Technika koloidní sondy - Colloidal probe technique

Schéma techniky koloidní sondy pro přímé měření síly v geometrii koule-rovina a koule-koule.

The technika koloidní sondy se běžně používá k měření interakčních sil působících mezi koloidní částice a / nebo rovinné povrchy ve vzduchu nebo v roztoku. Tato technika se spoléhá na použití mikroskop atomové síly (AFM). Avšak místo a konzola s ostrým hrotem AFM se používá koloidní sonda. Koloidní sonda se skládá z koloidní částice o průměru několika mikrometrů, která je připojena k konzole AFM. Techniku ​​koloidní sondy lze použít v sférická rovina nebo koule-koule geometrie (viz obrázek). Jeden typicky dosahuje rozlišení síly mezi 1 a 100 pN a rozlišení vzdálenosti mezi 0,5 a 2 nm.

Technika koloidní sondy byla vyvinuta v roce 1991 nezávisle Duckerem[1] a zadek.[2] Od svého vývoje si tento nástroj získal širokou popularitu v mnoha výzkumných laboratořích a ve vědecké literatuře jsou k dispozici četné recenze.[3][4][5]

Alternativní techniky pro měření síly mezi povrchy zahrnují aparát povrchových sil, celková vnitřní reflexní mikroskopie, a optická pinzeta techniky s videomikroskopií.

Účel

Možnost přímo měřit síly zahrnující částice a povrchy je zásadní, protože tyto síly jsou relevantní v různých procesech zahrnujících koloidní a polymerní systémy. Mezi příklady patří agregace částic, reologie suspenze, depozice částic a procesy adheze. Jeden může stejně studovat podobné biologické jevy, jako je depozice bakterie nebo infekce buňky podle viry. Síly jsou stejně nejinformativnější pro zkoumání mechanických vlastností rozhraní, bubliny, kapsle, membrány nebo buněčné stěny. Taková měření umožňují dělat závěry o elastické nebo plastické deformaci nebo eventuálním prasknutí v takových systémech.

Technika koloidní sondy poskytuje univerzální nástroj pro měření takových sil mezi koloidní částice a rovinným substrátem nebo mezi dvěma koloidními částicemi (viz obrázek výše). Částice použité v takových experimentech mají obvykle průměr mezi 1–10 μm. Typické aplikace zahrnují měření elektrické energie síly dvou vrstev a odpovídající povrchové potenciály nebo povrchový náboj, van der Waalsovy síly nebo síly vyvolané adsorbovanými polymery.[3][5][6]

Zásada

Technika koloidní sondy používá standard AFM pro měření síly. Ale místo toho konzola AFM s připojeným ostrým hrotem používá koloidní sonda. Tato koloidní sonda se normálně získává připojením koloidní částice k konzole. Zaznamenáním vychýlení konzoly jako funkce svislého posunutí skeneru AFM lze extrahovat sílu působící mezi sondou a povrchem jako funkce oddělení povrchu. Tento typ operace AFM se označuje jako silový režim. Pomocí této sondy lze studovat interakce mezi různými povrchy a částicemi sondy v geometrie koule-rovina. Je také možné studovat síly mezi koloidními částicemi připojením další částice k substrátu a provést měření v koule-koule geometrie, viz obrázek výše.

Princip měření síly technikou koloidní sondy. Ilustrace posunutí skeneru D, vychýlení konzoly ξa signál páky S.

Režim síly použitý v technice koloidní sondy je znázorněn na obrázku vlevo. Skener je vyroben z piezoelektrické krystaly, které umožňují jeho polohování s přesností lepší než 0,1 nm. Skener se zvedne směrem k sondě a tím zaznamená posunutí skeneru D. Současně je průhyb konzoly ξ je také monitorováno, obvykle se srovnatelnou přesností. Jeden změří průhyb zaostřením světelného paprsku vycházejícího z nekoherentní laserové diody na zadní stranu konzoly a detekcí odraženého paprsku rozdělením fotodioda. Signál páky S představuje rozdíl ve fotoproudech pocházejících ze dvou polovin diody. Signál páky je proto úměrný výchylce ξ.

