نانو سیستم پارس || محصولات

میکروسکوپ نیروی اتمی حرفه ای AFM آشنایی با میکروسکوپ نیروی اتمی Atomic Force Microscopy یا AFM 1. مقدمه اندازه‌گيري مورفولوژي سطوح نقش مهمي را در توليد، جهت كنترل فرايند توليد و تاييد محصول نهايي ايفا مي‌كند، كه مي‌توان با انواع ابزارهاي كه داراي قابليت‌هاي و محدوديت‌هاي متفاوت‌اند از جمله ميكروسكوپ نيروي اتميAFM و ميكروسكوپ تونل زني روبشي STM ، انجام شود. اسپکتروسکوپی نیروی اتمی یک تکنیک اندازه‌گیری بر اساس روش اپتیکی است و گاهی اوقات قطبیت و قدرت برهم کنش بین تیپ و نمونه را کنترل می‌کند. اگرچه برهم کنش تیپ و نمونه ممکن است تحت عنوان انرژی مطالعه شود، کمیتی که اندازه‌گیری می‌شود نیروی بین تیپ و نمونه است و بنابراین اسپکتروسکوپی نیرو نامیده می‌شود. برخلاف تصویربرداری، اسپکتروسکوپی نیرو اساساً زمانی انجام می‌شود که لوپ فیدبک غیرفعال است. همانطور که در شکل 1 مشخص شده است، در اسپکتروسکوپی نیرو تیپ و کانتیلیور به عنوان سنسور نیرو عمل می کند. In Force spectroscopy raster-scanning is disabled temporarily or indefi nitely after the tip positions at a desired in-plane coordinate (X,Y). Then, either the sample or the cantilever (as shown here) moves in the Z-direction. Typically, an approach half-cycle is followed by a retract half-cycle, but consecutive half-cycles may have unequal durations and include different offsets in Z. اسپکتروسکوپی نیرو به طور گسترده‌ای در هوا، مایع و محیط های کنترل شده مختلف استفاده می‌شود، که ممکن است شامل تیپ های عامل دار شده برای مطالعه‌ی برهم کنش‌های خاص مولکول‌های کانجوگه شده باشد. به منظور اندازه‌گیری کمی نیروهای برهم کنشی لازم است که سختی خمشی (یا ثابت پیچش) کانتلیور AFM با بالاترین دقت ممکن محاسبه شود. اندازه‌گیری خصوصیات مکانیکی کانتیلیور شامل سختی خمشی، به خودی خود یک موضوع تحقیقاتی مهم در تحقیقات AFM است. 2. نحوه‌ی عملکرد دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی AFM سطح نمونه را توسط یک سوزن تیز، به طول 2 میکرون و غالبا قطر نوک کمتر از 10 نانومتر آنالیز می‌کند. سوزن در انتهای آزاد یک انبرک (کانتیلور =(cantilever به طول حدود 100 تا 450 میکرون قرار دارد. اجزاء کلی میکروسکوپ نیروی اتمی و عملکرد آنها. نیروهای بین سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن یا انحراف کانتیلور شده و یک آشکارساز میزان انحراف کانتیلور را در حالیکه سوزن سطح نمونه را روبش می‌کند یا نمونه در زیر سوزن روبش می‌شود، در سیستم‌هایی که نمونه حرکت روبشی را انجام می‌دهد، اندازه می‌گیرد. میتوان از انحراف کانتیلور برای ورودی یک مدار بازخورد استفاده کرد که روبشگر پیزو را در مواجهه با توپوگرافی سطح نمونه به گونه‌ای در جهت z بالا و پایین می‌برد که میزان انحراف کانتیلور ثابت بماند. اندازه گیری انحرافات کانتیلور به کامپیوتر امکان تولید تصویر توپوگرافی سطح را می‌دهد. در اغلب AFM هایی که امروزه عرضه می‌شود، موقعیت کانتیلور با استفاده از روش‌های اپتیکی تعیین می‌گردد. متداولترین آنها در شکل زیر نشان داده شده است. بلاک دیاگرام حلقه بازخوردی میکروسکوپهایAFM . متغیرهای KP،تناسب