परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी का उपयोग करने के लिए JPK उपकरण के द्वारा जैविक नमूनों की लचीला गुण का निर्धारण

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जिन विषय

परिचय
हर्ट्ज मॉडल
मुद्दों पर विचार किया जा
नमूना के नजदीक
रेंज फ़िट
जांच का चयन
इंडेंटेशन प्रयोग का उदाहरण
जांच की तैयारी
इंडेंटेशन प्रयोगों प्रदर्शन
डाटा प्रोसेसिंग
सिस्टम टेस्टिंग
निष्कर्ष

परिचय

Nanoindentation के लिए परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (AFM) का उपयोग एक उपयोगी उपकरण के रूप में उभरा है जैविक नमूने (1 आंकड़ा) के लिए लोचदार मापांक की तरह लोचदार संपत्तियों का निर्धारण. Cantilevers नरम nanoindenters कोशिकाओं या ऊतकों की तरह छोटे और inhomogeneous नमूनों की स्थानीय परीक्षण की अनुमति के रूप में सेवा. ब्याज विभिन्न मॉडलों के पैरामीटर की गणना के लिए इस्तेमाल किया हैं, लेकिन उनमें से ज्यादातर हर्ट्ज मॉडल पर आधारित हैं और प्रयोगात्मक indenters में आकृति या नमूना की मोटाई से संबंधित शर्तों को मैच करने के लिए बढ़ाया.

चित्रा 1. यंग के मापांक के विभिन्न जैविक सामग्री के लिए अवलोकन

कक्षों की Nanomechanical विश्लेषण कैंसर और विकासात्मक जीव विज्ञान जैसे विभिन्न क्षेत्रों में तेजी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है. सामान्य और बदनाम कोशिकाओं की कठोरता में अंतर पाया गया और भी सेलुलर कठोरता कम के साथ metastatic क्षमता में परिवर्तन के रूप में चिह्नित किया जा सकता है. Zebrafish रोगाणु परत progenitors के सेल प्रांतस्था तनाव निर्धारण वाह्य, meso और अन्त: जनस्तर सम्बन्धी पूर्वपुस्र्ष कोशिकाओं की कठोरता में अंतर का पता चला. विकासात्मक जीव विज्ञान के क्षेत्र से एक अन्य उदाहरण विकास substrates के यांत्रिक परीक्षण है. इस आवेदन सेल वंश विनिर्देशन के लिए मैट्रिक्स लोच की महत्वपूर्ण भूमिका का पता चला. लेकिन यह भी नहीं उनके बाह्य वातावरण के केवल कक्षों घटकों, कोलेजन तंतुओं की तरह अपने यांत्रिक गुणों के लिए परीक्षण किया गया है. [17] इस पद्धति की क्षमता व्यापक रूप से जैविक और भी अन्य विषयों में प्रयोग किया जाता है करने के लिए अलग matrices और सामग्री के लोचदार संपत्तियों का वर्णन.

इस रिपोर्ट के आवेदन और लोच AFM तकनीक का उपयोग प्रयोगों के अधिग्रहण का वर्णन करता है. सबसे अधिक इस्तेमाल किया मॉडल के एक सिंहावलोकन, हर्ट्ज मॉडल दिया है और मान्यताओं और जैविक नमूनों के साथ उपयोग के लिए परिणामस्वरूप सीमाओं में विस्तार से चर्चा की है.

हर्ट्ज मॉडल

हर्ट्ज मॉडल एक isotropic और रैखिक लोचदार ठोस एक असीम विस्तार आधा अंतरिक्ष कब्जा के रूप में नमूना approximates. इसके अलावा यह माना जाता है कि indenter deformable और नहीं है कि वहाँ indenter और नमूना के बीच कोई अतिरिक्त बातचीत कर रहे हैं. यदि इन शर्तों से मुलाकात कर रहे हैं नमूना के यंग मापांक (ई) या फिट किया जा सकता Hertzian मॉडल का उपयोग कर की गणना. नमूना और इंडेंटेशन जांच के गुणों का वर्णन कई मापदंडों के लिए निर्दिष्ट किया जा है.

