دسته بندی نشده

میکروسکوپ نیروی اتمی AFM

می 19, 2014
Mahar Fan Abzar Co

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) تکنیکی است که امکان تصویربرداری از توپوگرافی و خواص مواد را در مقیاس میکرومتر و نانومتری فراهم می‌کند. اصل عملیاتی آن – یک نوک تیز بر روی یک پرتو انعطاف پذیر که بر روی سطح نمونه شطرنجی می شود.

فهرست

  • 1روش عمل
  • 2برنامه های کاربردی
  • 3مولفه های
  • 4حالت های عملیاتی
    • 4.1حالت ضربه زدن
    • 4.2حالت تماس
    • 4.3اندازه گیری نیرو
    • 4.4اندازه گیری نیروی اوج
    • 4.5پروب کلوین/پتانسیل سطحی
    • 4.6AFM پیزوالکتریک
    • 4.7AFM مغناطیسی
    • 4.8AFM برقی
    • 4.9ظرفیت AFM
    • 4.10میکروسکوپ تونل زنی اسکن
  • 5تجهیزات
  • 6منابع
  • 7بیشتر خواندن

روش عمل

یک AFM از یک کنسول با نوک بسیار تیز برای اسکن روی سطح نمونه استفاده می کند. همانطور که نوک به سطح نزدیک می شود، نیروهای جذاب و نزدیک بین سطح و نوک باعث می شود که کنسول به سمت سطح منحرف شود. با این حال، هنگامی که کنسول حتی به سطح نزدیک‌تر می‌شود، تا زمانی که نوک با آن تماس پیدا کند، نیروهای دافعه فزاینده‌ای بر آن تأثیر می‌گذارند و باعث می‌شوند که کنسول از سطح منحرف شود. از پرتو لیزر برای تشخیص انحراف های کنسول به سمت یا دور از سطح استفاده می شود. با انعکاس یک پرتو تابشی از بالای صاف کنسول، هر گونه انحراف کنسول باعث تغییرات جزئی در جهت پرتو بازتاب شده می شود. برای ردیابی این تغییرات می توان از یک دیود عکس حساس به موقعیت (PSPD) استفاده کرد. یک AFM توپوگرافی سطح نمونه را با اسکن کنسول بر روی یک منطقه مورد نظر تصویر می کند. ویژگی های برجسته و پایین بر روی سطح نمونه بر انحراف کنسول تأثیر می گذارد که توسط PSPD نظارت می شود. با استفاده از یک حلقه بازخورد برای کنترل ارتفاع نوک بالای سطح – در نتیجه حفظ موقعیت لیزر ثابت – AFM می‌تواند یک نقشه توپوگرافی دقیق از ویژگی‌های سطح ایجاد کند. اساساً AFM پتانسیل سطح روی نمونه را بررسی می‌کند، اگر از نوک رسانا استفاده شود، جریان جریان بین سطح و نوک را می‌توان اندازه‌گیری کرد، بنابراین پارامترهای مختلفی مانند رسانایی و ظرفیت سطح را می‌توان ترسیم کرد. هنگامی که نوک با یک فلز شناخته شده پوشانده می شود، ارتعاش نزدیک به سطح به عنوان یک پروب کلوین عمل می کند. ویژگی های برجسته و پایین بر روی سطح نمونه بر انحراف کنسول تأثیر می گذارد که توسط PSPD نظارت می شود. با استفاده از یک حلقه بازخورد برای کنترل ارتفاع نوک بالای سطح – در نتیجه حفظ موقعیت لیزر ثابت – AFM می‌تواند یک نقشه توپوگرافی دقیق از ویژگی‌های سطح ایجاد کند. اساساً AFM پتانسیل سطح روی نمونه را بررسی می‌کند، اگر از نوک رسانا استفاده شود، جریان جریان بین سطح و نوک را می‌توان اندازه‌گیری کرد، بنابراین پارامترهای مختلفی مانند رسانایی و ظرفیت سطح را می‌توان ترسیم کرد. هنگامی که نوک با یک فلز شناخته شده پوشانده می شود، ارتعاش نزدیک به سطح به عنوان یک پروب کلوین عمل می کند. ویژگی های برجسته و پایین بر روی سطح نمونه بر انحراف کنسول تأثیر می گذارد که توسط PSPD نظارت می شود. با استفاده از یک حلقه بازخورد برای کنترل ارتفاع نوک بالای سطح – در نتیجه حفظ موقعیت لیزر ثابت – AFM می‌تواند یک نقشه توپوگرافی دقیق از ویژگی‌های سطح ایجاد کند. اساساً AFM پتانسیل سطح روی نمونه را بررسی می‌کند، اگر از نوک رسانا استفاده شود، جریان جریان بین سطح و نوک را می‌توان اندازه‌گیری کرد، بنابراین پارامترهای مختلفی مانند رسانایی و ظرفیت سطح را می‌توان ترسیم کرد. هنگامی که نوک با یک فلز شناخته شده پوشانده می شود، ارتعاش نزدیک به سطح به عنوان یک پروب کلوین عمل می کند. با استفاده از یک حلقه بازخورد برای کنترل ارتفاع نوک بالای سطح – در نتیجه حفظ موقعیت لیزر ثابت – AFM می‌تواند یک نقشه توپوگرافی دقیق از ویژگی‌های سطح ایجاد کند. اساساً AFM پتانسیل سطح روی نمونه را بررسی می‌کند، اگر از نوک رسانا استفاده شود، جریان جریان بین سطح و نوک را می‌توان اندازه‌گیری کرد، بنابراین پارامترهای مختلفی مانند رسانایی و ظرفیت سطح را می‌توان ترسیم کرد. هنگامی که نوک با یک فلز شناخته شده پوشانده می شود، ارتعاش نزدیک به سطح به عنوان یک پروب کلوین عمل می کند. با استفاده از یک حلقه بازخورد برای کنترل ارتفاع نوک بالای سطح – در نتیجه حفظ موقعیت لیزر ثابت – AFM می‌تواند یک نقشه توپوگرافی دقیق از ویژگی‌های سطح ایجاد کند. اساساً AFM پتانسیل سطح روی نمونه را بررسی می‌کند، اگر از نوک رسانا استفاده شود، جریان جریان بین سطح و نوک را می‌توان اندازه‌گیری کرد، بنابراین پارامترهای مختلفی مانند رسانایی و ظرفیت سطح را می‌توان ترسیم کرد. هنگامی که نوک با یک فلز شناخته شده پوشانده می شود، ارتعاش نزدیک به سطح به عنوان یک پروب کلوین عمل می کند. بنابراین چندین پارامتر مانند رسانایی و ظرفیت سطح را می توان ترسیم کرد. هنگامی که نوک با یک فلز شناخته شده پوشانده می شود، ارتعاش نزدیک به سطح به عنوان یک پروب کلوین عمل می کند. بنابراین چندین پارامتر مانند رسانایی و ظرفیت سطح را می توان ترسیم کرد. هنگامی که نوک با یک فلز شناخته شده پوشانده می شود، ارتعاش نزدیک به سطح به عنوان یک پروب کلوین عمل می کند.

