Technika sondy koloidalnej
Technika sondy koloidalnej jest powszechnie stosowana do pomiaru sił oddziaływania działających między cząstkami koloidalnymi i/lub płaskimi powierzchniami w powietrzu lub w roztworze. Technika ta opiera się na wykorzystaniu mikroskopu sił atomowych (AFM). Jednak zamiast wspornika z ostrą końcówką AFM stosuje się sondę koloidalną . Sonda koloidalna składa się z koloidalnej cząstki o średnicy kilku mikrometrów, która jest przymocowana do wspornika AFM. Technika sondy koloidalnej może być stosowana w sfera-płaszczyzna lub kula-sfera ( patrz rysunek ). Zwykle uzyskuje się rozdzielczość siły między 1 a 100 pN i rozdzielczość odległości między 0,5 a 2 nm .
Technika sondy koloidalnej została opracowana w 1991 roku niezależnie przez Duckera i Butta. Od momentu powstania narzędzie to zyskało dużą popularność w wielu laboratoriach badawczych, aw literaturze naukowej dostępnych jest wiele recenzji.
Alternatywne techniki pomiaru siły między powierzchniami obejmują aparat sił powierzchniowych , mikroskopię całkowitego wewnętrznego odbicia i techniki pęsety optycznej z mikroskopią wideo.
Zamiar
Możliwość bezpośredniego pomiaru sił obejmujących cząstki i powierzchnie jest niezbędna, ponieważ siły te są istotne w różnych procesach obejmujących układy koloidalne i polimerowe. Przykłady obejmują agregację cząstek , reologię zawiesiny, osadzanie cząstek i procesy adhezji. Równie dobrze można badać podobne zjawiska biologiczne, takie jak osadzanie się bakterii czy infekcja komórek przez wirusy . Siły są równie najbardziej pouczające w badaniu właściwości mechanicznych interfejsów , pęcherzyków , kapsułek, membran lub ścian komórkowych . Pomiary takie pozwalają wnioskować o odkształceniu sprężystym lub plastycznym lub ewentualnym pęknięciu w takich układach.
Technika sondy koloidalnej zapewnia wszechstronne narzędzie do pomiaru takich sił między cząstką koloidalną a płaskim podłożem lub między dwiema cząstkami koloidalnymi (patrz rysunek powyżej). Cząstki używane w takich eksperymentach mają zwykle średnicę między 1–10 μm. Typowe zastosowania obejmują pomiary elektrycznych sił dwuwarstwowych i odpowiadających im potencjałów powierzchniowych lub ładunków powierzchniowych , sił van der Waalsa lub sił indukowanych przez zaadsorbowane polimery.
Zasada
Technika sondy koloidalnej wykorzystuje standardowy AFM do pomiarów siły. Ale zamiast wspornika AFM z dołączoną ostrą końcówką stosuje się sondę koloidalną . Tę sondę koloidalną zwykle uzyskuje się przez przymocowanie cząstki koloidalnej do wspornika. Rejestrując ugięcie wspornika w funkcji pionowego przemieszczenia skanera AFM, można wyodrębnić siłę działającą między sondą a powierzchnią w funkcji separacji powierzchni. Ten typ operacji AFM jest określany jako tryb wymuszony . Za pomocą tej sondy można badać interakcje między różnymi powierzchniami i cząstkami sondy w geometrii kuli-płaszczyzny . Możliwe jest również badanie sił między cząstkami koloidalnymi poprzez przyczepienie kolejnej cząstki do podłoża i wykonanie pomiaru w geometrii kula-sfera , patrz rysunek powyżej.