चित्रा 2. टॉप - इंडेंटेशन प्रयोग के स्केच. ब्रैकट नमूना दिशा में दूरी z (ऊंचाई (मापा)) के द्वारा ले जाया जाता है. ब्रैकट विपरीत दिशा में झुका है (एक्स), whilst एक नमूना द्वारा दांतेदार बना है. अंत में एक ऊंचाई (मापा) से ब्रैकट विक्षेपन subtracting द्वारा गणना की है. बॉटम - (x) टिप - जुदाई नमूना (बल इंडेंटेशन वक्र) प्राप्त करने के लिए झुकने ब्रैकट के लिए ऊंचाई के सुधार के योजनाबद्ध.

इंडेंटेशन माप (बल स्पेक्ट्रोस्कोपी मोड) द्वारा प्राप्त आंकड़ों के आम तौर पर कर रहे हैं बल के piezo विस्थापन, बजाय टिप नमूना जुदाई के खिलाफ भूखंडों. हर्ट्ज मॉडल को लागू करने के लिए, घटता आंकड़ा 2 में समझाया के रूप में परिवर्तित किया जा आवश्यकता है.

इंडेंटेशन प्रयोगों प्रदर्शन

microsphere जांच घुड़सवार और AFM सिर पर सामान्य रूप से गठबंधन था. थोक मूल्य सूचकांक पेट्री पक्षपाती चो कोशिकाओं से युक्त पकवान पेट्री डिश हीटर रखा गया था और तापमान 37 डिग्री सेल्सियस के लिए सेट किया गया था ब्रैकट कैलिब्रेटेड तो था, बिल्कुल नमूना करने के लिए लागू किया जा बल निर्दिष्ट करने में सक्षम होना करने के लिए निर्धारित वसंत निरंतर अर्थात्. का प्रयोग NanoWizard ® या CellHesion200 ® अंशांकन प्रबंधक JPK एसपीएम सॉफ्टवेयर अंशांकन की प्रक्रिया के माध्यम से उपयोगकर्ता ओर जाता है, रैखिक संपर्क भाग के भीतर एक शक्ति वक्र (एक हार्ड सब्सट्रेट पर लिया) फिटिंग और वसंत के साथ निरंतर निर्धारण संवेदनशीलता की गणना थर्मल शोर विधि. एक बार अंशांकन पूरा हो गया है, वांछित setpoint बल न्यूटन में प्रवेश किया जा सकता है (आमतौर पर पिको या नैनो न्यूटन). अब प्रयोग शुरू किया जा सकता है.

सेना दूरी घटता सीधे विभिन्न कोशिकाओं के नाभिक के ऊपर ले जाया गया. अपेक्षाकृत उच्च setpoints (अप करने के लिए 4 NN) इन कोशिकाओं के यांत्रिक गुणों से अनजान थे के बाद से इस्तेमाल किया गया. विस्तार / गति वापस लेना 5 सुक्ष्ममापी / एस स्थापित किया गया था और बंद लूप का इस्तेमाल किया गया था.

