Методика коллоидного зонда
Метод коллоидного зонда обычно используется для измерения сил взаимодействия, действующих между коллоидными частицами и/или плоскими поверхностями в воздухе или растворе. Этот метод основан на использовании атомно-силового микроскопа (АСМ). Однако вместо кантилевера 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 геометрии 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 .
Методика коллоидного зонда была независимо разработана в 1991 году Дакером. [1] и Батт. [2] С момента своего создания этот инструмент завоевал широкую популярность во многих исследовательских лабораториях, а в научной литературе имеются многочисленные обзоры. [3] [4] [5]
Альтернативные методы измерения силы между поверхностями включают в себя аппарат для измерения поверхностных сил , микроскопию полного внутреннего отражения и методы оптического пинцета с видеомикроскопией.
Цель
[ редактировать ]Возможность непосредственного измерения сил, затрагивающих частицы и поверхности, имеет важное значение, поскольку такие силы актуальны во многих процессах с участием коллоидных и полимерных систем. Примеры включают агрегацию частиц , реологию суспензии, осаждение частиц и процессы адгезии. можно изучать подобные биологические явления, такие как отложение бактерий или заражение клеток вирусами С таким же успехом . Силы одинаково наиболее информативны для исследования механических свойств границ раздела , пузырьков , капсул, мембран или клеточных стенок . Такие измерения позволяют сделать выводы об упругой или пластической деформации или возможном разрушении таких систем.
Метод 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 измерение электрических сил двойного слоя и соответствующих поверхностных потенциалов или поверхностного заряда , сил Ван-дер-Ваальса или сил, индуцированных адсорбированными полимерами. [3] [5] [6]
Принцип
[ редактировать ]используется стандартный АСМ В методе коллоидного зонда для измерения силы . Но вместо кантилевера АСМ с прикрепленным к нему острым наконечником используется коллоидный зонд . Этот коллоидный зонд обычно получают путем прикрепления коллоидной частицы к кантилеверу. Записывая 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 зондовыми частицами в геометрии сфера-плоскость . Также можно изучить силы между коллоидными частицами, прикрепив к подложке другую частицу 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 отклонение кантилевера ξ В то же время также контролируется , обычно 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 подхода-отвода регистрируется сигнал S рычага как функция вертикального смещения D сканера. Предположим на мгновение, что зонд и подложка представляют собой твердые и недеформируемые объекты 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 находится в контакте с подложкой. При касании кантилевера с подложкой его отклонение будет таким же, как и смещение подложки. Этот ответ называется постоянным соответствием или областью контакта. Сигнал рычага S в зависимости от перемещения сканера D показан на рисунке ниже. Этот график состоит из двух прямых линий, напоминающих хоккейную клюшку. Когда поверхности не соприкасаются, сигнал рычага будет обозначаться как S 0 . Это значение соответствует недеформированному рычагу. В области постоянной податливости сигнал рычага представляет собой просто линейную функцию смещения и может быть представлен в виде прямой линии.
- S = а D + б
Параметры a и b могут быть получены методом наименьших квадратов постоянной области податливости. Обратный наклон a −1 также называется чувствительностью оптического рычага. Инвертируя это соотношение для сигнала рычага S 0 , который соответствует недеформированному рычагу, можно точно получить точку контакта из D 0 = ( S 0 - b )/ a . В зависимости от подложки точность определения этой точки контакта составляет 0,5–2 нм. В области постоянной податливости деформация рычага определяется выражением
- ξ знак равно ( S - S 0 )/ а
Таким образом, можно обнаружить отклонения кантилевера с типичным разрешением лучше 0,1 нм.
Давайте теперь рассмотрим соответствующую ситуацию, когда зонд и подложка взаимодействуют. Обозначим через F ( h ) силу между зондом и подложкой. Эта сила зависит от расстояния между поверхностями h .В состоянии равновесия эта сила компенсируется возвращающей силой пружины, которая определяется законом Гука.
- F = к ξ
где k — жесткость пружины кантилевера. Типичные жесткости пружины кантилеверов AFM находятся в диапазоне 0,1–10 Н/м. Поскольку отклонение контролируется с точностью лучше 0,1 нм, обычно получается разрешение по силе 1–100 пН. Расстояние разделения можно определить по смещению сканера и отклонению кантилевера.
- час = ξ + D − D 0
На рисунке ниже показано, как кантилевер реагирует на различные профили силы. В случае действия мягкой силы отталкивания кантилевер отталкивается от поверхности и лишь медленно приближается к области постоянной податливости. В таких ситуациях может быть сложно правильно определить этот регион. Когда сила притяжения, кантилевер притягивается к поверхности и может стать нестабильным. Из соображений устойчивости можно обнаружить, что кантилевер будет неустойчивым при условии, что
- 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 константу силы кантилевера. При втягивании происходит то же самое явление, но точка выскакивания кантилевера достигается при меньшем расстоянии. При подходе и отводе система будет показывать гистерезис . В таких ситуациях часть профиля силы не может быть прозондирована. Однако этой проблемы можно избежать, используя более жесткую консоль, хотя и за счет меньшего разрешения силы.