Tryb siły stosowany w technice sondy koloidalnej jest przedstawiony na rysunku po lewej stronie. Skaner jest wykonany z kryształów piezoelektrycznych , które umożliwiają jego pozycjonowanie z dokładnością lepszą niż 0,1 nm. Skaner jest podnoszony w kierunku sondy iw ten sposób rejestruje się przemieszczenie skanera D . Jednocześnie monitorowane jest również odchylenie wspornika ξ , zwykle z porównywalną precyzją. Jeden mierzy ugięcie, skupiając wiązkę światła pochodzącą z niespójnej diody laserowej z tyłu wspornika i wykrywając odbitą wiązkę za pomocą podzielonej fotodiody . Sygnał dźwigni S reprezentuje różnicę fotoprądów pochodzących z dwóch połówek diody. Sygnał dźwigni jest zatem proporcjonalny do odchylenia ξ .
0 Podczas cyklu podejścia-wycofania rejestruje się sygnał dźwigni S jako funkcję pionowego przemieszczenia D skanera. Załóżmy na chwilę, że sonda i podłoże są twardymi i nieodkształcalnymi obiektami i że nie działają między nimi żadne siły, gdy nie stykają się. W takiej sytuacji mówi się o twardym odpychaniu . Wspornik nie odkształci się zatem tak długo, jak długo nie będzie stykał się z podłożem. Gdy wspornik dotknie podłoża, jego ugięcie będzie takie samo jak przemieszczenie podłoża. Ta odpowiedź jest określana jako stała zgodność lub region kontaktu. Sygnał dźwigni S w funkcji przesunięcia skanera D pokazano na poniższym rysunku. Ten wykres składa się z dwóch linii prostych przypominających kij hokejowy. Gdy powierzchnie nie stykają się, sygnał dźwigni będzie oznaczony jako S . Ta wartość odpowiada nieodkształconej dźwigni. W obszarze stałej podatności sygnał dźwigni jest po prostu funkcją liniową przemieszczenia i można go przedstawić jako linię prostą
- S = za re + b
000 Parametry aib można uzyskać z dopasowania metodą najmniejszych kwadratów regionu stałej podatności. Odwrotne nachylenie a -1 jest również określane jako czułość dźwigni optycznej. Odwracając tę zależność dla sygnału dźwigni S , który odpowiada nieodkształconej dźwigni, można dokładnie otrzymać punkt styku z D = ( S − b )/ a . W zależności od podłoża precyzja określenia tego punktu styku wynosi od 0,5 do 2 nm. W obszarze stałej podatności odkształcenie dźwigni jest określone wzorem
- 0 ξ = ( S - S )/ za
W ten sposób można wykryć ugięcia wspornika z typową rozdzielczością lepszą niż 0,1 nm.
Rozważmy teraz odpowiednią sytuację, w której sonda i podłoże oddziałują na siebie. Oznaczmy przez F ( h ) siłę działającą między sondą a podłożem. Siła ta zależy od separacji powierzchniowej h . W stanie równowagi siła ta jest kompensowana przez siłę przywracającą sprężyny, którą określa prawo Hooke'a
- fa = k ξ
gdzie k jest stałą sprężystości wspornika. Typowe stałe sprężystości wsporników AFM mieszczą się w zakresie 0,1−10 N/m. Ponieważ ugięcie jest monitorowane z dokładnością lepszą niż 0,1 nm, zwykle uzyskuje się rozdzielczość siły 1-100 pN. Odległość separacji można uzyskać na podstawie przemieszczenia skanera i odchylenia wspornika
- h = ξ + re - re 0
Poniższy rysunek ilustruje reakcję wspornika na różne profile sił. W przypadku miękkiej siły odpychającej wspornik jest odpychany od powierzchni i tylko powoli zbliża się do obszaru stałej podatności. W takich sytuacjach prawidłowa identyfikacja tego regionu może być trudna. Kiedy siła jest przyciągająca, wspornik jest przyciągany do powierzchni i może stać się niestabilny. Ze względów stabilności wynika, że pod warunkiem, że wspornik będzie niestabilny
- dF / dh > k
Ta niestabilność jest zilustrowana na prawym panelu rysunku po prawej stronie. W miarę zbliżania się wspornika nachylenie krzywej siły wzrasta. Kiedy nachylenie staje się większe niż stała sprężystości wspornika, wspornik wskakuje w kontakt, gdy nachylenie krzywej siły przekracza stałą siły wspornika. Po wycofaniu zachodzi to samo zjawisko, ale punkt, w którym wspornik wyskakuje, jest osiągany przy mniejszej odległości. Podczas zbliżania i wycofywania system pokaże histerezę . W takich sytuacjach nie można sondować części profilu siły. Jednak tego problemu można uniknąć, stosując sztywniejszy wspornik, aczkolwiek kosztem gorszej rozdzielczości siły.
