Resolución de la Fuerza Experimentos de la Espectroscopia de En Vigor, Ruido Térmico y el Efecto de la Anchura De Banda de la Medición

Los niveles de ruidos de la desviación del sub-Angstrom que se utilizan para especificar el funcionamiento del sistema óptico de la palanca son medidos por el refl ecting el de rayo láser lejos de un voladizo muy derecho o el substrato sí mismo de la antena. Cuando esta superficie muy derecha es reemplazada por muy suavemente un voladizo el ruido en la medición de la desviación es dominado no más por el ruido en el sistema óptico de la palanca sí mismo, pero bastante por el ruido térmico del voladizo. Éste es el origen del término “limitado térmicamente” que es de uso frecuente describir funcionamiento de la medición de la fuerza. El ruido Térmico es el resultado del movimiento Browniano intrínseco del voladizo. Del equipartition theorem1, podemos escribir una expresión para la energía térmica, kT_b, relacionándose la con la amplitud media cuadrático del movimiento voladizo, el〉 del 〈²x, y el constante del muelle, k, del voladizo:

Ecuación 1.

De esto, podemos derivar una expresión simple que permita que estimemos el ruido de la media cuadrada de la raíz (RMS) para las mediciones de la fuerza debido al ruido térmico:

Ecuación 2.

Si evaluamos esto para los constantes suaves del muelle voladizo en el rango de 10-30 pN/nm, encontramos que el ruido de la fuerza del RMS debe estar aproximadamente 6-11 pN. Sin Embargo, este solo no define totalmente la resolución de la fuerza de las mediciones del AFM.

Las mediciones de ruido de la fuerza del RMS fueron hechas con el mismo voladizo usado para medir los datos en el Cuadro 1, que era el voladizo rectangular en una antena de Bruker MLCT con un constante 24,2 pN/nm del muelle. Una serie de mediciones fue hecha para demostrar el efecto de cada método de limitar la anchura de banda de la medición. Según Eqn. (2), un voladizo con este constante de la primavera debe tener ruido de la fuerza del RMS de cerca de 10 pN.

Cuadro 1. El gráfico espectral de la densidad de la potencia de la señal de la desviación muestra el ruido térmico que ocurre en la frecuencia del voladizo, aquí cerca de 4 kilociclos de la resonancia. Las olumnas muestran el ruido de la fuerza del RMS que se debe medir en una anchura de banda de DC a la frecuencia mostrada.

La Figura 2A muestra el efecto de cambiar la frecuencia de atajo digital del filtro de paso bajo mientras que mantiene el tipo de la recogida de datos reparado en 40 kilociclos y sin ningún hacer un promedio de los datos. Porque la descarga rodada del filtro digital no es tan sostenida como ésa obtenida por los datos que hacen un promedio, vemos que el ruido de la fuerza está disminuido solamente modesto incluso en el más escotado de frecuencia. Mientras Que es efectivo para reducir ruido de alta frecuencia, el filtro de paso bajo digital no se adapta muy bien para reducir el ruido térmico de baja fricción. Observe que el ruido total medido en una anchura de banda hasta 20 kilociclos, pN 10,9, está de acuerdo bien con el valor previsto de 10 pN.

El Cuadro 2. mediciones Experimentales de fuerza del RMS divulga bajo diversas condiciones de la medición. (a) el tipo de la recogida de 40 datos del kilociclo, el ningún hacer un promedio, filtro de paso bajo digital no activó (b) Ningún hacer un promedio, filtro de paso bajo digital de 20 kilociclos, diversos tipos de la recogida de datos determinados por el número de puntas por la curva (c) el tipo de la recogida de 20 datos del kilociclo, 20 kilociclos de lter de paso bajo digital del fi, diversas anchuras de banda determinadas haciendo un promedio de puntas.

La Figura 2B muestra el efecto de cambiar el tipo de la recogida de datos ajustando el número de puntas por curva. Revoque que esto da lugar a los datos que hacen un promedio para reducir el número de puntos de referencias. Vemos que para los tipos de la recogida de datos más allá de la frecuencia de la resonancia que hay poca variación en el ruido de la fuerza. Sin Embargo, a los tipos en o por debajo de la frecuencia de la resonancia los niveles de ruidos comienzan a caer substancialmente, final menos que mitad del valor original.

Finalmente, la Figura 2C muestra el efecto de usar el parámetro de las “Puntas Medias” para reducir la anchura de banda de la medición mientras que sujeta el tipo de la recogida de datos y el filtro de paso bajo digital reparados en 20 kilociclos.

Los valores resultantes del ruido del RMS son muy similares a ésos obtenidos para las anchuras de banda equivalentes en la Figura 2B, pues deben ser puesto que son esencialmente el mismo tipo de filtración. Sin Embargo, este método ofrece la ventaja de guardar el número total de puntas por constante de la curva incluso durante se cambia la anchura de banda. Según Lo observado previamente, esto es a menudo ventajoso para mantener la suficiente resolución de la distancia en las curvas de la fuerza y proporcionar a más puntas para las operaciones tting del fi de la curva (e.g ajustes wormlike del encadenamiento a los datos de la extensión). Encontramos que éste es el método lo más generalmente posible útil de reducir el ruido térmico medido datos de la espectroscopia de en vigor.

El ruido térmico medido puede ser reducido más a fondo seleccionando un voladizo con una frecuencia de la resonancia más allá de la anchura de banda de la medición. Este concepto ha sido explotado por los grupos que trabajaban en los “pequeños voladizos”. Estos voladizos tienen frecuencias mucho más altas de la resonancia y bajan amortiguar viscoso, que reduce el ruido medido de la fuerza en la anchura de banda de la medición comparada a los voladizos convencionales.

Aunque los “pequeños voladizos verdaderos” y la dotación física compatible no son actualmente disponibles en el comercio, algunos voladizos actuales tienen frecuencias considerablemente más altas de la resonancia, incluso en líquido. Cuando usar estos voladizos más altos de la frecuencia resonante, más de poco ruido se puede lograr con la misma anchura de banda, o una anchura de banda más alta puede ser utilizada mientras que todavía obtiene un nivel de ruidos equivalente.

El nivel de ruidos en mediciones de la fuerza del AFM es limitado fundamental por el ruido térmico intrínseco de los voladizos. Sin Embargo, el ruido térmico medido se puede reducir por la selección juiciosa de parámetros que controlen la tasa de muestreo de los datos y hacer un promedio de los datos muestreados. Para el uso general de la espectroscopia de la fuerza, recomendamos el usar del parámetro de las “Puntas Medias” para ayudar a reducir el ruido térmico observado mientras que los suficientes puntos de referencias todavía que mantienen en cada fuerza curvan.