Name: sub-nanometer resolution imaging with amplitude-modulation atomic force microscopy in liquid
Uploaded: 2016-12-20T14:00:00
Duration: 10 min 25 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid at JoVE.com

מימון מן הנדסה המדעים הפיזיקליים המועצה למחקר (מענקים 1,452,230 ו- EP / M023915 / 1), ביוטכנולוגיה ו ביולוגי מדע המועצה למחקר (להעניק BB / M024830 / 1) ואת המועצה האירופית (FP7 CIG 631,186) מוכרים בהכרת תודה.

1. ניקוי של כלים ומשטחים אחרים הערה: כאשר מכוון ברזולוציה גבוהה, כל צורה של זיהום יכולה להיות השלכות מזיקות. לכן, יש להבטיח את כל הכלים להשתמש כדי לתפעל את המדגם, טיפי מצע או AFM מנקים ביסודיות. הדברים הבאים חל על כל משטח או מכשיר (למשל, פינצטה) שעלולה לבוא במגע עם המדגם, שלוחה, או תא AFM, לרבות שלב המדגם עצמו. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אמבט-sonicate המכשירים במים ultrapure (18.2 MΩ, &lt;5 אורגניים ppm), ואחריו isopropanol (טוהר 99.7%), ואחריו שוב על ידי מים ultrapure, כל במשך 10 דקות. במידת האפשר, להשתמש isopropanol תחת במנדף להפחית שאיפה של אדי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ניקוי תחת זרם חנקן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אם טבילה מלאה אינה אפשרית (למשל, עבור בעל שלוחה / אלקטרוניקה), פיזי לנקות את השטח על ידי מנגב עם יחיד רובדי, רקמות נמוך מוך (מגבי רקמות אור-החובה) טבול ultrapuמחדש מים, isopropanol ומי ultrapure, ברצף. יש לאפשר למשטח להתייבש באוויר (בדרך כלל תוך 15 עד 30 דקות). </li></ol> 2. הכנת תשתית הערה: המצע מייעד את המשטח המוצק התומך ישירות הדגימות, בדרך כלל במגע פיזי עם שתי סורק AFM ואת המדגם. לרובם יש AFMs הר מגנטי ודיסקים פלדה ניתן להשתמש, אבל הפרוטוקול אותו מתאים גם מצעים כגון שקופיות הזכוכית. כאן אנו מניחים דיסק פלדה שעליו דיסק יציץ מודבק. מטרת הליך זה היא להגביל ככל מקורות חיצוניים אפשריים של זיהום שיכול להשפיע על ההדמיה. חובה ללבוש כפפות בכל עת. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אמבט-sonicate הדיסק מדגם פלדה במים ultrapure (18.2 MΩ), ואחריו isopropanol, ולבסוף על ידי מים ultrapure שוב, כל 10 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ייבש את הדיסקים תחת זרם חנקן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן כמות קטנה של דבק אפוקסי עם ריאגנטים מעורבים באופן יסודי ומקום ~ 1081; אני מפעיל את דלת הפלדה העגולה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הצמד את המצע (תציץ מוסקבאי, SiO 2 קריסטל, זכוכית, וכו &#39;) לדיסק הפלדה על ידי הפעלת לחץ על פני המצע. אפשר אפוקסי לרפא במשך כמה שעות בטמפרטורה גבוהה (ראה מפרט היצרן). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא שאף אפוקסי חשוף במישרין באוויר, מסביב לקצוות של המצע. זה יקרה אם כמות מוגזמת של אפוקסי משמשת ועלולה להיות מקור הזיהום. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקבלת מצע מיקה, בתקיפות הקש דבק ~ 2.5 ס&quot;מ על גבי המצע, כך שפני כולו מכוסה, וחלק לקלף אותו. השתמש בסרט דבק מעט, לקלף את יציץ על ידי משייכת במקביל לפני השטח. החומר הוסר גלוי בקלטת. חזור על תהליך זה 2-3 פעמים, עד תציצו היא מראה חלקה לעין. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עבור זכוכית / SiO 2, אם שינוי פני שטח כימי נוסף נדרש, לחזור לשגרת האמבט-sonication של צעדים 2.1-2.2. לחלופין, להשתמש Uיחידת חשיפת V (18 W UV-C מנורות קוטלות חידקים) במשך 30-60 דקות, תלוי כוח) כדי pyrolyze כל אורגנית כי ניתן להשאיר על פני השטח. הליך זה גם הופך את פני השטח יותר הידרופילי מבלי להגדיל חספוס משמעותי. </li></ol></li></ol> 3. הכנת קונסוליים וקצה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את שבב השלוחה באמבט של isopropanol, ואחריו מי ultrapure, כל במשך 60 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אם שלוחה / טיפ דורש ניקוי נרחב (למשל, לאחר אחסון ממושך בתיבה ג&#39;ל), להוסיף השריה 30 דקות אצטון (&gt; טוהר 99.5%) לפני שלב 1 (ראו גם זיהום פונה סעיף). האחסון של טיפים בקופסאות ג&#39;ל הוא שעל פי ניסיוננו, אחד המקור העיקרי של זיהום זה יכול להתרחש במהירות רבה 59. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחשוף את המידע לשלטונות UV בקצרה אור (&lt;5 דק &#39;) על מנת להעדיף את היווצרות של אתרי הידרציה יציב 60. הימנע פעמי חשיפה ארוכות יותר כפי שהוא יכול לפגוע קצה או increase רדיוס העקמומיות שלה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כנס שלוח לתוך החזיק פיפטה השלוחה של AFM ~ 50 μl של פתרון הדמיה (לאופי הפתרון יהיה תלוי במדגם נחקרים, אך במקרה זה להשתמש בפתרון 10 מ&quot;מימ של כלוריד רובידיום במי ultrapure) על השלוחה להטות מראש רטוב זה; זה יגביל את הופעת בועות אוויר כאשר מתקרב המדגם. </li></ol> 4. הקמה של תא AFM <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר דיסק ואת המצע המדגם על הבמה מדגם ולהוסיף טיפה של נוזל הדמיה (נוזל בדרך כלל 2-3 מ&quot;מ עובי בנקודה הגבוהה ביותר). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את בעל שלוחה אל AFM. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תביא שלוחה ואת המדגם לתוך בסמיכות כדי ליצור גשר נימים בין הנוזלים על השלוחה / העצה לבין המדגם. </li></ol> 5. מדידה מאתחל כיול של קונסוליים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יישר את הלייזר למדידת (בדרך כלל אדום) קרוב-e טיפND של השלוחה. בהתאם לדגם AFM, לעשות זאת גם באמצעות פקדי תוכנה או על ידי התאמה ידנית של עמדת הליזר. רוכש את הספקטרום התרמי של השלוחה בנוזל (ראה איור 1 א). התהליך מתעד את תנודות תרמיות של השלוחה באמצעות הליזר, על מנת למצוא את התדר של התהודה המרכזית של השלוחה (eigenmode יסוד). ברוב AFM המודרני, זה נעשה באמצעות פרוצדורות אוטומטיות בבקרת התוכנה, אך מהנתונים להלן עלולים להשתנות מן AFM כדי AFM. </li></ol><img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/54924/54924fig1.jpg" /> איור 1: כוונון כיול השלוחה. ת: ספקטרום רעש תרמי של ההטיה האנכית של השלוחה (השחורה) עם מתנד ההרמוני פשוט (SHO) התאמה של eigenmode היסוד (אדום). הנה התהודה הוא 18.7 kHz במים. תדרי התהודה שלושת הראשונים אשר תואמים את eigenmodes השלוש לכפיפה הראשונה הם מואריםghted עם חצים כחולים. B: הכיול הרגיש המנוף האופטי הופכים של השלוחה. הסטייה ליניארי של השלוחה נלחצת משטח נוקשה (לא deformable) משמשת כדי למדוד את מקדם המרה (InvOLS) בין הסטייה נמדדה בוולטים, ואת התמורה המקבילה ננומטרים. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54924/54924fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <ol start="2" style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קלט סטייה לעומת עקומת מרחק עם השלוחה על מצע נוקשה (למשל, יציץ או זכוכית) לכייל הסטייה ידי הטלה כי השיפוע העקום באזור הסטייה ליניארית (כמו באיור 1B) הוא אחדות 61 - 63. הערה: תהליך זה מוצא את מקדם ההמרה בין הסטייה נמדדה על גלאי האור (בוולטים) ואת הסטייה האמיתית של השלוחה (ננומטר) - known כמו רגישות המנוף האופטית ההופכים (InvOLS). הכיול עלול לגרום נזק קצה, ולכן עדיף לנהל את זה אחרי כל המדידות הושלמו. השתמש ערך InvOLS נגזר שלוחה אחרת מאותו הסוג במהלך ניסוי קודם כדי לקבל אומדן (בדרך כלל&gt; 90% מדויקים) של משרעת נכון לפני הכיול. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את שיא התהודה בספקטרום התרמית עם מודל מתנד הרמוני פשוט 64 - 66 עד להניב קבוע הקפיץ של השלוחה. הליך זה הוא אוטומטי ברוב תוכנות AFM ואינו בדרך כלל דורש ידע מומחה של המודל נדון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Tune השלוחה. מצא התגובה משרעת של השלוחה כאשר מונעים באופן חיצוני (למשל, מבחינה אקוסטית או על ידי עירור photothermal) על פני טווח של תדרים קרובים לתדר התהודה הנומינלי שלה. הגדר את תדירות הנסיעה הקרובה למקסימום בספקטרום זה, מעט שמאלה. אם השלוחה היא acoustically מונע, רבי מקסימום מזויף עשוי להופיע כוונון ומתי. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר שיא תהודה קרוב ככל האפשר אל (ובתוך המעטפה של) התהודה המזוהית בספקטרום התרמית באמצעות תוכנת הבקרה של AFM אבל פרטים אולי תלוי בסוג התוכנה וגרסת שולט AFM. </li></ol></li></ol> גישת 6. בדיקה ראשונית של מדגם <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את משרעת נהיגה כך משרעת התנודה חינם הוא כ 5 ננומטר. זה בדרך כלל מתאים 0.2-0.8 V על רוב AFMs (למקרה InvOLS אינו מכויל). התאם את setpoint משרעת ל ~ 80% של משרעת בחינם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את רווחי המשוב גבוה יחסית (הערך המוחלט תלוי AFM) אבל לוודא ששום חוסר יציבות או צלצול מתרחשת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את קצב הסריקה הראשוני וגודל סריקת ערכים קטנים (למשל, כדי ~ 1 רץ ו -10 ננומטר בהתאמה). זה עוזר לשמר את הקצה במקרה כמה פרמטרי משוב מותאמים גרועעל ידי הימנעות סריקה על פני מרחקים גדולים. גודל הסריקה ניתן להגדיל לאחר מכן ערך גדול (למשל, 100 ננומטר) אם תנאי הסריקה להופיע מתאימים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקבוע את הגובה המשוער של פני השטח (בחלק ממקרים זה חייב להיעשות אופטי) לפני הגישה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליזום את הגישה של הקצה אל פני השטח באמצעות תוכנות שליטת AFM. הפרטים קנס של תהליך זה יהיה תלוי במודל של AFM ותוכנה בשימוש. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אם יש בעיות עם הגישה כשמשתמשת שלוחה רכה, לנהל את הגישה במצב מגע. במקרה זה, להבטיח כי רווחי נמוכים במצב AM, ולהגדיר את setpoint לערך נמוך יחסית (0.1-0.2 V לאחר מרכוז לייזר על גלאי האור) כדי לשמר את הטיפ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להעריך אם הקצה הגיע לפני השטח, מבלי להתחיל תמונה על ידי שינוי ערך setpoint מעט (העלייה במצב קשר או ירידה במצב AM). אם הטיפ הוא על פני השטח, ההשפעה על tהוא ההארכה-piezo Z צריכה להיות זניחה. הבקשות החיות של פייזו-Z מוצגות בדרך כלל בצורה גרפית בתוכנת השליטה במרבית AFM. אם שינוי setpoint מפעיל בתנועה גלויה של piezo, זה מצביע על שקר לעסוק. במקרה האחרון, הפעל מחדש את גישת מעמדת הקצה הנוכחית, באמצעות מעט גבוה יותר (קשר) או נמוך setpoint (AM). </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר קצה הגיע לפני השטח, לחזור בו-piezo Z (בדרך כלל פשוט על ידי לחיצה על &#39;הפסק&#39;) ו retune שלוחה (חזור על שלב 5.4.); תדר התהודה סביר להניח השתנה לערך נמוך עקב אינטראקציות טיפ-מדגם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשנות את הנקודה מוכן ~ 80% של משרעת חינם המכוונת החדש (במרחק טיפ-מדגם זה). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Engage שלוחה ולערוך בו סריקה 10 × 10 ננומטר 2 של פני השטח במצב AM על מנת לוודא כי הפרמטרים הדמיה מתאימים. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק כי עקבות (סריקה משמאל לימין) וחוזר על עקבותי (מימין לשמאל סריקה)פרופילים להרכיב. אם לא לצמצם עוד יותר את setpoint ולנסות להגדיל את הרווח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מנמיך את הרווחים אם התמונה הופכת להיות רועשת. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על הפעולה עם גדול - 1 × 1 מיקרומטר 2 עד 5 × 5 מיקרומטר 2 - סריקה של המדגם ובלבד שהדבר אפשרי. על דגימות רכות או ביולוגיות, שדבר זה עלול לגרום לזיהום של הקצה. </li></ol> 7. הדמיה ברזולוציה גבוהה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקטן את גודל הסריקה לערך מתאים לדמיין את תכונות (למשל, 100 × 100 ננומטר 2 עבור גבישי חלבון או 20 × 20 ננומטר 2 עבור נציץ או קלציט). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מנמיכים את המשרעת כונן של שלוחה מספיק לולאת המשוב אוטומטית לחזור בו-piezo Z ומכאן קצה מפני השטח. בעוד השלוחה היא מהמשטח, להתאים את משרעת לכונן, כך משרעת השלוחה הוא ~ 1-2 ננומטר (שיא-לשיא). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> באמצעות תוכנות שליטה AFM, Progresבאופן בלעדי להפחית את setpoint כמה עשרות mV בכל פעם עד-piezo Z מרחיב שוב לכיוון פני ואת התמונה המקורית הוא התאושש. שמור את המשרעת setpoint בין 75% ל -95% של משרעת החדשה בחינם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כוונו את הרווחים באמצעות תוכנות שליטה AFM; רווחי גבוה ניתן להשתמש אמפליטודות נמוך ללא החדרת רעש משמעותי. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על השלבים 7.2-7.4 כדי לקבוע את השילוב הטוב ביותר של משרעת חינם, setpoint ולהשיג עבור ברזולוציה גבוהה. התנאים האופטימאליים תלוי במדגם (לרוחב solvation ומאפיינים הרטבה של הנוזל) אלא גם שלוחה (באביב קבוע, נוקשות). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חקור שילובים שונים של אמפליטודות כדי לייעל את תנאי הדמיה. זה עשוי להיות נחוץ כדי להגדיל שוב את המשרעת חינם 42. במקרה כזה, להתאים הראשונה setpoint לערך גבוה יותר ואז להגדיל את הכונן (כלומר, הליך הפוך מאשר בשימוש כדי להקטין את משרעת). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמור את setpoiמשרעת NT בטווח של 0.5 ננומטר - 1.5 ננומטר (שיא לשיא) עם יחס setpoint שמר מעל 0.7 (בדרך כלל 0.75-0.95). עבור ממשקי solvophilic, השתמש cantilevers עם קבוע קפיץ של 0.5 - 2 N / m. זה מספיק על הטיפ להסיר את רוב הנוזל interfacial מבלי להכות את פני השטח. כלל אצבע מוצע ב EQ. 4 הפניה 29. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

