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生物納米壓痕儀與原子力顯微鏡

時間:2022/10/5閱讀:1349
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生物納米壓痕儀相對于原子力顯微鏡(AFM)的優點

  1. 性能優勢:模量測試下限更低,可以測試更軟的樣品。

生物納米壓痕儀的模量測試范圍下限低至 5 Pa,而AFM在千帕級別已經波動很大,數據質量較差。其原因是多方面的,生物納米壓痕儀和AFM雖然都是懸臂梁式壓頭,但對于極軟物質的測試,壓痕儀探針進行了多重優化。

  1. 噪聲更低。原子力顯微鏡采用的是激光三角反射式杠桿,光杠桿除了反映探針懸臂梁背景噪音,還把激光的位置噪音耦合到光杠桿上,從而導致四象限傳感器上獲得的信號背景噪音很大。隨著力學測量精度提高,耦合噪音影響不斷增大。生物納米壓痕儀采用的是激光干涉儀垂直檢測壓頭形變,震動對光程差的影響幾乎不存在,所以整體的背景噪音較小。

  2. 球形尺寸更大:原子力顯微鏡探針懸臂梁只有300 μm左右,所以最大只能承載20 μm直徑的球,而生物納米壓痕儀的探頭懸臂梁長度為毫米級別,可以承載半徑3-250 μm的頭。越大的球,針尖壓強越小,對于軟物質力學測試而言,可以獲得更穩定的彈性形變過程。

  3. 懸臂梁下壓角度更小:原子力顯微鏡探針針尖高度極其有限(不超過十幾個微米),為應對潛在的粗糙度問題,其裝針一般向下傾斜十余度。而每根針的長度會也會因品牌以及型號有所變化。激光光斑的原點調整位置會隨著每次使用有變動,所以探針的具體形變比例與壓電陶瓷位移的比例未知,探針過軟或者過硬的狀態也不得而知。故數據波動大。某些模量范圍固定的材料,憑借經驗即可,但其他未知的樣品,范圍難以把握。

    生物納米壓痕儀的探頭是平行于樣品的,所以對壓痕深度以及壓電陶瓷位移的比例掌握非常準確。預估樣品模量,判斷懸臂剛度(出廠時已經過標定)匹配關系,便可以得到準確而穩定的數據。

應用優勢:掃描范圍大,粗糙寬容度高,軟件易用

掃描范圍大:高達 12×12 mm 的掃描范圍,遠遠大過AFM一般80-100 μm的范圍,AFM適合納米尺度,壓痕儀的優點在微觀乃至宏觀尺度。

粗糙寬容度高:特別對于一些無法拋光處理的生物樣品,壓痕儀探頭中間還有一個加長段,所以對樣品粗糙度要求不高,非常適合很多組織樣品等,大大降低了制樣要求。

軟件更便捷:不同于AFM的復雜操作,生物納米壓痕儀因其專業化設計,可以實現很簡單的操作。內置多種擬合計算模型,直接獲得數據。

力學測試功能更多:不僅可以控制探針下壓的位移(displacement),也可以控制加載(load)以及壓痕深度(indentation)。可以實現蠕變(creep)以及松弛(relaxation)實驗。在此基礎上還加入了動態力學分析(DMA)模式:在樣品上施加不同頻率的震蕩激勵,以區分材料彈性以及粘彈性,獲得儲能模量以及損耗模量。這些功能都是AFM所不具備的。



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