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Nanosurf原子力显微镜(AFM)中悬臂光热激励的原理及优势 浏览量:17 | 发布时间:2022-09-15

  动态模式成像和相位成像,以及部分电学模式,如静电力显微镜(EFM)和开尔文探针力显微镜(KPFM),都依赖于振动悬臂梁与样品的相互作用。传统动态力模式成像有两个前提:

  一个是在测量环境(气相或者液相)中获得一个“干净”的频率扫频,其峰值显示出良好的信噪比。由于压电声激励不仅振动悬臂,而且振动整个悬臂芯片、悬臂支架组件和以及周围环境,因此频谱中的背景往往有噪声。如果这种非目标部分的激励所占的比例超出了目标部分-悬臂梁,则会呈现为较混乱的驱动模式,导致了AFM的性能下降。这个问题存在于所有环境中,在液体中则尤为严重。

  第二个是保持尖端和样品之间稳定的相互作用。传统压电驱动的频谱会随时间变化,导致其频率、幅值和相位的变化。这在液体成像中尤其明显,因为悬臂及其周围环境之间的额外耦合导致震动的变化叠加在悬臂的共振峰上。因此,在固定频率下,激励效率会随时间发生显著变化。

  Nanosurf在DriveAFM里面引进了CleanDrive,这是一种稳定可靠的利用光热激励原理来驱动AFM悬臂的方法。CleanDrive使用第二光源NIR 785 nm激光对准悬臂的根部进行光热激励。由于AFM悬臂梁上的两种材料——底部的硅和顶部的金属涂层(通常是Au或Al)的热膨胀系数不同,激光作用导致双晶片弯曲的发生,从而形成对悬臂单一激励。CleanDrive适用于所有商用悬臂梁,包括气相和液相,也适用于超小型高频悬臂---这种悬臂的响应更强烈,因此是首选。由于铝涂层在水溶液中的稳定性有限,强烈建议在液体环境中使用镀金悬臂梁。

  频率扫描

  CleanDrive提供可靠且广泛的频率激励范围。图1a显示了在空气中NCSTAuD的传统激振器压电驱动频率扫描(黑色)和改进的光热激励CleanDrive扫描(红色)的对比。

  在CleanDrive频谱中,第一谐振峰在大约160kHz。在压电驱动谱中对该峰的检测并不清楚,在峰的背景中也显示出明显的混乱结构。CleanDrive还为高阶本征模式提供了清晰的峰值检测,例如在大约900 kHz的第二模式。这与压电驱动驱动形成了强烈的对比,在压电驱动驱动下,各种本征模峰被背景结构混淆了。在液体中,清晰的背景能够直接和快速地确定悬臂共振频率。图1b和1c分别显示了缓冲溶液中AC 40悬臂的振幅和相位随频率的函数。CleanDrive频谱(红色)快速识别出图1b中大约32 kHz的峰。相比之下,激振器压电驱动扫频显示了悬臂的多个峰。这种“丰富的”结构,即所谓的“峰的森林”,在压电激励扫频背景中是常见的,在液体中使峰识别非常具有挑战性。相图(1c)也显示了CleanDrive相对于压电激励的显著优势。这个相位图在共振时通过0度相位的清晰转变是稳定相位成像和频率跟踪所需要的,它只有在使用CleanDrive在液体中进行悬臂激励时才能观察到。

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  图1:CleanDrive显示了教科书般的振幅响应,没有“峰的森林”

  稳定的振幅

  悬臂梁在液体环境中振荡的另一个挑战是局部环境的变化会影响频谱稳定性,从而影响悬臂梁的有效振幅。

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  图2:变化环境中的稳定振幅。

  图2显示了在这样一个变化的液体环境中,将悬臂臂浸入100µl的缓冲液液滴中,以3.6 nm的振幅激励,cleanrive的质量达到了前所未有的水平。使用cleanrive,当液滴蒸发约3小时时,悬臂振幅保持在3.6 nm不变。悬臂振荡的振幅没有明显变化,尽管周围环境随时间而变化。振幅只有在液滴足够干燥,悬臂梁不再浸在液体中时才会发生变化。

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  图3:硅表面的稳定成像。

  稳定的图像

  CleanDrive最显著的优点之一是成像的长期稳定性。图3为稳定成像的一个例子,相同的1µm x 1µm面积的硅片被扫描了50次以上。在一组图像上计算表面粗糙度,没有发现显著变化。

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  图4:TipChecker样本的稳定成像

  图4显示了对TipCheck的100次扫描。TipCheck通常用于测量AFM针尖的半径和形状,但同时这个测量它很容易磨损针尖,因此需要谨慎使用。CleanDrive驱动下,TipCheck样品连续扫描后,可以看到探针尖端没有退化的迹象。

  长期稳定的成像有重要意义。通常,动态模式操作需要用户的持续注意,以调整频率和幅值的连续变化;而CleanDrive的频率和振幅异常可靠和稳定,长时间自动成像也没有问题。

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  图5:共聚物样品的长时间稳定成像。

  图5显示了500nm×500nm的聚苯乙烯-聚乙二醇(PS-PEG)嵌段共聚物膜的形貌(上)和相(下)。一开始,一个NCST悬臂梁以17 nm的振幅振荡,其设定值为86%,得到左边的图像。在长达14小时的连续测量中,悬臂梁始终保持与样品表面的接触,使右侧的图像保持了高质量和分辨率。通过增加上述2%的设定值,悬臂就刚好可以脱离与样品表面的接触。

  液体中稳定的高分辨率成像

  虽然到目前为止所有的例子都显示了在空气中动态模式运行的稳定性和质量的显著改善,但CleanDrive最重要的优势是液相测量。图6显示了缓冲溶液中云母上DNA的两幅图像。上面的图像是第一次扫描,下面的图像是第20次连续扫描。这些图像显示了不俗的分辨率,测出了DNA的大小沟槽,甚至在没有任何调整的扫描20次后,稳定性和分辨率都没有任何削减。此外,CleanDrive的NIR波长为785 nm,避免了对(活体)生物样品或荧光成像的干扰。

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  图5:共聚物样品的长时间稳定成像。

  图5显示了500nm×500nm的聚苯乙烯-聚乙二醇(PS-PEG)嵌段共聚物膜的形貌(上)和相(下)。一开始,一个NCST悬臂梁以17 nm的振幅振荡,其设定值为86%,得到左边的图像。在长达14小时的连续测量中,悬臂梁始终保持与样品表面的接触,使右侧的图像保持了高质量和分辨率。通过增加上述2%的设定值,悬臂就刚好可以脱离与样品表面的接触。

  液体中稳定的高分辨率成像

  虽然到目前为止所有的例子都显示了在空气中动态模式运行的稳定性和质量的显著改善,但CleanDrive最重要的优势是液相测量。图6显示了缓冲溶液中云母上DNA的两幅图像。上面的图像是第一次扫描,下面的图像是第20次连续扫描。这些图像显示了不俗的分辨率,测出了DNA的大小沟槽,甚至在没有任何调整的扫描20次后,稳定性和分辨率都没有任何削减。此外,CleanDrive的NIR波长为785 nm,避免了对(活体)生物样品或荧光成像的干扰。


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