AZoNano
Список Темы
Предпосылка
Физические Пределы на Разрешении Усилия AFM
Влияние Ширины Полосы Частот Измерения
Экспириментально
Влияние Консольного Выбора
Сводка
Предпосылка
Атомный микроскоп усилия (AFM) все больше и больше используется для измерений усилия в режиме piconewton. Как попытки сделайте измерить более малые и более малые усилия будет важне понять несколько факторов которые влияют на разрешение усилия метода. Оптически подход к рукоятки приводит к в внесметно чувствительных измерениях консольного отклонения.
Он по заведенному порядку для того чтобы получить уровни шума sub-Ангстрома. В Виду Того Что cantilevers с константами весны вокруг 10 pN/nm широко - доступно, это показалось бы, что подразумевало что измерения усилий subpiconewton должны быть возможны. Однако, это несчастливо нет случая.
Физические Пределы на AFM Принуждают Разрешение
Уровни шума отклонения sub-Ангстрома которые использованы для того чтобы определить представление оптически системы рукоятки измерены refl ecting лазерный луч очень жесткое консольного или субстрат сам зонда. Когда эта очень жесткая поверхность заменена очень мягко cantilever шум в измерении отклонения больше не не преобладан шумом самим в оптически системе рукоятки, а довольно термальным шумом cantilever. Это начало «термально ограничиваемой» термины которая часто использована для того чтобы описать проведение измерения усилия. Термальный шум результат внутреннеприсущего Броуновского движения cantilever. От equipartition theorem1, мы можем написать выражение для тепловой энергии, kTb, относя он к середин-приданной квадратную форму амплитуде консольного движения,〉 〈2x, и константа весны, k, cantilever:
Уровнение 1.
От этого, мы можем вывести простое выражение которое позволяет нам оценить середину корня - придайте квадратную форму шуму (RMS) для измерений усилия должных к термальному шуму:
Уровнение 2.
Если мы оцениваем это для мягких констант консольного рессоры в границах 10-30 pN/nm, то мы находим что шум усилия RMS должен быть в границах около 6-11 pN. Однако, это одно вполне не определяет разрешение усилия измерений AFM.
Влияние Ширины Полосы Частот Измерения
Термальный шум cantilever происходит в ширине полосы частот около частоты резонанса cantilever. Поэтому ширина полосы частот измерения, определенная частотой отсчетов и всеми данными усредняя или другой фильтруя, может иметь большое влияние на наблюдаемом шуме в данных по усилия. В водных растворах, где много из этих измерений режима piconewton делаются, частоты резонанса большинств cantilevers довольно низки, типично меньш чем 10 КГц. Это в пределах возможной ширины полосы частот измерения AFM. На пример, Bruker AFMs работая на регуляторе NanoScope V может захватить стандартные кривые усилия на тарифах данных до 40 КГц.
Используя Высокоскоростную характеристику Сбора Данных это можно увеличить полностью до 50 MHz.
Однако, ширина полосы частот измерения также определена любой фильтровать данных который происходит на сигнале отклонения.
Это может включить сетноые-аналогов фильтры, цифровые фильтры, и усреднять первичных данных (т.е. «двигать» или «boxcar» усредняя).
Сетноой-аналогов фильтровать на регуляторе NanoScope V главным образом предназначен уменьшить влияния элиайсинга причиненные частотными составляющими в сигнале которые превышают частоту Nyquist, которая половина частоты отсчетов. Поэтому, нормальный «низкоскоростной» сигнал отклонения, попробованный на 500 КГц, фильтрован на 200 КГц. «Высокоскоростной» сигнал отклонения, который можно попробовать на до 50 MHz, AC-соединен и низкопроходное фильтровано на около 6,5 MHz.
В дополнение к этот сетноой-аналогов фильтровать, цифровой фильтр на сигнале отклонения можно выборочно использовать. Это можно выбрать используя «параметр Отклонения LP» найденный под «Другим» списком параметра.
