La quantification de la zone de contact et de la force appliquée par la pointe d’une sonde de microscope à force atomique (AFM) à une surface d’échantillon permet de déterminer les propriétés mécaniques à l’échelle nanométrique. Les meilleures pratiques pour mettre en œuvre la nanoindentation à base de porte-à-faux AFM dans l’air ou le fluide sur des échantillons mous et durs pour mesurer le module d’élasticité ou d’autres propriétés nanomécaniques sont discutées.
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Article de méthode
Microscopie à force atomique Nanoindentation basée sur le porte-à-faux: mesures des propriétés mécaniques à l’échelle nanométrique dans l’air et les fluides
Dans cet article
Résumé
Résumé
Un microscope à force atomique (AFM) mesure fondamentalement l’interaction entre la pointe d’une sonde AFM à l’échelle nanométrique et la surface de l’échantillon. Si la force appliquée par la pointe de la sonde et sa zone de contact avec l’échantillon peuvent être quantifiées, il est possible de déterminer les propriétés mécaniques à l’échelle nanométrique (par exemple, élastique ou module de Young) de la surface sondée. Une procédure détaillée pour effectuer des expériences quantitatives de nanoindentation AFM basées sur le porte-à-faux est fournie ici, avec des exemples représentatifs de la façon dont la technique peut être appliquée pour déterminer les modules élastiques d’une grande variété de types d’échantillons, allant de kPa à GPa. Il s’agit notamment de cellules souches mésenchymateuses vivantes (CSM) et de noyaux dans un tampon physiologique, de sections transversales de pin loblolly déshydraté incorporées dans la résine et de schistes de Bakken de composition variable.
De plus, la nanoindentation en porte-à-faux AFM est utilisée pour sonder la résistance à la rupture (c’est-à-dire la force de percée) des bicouches phospholipidiques. D’importantes considérations pratiques telles que le choix et le développement de la méthode, la sélection et l’étalonnage de la sonde, l’identification de la région d’intérêt, l’hétérogénéité de l’échantillon, la taille et le rapport d’aspect des caractéristiques, l’usure de la pointe, la rugosité de surface et l’analyse des données et les statistiques de mesure sont discutées pour faciliter la mise en œuvre correcte de la technique. Enfin, la colocalisation de cartes nanomécaniques dérivées de l’AFM avec des techniques de microscopie électronique qui fournissent des informations supplémentaires sur la composition élémentaire est démontrée.
Introduction
Comprendre les propriétés mécaniques des matériaux est l’une des tâches les plus fondamentales et essentielles de l’ingénierie. Pour l’analyse des propriétés des matériaux en vrac, il existe de nombreuses méthodes pour caractériser les propriétés mécaniques des systèmes de matériaux, y compris les essais de traction1, les essais de compression2 et les essais de flexion à trois ou quatre points (flexion)3. Bien que ces tests à l’échelle microscopique puissent fournir des informations précieuses sur les propriétés des matériaux en vrac, ils sont généralement effectués jusqu’à la défaillance et sont ....
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Protocole
REMARQUE: En raison de la grande variété de MFA disponibles dans le commerce et de la diversité des types d’échantillons et des applications qui existent pour la nanoindentation en porte-à-faux, le protocole qui suit est intentionnellement conçu pour être de nature relativement générale, en se concentrant sur les étapes partagées nécessaires pour toutes les expériences de nanoindentation basées sur le porte-à-faux, quel que soit l’instrument ou le fabricant. Pour cette raison, les auteurs supposent que le lecteur possède au moins une familiarité de base avec l’utilisation de l’instrument spécifique choisi pour effectuer une nanoindentation basée sur un porte-à-faux. C....
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Résultats
Courbes force-déplacement
La figure 7 montre des courbes F-D représentatives et presque idéales obtenues à partir d’expériences de nanoindentation réalisées dans l’air sur des échantillons de pin loblolly incorporés dans de la résine (figure 7A) et dans un fluide (solution saline tamponnée au phosphate [PBS]) sur des noyaux de cellules souches mésenchymateuses (CSM) (figure 7B). L’utilisation de tout modèle de mé.......
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Discussion
Préparation des échantillons
Pour la nanoindentation dans l’air, les méthodes de préparation courantes comprennent la cryosectionnement (p. ex., échantillons de tissus), le broyage et/ou le polissage suivi d’un ultramicrotoming (p. ex., échantillons biologiques incorporés dans la résine), le broyage ionique ou la préparation par faisceau d’ions focalisés (p. ex. échantillons semi-conducteurs, poreux ou de dureté mixte ne se prêtant pas au polissage), le polissage mécanique ou électrochimique (p. ex. a.......
