Коллоидный метод зонда обычно используется для измерения силы взаимодействия , действующей между коллоидными частицами и / или плоскими поверхностями в воздухе или в растворе. Этот метод основан на использовании атомно-силового микроскопа (АСМ). Однако вместо кантилевера с острым концом АСМ используется коллоидный зонд . Коллоидный зонд состоит из коллоидной частицы диаметром несколько микрометров, прикрепленной к кантилеверу АСМ. Технику коллоидного зонда можно использовать в геометриях сфера-плоскость или сфера-сфера ( см. Рисунок). Обычно достигается разрешение по силе от 1 до 100 пН и разрешение по расстоянию от 0,5 до 2 нм .
Техника коллоидного зонда была разработана в 1991 независимо Дакером [1] и Баттом. [2] С момента своего создания этот инструмент приобрел широкую популярность в многочисленных исследовательских лабораториях, и многочисленные обзоры доступны в научной литературе. [3] [4] [5]
Альтернативные методы измерения силы между поверхностями включают в себя прибор для измерения поверхностных сил , микроскопию полного внутреннего отражения и методы оптического пинцета с видеомикроскопией.
Цель
Возможность измерять силы, действующие непосредственно на частицы и поверхности, очень важна, поскольку такие силы актуальны во множестве процессов с участием коллоидных и полимерных систем. Примеры включают агрегацию частиц , реологию суспензии, осаждение частиц и процессы адгезии. Можно в равной степени изучать подобные биологические явления, такие как осаждение бактерий или заражение клеток с помощью вирусов . Силы также наиболее информативны для исследования механических свойств поверхностей раздела , пузырьков , капсул, мембран или клеточных стенок . 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 применения включают измерения сил двойного электрического слоя и соответствующих поверхностных потенциалов или поверхностного заряда , сил Ван-дер-Ваальса или сил, индуцированных адсорбированными полимерами. [3] [5] [6]
Принцип
В технике коллоидного зонда для измерения силы используется стандартный АСМ . 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 определить силу, действующую между зондом и поверхностью, как функцию разделения поверхностей. Этот тип работы АСМ называется силовым режимом . С помощью этого зонда можно изучать взаимодействия между различными поверхностями и частицами зонда в геометрии сферической плоскости . Также возможно изучить силы между коллоидными частицами, прикрепив другую частицу к подложке, и выполнить измерение в геометрии сфера-сфера , см. Рисунок выше.
Силовой режим, используемый в технике коллоидного зонда, показан на рисунке слева. Сканер изготовлен из пьезоэлектрических кристаллов , что позволяет его позиционировать с точностью лучше 0,1 нм. Сканер поднимается к зонду и, таким образом, регистрируется смещение D сканера . В то же время, отклонение кантилевера ξ также отслеживается, 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 помощью разделенного фотодиода . 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 никакие силы, когда они не находятся в контакте. В такой ситуации говорят о жестком отталкивании . 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 постоянным соответствием или областью контакта. Сигнал рычага S как функция перемещения сканера D показан на рисунке ниже. Этот график состоит из двух прямых линий, напоминающих клюшку. Когда поверхности не соприкасаются, сигнал рычага будет обозначен как S 0 . Это значение соответствует недеформированному рычагу. В области постоянной податливости сигнал рычага является просто линейной функцией смещения и может быть представлен как прямая линия.
- S = a D + b
Параметры a и b могут быть получены методом наименьших квадратов области постоянной податливости. Обратный наклон a -1 также называют чувствительностью оптического рычага. Инвертируя это соотношение для сигнала S 0 рычага , который соответствует недеформированному рычагу, можно точно получить точку контакта из D 0 = ( S 0 - b ) / a . В зависимости от подложки точность определения точки контакта составляет 0,5–2 нм. В области постоянной податливости деформация рычага определяется выражением
- ξ = ( S - S 0 ) / а
Таким образом можно обнаруживать отклонения кантилевера с типичным разрешением лучше 0,1 нм.
Рассмотрим теперь соответствующую ситуацию, когда зонд и подложка взаимодействуют. Обозначим через F ( h ) силу между зондом и подложкой. Эта сила зависит от поверхностного отрыва h . В состоянии равновесия эта сила компенсируется возвращающей силой пружины, которая задается законом Гука.
