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事宜列表
背景
在 AFM 强制解决方法的实际限额
评定带宽的影响
实验
悬臂式选择的影响
汇总
背景
基本强制显微镜 (AFM)为强制评定越来越使用在 piconewton 政权。 作为尝试是的定制的越来越小的强制了解几个系数影响这个技术的强制解决方法变得更加重要。 光学杠杆途径导致非常悬臂式偏折的敏感评定。
它是定期得到子埃噪声级。 因为有弹簧常数的悬臂在 10 个 pN/nm 附近是广泛可用的，这将似乎暗示 subpiconewton 强制的评定应该是可能的。 然而，这不幸地不是实际情形。
在 AFM 的实际限额促成解决方法
用于指定光学杠杆系统性能由 ecting 激光一非常僵硬悬臂式的 refl 评定的子埃偏折噪声级或探测基体。 当此非常僵硬的表面被一个悬臂时非常软绵绵地替换在偏折评定的噪声不再控制由在光学杠杆系统的噪声，但是相当由悬臂的热量噪声。 这 是常用的描述强制评定性能 “热量地被限制的”术语的始发地。 热量噪声是悬臂的内在布朗运动的结果。 从 equipartition theorem1，我们可以为热能，千吨写表达式b，涉及它与悬臂式行动的平均值被摆正的高度， 〈x2〉和弹簧常数， k，悬臂：
式 1。
从此，我们可以派生允许我们估计强制评定的根均方的一个简单表达式 (RMS) 噪声由于热量噪声：
式 2。
如果我们评估此虚拟悬臂弹簧常数的在 10-30 个 pN/nm 范围内，我们发现在有关 6-11 pN 范围内， RMS 强制噪声应该是。 然而，此单独不完全地定义了 AFM 评定的强制解决方法。
评定带宽的影响
悬臂的热量噪声在带宽发生在悬臂的共鸣频率附近。 所以评定带宽，取决于的采样率和其他过滤所有的数据平均为或，可能有对被观察的噪声的巨大效果生效数据。 在水溶液，许多这些 piconewton 政权评定做，多数悬臂共鸣频率是相当低的，典型地少于 10 kHz。 这是在 AFM 的可能的评定带宽内。 例如， Bruker 运行在 NanoScope V 管理员的 AFMs 可能获取标准强制曲线以 40 kHz 的数据传输比。
使用高速数据捕获功能可以一直增加这 50 MHz。
然而，在偏折信号发生的所有数据过滤也取决于评定带宽。
这可能包括模式补白，数字式补白和基本数据平均为 (即 “平均为移动”或 “的棚车”)。
模式过滤在 NanoScope V 管理员主要打算减少超出 Nyquist 频率，是一半采样率的频率要素造成的别名作用在这个信号。 所以，正常 “低速”偏折信号，被抽样在 500 kHz，被过滤在 200 kHz。 “高速”偏折信号，可以被抽样在 50 MHz， AC 被耦合，并且低通被过滤在大约 6.5 MHz。
除此模式过滤之外，可能可任选地使用在偏折信号的数字式补白。 这可以被选择使用 “LP 偏折”参数被找到在 “另一份”参数表下。
此补白的截止频率在 2-20 kHz 内的范围是可选的使用 “LP 偏折”参数被找到在 “反馈”参数表下。
终于，被抽样的数据可以通过应用移动平均值进一步过滤。 这可以被实施用二个不同的方式。 首先，舷梯费率和点的数量每曲线 (“范例的编号”参数) 确定一种整体数据捕获费率。 例如，一种 1 Hz 舷梯费率和 19968 点每曲线结合产生大约 40 kHz (1 的最大数据捕获费率 Hz = 0.5 s 每方向，在 19968 点每曲线是大约 25 ìs 每点，或者大约 40 kHz)。 使用少量点每曲线平均为更多点对 downconvert 这个信号对低带宽。 其次，移动平均值可以应用于数据使用 “平均点”参数被找到在舷梯模式参数表的每个 “海峡”组下。 这导致相似过滤数据，但是保留更多点每曲线，对数据是重要的，当贴合功能和为了维护好解决方法在数据的距离轴时。
“扫瞄速率”， “编号的范例”和 “平均点”参数的联合作用导致称 “有效 BW 的参数”，被找到在舷梯通道参数组下。 这被计算：
式 3。