Расширения
[ редактировать ]Коллоидные зонды обычно изготавливаются путем приклеивания коллоидной частицы к кантилеверу без наконечника с помощью микроманипулятора на воздухе. Последующее повторное смачивание зонда может привести к образованию наноразмерных пузырьков на поверхности зонда. Этой проблемы можно избежать, прикрепив коллоидные частицы во влажных условиях в жидкой ячейке АСМ к соответствующим образом функционализированным кантилеверам. [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, чего можно достичь либо с помощью оптического микроскопа, либо с помощью сканирования АСМ. Результаты, полученные в этих двух различных геометриях, можно связать с приближением Дерягина .
Измерения силы основаны на точном значении жесткости пружины кантилевера. Эту жесткость пружины можно измерить различными методами. [3] [4] Метод теплового шума является наиболее простым в использовании, поскольку он реализован на большинстве АСМ. Этот подход основан на определении среднеквадратичной амплитуды смещения кантилевера вследствие спонтанных тепловых флуктуаций . Эта величина связана с жесткостью пружины посредством теоремы о равнораспределении . В методе добавленной массы к кантилеверу прикрепляют несколько металлических шариков и в каждом случае определяют резонансную частоту. Используя зависимость гармонического генератора между резонансной частотой и добавленной массой, можно также оценить жесткость пружины. Метод силы трения основан на измерении кривых подхода и отвода кантилевера через вязкую жидкость. Поскольку гидродинамическое сопротивление сферы, близкой к плоской подложке, известно теоретически, можно определить жесткость пружины кантилевера. Геометрический метод использует взаимосвязь между геометрией кантилевера и его упругими свойствами.
Разделение обычно измеряется от начала области постоянной податливости. Хотя относительное разделение поверхностей можно определить с разрешением 0,1 нм или выше, абсолютное разделение поверхностей получается по началу области постоянной податливости. Хотя это начало можно определить для твердых образцов с точностью 0,5–2 нм, местоположение этого начала может быть проблематичным для мягких отталкивающих взаимодействий и для деформируемых поверхностей. По этой причине были разработаны методы независимого измерения разделения поверхностей (например, микроскопия полного внутреннего отражения , интерференционно-контрастная микроскопия на отражение ). [7]
Сканирование образца коллоидным зондом в поперечном направлении позволяет использовать силы трения между зондом и подложкой. [4] Поскольку в этом методе используется кручение кантилевера, для получения количественных данных необходимо определить постоянную крутильной пружины кантилевера.
Родственный метод, включающий аналогичный тип измерения силы с помощью АСМ, - это спектроскопия одиночной молекулярной силы . Однако в этом методе используется обычный наконечник АСМ, к которому прикреплена одна молекула полимера. По ретракционной части силовой кривой можно получить информацию о растяжении полимера или его отслаивании от поверхности.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дакер, Уильям А.; Сенден, Тим Дж.; Пэшли, Ричард М. (1991). «Прямое измерение коллоидных сил с помощью атомно-силового микроскопа». Природа . 353 (6341): 239–241. Бибкод : 1991Natur.353..239D . дои : 10.1038/353239a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4311419 . .
- ^ Батт, Ханс-Юрген (1991). «Измерение электростатических, ван-дер-ваальсовых сил и сил гидратации в растворах электролитов с помощью атомно-силового микроскопа» . Биофизический журнал . 60 (6): 1438–1444. Бибкод : 1991BpJ....60.1438B . дои : 10.1016/S0006-3495(91)82180-4 . ISSN 0006-3495 . ПМК 1260203 . ПМИД 19431815 .
- ^ Перейти обратно: а б с Батт, Ханс-Юрген; Капелла, Брунеро; Каппль, Майкл (2005). «Силовые измерения с помощью атомно-силового микроскопа: техника, интерпретация и применение». Отчеты о поверхностной науке . 59 (1–6): 1–152. Бибкод : 2005SurSR..59....1B . дои : 10.1016/j.surfrep.2005.08.003 . ISSN 0167-5729 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ралстон, Джон; Ларсон, Ян; Ратленд, Марк В.; Фейлер, Адам А.; Клейн, Мике (2005). «Атомно-силовая микроскопия и прямые измерения поверхностной силы (Технический отчет ИЮПАК)» . Чистая и прикладная химия . 77 (12): 2149–2170. дои : 10.1351/pac200577122149 . ISSN 1365-3075 .
- ^ Перейти обратно: а б с 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 метода 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 . ПМИД 22795487 .
- ^ Перейти обратно: а б Я. Ларсон, Ян; Драммонд, Калум Дж.; Чан, Дерек Ю.К.; 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; Хейс, Роберт А.; Ралстон, Джон (1996). «Поверхностные силы между сферическими частицами ZnS в водном электролите». Ленгмюр . 12 (16): 3783–3788. дои : 10.1021/la951534u . ISSN 0743-7463 . .
- ^ Кларк, Спенсер К.; Уолц, Джон Ю.; Дакер, Уильям А. (2004). «Атомно-силовая микроскопия: коллоидно-зондовые измерения с точным измерением разделения частиц и твердых тел». Ленгмюр . 20 (18): 7616–7622. дои : 10.1021/la0497752 . ISSN 0743-7463 . ПМИД 15323510 .