הדמיית מבנה הפתרון בממשקי מוצק-נוזל באמצעות מיפוי כוח מהיר תלת מימדי

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לשימוש במיפוי כוח מהיר תלת מימדי - טכניקת מיקרוסקופ כוח אטומי - להמחשת מבנה התמיסה בממשקים מוצקים-נוזלים ברזולוציה התת-ננומטרית על ידי מיפוי אינטראקציות הקצה-דגימה בתוך אזור הממשק.

Abstract

בין האתגרים למגוון תחומי מחקר ניתן למנות ויזואליזציה של ממשקי מוצק-נוזל והבנת האופן שבו הם מושפעים מתנאי התמיסה כגון ריכוזי יונים, pH, ליגנדים ותוספי קורט, כמו גם הקריסטלוגרפיה והכימיה הבסיסית. בהקשר זה, מיפוי כוח מהיר תלת מימדי (3D FFM) התגלה ככלי מבטיח לחקירת מבנה הפתרון בממשקים. יכולת זו מבוססת על מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) ומאפשרת הדמיה ישירה של אזורי ממשק בשלושה ממדים מרחביים ברזולוציה תת-ננומטרית. כאן אנו מספקים תיאור מפורט של פרוטוקול הניסוי לרכישת נתוני FFM תלת מימדיים. נדונים השיקולים העיקריים לאופטימיזציה של פרמטרי ההפעלה בהתאם לדוגמא וליישום. יתר על כן, נדונות השיטות הבסיסיות לעיבוד וניתוח נתונים, כולל הפיכת המכשירים הנמדדים למפות כוח של דגימת קצה שניתן לקשר למבנה הפתרון המקומי. לבסוף, אנו שופכים אור על כמה מהשאלות הבולטות הקשורות לפרשנות נתוני FFM תלת מימדיים וכיצד טכניקה זו יכולה להפוך לכלי מרכזי ברפרטואר של מדעי פני השטח.

Introduction

תופעות מעניינות רבות מתרחשות בטווח של כמה ננומטרים מממשק מוצק-נוזל שבו תיאוריות קלאסיות לאינטראקציות קולואידיות מתפרקות¹. מולקולות ממס ויונים מתארגנים לדפוסים בלתי צפויים² ותהליכים מגוונים, כגון קטליזה³, ספיחת יונים ^4,5, העברת אלקטרונים ^6,7, הרכבה ביו-מולקולרית⁸, צבירת חלקיקים⁹, התקשרות^10,11 והרכבה^12,13יכול להתרחש., עם זאת, מעט טכניקות יכולות לאפיין את מבנה הפתרון בממשק, במיוחד ברזולוציה תלת מימדית תת-ננומטרית. בהקשר זה, מיפוי כוח מהיר תלת מימדי (3D FFM) - טכניקה המבוססת על מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) - התגלה ככלי שימושי לקביעת מבנה תמיסת הפנים^14,15 והבנת השפעתו על תופעות כאלה.

באופן כללי, טכניקות AFM משתמשות בשלוחה עם קצה בגודל ננומטרי כדי לאפיין משטחים באמצעות שני סוגים עיקריים של מדידות: הדמיה טופוגרפית המודדת את גובה המצע בכל פיקסל xy או מדידות כוח המכמתות תכונות מכניות, אינטראקציות קולואידיות ^16,17, או כוחות הדבקה בין קצה פונקציונלי למצע. כיום, היכולות של מכשיר רב-תכליתי זה חורגות הרבה מעבר ליישומים מסורתיים אלה; משתמשים מיומנים המפעילים מכשירים מודרניים יכולים למדוד תכונות משטח חשמליות, מגנטיות וכימיות על ידי צימוד מיקרוסקופ כוח לספקטרוסקופיה ושיטות אחרות¹⁸. אולי ההתקדמות המרתקת ביותר הייתה היכולת לדמות חומרים ותהליכים בתמיסותיהם המקוריות, ברזולוציה מרחבית ננומטרית, בזמן אמת ^19,20,21. יכולת אחרונה זו אפשרה את הפיתוח של FFM תלת מימדי, המרחיב את מדידות ה-AFM לממד המרחבי השלישי על ידי שילוב עקומות כוח חד-ממדיות עם הדמיה טופוגרפית¹⁴. באופן ספציפי, הקצה רוכש עקומות כוח עוקבות בכל קואורדינטת xy כדי לייצר מפה תלת מימדית של הכוחות שזוהו על ידי הקצה בממשק המוצק-נוזל. החידוש כאן הוא שקצה מהיר ורגיש מספיק יכול לזהות שיפועי כוח קלים המתאימים להתפלגות המקומית של מולקולות כדי למפות את מבנה תמיסת הפנים.

