحقة، يكون إزاحة الطور حوالي 90 درجة في موضع الطرف المترحب.
5. قم بتغيير السعة المحددة إلى ~ 70٪ من السعة الحرة. لا تستخدم قيم نقطة ضبط منخفضة جدا (قوة كبيرة ومطبقة) لأن ذلك قد يؤدي إلى إتلاف الطرف قبل الأوان.
6. الحصول على صورة طبوغرافية. بالنسبة للأسطح الملساء مثل الميكا ، ابدأ بصورة ~ 20 × 20 نانومتر² . بالنسبة للأسطح الأكثر خشونة ، ابدأ بتصوير مناطق أكبر قبل تحديد موقع مساحة ناعمة ذريا 20 × 20 نانومتر² بسرعة للصورة. افحص الصور المكتسبة بعناية. في هذه المرحلة ، يجب أن تكون دقة التصوير ثنائي الأبعاد مكافئة على الأقل لدقة رسم خرائط القوة ثلاثية الأبعاد المطلوبة.
   ملاحظة: يجب توخي الحذر لتقليل الضرر الذي تسببه الحافة. على سبيل المثال، لا تلتقط صورا أكثر من المطلوب واستخدم نقاط ضبط لطيفة ومكاسب تصوير كبيرة ومعدلات مسح ضوئي منخفضة عند تصوير مناطق كبيرة وخشنة.
7. باستخدام برنامج الجهاز ، قم بتقليل سعة محرك الأقراص إلى حوالي 0.25 نانومتر ، وحتى أقل عندما يكون ذلك ممكنا. قم بتقليل نقطة الضبط وفقا لذلك لتكون دائما أقل من سعة محرك الأقراص والحصول على صور الاختبار. من خلال الاختيار المناسب لظروف الطرف والتصوير ، يمكن تقليل سعة محرك الأقراص إلى ~ 0.1 نانومتر. ومع ذلك ، كن حذرا جدا عند التصوير بمثل هذا السعة الصغيرة فوق تضاريس سطح خشن يمكن أن يتلف الحافة.
   ملاحظة: للحصول على دقة رأسية أفضل، يجب أن يكون سعة محرك الأقراص أصغر من ميزات الحل التي يحاول المرء حلها. أصغر سعة حرة يمكن الوصول إليها بشكل واقعي محدودة بالضوضاء الحرارية المرتبطة بالإعداد الكابولي والأدوات. يمكن للمرء أن يقيم نوعيا نسبة الإشارة إلى الضوضاء أثناء ضبط الكابولي من خلال تحليل سعة الذروة مقارنة بضوضاء خط الأساس.
8. احصل على منحنيات قوة واحدة تبدأ من مسافة عينة طرف تبلغ 200 نانومتر. بعد ذلك ، قم بتقليل مسافة عينة الطرف لمنحنيات القوة إلى 50 نانومتر و 10 نانومتر وأخيرا 5 نانومتر.
   ملاحظة: تحسين ظروف القياس بحيث يكون الاتساع في موضع الطرف المتراجع منخفضا قدر الإمكان (< 0.25 نانومتر) ؛ إزاحة الطور في موضع الطرف المتراجع هو ~ 90 درجة ؛ تردد الإثارة (ν_EXC) يساوي أو قريبا جدا من تردد الرنين (ν_E) ، مما يبسط تحويل الآلات القابلة للملاحظة إلى قوى مقاسة في الخطوات اللاحقة ؛ وتكون نقطة الضبط منخفضة بما يكفي بحيث ينخفض إزاحة الطور (والسعة) بشكل كبير (بنسبة ~ 40-50٪) ضمن آخر نانومترين من قياس القوة. يمكن زيادة القوة المطبقة (انخفضت نقطة الضبط). المقايضة هي أن الطرف يتلف بسرعة أكبر في هذه العملية.
9. تأكد من سحب الطرف بعد إيقاف اكتساب منحنى القوة. إذا ظل الطرف مشغولا وقريبا من السطح ، فقد ينجرف نحو السطح ويصطدم به.
   ملاحظة: يرسم الشكل 1 منحنيات قوة 1D لنظام المسكوفيت والماء المكتسبة في محلول [NaCl] = 10 ملي مولار ، وتحديدا استجابات الطور (φ) والسعة (A) والانحراف (δ). في هذه المرحلة ، يجب أن تظهر هذه الملامح دليلا على الميزات التي تستهدفها الخرائط ثلاثية الأبعاد وتتجلى كميزات تذبذبية واضحة في الغالب في منحنى الطور. لاحظ أن إحداثيات الارتفاع لهذه البيانات الأولية تعسفية. ويرد مزيد من التفاصيل حول معالجة البيانات وتحليلها في قسم لاحق.

