مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی

آنالیزها و تجهیزاتتجهیزاتتصویر برداریدسته‌بندی نشدهزیست فناوریشیمی، پلیمر و نساجینانوتکنولوژی

نوشته شده توسط:

مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی در ادامه مقاله اجزای این میکروسکوپ ارائه شده است، تا علاوه بر آشنایی با مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی و مزایا و معایب آنها را بررسی کند. علاوه بر این در ادامه انواع میکروسکوپ های نیروی اتمی و کاربرد آن در زمینه های مختلف مطرح می شود.

تفاوت مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی

مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی به شرح زیر است:

مد تماسی (Contact Mode)

میکروسکوپ نیروی اتمی از سال ۱۹۸۶ تا کنون دچار تغییرات و توسعه‌های زیادی شده است. اولین میکروسکوپ AFM از نوع تماسی بوده است. در میکروسکوپ نوع تماسی، نوک پروب، که به انتهای یک کانتیلور متصل شده است، سطح نمونه را به صورت شطرنجی اسکن می‌کند. در این حالت، سوزن تماس فیزیکی نرمی با نمونه دارد و جا‌به‌جا کردن تیرک به بالا و پایین، موجب می‌شود تا سوزن دستگاه در نیروی ثابتی نگه‌داشته شده و با اندازه‌گیری میزان انحراف تیرک متناسب با پستی‌بلندی‌های سطح نمونه، نیروی دافعه اندازه‌گیری می‌شود.  انحراف کانتیلور به دلیل تعاملات بین سطح نمونه و پروب، شکل سطح نمونه را آشکار می‌کند. در نوع تماسی، مطالعه‌ی نمونه‌ها در هر محیطی (اعم از هوا، مایعات، و یا خلا) امکان‌پذیر است. اما بررسی سطوح نموه‌های بیولوژیکی توسط آن کمی مشکل است. زیرا این نمونه‌ها اغلب دارای سطحی نرم، و اتصالات ضعیف هستند که آن‌ها را نسبت به نمونه‌های دیگر، آسیب‌پذیرتر می‌کند. در مجموع  تماس مستقیم سوزن دستگاه با نمونه می‌تواند باعث صدمه زدن به نمونه شود، بنابراین این حالت را نمی‌توان برای نمونه‌های نرم به کار برد.
مزایا: سرعت روبش، مناسب برای سطوح سخت و قابل استفاده برای بررسی اصطکاک

معایب: آسیب به نمونه‌های نرم با جابه‌جا کردن اتم‌ها

مد غیرتماسی (Non-Contact Mode)

مد تماسی میکروسکوپ AFM

مد غیرتماسی (Non-Contact Mode)

این میکروسکوپ برای اولین بار در سال ۱۹۸۷ و طی تلاش برای ارائه تصاویری دقیق‌تر از نمونه‌های زیستی ارائه شد. در این نوع میکروسکوپ، کانتیلور در محدوده‌ی نزدیک به فرکانس رزونانس، در فاصله‌ای کم (۱ تا ۱۰ نانومتر) برفراز نمونه نوسان می‌کند. نیروهای جاذب دوربرد باعث القای تغییرات در دامنه، فرکانس، و فاز کانتیلور شده و فاصله‌ی ثابت طی اسکن سطح را حفظ می‌کنند؛ و با توجه به اینکه نیروهای اعمال‌شده بر نمونه در مقایسه با مدل تماسی بسیار پایین‌تر است، حتی نرم‌ترین نمونه‌ها نیز بدون ایجاد هرگونه آسیب توسط آن قابل بررسی هستند.

مزایا: نیروی بسیار کمی به نمونه اعمال می‌شود و طول عمر سوزن زیاد است.
معایب: قدرت تفکیک پایین‌تر، آلودگی سطحی موجب تداخل در تصویر شده و اغلب برای تصویربرداری مناسب به خلاء بسیار بالا نیاز دارد.