(AFM) نه تنها ابزاری برای تصویربرداری از توپوگرافی سطوح جامد با وضوح بالا است. برای مثال می‌توان از آن برای اندازه‌گیری منحنی‌های نیرو در مقابل فاصله استفاده کرد. چنین منحنی هایی که به اختصار منحنی نیرو نامیده می شوند، اطلاعات ارزشمندی در مورد خواص محلی مواد مانند کشش، سختی، ثابت Hamaker، چسبندگی و چگالی بار سطحی ارائه می دهند. به همین دلیل اندازه گیری منحنی نیرو در زمینه های مختلف تحقیقاتی مانند علوم سطح، مهندسی مواد و زیست شناسی ضروری شده است.

در تمام حالت های عملکرد، تصویر به دست آمده پیچیدگی سیگنال نمونه با سیگنال نوک است. بنابراین نرم‌افزار [2] و نمونه‌های ویژه‌ای توسعه داده شده‌اند تا سیگنال به‌دست‌آمده را از هم پیچیده‌تر کنند.

برنامه های کاربردی

بهترین راه برای درک مفید بودن AFM در نمودار زیر است:

Chart.jpg

AFM برای تصویربرداری از سطوح زمانی استفاده می‌شود که ویژگی‌های موجود در نمونه به ترتیب 50 میکرومتر در xy و ارتفاع 7-9 میکرومتر باشد. این محدودیت ها توسط اجزای پیزو x،y،z اسکنر تنظیم می شوند.

  • سطوح تصویربرداری
  • اندازه گیری xyz
  • نقشه رسانایی فیلم
  • حوزه های مغناطیسی
  • دامنه های الکتریکی پیزو، d 33
  • پتانسیل سطحی یا تابع کار نسبی
  • نقشه برداری نقص
  • منحنی های iV، تست الکتریکی
  • دستکاری نانو

مولفه های

برای هر حالت (توضیح داده شده در زیر) یک نکته وجود دارد. انتخاب نوک برای اندازه گیری که باید انجام شود بسیار مهم است. همانطور که در زیر توضیح داده خواهد شد، این تکنیک نیاز به مداخله مستقیم اپراتور برای بهینه سازی اسکن ها دارد. پارامترهای مهم در زیر لیست شده است.

  • تراز پرتو لیزر روی کنسول
  • فرکانس رزونانس کنسول
  • در حالت ضربه زدن، پارامترهای سیستم کنترل PID باید به صورت دستی تنظیم شوند
  • در Force AFM k از کنسول باید به درستی انتخاب شود
  • در حالت های الکتریکی، تنظیم قفل بسیار مهم است

حالت های عملیاتی

حالت ضربه زدن

این رایج ترین حالت برای بدست آوردن توپوگرافی سطح است. تعامل جانبی بین کنسول و سطح می تواند مشکلاتی ایجاد کند و وضوح تکنیک را کاهش دهد، این امر با اجازه دادن به نوک با سطح برای مدت زمان بسیار کوتاهی اجتناب می شود. این حالت، که به آن حالت AFM یا حالت AC گفته می شود، کنسول در فرکانس تشدید خود در نوسان است در حالی که روی سطح کشیده می شود. عملیات معمولی TappingMode با استفاده از تشخیص مدولاسیون دامنه با تقویت کننده قفل انجام می شود. یک منحنی پاسخ معمولی یک کنسول در شکل نشان داده شده است.

ضربه زدن روی mode.jpg

|Caption = شکل 1 منحنی رزونانس یک کنسول TappingMode در بالا و نزدیک به سطح. توجه داشته باشید که رزونانس به فرکانس های پایین تر تغییر می کند و افت دامنه را نشان می دهد. [3]

Force.jpg

|Caption = شکل 2 منحنی نیرویی که حرکت یک کنسول در حال نوسان را در TappingMode برجسته می کند. [4]

منحنی نشان داده شده در شکل 2 (قرمز) با افزودن نیروهای جاذبه کوتاه برد و دافعه دوربرد ساخته شده است. منحنی نیرو یا نیروهای مستقیم بین نوک و نمونه در واقع توسط TappingMode AFM در حین تجربه فعل و انفعالات اندازه گیری نمی شود. TappingMode AFM بر روی این منحنی نوسان می کند و بدون کنترل مستقیم نیرو برهمکنش می کند و تنها یک پاسخ متوسط ​​از بسیاری از فعل و انفعالات با وجود تقویت کننده قفل گزارش شده است.

زمانی که نوک و نمونه به یکدیگر نزدیک می شوند، می توان کاهش دامنه کنسول را اندازه گیری کرد. اگرچه این مضر نیست، اما اطلاعات فراتر از توپوگرافی نمونه را که می توان به دست آورد و به طور واضح به یک ویژگی نمونه خاص اختصاص داد، محدود می کند.