4. الحصول على خرائط قوة 3D

ملاحظة: يعتمد العثور على المعلمات المثلى لقياسات FFM ثلاثية الأبعاد على سطح العينة وطرف الكابولي ومحلول التصوير. يتم توفير إرشادات عامة كنقطة انطلاق ولكن المعلمات المناسبة لكل عينة ستتطلب الحصول على مجموعات البيانات وتحليلها بشروط قياس مختلفة. توضح الخطوات التالية كيفية الحصول على خرائط القوة ثلاثية الأبعاد لنظام المياه المعدنية. يتم تعيين جميع المعلمات الموضحة في الخطوات 4.2 باستخدام برنامج الأداة.

1. قم بتنفيذ جميع الخطوات كما هو موضح في القسمين 2 و 3.
2. اضبط مسافة عينة الطرف (z) على 2-5 نانومتر. هذه المسافة كافية لحل ميزات الحل البيني حيث أن الطرف قريب من السطح ، كما يسمح للطرف بالتوازن مع المحلول السائب عندما يتراجع إلى أبعد موضع.4.3.
3. اضبط منطقة المسح الضوئي على 3 × 3 نانومتر² أو 10 × 10 نانومتر² ، بدقة 64 × 64 بكسل² -128 × 128 بكسل².
   ملاحظة: قد تتطلب التطبيقات الأخرى مثل تصوير الجزيئات الحيوية أحجام مسح أكبر في جميع الأبعاد المكانية الثلاثة.
4. اضبط معدل اكتساب منحنى القوة على 200-800 هرتز ، وهو ما يتوافق مع 15-120 ثانية لكل مجموعة بيانات ثلاثية الأبعاد. من الناحية المثالية ، قم بتقليل هذا الرقم قدر الإمكان لتقليل تشويه الصورة والانجراف الحراري للطرف ، مع الحفاظ على دقة مناسبة في الاتجاه z . بالنسبة لمعدلات المسح والأبعاد هذه ، يتم الحصول على 50-100 بكسل / نانومتر في الاتجاه z بعد معالجة البيانات ، والتي عادة ما تكون كافية لحل بنية الحل البيني.
5. كنقطة بداية ، اختر قيمة لنقطة التعيين بحيث ينخفض إزاحة الطور بشكل روتيني إلى ~ 50-60 درجة في كل منحنى قوة. يمكن تعريف نقطة الضبط على أنها منخفضة تصل إلى 50٪ من السعة الحرة. ومع ذلك ، يعتمد هذا بشكل خاص على نوع العينة التي يتم قياسها وسيتطلب التجربة والخطأ. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي استخدام نقطة ضبط منخفضة (ضغط مرتفع) إلى إتلاف الطرف أو تشويه السطح في حالة الجزيئات الرخوة. من ناحية أخرى ، قد لا تكون نقطة الضبط العالية (الضغط المنخفض) كافية لاختراق طبقات الترطيب وفحصها.
6. تحقق من أن البرنامج يسجل أربعة ملاحظات رئيسية مطلوبة لتحليل بيانات AFM المعدلة بالسعة: ارتفاع الطرف والسعة والطور والانحراف. لاحظ أنه يمكن أن توجد قنوات بيانات متعددة لتتبع ارتفاع الطرف اعتمادا على الأداة والبرنامج. نظرا لأن 3D FFM يتطلب دقة عالية جدا ، فمن المهم استخدام ملفات تعريف ارتفاع الطرف الأكثر سلاسة مع أقل ضوضاء إلكترونية متراكبة من الجهاز. بالإضافة إلى تسجيل هذه المتغيرات الرئيسية ، تعد معلمات التشغيل والبيانات الوصفية الأخرى ضرورية لتحليل وإعادة بناء القوى المؤثرة على الطرف (عادة ما يتم حفظها في ملف البيانات الخاص بك افتراضيا) ، كما تمت مناقشته في قسم لاحق.
   ملاحظة: تم عرض 3D FFM في كل من أوضاع AFM المعدلة بالسعة والتردد. فيما يتعلق بجودة البيانات وتحليلها ، فإن الطريقتين متساويتان. وفقا لذلك ، يترك وضع التشغيل المفضل لتقدير وخبرة التجريبي. تتمثل إحدى الميزات المحتملة للوضع المعدل للسعة في استقرار الطرف على مسافات z أكبر تسمح للمستخدم بالحصول على بيانات ثلاثية الأبعاد تمتد >10 نانومتر في المحلول. بالمقارنة ، يتعلق أحد عيوب هذا الوضع بتصوير الجزيئات الرخوة بنطاقات زمنية للاسترخاء أبطأ من حركة الكابول. ويقدم التطبيق الأخير فرصة لبعثة تقصي الآفات للتحقق من الاسترخاء البيني في المواد اللينة والسوائل اللزجة. في هذه الحالات ، قد تظهر ملفات تعريف السعة المقاسة تباطؤا في دورات الاقتراب والتراجع ، مما يخلق حالة من عدم اليقين بشأن ارتفاع الطرف الفعلي.