डाटा प्रोसेसिंग

JPK आईपी सॉफ्टवेयर बल घटता से कई कदम के माध्यम से चल रहा है (fig. 8) यंग मापांक प्राप्त संभावना देता है. सभी आपरेशनों का विस्तार वक्र करने के लिए लागू हो सकता है क्योंकि यह (सामान्य या कम से कम तरल पदार्थ में) आसंजन की तरह नहीं कि बातचीत संपर्क बिंदु असंभव की एक दृढ़ संकल्प कर है. प्रसंस्करण के पहले कदम के किसी भी ऑफसेट हटाने या वक्र से और झुकाव संपर्क बिंदु को खोजने के लिए है. इसलिए विकल्प 'घटाना आधारभूत' और 'संपर्क बिंदु का पता लगाएं' के लिए चयनित हो रहे हैं. यह बिल्कुल संपर्क बिंदु या आधारभूत यहाँ ऑफसेट के बाद से वे चर फिट मानकों हैं और फिट परिणामों पर कोई प्रभाव नहीं है निर्धारित करने के लिए आवश्यक नहीं है. कोई झुकाव आधारभूत से हटाया जाना चाहिए के बाद से इस हर्ट्ज फिट का हिस्सा नहीं है. अगले कदम, एक विशेषता यह है कि piezo आंदोलन और लंबाई की इकाइयों में ब्रैकट ऊर्ध्वाधर विक्षेपन के बीच अंतर लेकर इंडेंटेशन गहराई की गणना ब्रैकट झुकने के लिए सही ऊंचाई है. अब एक हर्ट्ज मॉडल के साथ फिट किया जा यंग मापांक प्राप्त करने के लिए तैयार घटता. फिट "संपर्क बिंदु" और फिट गुणवत्ता पैरामीटर "अवशिष्ट RMS" के रूप में अन्य मानों, भी प्रदर्शित कर रहे हैं.

8 चित्रा. संचालन एक शक्ति वक्र से यंग मापांक प्राप्त करने के लिए. पहला कदम किसी भी ऑफसेट हटाने या और आधारभूत से झुकाव संपर्क बिंदु मिल है. वक्र आदेश में संपर्क बिंदु निर्धारण का अनुकूलन करने के लिए कर सकते हैं smoothed हो. और अगले महत्वपूर्ण कदम piezo आंदोलन से झुकने के लिए इंडेंटेशन उपज ब्रैकट घटाना है, तो एक नया चैनल टिप नमूना जुदाई बनाया जाता है कहा जाता है अर्थात्. अंत हर्ट्ज मॉडल लागू किया जा सकता है. indenter की ज्यामिति के रूप में अच्छी तरह से पॉसों (है कि जैविक नमूने के लिए 0.5 पर छोड़ा जा सकता है) अनुपात और डेटा श्रृंखला के लिए फिट किया जा के रूप में निर्दिष्ट किया जा है.

यदि कई घटता दर्ज किए गए प्रसंस्करण जहां सभी वर्णित आपरेशन घटता है (एक फ़ोल्डर के भीतर) के एक बैच के लिए लागू किया जा सकता बैच का उपयोग करने की संभावना है.

बैच संसाधन से पहले, यह उपयोगी है करने के लिए और अधिक विस्तार में कुछ घटता की जांच करने के लिए इष्टतम फिट रेंज है कि तब सभी घटता के लिए लागू किया जा सकता है लगता है. इसलिए फिट रेंज stepwise वृद्धि की जानी चाहिए जब तक ई मापांक एक स्थिरांक मान की ओर आदत है. 9 आंकड़ा यंग चो सेल से व्युत्पन्न मापांक इंडेंटेशन पर निर्भरता में प्लॉट किए जाते है. यहाँ ई इंडेंटेशन गहराई के आसपास 700-800 एनएम पर लगातार मूल्यों को ले शुरू होता है. यदि घटता की एक सरणी की जांच, बैच संसाधन का उपयोग कर, यह मान फिट श्रृंखला के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए. बेशक फिट की गुणवत्ता हमेशा या तो घटता पर सीधे देख या अवशिष्ट आरएमएस भी है कि परिणाम फ़ाइल है कि जब बैच संसाधन का उपयोग कर उत्पन्न होता है में नीचे लिखा है की तुलना द्वारा जाँच की जानी चाहिए.

9 चित्रा. एक चो सेल के ई बनाम इंडेंटेशन वक्र. लगभग 700 एनएम इंडेंटेशन ई स्तर पर एक निरंतर रेंज (लगभग 450 पा).