원자력 현미경(AFM) 프로브 팁이 샘플 표면에 가하는 접촉 면적과 힘을 정량화하면 나노 크기의 기계적 특성을 측정할 수 있습니다. 탄성 계수 또는 기타 나노기계적 특성을 측정하기 위해 연질 및 경질 샘플의 공기 또는 유체에서 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 구현하는 모범 사례에 대해 설명합니다.
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이 논문에서
요약
초록
원자간력 현미경(AFM)은 기본적으로 나노 스케일 AFM 프로브 팁과 샘플 표면 사이의 상호 작용을 측정합니다. 프로브 팁에 의해 가해지는 힘과 샘플과의 접촉 면적을 정량화할 수 있는 경우, 프로브되는 표면의 나노스케일 기계적 특성(예: 탄성 또는 영률)을 결정할 수 있습니다. 정량적 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션 실험을 수행하기 위한 자세한 절차가 여기에 제공되며, kPa에서 GPa에 이르는 다양한 샘플 유형의 탄성 계수를 결정하기 위해 기술을 적용할 수 있는 방법의 대표적인 예가 제공됩니다. 여기에는 살아있는 중간엽 줄기 세포(MSC)와 생리학적 완충액의 핵, 수지에 묻힌 탈수 로블로리 소나무 단면 및 다양한 구성의 Bakken 셰일이 포함됩니다.
또한 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션은 인지질 이중층의 파열 강도(즉, 파열력)를 조사하는 데 사용됩니다. 방법의 적절한 구현을 돕기 위해 분석법 선택 및 개발, 프로브 선택 및 교정, 관심 영역 식별, 시료 이질성, 특징 크기 및 종횡비, 팁 마모, 표면 거칠기, 데이터 분석 및 측정 통계와 같은 중요한 실제 고려 사항에 대해 설명합니다. 마지막으로, 원소 조성에 관한 추가 정보를 제공하는 전자 현미경 기술과 AFM 유래 나노 역학 맵의 공동 국소화가 시연됩니다.
서론
재료의 기계적 특성을 이해하는 것은 엔지니어링에서 가장 기본적이고 필수적인 작업 중 하나입니다. 벌크 재료 특성 분석을 위해 인장 시험1, 압축 시험2, 3점 또는 4점 굽힘(굴곡) 시험3을 포함하여 재료 시스템의 기계적 특성을 특성화하는 데 사용할 수 있는 다양한 방법이 있습니다. 이러한 마이크로 스케일 테스트는 벌크 재료 특성에 관한 귀중한 정보를 제공 할 수 있지만 일반적으로 실패로 수행되므로 파괴적입니다. 또한 박막, 생물학적 재료 및 나노 복합 재료와 같이 오늘날 관심 있는 많은 재료 시스템의 마이크로 및 나노 규모 특성을 정확하게 조사하는 데 필요한 공간 분해능이 부족합니다. 대규모 기계적 테스트의 일부 문제, 주로 파괴적인 특성을 해결하기 위해 광물학에서 미세 경도 테스트를 채택했습니다. 경도는 특정 조건에서 소성 변형에 대한 재료의 저항을 측정한 것입니다. 일반적으로 미세경도 시험은 일반적으로 경화된 강철이나 다이아몬드로 만든 뻣뻣한 프로브를 사용하여 재료에 움푹 들어간 곳을 만듭니다. 그 후, 결과적인 압흔 깊이 및/또는 면적을 사용하여 경도를 결정할 수 있습니다. Vickers4, Knoop
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프로토콜
참고: 상업적으로 이용 가능한 다양한 AFM과 캔틸레버 기반 나노인덴테이션에 존재하는 다양한 샘플 유형 및 응용 분야로 인해 다음 프로토콜은 기기 또는 제조업체에 관계없이 모든 캔틸레버 기반 나노인덴테이션 실험에 필요한 공유 단계에 초점을 맞춰 본질적으로 비교적 일반적으로 설계되도록 의도적으로 설계되었습니다. 이 때문에 저자는 독자가 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 수행하기 위해 선택한 특정 기기를 작동하는 데 최소한 기본적인 친숙함을 가지고 있다고 가정합니다. 그러나 아래에 설명된 일반 프로토콜 외에도 유체 내 샘플의 캔틸레버 기반 나노 압입에 중점을 둔 AFM 및 여기에 사용된 소프트웨어에 대한 자세한 단계별 표준 운영 절차( SOP)(재료 표 참조)가 보충 자료로 포함되어 있습니다.
