Коллоидный зонд - Colloidal probe technique

Схема метода коллоидного зонда для прямых измерений силы в геометриях сфера-плоскость и сфера-сфера.

В коллоидный зонд обычно используется для измерения сил взаимодействия, действующих между коллоидные частицы и / или плоские поверхности в воздухе или в растворе. Этот метод основан на использовании атомно-силовой микроскоп (АСМ). Однако вместо консоль с острым наконечником АСМ используется коллоидный зонд. Коллоидный зонд состоит из коллоидной частицы диаметром несколько микрометров, прикрепленной к кантилеверу АСМ. Технику коллоидного зонда можно использовать в сфера-плоскость или же сфера-сфера геометрии (см. рисунок). Обычно достигается разрешение по силе от 1 до 100 пН и разрешение по расстоянию от 0,5 до 2. нм.

Метод коллоидного зонда был разработан в 1991 году независимо Дакером.[1] и стыковой.[2] С момента своего создания этот инструмент приобрел широкую популярность во многих исследовательских лабораториях, и в научной литературе имеются многочисленные обзоры.[3][4][5]

Альтернативные методы измерения силы между поверхностями включают аппарат поверхностных сил, микроскопия полного внутреннего отражения, и оптический пинцет методы с видео микроскопией.

Цель

Возможность измерять силы, действующие непосредственно на частицы и поверхности, очень важна, поскольку такие силы важны во множестве процессов с участием коллоидных и полимерных систем. Примеры включают агрегация частиц, реология суспензии, осаждение частиц, и адгезионные процессы. В равной степени можно изучать аналогичные биологические явления, такие как отложение бактерии или заражение клетки к вирусы. Силы одинаково наиболее информативны для исследования механических свойств интерфейсы, пузыри, капсулы, мембраны, или же клеточные стенки. Такие измерения позволяют сделать выводы об упругой или пластической деформации или возможном разрушении в таких системах.

Техника коллоидного зонда представляет собой универсальный инструмент для измерения таких сил между коллоидной частицей и плоской подложкой или между двумя коллоидными частицами (см. Рисунок выше). Частицы, используемые в таких экспериментах, обычно имеют диаметр от 1 до 10 мкм. Типичные приложения включают измерения электрических силы двойного слоя и соответствующие поверхностные потенциалы или поверхностный заряд, силы Ван дер Ваальса, или силы, вызванные адсорбированными полимерами.[3][5][6]

Принцип

В технике коллоидного зонда используется стандартный AFM для измерения силы. Но вместо кантилевера АСМ с прикрепленным острым наконечником используется коллоидный зонд. Этот коллоидный зонд обычно получают путем прикрепления коллоидной частицы к кантилеверу. Регистрируя отклонение кантилевера как функцию вертикального смещения сканера АСМ, можно извлечь силу, действующую между зондом и поверхностью, как функцию разделения поверхностей. Этот тип работы АСМ называется силовой режим. С помощью этого зонда можно изучать взаимодействия между различными поверхностями и частицами зонда в геометрия сфера-плоскость. Также можно изучить силы между коллоидными частицами, прикрепив другую частицу к подложке, и провести измерение в сфера-сферасм. рисунок выше.

Принцип измерения силы методом коллоидного зонда. Иллюстрация перемещения сканера D, прогиб кантилевера ξ, и рычажный сигнал S.

Силовой режим, используемый в технике коллоидного зонда, показан на рисунке слева. Сканер изготовлен из пьезоэлектрические кристаллы, что позволяет его позиционировать с точностью лучше 0,1 нм. Сканер поднимается к зонду и, таким образом, регистрируется перемещение сканера. D. При этом прогиб кантилевера ξ также контролируется, как правило, с сопоставимой точностью. Отклонение измеряется путем фокусировки светового луча, исходящего от некогерентного лазерного диода, на заднюю часть кантилевера и обнаружения отраженного луча с разделением фотодиод. Сигнал рычага S представляет собой разницу фототоков, исходящих от двух половин диода. Таким образом, сигнал рычага пропорционален отклонению ξ.