- F = k ξ
где k - жесткость кантилевера. Типичные жесткости пружины кантилеверов AFM находятся в диапазоне 0,1–10 Н / м. Поскольку отклонение контролируется с точностью лучше 0,1 нм, обычно достигается разрешение по силе 1-100 пН. Расстояние разделения можно определить по смещению сканера и отклонению кантилевера.
- h = ξ + D - D 0
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 нестабильным. Из соображений устойчивости можно сделать вывод, что консоль будет неустойчивой, если
- dF / dh > k
Эта нестабильность проиллюстрирована 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 изготавливают путем приклеивания коллоидной частицы к кантилеверу без наконечника с помощью микроманипулятора на 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 к соответствующим образом функционализированным кантилеверам. [5] Хотя техника коллоидного зонда в основном используется в геометрии сфера-плоскость, ее 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 АСМ сканирования. Результаты, полученные в этих двух различных геометриях, могут быть связаны с приближением Дерягина .
Измерения силы основываются на точном значении жесткости пружины кантилевера. Эту жесткость пружины можно измерить разными методами. [3] [4] Метод теплового шума является наиболее простым в использовании, поскольку он реализован на большинстве AFM. Этот подход основан на определении среднеквадратичной амплитуды смещения кантилевера из-за спонтанных тепловых флуктуаций . Эта величина связана с жесткостью пружины с помощью теоремы о равнораспределении . В методе с добавленной массой к кантилеверу прикрепляют серию металлических бусинок и в каждом случае определяют резонансную частоту. Используя соотношение для гармонического осциллятора между резонансной частотой и добавленной массой, можно также оценить жесткость пружины. Метод силы трения основан на измерении кривых сближения и отвода кантилевера в вязкой жидкости. Поскольку гидродинамическое сопротивление сферы, близкой к плоской подложке, теоретически известно, жесткость пружины кантилевера может быть вычислена. Геометрический метод использует отношения 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 от начала области постоянной податливости. Хотя это начало может быть определено для твердых образцов с точностью 0,5–2 нм, его расположение может быть проблематичным для мягких отталкивающих взаимодействий и для деформируемых поверхностей. По этой причине были разработаны методы для измерения разделения поверхности независимо друг от друга (например, полное внутреннее отражение микроскопии , отражение помех контрастной микроскопии ). [7]
Сканирование образца коллоидным зондом в боковом направлении позволяет использовать силы трения между зондом и подложкой. [4] Поскольку в этом методе используется скручивание кантилевера, для получения количественных данных необходимо определить жесткость пружины кручения кантилевера.
Родственный метод, включающий аналогичный тип измерения силы с АСМ, - 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
- Поверхностные силы
Рекомендации
- ^ 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 : 1991Natur.353..239D . DOI : 10.1038 / 353239a0 . ISSN 0028-0836 ..
- ^ 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 . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (91) 82180-4 . ISSN 0006-3495 . PMC 1260203 . PMID 19431815 .
- ^ а б в 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 : 2005SurSR..59 .... 1B . DOI : 10.1016 / j.surfrep.2005.08.003 . ISSN 0167-5729 .
- ^ а б в 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. DOI : 10,1351 / pac200577122149 . ISSN 1365-3075 .
- ^ а б в 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 коллоидной и интерфейсной науке . 179–182: 85–98. DOI : 10.1016 / j.cis.2012.06.005 . ISSN 0001-8686 .
- ^ а б I. Ларсон, Ян; Drummond, Calum J .; Чан, Дерек YC; Гризер, Франц (1995). «Прямые измерения силы между разнородными оксидами металлов». Журнал физической химии . 99 (7): 2114–2118. DOI : 10.1021 / j100007a048 . ISSN 0022-3654 .; Тойкка, Гэри; Hayes, Роберт А .; Ральстон, Джон (1996). «Поверхностные силы между сферическими частицами ZnS в водном электролите». Ленгмюра . 12 (16): 3783–3788. DOI : 10.1021 / la951534u . ISSN 0743-7463 ..
- ^ Кларк, Спенсер С.; Walz, John Y .; Дакер, Уильям А. (2004). "Измерения коллоидного зонда с помощью атомно-силовой микроскопии с явным измерением разделения частиц и твердых тел". Ленгмюра . 20 (18): 7616–7622. DOI : 10.1021 / la0497752 . ISSN 0743-7463 . PMID 15323510 .