مقدمه‌ای بر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) نوعی میکروسکوپ پروبی روبشی است که برای اندازه‌گیری خاصیت مغناطیس، ارتفاع و اصطکاک استفاده می‌شود. وضوح در مقیاس نانومتر اندازه گیری می‌شود که بسیار دقیق‌تر و کاربردی‌تر از پراش نوری است. برای اندازه گیری از پروب (کاوشگر) استفاده می‌کند و جمع آوری داده‌ها شامل لمس سطحی پروب است.
هنگامی که میکروسکوپ پروبی روبشی، پروب را بر روی بخشی از نمونه اسکن، بررسی و ویژگی‌های آن را همزمان اندازه‌گیری می‌کند، تصویری تشکیل می‌شود. آنها همچنین دارای عناصر پیزوالکتریک یا همان بارهای الکتریکی هستند که در مواد جامد خاص مانند DNA، پروتئین‌های بیولوژیکی، کریستال و غیره تجمع می‌یابند تا حرکت دقیق در طول اسکن نمونه را بر اساس فرمان الکتریکی مشخص کنند.
میکروسکوپ نیروی اتمی در سال 1982 توسط دانشمندانی که در شرکت IBM کار می کردند، درست پس از اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی در سال 1980 توسط Gerd Binnig و Heinrich Rohler با تحقیقات شرکت IBM در زوریخ اختراع شد. این زمانی بود که بعداً Binnig میکروسکوپ نیروی اتمی را اختراع کرد و اولین بار در سال 1986 به صورت آزمایشی مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1989 برای فروش تجاری به بازار عرضه شد.
اصول کار میکروسکوپ نیروی اتمی
میکروسکوپ نیروی اتمی بر اساس قاعده اندازه گیری نیروهای بین مولکولی کار می‌کند و اتم‌ها را با استفاده از سطوح حاوی پروبهای نمونه در مقیاس نانو می‌بیند. عملکرد آن توسط سه قاعده اصلی شامل سنجش سطح، تشخیص و تصویربرداری فعال می‌شود.
- میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) سنجش سطح را با استفاده از یک تیرکنسول یا طره (از یک بلوک محکم مانند تیر یا صفحه ساخته شده است که به انتهای تکیه گاه متصل می‌شود و از آن بیرون زده و یک اتصال عمودی صاف ایجاد می‌کند که مانند دیوار عمودی است) انجام می‌دهد. تیرکنسول نوک تیز است که با ایجاد نیروی جاذبه بین سطح و نوک، زمانی که به سطح نمونه نزدیک می‌شود، آن را اسکن می‌کند. هنگامی که تماس بسیار نزدیک با سطح نمونه برقرار می‌شود، یک نیروی دافعه به تدریج کنترل را به دست می گیرد و تیرکنسول را از سطح دور می‌کند.
- در حین انحراف تیرکنسول از سطح نمونه، تغییر جهت بازتاب پرتو ایجاد می‌شود و پرتو لیزر با انعکاس یک پرتو از سطح صاف کنسول، مغایرت را تشخیص می‌دهد. با استفاده از یک دیود نوری حساس به مثبت (PSPD- جزئی که مبتنی بر فناوری دیود پین سیلیکونی است و برای اندازه‌گیری موقعیت تمرکز یکپارچه سیگنال نور ورودی استفاده می‌شود)، این تغییرات انحراف و تغییر جهت پرتو منعکس شده را ردیابی و آنها را ثبت می‌کند.
- میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) تصویر توپوگرافی سطح نمونه را از طریق اسکن تیرکنسول بر روی بخش مورد نظر میگیرد. بسته به اینکه سطح نمونه چه ارتفاعی دارد، انحراف پرتو را تعیین می‌کند که توسط دیود نوری حساس به مثبت (PSDP) بررسی می‌شود. میکروسکوپ دارای یک حلقه بازخورد(فیدبک لوپ) است که طول نوک کنسول را درست بالای سطح نمونه کنترل می‌کند، بنابراین موقعیت لیزر را حفظ می‌کند و در نتیجه تصویری دقیق از سطح نمونه ایجاد می‌کند.
قطعات میکروسکوپ AFM
میکروسکوپهای نیروی اتمی دارای چندین تکنیک برای اندازه گیری فعل و انفعالات نیرو مانند واندروالس، برهمکنش نیروی حرارتی، الکتریکی و مغناطیسی برای این فعل و انفعالات هستند. میکروسکوپ نیروی اتمی دارای قسمتهای زیر است که به کنترل عملکرد آن کمک می‌کند.
- نوک‌های اصلاح شده که برای تشخیص سطح نمونه و انحرافات استفاده می‌شود
- تنظیمات نرم افزاری مورد استفاده برای تصویربرداری از نمونه‌ها.
- کنترل حلقه بازخورد(فیدبک لوپ) – برهمکنش نیرو و موقعیت نوک را با استفاده از یک منحرف کننده لیزر کنترل می‌کنند. لیزر از پشت تیرکنسول و نوک منعکس می‌شود و در حالی که نوک با سطح نمونه تعامل دارد، موقعیت لیزر بر روی آشکارساز نوری در حلقه بازخورد برای ردیابی سطح نمونه و اندازه گیری استفاده می‌شود.
- انحراف – میکروسکوپ نیروی اتمی با یک سیستم انحراف پرتو لیزر ساخته شده است. لیزر از پشت اهرم AFM به آشکارساز حساس منعکس می‌شود. آنها از ترکیبات سیلیکونی با شعاع نوک حدود 10 نانومتر ساخته شده‌اند.
- اندازه گیری نیرو – AFM کار انجام می‌دهد و به شدت به فعل و انفعالات نیرو بستگی دارد چراکه به ایجاد تصویر کمک می کنند. نیروها با محاسبه اهرم انحراف اندازه گیری می‌شوند تا محکم بودن تیر کنسول مشخص باشد. این محاسبه توسط قانون هوک تعریف شده که به صورت زیر است:
F= -kz، که در آن F نیرو، k سختی اهرم، و z فاصله خم شدن اهرم است.
کاربردهای میکروسکوپ نیروی اتمی
این نوع میکروسکوپ در رشته‌های مختلف علوم مانند فیزیک جامدات، مطالعات نمونه‌های نیمه رسانا، مهندسی مولکولی، شیمی پلیمر، شیمی سطح، زیست شناسی مولکولی، زیست سلولی، پزشکی و فیزیک مورد استفاده قرار گرفته است.
برخی از این کاربردها عبارتند از:
- شناسایی اتم‌ها در نمونه
- ارزیابی برهمکنش نیروهای بین اتم‌ها
- مطالعه خواص تغییر فیزیکی اتم‌ها
- مطالعه خواص ساختاری و مکانیکی مجموعه‌های پروتئینی مانند میکروتوبول‌ها.
- برای تمایز سلولهای سرطانی از سلولهای نرمال استفاده می‌شود.
- ارزیابی و تمایز سلولهای مجاور) (neighboring cell و شکل و استحکام دیواره سلولی.
مزایای میکروسکوپ نیروی اتمی
- آماده سازی آسان نمونه برای مشاهده
- می‌توان از آن در شرایط خلاء، گاز و مایعات استفاده کرد.
- سنجش اندازه نمونه بسیار دقیق است
- تصویر سه بعدی تشکیل می‌دهد
- می‌توان از آن برای مطالعه عناصر زنده و غیر زنده استفاده کرد
- می‌توان از آن برای تعیین ناهمواری و زبری سطوح استفاده کرد
- در محیط‌های دینامیکی و پویا استفاده می‌شود.
معایب میکروسکوپ نیروی اتمی
- فقط می‌تواند یک تصویر در اندازه نانو را در زمان حدود 150x150nm اسکن کند.
- زمان اسکن پایینی دارند که ممکن است باعث رانش حرارتی در نمونه شود.
- نوک و نمونه ممکن است در حین تشخیص آسیب ببینند.
- دارای بزرگنمایی و برد عمودی محدود است
همچنین بخوانید:
- فولدسکوپ چیست؟ آشنایی با میکروسکوپ کاغذی و ویژگی های آن
- میکروسکوپ استریو (Stereo Microscope): کاربرد، اجزا، روش کار، مزایا و معایب
- میکروسکوپ زمینه تاریک (Darkfield Microscope): تعریف، اصول، کاربردها و نمای آن
- میکروسکوپ دیجیتالی (Digital Microscope): تعریف، اصول، قطعات، انواع، نمونه‌ها و موارد استفاده
- مقایسه میکروسکوپ ها – دوبله ژنیران
- میکروسکوپ اینورت چیست؟
مترجم: معصومه قریبی ششده