Během cyklu přiblížení-zasunutí se zaznamená signál páky S jako funkce svislého posunutí D skeneru. Předpokládejme na okamžik, že sonda a podklad jsou tvrdé a nedeformovatelné předměty a že mezi nimi nepůsobí žádné síly, když nejsou v kontaktu. V takové situaci se odkazuje na a tvrdé odpuzování. Konzola se tak nebude deformovat, pokud nebude v kontaktu s podkladem. Když se konzola dotkne podkladu, jeho průhyb bude stejný jako posunutí podkladu. Tato odpověď se označuje jako neustálé dodržování předpisů nebo kontaktní region. Signál páky S jako funkce posunu skeneru D je zobrazen na obrázku níže. Tento graf se skládá ze dvou přímek připomínajících hokejku. Pokud povrchy nejsou v kontaktu, bude signál páky označen jako S0. Tato hodnota odpovídá nedeformované páce. V oblasti konstantní poddajnosti je signál páky jednoduše lineární funkcí posunutí a může být reprezentován jako přímka

S = A D + b

Parametry A a b lze získat z metody nejmenších čtverců oblasti konstantní shody. Inverzní sklon A−1 se také označuje jako citlivost optické páky. Převrácením tohoto vztahu pro signál páky S0, což odpovídá nedeformované páce, lze přesně získat kontaktní bod z D0 = (S0 − b)/A. Přesnost při určování tohoto kontaktního bodu je v závislosti na substrátu mezi 0,5–2 nm. V oblasti konstantní poddajnosti je deformace páky dána vztahem

ξ = (S − S0)/A

Tímto způsobem lze detekovat výchylky konzoly s typickým rozlišením lepším než 0,1 nm.

Odezva koloidní sondy na různé silové profily. Profily sil jsou zobrazeny v horní řadě a konzolová odezva ve spodní části. Zleva doprava: Odpor tvrdého jádra, měkký odpor a přitažlivost.

Uvažujme nyní o relevantní situaci, kdy interagují sonda a substrát. Označme tím F(h) síla mezi sondou a substrátem. Tato síla závisí na oddělení povrchu h.V rovnováze je tato síla kompenzována vratnou silou pružiny, která je dána Hookeův zákon

F = k ξ

kde k je pružinová konstanta konzoly. Typické pružinové konstanty konzol AFM se pohybují v rozmezí 0,1–10 N / m. Vzhledem k tomu, že výchylka je sledována s přesností lepší 0,1 nm, je obvykle dosaženo rozlišení síly 1 - 100 pN. Oddělovací vzdálenost lze zjistit z posunutí skeneru a vychýlení konzoly

h = ξ + D − D0

Obrázek níže ukazuje, jak konzola reaguje na různé silové profily. V případě měkké odpudivé síly je konzola odrazena od povrchu a jen pomalu se přibližuje k oblasti konstantní poddajnosti. V takových situacích může být skutečně obtížné tuto oblast správně identifikovat. Když je síla přitažlivá, konzola je přitahována k povrchu a může se stát nestabilní. Z úvah o stabilitě zjistíme, že konzola bude nestabilní

dF/dh > k

Tento nestabilita je zobrazen v pravém panelu obrázku vpravo. Jak se konzola blíží, sklon křivky síly se zvyšuje. Když je sklon větší než konstanta pružiny konzoly, konzola skočí do kontaktu, když sklon křivky síly překročí silovou konstantu konzoly. Po zatažení se stane stejný jev, ale bodu, kde konzola vyskočí, je dosaženo s menším oddělením. Po přiblížení a zatažení systém zobrazí a hystereze. V takových situacích nelze zkoumat část silového profilu. Tomuto problému je však možné se vyhnout použitím tužší konzoly, i když na úkor rozlišení nižší síly.

Rozšíření

Koloidní sondy se obvykle vyrábějí lepením koloidní částice na konzolový nosník bez špičky pomocí mikromanipulátor ve vzduchu. Následné navlhčení sondy může vést k tvorbě nanosized bublin na povrchu sondy. Tomuto problému lze zabránit vhodným připojením koloidních částic za mokra v AFM fluidním článku funkcionalizováno konzoly.[5] Zatímco technika koloidní sondy se většinou používá v geometrii koule-rovina, lze ji také použít v geometrii koule-koule.[6] Druhá geometrie dále vyžaduje boční centrování dvou částic, které lze dosáhnout buď optickým mikroskopem nebo AFM skenem. Výsledky získané v těchto dvou různých geometriích mohou souviset s Derjaguinová aproximace.

Měření síly závisí na přesné hodnotě konstanty pružiny konzoly. Tuto pružinovou konstantu lze měřit různými technikami.[3][4] The tepelný hluk metoda je nejjednodušší, protože je implementována na většině AFM. Tento přístup se opírá o stanovení střední čtvercové amplitudy konzolového posunutí v důsledku spontánního teplotní výkyvy. Toto množství souvisí s konstantou pružiny pomocí teorém ekvipartice. V přidaná hromadná metoda jeden připevní na konzolu řadu kovových korálků a v každém případě určí rezonanční frekvenci. Využitím vztahu pro a harmonický oscilátor mezi rezonanční frekvencí a přidanou hmotou lze také vyhodnotit pružinovou konstantu. The metoda třecí síly spoléhá na měření křivek přiblížení a zatažení konzoly přes viskózní kapalinu. Vzhledem k tomu, hydrodynamické táhnout koule v blízkosti rovinného substrátu je teoreticky známa, lze odvodit konstantu pružiny konzoly. The geometrická metoda využívá vztahů mezi geometrií konzoly a jejími elastickými vlastnostmi.