עד כה, 3D FFM פותח על ידי קבוצות מחקר מעטות בלבד, מה שלדעתנו אינו נובע ממגבלותיו הטכניות אלא מהצורך בהתאמה אישית של מכשירים לביצוע מדידות אלה. עם זאת, 3D FFM הפך לאחרונה למסחרי וכעת הוא נגיש לחוקרים מכל הדיסציפלינות הרלוונטיות. מנקודת מבט מדעית, לטכניקה זו יש משיכה רחבה ורב-תחומית. לדוגמה, ניסויי ה-FFM התלת-ממדיים הראשונים בוצעו על מערכות תמיסות מינרליות 15,22,23,24, כאשר שאלות חשובות כללו הבנת מנגנוני צמיחה ופירוק גבישים, ספיחה של יונים ומולקולות, ותפקידן של שכבות הידרציה בצבירת חלקיקים והצמדתם. ניסויים מוצלחים זיהו אטומי סידן ומגנזיום בסריג גבישי דולומיט²⁵, מבנה תמיסה חזותי סביב פגמים בנקודת קלציט²⁶, וספיחת יונים מצולמת במשטחי נציץ^27,28 ופלואוריט^24,29.

מעבר להדמיה של ממשקי מינרלים-תמיסות, 3D FFM יכול לספק תובנות לשאלות בסיסיות בפיזיקה של פני השטח והקולואידים, כגון קנה המידה של אינטראקציות קולואידיות קצרות טווח, המבנה של שכבות כפולות חשמליות ברמה המולקולרית, והאופי והמקורות של כוחות המסה. למדידות אלו יש השלכות חשובות על אלקטרוכימיה וחקר סוללות, שכן 3D FFM יכול למפות ממשקי אלקטרודות-אלקטרוליטים ולחקור את תגובתם לשדות חשמליים³. יישומים אחרים במדעי החומרים כוללים הבנת תופעות המתרחשות על פני השטח של ממברנות הפרדה, זרזים הטרוגניים וציפויים פולימרים. ככל שיכולת זו תתפתח עוד יותר, אנו צופים שהיא תמלא תפקיד חשוב גם בהדמיית ביומולקולות ובתיחום תפקידם של אינטראקציות, יונים ומולקולות ממס בהרכבה העצמית שלהן.

אחד ההיבטים המרכזיים לקידום פרשנות נתונים ב-3D FFM הוא השוואת ביצועים מול כלי ניסוי וסימולציה אחרים ששימשו בעבר לחקר ממשקי מוצק-נוזל. לדוגמה, טכניקות המבוססות על רפלקטיביות או עקיפה של קרני רנטגן מודדות פרופילי צפיפות אלקטרונים שניתן למפות להתפלגות יונים ומולקולות ממס כפונקציה של גובה מהממשק 30,31,32,33. גישה זו הצליחה עבור מגוון מערכות תמיסת מינרלים, אך נותרה מוגבלת למשטחים גדולים וחלקים מבחינה אטומית ולעתים קרובות אינה מסוגלת לייצר נתונים שנפתרו לרוחב. טכניקות אחרות, כגון ספקטרוסקופיה של יצירת תדר סכום, מספקות עדויות להיבטים מסוימים של מבנה ממס במשטחים מינרליים, כגון כיוון מולקולות ממס על פני השטח, אך לא הדמיה ישירה של המבנה^34,35. יתר על כן, סימולציות דינמיקה מולקולרית התקדמו משמעותית וכעת יכולות לחקור באופן שגרתי פרופילי התפלגות ממס במשטחי גביש 4,36,37,38,39. בעוד שלכל אחת מהטכניקות הללו יש אתגרים ומגבלות משלה, הן מהוות חבילת כלים משלימה לחקירת מבנה פתרון הפנים; 3D FFM עומד לתרום משמעותית להקשר זה ולהרחיב את מגוון המערכות המוצקות-נוזליות שניתן לחקור, כמו גם את שאלות המחקר שניתן לענות עליהן.