מאז ההמצאה שלה, לפני שלושה עשורים, מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) 1 בסס את עוצמה בתור טכניקה שבה נקט חוקר דגימות ב הננומטרי, במיוחד כאשר ממוצעים על פני שטחי משטח מקרוסקופי לא ניתן ומידע מקומי נדרש. במדידת AFM טיפוסית, הסטייה של שלוחה גמישה משמשת לכמת את כוח האינטראקציה בין מספר קטן של מולקולות טיפ UltraSharp הרכוב בסוף השלוחה. בהתאם לסוג של אינטראקציות ואת לוחות הזמנים הנחשבים, מגוון רחב של סוגי מידע ניתן לגזור, כולל את מאפייני viscoelastic של ממברנות ביולוגיות רכות 2,3, כוחו של כימיקל בודד או אג&quot;ח מולקולרי 4,5, הפרטים האטומיסטית של משטח 6 - 8, 9 המגנטים, קיבולים 10, ניצוח 11, 12,13 תרמי 14 תכונות כימיות של דגימות <sup&gt; 15. חלק מההצלחה של AFM הוא יכולתו לעבוד על מגוון רחב של חומרים 16 ו בסביבות מרובות כגון ואקום 17, גז 11,18 או 19,20 נוזלי, כי זה אינו מסתמך על כוח ספציפי בין החללית לבין מדגם . בפועל, עם זאת, בהפעלת AFM בתנאים אחרים מאשר הסביבה יכולה להיות תוצאות שפורסמו מאתגר ורבים עדיין מתקבלות באוויר. הוסיף קושי נובע מהעובדה שזה בדרך כלל יש צורך להפעיל את AFM במצב דינמי (טיפ רוטט) על מנת לשמר הן קצה מדגם ידי הימנעות כוחות חיכוך גדולים. אמנם יותר מאתגר, תפעול דינמי יכול עקרונית לספק מידע נוסף על המדגם נתח, וללא פסד של רזולוציה מרחבית. בעשור האחרון, בתחום AFM הדינמי בנוזל רואה התפתחויות חשובות, מאז הופעתו של AFM וידאו שער 21 - 23, על מדידות multifrequency <sup&gt; 24,25 ו ננומטר תת הדמיה של מבנים הידרציה בממשקים 26 - 31. המבצע AFM בעודי שקוע בנוזל עכשיו משמש באופן שגרתי בביולוגיה וביופיסיקה 32 - 36, פולימר המחקר 37, אלקטרוכימיה 38 - 40 ו אפיון ממשקי-נוזלי מוצק 41 - 44. הנוכחות של נוזל מסביב השלוחה הרוטטת משנה הדינמיקה שלה באופן משמעותי 45 כמו גם את האינטראקציה בין העצה לבין המדגם 29,42. כאשר נעשה שימוש כראוי, הנוזל ניתן לנצל כדי לשפר את רזולוציית הדמיה 26,29, עם שיפור אופייני כמעט בסדר גודל לעומת ההחלטה הטובה ביותר מושגת בתנאי הסביבה 46. ב AFM, ברזולוציה מרחבית הכי הגבוהה שניתן למדידה מסוימת תלויה הוא על איכות AFM עצם ואת אופי tאינטראקציה הוא נחקר 20,47,48. נכון לעכשיו, רוב high-end, רמות הרעש הנוכחיות AFMs הזמין מסחרי כי הם קרובים לזה של גבול תרמית 12 כך הגורם הקובע עבור רזולוציה היא בדרך כלל האינטראקציה טיפ-המדגם. זה ביעילות השיפוע המרחבי של אינטראקציה זו הקובעת את ההחלטה: מדידות מבוססות על טווח קצר, מתפורר אינטראקציה במהירות לייצר תוצאות ברזולוציה גבוהות יותר מאשר כאשר אינטראקציות לטווח ארוך נמצאות לשחק. בנוזל, כוחות solvation יכולים לשפר את רזולוצית הדמיה משום שהם נוטים להיעלם מעל כמה קטרים מולקולריים רק של הנוזל (בדרך כלל &lt;1 ננומטר) כאשר מתרחקים מפני השטח של המדגם 49. כוחות אלה נובעים האינטראקציה בין מולקולות הנוזל ואת השטח של המדגם. נוזל עם זיקה חזקה עבור השטח יהיה נוטה להיות הורה יותר ופחות נייד מאשר נוזלים בצובר על הממשק עם המדגם 29,42,50. כתוצאה מכך,זה ייקח יותר אנרגיה עבור טיפ AFM רוטט לעקור מולקולות נוזל interfacial מ -42 נוזלים בצובר, טיוח המדידה רגישה מאוד וריאציות מקומיות מאפייני נוזל interfacial הננומטרי -The נוף solvation. כדי לנצל כוחות solvation, כמה היבטים מעשיים צריכים להילקח בחשבון. ראשית, משרעת התנודה של הקצה צריכה להיות דומה בטווח של כוחות solvation, בדרך כלל &lt;1 ננומטר. שנית, הנוזל המשמש חייב ליצור נוף solvation מוגדר