5. معالجة بيانات خريطة القوة 3D

ملاحظة: يمكن تنفيذ الخطوات التالية في برنامج تحليل البيانات المفضل باستخدام الرموز التي تم إنشاؤها داخليا أو بدلا من ذلك باستخدام ملفات معالجة البيانات المتوفرة في المعلومات الداعمة.

1. قم بتحميل البيانات الأولية في برنامج تحليل مفضل للحسابات والتصور.
   ملاحظة: الملاحظات المطلوبة للتحليل هي السعة (A) ، وإزاحة الطور (φ) ، وانحراف الطرف (δ) كدالة لإزاحة الارتفاع (z) ، بالإضافة إلى خصائص الطرف مثل تردد الرنين (ν_e) وثابت الزنبرك (k) وعامل الجودة (Q). تشمل معلمات التشغيل الأخرى أبعاد المسح الضوئي ومعدل المسح وتردد إثارة الطرف (ν_exc) وسعة محرك الأقراص (A₀). عادة ما يتم تسجيل القيمة الأخيرة في وحدات الجهد ولكن يمكن تحويلها بسهولة إلى نانومتر بناء على قيمة المعايرة التي تم الحصول عليها في الخطوة 3.1.
2. استخرج الصورة الطبوغرافية المكافئة من مجموعة البيانات ثلاثية الأبعاد عن طريق تسجيل أبعد إزاحة ارتفاع للطرف عند كل إحداثي xy . باستخدام هذه البيانات، احسب إمالة العينة عن طريق تركيب خطوط مستقيمة لمتوسط ملفات تعريف الارتفاع في اتجاهي المسح الضوئي x وy . حتى لو كان السطح أملسا ذريا مثل الميكا ، فمن المتوقع إمالة العينة بعدة درجات ، ويجب حساب ميل الارتفاع المقابل قبل تحليل البيانات.
   ملاحظة: في معظم الأجهزة الحديثة، يتم أتمتة هذه الخطوة للتصوير الطبوغرافي العادي، ولكن يجب إجراؤها يدويا لبيانات FFM ثلاثية الأبعاد. من الواضح أنه يجب تعديل هذه الطريقة قليلا إذا كان المستخدم يقيس الأسطح الأكثر تعقيدا مثل البلورات ذات الحواف متعددة الخطوات.
3. خطي ملامح إزاحة الارتفاع. تذكر أن الطرف في 3D FFM يتبع مسارات جيبية مماثلة في كل نهج ودورة تراجع. ومع ذلك ، يختلف أبعد مدى للطرف اعتمادا على الموقع البلوري الذي يهبط عليه ، ومن الواضح أن ارتفاعات الطرف المسجلة ليست متطابقة مع آخر رقم مهم. وفقا لذلك ، يتم تمييز قيم الارتفاع المقاسة في جميع مسارات الأطراف للحصول على ملف تعريف z خطي واحد لجميع منحنيات القوة.
   ملاحظة: يعتمد حجم الحاوية على معلمات القياس ومقياس طول الميزات ذات الأهمية. بالنسبة لمعظم التطبيقات ، 0.2 Å هي دقة ارتفاع كافية. هذه القيمة أصغر بعشر مرات من حجم جزيء الماء. لا يوفر استخدام أحجام الصناديق الأصغر مزايا وهو في الواقع ضمن الضوضاء الميكانيكية والإلكترونية للأداة.
4. احسب متوسط القيم التي يمكن ملاحظتها المقابلة لصناديق الارتفاع لكل منحنى قوة فردي. تنتج هذه الطريقة حجما ثلاثي الأبعاد لبيانات الطور / السعة التي يمكن تقطيعها بسهولة وتصورها في أي اتجاه.
   ملاحظة: من حيث المبدأ ، يجب أن تكون ملامح القوة من نهج الطرف والتراجع متشابهة. يمكن للمرء أن يختبر ما إذا كان من الأنسب استخدام البيانات من أي منهما أو كليهما اعتمادا على العينة المحددة. على وجه الخصوص ، يمكن أن تظهر الجزيئات الحيوية والجزيئات الكبيرة الأكثر ليونة تأثيرات التباطؤ في دورات الاقتراب / التراجع. في هذه الحالة ، ينصح المستخدم بتعديل ظروف التصوير كما هو موضح أعلاه.
5. اضبط ملفات تعريف الارتفاع عن طريق حساب انحراف الطرف. هذه الخطوة اختيارية وتترك لتقدير المستخدم. على سبيل المثال ، مع وجود ثوابت زنبركية كبيرة (>200 نيوتن / م) ، يكون انحراف الطرف في محلول الملح المخفف عادة أقل من <0.08 درجة مئوية مما لا يؤثر بشكل كبير على البيانات.