Rozszerzenia
Sondy koloidalne są zwykle wytwarzane przez przyklejenie cząstki koloidalnej do wspornika bez końcówki za pomocą mikromanipulatora w powietrzu. Późniejsze ponowne zwilżenie sondy może prowadzić do tworzenia się nanowymiarowych pęcherzyków na powierzchni sondy. Problemu tego można uniknąć, mocując cząstki koloidalne w mokrych warunkach w komorze płynowej AFM do odpowiednio funkcjonalizowanych wsporników. Chociaż technika sondy koloidalnej jest najczęściej wykorzystywana w geometrii sfera-płaszczyzna, może być również stosowana w geometrii sfera-sfera. Ta ostatnia geometria wymaga ponadto bocznego centrowania dwóch cząstek, co można osiągnąć za pomocą mikroskopu optycznego lub skanu AFM. Wyniki uzyskane w tych dwóch różnych geometriach można odnieść do przybliżenia Derjaguina .
Pomiary siły opierają się na dokładnej wartości stałej sprężystości wspornika. Ta stała sprężystości może być mierzona różnymi technikami. Metoda szumu termicznego jest najprostsza w użyciu, ponieważ jest stosowana w większości AFM. Podejście to polega na wyznaczeniu średniej kwadratowej amplitudy przemieszczenia wspornika w wyniku spontanicznych fluktuacji termicznych . Wielkość ta jest powiązana ze stałą sprężyny za pomocą twierdzenia o ekwipartycji . W metodzie masy dodanej do wspornika mocuje się serię metalowych kulek iw każdym przypadku określa się częstotliwość rezonansową. Wykorzystując zależność dla oscylatora harmonicznego między częstotliwością rezonansową a dodaną masą, można również oszacować stałą sprężystości. Metoda siły tarcia polega na pomiarze krzywych zbliżania i wycofywania wspornika przez lepki płyn. Ponieważ opór hydrodynamiczny kuli w pobliżu płaskiego podłoża jest znany teoretycznie, można wywnioskować stałą sprężystości wspornika. Metoda geometryczna wykorzystuje zależności między geometrią wspornika a jego właściwościami sprężystymi.
Oddzielenie jest zwykle mierzone od początku obszaru stałej podatności. Podczas gdy względną separację powierzchni można określić z rozdzielczością 0,1 nm lub lepszą, absolutną separację powierzchni uzyskuje się od początku obszaru stałej podatności. Chociaż ten początek można określić dla próbek stałych z dokładnością między 0,5–2 nm, lokalizacja tego początku może być problematyczna w przypadku miękkich oddziaływań odpychających i odkształcalnych powierzchni. Z tego powodu opracowano techniki niezależnego pomiaru separacji powierzchni (np. mikroskopia całkowitego wewnętrznego odbicia , mikroskopia kontrastowa z interferencją odbicia ).
Skanowanie próbki sondą koloidalną z boku pozwala na wykorzystanie sił tarcia między sondą a podłożem. Ponieważ technika ta wykorzystuje skręcanie wspornika, w celu uzyskania danych ilościowych należy określić stałą sprężystości skrętnej wspornika.
Pokrewną techniką obejmującą pomiary sił podobnego typu jak AFM jest spektroskopia sił pojedynczych cząsteczek . Jednak ta technika wykorzystuje zwykłą końcówkę AFM, do której przymocowana jest pojedyncza cząsteczka polimeru. Z części retrakcyjnej krzywej siły można uzyskać informację o rozciąganiu polimeru lub jego odrywaniu od powierzchni.