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Remerciements
Toutes les expériences AFM ont été réalisées au Boise State University Surface Science Laboratory (SSL). La caractérisation SEM a été réalisée au Boise State Center for Materials Characterization (BSCMC). Les recherches rapportées dans cette publication concernant les matières premières de biocarburants ont été soutenues en partie par le Département de l’énergie des États-Unis, l’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, le Bioenergy Technologies Office dans le cadre du Feedstock Conversion Interface Consortium (FCIC) et dans le cadre du contrat DE-AC07-051ID14517 du Bureau des opérations du DOE de l’Idaho. Les études sur la mécanique cellulaire ont été financ....
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Microscope à force atomique | Bruker | Dimension Icon | Utilise un logiciel de contrôle de nanoscope, y compris PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM), FastForce Volume (FFV) et Point-and-Shoot Ramping espaces de travail expérimentaux |
| AtomicJ | American Institute of Physics | https://doi.org/10.1063/1.4881683 | Progiciel d’analyse de courbes de force basé sur Java, flexible, puissant et gratuit, basé sur Java. Prend en charge de nombreux modèles de mécanique de contact, tels que Hertz, Sneddon DMT, JKR, Maugis, et cône ou pyramide (y compris émoussé et tronqué). Comprend également une variété de méthodes d’estimation du point de contact initial parmi lesquelles choisir. Prend en charge le traitement par lots des données et l’analyse statistique ultérieure (par exemple, moyennes, écarts-types, histogrammes, qualité de l’ajustement, etc.). La citation de la littérature est : P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda et H. Gabry |
| Buffer Solution (PBS) | Fisher Chemical (NaCl), Sigma Aldrich (KCl), Fisher BioReagents (Na2HPO4 et KH2PO4) | S271 (NaCl > 99 %), P9541 (> 99 % de KCl), BP332 (>99 % de pureté Na2HPO4), BP362 (pureté >99 % KH2PO4) | Une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) a été préparée en laboratoire sous la forme d’une solution aqueuse composée de 137 mM de NaCl, 2,7 mM de KCl, 10 mM de Na2HPO4 et 1,8 mM de KH2PO4 dissous dans de l’eau ultrapure. Les réactifs ont été mesurés à l’aide d’une balance analytique, et la verrerie a été nettoyée à l’eau et au savon, suivie d’un autoclave immédiatement avant l’utilisation. |
| chloroforme | |||
| Bruker | PDNISP | Diamant cubique d’angle pré-monté et calibré en usine (E = 1140 GPa) Sonde AFM à pointe (nominale R = 40 nm) avec un porte-à-faux en acier inoxydable (nominal k = 225 N/m, f0 = 50 kHz). La constante de ressort est mesurée en usine (k = 256 N/m pour la sonde, série #13435414, utilisée ici) et les données d’étalonnage (y compris les images AFM des empreintes montrant la géométrie de la sonde) sont fournies avec la sonde. | |
| Lame d’ultramicrotome diamant | Diatome | Ultra 35° ; | Largeur de 2,1 mm. Utilisation également d’une lame de verre standard pour la coupe grossière initiale de la surface de l’échantillon avant de passer à la lame diamantée pour la préparation finale de la surface |
| La colle époxy | Gorilla Glue | 26853-31-6 | et le durcisseur ont été mélangés dans un rapport de 1:1, une petite goutte a été placée sur une rondelle d’échantillon en acier inoxydable (Ted Pella) et du mica muscovite de qualité V1 (Ted Pella) a été fixé pour créer une surface atomiquement plane pour la préparation des membranes phospholipidiques. |
| Éthanol | |||
| LR résine blanche, qualité moyenne (catalysée) | Microscopie électronique Sciences | 14381 | Flacon de 500 mL, lot #150629 |