这是评定带宽的估计强制曲线数据该通道的。 注意过滤的复制出该从移动平均值的结果与那一台通常第一等级低通滤波器有所不同。 即这个信号的衰减开始以频率低于在 Eqn 计算的截止频率。 (3)，而一台正常第一等级低通滤波器的衰减只是 - 3 dB 以截止频率。 增加复制出的费率，当更多点用于这个平均数，类似于使用高次补白。 这些区别的实用的作用是被计算的有效带宽高于实际带宽有些，因此意味着带宽附近将充分地变稀在高端的频率要素。
通过限制带宽用任何这些方式从强制评定排除热量噪声的部分是可能的。 或许这通过认为功率是最插图丰富的偏折信号的光谱密度剧情，如图 1. 所显示。 这显示热量噪声 (蓝蚝) 适合了对一个简单的泛音振荡器功能 (红线)。 明显地噪声在悬臂的共鸣频率围绕的峰顶发生。
通过集成在此峰顶下的区我们可以计算 RMS 强制噪声。 如果我们定积分域对带宽我们的评定我们可以得到特定带宽的理论上的 RMS 强制噪声。 实验，然而，达到精密地限制带宽到这个期望范围的评定带宽是不可能的，因为过滤的截止频率不是无限锋利的。
实验
RMS 强制噪音测量用用于的同一个悬臂在表 1 做评定数据，是在 Bruker MLCT 探测的长方形悬臂与弹簧常数 24.2 pN/nm。 一系列的评定做为了展示限制评定带宽每个方法的作用。 根据 Eqn。 (2)，有今年春天常数的一个悬臂应该有 RMS 强制噪声大约 10 pN。
图 1。 偏折信号的功率光谱密度剧情显示发生以悬臂的共鸣频率，这里大约 4 kHz 的热量噪声。 列显示在从 DC 的带宽应该评定到显示的频率的 RMS 强制噪声。
图 2A 显示更改数字式低通滤波器截止频率的作用，当保持数据捕获费率被修理在 40 kHz 和，无需任何数据平均为时。 由于数字式补白的复制出不是一样锋利的象数据获得的那平均为，我们看见强制噪声谨慎地只被减少甚而在最低胸频率。 当有效为减少高频率噪音时，数字式低通滤波器没有很好适用与减少低频率热量噪声。 注意在带宽评定的总噪声 20 kHz， 10.9 pN，很好与预测的值为 10 一致 pN。
图 2. 实验评定 RMS 强制在不同的评定情况下吵闹。 (a) 40 kHz 数据捕获费率，没有平均为，数字式低通滤波器没有启用 (b) 平均为， 20 kHz 数字式低通滤波器，点的编号取决于的不同的数据捕获费率每曲线 (c) 20 kHz 数据捕获费率， 20 kHz 数字式低通 fi lter，平均为取决于的不同的带宽点。
图 2B 通过调整点的数量显示更改数据捕获费率的作用每曲线。 收回这导致平均为的数据减少数据点的数量。 我们看见为在共鸣频率之外的数据捕获费率有在强制噪声上的一点变化。 然而，以在或在共鸣频率之下的费率噪声级比一半开始充分地下降到，根本地较少初始值。
终于，图 2C 显示使用 “平均点”参数的作用减少评定带宽，当拿着数据捕获费率和数字式低通滤波器被修理在 20 kHz 时。
发生的 RMS 噪声值非常类似于为在图 2B 的等价带宽获得的那些，因为他们应该是，因为他们根本是同一种过滤。 然而，既使更改，此方法提供保留点的总数的好处每个曲线常数带宽。 如以前注意，这经常是有利为了维护在强制曲线的满足的距离解决方法和为曲线 fi tting 的运算 (即对扩展名数据的卑下的链子适应提供更多点)。 我们发现这是减少被评定的热量噪声最通常有用的方法生效分光学数据。
悬臂式选择的影响
被评定的热量噪声可以被选择有共鸣频率的一个悬臂进一步减少在评定带宽之外。 从事在 “小的悬臂的”组利用了此概念。 这些悬臂有更高的共鸣频率并且降低黏阻止，减少在评定带宽的被评定的强制噪声与常规悬臂比较。
虽然真的 “小的悬臂”和兼容硬件当前不是商业可用的，一些当前悬臂有显著地更高的共鸣频率，甚而在流体。 当使用这些更高的谐振频率悬臂，更加低噪声可以达到与时可以使用同样带宽或者更高的带宽，当仍然得到一个等同的噪声级时。
汇总
在 AFM 强制评定的噪声级由悬臂的内在热量噪声基本上限制。 然而，被评定的热量噪声可以被控制数据采样率和平均为被抽样的数据参数的明智的选择减少。 对通用强制分光学用量，当在每强制的仍然维护的足够的数据点弯曲时，我们推荐使用 “平均点”参数帮助减少被观察的热量噪声。
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