תנאי מוקדם ליישום FFM תלת מימדי על מדגם מסוים, הוא היכולת להשיג תמונות טופוגרפיות ברזולוציה המרחבית הרצויה. לפרוטוקול ניסיוני מפורט על הדמיית AFM ברזולוציה גבוהה, הקורא מופנה לכתב יד עדכני של מילר ^{ואחרים.20}. להפעלה אופטימלית של FFM תלת מימדי, מומלץ בחום לשלוט תחילה בטכניקת ההדמיה ברזולוציה גבוהה המתוארת שם. רוב ההמלצות בפרוטוקול זה ישימות והכרחיות עבור FFM תלת מימדי. בפרוטוקול הבא, אנו מדגישים בקצרה את השלבים העיקריים להדמיה ברזולוציה גבוהה אך מתמקדים בשיקולים ספציפיים עבור FFM תלת מימדי.

Protocol

1. טעינה וכיול של קצה ה-AFM

1. נקה את קצה השלוחה על ידי טבילתו במים ובממיסים איזופרופנול ברציפות למשך מספר דקות כדי להסיר מזהמים וסופחים אורגניים. שיטות נפוצות אחרות לניקוי כוללות טיפול משטח ארגון-פלזמה או אולטרה סגול-אוזון.
   הערה: היה עקבי בהכנת המדגם והשלוחה בעת השוואה בין מערכי נתונים שונים. שינויים בתהליך הניקוי עשויים להשפיע על תכונות הקצה כגון כימיה של פני השטח, הידרופיליות או אפילו צורה, ומכאן להשפיע על הכוחות הנמדדים⁴⁰.
2. נקה את מחזיק השלוחה גם במים ובממיסים איזופרופנולים.
3. טען את השלוחה לתוך המחזיק באמצעות המחזיק clamp או בורג, כאופייני למכשיר ה-AFM בשימוש. חבר את מחזיק השלוחה ל-AFM.
4. יישר את נקודת הלייזר בקצה כדי למקסם את אות התגובה באמצעות תוכנת AFM, ולאחר מכן אפס את אות ההסטה.
5. מדוד את קבוע קפיץ השלוחה באוויר. שלב זה אוטומטי ברוב המיקרוסקופים המודרניים על ידי רישום התנודות התרמיות של השלוחה והתאמת שיא התהודה הראשון למודל מתנד הרמוני פשוט המבוצע בהתאם לפרוטוקול היצרן.
   הערה: לעתים קרובות מתעלמים ממדידת קבוע הקפיץ ביישומי AFM מסוימים, אך היא חיונית לפירוש נכון של נתוני FFM תלת-ממדיים, במיוחד להמרת נתונים ממכשירים נצפים לכוחות נמדדים, כמתואר בסעיף מאוחר יותר.

2. טעינת המצע והפתרון

1. נתק והסר את מחזיק השלוחה מה-AFM tagה והוסף ~60 מיקרוליטר של תמיסת ההדמיה על קצה השלוחה. ודא שהקצה שקוע במלואו בתמיסה. הקפד להימנע מיצירת בועות אוויר במהלך תהליך זה.
   הערה: פתרון ההדמיה יכול להיות כל דבר הקשור לחקירה המדעית. כפתרון בדיקה, השתמש ב-[KCl] = 10 מ"מ או אפילו במים טהורים.
2. חתכו את הדגימה (למשל, נציץ) מיד לפני המדידות כדי לקבל משטח חלק ונקי. שטפו את הדגימה בתמיסת ההדמיה ולאחר מכן הוסיפו ~100 מיקרוליטר מאותה תמיסת הדמיה על משטח הדגימה.
   1. הנח את המצע הנקי על שלב הדגימה. גודל המצע משתנה בהתאם לניסוי; הוא יכול להיות גדול כמו פרוסה^בגודל 1X1 ס"מ או קטן כמו ננו-חלקיקים המונחים על משטח.
      הערה: כמו בכל מדידת AFM אחרת, משטח נקי הוא קריטי מאוד להשגת נתוני תלת מימד אמינים, מכיוון שהממשק רגיש במיוחד לזיהום על ידי חומרים אורגניים ושאריות אחרות²⁷.
3. החזר ואבטח את מחזיק השלוחה במקומו על הבמה. הורד בזהירות את מיקום השלוחה עד שהתמיסה טיפה בקצה, והדגימה באה במגע. שלב הדגימה נשלט על ידי תוכנת המכשיר או על ידי כפתור פיזי בגוף המכשיר.
4. אפשר למשטח הדגימה להתאזן כימית ולהחליף יונים עם תמיסת ההדמיה למשך כ-10 דקות.
   1. כשלב אופציונלי, הסר את קצה השלוחה, החלף את תמיסת ההדמיה בחריץ טרי, החזר את מחזיק השלוחה והתקרב לדגימה עד שהקצה טובל שוב בתמיסה.