היטב על פני השטח של המדגם. Macroscopically, זו שקולה המחייב נוזל &quot;הרטבה&quot; למדגם נחשב. לדוגמה, במים קל יותר להשיג רזולוציה ברמה המולקולרית על נציץ הידרופילי מאשר על 42,51 גרפיט הידרופובי. לבסוף, קבוע הקפיץ של שלוחת תומכי הקצה יש לבחור כראוי 52,53. כשעובדים ב con אלהditions, ה- AFM לא רק לספק תמונות ברמה המולקולרית של הממשק, אבל זה גם נובע מידע על זיקת מדגם הנוזלית המקומית אשר יכול לשמש כדי לקבל מידע כימי על פני השטח של המדגם 54. מצבי הדינמי הנפוץ ביותר של פעולה עבור AFM בנוזל הם אפנון משרעת (AM, גם &#39;קשה במצב&#39;) AFM ותדירות האפנון (FM) AFM. במקרה הראשון 55, קצה הסריקה-סורק המדגם בעוד משרעת הרטט שלה נשמרה קבועה על ידי לולאת משוב רציף מחדש מתאימה את מרחק טיפ-מדגם. תמונה טופוגרפית של המדגם המתקבל התיקון מיושם על ידי לולאת המשוב. ב FM-AFM 28,41,56, שזו תדירות התנודה של השלוחה / טיפ כי נשמר קבוע בעוד טיפ סורק את המדגם. טכניקות שניהם מספקות רזולוציה טופוגרפית דומה 36,57 נוזלי. כימות של האינטראקציה טיפ-המדגם נוטה להיות יותר straightforward ומדויק FM-AFM, אבל AM-AFM הוא קל יותר ליישם, חזקים יותר, ומאפשר עבודה עם cantilevers רך, משהו שימושי לחקר דגימות ובר-עיוות או עדין בקלות. באופן משמעותי, AM-AFM נפוץ יותר בקרב משתמשי AFM, חלקית בגלל סיבות הסטוריות, אלא גם בשל העובדה כי קל יותר טכני לשלוט. למרות משרעת נשמר קבוע על ידי לולאת המשוב במהלך הדמית AM-AFM, השלב בפיגור בין תנודת הקצה ועל תנודת הנהיגה מותר לשנות באופן חופשי. השלב בפיגור יכול לספק מידע שימושי על אינטראקציות טיפ-מדגם, קישורו האנרגיה התפוגגה במהלך התנודה של הקצה על הממשק עם המדגם 58. לפיכך בשלב הדמיה ניתן לרכוש בו זמנית הדמיה טופוגרפית, והוא בדרך כלל משלימים המדגישים את ההטרוגניות של שטח מדגם. בשלב הדמיה נוצלה למיפוי אינטראקציות שונה, לרבות diמיפוי rect של אנרגיה הידבקות 42, נכסים viscoelastic 58 והנוף הידרציה של ממשק 44. למעשה, קבלת תמונות ברזולוציה גבוהה בנוזל נשאר לא טריוויאלית עקב מספר רב של פרמטרים לשלוט, והיעדר פרוטוקול פשוט ושיטתי, אשר עובד בכל מצב. איכות תמונה בדרך כלל תלויה בגיאומטרית השלוחה ואלסטיות, כימית הקצה, משרעת התנודה, ואת קשיחות המדגם, בין היתר 55. מדידות AFM גם, מעצם הגדרתה, perturbative למערכת. כתוצאה מכך, שינוי משתנה הדמיה ותנאים סביבתיים ללא שיקולים ראויים יכול להוביל לקושי שחזור ו / או תצפיות מסולפות ומטעה ותוצאות מזויפות. כאן, אנו מציגים פרוטוקול שלנו להשגת תמונות ברזולוציה גבוהה של דגימות קשות ורכות בתמיסה, באמצעות מכשירים מסחריים פעלו amplitude אפנון. המטרה שלנו היא להציע נוהל מעשי עבור אופטימיזציה של הפרמטרים העיקריים העשויים להשפיע על ההחלטה על מדגמים שונים, להסביר בכל מקרה את הרציונל הבחירות שלנו מן העקרונות הפיסיקליים שבבסיס תהליך ההדמיה. נפרט גישה צעד אחר צעד, מן ניקוי המצע והכנה, לבחירה של שלוחה, התאמת הפרמטרים הדמיה ופתרון בעיות בעיות נפוצות. סבר הרציונל המדעי מאחורי הבחירות והנהלים שלנו ברזולוציה גבוהה צריכה לעזור קבלת החלטות רציונלים כאשר התאמת המתודולוגיה, ולשמש כנקודת התחלה עבור מערכות רומן הדמיה. לאורך הטקסט הזה אנו משתמשים AM להתייחס במצב פעולה משרעת אפנון של AFM. אנו מתייחסים לפרמטר משוב נשמר קבוע במהלך או סטיה שלוחה (מצב הקשר) או משרעת התנודה (מצב AM) כערך setpoint. במצב AM, השלוחה היא מונעת באופן חיצוניבין אם על ידי תנודה אקוסטית או על ידי קרן לייזר פעמו התמקדו בבסיס של