مد غیرتماسی (Non-Contact Mode)

مد غیرتماسی میکروسکوپ نیروی اتمی

مد تماس متناوب یا ضربه‌ای (Tapping Mode)

مد تماسی برای اولین بار در سال ۱۹۹۳ معرفی شد. در این مد نیز همانند نوع غیرتماسی، کانتیلور در فرکانس رزونانس نوسان می‌کند اما برخلاف آن، در طی اسکن سطح به آرامی به آن ضربه زده و به این طریق از آسیب نیروهای جانبی می‌کاهد. در این حالت با ثابت نگه‌داشتن دامنه نوسان، برهم‌کنش‌های سوزن و نمونه ثابت نگه‌داشته می‌شود و تصویر پستی‌بلندی‌های سطح بدست می‌آید.
مزایا: بررسی نمونه‌های نرم، مناسب برای نمونه‌های زیستی
معایب: برای تصویربرداری از نمونه‌های درون مایع مانند نمونه‌های زیستی مشکل‌ساز است و سرعت روبش پایینی دارد.

مد تماس متناوب یا ضربه‌ای (Tapping Mode)

مد تماس متناوب یا ضربه‌ای میکروسکوپ نیروی اتمی

پس از آشنا شدن با مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی در مورد انواع میکروسکوپ های AFM  آشنا می شویم و کاربردها و عملکرد هر کدام را بررسی می کنیم.

انواع مختلف میکروسکوپ نیروی اتمی و کاربرد های هر کدام

در ادامه بحث مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی تقسیم بندی انواع میکروسکوپ های نیروی اتمی بر اساس حرکت تیپ بر روی سطح نمونه به صورت زیر است:

(Lateral Force Microscopy (LFM

اصل (Lateral Force Microscopy (LFM شبیه حالت تماسی است، در مد تماسی انحراف کانتیلور در راستای عمودیارزیابی می شود ولی در LFM انحراف کانتیلور در راستای افقی اندازه گیری می شود. انحراف جانبی کانتیلور در زمان اسکن سطح نمونه، نتیجه نیروی اعمال شده به کانتیلور می باشد و اندازه این انحراف با ضریب اصطکاک، توپوگرافی سطح نمونه، راستای حرکت کانتیلور و ثابت فنر آن ارزیابی می گردد. از Lateral Force Microscopy برای تعیین خواص اصطکاکی، بالابردن کنتراست در ناهمواری های نمونه و یا تشخیص مرزهای مختلف مواد متفاوت(غیرهموژن) در سطحاستفاده می شود.

عملکرد : اصولی مشابه حالت مد تماسی

کاربرد :‌ تعیین خواص اصطکاکی، بالابردن کنتراست در ناهمواری های نمونه و یا تشخیص مرزهای مختلف مواد متفاوت(غیر هموژن) در سطح

(Lateral Force Microscopy (LFM

LFM

 (Magnetic Force Microscopy (MFM

در مد Magnetic Force Microscopy یک تیپ مغناطیسی، نمونه ی مغناطیسی را اسکن می کند. در این مد توزیع نواحی مغناطیسی نمونه با استفاده از اثرهای متقابل مغناطیسی نمونه- تیپ مشاهده می گردد. در این روش به طور معمول از مد غیرتماسی استفاده می شود و خصوصیات سطح و نیروهای متقابل، نیروهای مغناطیسی می باشند. علاوه بر نیروهای مغناطیسی، نیروهای واندروالسی نیز بر اساس فاصله تیپ- نمونه تغییر می کند و در نتیجه برای ارزیابی توپوگرافی سطح نیز استفاده می شود.

عملکرد : مدلی از مد غیرتماسی. تصویربرداری نمونه ی مغناطیسی با تیپ مغناطیسی

کاربرد :‌ مشاهده توزیع نواحی مغناطیسی نمونه با استفاده از اثرهای متقابل مغناطیسی نمونه – تیپ.

