Vergleich der drei Betriebsmodi des Mikroskop-AFM-Funktionsprinzips
Kontaktmodus
Im Kontaktmodus steht die Spitze immer in leichtem Kontakt mit der Probe und scannt im Modus mit konstanter Höhe oder konstanter Kraft. Beim Scannen gleitet die Spitze über die Probenoberfläche. Normalerweise erzeugt der Kontaktmodus stabile Bilder mit hoher Auflösung.
Wenn im Kontaktmodus die weiche Probe gescannt wird, kann die Probenoberfläche durch den direkten Kontakt mit der Nadelspitze beschädigt werden. Wenn die Kraft zwischen Probe und Spitze während des Scannens zum Schutz der Probe geschwächt wird, kann es zu Bildverzerrungen oder Artefakten kommen. Gleichzeitig verringert sich durch die Kapillarwirkung der Oberfläche auch die Auflösung. Daher eignet sich der Kontaktmodus im Allgemeinen nicht für die Untersuchung biologischer Makromoleküle, Proben mit niedrigem Elastizitätsmodul und Proben, die sich leicht bewegen und verformen lassen.
kontaktloser Modus
Im berührungslosen Modus vibriert die Spitze über der Probenoberfläche, kommt jedoch nie mit der Probe in Kontakt, und der Sondenmonitor erkennt zerstörungsfreie Fernkräfte wie Van-der-Waals-Kräfte und elektrostatische Kräfte auf der abgebildeten Probe. Obwohl dieser Modus die Empfindlichkeit des Mikroskops erhöht, ist die Auflösung bei großem Abstand zwischen der Nadelspitze und der Probe geringer als im Kontaktmodus und im Tap-Modus, und die Abbildung ist instabil und die Bedienung ist relativ schwierig. Die Bildgebung in Flüssigkeiten hat in der Biologie relativ wenige Anwendungen.
Tap-Modus
Im Klopfmodus wird der Cantilever dazu gezwungen, in der Nähe seiner Resonanzfrequenz zu schwingen, und die oszillierende Spitze klopft sanft auf die Oberfläche der Probe, wodurch ein intermittierender Kontakt mit der Probe hergestellt wird. Daher wird dies auch als intermittierender Kontaktmodus bezeichnet. Durch den Klopfmodus kann ein Anhaften der Spitze an der Probe vermieden werden und es kommt beim Scannen nahezu zu keiner Beschädigung der Probe. Wenn die Spitze des Klopfmodus die Oberfläche berührt, kann sie die Haftkraft zwischen der Spitze und der Probe überwinden, indem sie eine ausreichende Amplitude der Spitze bereitstellt. Da die wirkende Kraft gleichzeitig vertikal ist, wird das Oberflächenmaterial weniger durch seitliche Reibung, Kompression und Scherkräfte beeinflusst. Ein weiterer Vorteil des Tippmodus im Vergleich zum berührungslosen Modus ist der große und lineare Arbeitsbereich, der das vertikale Feedbacksystem für Probenmessungen äußerst stabil und wiederholbar macht.
Die
Das AFM im Tapping-Modus ist sowohl in atmosphärischen als auch in flüssigen Umgebungen möglich. Wenn die Nadelspitze in der atmosphärischen Umgebung keinen Kontakt mit der Probe hat, schwingt der Mikrocantilever frei mit maximaler Amplitude; Wenn die Nadelspitze Kontakt mit der Probenoberfläche hat, regt die piezoelektrische Keramikfolie den Mikrocantilever zwar zu Schwingungen mit der gleichen Energie an, die sterische Hinderung führt jedoch dazu, dass der Mikrocantilever abnimmt. Die Amplitude des Cantilevers nimmt ab, und das Rückkopplungssystem steuert die Amplitude des Cantilevers konstant sein und die Nadelspitze folgt den Höhen und Tiefen der Probenoberfläche, um sich auf und ab zu bewegen, um die Forminformationen zu erhalten. Der Klopfmodus eignet sich auch für den Betrieb in Flüssigkeiten, und aufgrund der Dämpfungswirkung der Flüssigkeit ist die Scherkraft zwischen der Nadelspitze und der Probe kleiner und die Beschädigung der Probe geringer, sodass der Klopfmodus in der Abbildung abgebildet wird Flüssigkeit kann an aktiven biologischen Proben durchgeführt werden. Vor-Ort-Tests, Vor-Ort-Verfolgung von Lösungsreaktionen usw.
Querkraftmodus
Die Lateral Force Microscopy (LFM) funktioniert ähnlich wie AFM im Kontaktmodus. Wenn der Mikroausleger über der Probe scannt, schwingt der Ausleger aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Spitze und der Probenoberfläche, und es gibt ungefähr zwei Verformungsrichtungen: vertikal und horizontal. Im Allgemeinen spiegelt die vom Laserpositionsdetektor erfasste Änderung in vertikaler Richtung die Form der Probenoberfläche wider, und die Änderung des in horizontaler Richtung erfassten Signals ist aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften der Materialoberfläche der Reibungskoeffizient auch anders. unterschiedlich, so dass beim Scanvorgang auch der Grad der linken und rechten Verzerrung des Mikrocantilevers unterschiedlich ist. Der Grad der Torsionsbiegung des Auslegers nimmt zu oder ab, wenn sich die Reibungseigenschaften der Oberfläche ändern (zunehmende Reibung führt zu größerer Torsion). Ein Laserdetektor misst und zeichnet Topographie- und Querkraftdaten getrennt in Echtzeit auf. Normalerweise können nicht nur die verschiedenen Komponenten der Probenoberfläche zu einer Verformung des Mikroauslegers führen, sondern auch die Änderung der Oberflächenmorphologie der Probe kann zu einer Verformung des Mikroauslegers führen, wie in der Abbildung unten dargestellt . Um zwischen den beiden zu unterscheiden, sollten normalerweise LFM-Bilder und AFM-Bilder gleichzeitig erfasst werden. Abhängig von der Ursache der Verformung des Auslegers kann LFM normalerweise verwendet werden, um kompositorische Bilder und „kantenverstärkte Bilder“ der Materialoberfläche zu erhalten.