1. 시료 전처리 및 기기 설정
- 관심 영역의 기계적 특성을 변경하지 않고 표면 거칠기(이상적으로는 나노미터 규모, 의도한 압흔 깊이보다 ~10배 작음)와 오염을 모두 최소화하는 방식으로 샘플을 준비합니다.
- 매체(예: 공기 또는 유체), 예상 계수, 샘플 지형 및 관련 피처 크기를 기반으로 의도한 샘플의 나노인덴테이션에 적합한 AFM 프....
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결과
힘-변위 곡선
그림 7은 중간엽 줄기 세포(MSC) 핵(그림 7B)의 수지 포매 로블로리 소나무 샘플(그림 7A) 및 유체(인산염 완충 식염수[PBS])에서 공기 중에서 수행된 나노인덴테이션 실험에서 얻은 대표적이고 거의 이상적인 F-D 곡선을 보여줍니다. 모든 접촉 역학 모델의 사용은 초기 팁-샘플 접점의 정확하고 신뢰할 수 있는 결정에 의존합니다. 따라서 그림 7에 표시된 F-D 곡선의 초기 접점 앞의 비교적 평탄하고 노이즈가 적은 베이스라인과 접촉 부분의 부드러운 기울기는 접근 곡선(파란색 트레이스)과 인서트의 해당 피팅(녹색 트레이스) 간의 탁월한 일치로 입증된 바와 같이 기계적 특성을 추출하기 위한 분석에 이상적입니다.
반대.......
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토론
시료 전처리
공기 중의 나노인덴테이션의 경우, 일반적인 준비 방법에는 극저온 절편(예: 조직 샘플), 분쇄 및/또는 연마 후 울트라마이크로토밍(예: 수지 포매 생물학적 샘플), 이온 밀링 또는 집속 이온빔 준비(예: 반도체, 다공성 또는 연마가 불가능한 혼합 경도 샘플), 기계적 또는 전기화학적 연마(예: 금속 합금) 또는 박막 증착(예: 원자층 또는 화학 기상 증착, 분자 빔 에피 택시). 목표는 표면 거칠기를 최소화한 샘플을 만드는 것입니다(이상적으로는 nm 스케일, 의도한 압입 깊이의 ≤0.1배). 앞의 많은 방법을 사용하여 샘플을 고순도 여과(예: HPLC 등급) 용매로 헹구고 및/또는 초음파 처리하고 미립자 파편을 제거하기 위해 초고순도(99.999%) 질소(N2) 가스로 건조해야 할 수 있습니다. 대안적으로, 플레이크(예를 들어, 2D 물질) 또는 입자(예를 들어, 나노입자 또는 마이크로캡슐)는 고순도 여과된 용매를 사용하여 제조된 용액으로부터 스핀 코팅되거나 .......
