Сканирующая зондовая микроскопия нуклеиновых кислот и тонких органических пленок

Оглавление
Введение 10
Цель и задачи исследования................................. 12
Обзор литературы 14
1. Основные принципы сканирующей зондовой микроскопии 14
1.1. Общие принципы работы сканирующего зондового микроскопа ................................................... 15
1.2. Сканирующая туннельная микроскопия.................... 17
1.3. Атомно-силовая микроскопия............................ 18
1.3.1. Силовое взаимодействие зонда и образца......... 18
1.3.2. Принцип работы АСМ..............................22
1.4. Основные методы исследования биологических и органических объектов и структур ................................ 33
1.5. Сканирующая зондовая микроскопия нуклеиновых кислот 38
1.5.1. Основные методики препарирования образцов для зондовой микроскопии нуклеиновых кислот .... 39
1.5.2. Применение зондовой микроскопии для исследования структуры и свойств молекул нуклеиновых кислот и их комплексов .................................46
Теоретическая часть 50
2. Анализ искажающих эффектов атомно-силовой микроскопии 50
2.1. Контактные деформации зонда и образца................. 50
2.1.1. Контакт двух тел: решение контактной задачи Герца 51
2.1.2. Контакт сферического зонда и сферического образца 54
1
2.1.3. Контакт сферического зонда и цилиндрического образца............................................... 59
2.1.4. Динамика переходного процесса контактных деформаций ............................................. 71
2.1.5. Возможность достижения атомного разрешения с помощью АСМ........................................... 72
2.2. Задача восстановления реальной геометрии объектов по
АСМ-изображению (учет эффекта уширения)............... 85
2.2.1. Постановка и решение задачи об определении ширины объектов по измеренным параметрам АСМ-профиля............................................... 88
Экспериментальная часть 95
3. АСМ-исследования взаимодействия вирусной РНК с белками 95
3.1. Исследование процессов разрушения белковой оболочки частиц вируса табачной мозаики и высвобождения вирусной РНК ....................................................95
3.1.1. Результаты и их обсуждение....................100
3.1.2. Анализ распределения молекул РНК по длинам . . 109
3.1.3. Краткие выводы.................................118
4. Зондовая микроскопия процессов конденсации ДНК 120
4.1. Исследование конформационных изменений ДНК при взаимодействии с поверхностно-активными веществами . . 124
4.1.1. Возможность исследования конформационных свойств комплексов ДНК-ПАВ методом СТМ ... 127
4.1.2. Определение геометрии комплексов ДНК-ПАВ, перешедших через границу раздела фаз вода/хлороформ, по результатам АСМ....................................129
4.2. Исследование изменений конформации ДНК в водноспиртовых средах ..........................................138
4.2.1. Исследование сконденсированных в водно-спиртовой
среде молекул ДНК при проведении исследований на воздухе.....................................139
2
4.2.2. Исследование процессов конденсации ДНК непосредственно в водно-спиртовой среде ...................141
4.2.3. Краткие выводы...................................151
5. Применение метода ACM для анализа структуры тонких органических пленок 152
5.1. Влияние процессов внедрения CdTe-кластеров на структуру тонкопленочных покрытий бегеновой кислоты........157
5.1.1. Экспериментальная часть..........................158
5.1.2. Результаты и их обсуждение.......................159
5.2. Исследование тонких пленок белков.......................172
5.3. Исследование влияния условий формирования покрытий и природы подложки на молекулярную упаковку тонких
органических пленок.....................................177
5.3.1. Результаты исследований молекулярной упаковки
тонких пленок...................................189
Заключение 202
Выводы.......................................................205
Благодарность...............................................206
Библиография 206
А. Приложение 220
А.1. Программа, реализующая численное решение задачи о
контактных деформациях зонда и цилиндрического образца220 А.2. Программа, реализующая численное решение задачи восстановления реальной геометрии объекта по измеренному
АСМ-профилю ............................................223