بدست آمده،Ki، انتگرال بدست آمده، Kd، مشتق بدست آمده و e، میزان خطاست. نحوه آشکارسازی موقعیت کانتیلور با روش متداول درمیکروسکوپ نیروی اتمی. یک اشعه لیزری به پشت کانتیلور به سمت یک آشکارساز نوری حساس به موقعیت (PSPD= Position-sensitive photo detrector) منعکس می‌شود. با خم شدن کانتیلور محل اشعه لیزر روی آشکارساز تغییر کرده و PSPD میتواند جابجایی به کوچکی 10 آنگستروم (1 نانومتر) را اندازه‌گیری کند. نسبت فاصله بین کانتیلور و آشکارساز به طول کانتیلور به عنوان یک تقویت‌کننده مکانیکی عمل می‌کند. در نتیجه سیستم می‌تواند حرکت عمودی کمتر از آنگستروم نوک کانتیلور را اندازه‌گیری کند. روشی دیگر جهت آشکار سازی انحراف آشکارساز بر مبنای تداخل اپتیکی می‌باشد. یک تکنیک بسیار ظریف دیگر جهت آشکارسازی، ساختن کانتیلور از یک ماده پیزومقاومتی (piezoresistive) است، به گونه‌ای که انحراف را بصورت سیگنال الکتریکی آشکار کند. در مواد پیزوی مقاومتی، تنش ناشی از تغییر فرم مکانیکی باعث تغییر مقاومت الکتریکی ماده می‌شود. برای آشکارسازی پیزومقاومتی نیازی به اشعه لیزر و PSPD نیست. وقتی که AFM انحراف کانتیلور را آشکار کرد، می‌تواند اطلاعات توپوگرافی را دردو حالت ارتفاع ثابت یا نیروی ثابت تولید کند. 3. انواع روش‌های تصویربرداری در AFM · روش تماسی (Contact mode) در روش تماسی، نوک پروپ به نمونه تماس پیدا می‌کند و نیروی دافعه بین اتم‌های سطح نمونه و نوک پروپ، نیروی غالب در این روش است. در این روش، نیروی اعمالی به نوک پروپ ثابت است. با استفاده از دنبال کردن انحرافات به وجود آمده در تیرک در اثر حرکت سوزن میکروسکوپ روی سطح نمونه، ‌می‌توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد. · روش غیرتماسی (non-contact mode) در روش غیرتماسی، تیرک در فرکانسی نزدیک به فرکانس طبیعی خود با دامنه‌ای در حد چند آنگستروم لرزش می‌کند و نوک پروپ بسیار نزدیک به نمونه بوده و نیروی جاذبه بین اتم‌های سطح نمونه و نوک پروپ، نیروی غالب است. تغییرات در نیروهای اتمی بین تیرک و سطح ماده را می‌توان از تغییرات در دوره‌ی تناوب فرکانس طبیعی تیرک متوجه شد. با کاهش فاصله‌ی نوک پروپ با سطح نمونه که منجر به افزایش نیرو می‌شود، دامنه‌ی نوسان تیرک کاهش می‌یابد. با استفاده از دنبال کردن تغییرات دوره تناوب فرکانس طبیعی تیرک می‌توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد. · روش شبه تماسی(semi-contact mode) در این روش تصویربرداری نیز مثل همان روش تماسی است. این روش برای تصویربرداری مایعات، هوا و بویژه برای نمونه‌های نرم مورد استفاده قرار می‌گیرد. حد تفکیک در این روش مشابه با مد تماسی است با این ویژگی که نیروی جانبی اضافی وارد شده به نمونه کمترین آسیب را به نمونه وارد می‌کند. 4. کاربردهای اسپکتروسکوپی اندازه‌گیری های کشش نیروی برهم کنش‌های بین مولکولی و درون مولکولی: برخی از کاربردهای رو به رشد اسپکتروسکوپی نیرو شامل روشی است که به عنوان کشش نیرو شناخته می‌شود. AFM نیروها را اندازه می‌گیرد و از این اندازه‌گیری‌ها می‌توان انرژی‌های پیوند برهم کنش‌های بین دو مولکول (بین مولکولی) یا بین بخش‌های مختلف یک مولکول (درون مولکولی) را استخراج کرد. گاهی اوقات آزمایشات بین مولکولی، شامل