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공개 사항
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
감사의 글
모든 AFM 실험은 보이시 주립대학교 표면과학연구소(SSL)에서 수행하였다. SEM 특성화는 Boise State Center for Materials Characterization (BSCMC)에서 수행되었습니다. 바이오 연료 공급 원료에 관한이 간행물에보고 된 연구는 미국 에너지 부, 에너지 효율 및 재생 에너지 사무소, 공급 원료 변환 인터페이스 컨소시엄 (FCIC)의 일부인 바이오 에너지 기술 사무소 및 DOE 아이다 호 운영 사무소 계약 DE-AC07-051ID14517에 의해 부분적으로 지원되었습니다. 세포 역학 연구는 미국 국립 보건원 (National Institutes of Health, USA)의 보조금 AG059923, AR075803 및 P20GM109095과 미국 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 보조금 1929188 및 2025505의 지원을 받았습니다. 모델 지질 이중층 시스템 작업은 보조금 R01 EY030067에 따라 미국 국립 보건원(National Institutes of Health)의 지원을 받았습니다. 저자는 그림 11에 표시된 합성 이미지를 제작한 Elton Graugnard 박사에게 감사를 표합니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 원자력 현미경 | Bruker | Dimension Icon | 은 PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping(PF-QNM), FastForce Volume(FFV) 및 Point-and-Shoot Ramping 실험 작업 공간을 포함한 나노스코프 제어 소프트웨어를 사용합니다 |
| AtomicJ | American Institute of Physics | https://doi.org/10.1063/1.4881683 | 유연하고 강력한 무료 오픈 소스 Java 기반 힘 곡선 분석 소프트웨어 패키지입니다. Hertz, Sneddon DMT, JKR, Maugis 및 원뿔 또는 피라미드(무뚝뚝한 및 잘린 포함)와 같은 수많은 접촉 역학 모델을 지원합니다. 또한 선택할 수 있는 다양한 초기 컨택 포인트 추정 방법이 포함되어 있습니다. 데이터의 일괄 처리 및 후속 통계 분석(예: 평균, 표준 편차, 히스토그램, 적합도 등)을 지원합니다. 문헌 인용: P. Hermanowicz, M. Sarna, K. Burda, and H. Gabry , “ AtomicJ: 힘 곡선 분석을 위한 오픈 소스 소프트웨어" Rev. Sci. Instrum. 85: 063703 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4881683 |
| 버퍼 용액(PBS) | Fisher Chemical(NaCl), Sigma Aldrich(KCl), Fisher BioReagents(Na2HPO4 및 KH2PO4) | S271 (>99% 순도 NaCl), P9541 (>99% 순도 KCl), BP332(>99% 순도 Na2HPO4), BP362 (>99% 순도 KH2PO4 | 인산염 완충 식염수(PBS)를 137 mM NaCl로 이루어진 수용액으로 실험실에서 제조하고, 초순수에 용해된 2.7mM KCl, 10mM Na2HPO4 및 1.8mM KH2PO4. 시약은 분석 저울을 사용하여 측정하고 유리 제품을 비누와 물로 세척한 후 사용 직전에 오토클레이빙했습니다. |
| 클로로포름 | |||
| 다이아몬드 팁 AFM 프로브 | , Bruker | PDNISP | 사전 장착, 공장에서 보정된 큐브 코너 다이아몬드(E = 1140 GPa) 팁 AFM 프로브(공칭 R = 40 nm), 스테인리스강 캔틸레버(공칭 k = 225 N/m, f0 = 50 kHz). 스프링 상수는 공장에서 측정되며(프로브의 경우 k = 256 N/m, 여기에 사용된 일련 번호 #13435414) 교정 데이터(프로브 형상을 보여주는 인덴트의 AFM 이미지 포함)가 프로브와 함께 제공됩니다. |
| 다이아몬드 초소형 칼 | Diatome | Ultra 35° | 2.1 mm 폭. 또한 최종 표면 준비를 위해 다이아몬드 블레이드로 전환하기 전에 샘플 표면의 초기 거친 절단을 위해 표준 유리 블레이드를 사용했습니다 |