А.З. Параметры промышленных кантилеверов.....................226
3
Список иллюстраций
1.1. Обобщенная геометрия зонда АСМ и баланс сил взаимодействия зонда и образца............................... 19
1.2. Основные узлы механической части атомно-силового микроскопа ................................................23
1.3. Основные элементы атомно-силового микроскопа............24
1.4. Объяснения влияния поверхностного распределения фрикционных свойств на топографическое АСМ-изображение . 26
1.5. К определению латеральной разрешающей способности АСМ ....................................................28
1.6. АСМ-изображения молекул ДНК, адсорбированных на слюду...................................................42
2.1. Контакт двух тел; деформации .......................... 52
2.2. Экспериментальная и теоретическая зависимости деформации частиц ВТМ от величины нагружающей силы зонда 68
2.3. Экспериментальная зависимость деформации молекул ДНК от величины нагружающей силы зонда..................70
2.4. Режим установления контактных деформаций................72
2.5. Общий вид аппаратной функции АСМ для случая плоского образца............................................. 76
2.6. Контакт зонда и гексагонально упакованных атомов поверхностной решетки.................................... 77
2.7. Зависимость разностной функции АСМ-изображения от радиуса области контакта............................... 79
2.8. Зависимость спектральной плотности сечения АСМ-изображения слюды от радиуса области контакта ..........81
2.9. Зависимости спектральной плотности сечений АСМ-изображений пирографита от радиуса области контакта . 83
4
2.10. Геометрия контакта зонда и образца (к объяснению эффекта уширения)............................................. 89
3.1. Структура вируса табачной мозаики.......................96
3.2. Частицы вируса табачной мозаики........................102
3.3. Частицы вируса табачной мозаики, частично депротеини-зованные обработкой мочевиной..........................104
3.4. Частицы вируса табачной мозаики, частично депротеини-зованные обработкой диметилсульфоксидом................105
3.5. Молекулы РНК ВТМ, полностью высвобожденные из белковой оболочки ........................................107
3.6. Гистограмма распределения по длинам свободных молекул РНК ВТМ ...........................................111
3.7. Зависимости длины высвобожденной РНК ВТМ от длины вирусного остатка; случай двух выходящих нитей.........113
3.8. Зависимость длины высвобожденной РНК ВТМ от длины вирусного остатка, случай одной выходящей нити.........114
3.9. Молекулы РНК ВЭМК мышей ...............................116
3.10. Распределение молекул РНК ВЭМК мышей по длинам . . 117
4.1. Свободные молекулы ДНК на слюде........................125
4.2. Исследование комплексов ДНК-ПЛВ методом СТМ и АСМ128
4.3. Тороидальные комплексы ДНК-ПАВ, перешедшие в хлороформ ................................................132
4.4. Гистограммы распределения параметров геометрии АСМ-профилей тороидальных комплексов ДНК-ПАВ...............133
4.5. Число случаев отсутствия решения в зависимости от радиуса аппроксимации иглы ................................135
4.6. Гистограммы распределения числа молекул ДНК, входящих в состав комплексов с ПАВ..........................137
4.7. Свободные молекулы ДНК, адсорбированные на поверхность свежего скола слюды..............................140
4.8. Молекулы ДНК адсорбированы на поверхность свежего скола слюды из раствора этанола........................141
4.9. Молекулы ДНК адсорбированы на поверхность свежего скола слюды из раствора изопропанола...................142
5
4.10. Динамика процессов компактизации/декомпактизации ДНК в водно-спиртовой среде.............................145
4.11. Размеры глобулярных частиц, образованных молекулами ДНК Т4 в 80% изопропаноле ..............................146
4.12. Частично компактизованные молекулы ДНК.................149
4.13. Стержневая структура, образованная в результате ком-пактизации ДНК .........................................150
5.1. Схема метода Ленгмюра-Блоджетт формирования тонких органических пленок на поверхности твердой подложки . 154
5.2. Монослой бегеновой кислоты на слюде.....................156
5.3. Кристаллиты в монослое бегеновой кислоты на слюде (динамика разрушения/восстановления) ......................161