שלוחה. משרעת drive היא עוצמת האות תנודתית החיצונית. הערך המוחלט של האמפליטודה הכונן הנדרשת כדי להשיג משרעת תנודה נתונה של שלוחה תלוי בפרמטרים רבים כגון שיטת נהיגה (אקוסטית, photothermal או מגנטי), קיבעון שלוחה ופרמטרים (נוקשות, גיאומטריה) ויישור ליזר. הערך המדויק של משרעת כונן ולכן כבר לא רלוונטי אבל הוא מותאם בכל ניסוי כדי לספק משרעת תנודה מתאימה (וכמותיים) של השלוחה. כאשר השלוחה מונעת היא רחוק מן המדגם ולא דעיכה של הרטט שלה מתרחשת דרך אינטראקציות טיפ-מדגם, משרעת התנודה שלה נקראת משרעת התנודה בחינם. כמו הקצה הרוטט מתקרב פני השטח של המדגם, משרעת שלה מתחיל ירידה. אם המשוב מופעלת, z-piezo יהיה constantly מחדש להתאים הארכתה כך להתעלף משרעת setpoint שנבחרו, מתמיד. שווי setpoint הוא בדרך כלל תמיד קטן יותר משרעת בחינם. זה מקובל להתייחס ליחס setpoint, היחס בין משרעת setpoint (משרעת הדמיה) על משרעת בחינם. ככל שעולה יחס setpoint, את תנאי ההדמיה קשה הם.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="811">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Multimode IIIA AFM</td>
			<td style="width:121px;">Brucker</td>
			<td style="width:171px;">NA</td>
			<td style="width:303px;">One of the machine used</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Cypher ES AFM</td>
			<td style="width:121px;">Asylum Resarch</td>
			<td style="width:171px;">NA</td>
			<td>One of the machine used</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">AFM cantilever/tip</td>
			<td style="width:121px;">Nanoworld</td>
			<td style="width:171px;">Arrow UHF-AUD</td>
			<td>best for high frequency</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">AFM cantilever/tip</td>
			<td style="width:121px;">Olympus</td>
			<td style="width:171px;">RC800-PSA</td>
			<td>versatile and cheap</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">ultrapure water</td>
			<td style="width:121px;">Milipore</td>
			<td style="width:171px;">NA</td>
			<td>lab filtering systems can induce contamination</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Dimethyl sulfoxide</td>
			<td style="width:121px;">Sigma-Aaldrich</td>
			<td style="width:171px;">200-664-3&#160;</td>
			<td>standard chemical, no further purification</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Monovalent salts</td>
			<td style="width:121px;">Sigma-Aaldrich</td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td>standard chemical, no further purification</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Lipids</td>
			<td style="width:121px;">Avanti polar lipids</td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td>lipid bilayers formed using stadard protocols</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Crystals</td>
			<td style="width:121px;">MTI</td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td>polished crystals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Scotch tape</td>
			<td style="width:121px;">3M</td>
			<td style="width:171px;">Scotch Magic Tape</td>
			<td>Translucent tape works best. Transparent sticks too strongly</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

