ССМ может быть использован не только в качестве инструмента для получения рельефа поверхности, но также и для картирования ряда других характеристик и материальных свойств образца, в частности, зарядовой плотности, адгезии и упругости, а также сил разрыва связей лиганд-рецептор. ССМ может быть использован также в качестве инструмента силовой спектроскопии – для измерений зависимости сил от расстояния. Для колеблющегося кантилевера сила взаимодействия зонд-поверхность может оказывать влияние также и на некоторые другие характеристики - амплитуду, частоту, фазу, добротность и т.д. Соответствующие зависимости этих характеристик от расстояния могут также рассматриваться как спектроскопические данные.
Измерение сил в ССМ производится путем накопления силовых кривых, которые представляют собой зависимости отклонений кантилевера, dc, от положения образца вдоль z-оси (т.е. по направлению к или от зонда; z – положение пьезосканера). Предполагается простое соотношение (например. Закон Гука) между силой, F, и отклонением кантилевера:
F = - k dc,
где k – жесткость кантилевера. Некоторые другие силы, включаемые во взаимодействия зонд-образец при подводе и отводе образца представлены на рисунке слева [1]. Используемые определения см. ниже. Интерпретация АСМ силовых кривых практически полностью зависит от установления закономерностей силового взаимодействия, в том числе тех, которые определены с использованием приборов измерения поверхностных сил (surface force apparatus, SFA) [2]. Эти силовые законы описывают силы скорее как функции расстояний зонд-образец (D), чем как функции положения z-сканера. Поэтому, чтобы быть полезными, силовые кривые должны быть преобразованы в описания сил как функций расстояния D, F(D). Однако современные ССМ не обладают возможностью независимого определения D. Вместо этого преобразование к зависимости от D достигается путем вычитания отклонения кантилевера из z-перемещения пьезосканера.
Для очень твердых образцов нулевое расстояние зонд-образец определяется как область на силовой кривой, где отклонение кантилевера в соотношении 1:1 связано с перемещением образца; на силовой кривой она проявляется как прямая линия с единичным наклоном. Скорректированная кривая называется «Кривая Сила-Расстояние» (Force–distance curve). Отметим, что определение D в этом приближении требует, чтобы зонд находился в контакте с образцом. На практике существуют два фактора (дальнодействующие силы и упругость образца) которые могут сделать определение точки контакта весьма затруднительным. Полная силовая кривая включает силы, измеренные при приближении зонда к образцу и его отводе от образца. Поскольку силы, действующие на зонд, отличаются при его движении по направлению к образцу и от образца, силовые кривые разделены на кривые подвода и отвода и рассматриваются отдельно.
Ссылки
- TIBTECH 17, 143 (1999).
- Israelashvili, J.N. (1992) Intermolecular and Surface Forces, Academic Press.
Определения
A Постоянная Хамакера
a Длина мономера
D Расстояние зонд-оборазец
E Модуль упругости
k Постоянная Больцмана
L Толщина щетки в хорошем растворителе
L* Обратная функция Ланжевена
N Количество единиц в полимере
R Радиус зондирующей сферы
s Среднее расстояние между полимерами
T Абсолютная температура
U Энергия связи
x Элонгация полимера
δ Глубина индентирования
ε Диэлектрическая постоянная среды
γ Поверхностная энергия между острием и образцом
γL Поверхностная энергия жидкости
ν Коэффициент Пуассона
Λ Характеристическая длина связи
λ Дебаевская длина среды
θ Угол, связанный с геометрией контакта зонда с образцом
σR Плотность поверхностного заряда сферы
σS Плотность поверхностного заряда образца
τ Период, в течение которого связь порвется
τ0 Обратная частота колебаний связи