3. הגדרת פרמטרים של מכשיר למדידות AFM מאופנן משרעת

1. רכוש גרף תרמי נוסף בזמן שהקצה שקוע בתמיסה. בנקודה זו, ודא שקבוע הקפיץ קבוע בערך המחושב בשלב 1.5, בעוד שפרמטר מכשיר (למשל, פרמטר AmpInVOLS) משמש כדי להתאים לשיא התרמי. שוב, שלב זה אוטומטי ברוב המיקרוסקופים המודרניים בכמה לחיצות מתחת לקטע הגרף התרמי בתוכנת המכשיר.
   הערה: פרמטר זה מכייל את ההמרה של האות האלקטרוני שזוהה על ידי המכשיר למרחק דגימת הקצה בערכי ננומטר כך שהנסיין יוכל לקבל נתונים אמינים של מיקום הקצה והסטיה.
2. כוונן את קצה השלוחה על ידי הגדרת תדר ההנעה (ν_exc) בתדר התהודה (ν_e), ולאחר מכן מרכז את שינוי הפאזה ב-90 מעלות קרוב לתדר התהודה. אלו הם פרמטרים של מכשיר שהמשתמשים יכולים לשלוט בהם באמצעות פרוטוקול היצרן בעת הפעלת המכשיר במצב מאופנן משרעת.
   הערה: חלק ממכשירי AFM משתמשים בעירור פוטותרמי, שעבורו תדר התהודה הוא אותו ערך שהתקבל בשלב 3.1. שיטה זו של עירור קצה מועילה מאוד למיפוי כוח תלת מימדי מכיוון שהיא מאפשרת תנאי הדמיה יציבים, גם באמפליטודות הנעה נמוכות מאוד.
3. אתר את הגובה המשוער של משטח הדגימה והתקרב בזהירות לקצה עד שהוא מתחבר למשטח. עשה זאת על ידי שינוי נקודת ההגדרה ampליטודת לכ-~70% מהמשרעת החופשית באמצעות הפרמטר Set Point בתוכנת המכשיר. כאשר הקצה מתקרב לפני השטח, המשרעת יורדת עד שהיא מגיעה לערך נקודת ההגדרה ולכן נקבע שהיא מעורבת על פני השטח.
4. השג עקומת כוח בודדת החל ממרחק ~200 ננומטר מהמשטח. בדרך כלל, זה נעשה בלוח הכוח של תוכנת המכשיר. לפני משיכת הקצה, כוונן מחדש ומרכז את שינוי הפאזה ב-90° כמו בשלב 3.2. תדר התהודה יקטן מעט עקב אינטראקציות קצה-משטח.
   הערה: שלב זה מבטיח שבמהלך מדידות ה-FFM התלת-ממדיות הבאות, שינוי הפאזה הוא כ-90 מעלות במיקום הקצה הנסוג.
5. שנה את המשרעת שנקבעה ל~70% מהמשרעת החופשית. אל תשתמש בערכי נקודת הגדרה נמוכים מאוד (כוח גדול ומופעל) מכיוון שהדבר עלול לפגוע בקצה בטרם עת.
6. רכוש תמונה טופוגרפית. עבור משטחים חלקים כגון נציץ, התחל עם תמונה של ~20 x 20 ננומטר² . עבור משטחים מחוספסים יותר, התחל בהדמיה של אזורים גדולים יותר לפני איתור מהיר של אזור חלק מבחינה אטומית של 20 x 20 ננומטר² לתמונה. בחן היטב את התמונות שנרכשו. בשלב זה, רזולוציית ההדמיה הדו-ממדית צריכה להיות שווה ערך לפחות לרזולוציית מיפוי הכוח התלת-ממדית הרצויה.
   הערה: יש להקפיד למזער את הנזק שנגרם על ידי הקצה. לדוגמה, אל תצלם יותר תמונות מהנדרש והשתמש בנקודות הגדרה עדינות, רווחי הדמיה גדולים וקצבי סריקה נמוכים בעת הדמיית אזורים גדולים ומחוספסים.