Во время цикла подвода-отвода регистрируется сигнал рычага. S как функция вертикального смещения D сканера. Предположим на время, что зонд и подложка являются твердыми и недеформируемыми объектами и что между ними не действуют силы, когда они не находятся в контакте. В такой ситуации говорят о жесткое отталкивание. Таким образом, кантилевер не будет деформироваться, пока не будет контактировать с подложкой. Когда кантилевер касается подложки, ее отклонение будет таким же, как и перемещение подложки. Этот ответ называется постоянное соответствие или контактный регион. Сигнал рычага S как функция перемещения сканера D показано на рисунке ниже. Этот график состоит из двух прямых линий, напоминающих клюшку. Когда поверхности не соприкасаются, сигнал рычага будет обозначен как S0. Это значение соответствует недеформированному рычагу. В области постоянной податливости сигнал рычага является просто линейной функцией смещения и может быть представлен как прямая линия

S = а D + б

Параметры а и б может быть получен методом наименьших квадратов области постоянной податливости. Обратный наклон а−1 также называется чувствительностью оптического рычага. Инвертируя это соотношение для сигнала рычага S0, что соответствует недеформированному рычагу, точку контакта можно точно получить из D0 = (S0 − б)/а. В зависимости от подложки точность определения точки контакта составляет 0,5–2 нм. В области постоянной податливости деформация рычага определяется выражением

ξ = (S − S0)/а

Таким образом можно обнаружить отклонения кантилевера с типичным разрешением лучше 0,1 нм.

Реакция коллоидного зонда на разные профили силы. Профили сил показаны в верхнем ряду, а реакция кантилевера - в нижнем. Слева направо: жесткое отталкивание, мягкое отталкивание и притяжение.

Рассмотрим теперь соответствующую ситуацию, когда зонд и подложка взаимодействуют. Обозначим через F(час) сила между зондом и подложкой. Эта сила зависит от отрыва поверхности час.В состоянии равновесия эта сила компенсируется возвращающей силой пружины, которая задается Закон Гука

F = k ξ

куда k - жесткость пружины кантилевера. Типичные значения жесткости пружины кантилеверов AFM находятся в диапазоне 0,1–10 Н / м. Поскольку отклонение отслеживается с точностью лучше 0,1 нм, обычно достигается разрешение по силе 1-100 пН. Расстояние разделения можно определить по смещению сканера и отклонению кантилевера.

час = ξ + D − D0

На рисунке ниже показано, как кантилевер реагирует на различные профили силы. В случае мягкой силы отталкивания кантилевер отталкивается от поверхности и лишь медленно приближается к области постоянной податливости. В таких ситуациях может быть действительно сложно правильно идентифицировать эту область. Когда сила притяжения, кантилевер притягивается к поверхности и может стать неустойчивым. Из соображений устойчивости можно сделать вывод, что консоль будет неустойчивой, если

dF/dh > k

Этот нестабильность показан на правой панели рисунка справа. По мере приближения кантилевера наклон кривой силы увеличивается. Когда наклон становится больше, чем жесткость пружины кантилевера, кантилевер входит в контакт, когда наклон кривой силы превышает постоянную силы кантилевера. При втягивании происходит то же самое, но точка выскакивания кантилевера достигается при меньшем расстоянии. При приближении и втягивании система покажет гистерезис. В таких ситуациях часть профиля силы не может быть исследована. Однако этой проблемы можно избежать, используя более жесткий кантилевер, хотя и за счет меньшего разрешения силы.

Расширения

Коллоидные зонды обычно изготавливаются путем приклеивания коллоидной частицы к кантилеверу без наконечника с микроманипулятор в воздухе. Последующее повторное смачивание зонда может привести к образованию пузырьков нанометрового размера на поверхности зонда. Этой проблемы можно избежать, прикрепив коллоидные частицы во влажных условиях в ячейке для жидкости АСМ, чтобы соответствующим образом функционализированный консольные.[5] Хотя метод коллоидного зонда в основном используется в геометрии сфера-плоскость, его также можно использовать в геометрии сфера-сфера.[6] Последняя геометрия дополнительно требует бокового центрирования двух частиц, которое может быть достигнуто либо с помощью оптического микроскопа, либо с помощью сканирования АСМ. Результаты, полученные в этих двух разных геометриях, могут быть связаны с Приближение Дерягина.

Измерения силы основываются на точном значении жесткости пружины кантилевера. Эту жесткость пружины можно измерить разными методами.[3][4] В тепловой шум Метод является наиболее простым в использовании, так как он реализован на большинстве АСМ. Этот подход основан на определении среднеквадратичной амплитуды смещения кантилевера из-за спонтанного тепловые колебания. Эта величина связана с жесткостью пружины с помощью теорема о равнораспределении. в метод добавленной массы к кантилеверу прикрепляется серия металлических бусинок, и в каждом случае определяется резонансная частота. Используя соотношение для гармонический осциллятор Между резонансной частотой и добавленной массой можно также оценить жесткость пружины. В метод силы трения основан на измерении кривых приближения и отвода кантилевера в вязкой жидкости. Поскольку гидродинамический тащить Если сфера, близкая к плоской подложке, известна теоретически, жесткость пружины кантилевера может быть вычислена. В геометрический метод использует взаимосвязь между геометрией кантилевера и его упругими свойствами.