5.4. Кристаллиты в пленке бегеновой кислоты на пирографите 162
5.5. Углы взаимоориентации между кристаллическими ламелями, включенными в пленки бегеновой кислоты ...........162
5.6. Распределение угла между ламелями в пленке бегеновой кислоты и осями решетки подложки........................163
5.7. Структура пленки ЛБ бегеновой кислоты, нанесенной на пирографит..............................................167
5.8. Распределение угла между направлением «грядок» в пленке бегеновой кислоты и основными осями поверхностной решетки пирографитовой подложки..............................168
5.9. Временные структуры, формирующиеся в процессе динамического разрушения при сканировании пленки бегеновой кислоты на пирографите...................................169
5.10. Искусственные дефекты в белковых пленках...............176
5.11. Примеры визуализации молекулярной упаковки тонких пленок бегеновой кислоты................................189
5.12. Структура тонких пленок кетоамидов.....................195
5.13. Примеры визуализации молекулярной упаковки тонких пленок кетоамидов.......................................196
5.14. Структура тонких пленок 5-октадецил-2,4,6(1Н, ЗН, 5Н)пиримидинтриона......................................199
5.15. Примеры визуализации молекулярной упаковки пленок 5-октадецил-2,4,6(1Н, ЗН, 5Н)пиримидинтриона..............200
6
Список таблиц
2.1. Сравнительный анализ контактных деформаций, возникающих при АСМ-исследовании материалов с различными упругими свойствами.......................................... 55
2.2. Сравнительный анализ контактных деформаций для моделей сферического и цилиндрического образцов различного радиуса................................................. 66
4.1. Геометрические параметры глобул, образованных ком-пактизованными в 80% изопропаноле молекулами ДНК
Т4......................................................146
5.1. Возможные упаковки молекул в н-парафинах...............179
5.2. Влияние противоиона на упаковку тонких пленок солей жирных кислот...........................................183
5.3. Параметры элементарной ячейки тонких пленок солей кадмия жирных кислот....................................185
5.4. Параметры элементарной ячейки молекулярной упаковки тонких пленок...........................................191
5.5. Описание образцов тонких пленок........................192
А.1. Параметры основных типов промышленных кантилеве-
ров (Nanoprobe, Digital Instruments, США)...............227
7
Список используемых сокращений
АСМ — Атомно-силовая микроскопия БСА — Бычий сывороточный альбумин ВТМ — Вирус табачной мозаики ВЭМК — Вирус энцефаломиокардита (мышей)
ГО — Горизонтального осаждения (метод) ДМСО —Диметилсульфоксид ДНК — Дезоксирибонуклеиновая кислота ДСДАХ — Дистеарилдиметиламмоний хлорид ИК — Инфракрасная (спектроскопия)
ЛБ — Ленгмюра-Блождетт (метод или покрытие) ПАВ — Поверхностно-активные вещества ПО — Программное обеспечение РНК — Рибонуклеиновая кислота СЗМ — Сканирующая зондовая микроскопия СТМ — Сканирующая туннельная микроскопия УФ — Ультрафиолетовая (спектроскопия)
ФМ — Флуоресцентная микроскопия ХАС — Хлороформ: ацетон: спирт (раствор)
8
ЦП — Центрированная прямоугольная (ячейка)
ЦТАБ — Цетилтриметиламмоний бромид ЭМ — Электронная микроскопия абс. ед. — абсолютные единицы отн. ед. — относительные единицы пирографит — высокоориентированный пиролитический графит п.о. — пары оснований х. ч. — химически чистое (вещество)
ВАС — Бензилдиметилалкиламмоний хлорид APTES — Аминопропилтриэтоксисилан
9
Введение
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), объединяющая широкий спектр современных методов исследования поверхности, насчитывает полтора десятка лет своей истории — с момента создания в 1981 г. Бинни-гом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)[1, 2]. За прошедшие годы применение зондовой микроскопии позволило достичь уникальных научных результатов в различных областях физики, химии и биологии. Наиболее яркими демонстрациями возможностей этого экспериментального направления при исследовании поверхностей твердых тел могут служить: результаты по прямой визуализации реконструкции поверхностей [З]1), манипуляция отдельными атомами для записи информации с рекордной плотностью, исследование локального влияния поверхностных дефектов на зонную структуру образца [4] и пр.