| 에폭시 | 고릴라 접착제 | 26853-31-6 | 에폭시 수지와 경화제를 1 : 1 비율로 혼합하고, 스테인레스 스틸 샘플 퍽 (Ted Pella)에 작은 방울을 떨어뜨리고, V1 등급 백운모 운모 (Ted Pella)를 부착하여 인지질 멤브레인 준비를위한 원자적으로 평평한 표면을 만들었습니다. |
| Ethanol | |||
| LR white resin, medium grade (catalyzed) | Electron Microscopy Sciences | 14381 | 500 mL bottle, Lot #150629 |
| Mesenchymal stem cells (MSCs) | N/A | N/A | MSCs for nanomechanical studies는 Goelzer, M. et al. "Lamin A/C는 지방형성의 기계적 억제에 필수적입니다" Int J mol Sci 22: 6580 (2021) doi:10.3390/ijms22126580 and Peister, A. et al. "근친 마우스의 다른 균주에서 분리된 골수(MSC)의 성체 줄기세포는 표면 항원결정기, 증식 속도 및 분화 잠재력이 다릅니다" Blood 103: 1662-1668 (2004), doi:10.1182/blood-2003-09-3070. |
| 모듈러스 표준 | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | 은 HOPG(E = 18 GPa) 및 PS(E = 2.7 GPa)를 사용했습니다. 또한 2x PDMS(Tack 0, E = 2.5MPa를 포함합니다. Tack 4, E = 3.5 MPa), PS-LDPE(E = 2.0/0.2 GPa), 용융 실리카(E = 72.9 GPa), 사파이어(E - 345 GPa) 및 팁 특성화(티타늄 거칠기) 시료. 모든 샘플은 12mm 직경의 강철 디스크(샘플 퍽)에 사전 장착되어 제공됩니다. |
| 백운 | Ted Pella | 50-12 | 12mm 직경, V1 등급 백운모 |
| 운모 Nanscope Analysis | Bruker | 버전 2.0 | 무료 AFM 이미지 처리 및 분석 소프트웨어 패키지, 그러나 Bruker AFM을 위해 설계되고 독점적/제한됩니다. Gwyddion, WSxM 등과 같은 무료 플랫폼 독립적인 AFM 이미지 처리 및 분석 소프트웨어 패키지에서 유사한 기능을 사용할 수 있습니다. 힘 곡선 분석을 위한 기능이 내장되어 있지만 AtomicJ는 힘 곡선 분석을 위해 더 유연하고 완전한 기능을 갖추고 있으며(예: 선택할 수 있는 더 많은 내장 접촉 역학 모델, 힘 곡선 피팅 결과의 통계 분석 등) 힘 곡선의 일괄 처리를 처리합니다. |
| 인지질: POPC, 콜레스테롤(양) | Avanti 극성 지질 | POPC: CAS # 26853-31-6, 콜레스테롤: CAS # 57-88-5 | 클로로포름(25mg/mL)에 용해된 POPC 지질을 공급업체에서 얻어 추가 정제 없이 사용했습니다. 같은 공급업체의 콜레스테롤 분말을 클로로포름(20mg/mL)에 용해시켰습니다. |
| 프로브 홀더 (유체, 지질 이중층) | Bruker | MTFML-V2 | 사용된 특정 AFM에 특이; MTFML-V2는 멀티모드 AFM에서 유체를 스캔하기 위한 유리 프로브 홀더입니다. |
| 프로브 홀더(유체, MSC) | Bruker | FastScan Bio Z-스캐너 | Dimension FastScan 헤드(XY 굴곡 스캐너)와 함께 사용됩니다. 일련 번호 MXYPOM5-1B154. |
| 프로브 홀더(표준, 주변) | Bruker | DAFMCH | 사용된 특정 AFM에 특정; DAFMCH는 나노인덴테이션(PF-QNM, FFV 및 포인트 앤 슛 램핑)에 적합한 Dimension Icon AFM용 표준 접촉 및 태핑 모드 프로브 홀더입니다. |
| 샘플 퍽 | Ted Pella | 16218 | 제품 번호는 직경 15mm 스테인리스강 샘플 퍽용입니다. |
| 파이어 기판 | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | 매우 단단한 표면(E = 345 GPa)에서 6mm, 10mm, 12mm 및 20mm 직경으로도 제공(모든 편향이 기판이 아닌 프로브에서 발생하기를 원함). PF-QNM/모듈러스 표준 키트의 일부입니다. |
| 주사 전자 현미경 | Hitachi | S-3400N-II | Boise State에 있습니다. 적층 제조(AM) Ti-6Al-4V를 제외한 모든 샘플에서 공동 국소화된 SEM/EDS를 수행하는 데 사용됩니다. |