وضعیت بازخورد ذاتی ناپایدار در عملکرد TappingMode، خودکار کردن برخی از تنظیمات اسکن را دشوار می کند، تعامل اپراتور برای بهینه سازی شرایط ضروری است. نیروها هنگام خروج از یک وضعیت ثابت می توانند متفاوت باشند. هر چه دامنه نوک بالاتر باشد، انرژی ذخیره شده در اهرم و نیروهای تصویربرداری بیشتر است. رانش ناشی از تغییرات دما و/یا تغییر سطح سیال بر عملکرد سیالات تأثیر می گذارد.

تنظیم سیستم بازخورد برای دستیابی به اطلاعات قابل اعتماد از AFM ضروری است. اسکن حالت تماس (به زیر مراجعه کنید) را می توان آسانتر از اسکن TappingMode کنترل کرد زیرا TappingMode دارای سیستم نوسانی پیچیده است.

با این حال، TappingMode مزیت غیرقابل انکار تصویربرداری بدون نیروی جانبی را ارائه می دهد، که آن را تا به امروز به حالت تصویربرداری غالب در AFM تبدیل کرده است.

حالت تماس

حالت تماس AFM عمدتاً برای تصویربرداری از سطوح سخت زمانی که انتظار نمی رود وجود نیروهای جانبی ویژگی های مورفولوژیکی را تغییر دهد استفاده می شود. نوک در تماس دائمی با سطح است و حرکت کوچک (زاویه ای) اهرم معمولاً توسط پرتو لیزری که از روی کنسول منعکس شده و به یک آشکارساز نوری تقسیم می شود اندازه گیری می شود. نیروهای نمونه و کنترل آنها از مهمترین مسائل AFM می باشد. مواد نرم به دلیل نیروی نرمال زیاد و/یا تغییر شکل برشی به راحتی آسیب می بینند. و هنگامی که یک نمونه سفت و سخت است، تصویربرداری در حالت تماس ممکن است نوک تیز را از بین ببرد. بنابراین پارامترهای کنترل زمانی که نوک به سطح نزدیک می شود بسیار مهم است

به طور معمول، نیروهای اعمال شده به نمونه ها در حالت تماس در محدوده ده ها تا صدها نانونیوتن است. علاوه بر این، بیشتر سطوح در هوا توسط لایه ای از آب جذب شده و سایر آلاینده ها پوشیده شده است که کشش سطحی آن نوک و پروب را به سمت پایین می کشد. بارهای الکترواستاتیک روی نوک و نمونه نیز می‌تواند باعث ایجاد نیروهای دوربرد اضافی شود و تصویربرداری را پیچیده کند.

این تکنیک زمانی استفاده می شود که هدف اصلاح سطح باشد، برای مثال الگوبرداری از یک لایه سطحی. تمام تکنیک های الکتریکی نیاز به تماس دائمی با سطح دارند.

اندازه گیری نیرو

منحنی‌های فاصله نیرو میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) به یک ابزار اساسی در چندین زمینه تحقیقاتی مانند علوم سطح، مهندسی مواد، بیوشیمی و زیست‌شناسی تبدیل شده‌اند. علاوه بر این، آنها اهمیت زیادی برای مطالعه برهمکنش های سطحی دارند.

همانطور که کنسول به سطح نزدیک می شود، زمانی که از آن دور است 1 ، نیروها برای ایجاد انحراف قابل اندازه گیری از کنسول بسیار کوچک هستند. در نقطه‌ای، نیروهای تهاجمی (وندروالز، مویرگی) بر ثابت فنر کنسول غلبه می‌کنند و نوک آن با سطح تماس پیدا می‌کند . هنگامی که نوک با نمونه تماس پیدا می کند، با کاهش بیشتر فاصله بین کنسول و نمونه ها، روی سطح باقی می ماند و باعث انحراف کنسول و افزایش نیروهای دافعه می شود. همانطور که کنسول جمع می شود، نوک آن روی سطح باقی می ماند تا زمانی که نیروی چسبندگی که آن را حفظ می کند غلبه کند. نیرو را می توان از زیر محاسبه کرد:

             F= k x    k تماس فنر کنسول و x جابجایی آن است که توسط AFM اندازه گیری می شود.

  • منحنی فاصله نیرو. منحنی های نزدیک (قرمز) و عقب نشینی (آبی) در سمت راست نشان داده شده اند.

اندازه گیری نیروی اوج

پروب کلوین/پتانسیل سطحی

این تکنیک پتانسیل سطح را در مقیاس نانومتری اندازه گیری می کند. برای اندازه گیری تفاوت تابع کار نسبی اجزای سطح استفاده می شود. KPFM CPD را بین نوک AFM رسانا و نمونه اندازه گیری می کند. CPD (VCPD) بین نوک و نمونه به صورت زیر تعریف می‌شود: VCPD = φtip – φsample-e، که φsample و φtip توابع کار نمونه و نوک هستند و e شارژ الکترونیکی است. هنگامی که یک نوک AFM به سطح نمونه نزدیک می شود، نیروی الکتریکی بین نوک و سطح نمونه به دلیل تفاوت در سطوح انرژی فرمی آنها ایجاد می شود. اگر نوک و سطح نمونه برای تونل زنی الکترون به اندازه کافی نزدیک باشند، تعادل به سطوح فرمی نیاز دارد تا در حالت پایدار صف آرایی کنند. به محض تماس الکتریکی، سطوح فرمی از طریق جریان الکترونی تراز می‌شوند و سیستم به حالت تعادل می‌رسد. این جریان را می توان باطل کرد. اگر تعصب خارجی اعمال شود. ولتاژ اعمال شده برابر است با تفاوت تابع کار بین نوک و نمونه.