Новые экспериментальные возможности рассматриваемого направления в сравнении с традиционными методами исследования поверхности делают особенно перспективным применение зондовой микроскопии (в частности атомно-силовой микроскопии (АСМ) [5]) для изучения биологических и органических материалов. На этом пути в последние годы также был достигнут значительный прогресс. В частности, применительно к исследованиям нуклеиновых кислот, можно упомянуть о таких результатах, как визуализация отдельных молекул ДНК [6] и исследование их конформационного состояния в жидких средах, прямое измерение сил взаимодействия комплементарных нуклеотидов [7], визуализация в реальном масштабе времени процессов взаимодействия ДНК с белками [8].
В то же время зондовая микроскопия биологических и органических объектов и структур остается более сложной задачей в сравнении с СЗМ-анализом поверхностей твердых тел. Действительно, прошло более
1' например, поверхности 81 (111) 7 х 7
10
десяти лет с момента возникновения СЗМ, прежде чем была убедительно показана ее адекватность для исследований биообъектов (в 1992 г. на примере молекулы ДНК [6]). Это связано с такими особенностями подобных объектов, как низкая проводимость21 и невысокая механическая жесткость. Актуальной является проблема иммобилизации данных структур на поверхностях твердых подложек в процессах приготовления образцов и при исследованиях (особенно в жидких средах). Важно, чтобы объекты были зафиксированы на подложке в таком состоянии, чтобы было возможно исследовать их интересующие структурные особенности. Возможным подходом к решению этой задачи может служить, например, модификация свойств подложки путем контролируемого осаждения на ее поверхность тонких органических пленок с заданными свойствами.
Весьма важным для адекватного применения зондовых микроскопов в широкомасштабных научных исследованиях является отслеживание и систематизация возможных механизмов возникновения артефактов, т.е. аппаратных эффектов, приводящих к наблюдению ложных или искаженных свойств исследуемого объекта, которое может быть обусловлено, например, воздействием на объект самого инструмента исследования и пр.
Действительно, сканирующий зондовый микроскоп представляет собой «проектор», проецирующий объекты и явления микромира на доступный нашему восприятию «экран» — в силу многих причин удобно, чтобы им служил экран монитора компьютера. В этом случае проекция становиться отчасти «осязаемой», поскольку допускает возможность дополнительного анализа с помощью соответствующего программного обеспечения. Однако подобное «проецирование» несет только частичную информацию об объекте, к тому же отчасти искаженную влиянием самого «проектора». Восстановление по проекции реальных свойств исследуемых объектов является типичной обратной задачей, требующей решения и для зондовой микроскопии.
2) важно при СТМ-исслсдованиях
11
Цель и задачи исследования
Целыо работы являлась разработка методов исследования нуклеиновых кислот и их комплексов с помощью зондовой микроскопии.
В этой связи основными задачами настоящей работы являлись:
• разработка методов определения истинной геометрии объектов путем анализа экспериментально измеренных параметров их АСМ-изображений (учет артефактов);
• определение адекватных методик иммобилизации молекул нуклеиновых кислот и их комплексов с белками и поверхностноактивными веществами в различных экспериментальных условиях (при проведении исследовании в жидких средах или на воздухе) на различных подложках;
• отработка подходов к решению задачи модификации свойств подложки путем контролируемого осаждения тонких органических пленок; исследование влияния на качество (однородность, бездефектность) и структуру сформированного покрытия специфики процедуры его формирования и природы подложки.