7. באמצעות תוכנת המכשיר, צמצם את משרעת הכונן לכ-0.25 ננומטר, ואף נמוך יותר במידת האפשר. צמצם את נקודת ההגדרה בהתאם תמיד כדי להיות קטנה ממשרעת הכונן וקבל תמונות בדיקה. עם בחירה נכונה של הקצה ותנאי ההדמיה, ניתן להפחית את משרעת הכונן ל-~0.1 ננומטר. עם זאת, היזהר מאוד כאשר הדמיה עם משרעת כה קטנה על פני שטח מחוספס טופוגרפיה עלולה לפגוע בקצה.
   הערה: לקבלת רזולוציה אנכית טובה יותר, משרעת הכונן צריכה להיות קטנה יותר מתכונות הפתרון שמנסים לפתור. המשרעת החופשית הקטנה ביותר שניתן להגיע אליה באופן מציאותי מוגבלת על ידי הרעש התרמי הקשור לשלוחה ולמערך האינסטרומנטלי. ניתן להעריך באופן איכותי את יחס האות לרעש תוך כוונון השלוחה על ידי ניתוח משרעת השיא בהשוואה לרעש הבסיס.
8. רכוש עקומות כוח יחיד החל ממרחק דגימת קצה של 200 ננומטר. לאחר מכן, צמצם את מרחק דגימת הקצה עבור עקומות הכוח ל-50 ננומטר, 10 ננומטר ולבסוף 5 ננומטר.
   הערה: מטב את תנאי המדידה כך שהמשרעת במיקום הקצה הנסוג תהיה נמוכה ככל האפשר (< 0.25 ננומטר); שינוי הפאזה במצב הקצה הנסוג הוא ~90°; תדר העירור (ν_exc) שווה או קרוב מאוד לתדר התהודה (ν_E), מה שמפשט את ההמרה של מכשירים נצפים לכוחות נמדדים בשלבים המאוחרים יותר; ונקודת ההגדרה נמוכה מספיק כך ששינוי הפאזה (והמשרעת) יורד משמעותית (ב~40-50%) בשני הננומטרים האחרונים של מדידת הכוח. ניתן להגדיל עוד יותר את הכוח המופעל (נקודת ההגדרה מופחתת). הפשרה היא שהקצה ניזוק מהר יותר בתהליך זה.
9. הקפד למשוך את הקצה לאחר עצירת רכישת עקומת הכוח. אם הקצה נשאר מעורב וקרוב לפני השטח, הוא עלול להיסחף לכיוון ולהתרסק על פני השטח.
   הערה: איור 1 משרטט עקומות כוח חד-ממדיות עבור מערכת המוסקוביט-מים הנרכשת בתמיסה [NaCl] = 10 mM, במיוחד תגובות הפאזה (φ), המשרעת (A) והסטייה (δ). בשלב זה, פרופילים אלה אמורים להראות עדות לתכונות שאליהן מכוונות המפות התלת-ממדיות ובאות לידי ביטוי כמאפיינים תנודתיים הברורים בעיקר בעקומת הפאזה. שים לב שקואורדינטת הגובה עבור נתונים גולמיים אלה היא שרירותית. פרטים נוספים על עיבוד וניתוח נתונים ניתנים בסעיף מאוחר יותר.

4. רכישת מפות כוח תלת מימדיות

הערה: מציאת הפרמטרים האופטימליים למדידות FFM תלת מימדיות תהיה תלויה במשטח הדגימה, בקצה השלוחה ובתמיסת ההדמיה. הנחיות כלליות ניתנות כנקודת התחלה, אך הפרמטרים המתאימים לכל דגימה ידרשו השגה וניתוח של מערכי נתונים עם תנאי מדידה שונים. השלבים הבאים מראים כיצד לרכוש את מפות הכוח התלת-ממדיות עבור מערכת המים המינרליים. כל הפרמטרים המתוארים בשלבים 4.2 - מוגדרים באמצעות תוכנת המכשיר.