یک مولکول سومی می‌شود که به عنوان لینک عمل می‌کند. یک انتهای این مولکول به تیپ AFM متصل است و انتهای دیگر به یکی از دو مولکول مورد نظر. مولکول دوم روی سطح قرار دارد. کاربردهای کشش نیرو گسترده و در حال رشد هستند. برای مثال در بیولوژی و بیوشیمی این کاربردها دانش ما را در زمینه‌‍ی زیر توسعه داده‌اند. - ماکرومولکول‌ها چگونه ساخته می‌شوند. - بیومولکول‌ها چگونه خود تجمع می‌شوند. - چطور می‌توان سنسورهای بیومولکولی منفرد ساخت. - چطور بیماری‌های عفونی ویروسی در سطح مولکولی عمل می‌کنند. اسپکتروسکوپی نیرو از طریق اتصال غیر اختصاصی یک راه ساده و آسان برای مطالعه‌ی برهم کنش های مولکولی است. شکل زیر یک مثال از آزمایشات کششی بر روی پروتئین 27I نشان می‌دهد. در این جا یک تیپ عامل‌دار نشده در تماس با یک سطح کاملاً پوشیده شده با مولکول‌های پروتئین قرار می‌گیرد. و سپس روی سطح کشیده می‌شود. وقتی این کار به خوبی انجام شود، یک انتهای یک تیتین به تیپ متصل می‌شود. وقتی که تیپ بالا کشیده می‌شود، تگ دامین‌های پروتئین به ترتیب باز می‌شوند (آنفولد می‌شوند) و یک الگوی منظم دندانه‌ای ایجاد می‌شود. نیروی آنفولد در برابر میزان کشش و همچنین جزئیات هر آنفولد شدن ممکن است برای مطالعه‌ی ساختار و عملکرد پروتئین استفاده شود. Force vs. distance curve of intramolecular forces for I27: a recombinant polyprotein composed of eight repetitions of the Ig module 27 domain of human titin. Red is approach, and blue is retract half-cycle. A: the equilibrium position of the cantilever. B: in approach, the tip contacts the sample and the cantilever is pushed by the sample and defl ects up. C: the approach half-cycle ends and the retract half-cycle begins. D: the cantilever bends down, and passes its equilibrium position and its defl ection reverses polarity from up to down, indicating the presence of an attractive interaction between the tip and the sample. E: multiple unfolding events (ruptures) of the molecule. Multiple ruptures most frequently correspond to the incremental unfolding of a macromolecule, as seen here. The fi nal event in the retract half-cycle shown here corresponds to the cantilever breaking away from the sample completely and returning to its equilibrium position (A). نانو ماشین ها: اسپکتروسکوپی نیرو چندین روش برای بررسی‌های روتین، مشخصه‌یابی و اندازه‌گیری خصوصیات مکانیکی سطح نمونه به طور موضعی فراهم آورده است که دارای رزولوشن نانومقیاس در x و y هستند. تحت برخی شرایط این محدودیت رزولوشن مرتفع شده و به مقیاس اتمی می‌رسد، اما در اکثر مواقع رزولوشن نانومتری یا مولکولی است. یکی از کاربردهای بسیار شناخته شده اندازه‌گیری انطباق مکانیکی سطح نمونه است. سطح نمونه در یک مکان x و y داده شده چقدر است؟ یک نقطه در مقایسه با سایر نقاط چقدر سخت‌تر است. این کاربردها معمولا نانو دندانه‌گذاری نامیده می‌شود. تیپ و نمونه در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند و سپس بر روی یکدیگر کشیده می‌شوند. تصاویر دستگاه AFM تصاویر گرفته شده با دستگاه AFM:

میکروسکوپ نیروی اتمی حرفه ای
AFM

آشنایی با میکروسکوپ نیروی اتمی
Atomic Force Microscopy یا AFM

1. مقدمه
اندازه‌گيري مورفولوژي سطوح نقش مهمي را در توليد، جهت كنترل فرايند توليد و تاييد محصول نهايي ايفا مي‌كند، كه مي‌توان با انواع ابزارهاي كه داراي قابليت‌هاي و محدوديت‌هاي متفاوت‌اند از جمله ميكروسكوپ نيروي اتميAFM و ميكروسكوپ تونل زني روبشي STM ، انجام شود.
اسپکتروسکوپی نیروی اتمی یک تکنیک اندازه‌گیری بر اساس روش اپتیکی است و گاهی اوقات قطبیت و قدرت برهم کنش بین تیپ و نمونه را کنترل می‌کند. اگرچه برهم کنش تیپ و نمونه ممکن است تحت عنوان انرژی مطالعه شود، کمیتی که اندازه‌گیری می‌شود نیروی بین تیپ و نمونه است و بنابراین اسپکتروسکوپی نیرو نامیده می‌شود.
برخلاف تصویربرداری، اسپکتروسکوپی نیرو اساساً زمانی انجام می‌شود که لوپ فیدبک غیرفعال است. همانطور که در شکل 1 مشخص شده است، در اسپکتروسکوپی نیرو تیپ و کانتیلیور به عنوان سنسور نیرو عمل می کند.

In Force spectroscopy raster-scanning is disabled temporarily or indefi nitely after the tip positions at a desired in-plane coordinate (X,Y). Then, either the sample or the cantilever (as shown here) moves in the Z-direction. Typically, an approach half-cycle is followed by a retract half-cycle, but consecutive half-cycles may have unequal durations and include different offsets in Z.

اسپکتروسکوپی نیرو به طور گسترده‌ای در هوا، مایع و محیط های کنترل شده مختلف استفاده می‌شود، که ممکن است شامل تیپ های عامل دار شده برای مطالعه‌ی برهم کنش‌های خاص مولکول‌های کانجوگه شده باشد.
به منظور اندازه‌گیری کمی نیروهای برهم کنشی لازم است که سختی خمشی (یا ثابت پیچش) کانتلیور AFM با بالاترین دقت ممکن محاسبه شود. اندازه‌گیری خصوصیات مکانیکی کانتیلیور شامل سختی خمشی، به خودی خود یک موضوع تحقیقاتی مهم در تحقیقات AFM است.

2. نحوه‌ی عملکرد دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی
میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی AFM سطح نمونه را توسط یک سوزن تیز، به طول 2 میکرون و غالبا قطر نوک کمتر از 10 نانومتر آنالیز می‌کند. سوزن در انتهای آزاد یک انبرک (کانتیلور =(cantilever به طول حدود 100 تا 450 میکرون قرار دارد.

اجزاء کلی میکروسکوپ نیروی اتمی و عملکرد آنها.

نیروهای بین سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن یا انحراف کانتیلور شده و یک آشکارساز میزان انحراف کانتیلور را در حالیکه سوزن سطح نمونه را روبش می‌کند یا نمونه در زیر سوزن روبش می‌شود، در سیستم‌هایی که نمونه حرکت روبشی را انجام می‌دهد، اندازه می‌گیرد. میتوان از انحراف کانتیلور برای ورودی یک مدار بازخورد استفاده کرد که روبشگر پیزو را در مواجهه با توپوگرافی سطح نمونه به گونه‌ای در جهت z بالا و پایین می‌برد که میزان انحراف کانتیلور ثابت بماند. اندازه گیری انحرافات کانتیلور به کامپیوتر امکان تولید تصویر توپوگرافی سطح را می‌دهد. در اغلب AFM هایی که امروزه عرضه می‌شود، موقعیت کانتیلور با استفاده از روش‌های اپتیکی تعیین می‌گردد. متداولترین آنها در شکل زیر نشان داده شده است.