  • بروکر KPFM [1]
  • میکروسکوپ نیروی پروب کلوین و کاربردهای آن [2]

AFM پیزوالکتریک

در عملیات PFM، یک نوک AFM رسانا در تماس با سطح مواد فروالکتریک یا پیزوالکتریک مورد مطالعه قرار می گیرد و یک ولتاژ از پیش تنظیم شده بین سطح نمونه و نوک AFM اعمال می شود و یک میدان الکتریکی خارجی در نمونه ایجاد می کند. به دلیل فشار الکتریکی یا اثرات “پیزوالکتریک معکوس” چنین مواد فروالکتریک یا پیزوالکتریک، نمونه به طور موضعی مطابق با میدان الکتریکی منبسط یا منقبض می شود. به عنوان مثال، اگر قطبش اولیه حوزه الکتریکی نمونه اندازه گیری شده عمود بر سطح نمونه، و موازی با میدان الکتریکی اعمال شده باشد، حوزه ها یک انبساط عمودی را تجربه خواهند کرد. از آنجایی که نوک AFM با سطح نمونه در تماس است، چنین گسترش دامنه ای باعث خم شدن کنسول AFM به سمت بالا می شود. و منجر به افزایش انحراف در مقایسه با وضعیت قبل از اعمال میدان الکتریکی می شود. برعکس، اگر قطبش دامنه اولیه ضد موازی با میدان الکتریکی اعمال شده باشد، دامنه منقبض می شود و به نوبه خود منجر به کاهش انحراف کنسول می شود (شکل 1). میزان تغییر انحراف کنسول، در چنین شرایطی، مستقیماً با میزان انبساط یا انقباض حوزه‌های الکتریکی نمونه و در نتیجه متناسب با میدان الکتریکی اعمال‌شده است.

  • سند AFM پارک پیزوالکتریک [3]

AFM مغناطیسی

AFM برقی

ظرفیت AFM

میکروسکوپ تونل زنی اسکن

STM (میکروسکوپ تونل زنی اسکن) به روشی مشابه AFM عمل می کند اما از روش سنجش متفاوتی استفاده می کند. در STM یک ولتاژ بایاس بین پروب و سطح وجود دارد و هنگامی که در فاصله اتمی از سطح است، جریان تونل زنی را می توان توسط پروب اندازه گیری کرد.

از آنجایی که هر دوی این تکنیک ها شامل اسکن بسیار نزدیک به سطح است، می توان تصاویری با وضوح اتمی به دست آورد.

مزیت بزرگ تکنیک های SPM در مقایسه با تکنیک های نوری، توانایی به دست آوردن اطلاعات ارتفاع و توانایی منحصر به فرد در به دست آوردن تصاویر با وضوح اتمی است. SPM اجازه می دهد تا بسیاری از اطلاعات هندسی در سطح بسیار دقیق استخراج شود.

برای به دست آوردن تصاویر هندسی صحیح، بسیار مهم است که حرکت کاوشگر نسبت به سطح بهتر از وضوح مورد نظر کنترل شود، که یک چالش بزرگ است. تقریباً غیرممکن است که تصاویری را در جایی که پیکسل ها به طور مساوی به دست می آیند و جایی که بین محورها جفتی وجود ندارد ایجاد کنید. حتی در کامل ترین ابزار، مشکلات نویز محیطی، لرزش و تغییرات دما منجر به تصاویر ناقص می شود.

تجهیزات

مقاله اصلی: Bruker NanoMan AFM

AFM LNF یک Bruker NanoMan، ابعاد V است. این ابزار در اتاق تمیز قرار دارد، روی یک طبقه جامد قرار دارد و در زیر محفظه ای قرار دارد که اجازه می دهد تا در محیط اتاق تمیز کار کند.

دی ام ای رزولوشن 4687 new_AFM2 میکروسکوپ نانوسکوپ url میکروسکوپ پروبی روبشی 2 میکروسکوپ تونلی روبشی میکروسکوپ نیروی اتمی atomic-force-microscopes-afm-40257-5242211

brr-sem-fib-afm-integrated-system-176430_1b

 

 

 

کاربرد میکروسکوپ نیروی اتمی در تحقیقات بیولوژیکی

خلاصه

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یک تکنیک توپوگرافی سه بعدی با وضوح اتمی بالا برای اندازه گیری زبری سطح است. AFM نوعی میکروسکوپ کاوشگر روبشی است و تکنیک میدان نزدیک آن بر اساس برهمکنش بین نوک تیز و اتم‌های سطح نمونه است. چندین روش و روش‌های زیادی برای اصلاح نوک AFM برای بررسی خواص سطح وجود دارد، از جمله اندازه‌گیری اصطکاک، نیروهای چسبندگی و خواص ویسکوالاستیک و همچنین تعیین مدول یانگ و تصویربرداری از خواص مغناطیسی یا الکترواستاتیک. تکنیک AFM می‌تواند هر نوع نمونه‌ای مانند پلیمرها، مولکول‌های جذب‌شده، فیلم‌ها یا الیاف و پودرهای موجود در هوا را چه در یک اتمسفر کنترل‌شده یا در یک محیط مایع تجزیه و تحلیل کند. در دهه گذشته، AFM به عنوان یک ابزار قدرتمند برای به دست آوردن جزئیات نانوساختاری و خواص بیومکانیکی نمونه‌های بیولوژیکی از جمله مولکول‌های زیستی و سلول‌ها ظاهر شده است. کاربردها، تکنیک های AFM، و به ویژه توانایی آن در اندازه گیری نیروها، هنوز برای اکثر پزشکان آشنا نیست. این مقاله به بررسی ادبیات اصول اصلی روش AFM می پردازد و مزایای این روش را در زیست شناسی، پزشکی و به ویژه دندانپزشکی برجسته می کند. این بررسی ادبیات از طریق منابع الکترونیکی، از جمله Science Direct، PubMed، Blackwell Synergy، Embase، Elsevier، و Scholar Google برای مراجع منتشر شده بین سال‌های 1985 و 2010 انجام شد. هنوز برای اکثر پزشکان آشنا نیستند. این مقاله به بررسی ادبیات اصول اصلی روش AFM می پردازد و مزایای این روش را در زیست شناسی، پزشکی و به ویژه دندانپزشکی برجسته می کند. این بررسی ادبیات از طریق منابع الکترونیکی، از جمله Science Direct، PubMed، Blackwell Synergy، Embase، Elsevier، و Scholar Google برای مراجع منتشر شده بین سال‌های 1985 و 2010 انجام شد. هنوز برای اکثر پزشکان آشنا نیستند. این مقاله به بررسی ادبیات اصول اصلی روش AFM می پردازد و مزایای این روش را در زیست شناسی، پزشکی و به ویژه دندانپزشکی برجسته می کند. این بررسی ادبیات از طریق منابع الکترونیکی، از جمله Science Direct، PubMed، Blackwell Synergy، Embase، Elsevier، و Scholar Google برای مراجع منتشر شده بین سال‌های 1985 و 2010 انجام شد.