1. בצע את כל השלבים כמתואר בסעיף 2 ו-3.
2. הגדר את מרחק דגימת הקצה (z) ל-2-5 ננומטר. מרחק זה מספיק כדי לפתור תכונות תמיסת פנים מכיוון שהקצה קרוב לפני השטח וגם מאפשר לקצה להתייצב עם התמיסה בתפזורת כאשר הוא נסוג למצב הרחוק ביותר.4.3.
3. הגדר את אזור הסריקה כ-3 x 3 ננומטר² או 10 x 10 ננומטר², ברזולוציה של 64 x 64 פיקסלים² -128 x 128 פיקסלים².
   הערה: יישומים אחרים כגון הדמיה ביו-מולקולה עשויים לדרוש גדלי סריקה גדולים יותר בכל שלושת הממדים המרחביים.
4. הגדר את קצב רכישת עקומת הכוח ל-200-800 הרץ, המתאים ל-15-120 שניות לכל מערך נתונים תלת מימדי. באופן אידיאלי, הקטן את המספר הזה ככל האפשר כדי למזער את עיוות התמונה והסחיפה התרמית של הקצה, תוך שמירה על רזולוציה הגונה בכיוון z . עבור קצבי סריקה וממדים אלה, 50-100 פיקסלים/ננומטר מתקבלים בכיוון z לאחר עיבוד הנתונים, מה שבדרך כלל מספיק כדי לפתור את מבנה פתרון הפנים.
5. כנקודת התחלה, בחר ערך עבור Set Point כך ששינוי הפאזה יורד באופן שגרתי ל-~50-60° בכל עקומת כוח. ניתן להגדיר את נקודת ההגדרה כנמוכה עד 50% מהמשרעת החופשית. עם זאת, זה תלוי במיוחד בסוג הדגימה הנמדדת וידרוש ניסוי וטעייה. לדוגמה, שימוש בנקודת הגדרה נמוכה (לחץ גבוה) עלול לפגוע בקצה או לעוות את פני השטח במקרה של מולקולות רכות. מצד שני, ייתכן שנקודת הגדרה גבוהה (לחץ נמוך) לא תספיק כדי לחדור ולחקור את שכבות ההידרציה.
6. ודא שהתוכנה מקליטה ארבעה תצפיות עיקריות הדרושות לניתוח נתוני ה-AFM המאופנן במשרעת: גובה קצה, משרעת, פאזה והסטיה. שים לב שערוצי נתונים מרובים יכולים להתקיים למעקב אחר גובה הקצה בהתאם למכשיר ולתוכנה. מכיוון ש-3D FFM דורש רזולוציה גבוהה מאוד, חשוב להשתמש בפרופילי גובה הקצה החלקים ביותר עם הרעש האלקטרוני הנמוך ביותר מהמכשיר. בנוסף לרישום משתני מפתח אלה, פרמטרי הפעלה ומטא נתונים אחרים נחוצים כדי לנתח ולשחזר את הכוחות המופעלים על הקצה (בדרך כלל נשמרים בקובץ הנתונים שלך כברירת מחדל), כפי שנדון בסעיף מאוחר יותר.
   הערה: FFM תלת מימדי הודגם הן במצבי AFM מאופנן משרעת והן במאופנן תדר. לגבי איכות הנתונים וניתוחם, שתי השיטות שוות ערך. בהתאם לכך, אופן הפעולה המועדף נותר לשיקול דעתו ולניסיונו של הנסיין. יתרון אפשרי אחד עבור אופן אפנון משרעת הוא היציבות של הקצה על פני מרחקי z גדולים יותר המאפשרת למשתמש לקבל נתונים תלת-ממדיים המשתרעים על >10 ננומטר לתוך התמיסה. לשם השוואה, חיסרון אחד של מצב זה נוגע להדמיית מולקולות רכות עם טווחי זמן הרפיה איטיים יותר מתנועת השלוחה. היישום האחרון מהווה הזדמנות ל-FFM לחקור הרפיה בין-פנים בחומר רך ובנוזלים צמיגים. במקרים אלה, פרופילי המשרעת הנמדדים עשויים להראות היסטרזיס במחזורי הגישה והנסיגה, מה שיוצר אי ודאות לגבי גובה הקצה בפועל.