 (Magnetic Force Microscopy (MFM

MFM

(Electric Force Microscopy (EFM

(Electric Force Microscopy (EFM یک مدل از مد غیرتماسی است که در آن نیروی الکترواستاتیکی بررسی می شود. این نیرو بخاطر جاذبه یا دافعه ی بارهای جداگانه زیاد می شود. و یک نیروی دوربرد می باشد و می توان آن را در فاصله ی ۱۰۰ nm یا بیشتر ارزیابی کرد. به عنوان نمونه یک تیپ و نمونه ی رسانا را در نظر بگیرید که در فاصله ی z، جدا از هم و معمولا تحت خلاء هستند. ولتاژ بایاس بین تیپ و نمونه توسط یک باطری خارجی اعمال می شود و یک خازن را با ظرفیت c (بین تیپ و نمونه) تشکیل می دهد. انرژی کلی که در خازن ذخیره می گردد U = ½ C⋅ΔV2 است. کاری را که باطری انجام می دهد تا یک ولتاژ ثابت ΔV را بین صفحات خازن (تیپ و نمونه) نگه دارد-۲U می باشد. کانتیلور هنگامی که بارهای استاتیک را روبش می کند منحرف می شود. تصاویر Electric Force Microscopy حاوی اطلاعاتی در مورد خصوصیات الکتریکی مانند پتانسیل سطح و توزیع بار سطح نمونه را در اختیار ما قرار می دهد. همچنین می تواندنقشه ی میدان های الکترواستاتیکی مدارهای الکتریکی را در وسایل برقی وقتی که روشن- خاموش می شوند نشان دهد، این تکنیک به voltage probing معروف است.

عملکرد : مدلی از مد غیرتماسی جهت بررسی نیروهای الکترواستاتیکی

کاربرد :‌ تعیین خصوصیات الکتریکی مانند پتانسیل سطح و توزیع بار سطح نمونه

(Electric Force Microscopy (EFM

EFM

Force Spectroscopy

Force Spectroscopy روشی برای اندازه گیری نیروهای بین تیپ و سطح نمونه است. Force spectroscopy بیشتر وقتی لوپ فیدبک غیرفعال است استفاده می شود. در این مد کانتیلور و تیپ به مانند یک سنسور نیرو عمل می کنند. در واقع یک روش مولکولی است که اجازه می دهد اثرات متقابل مولکول ها را در ابعاد نانومتری بررسی کنیم. از این مد به طرز گسترده ای در هوا، مایع و محیط های کنترل شده مختلف استفاده می شود. Force spectroscopy قابلیت بدست آوردن ضریب صلبیت(k) در یک نقطه، ارزیابی اثرات متقابل بایوس مولکول ها مانند نیروهای لازم برای جدا کردن یک پیوند شیمیایی و مشخصه یابی پروتئین در حالت آنفولد را دارد.

عملکرد : روشی برای اندازه گیری نیروهای بین تیپ و سطح نمونه

کاربرد :‌ استفاده گسترده در هوا، مایع و محیط های کنترل شده

Force Spectroscopy

Force Spectroscopy

(Force Modulation Microscopy (FMM

مد Force Modulation Microscopy در حالت تماسی و با ایجاد ارتعاش روی کانتیلور، برای شناسایی تغییرات در خصوصیات مکانیکی سطح نمونه مانند الاستیسیته سطح، چسبندگی و اصطکاک استفاده می شود. در مد Force Modulation Microscopy تیپ AFM به صورت تماسی سطح نمونه را روبش می کند و دستگاه با یک مکانیسم فیدبک انحراف کانتیلور را اندازه گرفته و در یک نقطه ثابت نگاه می دارد. علاوه بر آن یک سیگنال دوره ای به نام “سیگنال محرکه” به پیزو اعمال می شود و تیپ را به لرزش در می آورد. جنبش تیپ به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. این سیگنال به صورت AC یا DC است و به صورت زیر تفسیر می شود.

  • سیگنال DC نمایانگر انحراف تیپ است. لوپ فیدبک Z از این سیگنال برای نگه داشتن نیرویی ثابت بین تیپ و نمونه به منظور ساخت تصویر توپو استفاده می کند.
  • سیگنال AC پاسخ تیپ بخاطر نوسان است. دامنه سیگنال AC (که دامنه FMM نامیده می شود) نسبت به خصوصیات الاستیسیته سطح نمونه حساس است. یک سطح سخت باعث انحراف نوسان شده که منجر به پاسخ دامنه ی بزرگ می شود. از طرف دیگر، یک نمونه ی نرم نوسان را جذب می کند که منجر به پاسخ دامنه کوچک می شود. تصویر FMM که مقیاسی برای خصوصیات الاستیسیته نمونه است بر اساس تغییرات دامنه FMM تولید می شود.