کلیدواژگان: میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ تونلی روبشی، میکروسکوپ پروب روبشی، دندانپزشکی، بیولوژیکی
رفتن به:

معرفی

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) نوعی میکروسکوپ کاوشگر روبشی (SPM) است که به جای استفاده از الکترون یا پرتو نور از یک کاوشگر خوب برای اثبات روی سطح استفاده می کند.شکل 1). این نوع میکروسکوپ نقشه های سه بعدی از سطوح را به دست می دهد. برخی از انواع SPM به غیر از AFM مانند میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) و میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک (NSOM) وجود دارد. 1 AFM دارای یک نوک است که می تواند به طرق مختلف برای بررسی خواص سطح اصلاح شود. بنابراین، این یک نسخه توسعه یافته تر از STM است که می تواند تقریباً از هر نوع سطحی در مقیاس نانو تصویربرداری کند.شکل 2). 2

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی ijms-038-076-g001.jpg است.

شکل 1

AFM برای اندازه گیری الاستیسیته

یک فایل خارجی که حاوی یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی ijms-038-076-g002.jpg است.

شکل 2

نوک اصلاح شده AFM

این بررسی در درجه اول بر روی AFM و کاربردهای آن در پزشکی و دندانپزشکی متمرکز است.

رفتن به:

تاریخچه و روش های AFM

AFM رایج ترین شکل استفاده شده از SPM است. منشا SPM با توسعه STM در سال 1982 توسط Binning و Roher، 3 در IBM، زوریخ آغاز شد. توانایی STM در حل ساختار اتمی بر روی سطح نمونه باعث شد مخترعان جایزه نوبل را دریافت کنند. 4 با این حال، STM را فقط می توان برای نمونه های رسانا یا نیمه رسانا اعمال کرد. برای گسترش این نوع میکروسکوپ به منظور مطالعه عایق ها، AFM با همکاری IBM و دانشگاه استنفورد توسعه داده شد. 5 AFM تجاری توسط محققان استنفورد در سال 1998 ساخته شد و اولین نانوکاوشگر به نام نانوحسگر در سال 1991 ساخته شد .

رفتن به:

انواع مختلف SPM

1. STM به طور گسترده ای در تحقیقات صنعتی و بنیادی برای به دست آوردن تصاویر در مقیاس اتمی از سطوح استفاده می شود. این یک نمایه سه بعدی از سطح را ارائه می دهد که برای مشخص کردن زبری سطح، مشاهده عیوب سطح و تعیین اندازه و ترکیب مولکول ها و سنگدانه ها روی سطح بسیار مفید است. اصول STM بر اساس مکانیک کوانتومی و همچنین اثرات پیزوالکتریک است. STM فقط می تواند از سطوح رسانا و نیمه رسانا تصویربرداری کند، در حالی که تکنیک AFM روشی کاربردی تر و موثرتر برای تصویربرداری تقریباً از هر نوع سطحی است. 3

2. میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک (NSOM) نوعی میکروسکوپ است که در آن از یک منبع نور زیر طول موج به عنوان کاوشگر اسکن استفاده می شود. کاوشگر روی سطحی در ارتفاع چند نانومتری اسکن می‌شود و می‌توان تصاویر نوری با وضوح بسیار فراتر از حد معمول پراش -حدود 50 نانومتر- ساخت. خواص دینامیکی را می توان در مقیاس زیر طول موج نیز با استفاده از این تکنیک مطالعه کرد. 3

رفتن به:

اصول AFM

مکانیسم AFM بر اساس تشخیص نیروهایی است که بین یک پروب تیز و سطح نمونه اعمال می شود. این کاوشگر به نوک AFM یا سنسور AFM معروف است که به یک کنسول بسیار انعطاف پذیر متصل می شود. روش های مختلفی برای تشخیص هر گونه حرکت کنسول وجود دارد. امروزه بیشتر AFM ها از تشخیص پرتو لیزری استفاده می کنند که یک سیستم نوری است. 1 آشکارسازهای حساس به موقعیت به نام دیودهای عکس وجود دارد. نور لیزر از کنسول به روی دیود عکس و آشکارساز حساس به موقعیت منعکس می شود. نوک ها و کنسول AFM از سیلیس یا نیترید سیلیکون ساخته شده اند که باید با سطح مورد نظر تماس یا نزدیکی داشته باشند. 2نیروهای بسیار کمی بین پروب و سطح با عبور از پروب از طریق سطح ایجاد می شود و این نیروها سیستم AFM را قادر می سازد تا انحراف کنسول را ثبت کند. انحراف کنسول “سفتی کنسول” نامیده می شود. 1 این سفتی را می توان با قانون هوک اندازه گیری کرد. سفتی به صورت بصری ثبت می شود و می توان آن را در زمان واقعی بر روی کامپیوتر مشاهده کرد. 1 ، 2

رفتن به:

حالت های عملکرد AFM

1. حالت تماس: به طور گسترده در بین حالت های مختلف AFM استفاده می شود. نوک AFM در این حالت در تماس واقعی با سطح نمونه است (شکل 3a). 6

یک فایل خارجی که دارای یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی ijms-038-076-g003.jpg است.

