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

Финансирование от инженерных и физических наук Исследовательского Совета (гранты 1452230 и EP / M023915 / 1), биотехнологии и биологических наук исследовательский совет (грант BB / M024830 / 1) и Европейский совет (FP7 CIG 631186) будут с благодарностью.

The authors have nothing to disclose.

С момента своего изобретения, три десятилетия назад, атомно - силовой микроскопии (AFM) 1 зарекомендовал себя в качестве метода выбора для исследования образцов на наноуровне, особенно там , где усреднение по макроскопических участков поверхности невозможно , и требуется местной информации. В типичном измерения AFM, отклонение гибкого кантилевера используется для количественного определения силы взаимодействия между небольшим числом молекул и наконечником Ultrasharp установлена ​​на конце кантилевера. В зависимости от типа взаимодействий и временные рамки рассматриваемого, широкий спектр информации может быть получена, в том числе вязкоупругих свойств мягких биологических мембран 2,3, сила одного химического вещества или молекулярной связи 4,5, атомистической детали поверхность 6 - 8, магнитная 9, емкостный 10, проведение 11, тепловых и химических 12,13 14 свойств образцов <sup&gt; 15. Часть успеха АФМ является его способность работать в широком диапазоне материалов 16 и в различных средах , таких как вакуум 17, газа или жидкого 11,18 19,20, так как он не зависит от конкретной силы между зондом и образцом , На практике, однако, управляя AFM, отличных окружающих условий, может быть сложной задачей, и многие опубликованные результаты все равно будут достигнуты в воздухе. Дополнительная трудность исходит из того, что обычно необходимо для работы AFM в динамическом режиме (вибрирующий кончик) для того, чтобы сохранить и зонда и образца, избегая больших сил трения. Хотя более сложной задачей, динамическая работа в принципе может предоставить больше информации о анализируемого образца, и без потери пространственного разрешения. За последнее десятилетие, поле динамического AFM в жидкости произошли важные события, с появлением видео-курса AFM 21 - 23, для измерения многочастотных <sup&gt; 24,25 и субнанометровым изображений гидратных структур на границах 26 - 31. Операция АФМ при погружении в жидкость теперь обычно используется в биологии и биофизики 32 - 36, 37 полимера исследования, электрохимии 38 - 40 и твердое тело-жидкость интерфейсов характеристики 41 - 44. Наличие жидкости вокруг вибрирующей кантилевера существенно изменяет его динамику 45, а также взаимодействие между зондом и образцом 29,42. При правильном использовании, жидкость может быть использована для повышения разрешения изображения 26,29, с типичным улучшением почти на порядок по сравнению с лучшим разрешением , достигнутый в условиях окружающей среды 46. В АФМ, самое высокое пространственное разрешение достижимо для конкретного измерения зависит как от качества самого AFM и природы тон взаимодействие зондировали 20,47,48. В настоящее время, наиболее высокого класса, коммерчески доступные АФМ нынешние уровни шума, которые близки к тому , что термического предела 12 таким образом, определяющим фактором для решения, как правило , взаимодействие зонд-образец. Это эффективно пространственный градиент этого взаимодействия, который определяет разрешение: измерения, основанные на малой дальности, быстро распадающихся взаимодействие дают результаты с более высоким разрешением, чем при более дальности взаимодействия в игре. В жидкости, сольватации силы могут улучшить разрешение изображения , так как они , как правило, исчезают в течение всего несколько молекулярных диаметров жидкости (обычно &lt;1 нм) при удалении от поверхности образца 49. Эти силы возникают в результате взаимодействия между молекулами жидкости и поверхностью образца. Жидкость с сильным сродством к поверхности будет иметь тенденцию быть более упорядоченным и менее подвижны , чем объем жидкости на границе раздела с образцом 29,42,50. В результате,потребуется больше энергии для вибрационного наконечника AFM для вытеснения межфазных молекул жидкости , чем наливных 42, что делает измерения очень чувствительны к локальным изменениям в межфазных свойств жидкости на наноуровне -The сольватации ландшафта. Для того, чтобы использовать сольватацион- силы, несколько практических аспектов необходимо принимать во внимание. Во-первых, амплитуда колебаний наконечника должна быть сравнима с диапазоном сольватных сил, как правило, &lt;1 нм. Во-вторых, жидкость, используемая должна образовывать четко определенный сольватации ландшафт на поверхности образца. Макроскопически, это равносильно тому, требующий «смачивание» жидкость для пробы рассматриваемой. Например, в воде, легче достичь разрешения на молекулярном уровне на гидрофильной слюды , чем на гидрофобной графита 42,51. И, наконец, пружина кантилевера , поддерживающей наконечник должен быть выбран соответствующим образом 52,53. При работе в этих конвиях, АФМ не только позволяют получать изображения молекулярного уровня интерфейса, но она также получает информацию о локальной аффинностью жидкого образца , который может быть использован для получения химической информации о поверхности образца 54. Наиболее распространенные динамические