| Cellules souches mésenchymateuses (CSM) | N/A | N/A | Les CSM pour les études nanomécaniques étaient des cellules primaires prélevées sur des souris C57BL/6 mâles âgées de 8 à 10 semaines, comme décrit dans Goelzer, M. et al. « Lamin A/C Is Dispensable to Mechanical Repression of Adipogenesis » Int J Mol Sci 22 : 6580 (2021) doi :10.3390/ijms22126580 et Peister, A. et al. « Les cellules souches adultes de la moelle osseuse (MSCs) isolées de différentes souches de souris consanguines varient en termes d’épitopes de surface, de taux de prolifération et de potentiel de différenciation » Blood 103 : 1662-1668 (2004), doi :10.1182/blood-2003-09-3070. |
| Étalons | de module Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | Utilisé HOPG (E = 18 GPa) et PS (E = 2,7 GPa). Contient également 2x PDMS (Tack 0, E = 2,5 MPa ; Tack 4, E = 3,5 MPa), PS-LDPE (E = 2,0/0,2 GPa), silice fondue (E = 72,9 GPa), saphir (E - 345 GPa) et échantillon de caractérisation de la pointe (rugosité du titane). Tous les échantillons sont prémontés sur un disque en acier de 12 mm de diamètre (palet d’échantillon). |
| Mica muscovite | Ted Pella | 50-12 | 12 mm de diamètre, grade V1 Mica muscovite |
| Nanscope | Analyse Bruker | Version 2.0 | Progiciel gratuit de traitement et d’analyse d’images AFM, mais conçu pour, et propriétaire/limité aux AFM Bruker ; des fonctionnalités similaires sont disponibles à partir de progiciels de traitement et d’analyse d’images AFM gratuits, indépendants de la plate-forme, tels que Gwyddion, WSxM et autres. Dispose de capacités intégrées pour l’analyse des courbes de force, mais AtomicJ est plus flexible/complet (par exemple, plus de modèles de mécanique de contact intégrés parmi lesquels choisir, analyse statistique des résultats d’ajustement de la courbe de force, etc.) pour l’analyse des courbes de force et gère le traitement par lots des courbes de force. |
| Phospholipides : POPC, Cholestérol (ovin) | Lipides polaires Avanti | POPC : CAS # 26853-31-6, Cholestérol : CAS # 57-88-5 | lipides POPC dissous dans le chloroforme (25 mg/mL) ont été obtenus du fournisseur et utilisés sans autre purification. La poudre de cholestérol du même fournisseur a été dissoute dans du chloroforme (20 mg/mL). |
| Support de sonde (fluide, lipides, bicouches) | Bruker | MTFML-V2 | Spécifique à l’AFM particulier utilisé ; MTFML-V2 est un support de sonde en verre pour le balayage en fluide sur un AFM multimode. |
| Porte-sonde (fluide, MSCs) | Bruker | FastScan Bio Z-scanner | Utilisé avec la tête Dimension FastScan (scanners de flexion XY). Numéro de série MXYPOM5-1B154. |
| Support de sonde (standard, ambiant) | Bruker | DAFMCH | Spécifique à l’AFM particulier utilisé ; DAFMCH est le support de sonde standard en mode contact et taraudage pour le Dimension Icon AFM, adapté à la nanoindentation (PF-QNM, FFV et rampe point-and-shoot) |
| Rondelle | d’échantillonnage Ted Pella | 16218 | numéro de produit est pour une rondelle d’échantillon en acier inoxydable de 15 mm de diamètre. Également disponible en diamètres de 6 mm, 10 mm, 12 mm et 20 mm à https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 |
| Substrat saphir | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | Surface extrêmement dure (E = 345 GPa) pour mesurer la sensibilité à la déflexion des sondes (toute la déviation doit provenir de la sonde et non du substrat). Fait partie du kit de normes PF-QNM/modulus. |
| Microscope électronique à balayage | Hitachi | S-3400N-II | situé à Boise State. Utilisé pour effectuer des SEM/EDS co-localisés sur tous les échantillons, à l’exception du Ti-6Al-4V fabriqué de manière additive (AM). |
| Sondes AFM en silicium (standard) | NuNano | Scout 350 | Sonde en silicone à mode de taraudage standard avec revêtement arrière réfléchissant en aluminium ; k = 42 N/m (nominal), f0 = 350 kHz. Nominal R = 5 nm. Également disponible non couché ou avec un revêtement arrière doré réfléchissant. Des sondes avec des spécifications similaires sont disponibles auprès d’autres fabricants (par exemple, Bruker TESPA-V2). |