عملکرد : در حالت تماسی و با ایجاد ارتعاش روی کانتیلور

کاربرد :‌ برای شناسایی تغییرات در خصوصیات مکانیکی سطح مانند الاستیسیته سطح، چسبندگی و اصطکاک.

(Force Modulation Microscopy (FMM

FMM

(Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM

مد Kelvin Probe Microscopy در ابعاد نانومتری پتانسیل سطح در مقیاس وسیعی از مواد را ممکن می سازد. در واقع برای اندازه گیری اختلاف پتانسیل تماسی محلی بین تیپ رسانا و نمونه از آن استفاده می شود. در نتیجه از پتانسیل سطحی نمونه با رزولوشن فضایی بالا، تصویر تهیه می شود. مد Kelvin Probe Force Microscopy به عنوان یک روش خاص برای ارزیابی خصوصیات الکتریکی و الکترونیکی سطوح فلزی، نیمه هادی ها و کامپوزیت ها در ابعاد نانو استفاده می شود. همچنین می توان برای بدست آوردن تابع کار، مطالعه خصوصیات الکتریکی مواد ارگانیک و بیولوژیکی نیز از این روش استفاده کرد.

عملکرد : تصویربرداری در ابعاد نانومتری برای پتانسیل سطح در مقیاس وسیعی از مواد

کاربرد :‌ به عنوان یک روش خاص برای ارزیابی خصوصیات الکتریکی و الکترونیکی سطوح فلزی، نیمه هادی ها و کامپوزیت ها در ابعاد نانو. مطالعه خصوصیات الکتریکی مواد ارگانیک و بیولوژیکی.

(Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM

KPFM

(Conductive Atomic Force Microscopy (C-AFM

هنگام استفاده از مد (Conductive Atomic Force microscopy (C-AFM تصویربرداری سطح نمونه با تیپ رسانا به صورت تماسی صورت می گیرد و همزمان تصویر توپوگرافی نیز تولید می گردد. تصویر جریان و توپوگرافی به صورت همزمان از یک نقطه گرفته می شود و نشان می دهد که از سطح یک رسانا چه میزان جریان عبور می کند.

پس از رسیدن به تصویر توپو، تیپ ممکن است به نقطه دلخواه ما برود و ولتاژ افزایش یابد. این درحالی است که جریان برای بدست آمدن منحنی جریان- ولتاژ محلی اندازه گیری می شود. مزیت عمده ی C-AFM نسبت به دیگر روش های اندازه گیری الکتریکی، رسیدن به تصویر فضایی با رزولوشن بالا است.

به عنوان نمونه با استفاده از اندازه گیری های C-AFM از فیلم های نازک polycrystalline می توان به تفاوت رسانایی مرزها و قسمت داخلی گرانول ها رسید. همچنین از C-AFM می توان برای شناسایی مسیرهای رسانش سلول های خورشیدی استفاده نمود. از دیگر کاربردهای آن می توان به شناسایی نقص های الکتریکی و بررسی هدایت پلیمرها، نیمه هادی ها، نانوتیوب ها و حتی مواد ارگانیک اشاره کرد.

عملکرد : تصویربرداری سطح نمونه با تیپ رسانا به صورت تماسی

کاربرد :‌ رسیدن به تصویر فضایی مشخصه های الکتریکی با رزولوشن بالا. شناسایی مسیرهای رسانش سلول های خورشیدی. شناسایی نقص های الکتریکی و بررسی هدایت پلیمرها، نیمه هادی ها، نانوتیوب ها و حتی مواد ارگانیک

(Conductive Atomic Force Microscopy (C-AFM

C-AFM

(Piezoresponse Force Microscopy (PFM

هنگام استفاده از مد تصویربرداری (Piezoresponse Force Microscopy (PFM، تعیین مشخصات و اعمال تغییرات حوزه های فروالکتریک در مد تماسی صورت می گیرد. با استفاده از یک پروب رسانا که در تماس با سطح فروالکتریک (یا مواد پیزوالکتریک) است و اعمال یک جریان AC اولیه به پروب، در شکل نمونه تغییر ایجاد می شود. از PFM می توان برای بدست آوردن نمودار هیسترزیس مواد پیزوالکتریک سرامیکی و مواد بیولوژیکی مانند دندان و یا استخوان دارای خواص پیزوالکتریکی استفاده کرد. به عنوان نمونه، نشان داده شده است که یک تار کلاژنی تنها به کوچکی ۱۰۰ nmعمدتا به صورت یک پیزوالکتریک با ثابت ۱ pm/v رفتار می کند.