режимы работы для атомно-силовой микроскопии в жидкости являются амплитудной модуляции (АМ, также &quot;режим кратковременного нажатия &#39;) AFM и частотной модуляции (FM) AFM. В первом случае 55, кончик растровой сканирует образец , а его амплитуда колебаний поддерживается постоянной с помощью петли обратной связи , которая непрерывно повторно отрегулировать расстояние зонд-образец. Топографическая изображение образца получают из коррекции, применяемой цепи обратной связи. В FM-AFM 28,41,56, то частота колебаний кантилевера / наконечником , который поддерживается постоянным , пока наконечник сканирует образец. Обе методики обеспечивают сравнимую топографическую разрешение в жидком 36,57. Количественное взаимодействия зонд-образец имеет тенденцию быть более ес&#39;иghtforward и точны в FM-AFM, но AM-AFM проще реализовать, более надежные, и позволяет работать с более мягкими консолями, что-то полезное для изучения легко деформируемых или тонкие образцы. Важно отметить, что AM-AFM более широко распространена среди пользователей AFM, частично по историческим причинам, но и из-за того, что технически легче контролировать. Несмотря на то, амплитуда поддерживается постоянной с помощью цепи обратной связи во время формирования изображения АМ-AFM, фазовое запаздывание между колебанием кончика и движущую колебаний может свободно изменяться. Фазового запаздывания может дать полезную информацию о зонд-образец взаимодействия, имеющие отношение к энергии , рассеиваемой во время колебаний наконечника на границе с образцом 58. Следовательно, фаза-изображения могут быть получены одновременно с топографической визуализации, и часто дополняют друг друга в освещении гетерогенность поверхности образца. визуализация фазы была использована для различного отображения взаимодействий, в том числе диRect отображение энергии сцепления 42, вязко - упругих свойств 58 и гидратной ландшафт интерфейса 44. Практически, получение изображений с высоким разрешением в жидкости остается нетривиальной из-за большого числа параметров для управления, а также отсутствие простого, систематического протокола, который работает в любой ситуации. Качество изображения , как правило , зависит от геометрии кантилевера и эластичности, химии наконечника, амплитуды колебаний и жесткости образца, среди других 55. Измерения АФМ также, по определению, пертурбативые к системе. В результате, изменение переменных формирования изображения и условий окружающей среды без надлежащих условий может привести к трудностям в воспроизводимости и / или misrepresentative наблюдений и искаженных результатов. Здесь мы представляем наш протокол для достижения изображений с высоким разрешением твердых и мягких образцов в растворе, с использованием коммерческих инструментов, эксплуатируемые в AMPL-модуляции широты места. Наша цель состоит в том, чтобы предложить практические процедуры для оптимизации основных параметров, могущие повлиять на решение по различным образцам, объясняя в каждом конкретном случае обоснование нашего выбора из физических принципов, лежащих в основе процесса формирования изображения. Мы подробно шаг за шагом подход, от очистки подложки и подготовки, к выбору кантилевера, настройка параметров визуализации и устранении наиболее распространенных неполадок. Объясняя научное обоснование нашего выбора и процедур высокого разрешения должно помочь сделать рациональный выбор при адаптации методологии, а также служить в качестве отправной точки для визуализации новых систем. На протяжении всего этого текста мы используем AM для обозначения режима работы амплитудной модуляции АФМ. Мы имеем в виду параметра обратной связи поддерживается постоянным во время либо отклонения кантилевера (режим контакта) или амплитуды колебаний (режим AM) в качестве значения уставки. В режиме AM, кантилевер извне приводомлибо с помощью акустических колебаний или импульсным лазером, у основания кантилевера. Амплитуда привода интенсивность внешнего колебательного сигнала. Абсолютное значение амплитуды привода, необходимого для достижения заданной амплитуды колебаний кантилевера зависит от многих параметров, таких как метод вождения (акустических, фототермической или магнитным), консольные и фиксации параметров (жесткость, геометрия) и выравнивание лазера. Точное значение амплитуды привода, следовательно, не имеет значения, но оно регулируется в каждом эксперименте с тем, чтобы обеспечить соответствующий (и количественному) амплитуды колебаний кантилевера. Когда ведомая кантилевера находится далеко от образца и не демпфирование его вибрации не происходит через зонд-образец взаимодействия, его амплитуда колебаний называется амплитудой свободные колебания. По мере того как вибрирующий кончик приближается к поверхности образца, его амплитуда начинает уменьшаться. Если обратная связь включена, то г-пьезо будет константныеantly подрегулировать его расширение так, чтобы киль выбранной амплитуды заданного значения, константа. Заданное значение, как правило, всегда меньше, чем свободной амплитуды. Распространено в виду отношение уставки, отношение амплитуды заданного значения (амплитуды изображения) над свободной амплитудой. Чем меньше отношение заданное значение, тем более жесткими условия формирования изображения.