5. עיבוד נתוני מפת כוח תלת מימדית

הערה: ניתן לבצע את השלבים הבאים בתוכנת ניתוח הנתונים המועדפת באמצעות קודים שנוצרו בתוך החברה או לחלופין באמצעות עיבוד הנתונים files המסופקים במידע התומך.

1. טען את הנתונים הגולמיים לתוכנת ניתוח מועדפת לצורך חישובים והדמיה.
   הערה: הנצפים הנדרשים לאנליזה הם אמפליטודה (A), הסטת פאזה (φ) והסטת קצה (δ) כפונקציה של תזוזת הגובה (z), כמו גם מאפייני קצה כגון תדר התהודה (ν_e), קבוע הקפיץ (k) וגורם האיכות (Q). פרמטרי הפעלה אחרים כוללים את מידות הסריקה, קצב הסריקה, תדר עירור הקצה (ν_exc) ומשרעת הכונן (A₀). הערך האחרון נרשם בדרך כלל ביחידות מתח אך ניתן להמיר אותו בקלות לננומטרים על סמך ערך הכיול המתקבל בשלב 3.1.
2. חלץ את התמונה הטופוגרפית המקבילה ממערך הנתונים התלת-ממדי על ידי רישום תזוזה הגובה הרחוקה ביותר של הקצה בכל קואורדינטת xy . באמצעות נתונים אלה, חשב את הטיית הדגימה על ידי התאמת קווים ישרים לפרופילי הגובה הממוצע בכיווני הסריקה x ו-y . גם אם המשטח חלק מבחינה אטומית כמו נציץ, צפויה הטיית דגימה של כמה מעלות, ויש לקחת בחשבון את שיפוע הגובה המתאים לפני ניתוח הנתונים.
   הערה: ברוב המכשירים המודרניים, שלב זה הוא אוטומטי עבור הדמיה טופוגרפית רגילה, אך יש לבצע אותו באופן ידני עבור נתוני FFM תלת מימדיים. ברור שיש לשנות מעט את השיטה הזו אם המשתמש מודד משטחים מורכבים יותר כמו גבישים עם קצוות מרובי שלבים.
3. ליניאריזציה של פרופילי תזוזה לגובה. נזכיר כי הקצה ב-3D FFM עוקב אחר מסלולים סינוסואידיים דומים בכל מחזור גישה ונסיגה. עם זאת, ההיקף הרחוק ביותר של הקצה משתנה בהתאם לאתר הקריסטלוגרפי עליו הוא נוחת, וגבהי הקצה המתועדים כמובן אינם זהים לנתון המשמעותי האחרון. בהתאם לכך, ערכי הגובה הנמדדים בכל מסלולי הקצה מופרדים כדי לקבל פרופיל z ליניארי יחיד עבור כל עקומות הכוח.
   הערה: גודל הפח תלוי בפרמטרי המדידה ובסולם האורך של התכונות המעניינות. עבור רוב היישומים, 0.2 Å היא רזולוציית גובה מספקת. ערך זה קטן פי עשרה מגודל מולקולת מים; שימוש בגדלי פחים קטנים יותר אינו מספק יתרונות ולמעשה נמצא ברעש המכני והאלקטרוני של המכשיר.
4. חשב את הערכים הממוצעים הנצפים המתאימים לפחי הגובה עבור כל עקומת כוח בודדת. שיטה זו מייצרת נפח תלת מימדי של נתוני הפאזה/משרעת שניתן לפרוס בקלות ולהמחיש לכל כיוון.
   הערה: באופן עקרוני, פרופילי הכוח מגישת הקצה והנסיגה צריכים להיות דומים. אפשר לבדוק אם מתאים יותר להשתמש בנתונים מאחד מהם או משניהם בהתאם לדגימה הספציפית. בפרט, ביומולקולות ומולקולות רכות יותר יכולות להראות השפעות היסטרזיס במחזורים המתקרבים / נסוגים. במקרה זה, מומלץ למשתמש לשנות את תנאי ההדמיה כמתואר לעיל.
5. התאם את פרופילי הגובה על ידי התחשבות בסטיית הקצה. שלב זה הוא אופציונלי ונשאר לשיקול דעתו של המשתמש. לדוגמה, עם תשלוחים בעלי קבועי קפיץ גדולים (>200 N/m), סטיית הקצה בתמיסת המלח המדוללת היא בדרך כלל פחות מ-<0.08 Å. מה שאינו משפיע באופן משמעותי על הנתונים.
   הערה: בהתבסס על המדגם הספציפי, המשתמש יכול 1) להזניח את סטיית הקצה עבור שלוחים נוקשים מאוד לאחר בדיקה כפולה שהשפעתם זניחה, 2) לתקן את גובה הקצה באמצעות פרופיל הסטייה הממוצע מכל מערך הנתונים, 3) לתקן את גובה הקצה עבור כל עקומת כוח בודדת באמצעות נתוני סטיית הקצה המתאימים מעקומת הכוח הזו. האפשרות האחרונה היא אינטואיטיבית ה"נכונה" ביותר ויש לממש אותה במידת האפשר, אך גישה זו מציגה לעתים קרובות יותר רעש בנתונים שעולה על הכדאיות של תיקון זה.
6. החלק את מערך הנתונים באמצעות מסנן חציון תלת מימדי. ברוב המקרים, שלב אופציונלי זה מפחית את הרעש מבלי לפגוע ברזולוציה. כדאי לשמור גרסה של הנתונים הלא מסוננים גם לבדיקות עקביות במהלך שלבי ניתוח מאוחרים יותר. יתר על כן, המשתמש יכול לחקור שיטות סינון מתקדמות יותר כגון שיטות מבוססות ניתוח רכיבים עיקריים, הזמינות ברוב תוכנות עיבוד הנתונים.
7. שמור את התוצאות המעובדות, כמו גם את המטא נתונים השימושיים (פרמטרי מדידה חשובים להפיכת תצפיות AFM לכוח דגימת קצה) לקובץ נתונים שניתן להשתמש בו לניתוח עוקב.
   הערה: ניתן להשתמש בשלושת קובצי עיבוד הנתונים המסופקים במידע התומך כדי לבצע את הפונקציות המפורטות בסעיף זה. הקובץ הראשון טוען את נתוני ה-FFM התלת-ממדיים הגולמיים ויוצר קובץ hdf5 הכולל את הנתונים והמטא-נתונים הרלוונטיים; זוהי פשוט העברה של הנתונים לקובץ ידידותי יותר למשתמש שניתן לגשת אליו בקלות רבה יותר לעיבוד. הקובץ השני מעבד את הנתונים הגולמיים, על פי השלבים שתוארו לעיל, על ידי חילוץ תמונת הגובה המקבילה, ליניאריזציה של פרופילי תזוזה לגובה, מיון ערכי הנתונים לפחי הגובה המתאימים, החלקת מערך הנתונים באמצעות מסנן ושמירת התוצאות המעובדות בקובץ נתוני פלט. המשתמש יכול גם להפעיל כמה תכונות כדי להתוות עקומות כוח לדוגמה (גולמיות ומעובדות), פרוסות xz/xy ותיקון הטיית המצע, כמו גם לבצע בדיקות עקביות אחרות לאחר העיבוד. סקריפטים אלה לעיבוד נתונים הם ידידותיים למשתמש ומוערים, ומציגים את השלבים המדויקים למשתמשים כדי לשנות פרמטרים ולחלץ נתונים מקבצי המכשיר הגולמיים.

תוצאות

איור 2A מציג סכימה של מיפוי כוח תלת-ממדי. בדומה לטכניקות AFM אחרות הפועלות במצב מאופנן משרעת, שלוחה מתנודדת נסרקת על פני השטח. בנוסף לגובה הקצה בכל קואורדינטה, נאספים תצפיות במכשיר כגון שינוי פאזה ומשרעת כאשר הקצה מתקרב ונסוג מהמשטח. התוצאה היא מערך נתונים ת...

Discussion

בחירת קצה AFM
כמו בכל יישום AFM, המאפיינים העיקריים של קצה הבדיקה הם תדר התהודה, גודל השלוחה, רדיוס הקצה, חומר הקצה וקבוע הקפיץ. כמעט כל ספרות ה-FFM התלת-ממדית עד כה דיווחה על שימוש בקצוות נוקשים בתדר גבוה. הדוגמאות הנפוצות ביותר הן טיפים מבוססי סיליקון (למשל, AC55TS, PPP-NC...

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)