При решении основных задач возникла необходимость или возможность рассмотрения ряда дополнительных и вспомогательных вопросов и проблем. Так, анализируя проблему определения истинной геометрии объекта по результатам исследования АСМ (глава 2), рассмотрели два основных артефакта, проявляющихся при исследовании микрообъектов, адсорбированных на поверхность твердой подложки: эффект уширения (раздел 2.2) и эффект занижения высот АСМ-профиля (раздел 2.1). При разработке методики количественного описания эффекта занижения высот привлекли теорию контактных деформаций; следствия ее применения для анализа результатов АСМ потребовали (этому посвящен раздел 2.1.5) объяснить с позиций контактной теории механизм АСМ-визуализации атомной или молекулярной структур поверхности.
Определение адекватной методики иммобилизации одноцепочечной вирусной РНК (глава 3) на поверхности подложки позволило визуализировать стадии процесса последовательного разрушения вирусной частицы с высвобождением молекулы РНК, находящейся в белковой оболочке
12
(раздел 3.1.1), и проанализировать неэквивалентность протекания этого процесса для двух концов вирусной частицы (раздел 3.1.2).
Разработка методов определения истинной геометрии объектов позволила, при проведении исследований компактизации31 молекул ДНК (глава 4), проанализировать количественный молекулярный состав ком-пактизованных структур. Отработка методики исследования нуклеиновых кислот в жидких средах (описана в разделе 4.2.2) позволила изучить промежуточные стадии процесса компактизации ДНК непосредственно в жидкостной ячейке АСМ и определить структуру конденсированной молекулы.
При исследовании тонких пленок (см. главу 5), применение метода формирования искусственных дефектов (см. рис. 5.10) дало возможность проанализировать углы взаимоориентации осей решетки пленки и подложки. Кроме того, для ряда тонкопленочных покрытий удалось осуществить АСМ-визуализацию молекулярной упаковки и определить параметры элементарной ячейки. Это позволило сделать выводы о природе механизмов, определяющих молекулярную структуру пленок.
3) переход «клубок» -> «глобула»
13
Глава 1
Основные принципы сканирующей зондовой микроскопии
Общей чертой всех сканирующих зондовых микроскопов (и определяющей их название) является наличие микроскопического зонда, который приводится в контакт11 с исследуемой поверхностью и перемещается по некоторому заданному участку поверхности, осуществляя его зондирование (или сканирование).
Контакт зонда и образца подразумевает их взаимодействие. Строго говоря, в общем случае это взаимодействие носит сложный характер. Чтобы осуществлять исследование с помощью конкретного прибора, из широкого спектра выбирается какое-либо одно рабочее взаимодействие. Природа этого выбранного взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или иному типу в рамках семейства зондовых микроскопов. Информация о поверхности извлекается путем фиксации21 или детектирования взаимодействия зонда и образца.
В туннельном микроскопе это взаимодействие проявляется в протекании постоянного тока в туннельном контакте. В основе атомно-силовой микроскопии лежит взаимодействие зонда и образца с силами притяжения или отталкивания. Можно упомянуть о таких разновидностях зондовых микроскопов, как магнитно-силовой микроскоп [9] (зонд и образец взаимодействуют с магнитными силами), микроскоп ближнего поля [10] (оптические свойства образца детектируются через миниатюрную диафрагму, находящуюся в ближней зоне источника), поляризационный
11 не всегда речь идет о механическом контакте
2) при помощи системы обратной связи
14
силовой микроскоп [11] (с образцом взаимодействует проводящий заряженный зонд) и т.д.
Миниатюрные размеры зонда и высокая чувствительность детектирующей системы позволяет достигать в зондовой микроскопии нано- и субнанометрового пространственного разрешения при детектировании поверхностных СВОЙСТВ3!.