Частота отсечки для этого фильтра дискретная внутри ряд 2-20 КГц используя «параметр Отклонения LP» найденный под списком параметра «Обратной Связи».
Окончательно, дискретные данные могут более в дальнейшем быть фильтрованы путем прикладывать скользящую средную. Это можно снабдить в 2 другой способ. Во-первых, тариф пандуса и число пунктов согласно с кривый («Количество параметр Образцов») определяют общий тариф сбора данных. На пример, тариф пандуса 1 Hz и 19968 пунктов в кривый совмещают для того чтобы дать максимальный тариф сбора данных около 40 КГц (1 Hz = 0,5 s в направление, которое на 19968 этапов в кривый около 25 ìs в пункт, или около 40 КГц). Используя men6we пунктов в кривый просто усредняет больше пунктов к downconvert сигнал к более низкой ширине полосы частот. Во-вторых, скользящая средная может быть прикладной к данным используя «параметр Средних Пунктов» найденный под каждой группой «Канала» в списках параметра режима пандуса. Это приводит к в подобный фильтровать данных но сохраняет больше пунктов в кривый, которая важна когда подходящие функции к данным и поддерживать хорошее разрешение в оси расстояния данных.
Совмещенное влияние «Частота Сканирования», «параметров Количества Образцов», и «Средних Пунктов» приводит к в вызванном параметре «Эффективный BW,» который найден под группой параметра канала пандуса. Это высчитано мимо:
Уровнение 3.
Это предварительный подчет ширины полосы частот измерения для того канала данных по кривого усилия. Заметьте что rolloff фильтровать тот результаты от скользящей средней отличает от того из фильтра обычного первого заказа низкопроходного. То есть, амортизация сигнала начинает на частотах хорошо под частотой отсечки высчитанной в Eqn. (3) тогда как амортизация фильтра нормального первого заказа низкопроходного только была бы - dB 3 на частоте отсечки. Увеличен тариф rolloff по мере того как больше пунктов использованы в среднем, подобно к использованию фильтра высшийо порядок. Практически влияние этих разниц что высчитанная эффективная полоса частот будет несколько более высока чем фактическая ширина полосы частот, поэтому она значит что частотные составляющие около верхнего сегмента ширины полосы частот существенно будут ослаблены.
Путем ограничивать ширину полосы частот в любых из этих путях возможно исключить часть термального шума от измерений усилия. Это возможно самое лучшее проиллюстрированное путем рассмотрение силы спектральным графиком плотности сигнала отклонения, как показано в Диаграмме 1. Это показывает что термальный шум (голубые пункты) приспосабливать к простой гармонической функции генератора (красной линии). Очевидно шум происходит в пике центризованном на частоте резонанса cantilever.
Путем интегрировать зону под этим пиком мы можем высчитать шум усилия RMS. Если мы устанавливаем пределы внедрения к ширине полосы частот нашего измерения, то мы можем получить теоретический шум усилия RMS для, котор дали ширины полосы частот. Экспириментально, однако, невозможно достигнуть ширины полосы частот измерения которая точно ограничивает ширину полосы частот к пожеланному ряду потому что фильтруя частоты отсечки инфинитно не остры.
Экспириментально
Измерения шума усилия RMS были сделаны при такой же cantilever используемый для того чтобы измерить данные в Диаграмме 1, которая был прямоугольным cantilever на зонде Bruker MLCT с константой 24,2 pN/nm весны. Серия измерений была сделана для того чтобы продемонстрировать влияние каждого метода ограничивать ширину полосы частот измерения. Согласно Eqn. (2), cantilever с константой эта весны должно иметь шум усилия RMS около 10 pN.
Диаграмма 1. График плотности силы спектральный сигнала отклонения показывает термальный шум происходя на частоте cantilever, здесь около 4 КГц резонанса. Колонки показывают шум усилия RMS который должен быть измерен в ширине полосы частот от DC к показанной частоте.