شکل 3 (الف و ب)

مقایسه بین دو نوع اسکن AFM: حالت ضربه زدن (الف) و حالت تماس (ب). معمولاً اولین مورد می تواند تغییر شکل نمونه را به حداقل برساند.

2. میکروسکوپ نیروی جانبی: مناطق نیروهای اصطکاکی بالاتر و پایین تر توسط این حالت اندازه گیری می شوند.

3. حالت نانوتماس: در این حالت که دیگر در رژیم دافعه نیست بلکه در رژیم جذاب منحنی نیروی بین مولکولی قرار دارد، کنسول بالای سطح مورد نظر در فاصله ای نوسان می کند. عملکرد تصویربرداری نانوتماس در شرایط محیطی به دلیل وجود لایه نازک آب در نوک و سطح مورد نظر بسیار دشوار است. هنگامی که نوک به سطح نمونه نزدیک می شود، یک پل مویرگی کوچک بین نوک و نمونه ایجاد می شود که باعث می شود نوک “جهش به تماس” پیدا کند.شکل 3b). 6 ، 7

4. نیروی دینامیک\تماس منقطع: این حالت به عنوان حالت ضربه زدن نیز شناخته می شود. نوک AFM سطح را لمس یا ضربه می زند و نسبت به حالت نانوتماس به سطح نزدیک تر است. این حالت برای بهبود وضوح جانبی نمونه های نرم شناخته شده است. 2 ، 6

5. مدولاسیون نیرو: در این حالت شیب منحنی نیرو-فاصله اندازه گیری می شود که مربوط به کشش نمونه است.

6. تصویربرداری فاز: تغییر فاز کنسول نوسانی نسبت به سیگنال رانندگی در این حالت اندازه گیری می شود. این تغییر فاز را می توان با خواص مواد خاصی که بر تعامل نوک/نمونه تأثیر می گذارد، مرتبط دانست. تغییر فاز می تواند برای متمایز کردن نواحی روی نمونه با خواص متفاوتی مانند اصطکاک، چسبندگی، ویسکوزیته و کشسانی استفاده شود. 6 – 8

رفتن به:

مزایای AFM در زیست شناسی و ژنتیک

در دهه گذشته، AFM به عنوان یک ابزار قدرتمند برای به دست آوردن جزئیات نانوساختاری و خواص بیومکانیکی نمونه‌های بیولوژیکی، از جمله مولکول‌های زیستی و سلول‌ها ظاهر شده است. 9 – 12 می تواند تغییرات خاصیت مکانیکی غشای سلولی، 10 سفتی سلول، 11 و ویسکوالاستیسیته سلول را اندازه گیری کند. 12 طیف‌سنجی نیروی مبتنی بر AFM همچنین برای ارزیابی چسبندگی سلولی مناسب است، 13 و می‌تواند تحقیقات سلول‌ها را گسترش دهد، در نتیجه امکان اندازه‌گیری خواص رئولوژیکی آنها را فراهم می‌کند.شکل 4). 8 مهمترین مزیت تکنیک AFM در زیست شناسی، مطالعه مستقیم نمونه های بیولوژیکی در محیط طبیعی آنها، به ویژه در محلول های بافر در شرایط آزمایشگاهی، درجا و حتی in vivo بدون هیچ گونه آماده سازی نمونه است که زمانی یک کار بسیار وقت گیر بود. 3 ، 14 همچنین می تواند سطح سلول های زنده را تا نیروهای تک مولکولی در زمینه زیست شناسی سلولی تشخیص دهد. 15 – 19 علاوه بر این، هیچ محدودیتی در انتخاب نوع محیط آبی یا غیر آبی، دمای نمونه یا ترکیب شیمیایی نمونه وجود ندارد. مدالیته AFM فقط برای برخی از رسانه های شفاف که می توانند نور لیزر را از طریق تشخیص آن عبور دهند، محدودیت دارد. 3

یک فایل خارجی که حاوی یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی ijms-038-076-g004.jpg است.

شکل 4

برهمکنش مولکولی توسط AFM Tip

AFM موفقیت هایی را در مطالعه ساختارهای DNA در مقیاس نانو نشان داده است که می تواند منجر به توسعه وسایل انتقال ژن موثرتر شود. محققان از مزایای بسیاری AFM، یعنی وضوح بالا، آماده‌سازی نمونه ساده، بررسی در زمان واقعی، و تصویربرداری غیر مخرب و همچنین توانایی عملکرد در مایعات و بررسی مکانیسم‌های تراکم DNA و مواد مختلف بسته‌بندی ژنی استفاده می‌کنند. 20 ، 21

اوهارا و همکاران 22 و اوسادا و همکاران. 23 از AFM برای تعیین سلول های زنده و شرایط بافت با بیان mRNA خود استفاده کردند. بسیاری از روش‌های تعیین بیان mRNA نیاز به استخراج RNA تام یا تثبیت سلولی دارند که مشکلاتی را در بررسی بیان mRNA در سلول‌های زنده بدون ایجاد مرگ سلولی ایجاد می‌کند. استفاده از تکنیک AFM برای استخراج mRNA از مرگ سلولی جلوگیری می کند. 24 لنفوسیت ها سلول های دفاعی بدن هستند. تجزیه و تحلیل نانوساختار و نانومکانیک لنفوسیت ها با استفاده از تکنیک AFM از حالت استراحت و فعال شدن تا آپوپتوز به محققان در مطالعات ایمونولوژیک کمک می کند. 25

رفتن به:

