コロイドプローブ技術

コロイドプローブ技術は、空気中または溶液中のコロイド粒子と平面表面の間に働く相互作用力を測定するためによく使用されます。この技術は、原子間力顕微鏡(AFM) を使用します。ただし、鋭い AFM チップを備えたカンチレバーの代わりに、コロイドプローブを使用します。コロイドプローブは、AFM カンチレバーに取り付けられた直径数マイクロメートルのコロイド粒子で構成されています。コロイドプローブ技術は、球面または球面の形状で使用できます (図を参照)。通常、力の分解能は 1 ～ 100 pN、距離の分解能は 0.5 ～ 2 nmです。

^{コロイドプローブ技術は、1991年にダッカー[1]}とバット^[2]によって独立して開発されました。開発以来、このツールは多くの研究室で広く普及しており、科学文献にも多数のレビューが掲載されています。^{[3] [4] [5]}

表面間の力を測定するための代替技術としては、表面力測定装置、全反射顕微鏡、およびビデオ顕微鏡を使用した 光ピンセット技術などがあります。

粒子と表面に関わる力を直接測定できることは、コロイド系やポリマー系に関わるさまざまなプロセスに関係するため、不可欠です。例としては、粒子の凝集、懸濁液のレオロジー、粒子の沈着、接着プロセスなどがあります。細菌の沈着やウイルスによる細胞の感染など、同様の生物学的現象も同様に研究できます。力は、界面、気泡、カプセル、膜、細胞壁の機械的特性を調べるのにも同様に非常に有益です。このような測定により、このようなシステムにおける弾性変形や塑性変形、あるいは最終的な破裂について結論を出すことができます。

コロイドプローブ技術は、コロイド粒子と平面基板の間、または2つのコロイド粒子の間に働く力を測定するための多目的ツールを提供します（上図を参照）。このような実験で使用される粒子の直径は通常1〜10μmです。典型的な用途には、電気二重層力とそれに対応する表面電位または表面電荷、ファンデルワールス力、または吸着ポリマーによって誘発される力の測定が含まれます。^{[3] [5] [6]}

コロイドプローブ技術では、力測定に標準的なAFM を使用します。ただし、鋭い先端が付いた AFM カンチレバーの代わりに、コロイドプローブを使用します。このコロイドプローブは通常、コロイド粒子をカンチレバーに取り付けることで得られます。カンチレバーのたわみを AFM スキャナーの垂直変位の関数として記録することにより、プローブと表面の間に作用する力を表面分離の関数として抽出できます。このタイプの AFM 操作は、力モードと呼ばれます。このプローブを使用すると、球面形状でさまざまな表面とプローブ粒子間の相互作用を調べることができます。また、別の粒子を基板に取り付けて球面形状で測定を行うことにより、コロイド粒子間の力を調べることもできます (上の図を参照)。

左の図は、コロイドプローブ技術で使用される力モードを示しています。スキャナは圧電結晶で作られており、0.1 nm よりも高い精度で位置決めできます。スキャナをプローブに向かって持ち上げると、スキャナの変位Dが記録されます。同時に、カンチレバーξのたわみも、通常は同等の精度で監視されます。たわみは、非コヒーレントレーザーダイオードから発せられる光線をカンチレバーの背面に焦点を合わせ、反射光線を分割フォトダイオードで検出することで測定します。レバー信号S は、ダイオードの 2 つの半分から発せられる光電流の差を表します。したがって、レバー信号はたわみξに比例します。

接近-後退サイクル中、レバー信号S をスキャナの垂直変位Dの関数として記録します。プローブと基板は硬くて変形しない物体であり、接触していないときにはそれらの間に力が作用していないと仮定します。このような状況では、ハードコア反発と呼ばれます。したがって、カンチレバーは基板と接触していない限り変形しません。カンチレバーが基板に接触すると、そのたわみは基板の変位と同じになります。この応答は、定コンプライアンスまたは接触領域と呼ばれます。スキャナ変位Dの関数としてのレバー信号S を下の図に示します。このグラフは、ホッケースティックに似た 2 本の直線で構成されています。表面が接触していないときは、レバー信号はS ₀と示されます。この値は、変形していないレバーに対応します。定コンプライアンス領域では、レバー信号は単に変位の線形関数であり、直線として表すことができます。

S = a D + b

パラメータaとb は、定コンプライアンス領域の最小二乗近似から得ることができる。逆勾配a ⁻¹は、光レバー感度とも呼ばれる。変形していないレバーに対応するレバー信号S _{0についてこの関係を反転することにより、} D ₀ = ( S ₀ − b )/ aから接触点を正確に得ることができる。基板に応じて、この接触点を決定する精度は 0.5～2 nm である。定コンプライアンス領域では、レバーの変形は次のように表される。

