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涡街流量计

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浅析涡街流量计如何帮助改善AFM?

来源:作者:发表时间:2019-12-04

    只有对聚合物的化学性质和表面拓扑结构进行了充分研究,才能理解其功能。聚合物被用于许多领域和应用中,包括许多保护性涂层和薄膜,在所有这些情况下,界面的表面性质和相互作用至关重要。

    扫描电子显微镜和透射电子显微镜是用于研究表面特征的标准技术。两者均基于使用电子束扫描样品表面。但是,损坏样品的风险以及将最终图像限制在二维范围内是这些方法的严重限制。因此,这导致了原子力显微镜(AFM)的发展。

    原子力显微镜源自使用原子间力对样品表面进行建模。它以完整的形式保存样品,并提供表面的三维图。它是扫描隧道显微镜的改进,由Binnig和Quate于1986年推出。

    AFM现在在生物学研究,高分子科学,材料科学和药物研究中变得至关重要。

    基本原则
    AFM的各个组成部分包括:

    悬臂 -一种非常灵活的弹簧,在通过探针或涡街流量计尖端扫描样品表面期间提供位置变化
    探针 -感测表面特性
    激光二极管 -发出光束
    镜子-将反射光束重定向到光电探测器
    位置敏感光电探测器 -测量悬臂偏转
    压电扫描仪 -将样品定位到Angstrom单位内的精度
    计算机-控制设置并执行数据的获取,显示和分析

    原子力显微镜的工作
    AFM的探针尖端连接到弹簧悬臂上。当尖端距离表面足够近以至在原子间分离距离之内时,样品表面上的 原子和探针尖端会在原子水平上相互作用。这些原子间电势导致振动悬臂根据样品表面形貌发生偏转。可以将其转换为表面的可视化图。

    激光束指向悬臂末端,反射光束随悬臂的偏转而改变位置。这由光电探测器拾取。样品架是重要的组件,它利用涡街流量计的输出作为反馈,通过压电扫描管将样品表面保持在预定的原子间距离内。

    悬臂运动被转换成最终的三维图像,这通常可以通过使用激光束以原子分辨率实现。

    成像速度随悬臂的共振频率而增加。通过减小悬臂尺寸或选择合适的材料,可以调制频率,并且还可以提高图像质量以及信噪比。

    AFM中的涡街流量计
    涡街流量计或探头尖端在AFM的功能中至关重要。尽管当前大多数AFM使用由硅晶体制成的微机械力涡街流量计,但越来越多的机器正在切换到压电石英涡街流量计,尤其是在使用真空时。它们是自感应的,有两种类型:针型涡街流量计和qPlus涡街流量计。它们分别基于长度延伸谐振器和音叉。

 

涡街,<a href=http://carsgw.com/ target=_blank class=infotextkey>蒸汽流量计</a>.jpg

 

    自感应力涡街流量计
    自感应力涡街流量计可轻松将扫描隧道显微镜转换为AFM。qPlus类型使用一个音叉的脚,该音叉连接到坚固的底座上,而另一个脚支撑涡街流量计的尖端。这些使得可以降低成本,并通过增加刚度来实现悬臂振荡的小振幅。这样可以提高信噪比,并对样品表面和尖端之间的短程相互作用具有更高的灵敏度。

    自感应qPlus探头可使用多种材料制成尖端,并具有紧凑的尺寸。它们甚至可以在本地实验室中构建。它们的成像速度大大提高。而且,测量头现在是运动部件,而不是样品台,这可以简化AFM的结构并减小规模。另外,尽管光学AFM要求校准,但也避免了校准的需要。

    但是,在本地组装qPlus探针可能缺乏可重复性和可靠性。这是因为复杂的涡街流量计架构使结果很大程度上取决于组装它的人员的专业知识。

    在扫描生物样品时,引入了完全浸入液体中的软硅悬臂梁,以最小化相互作用力并避免样品损坏或永久变形。较软的杠杆可更好地检测偏转。

    但是,研究表明,较硬的qPlus涡街流量计可与调频AFM结合使用,以在生物样品上实现亚分子分辨率。在此,使涡街流量计以选定的幅度振荡,并且将频移测量为样品表面和尖端之间力梯度的反映。非常好的的成像是通过以最小的仪器噪声实现的最大可检测力梯度来实现的。

    尽管通过机械驱动器使用通过液体驱动的软悬臂导致在共振频率附近产生“峰林”,但使用更硬的涡街流量计可避免这种影响,并通过单调相位响应产生更稳定的反馈。可以与真空中的压电检测器结合使用,以实现小于100 pm的振幅,这对短程力更敏感。

    多个涡街流量计阵列
    AFM中设想的另一项改进是在压电控制器中使用多个涡街流量计来调节样品台的垂直z移动。这里有一个内外控制设置,可最大程度地减少可能在图像中产生伪像的高频动态结果。预期这将改善成像性能。

    纳米机械悬臂梁涡街流量计和基于微悬臂梁的生物涡街流量计
    可以使用纳米机械悬臂梁涡街流量计(NCS)和基于微悬臂梁的生物涡街流量计(MC-B)来研究AFM与样品表面之间的化学相互作用,从而可以简单,经济高效地在化学过程中对特定化学物质进行快速,灵敏的原位检测力显微镜(CFM)。这些AFM探针是通过化学修饰专门设计的,具有经过仔细暴露的特定官能团,可以拾取被扫描表面上分子的某些基团和方向。这些涡街流量计将它们检测到的化学性质数据传输到其他信号中,例如电导率或电阻。这可以提供强大的工具来研究生物和无机样品中的表面化学和原子之间的力。