<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.

Протокол, описанный в предыдущем разделе, была успешно применена с несколькими коммерческими АФМ для достижения или молекулярно-атомного уровня изображения. Все изображения были получены с рабочими амплитудами от 0,5 нм до 1,5 нм подбирается индивидуально в соответствии с процедурой шаги 7.1-7.4. Результаты могут быть получены в широком диапазоне мягкого (рисунок 2) и жесткой (рисунок 3) образцов. В каждом случае особенности интерес выдвинуты на первый план. Одним из главных преимуществ метода является то , что малые амплитуды колебаний и высоких заданных значений минимизировать усилие , оказываемое наконечником на образце, что позволяет хрупкими самостоятельно УЗЛАМИ липидов (рис 2А), белков (рис 2B и D), и амфифильные молекулы (фиг.2С) , чтобы быть отображены без ущерба в растворе. Труднее кристаллических материалов , таких как минералы (фиг.3А, B, D) иионы одного металла , адсорбированного на поверхности (рис 3в) можно визуализировать с использованием подхода , так как в каждом случае, это межфазное жидкость, которая эффективно визуализируют с помощью протокола , описанного. Сольватации силы сопоставимы на образцах , показанных на фиг.2 и 3: все образцы являются гидрофильными ( в более общем плане , &quot;solvophilic&quot; в случае рисунках 2в, 3В, 3D) относительно решения визуализации. Последовательно, кантилеверов с сопоставимой жесткости - использовали (0,2 0,8 Н / м) во всех случаях. Оба образца, так и кончик должен быть solvophilic, чтобы гарантировать, что жидкость молекулы образуют хорошо определенную структуру сольватации, которые могут быть отображены. Это не всегда является достаточным условием, но в большинстве случаев и для относительно небольших молекул жидкости, жидкость повторно структуры себя в пути, который имитирует симметрию образца. Основным фактором высокого разрешения является локальное изменение сродства адсорбированных молекул растворителядля поверхностей (ангстремных масштабе, в случае фиг 2А, 3А, 3С). Методика поэтому лучше всего подходит для материалов, где структура растворителя изменяется в значительной степени по всей поверхности. <img alt="фигура 2" src="/files/ftp_upload/54924/54924fig2.jpg" /> Рисунок 2: Мягкие интерфейсы изображаемой с помощью AM-AFM в водных растворах. A: дипалмитоил-фосфатидилхолин (ДПФХ) липидный бислой в гелевой фазе отображается в в 150 мМ KCl. В шестиугольной упакованы липидные различимы полярных головных групп как в топографии и фазы, наряду с локальным контрастом с указанием конкретных участков изменения в гидратации. Б: Пурпурные мембраны Halobacterium Салинарум изображаемого в 150 мМ KCl, 10 мМ Трис, рН 7,4. Несколько бактериородопсина белка тримеры выдвинуты на первый план. Фаза демонстрирует контрастность, отличную от топографии из-за локальных гидратных участков на белках. Индивидуальные тримеров белка<html> могут быть сделаны из (пунктирные линии). С: амфифильные краситель (Z907) молекулы , адсорбированные на поверхности наночастиц TiO 2 в сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Снимок был получен в этиловом-изопропил сульфона. Губчатую внешний вид создается адсорбированными молекулами красителя. D: аквапорин кристалл в родных бычьих мембран линз отображенных в том же буфере B. An аквапорин тетрамере подсвечивается. Суб-структура, соответствующая между спиральными петли видны в топографии в то время как фаза показывает разительно отличается контраст из-за необычного поведения воды вблизи белка. Изображения выполнены из работ 36 (B), исх 38 (С) и ссылка 67 (D). Шкалы составляет 5 нм (А), 10 нм (В), 3 нм (C) и 15 нм (D) Цветовая шкала показывает соответственно высоту и фазы вариации 200 мкм и 15 ° (A), 600 м и 4 ° (В), 2,5 нм и 2,5 ° (С), и 1,6 нм и 9,5 ° (D).нагрузка / 54924 / 54924fig2large.jpg &quot;целевых =&quot; _blank &quot;&gt; Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. <img alt="Рисунок 3" src="/files/ftp_upload/54924/54924fig3.jpg" /> Рисунок 3: Представитель AM-АСМ изображения твердых образцов в жидких растворах. A: кальцита кристалл [ <img alt="Equation2" src="/files/ftp_upload/54924/54924equation2.jpg" /> ] Поверхность отображается в равновесном растворе сверхчистой воды. Б: титанат стронция , полученный в изображается диметилсульфоксид (ДМСО). Высокое разрешение было невозможно в воде. C: мусковита отображается в 3 мМ RbCl - одиночных ионов Rb + адсорбированные видны на узлах решетки слюды в обеих фаз и высоты сканирования. D: карбид кремния в ДМСО отображается в. Ожидаемые кристаллографические механизмы представлены в образах B и D. Изображения выполнены из работы 68 (A), реф 42 (B и D),и исх 44 (С). Шкалы составляет 3 нм (А, В, D) и 5 ​​нм (С). Шкала цвета указывает на то, соответственно, высоту и фазовое изменение 250 мкм и 14 ° (а), 600 мкм и 5,5 ° (В), 800 часов и 15 &amp; deg; (С), и 500 ч и 3,5 &amp; deg; (D). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54924/54924fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54924/54924fig3large.jpg" target="_blank">нажмите здесь</a> , <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54924/54924fig3large.jpg" target="_blank">чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.</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

Мы представляем способ достижения разрешения изображения субнанометровым с (режим кратковременного нажатия) амплитудной модуляции атомно-силовой микроскопии в жидкости. Метод демонстрируется на коммерческих атомных силовых микроскопов. Поясним обоснование позади нашего выбора параметров и предложить стратегии для оптимизации разрешения.

Субнанометровым Resolution Imaging с амплитудной модуляцией атомно-силовой микроскопии в жидком

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

Выявление динамических процессов в жидкостях материалов с использованием жидкого сотовых просвечивающей электронной микроскопии

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

Высокое разрешение, высокая скорость, Трехмерная Видео Формирование изображений с цифровой Fringe методы проекции

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

Атомно-силовая микроскопия красных фонарей фоторецепторов Использование Mapping PeakForce Количественный Наномеханические недвижимости

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

Подготовка и трение силовой микроскопии Измерения НЕСМЕШИВАЮЩЕЙСЯ, противопоставляя полимерные щетки

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

Исследуя одну молекулу адгезии методом атомно-силовой микроскопии

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

Динамический Поры масштабе пластового состояние визуализации реакции в карбонатных коллекторах с использованием синхротронного Fast томографии

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

Изучение динамических процессов наноразмерных объектов в жидкости с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа

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

В Situ передачи электронной микроскопии с смещения и изготовление асимметричных перекладин на основе смешанных фаз -VOх

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

Наноразмерная характеристика интерфейсов жидкость-твердое вещество путем сопряжения криофокусированного ионного пучка фрезерования со сканирующей электронной микроскопией и спектроскопией

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

Светоиндуцированная электронная микроскопия in situ transmission для наблюдения взаимодействия жидкости и мягкой материи

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