sub-nanometer resolution imaging with amplitude-modulation atomic force microscopy in liquid

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown that when operated in amplitude-modulation (tapping) mode, atomic or molecular-level resolution images can be achieved over a wide range of soft and hard samples in liquid. In these situations, small oscillation amplitudes (SAM-AFM) enhance the resolution by exploiting the solvated liquid at the surface of the sample. Although the technique has been successfully applied across fields as diverse as materials science, biology and biophysics and surface chemistry, obtaining high-resolution images in liquid can still remain challenging for novice users. This is partly due to the large number of variables to control and optimize such as the choice of cantilever, the sample preparation, and the correct manipulation of the imaging parameters. Here, we present a protocol for achieving high-resolution images of hard and soft samples in fluid using SAM-AFM on a commercial instrument. Our goal is to provide a step-by-step practical guide to achieving high-resolution images, including the cleaning and preparation of the apparatus and the sample, the choice of cantilever and optimization of the imaging parameters. For each step, we explain the scientific rationale behind our choices to facilitate the adaptation of the methodology to every user's specific system.

הפרוטוקול המתואר בסעיף הקודם יושם בהצלחה עם AFMs המסחרית כמה להשיג תמונות מולקולריות או ברמה אטומית. כל התמונות התקבלו עם אמפליטודות עבודה בין 0.5 ננומטר ו -1.5 ננומטר המותאמת באופן אינדיבידואלי ביצוע הליך צעדים 7.1-7.4. תוצאות ניתן להשיג על פני מגוון רחב של רך (איור 2) ונוקשות (איור 3) דגימות. בכל מקרה, את התכונות של עניין מודגשות. אחד היתרונות הגדולים של הטכניקה היא כי אמפליטודות תנודה קטנה-נקודות להגדיר גבוהה למזער את הכוח המופעל על ידי טיפ על המדגם, המאפשר מכלולים עצמית שברירי של ליפידים (איור 2 א), חלבונים (תרשים 2B ו- D), ו מולקולות amphiphilic (איור 2 ג) להיות צילמו ללא נזק בתמיסה. חומרים גבישיים Harder כגון מינרלים (איורים 3 א &#39;, ב&#39;, ד &#39;)יונים של מתכות יחידות adsorbed על משטח (איור 3 ג) ניתן הדמיה באמצעות הגישה כי בכל מקרה ומקרה, הוא הנוזל interfacial כי הוא צלם ביעילות עם הפרוטוקול המתואר. כוחות solvation ניתנים להשוואה על הדגימות הראו איורים 2 ו -3: כל הדגימות הן הידרופילי (באופן כללי יותר, &quot;solvophilic&quot; במקרה של 2C הדמוי, 3B, 3D) ביחס פתרון ההדמיה. באופן עקבי, cantilevers עם קשיחות דומה (0.2 - 0.8 N / m) שמש בכל המקרים. שניהם מדגם הקצה צריך להיות solvophilic על מנת להבטיח כי מולקולות נוזלות ליצור מבנה solvation מוגדר היטב כי ניתן הדמיה. זה לא תמיד תנאי מספיק, אבל ברוב המקרים ובכל מולקולות נוזל קטנות יחסית, מחדש המבנים הנוזלים עצם באופן מחקה את הסימטריה המדגמת. הנהג העיקרי של ברזולוציה הגבוהה הוא הווריאציה המקומית הזיקה של מולקולות adsorbed ממסותעבור משטחים (אנגסטרום מידה, במקרה של דמויות 2A, 3A, 3C). הטכניקה ולכן הוא המתאים ביותר לחומרים בהם מבנה ממס משתנה במידה רבה על פני השטח. <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/54924/54924fig2.jpg" /> איור 2: ממשקים קלים צילמו ידי AM-AFM בתמיסות מימיות. ת: Dipalmitoyl-phosphatidylcholine (DPPC) bilayer השומנים בשלב ג&#39;ל צילמו ב 150 מ&quot;מ KCl. Headgroups השומנים וגדוש hexagonally וניתן להבחין בטופוגרפיה הוא ושלב, יחד עם ניגודיות מקומיים המציינים וריאציות ספציפיות באתר הידרציה. B: ממברנות סגול של Halobacterium salinarum צילמו 150 מ&quot;מ KCl, 10 מ&quot;מ טריס, pH 7.4. כמה trimers חלבון bacteriorhodopsin מודגש. השלב מפגין ניגוד שונה טופוגרפיה בשל אתרי הידרציה מקומיים על החלבונים. trimers חלבון הבודד<html> יכול להתבצע מתוך (קווים מקווקווים). C: לצבוע amphiphilic מולקולות (Z907) adsorbed על פני השטח של ננו-חלקיקים Tio 2 ב תא סולארי dye-sensitized. התמונה נרכשה sulfone אתיל-איזופרופיל. המראה ספוג דמוי נוצר על ידי מולקולות צבען adsorbed. D: קריסטל aquaporin בממברנות העדשה יליד שור צילמו באותו חיץ כמו .ב tetramer aquaporin מודגשת. תת-המבנה מתאים לולאות בין סליל גלוי טופוגרפיה בעוד שלב מציג ניגוד שונה לחלוטין בשל התנהגות מים החריגה ליד החלבון. התמונות מעובדות מנתוני שופטים 36 (ב), נ&quot;צ 38 (ג) ו נ&quot;צ 67 (ד). סרגל סולם הוא 5 ננומטר (א), 10 ננומטר (B), 3 ננומטר (C), ו -15 ננומטר (D) סולם הצבעים עולה בהתאמה וריאציה גובה והפאזה של 200 בערב, 15 ° (א), 600 בערב, 4 ° (B), 2.5 ננומטר ו -2.5 ° (C), ו -1.6 ננומטר 9.5 ° (D).עומס / 54924 / 54924fig2large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/54924/54924fig3.jpg" /> איור 3: נציג AM-AFM תמונות של דגימות קשות בפתרונות נוזלים. ת: [גביש קלציט <img alt="Equation2" src="/files/ftp_upload/54924/54924equation2.jpg" /> משטח] צלם פתרון מי ultrapure equilibrated. B: titanate סטרונציום צלם שהושג sulfoxide דימתיל (DMSO). ברזולוציה גבוהה לא ניתן היה במים. C: יציץ מוסקבאי צלם ב 3 המ&quot;מ RbCl - יחיד יוני adsorbed Rb + גלויים על אתרי הסריג של המיקה בשתי סריקות השלב וגובה. D: סיליקון קרביד ב צילמו ב DMSO. הסדרי crystallographic הצפויים מוצגי B תמונות וד התמונות מעובדות מנתוני הנ&quot;צ 68 (א), נ&quot;צ 42 (B ו- D),ו נ&quot;צ 44 (ג). סרגל הסולם הוא 3 ננומטר (A, B, D) ו -5 ננומטר (C). סולם הצבעים עולה בהתאמה וריאציה גובה והפאזה של 250 בערב, 14 ° (א), 600 בערב, 5.5 ° (B), 800 בערב, 15 ° (C), ו -500 בערב, 3.5 ° (D). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54924/54924fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid at JoVE.com

Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid

אנו מציגים שיטה להשגת תמונות ברזולוציה מהשנה ננומטר עם אפנון משרעת (קשה במצב) במיקרוסקופ כוח אטומי בנוזל. השיטה מודגמת על מיקרוסקופי כוח אטומיים מסחריים. אנחנו מסבירים את הרציונל מאחורי הבחירות שלנו פרמטרים ולהציע אסטרטגיות אופטימיזציה רזולוציה.

הדמיה ברזולוציה משנה ננומטר עם מיקרוסקופית כוח אטומי משרעת אפנון בנוזל

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

חושף תהליכים דינמיים של חומרים בנוזלים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים סלולריים נוזלי

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה, הדמיה וידאו תלת ממדית עם טכניקות הקרנה הדיגיטלי פרינג&#39;

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Atomic Force Microscopy of Red-Light Photoreceptors Using PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping

מיקרוסקופית כוח האטומי של אורות אדומים קולטני אור שימוש במיפוי PeakForce כמותי nanomechanical נכס

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be ...

Preparation and Friction Force Microscopy Measurements of Immiscible, Opposing Polymer Brushes

מדידות הכנה וחיכוך מיקרוסקופית כוח של immiscible, המתנגדות למברשות פולימר

Solvated polymer brushes are well known to lubricate high-pressure contacts, because they can sustain a positive normal load while maintaining low ...

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

חוקר מולקולה בודדת הדבקה על ידי הכוח האטומי ספקטרוסקופיה

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Dynamic Pore-scale Reservoir-condition Imaging of Reaction in Carbonates Using Synchrotron Fast Tomography

Dynamic נקבובית בקנה מידה Reservoir-מצב הדמיה של ריאקציה קרבונטים שימוש טומוגרפיה Synchrotron מהיר

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

לימוד תהליכים דינמיים של אובייקטים בגודל ננו בנוזל באמצעות מיקרוסקופי אלקטרוני סריקת הילוכים

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

ב מיקרוסקופ אלקטרונים שידור Situ עם הטיה והפיקה של מוטות אסימטריים המבוססים על מעורב שלבים a-VOx

Resistive switching crossbar architecture is highly desired in the field of digital memories due to low cost and high-density benefits. Different ...

Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy

אפיון בקנה מידה ננומטרי של ממשקים נוזליים-מוצקים על ידי צימוד כרסום קרן יונים ממוקד קריו עם מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת וספקטרוסקופיה

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar ...

Light-Induced In Situ Transmission Electron Microscopy for Observation of the Liquid-Soft Matter Interaction

Light-Induced In Situ Transmission Electron Microscopy for Observation of the Liquid-Soft Matter Interaction

מיקרוסקופיית אלקטרונים המושרה על ידי אור באתרו לתצפית על אינטראקציית החומר הנוזלי-רך

The current protocol describes the modifications of the transmission electron microscope (TEM) setup for in situ light-induced observations. A glass ...