1.1. Общие принципы работы сканирующего зондового микроскопа
Процесс сканирования осуществляется при помощи пьезокерамического манипулятора11. Зонд движется последовательно, строка за строкой, вдоль поверхности (изменяются координаты X и У). Для оцифровки данных участок сканирования разбивается на N строк, а каждая строка на М точек, таким образом положение иглы в плоскости ХУ описывается двумя координатами Х{, У, из множества {X*, УД N х М точек (обычно выбирают N = Л/). Результатом работы сканирующего зондового микроскопа является установление соответствия между каждой парой координат из множества {X, , УД и некоторым числовым значением (или рядом значений), характеризующим анализируемый параметр поверхности (или ряд параметров).
По способу движения иглы над поверхностью можно провести следующую дифференциацию работы СЗМ.
• Если зонд движется над поверхностью при постоянной координате Z, то говорят, что сканирование осуществляется по способу постоянной высоты. В этом случае в каждой точке из множества {Х„ УД измеряется интенсивность рабочего взаимодействия Фц\г=оти- Результатом исследования является массив'1 {Ф,,и= ежи, Х„ УД, описывающий зависимость функции двух переменных Ф|л=сош*(Х, У).
51 Разрешающая способность прибора, как правило, тем выше, чем более короткодействующий характер имеет взаимодействие зонда и образца.
Л) или системы манипуляторов
0) или несколько массивов, если в каждой точке измерялись несколько параметров
15
• Если же система обратной связи фиксирует в процессе сканирования на заданном уровне величину рабочего взаимодействия А(Х, вариацией вертикальной Z координаты зонда, то говорят, что сканирование осуществляется по способу постоянного взаимодействия. Результатом работы СЗМ в этом режиме будет массив {£,-,• |А=со,ыъХ{,У)}, коррелирующий с топографией исследуемой поверхности. Помимо «топографического» массива, можно, проводя в каждой точке измерения какого-либо дополнительного параметра (или нескольких), получать зависимости вида
=ООП*<(-^СГ 5 ^ •
Таким образом, результатом СЗМ-исследования является получение функциональных зависимостей двух типов: по способу постоянной высоты: Ф\г=а)П^(Х,У), и по способу постоянного взаимодействия: 2\л=ооп»<(^, У) («топография»), плюс какая-либо дополнительная зависимость Ф\А У)* С помощью компьютерного программного
обеспечения можно проводить анализ полученных зависимостей (анализ характерных латеральных и вертикальных размеров поверхностных особенностей, построение сечений, фурье-анализ, оценка шероховатости и т.п.), отображать полученные зависимости на экране монитора и выводить их на принтер.
При строгом рассмотрении, следует учитывать отличие «топографического» массива, полученного в режиме постоянного взаимодействия: {2^\А=согииХх,Уз} от реальной топографии поверхности. Подобный анализ позволяет отследить ряд механизмов возникновения артефактов. В случае неоднородного распределения поверхностных свойств, определяющих интенсивность взаимодействия зонда и образца, для извлечения точной информации о топографии объекта необходимо в каждой точке проводить дополнительный анализ взаимодействия зонда и образца.
Например, в туннельной микроскопии реальная геометрия поверхности и карта поверхностного распределения электронных свойств могут быть полностью [12] реконструированы путем анализа трех измеряемых массивов: «топографии» в режиме постоянного взаимодействия, первой производной туннельного тока по напряжению смещения и первой производной туннельного тока по величине туннельного зазора.
16
1.2. Сканирующая туннельная микроскопия
В сканирующем туннельном микроскопе взаимодействие зонда и поверхности проявляется в протекании постоянного тока в туннельном зазоре между ними. Для плотности туннельного тока (в приближении плоских металлических электродов и вакуумного туннелирования) справедлива формула [13]:
где е — заряд электрона, Н — постоянная Планка, $ — расстояние зонд-образец, 1Г1 — разность потенциалов на туннельном контакте, А0 — константа затухания волновых функций электронов в контакте:
где га — масса электрона, у — эффективная высота потенциального барьера.