| 실리콘 AFM 프로브(표준) | NuNano | Scout 350 | 반사 알루미늄 후면 코팅이 된 표준 태핑 모드 실리콘 프로브; k = 42 N/m(공칭), f0 = 350kHz. 공칭 R = 5nm. 코팅되지 않은 또는 반사 금 뒷면 코팅으로 사용할 수도 있습니다. 유사한 사양의 프로브는 다른 제조업체에서 구입할 수 있습니다(예: Bruker TESPA-V2). |
| 실리콘 AFM 프로브 (뻣뻣함) | Bruker | RTESPA-525, RTESPA-525-30 | 반사 알루미늄 후면 코팅이 된 회전식 팁 에칭 실리콘 프로브; k = 200 N/m (공칭), f0 = 525 kHz. 공칭 R = RTESPA-525의 경우 8nm, R = RTESPA-525-30의 경우 30nm. 각 RTESPA-525-30의 스프링 상수는 레이저 도플러 진동계를 통해 공장에서 개별적으로 측정되며 프로브와 함께 제공됩니다. |
| 실리콘 카바이드 그릿 페이퍼 (연마 디스크) | Allied | 50-10005 | 120 그릿 |
| 실리콘 질화물 AFM 프로브 (소프트, 큰 반경 반구형 팁) | Bruker | MLCT-SPH-5UM, MLCT-SPH-5UM-DC | 또한 MLCT-SPH-1UM-DC. 공장에서 보정된(모든 캔틸레버의 프로브 반경 및 스프링 상수) 큰 반경(R = 1 또는 5mm) 반구형 팁(23mm 길이의 원통형 샤프트 끝) 프로브의 새로운 제품 라인. DC = 드리프트 보상 코팅. 6 캔틸레버/프로브(A-F). 공칭 스프링 상수: A, k = 0.07 N/m; B, k = 0.02 N/m; 씨, k = 0.01 N/m; 디, k = 0.03 N/m; E, k = 0.1 N/m; F, k = 0.6 N/m. |
| 질화규소 AFM 프로브(소프트, 미디엄 샤프 팁) | Bruker | DNP | 4 캔틸레버/프로브(A-d). 공칭 스프링 상수: A, k = 0.35 N/m; B, k = 0.12 N/m; 씨, k = 0.24 N/m; 디, k = 0.06 N/m. 곡률의 공칭 반경, R = 10nm. |
| 질화규소 AFM 프로브(부드럽고 날카로운 팁) | Bruker | ScanAsyst-Air | 공명값: 공진 주파수, f0 = 70kHz; 스프링 상수, k = 0.4 N/m, 곡률 반경, R = 2nm. 힘 곡선 기반 AFM 이미징을 위해 설계되었습니다. |
| 초강력 | 접착제 Henkel | Loctite 495 | 시아노아크릴레이트 기반 순간 접착제. 대략 동등한 제품을 많이 쉽게 구할 수 있습니다. |
| 주사기 펌프 | New Era 펌프 시스템 | NE1000US | 주입 및 인출 용량이 있는 1채널 주사기 펌프 시스템 |
| 팁 특성화 표준 | Bruker | PFQNM-SMPKIT-12M | 티타늄(Ti) 거칠기 표준. PF-QNM/모듈러스 표준 키트의 일부입니다. |
| 초고순도 질소(UHP N2), 99.999% | Norco | SPG TUHPNI - T | T 크기 초고순도(99.999%) 질소 압축 가스 실린더 시료 건조용 |
| 초소형 절편기 | Leica | EM UC6 | 유리 블레이드(표준, 초기 시료 준비용) 및 다이아몬드 블레이드(최종 준비용) 장착초 |
| 순수 | Thermo Fisher | Barnstead Nanopure Model 7146 | 모델은 단종되었지만 동등한 제품을 사용할 수 있습니다. &ge를 생성합니다. 18.2 MΩ*cm 초순수, 인라인 UV 모니터링 당 1-5ppb TOC(총 유기 함량). 0.2 µ 포함; m 미립자 필터, 이온 교환 컬럼 및 UV 산화 챔버. |
| 가변 속도 그라인더 | Buehler | EcoMet 3000 | 핸드 폴리싱 시 실리콘 카바이드 그릿 종이와 함께 사용됩니다. |
| 방진 테이블 (활성) | Herzan | TS-140 | Bruker MultiMode AFM과 함께 사용됩니다. TMC 65-531 방진 테이블에 장착됩니다. Bruker Dimension Icon AFM은 엄격한 수동 진동 절연(맞춤형 음향 후드, 에어 테이블 및 화강암 슬래브가 있는 제조업체에서 제공)을 사용합니다. |
| 방진 테이블(패시브) | TMC | 65-531 | 35" x 30" 방진 테이블(에어 댐핑 옵션)(비활성화). Bruker MultiMode AFM과 함께 사용됩니다. Herzan TS-140 "테이블 스테이블" 능동 진동 제어 테이블이 상단에 있습니다. |
참고문헌
- 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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재인쇄 및 허가
