Atomik Kuvvet Mikroskobu Konsol Tabanlı Nanogirinti: Hava ve Sıvıda Nanoölçekte Mekanik Özellik Ölçümleri

Atomik kuvvet mikroskobu veya AFM konsol bazlı nanogirinti, hem hava hem de sıvıdaki kilopaskallardan gigapaskallara kadar değişen modüllere kadar değişen malzemelerin nano ölçekli mekanik özelliklerini belirlemek için kullanılabilir. AFM konsol tabanlı nanogirinti, çok çeşitli malzemeler ve ilgili ortamlar üzerinde nano ölçekli hassasiyet ve çözünürlük ile birlikte lokalize topografik görüntüleme ve yerinde kantitatif mekanik özellik ölçümleri sağlar. AFM konsol bazlı nanogirinti, farklı mekanik özellikler sergileyen sağlıklı ve hastalık yapıları, dokuları veya hücreleri arasında ayrım yapmak için kullanılabilir.

Konsol bazlı nanogirinti sırasında uygulanan uç numune temas alanını ve kuvvetini doğru bir şekilde belirlemek, kantitatif nano ölçekli mekanik özellik ölçümleri için zorlu ancak gerekli olan AFM probunun dikkatli bir şekilde kalibrasyonunu gerektirir. Başlamak için, ortama, beklenen modüle, numune topografyasına ve ilgili özellik boyutlarına bağlı olarak amaçlanan numunenin nanogirintisi için uygun bir atomik kuvvet mikroskobu veya AFM probu seçin. Probu prob tutucuya takın ve prob tutucuyu AFM tarama kafasına takın.

AFM yazılımında, bireysel rampaların kullanıcı kontrolünü sağlayan uygun bir nanogirinti modu seçin. Lazeri, prob ucunun bulunduğu yerin karşısındaki prob konsolunun arkasına ve konuma duyarlı dedektöre veya PSD'ye hizalayın. Toplam voltajı en üst düzeye çıkararak lazer ışını noktasını konsol arkasında ortalayın.

Daha sonra, dikey ve yatay sapma sinyallerini mümkün olduğunca sıfıra yakın olacak şekilde ayarlayarak yansıyan lazer ışını noktasını PSD üzerinde ortalayın, böylece konsol sapmasıyla orantılı bir çıkış voltajı üretmek için maksimum algılanabilir sapma aralığı sağlayın. Prob AFM sisteminin sapma hassasiyetini veya DS'sini kalibre edin. Bunu yapmak için, planlanan numune girintileriyle yaklaşık olarak aynı prob sapmasını elde etmek için Safir üzerinde DS kalibrasyon girintileri ayarlayın ve gerçekleştirin, çünkü ölçülen yer değiştirme, uç sapma açısının bir fonksiyonudur ve büyük sapmalar için doğrusal olmayan hale gelir.

Rampayı beş kez tekrarlayın. DS'yi volt başına nanometre cinsinden veya ters optik kol hassasiyetini ve nanometre başına voltları, sonuçta ortaya çıkan kuvvet yer değiştirmesindeki veya FD eğrisindeki ilk temas noktasından sonra temas içi rejimin doğrusal kısmının eğiminden belirleyin. Maksimum doğruluk için değerlerin ortalamasını kullanın.

Göreceli standart sapma% 1'i aşarsa, DS'yi yeniden ölçün, çünkü bazen ilk birkaç FD eğrisi, yapışkan kuvvetlerin ilk girişinden dolayı ideal değildir. Prob konsolunun yay sabiti K fabrikada kalibre edilmemişse, yay sabitini kalibre edin. Probun fabrikada kalibre edilmiş bir uç yarıçapı ölçümü yoksa, etkili uç yarıçapını ölçün R.Kör uç rekonstrüksiyon yöntemini kullanıyorsanız, çok keskin özelliklerin izlenmesini optimize etmeye yardımcı olmak için yavaş bir tarama hızı ve yüksek geri bildirim kazanımları kullanarak uç karakterizasyonunu veya pürüzlülük örneğini görüntüleyin.

Beklenen uç yarıçapına göre bir görüntü boyutu ve piksel yoğunluğu seçin. Ardından, prob ucunu modellemek ve beklenen numune girinti derinliğinde uç yarıçapını ve etkili uç çapını tahmin etmek için AFM görüntü analiz yazılımını kullanın. Prob kalibrasyonunu tamamladıktan sonra, yazılıma DS, K ve R değerlerini girin.

Son olarak, ölçülen indirgenmiş modülü gerçek numune modülüne dönüştürmek için numunenin Poisson oranının bir tahminini girin. Uç şekline ve girinti derinliğine dayalı bir konik veya konosferik temas mekaniği modeli kullanılıyorsa, uç yarım açısının girilmesi gerekir. AFM başlığının altındaki örnekte gezinin ve istediğiniz ilgi alanına girin.