Separace se obvykle měří od počátku oblasti konstantní poddajnosti. Zatímco relativní povrchovou separaci lze určit s rozlišením 0,1 nm nebo lepším, absolutní povrchová separace se získá od počátku oblasti konstantní poddajnosti. Zatímco tento nástup lze určit pro pevné vzorky s přesností mezi 0,5–2 nm, umístění tohoto nástupu může být problematické pro měkké odpudivé interakce a pro deformovatelné povrchy. Z tohoto důvodu byly vyvinuty techniky pro nezávislé měření povrchové separace (např. mikroskopie s úplným vnitřním odrazem, reflexní interferenční kontrastní mikroskopie ).[7]

Skenováním vzorku s koloidní sondou bočně umožňuje exploitovat tření síly mezi sondou a substrátem.[4] Protože tato technika využívá kroucení konzoly musí být pro získání kvantitativních údajů určena torzní pružinová konstanta konzoly.

Příbuznou technikou zahrnující podobný typ měření síly s AFM je spektroskopie jedné molekulární síly. Tato technika však používá běžný hrot AFM, ke kterému je připojena jedna molekula polymeru. Z retrakční části silové křivky lze získat informace o roztažení polymeru nebo jeho odlupování z povrchu.

Viz také

Reference

  1. ^ Ducker, William A .; Senden, Tim J .; Pashley, Richard M. (1991). "Přímé měření koloidních sil pomocí mikroskopu pro atomové síly". Příroda. 353 (6341): 239–241. Bibcode:1991Natur.353..239D. doi:10.1038 / 353239a0. ISSN  0028-0836..
  2. ^ Butt, Hans-Jürgen (1991). „Měření elektrostatických, van der Waalsových a hydratačních sil v elektrolytických roztocích mikroskopem s atomovou silou“. Biofyzikální deník. 60 (6): 1438–1444. Bibcode:1991BpJ .... 60,1438B. doi:10.1016 / S0006-3495 (91) 82180-4. ISSN  0006-3495. PMC  1260203. PMID  19431815.
  3. ^ A b C Butt, Hans-Jürgen; Cappella, Brunero; Kappl, Michael (2005). "Měření síly pomocí mikroskopu atomové síly: Technika, interpretace a aplikace". Zprávy o povrchových vědách. 59 (1–6): 1–152. Bibcode:2005SurSR..59 .... 1B. doi:10.1016 / j.surfrep.2005.08.003. ISSN  0167-5729.
  4. ^ A b C Ralston, John; Larson, Ian; Rutland, Mark W .; Feiler, Adam A .; Kleijn, Mieke (2005). „Mikroskopie atomové síly a přímé měření povrchové síly (technická zpráva IUPAC)“. Čistá a aplikovaná chemie. 77 (12): 2149–2170. doi:10.1351 / pac200577122149. ISSN  1365-3075.
  5. ^ A b C Borkovec, Michal; Szilagyi, Istvan; Popa, Ionel; Finessi, Marco; Sinha, Prashant; Maroni, Plinio; Papastavrou, Georg (2012). „Vyšetřování sil mezi nabitými částicemi v přítomnosti opačně nabitých polyelektrolytů technikou koloidní sondy s více částicmi“. Pokroky ve vědě o koloidech a rozhraní. 179-182: 85–98. doi:10.1016 / j.cis.2012.06.005. ISSN  0001-8686.
  6. ^ A b I. Larson, Ian; Drummond, Calum J .; Chan, Derek Y. C .; Grieser, Franz (1995). "Přímé měření síly mezi různými oxidy kovů". The Journal of Physical Chemistry. 99 (7): 2114–2118. doi:10.1021 / j100007a048. ISSN  0022-3654.; Toikka, Gary; Hayes, Robert A .; Ralston, John (1996). "Povrchové síly mezi sférickými částicemi ZnS ve vodném elektrolytu". Langmuir. 12 (16): 3783–3788. doi:10.1021 / la951534u. ISSN  0743-7463..
  7. ^ Clark, Spencer C .; Walz, John Y .; Ducker, William A. (2004). „Atomic Force Microscopy Colloid-Probe Measurements with Explicit Measurement of Particle-Solid Separation“. Langmuir. 20 (18): 7616–7622. doi:10.1021 / la0497752. ISSN  0743-7463. PMID  15323510.