На Диаграмму 2A показано влияние изменять цифровую частоту отсечки низкопроходного фильтра пока держащ тариф сбора данных зафиксировано на 40 КГц и без любой усреднять данных. Потому Что rolloff цифрового фильтра как не остр как rolloffполученное данными усредняя, мы видим что шум усилия только скромно уменьшен даже на самой низкой частоте отрезка. Пока эффективно для уменьшения высокочастотного шума, цифровой низкопроходный фильтр очень хорошие одетый для уменьшения низкочастотного термального шума. Заметьте что полный шум измеренный в ширине полосы частот до 20 КГц, pN 10,9, соглашается хорошо с предсказанным значением 10 pN.
Диаграмма 2. Экспириментально измерения усилия RMS шумит под различными условиями измерения. (A) тариф сбора данных 40 КГц, никакой усреднять, цифровой низкопроходный фильтр не включил (B) Никакой усреднять, фильтр 20 КГц цифровой низкопроходный, различные тарифы сбора данных определенные количеством пунктов согласно с кривый (C) тариф сбора данных 20 КГц, 20 цифрового низкопроходного КГц lter fi, различных ширин полосы частот определенных путем усреднять пункты.
На Диаграмму 2B показано влияние изменять тариф сбора данных путем регулировать число пунктов в кривый. Вспомните что это приводит к в данных усредняя для уменьшения числа частных значений. Мы видим что для тарифов сбора данных за частотой резонанса что меньшее изменение в шуме усилия. Однако, на тарифах при или под частота резонанса уровни шума начинают падать существенно, в конечном счете к чем половина первоначально значения.
Окончательно, на Диаграмму 2C показано влияние использования «параметра Средних Пунктов» для уменьшения ширины полосы частот измерения пока держащ тариф сбора данных и цифровой низкопроходный фильтр зафиксированными на 20 КГц.
Приводя к значения шума RMS очень подобны к значениполученным для соответствующих ширин полосы частот в Диаграмме 2B, по мере того как они должно быть в виду того что они существенно такой же тип фильтровать. Однако, этот метод предлагает преимущество держать общее количество пунктов в константу кривого как только ширина полосы частот изменена. Как ранее замечено, это часто выгодно для поддержания достаточного разрешения расстояния в кривых усилия и для того чтобы обеспечить больше пунктов для деятельностей fi кривого tting (например wormlike пригонок цепи к данным по выдвижения). Мы находим что это наиболее вообще полезный метод уменьшения измеренного термального шума в данных по спектроскопии усилия.
Влияние Консольного Выбора
Измеренный термальный шум может более в дальнейшем быть уменьшен путем выбирать cantilever с частотой резонанса за шириной полосы частот измерения. Эта принципиальная схема была эксплуатирована группами работая на «малых cantilevers». Эти cantilevers имеют гораздо высокее частоты резонанса и понижают вязкостный амортизировать, который уменьшает измеренный шум усилия в ширине полосы частот измерения сравненной к обычным cantilevers.
Хотя истинные «малые cantilevers» и совместимое оборудование в настоящее время не имеющи на рынке, некоторые настоящие cantilevers имеют значительно более высокие частоты резонанса, даже в жидкости. Когда использования этих более высоких cantilevers резонирующей частоты, более малошумных можно достигнуть с такую же ширину полосы частот, или более высокую ширину полосы частот можно использовать пока все еще получающ соответствующий уровень шума.
Сводка
Уровень шума в измерениях усилия AFM фундаментально ограничен внутреннеприсущим термальным шумом cantilevers. Однако, измеренный термальный шум может быть уменьшен рассудительный выбором параметров которые контролируют частоту отсчетов данных и усреднять дискретных данных. Для общего использования спектроскопии усилия, мы рекомендуем использовать «параметр Средних Пунктов» для того чтобы помочь уменьшить наблюдаемый термальный шум пока все еще поддерживая достаточные частные значения в каждом усилии изгибают.
.jpg)
Эта информация найденный, расмотрена и приспособлена от материалов обеспеченных Bruker AXS.
Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Bruker AXS.