Dikey sapma sinyalini izleyin veya uç ile numunenin temas halinde olduğunu doğrulamak için küçük bir başlangıç rampası gerçekleştirin. AFM kafa pozisyonunu hafifçe yukarı doğru ayarlayın ve tekrar rampa yapın. Neredeyse düz bir rampa ve konsol için minimum dikey sapma ile kanıtlandığı gibi, uç ve numune temas halinde olana kadar tekrarlayın.

Belirgin bir uç numunesi etkileşimi olmadığında, AFM kafasını manuel olarak hareket ettirirken prob ucunun numuneye çarpmamasını sağlamak için AFM kafasını rampa boyutunun yaklaşık% 50'sine karşılık gelen bir miktarda indirin. Tekrar rampa, iyi bir eğri gözlenene kadar tekrarlayın. Rampa parametrelerini ayarlayın.

Numuneye ve istenen girinti derinliğine bağlı olarak uygun bir rampa boyutu seçin. Ardından, uygun bir rampa hızı seçin. Bir hertz çoğu örnek için iyi bir başlangıç noktasıdır.

Ölçümün istenen çözünürlüğünü elde etmek için rampa başına numune sayısını ayarlayın. Z yönünde girinti yaparken probu aynı anda X yönünde hafifçe hareket ettirerek numune ve uç üzerindeki kesme kuvvetlerini azaltmak için X Döndürme ayarını yapın. X Döndürme için, prob tutucunun normal yüzeye göre ofset açısına eşit bir değer kullanın.

Ardından, tetiklenmiş veya tetiklenmemiş bir rampa kullanıp kullanmayacağınızı seçin. Tetiklenen bir rampa seçilirse, tetikleme eşiğini numunede istenen girintiyle sonuçlanacak şekilde ayarlayın. Seçilen konumda bir girinti gerçekleştirin.

Yazılımda analiz edilecek verileri seçin ve yükleyin. Yay sabiti, DS veya ters optik kol hassasiyeti ve prob ucu yarıçapı için kalibre edilmiş değerlerin yanı sıra numunenin Poisson oranı için bir tahmin girin. Uç ve numune için uygun bir nanogirinti temas mekaniği modeli seçin.

Uydurma algoritmasını çalıştırın. FD eğrilerinin doğru şekilde takılıp takılmadığını kontrol edin. Ortalama bir R-karesine yakın birliğe karşılık gelen düşük bir artık hata, seçilen modele iyi bir uyum olduğunu gösterir.

İstenirse, eğriyi, model uyumunu ve hesaplanan temas noktalarını görsel olarak incelemek için tek tek eğrileri kontrol edin. Reçineye gömülü bir loblolly çam örneğinde havada ve mezenkimal kök hücre çekirdeğinde fosfat tamponlu salin çözeltisinde elde edilen ideale yakın FD eğrileri gösterilmiştir. Silikon prob ile uç, görüntüleme boyunca başlangıçtaki bozulmamış durumuna göre önemli bir aşınma yaşadı.

Sonraki her görüntüde, uç giderek daha yuvarlak hale gelir. Elmas probun aksine, uç yarıçapı kör uç rekonstrüksiyon yönteminin sınırları içinde değişmedi ve elmasın aşırı aşınma direncini vurguladı. Sahte bir 3D tasviri ve bir loblolly çam örneğinin karşılık gelen bir modül haritası ile birden fazla hücreyi kapsayan bir AFM topografya görüntüsü burada gösterilmektedir.

Bir AFM görüntüsü elde edilirken oluşturulan AFM türevi modül haritası, görüntülerin merkezine mineral dahil edilmesinin çevredeki organik matristen önemli ölçüde daha zor olduğunu göstermektedir. Prob ucu yarıçapının ve şeklinin, bir Bakken şeyl numunesinin yüksek en boy oranı özelliklerinin görünümü üzerindeki etkisi gösterilmiştir. Mezenkimal kök hücreler ve izole çekirdekler üzerindeki konsol bazlı nanogirinti, elastik modülde istatistiksel bir fark göstermedi.

AFM tarafından incelenen kolesterol içeren lipid çift katmanlarının morfolojisi ve mekanik özellikleri burada gösterilmiştir. Temas mekaniği modellerinde uygun prob kalibrasyonu ve uygun rampa parametrelerinin seçimi, doğru nanomekanik ölçümler için esastır. Elastik modüler ölçümlere olanak sağlamanın yanı sıra, AFM konsol bazlı nanogirinti, fizyolojik ilgili koşullar altında fosfolipid çift katmanlarının kopma mukavemetini veya atılım kuvvetini araştırmak için kullanılabilir.

AFM konsol bazlı nanogirinti, mezenkimal kök hücre çekirdeklerinin mekanik özellikleri üzerinde egzersizi simüle etmek için yapısal nakavtların, farmasötik tedavilerin ve düşük yoğunluklu titreşimlerin etkilerinin araştırılmasını sağlamıştır.