Разделение обычно измеряется от начала области постоянной податливости. В то время как относительное разделение поверхностей может быть определено с разрешением 0,1 нм или лучше, абсолютное разделение поверхностей получается с начала области постоянной податливости. Хотя это начало может быть определено для твердых образцов с точностью 0,5–2 нм, его местоположение может быть проблематичным для мягких отталкивающих взаимодействий и для деформируемых поверхностей. По этой причине были разработаны методы для независимого измерения поверхностного разделения (например, микроскопия полного внутреннего отражения, отражательная интерференционная контрастная микроскопия ).[7]

Сканирование образца с помощью коллоидного зонда в боковом направлении позволяет использовать трение силы между зондом и подложкой.[4] Поскольку этот метод использует кручение кантилевера, чтобы получить количественные данные, необходимо определить жесткость пружины кручения кантилевера.

Связанный метод, включающий аналогичный тип измерения силы с AFM, - это спектроскопия одиночных молекулярных сил. Однако в этом методе используется обычный наконечник АСМ, к которому прикреплена единственная молекула полимера. Из ретракционной части кривой силы можно получить информацию о растяжении полимера или его отслаивании от поверхности.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дакер, Уильям А .; Зенден, Тим Дж .; Пэшли, Ричард М. (1991). «Прямое измерение коллоидных сил с помощью атомно-силового микроскопа». Природа. 353 (6341): 239–241. Bibcode:1991Натура.353..239D. Дои:10.1038 / 353239a0. ISSN  0028-0836..
  2. ^ Батт, Ханс-Юрген (1991). «Измерение электростатических сил, сил Ван-дер-Ваальса и сил гидратации в растворах электролитов с помощью атомно-силового микроскопа». Биофизический журнал. 60 (6): 1438–1444. Bibcode:1991BpJ .... 60.1438B. Дои:10.1016 / S0006-3495 (91) 82180-4. ISSN  0006-3495. ЧВК  1260203. PMID  19431815.
  3. ^ а б c Батт, Ханс-Юрген; Капелла, Брунеро; Каппл, Майкл (2005). «Силовые измерения с помощью атомно-силового микроскопа: методика, интерпретация и приложения». Отчеты по науке о поверхности. 59 (1–6): 1–152. Bibcode:2005СурСР..59 .... 1Б. Дои:10.1016 / j.surfrep.2005.08.003. ISSN  0167-5729.
  4. ^ а б c Ральстон, Джон; Ларсон, Ян; Ратленд, Марк В .; Feiler, Adam A .; Клейн, Мике (2005). «Атомно-силовая микроскопия и прямые измерения поверхностных сил (Технический отчет IUPAC)». Чистая и прикладная химия. 77 (12): 2149–2170. Дои:10.1351 / pac200577122149. ISSN  1365-3075.
  5. ^ а б c Борковец, Михал; Силагьи, Иштван; Попа, Ионел; Финесси, Марко; Синха, Прашант; Марони, Плинио; Папаставру, Георг (2012). «Исследование сил между заряженными частицами в присутствии противоположно заряженных полиэлектролитов с помощью техники многочастичного коллоидного зонда». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки. 179-182: 85–98. Дои:10.1016 / j.cis.2012.06.005. ISSN  0001-8686.
  6. ^ а б Я. Ларсон, Ян; Drummond, Calum J .; Чан, Дерек Ю.С.; Гризер, Франц (1995). «Прямые измерения силы между разнородными оксидами металлов». Журнал физической химии. 99 (7): 2114–2118. Дои:10.1021 / j100007a048. ISSN  0022-3654.; Тойкка, Гэри; Hayes, Роберт А .; Ральстон, Джон (1996). «Поверхностные силы между сферическими частицами ZnS в водном электролите». Langmuir. 12 (16): 3783–3788. Дои:10.1021 / la951534u. ISSN  0743-7463..
  7. ^ Кларк, Спенсер С.; Walz, John Y .; Дакер, Уильям А. (2004). "Измерения коллоидного зонда с помощью атомно-силовой микроскопии с явным измерением разделения твердых частиц и частиц". Langmuir. 20 (18): 7616–7622. Дои:10.1021 / la0497752. ISSN  0743-7463. PMID  15323510.