| Sondes AFM en silicium (rigide) | Bruker | RTESPA-525, RTESPA-525-30 ; | Sondes en silicone gravées à pointe rotative avec revêtement arrière en aluminium réfléchissant ; k = 200 N/m (nominale), f0 = 525 kHz. Valeur nominale R = 8 nm pour RTESPA-525, R = 30 nm pour RTESPA-525-30. La constante de ressort de chaque RTESPA-525-30 est mesurée individuellement en usine par vibrométrie laser Doppler et fournie avec la sonde. |
| Papier grain en carbure de silicium (disques abrasifs) | Sondes | 50-10005 | grain 120 |
| (pointe hémisphérique souple à grand rayon) | Bruker | MLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DC | Également MLCT-SPH-1UM-DC. Nouvelle gamme de sondes à pointe hémisphérique (rayon de sonde et constantes de ressort de tous les porte-à-faux) calibrées en usine (R = 1 ou 5 mm) (à l’extrémité d’un arbre cylindrique de 23 mm de long). DC = revêtement de compensation de dérive. 6 porte-à-faux/sonde (A-F). Constantes nominales du ressort : A, k = 0,07 N/m ; B, k = 0,02 N/m ; C, k = 0,01 N/m ; D, k = 0,03 N/m ; E, k = 0,1 N/m ; F, k = 0,6 N/m. |
| Sondes AFM en nitrure de silicium (pointe douce, moyennement pointue) | Bruker | DNP | 4 porte-à-faux/sonde (A-d). Constantes nominales du ressort : A, k = 0,35 N/m ; B, k = 0,12 N/m ; C, k = 0,24 N/m ; D, k = 0,06 N/m. Rayons de courbure nominaux, R = 10 nm. |
| Sondes AFM en nitrure de silicium (pointe souple et pointue) | Bruker | ScanAsyst-Air | Valeurs nominales : fréquence de résonance, f0 = 70 kHz ; constante de ressort, k = 0,4 N/m ; rayon de courbure, R = 2 nm. Conçu pour l’imagerie AFM basée sur la courbe de force. |
| Superglue | Henkel | Loctite 495 | Adhésif instantané à base de cyanoacrylate. De nombreux produits à peu près équivalents sont facilement disponibles. |
| Pompe à seringue | Systèmes de pompe New Era | NE1000US | Système de pompe à seringue à un canal avec capacité de perfusion et de retrait |
| Norme de caractérisation de l’embout | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | Norme de rugosité en titane (Ti). Fait partie du kit de normes PF-QNM/modulus. |
| Azote ultra-pur (UHP N2), 99,999 % | Norco | SPG TUHPNI - T | T taille T en azote ultra-pur (99,999 %) pour le séchage des échantillons |
| Ultramicrotome | Leica | EM UC6 | Équipé d’une lame en verre (standard, pour la préparation initiale des échantillons) et d’une lame diamantée (pour la préparation finale) |
| Eau ultrapure | Thermo Fisher | Barnstead Nanopure Modèle 7146 | Le modèle a été abandonné, mais des produits équivalents sont disponibles. Produit &ge ; Eau ultrapure de 18,2 millions de mètres cubes avec une teneur totale en matières organiques de 1 à 5 ppb, par surveillance UV en ligne. Comprend 0.2 & micro ; Filtre à particules, colonnes d’échange d’ions et chambre d’oxydation UV. |
| Meuleuse à vitesse variable | Buehler | EcoMet 3000 | Utilisé avec des papiers de grain de carbure de silicium lors du polissage à la main. |
| Table d’isolation des vibrations (active) | Herzan | TS-140 | Utilisée avec Bruker MultiMode AFM. Repose sur une table d’isolation des vibrations TMC 65-531. Bruker Dimension Icon AFM utilise une isolation passive des vibrations (provient du fabricant avec un capot acoustique personnalisé, une table d’air et une dalle de granit). |
| Table d’isolation des vibrations (passive) | TMC | 65-531 | Table d’isolation des vibrations 35 » x 30 » avec amortissement de l’air en option (désactivée). Utilisé avec Bruker MultiMode AFM. La table de contrôle actif des vibrations Herzan TS-140 « Table Stable » est située sur le dessus. |
Références
- Hart, E. W. Theory of the tensile test. Acta Metallurgica. 15 (2), 351-355 (1967).
- Fell, J. T., Newton, J. M. Determination of tablet strength by the diametral-compression test. Journal of Pharmaceutical Sciences. 59 (5), 688-691 (1970).
- Babiak, M., Gaff, M.,....
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Réimpressions et autorisations