ξ = ( S − S ₀ )/ a

この方法では、カンチレバーのたわみを 0.1 nm を超える典型的な解像度で検出できます。

ここで、プローブと基板が相互作用する状況について考えてみましょう。プローブと基板の間の力をF ( h ) で表します。この力は表面距離hに依存します。平衡状態では、この力はフックの法則で与えられるバネの復元力によって補償されます。

F = kξ ​

ここで、kはカンチレバーのバネ定数である。AFMカンチレバーの典型的なバネ定数は0.1〜10 N/mの範囲である。たわみは0.1 nm未満の精度で監視されるため、通常は1〜100 pNの力分解能が得られる。分離距離は、スキャナの変位とカンチレバーのたわみから得られる。

h = ξ + D − D ₀

下の図は、カンチレバーがさまざまな力のプロファイルにどのように反応するかを示しています。反発力が弱い場合、カンチレバーは表面から反発され、一定のコンプライアンス領域にゆっくりと近づきます。このような状況では、この領域を正しく特定することは実際には難しい場合があります。力が引力の場合、カンチレバーは表面に引き寄せられ、不安定になる可能性があります。安定性を考慮すると、カンチレバーが不安定になるのは、

dF / dh > k

この不安定性は、右の図の右側のパネルに示されています。カンチレバーが近づくと、力の曲線の傾きが増加します。傾きがカンチレバーのバネ定数よりも大きくなると、力の曲線の傾きがカンチレバーの力の定数を超えたときに、カンチレバーが接触します。引き込み時にも同じ現象が発生しますが、カンチレバーが飛び出すポイントに到達する距離は短くなります。接近および引き込み時に、システムはヒステリシスを示します。このような状況では、力のプロファイルの一部を調べることができません。ただし、この問題は、力の分解能が劣るものの、より硬いカンチレバーを使用することで回避できます。

コロイドプローブは通常、空気中でマイクロマニピュレータを使用してコロイド粒子をチップレスカンチレバーに接着することによって製造されます。その後のプローブの再湿潤により、プローブ表面にナノサイズの気泡が形成される可能性があります。この問題は、AFM流体セル内の湿潤条件下でコロイド粒子を適切に機能化されたカンチレバーに取り付けることで回避できます。^[5]コロイドプローブ技術は主に球面形状で使用されますが、球球形状でも使用できます。^[6]後者の形状では、2つの粒子を横方向に中心に配置することがさらに必要であり、これは光学顕微鏡またはAFMスキャンで実現できます。これら2つの異なる形状で得られた結果は、Derjaguin近似に関連付けることができます。

力の測定は、カンチレバーのバネ定数の正確な値に依存します。このバネ定数は、さまざまな技術で測定できます。^{[3] [4]}熱雑音法は、ほとんどの AFM に実装されているため、最も簡単に使用できます。このアプローチは、自発的な熱変動によるカンチレバー変位の平均二乗振幅の決定に依存しています。この量は、等分配定理によってバネ定数に関連付けられています。追加質量法では、一連の金属ビーズをカンチレバーに取り付け、各ケースで共振周波数を決定します。調和振動子の共振周波数と追加質量の関係を利用することで、バネ定数を評価することもできます。摩擦力法は、粘性流体を通るカンチレバーの接近曲線と引き込み曲線の測定に依存しています。平面基板に近い球の流体力学的抗力は理論的にわかっているので、カンチレバーのバネ定数を推測できます。幾何学的手法では、カンチレバーの形状と弾性特性の関係を利用します。

表面間隔は通常、一定コンプライアンス領域の開始点から測定されます。相対的な表面間隔は 0.1 nm 以上の分解能で測定できますが、絶対的な表面間隔は一定コンプライアンス領域の開始点から得られます。固体サンプルの場合、この開始点は 0.5～2 nm の精度で測定できますが、柔らかい反発相互作用や変形可能な表面の場合、この開始点の位置が問題になることがあります。このため、表面間隔を独立して測定する技術が開発されています (例:全反射顕微鏡法、反射干渉コントラスト顕微鏡法)。^[7]

コロイドプローブでサンプルを横方向にスキャンすることで、プローブと基板の間の摩擦力を利用することができます。 ^[4]この技術はカンチレバーのねじれを利用するため、定量的なデータを取得するには、カンチレバーのねじりバネ定数を決定する必要があります。

AFM による同様の力測定を伴う関連技術として、単一分子力分光法があります。ただし、この技術では、単一のポリマー分子が取り付けられた通常の AFM チップを使用します。力曲線の収縮部分から、ポリマーの伸張や表面からの剥離に関する情報を得ることができます。

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