 

عملکرد : تصویربرداری، تعیین مشخصات و اعمال تغییرات حوزه های فروالکتریک در مد تماسی

کاربرد :‌ بدست آوردن نمودار هیسترزیس مواد پیزوالکتریک سرامیکی و مواد بیولوژیکی مانند دندان و یا استخوان دارای خواص پیزوالکتریکی

(Piezoresponse Force Microscopy (PFM

PFM

 

کاربرد ها

حال که با مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی آشنا شدیم و در مورد انواع میکروسکوپ ها بحث کردیم کاربردهای صنعتی و کلی این نوع از میکروسکوپ را بررسی می کنیم. امروزه میکروسکوپ نیروی اتمی با پیشرفت علم و معرفی ابزار دقیق استفاده‌ی گسترده‌ای در بسیاری از زمینه‌های علمی مانند علوم طبیعی، شامل فیزیک حالت جامد، مهندسی مولکولی، شیمی و فیزیک پلیمر، بیولوژی مولکولی، بیولوژی سلول، و پزشکی یافته است و به حل مشکلات آن‌ها کمک می‌کند. حال به برخی از این کاربردها اشاره خواهیم کرد:

کاربردهای میکروسکوپ نیروی اتمی در زمینه‌ی فیزیک حالت جامد شامل تشخیص اتم‌های تشکیل دهنده‌ی سطح، بررسی تعاملات بین اتم‌های مشخص و اتم‌های همسایه‌ی آن‌ها، و مطالعه‌ی چگونگی تغییرات خواص فیزیکی به دنبال تغییرات نظم اتمی طی دستکاری‌های اتمی می‌باشد.

در علم زیست‌شناسی مولکولی، میکروسکوپ نیروی اتمی برای مطالعه‌ی ساختار و خواص مکانیکی کمپلکس‌های پروتئینی و سایر ساختارهای پیچیده به کار می‌رود. برای مثال از میکروسکوپ نیروی اتمی تاکنون برای تصویربرداری از میکروتوبول‌ها و اندازه‌گیری سختی آن‌ها استفاده شده است.

کاربرد ها

کانتیلور کوچک در حین تصویربرداری از گلبول‌های قرمز

 

 

در زیست‌شناسی سلولی نیز می‌توان از میکروسکوپ نیروی اتمی با هدف تمییز سلول‌های سرطانی و سلول‌های طبیعی براساس سختی سلول‌ها، و نیز بررسی تعاملات موجود بین سلول‌های مشخص و سلول‌های همسایه‌ی آن‌ها در یک محیط کشت رقابتی استفاده کرد. همچنین از میکروسکوپ نیروی اتمی می‌توان برای مطالعه‌ی چگونگی تنظیم سختی یا شکل غشا و دیواره‌ی سلولی توسط سلول‌های گوناگون استفاده کرد.

 

ارائه آزمون AFM در آنابیز

امیدواریم مقاله مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی که در آن به انواع مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی ، انواع مختلف میکروسکوپ نیروی اتمی و کاربردهای آن پرداخته شد اطلاعات مفیدی در اختیارتان گذاشته باشد. از آنجایی که انجام آنالیز های میکروسکوپی و کار با مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی نیاز به تبحر و علم بالایی دارد، پلتفرم آنابیز سعی دارد شما را در انتخاب ارائه دهندگان خدمات مطلوب و با کیفیت یاری کند. از جمله ارائه دهندگان این خدمات در ایران می توان به پژوهشگاه مواد و انرژی و دانشگاه علم و صنعت ایران اشاره کرد. با استفاده از این لینک  میتوانید لیست خدمات ارائه شده در این زمینه را داشته باشید.

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *