Définition de Force en des Expériences de Spectroscopie de Vigueur, le Bruit Thermique et l'Effet de la Largeur De Bande de Mesure

Les niveaux sonores de fléchissement de sous-Angström qui sont employés pour spécifier la performance du système optique de manette sont mesurés par le refl ecting le faisceau laser hors circuit d'un en porte-à-faux très raide ou le substrat de sonde lui-même. Quand cette surface très raide est remplacée par très doucement un encorbellement le bruit dans la mesure de fléchissement n'est plus dominé par le bruit dans le système optique de manette lui-même, mais plutôt par le bruit thermique de l'encorbellement. C'est l'origine du terme « thermiquement limité » qui est employé souvent pour décrire la performance de mesure de force. Le bruit Thermique est le résultat du mouvement Brownien intrinsèque de l'encorbellement. De l'equipartition theorem1, nous pouvons écrire une expression pour l'énergie thermique, kT_b, associant elle à l'amplitude de la moyenne carrée du mouvement en porte-à-faux, le〉 du 〈²X, et la constante de source, k, de l'encorbellement :

Équation 1.

De ceci, nous pouvons dériver une expression simple qui nous permet d'estimer le bruit de la moyenne carrée de racine (RMS) pour des mesures de force dues au bruit thermique :

Équation 2.

Si nous évaluons ceci pour des constantes douces de source en porte-à-faux de l'ordre de 10-30 pN/nm, nous constatons que le bruit de force de RMS devrait être environ 6-11 NA. Cependant, ce seul ne définit pas complet la définition de force des mesures d'AFM.

Des mesures de bruit de force de RMS ont été effectuées avec le même encorbellement utilisé pour mesurer les données sur le Schéma 1, qui était l'encorbellement rectangulaire sur une sonde de Bruker MLCT avec une constante 24,2 pN/nm de source. Une suite de mesures a été effectuée afin d'expliquer l'effet de chaque méthode de limiter la largeur de bande de mesure. Selon Eqn. (2), un encorbellement avec cette constante de printemps devrait avoir le bruit de force de RMS environ de 10 NA.

Le Schéma 1. Le traçage spectral de densité d'alimentation électrique du signe de fléchissement affiche le bruit thermique se produisant à la fréquence de résonance de l'encorbellement, ici environ 4 kilohertz. Les fléaux affichent le bruit de force de RMS qui devrait être mesuré dans une largeur de bande de C.C à la fréquence affichée.

La Figure 2A affiche l'effet de changer la fréquence de coupure digitale de filtre passe-bas tout en maintenant les tarifs de saisie de données non fixes à 40 kilohertz et sans aucun établissement d'une moyenne de données. Puisque la décroissance du filtre numérique n'est pas aussi tranchante que cela obtenue par des données faisant la moyenne, nous voyons que le bruit de force seulement est modestement diminué même à la fréquence découpée la plus faible. Tandis Que pertinent pour réduire le bruit de haute fréquence, le filtre passe-bas digital pas approprié très bien à réduire le bruit thermique basse fréquence. Notez que tout le bruit mesuré dans une largeur de bande jusqu'à 20 kilohertz, NA 10,9, est conforme bien à la valeur prévue de 10 NA.

Le Schéma 2. mesures Expérimentales de la force de RMS ébruitent dans différentes conditions de mesure. (a) les tarifs de saisie de 40 données de kilohertz, aucun établissement d'une moyenne, filtre passe-bas digital n'ont activé (b) Aucun établissement d'une moyenne, filtre passe-bas digital de 20 kilohertz, différents tarifs de saisie de données déterminés par le numéro des remarques selon la courbure (c) les tarifs de saisie de 20 données de kilohertz, 20 kilohertz de lter passe-bas digital de fi, différentes largeurs de bande déterminées en faisant la moyenne des remarques.

La Figure 2B affiche l'effet de changer les tarifs de saisie de données en réglant le nombre de remarques selon la courbure. Indiquez que ceci a comme conséquence les données faisant la moyenne pour réduire le nombre de points d'informations. Nous voyons que pour des tarifs de saisie de données au delà de la fréquence de résonance qu'il y a peu de variation du bruit de force. Cependant, aux tarifs à ou en dessous de la fréquence de résonance les niveaux sonores commencent à chuter considérablement, éventuel à moins que la moitié de valeur initiale.

En Conclusion, la Figure 2C affiche l'effet d'employer le paramètre « de Remarques Moyennes » pour réduire la largeur de bande de mesure tout en jugeant les tarifs de saisie de données et le filtre passe-bas digital fixes à 20 kilohertz.

Les valeurs donnantes droit de bruit de RMS sont très assimilées à ceux obtenues pour des largeurs de bande équivalentes dans la Figure 2B, car elles devraient être puisqu'elles sont essentiellement le même type de filtrage. Cependant, cette méthode offre l'avantage de maintenir tout le nombre de remarques selon la constante de courbure même pendant que la largeur de bande est changée. Comme précédemment remarquable, c'est souvent avantageux afin de mettre à jour la définition suffisante de distance dans les courbures de force et fournir plus de remarques pour les fonctionnements tting de la courbure fi (par exemple ajustements wormlike de réseau aux données d'extension). Nous constatons que c'est la méthode le plus généralement utile de réduire le bruit thermique mesuré en des données de spectroscopie de vigueur.

Le bruit thermique mesuré peut être encore réduit en sélectant un encorbellement avec une fréquence de résonance au delà de la largeur de bande de mesure. Ce concept a été exploité par des groupes travaillant aux « petits encorbellements ». Ces encorbellements ont des fréquences beaucoup plus hautes de résonance et abaissent l'amortissement visqueux, qui ramène le bruit mesuré de force dans la largeur de bande de mesure comparée aux encorbellements conventionnels.

Bien Que les « petits encorbellements » vrais et le matériel compatible ne soient pas actuel disponibles dans le commerce, quelques encorbellements actuels ont des fréquences considérablement plus hautes de résonance, même en liquide. Quand à l'aide de ces encorbellements plus élevés de fréquence de résonance, plus à faible bruit peut être réalisé avec la même largeur de bande, ou une bande passante élevée peut être utilisée tout en obtenant toujours un niveau sonore équivalent.

Le niveau sonore dans des mesures de force d'AFM est principalement limité par le bruit thermique intrinsèque des encorbellements. Cependant, le bruit thermique mesuré peut être réduit par la sélection judicieuse des paramètres qui règlent les tarifs d'échantillonnage de données et l'établissement d'une moyenne des données échantillonnées. Pour l'usage général de spectroscopie de force, nous recommandons d'employer le paramètre « de Remarques Moyennes » pour aider à réduire le bruit thermique observé tandis que les points d'informations suffisants de mise à jour toujours dans chaque force courbent.