کاربردهای پزشکی و دارویی تکنیک AFM

روش AFM یک تکنیک جدید برای تشخیص خواص غشاهای بیولوژیکی است که در دهه گذشته به طور گسترده در تحقیقات بیولوژیکی استفاده شده است. توانایی AFM برای اسکن تعامل بین SLBs (دو لایه لیپیدی پشتیبانی شده) و دارو مزیت ویژه تکنیک AFM است. 26 ، 27 Leclercq و همکاران. 28 تعامل بین آزیترومایسین (به عنوان یک آنتی بیوتیک) و SLBs را که روی میکا با استفاده از AFM پشتیبانی می شود و Guangyong و همکارانش تصویر کردند. 29 پروتئین غشایی را مورد مطالعه قرار دادند که نقش ویژه ای در غشای سلولی دارند. کاوشگر پروتئین های غشایی با استفاده از AFM یک منطقه تحقیقاتی جدید را برای مطالعه برهمکنش بین مولکول ها در سطح مولکولی باز کرده است.شکل 4). 29 ، 30

تجسم هیدرولیز آنزیم را می توان با حالت تصویربرداری فاز AFM انجام داد. با این حال، در تحقیقی که توسط لیو و همکاران انجام شده است. 31 هیدرولیز سلولز با AFM تعیین شد.

مشاهده مستقیم فعالیت آنزیم با AFM امکان پذیر است. در یک مطالعه، نوسانات ارتفاع در بالای پروتئین لیزوزیم جذب شده روی میکا به صورت محلی با AFM اندازه‌گیری شد که در حالت ضربه زدن در مایع کار می‌کرد. نوسانات ارتفاع به اندازه ظاهری 1 نانومتر، که حدود 50 میلی ثانیه به طول انجامید، روی مولکول های لیزوزیم زمانی که یک بستر (به عنوان مثال پلی گلیکوزیدها) وجود داشت، مشاهده شد. در حضور بازدارنده (کیتوبیوز)، این نوسانات ارتفاع به سطح بدون پلی گلیکوزید کاهش یافت. ساده ترین تفسیر این نتایج این است که نوسانات ارتفاع با تغییرات ساختاری لیزوزیم در طول هیدرولیز مطابقت دارد. 32تعامل بین میکروب ها و توسعه بعدی بیوفیلم ها در سطوح، پیامدهای گسترده ای در پزشکی و دندانپزشکی دارد. تشخیص یا شناسایی سطوح میکروبی و اندازه گیری مستقیم نیروهای مولکولی و خواص فیزیکی از دیگر کاربردهای پزشکی AFM است. سطح میکروبی کانون تحقیقات علمی گسترده بوده است. با این وجود، فناوری اخیراً امکان مطالعه کمی برهمکنش‌های مولکولی را فراهم کرده است. بنابراین، AFM نه تنها امکان تصویربرداری با وضوح بالا از سطوح میکروبی، بلکه اندازه گیری مستقیم نیروهای مولکولی و خواص فیزیکی موجود در سطح میکروبی مورد نظر را نیز فراهم می کند. AFM می تواند در ژنتیک به واسطه نانوکاوشگر خود برای شناسایی mRNA در سلول های زنده استفاده شود. اونسورج و همکاران 34ویروس های آبله، سلول های زنده و mRNA هسته آنها را با استفاده از AFM به شکل پویا مورد مطالعه قرار دادند. دانلپ و همکاران 35 فرآیندهای دینامیکی مکانیسم تشکیل تراکم DNA را مورد مطالعه قرار دادند تا دید کلی بهتری بر سینتیک این فرآیند ایجاد کنند، که می تواند منجر به یک دید کلی قابل توجه در تحویل ژن شود.شکل 5).

یک فایل خارجی که حاوی یک تصویر، تصویر و غیره است. نام شی ijms-038-076-g005.jpg است.

شکل 5

مطالعه DNA توسط AFM

یکی دیگر از کاربردهای تکنیک AFM در قلب و عروق است. افزایش سن سفتی میوسیت های قلبی را افزایش می دهد و این را می توان با تورفتگی نانو AFM اندازه گیری کرد. ساموئل و همکاران 36 از AFM برای تعیین تغییرات خواص مکانیکی سلولی با وضوح نانو در میوسیت ها استفاده کرد. اسکن اپیتلیوم کلیه با AFM می تواند برای تشخیص زودهنگام بیماری های کلیوی نیز مفید باشد. 37علاوه بر این، AFM را می توان در زمینه ارتوپدی استفاده کرد و تغییرات در توپولوژی سطح سلول های غضروفی تحت نیروهای مکانیکی را می توان توسط آن ارزیابی کرد. غضروف متشکل از غضروف‌های غضروفی است که در ماتریکسی از فیبرهای کلاژن قرار گرفته‌اند که در شبکه‌ای از پروتئوگلیکان‌ها قرار گرفته‌اند و در طول حرکت عادی مفصل دائماً در معرض نیروهای بیومکانیکی قرار می‌گیرند. مشخص کردن مورفولوژی سطح، ساختار اسکلت سلولی، چسبندگی و خواص الاستیک این سلول‌های حساس به مکانیسم در درک اثرات نیروهای مکانیکی اطراف یک سلول و چگونگی واکنش سلول به تغییرات محیط فیزیکی آن بسیار مهم است. داده‌های AFM نشان داده‌اند که تغییرات مشخصی در توپولوژی سطح سلول و آرایش اسکلت سلولی در سلول‌ها پس از درمان با نیروهای مکانیکی وجود دارد.38

رفتن به:

کاربرد دندانپزشکی AFM

میکروسکوپ ها دریچه جدیدی را در حوزه علوم دندانپزشکی باز کرده اند. در میان آنها، مدالیته AFM یک تکنیک جدید است که می تواند نه تنها سطوح غیر زنده، بلکه سلول های زنده و محیط های پویا را نیز تصویر کند.

بیماری های ریشه در حال حاضر بسیار شایع هستند. در زمینه انسداد، نصب مناسب گوتاپرکا در داخل دیواره کانال بسیار مهم است. AFM می تواند برای مطالعه توپوگرافی مخروط گوتاپرکا و ارائه یک ابزار قدرتمند جدید برای ارزیابی خصوصیات سطوح مخروط گوتاپرکا به طور مستقیم استفاده شود. کارولین و همکاران 39 توپوگرافی قسمت آپیکال چهار نوع مختلف گوتاپرکا را با استفاده از حالت نیروی جانبی AFM مورد مطالعه قرار داد.

