接触模式

静态模式 (接触模式)

静态模式,或称接触模式,是操作AFM的原始且最简单的模式。在这种模式下,当探头光栅扫描样品表面时探头与样品持续接触。换句话说,探头“拖动”着走过样品。静态模式最常见的配置是在恒力偏转反馈模式下运行的。在这种模式下,悬臂偏转是反馈参数。悬臂偏转由用户设定,与尖端对表面的推动力度有关,因此用户可以控制探针和样品之间的相互作用是温和还是强烈。

静态模式也可以在恒高度模式下操作,其中探头在样品上方保持一个固定的高度。在这种模式下没有力反馈。恒高度模式通常用于原子分辨率AFM,但在其他AFM应用中并不常见。

最后还有一个配置称为误差模式。该模式在恒力模式下工作。在表面结构中加入偏转信号可以进一步增强地貌图像。在这种模式下,偏转信号也称为误差信号,因为偏转是反馈参数;该通道中出现的任何特征或形态都是由于反馈回路中的“误差”,或者更确切地说,是由于反馈回路需要开动以保持偏转设定值恒定。

在恒力的静态模式下,输出由两幅图像组成:高度(z形貌)和偏转或误差信号。静态模式可以是一种有用的、简单的成像模式,特别是对于能够承受静态模式所施加的高负载和扭转力的大气中的结实的样品,但是,令人惊讶的是,对于液体中的柔嫩的样品,只要压力可以控制在100 pN以下也可。

膜蛋白如噬菌调理素蛋白(BR) 的成像是后者的一个例子。下图的形貌图显示了用FlexAFM和软的0.1 N / m探头记录的含有吸附在云母上的BR的膜片的接触模式成像。概图显示了两个以不同的侧面面对悬臂的膜片:左边的是细胞外,右边的是细胞质。高度的差异可以通过膜与云母和悬臂之间不同的静电相互作用来解释。在右侧图像中,有一块小的扫描区域,在其中可以在其天然的晶体基质中分辨出单个的三聚体,三聚体之间的距离为6.2 nm。

AFM topography of bacteriorhodopsin in contact mode AFM topography overview of bacteriorhodopsin in contact mode

静态模式存在于所有 Nanosurf AFM 产品线中。


横向力模式

横向力模式或摩擦力模式是静态模式(接触模式)的一种形式。 在横向力模式下,成像与在静态模式下完全一样,只是悬臂扫描运动通常垂直于悬臂的轴进行,而常规的静态模式下扫描旋转是自由的。  横向力模式扫描配置的示意图如下所示。

AFM lateral force mode explained

此模式对于测量表面的摩擦力是特别有效的,因为当探头沿着表面光栅扫描时,由于扭矩而导致的悬臂的左右扭曲。通过标定悬臂的扭转弹簧常数,可以将横向力测量值转换为摩擦力。

当以横向力模式操作时,重要的是要注意可能使横向力信号复杂化的形貌。这是因为地形的变化也会在悬臂梁上产生扭曲。为了解决这种地形干扰问题,多次地在正向(回扫)和反向(正扫)扫描方向上收集横向力图像,然后将它们相互减去。

下面的示意图中说明了这个概念。左图显示了表面上一块区域(黑色半圆)的摩擦力明显不同于样品其他部分。正向和反向扫描均显示此表面的摩擦力变化;但变化方向相反(蓝色轨迹和红色轨迹)。减去正向和反向扫描将增强摩擦响应的差异。在右侧,显示了在横向力(摩擦)响应中引起响应的地形特征的结果。现在,正向和反向轨迹都在横向力通道中以相同方向显示信号,这是由于这种情况下的地形而不是实际的摩擦变化。通过取两个图像的差,测得的横向力响应减小了。

Schematic of AFM lateral force mode

横向力图像可以非常有效地捕捉样品中的材料差异。下面是聚苯乙烯和聚丁二烯的聚合物混合物的AFM图像。左侧显示的地形很难分辨混合物中的两种成分。中图和右图是向前和退后的两个横向力图像,可以轻松观察到这两个分量之间的差异。

AFM topography forward scan, lateral force z-axis lateral force AFM

通过图像(下面左图),在轮廓线图形中进一步说明了摩擦力,其中黑色轮廓属于正向扫描方向,灰色轮廓属于逆向。注意将数据显示为“原始数据”,以便正确显示悬臂上的扭转情况。取差异,Δ/ 2,只有向前和后退的运动导致的摩擦而少有地形干扰(下面右图中的黑色实线)。取平均,Σ/ 2,向前和后退的横向偏转使信号由高度变化主导, 几乎没有摩擦信息(下面右图中的灰色虚线)。 

friction force forward scan data average line graph

下图显示了叠加在3D地形上的根据差异数据计算出的摩擦力。与上面相比,它旋转了约180°。 

3D AFM topography overlay

横向力模式在 CoreAFMFlexAFM 产品线上可用。 更多信息,请参见  PS-PB横向力显微的应用说明.