Из анализа формулы (1.1) следует, что при изменении расстояния зонд-образец на один ангстрем величина туннельного тока изменяется на порядок. Поскольку величина взаимодействия зонд-образец столь существенно зависит от расстояния d, то это позволяет системе обратной связи поддерживать величину d постоянной в процессе сканирования с высокой точностью. Данное обстоятельство обуславливает высокое пространственное разрешение СТМ при определении «топографической» функции Z\It=contt(X, У).
Наряду этой зависимостью — «топографией в режиме постоянного тока» — в СТМ возможно получение зависимостей типа $\z=conit{X, У) ИЛИ Ф|л=аэш*(^, У). К первому типу относятся «токовые» изображения, полученные В режиме ПОСТОЯННОЙ ВЫСОТЫ: It\z=a>n$t{X, У). Ко второму типу относятся: d ln(Jt) jdz|7| =«*,**(X, У) и d It/d U\Jt=a}ngt(X, У), связанные с поверхностным распределением работы выхода ^(JV, У) (1.1) и поверхностным распределением плотности электронных состояний р(Х, У, Ef ± eU). Последнее определяется формулой [14]:
(1.1)
(1.2)
Ej+eU
(1.3)
17
где Т(Е,е11,2)— коэффициент прозрачности барьера, Е/— уровень Ферми.
Получение функциональных зависимостей 1п(/*)/</2|/|=ооп и(Х,Г) и <7/,ДШ|/|=сош,(Х, У) позволяет учесть их вклад в несовпадение Я\/,=ооп»<(^, с реальной топографией исследуемой поверхности.
1.3. Атомно-силовая микроскопия
В атомно-силовом микроскопе [5] взаимодействие А(Х, У, Е) является силовым взаимодействием зонда и образца.
1.3.1. Силовое взаимодействие зонда и образца
Физическая природа и характер данного взаимодействия в общем случае достаточно сложны, поскольку они определяются свойствами зонда, образца и среды, в которой проводится исследование. В случае исследований незаряженных поверхностей в естественной атмосфере основной вклад в силовое взаимодействие зонда и образца дают: силы отталкивания, вызванные механическим контактом крайних атомов зонда и образца, силы Ван-дер-Ваальса, а также капиллярные силы, связанные с наличием пленки адсорбата (воды) на поверхности образца.
Силы Ван-дер-Ваальса
Зонды для атомно-силового микроскопа имеют форму конуса или пирамиды (рис. 1.1), кончик характеризуется радиусом кривизны Я, лежащим, согласно данным фирм-производителей, в диапазоне 5 -г 40 нм, см. таблицу А. 1 на стр. 227.
Вычисляя дисперсионное взаимодействие зонда, изображенного на рис. 1. 1а, и плоского образца в приближении01:
/г, (1.4)
пренебрегая членами порядка (I/Я и более высокого порядка малости, для величины силы ван-дер-ваальсового притяжения имеем формулу,
6) и в приближении аддитивности дисперсионного взаимодействия
18
Рис. 1.1. Обобщенная геометрия зонда атомно-силового микроскопа и баланс силового взаимодействия зонда и образца;
а) h высота зонда, R радиус кривизны кончика, d расстояние между зондом и образцом. Типичные параметры промышленных зондов (более подробно в таблице А. 1 на стр. 227): Л ~ 3 -г 15 мкм, R ~ 5 -г 40 нм, а ~ 10 -г 35°;
б) указаны силы, действующие на зонд: дисперсионные FeaB- капиллярные FK«m, силы трения Fmp. упругие силы, обусловленные прямым или обратным изгибом кантилевера Fynp, а также контактными деформациями образца FKoh
19