امروزه پوسیدگی دندان یک بیماری بسیار شایع است. پوسیدگی دندان به دلیل تشکیل بیوفیلم و کلونیزه شدن باکتری ها، عمدتاً استرپتوکوک موتانس، در پلاک های دندانی است. سارا و همکاران 40 عملکرد سطحی استرپتوکوک موتانس تشکیل دهنده بیوفیلم را که عامل ایجاد کننده اولیه پوسیدگی دندان انسان است، مورد مطالعه قرار دادند.

AFM یک میکروسکوپ قدرتمند برای بررسی با وضوح بالا ساختار سطح لایه بزاقی در حالت طبیعی (هیدراته) آن است. از ایجاد مصنوعات ناشی از تثبیت و کم آبی که با آنالیزهای میکروسکوپی الکترونی روبشی رخ می دهد جلوگیری می کند. هنگینگ و همکاران 41 یک مطالعه AFM را برای بررسی سطح لایه جذب شده پروتئین های بزاقی (پلیکل بزاقی) که در داخل بدن روی مینای دندان و سطوح شیشه ای تشکیل شده است، طراحی کرد.

اسید اچینگ تکنیکی است که برای ایجاد ریز تخلخل در سطوح مینا و عاج برای چسبندگی میکرومکانیکی کامپوزیت ها استفاده می شود. در یک مطالعه جدید توسط Sanchesea و همکاران. مشخصات مینا و عاج گاوی پس از اسید اچ با AFM تصویربرداری شد.

ال فنیناتا و همکاران 43 از حالت ضربه زدن AFM به منظور مطالعه فروپاشی و دناتوره شدن در کلاژن عاجی استفاده کردند. دمینرالیزاسیون مینای انسان باعث ایجاد پوسیدگی دندان می شود. خواص مکانیکی مینای غیر معدنی شده درجا انسان را می توان با نانو دندانه AFM اندازه گیری کرد. 44 فلورایدتراپی یک تکنیک محافظتی برای جلوگیری از پوسیدگی دندان در کودکان است. اثرات درمان فلوراید بر اچ اسید فسفریک در دندان‌های شیری توسط Chot و همکاران مورد مطالعه قرار گرفت. 45 از طریق حالت تماس AFM.

یکی از مهمترین رشته های دندانپزشکی مدرن، ایمپلنتولوژی است. AFM می تواند به عنوان ابزاری برای آزمایش زیست سازگاری مواد ایمپلنت با بررسی رفتار چسبندگی سلول های استئوبلاست در شرایط آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گیرد. این تکنیک امکان بررسی سیتومورفولوژی و خواص سیتومکانیکی سلول های زنده را در مقیاس نانو فراهم می کند. دومک و همکاران 46 کاربرد مواد مختلف در ایمپلنتولوژی و خاصیت ارتجاعی سلول های زنده را بررسی کردند.

یونگکا و همکاران 47 از نوع خاصی از کاوشگر AFM که بر اساس سطح تشدید پلاسمونی نانوذرات طلا بود، برای تشخیص زودهنگام کارسینوم سلول سنگفرشی استفاده کرد. رزونانس نانوذرات می تواند تغییرات مورفولوژیکی و مکانیکی را در مراحل اولیه تشخیص دهد. مقایسه مکانیک سلول های طبیعی و تومور می تواند اطلاعات جدیدی را در مورد مکانیسم های تبدیل بدخیم نشان دهد. همچنین می‌تواند به درک چگونگی حمله «مکانیکی» سلول‌ها به بافت طبیعی کمک کند. در حال حاضر، تنها مطالعات اندکی در مورد این موضوع انجام شده است.

استئوسارکوم و کندروسارکوم دو سرطان کشنده هستند، اما اگر در مراحل اولیه تشخیص داده شوند، ممکن است قابل درمان باشند. نتایج Docheva D و همکاران. مطالعه 48 ، مقایسه مستقیمی بین ویژگی‌های مورفومتریک و بیوفیزیکی انواع مختلف سلول‌های انسانی مشتق شده از استخوان‌های طبیعی و پاتولوژیک را نشان داد.

رفتن به:

نتیجه گیری و کاربردهای آینده

تکنیک AFM یک روش توپوگرافی سه بعدی با وضوح اتمی بالا برای اندازه گیری زبری است. AFM نه تنها می تواند اطلاعات جدیدی در مورد سطح خواص سلول مانند اندازه گیری نیروی اصطکاک و چسبندگی و خواص ویسکوالاستیک ارائه دهد، بلکه می تواند مدول یانگ و خواص مغناطیسی یا الکترواستاتیکی تصویر را تعیین کند. علاوه بر این، AFM می تواند هر نوع نمونه ای را در هر محیطی تجزیه و تحلیل کند. در واقع، ویژگی برجسته AFM توانایی آن در مطالعه هر نوع نمونه به طور مستقیم در محیط طبیعی خود بدون هیچ گونه آماده سازی نمونه است که زمان بر است و ممکن است خواص سطح را تغییر دهد. AFM ابزاری منحصربه‌فرد برای ارزیابی سطوح سلول‌های زنده و مرده در مقیاس‌های نانو است و از این رو، دریچه جدیدی را بر روی مطالعه زمینه‌های مختلف مانند زیست‌شناسی سلولی باز کرده است. تشخیص تک مولکول سطحی، کیفیت مواد دندانی، تعامل مولکولی، درمان های پیشگیرانه دندانپزشکی و زیست سازگاری ایمپلنت. توسعه بیشتر تکنیک AFM برهمکنش سلولی و مولکولی، مکانیسم و ​​اسرار مکانیکی را حتی در مراحل تک اندامکی روشن خواهد کرد.