   ملاحظة: بناء على العينة المحددة ، يمكن للمستخدم إما 1) إهمال انحراف الطرف للناتئ شديد الصلابة بعد التحقق مرة أخرى من أن تأثيرها لا يكاد يذكر ، 2) تصحيح ارتفاع الطرف باستخدام ملف تعريف الانحراف الذي تم حسابه من مجموعة البيانات بأكملها ، 3) تصحيح ارتفاع الطرف لكل منحنى قوة فردي باستخدام بيانات انحراف الطرف المقابلة من منحنى القوة هذا. الخيار الأخير هو الأكثر "صحة" بشكل حدسي ويجب ممارسته عندما يكون ذلك ممكنا ، ولكن هذا النهج غالبا ما يقدم المزيد من الضوضاء في البيانات التي تفوق ميزة هذا التصحيح.
6. قم بتنعيم مجموعة البيانات باستخدام مرشح متوسط ثلاثي الأبعاد. في معظم الحالات ، تقلل هذه الخطوة الاختيارية من الضوضاء دون المساس بالدقة. من المفيد الاحتفاظ بإصدار من البيانات غير المصفاة أيضا لفحوصات الاتساق أثناء خطوات التحليل اللاحقة. علاوة على ذلك ، يمكن للمستخدم استكشاف طرق تصفية أكثر تقدما مثل الطرق القائمة على تحليل المكونات الرئيسية ، والتي تتوفر بسهولة مع معظم برامج معالجة البيانات.
7. احفظ النتائج التي تمت معالجتها، بالإضافة إلى البيانات الوصفية المفيدة (معلمات القياس المهمة لتحويل ملاحظات AFM إلى قوة عينة الطرف) في ملف بيانات يمكن استخدامه للتحليل اللاحق.
   ملاحظة: يمكن استخدام ملفات معالجة البيانات الثلاثة المتوفرة في المعلومات الداعمة لأداء الوظائف المدرجة في هذا القسم. يقوم الملف الأول بتحميل بيانات 3D FFM الأولية وإنشاء ملف hdf5 يتضمن البيانات والبيانات الوصفية ذات الصلة ؛ هذا ببساطة نقل للبيانات إلى ملف أكثر سهولة في الاستخدام يمكن الوصول إليه بسهولة أكبر للمعالجة. يعالج الملف الثاني البيانات الأولية ، وفقا للخطوات الموضحة أعلاه ، عن طريق استخراج صورة الارتفاع المكافئة ، وخطية ملفات تعريف إزاحة الارتفاع ، وفرز قيم البيانات في صناديق الارتفاع المقابلة ، وتنعيم مجموعة البيانات باستخدام عامل تصفية ، وحفظ النتائج المعالجة في ملف بيانات الإخراج. يمكن للمستخدم أيضا تنشيط بعض الميزات لرسم منحنيات القوة النموذجية (الخام والمعالجة) ، وشرائح xz / xy ، وتصحيح إمالة الركيزة ، بالإضافة إلى إجراء فحوصات تناسق أخرى بعد المعالجة. هذه البرامج النصية لمعالجة البيانات سهلة الاستخدام ومشروحة ، وتعرض الخطوات الدقيقة للمستخدمين لتعديل المعلمات واستخراج البيانات من ملفات الأدوات الأولية.

النتائج

يقدم الشكل 2 أ مخططا لرسم خرائط القوة ثلاثية الأبعاد. على غرار تقنيات AFM الأخرى التي تعمل في وضع تعديل السعة ، يتم مسح ناتئ متذبذب عبر السطح. بالإضافة إلى ارتفاع الطرف عند كل إحداثي ، يتم جمع ملاحظات الأجهزة مثل إزاحة الطور والسعة مع اقتراب الطرف وتراجع عن ?...

Discussion

تحديد تلميح AFM
كما هو الحال مع أي تطبيق AFM ، فإن الخصائص الرئيسية لطرف المسبار هي تردد الرنين ، وحجم الكابولي ، ونصف قطر الطرف ، ومادة الطرف ، وثابت الزنبرك. أبلغت جميع أدبيات FFM ثلاثية الأبعاد تقريبا حتى الآن عن استخدام أطراف صلبة عالية التردد. الأمثلة الأكثر شي...

Materials

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
(Note only one of the AFM tip options is required)