بلاک دیاگرام حلقه بازخوردی میکروسکوپهایAFM . متغیرهای KP،تناسب بدست آمده،Ki، انتگرال بدست آمده، Kd، مشتق بدست آمده و e، میزان خطاست.

نحوه آشکارسازی موقعیت کانتیلور با روش متداول درمیکروسکوپ نیروی اتمی.

یک اشعه لیزری به پشت کانتیلور به سمت یک آشکارساز نوری حساس به موقعیت (PSPD= Position-sensitive photo detrector) منعکس می‌شود. با خم شدن کانتیلور محل اشعه لیزر روی آشکارساز تغییر کرده و PSPD میتواند جابجایی به کوچکی 10 آنگستروم (1 نانومتر) را اندازه‌گیری کند. نسبت فاصله بین کانتیلور و آشکارساز به طول کانتیلور به عنوان یک تقویت‌کننده مکانیکی عمل می‌کند. در نتیجه سیستم می‌تواند حرکت عمودی کمتر از آنگستروم نوک کانتیلور را اندازه‌گیری کند. روشی دیگر جهت آشکار سازی انحراف آشکارساز بر مبنای تداخل اپتیکی می‌باشد.
یک تکنیک بسیار ظریف دیگر جهت آشکارسازی، ساختن کانتیلور از یک ماده پیزومقاومتی (piezoresistive) است، به گونه‌ای که انحراف را بصورت سیگنال الکتریکی آشکار کند. در مواد پیزوی مقاومتی، تنش ناشی از تغییر فرم مکانیکی باعث تغییر مقاومت الکتریکی ماده می‌شود. برای آشکارسازی پیزومقاومتی نیازی به اشعه لیزر و PSPD نیست. وقتی که AFM انحراف کانتیلور را آشکار کرد، می‌تواند اطلاعات توپوگرافی را دردو حالت ارتفاع ثابت یا نیروی ثابت تولید کند.

3. انواع روش‌های تصویربرداری در AFM
· روش تماسی (Contact mode)
در روش تماسی، نوک پروپ به نمونه تماس پیدا می‌کند و نیروی دافعه بین اتم‌های سطح نمونه و نوک پروپ، نیروی غالب در این روش است. در این روش، نیروی اعمالی به نوک پروپ ثابت است. با استفاده از دنبال کردن انحرافات به وجود آمده در تیرک در اثر حرکت سوزن میکروسکوپ روی سطح نمونه، ‌می‌توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد.

· روش غیرتماسی (non-contact mode)
در روش غیرتماسی، تیرک در فرکانسی نزدیک به فرکانس طبیعی خود با دامنه‌ای در حد چند آنگستروم لرزش می‌کند و نوک پروپ بسیار نزدیک به نمونه بوده و نیروی جاذبه بین اتم‌های سطح نمونه و نوک پروپ، نیروی غالب است. تغییرات در نیروهای اتمی بین تیرک و سطح ماده را می‌توان از تغییرات در دوره‌ی تناوب فرکانس طبیعی تیرک متوجه شد. با کاهش فاصله‌ی نوک پروپ با سطح نمونه که منجر به افزایش نیرو می‌شود، دامنه‌ی نوسان تیرک کاهش می‌یابد. با استفاده از دنبال کردن تغییرات دوره تناوب فرکانس طبیعی تیرک می‌توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد.

· روش شبه تماسی(semi-contact mode)
در این روش تصویربرداری نیز مثل همان روش تماسی است. این روش برای تصویربرداری مایعات، هوا و بویژه برای نمونه‌های نرم مورد استفاده قرار می‌گیرد. حد تفکیک در این روش مشابه با مد تماسی است با این ویژگی که نیروی جانبی اضافی وارد شده به نمونه کمترین آسیب را به نمونه وارد می‌کند.

4. کاربردهای اسپکتروسکوپی
اندازه‌گیری های کشش نیروی برهم کنش‌های بین مولکولی و درون مولکولی:
برخی از کاربردهای رو به رشد اسپکتروسکوپی نیرو شامل روشی است که به عنوان کشش نیرو شناخته می‌شود. AFM نیروها را اندازه می‌گیرد و از این اندازه‌گیری‌ها می‌توان انرژی‌های پیوند برهم کنش‌های بین دو مولکول (بین مولکولی) یا بین بخش‌های مختلف یک مولکول (درون مولکولی) را استخراج کرد.
گاهی اوقات آزمایشات بین مولکولی، شامل یک مولکول سومی می‌شود که به عنوان لینک عمل می‌کند. یک انتهای این مولکول به تیپ AFM متصل است و انتهای دیگر به یکی از دو مولکول مورد نظر. مولکول دوم روی سطح قرار دارد.
کاربردهای کشش نیرو گسترده و در حال رشد هستند. برای مثال در بیولوژی و بیوشیمی این کاربردها دانش ما را در زمینه‌‍ی زیر توسعه داده‌اند.
- ماکرومولکول‌ها چگونه ساخته می‌شوند.
- بیومولکول‌ها چگونه خود تجمع می‌شوند.
- چطور می‌توان سنسورهای بیومولکولی منفرد ساخت.
- چطور بیماری‌های عفونی ویروسی در سطح مولکولی عمل می‌کنند.

اسپکتروسکوپی نیرو از طریق اتصال غیر اختصاصی یک راه ساده و آسان برای مطالعه‌ی برهم کنش های مولکولی است. شکل زیر یک مثال از آزمایشات کششی بر روی پروتئین 27I نشان می‌دهد. در این جا یک تیپ عامل‌دار نشده در تماس با یک سطح کاملاً پوشیده شده با مولکول‌های پروتئین قرار می‌گیرد. و سپس روی سطح کشیده می‌شود. وقتی این کار به خوبی انجام شود، یک انتهای یک تیتین به تیپ متصل می‌شود. وقتی که تیپ بالا کشیده می‌شود، تگ دامین‌های پروتئین به ترتیب باز می‌شوند (آنفولد می‌شوند) و یک الگوی منظم دندانه‌ای ایجاد می‌شود. نیروی آنفولد در برابر میزان کشش و همچنین جزئیات هر آنفولد شدن ممکن است برای مطالعه‌ی ساختار و عملکرد پروتئین استفاده شود.

Force vs. distance curve of intramolecular forces for I27: a recombinant polyprotein composed of eight repetitions of the Ig module 27 domain of human titin. Red is approach, and blue is retract half-cycle. A: the equilibrium position of the cantilever. B: in approach, the tip contacts the sample and the cantilever is pushed by the sample and defl ects up. C: the approach half-cycle ends and the retract half-cycle begins. D: the cantilever bends down, and passes its equilibrium position and its defl ection reverses polarity from up to down, indicating the presence of an attractive interaction between the tip and the sample. E: multiple unfolding events (ruptures) of the molecule. Multiple ruptures most frequently correspond to the incremental unfolding of a macromolecule, as seen here. The fi nal event in the retract half-cycle shown here corresponds to the cantilever breaking away from the sample completely and returning to its equilibrium position (A).

نانو ماشین ها:
اسپکتروسکوپی نیرو چندین روش برای بررسی‌های روتین، مشخصه‌یابی و اندازه‌گیری خصوصیات مکانیکی سطح نمونه به طور موضعی فراهم آورده است که دارای رزولوشن نانومقیاس در x و y هستند. تحت برخی شرایط این محدودیت رزولوشن مرتفع شده و به مقیاس اتمی می‌رسد، اما در اکثر مواقع رزولوشن نانومتری یا مولکولی است. یکی از کاربردهای بسیار شناخته شده اندازه‌گیری انطباق مکانیکی سطح نمونه است. سطح نمونه در یک مکان x و y داده شده چقدر است؟ یک نقطه در مقایسه با سایر نقاط چقدر سخت‌تر است. این کاربردها معمولا نانو دندانه‌گذاری نامیده می‌شود. تیپ و نمونه در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند و سپس بر روی یکدیگر کشیده می‌شوند.

تصاویر دستگاه AFM