Сила сцепления: Теория тяги поездов и тяговые расчеты

Материалы по теме

Едем на Ладе Весте в Париж: что говорят французы?

В нашем случае процедура не помогла: рывки и удары сохранялись даже при остывшей коробке. Следующий шаг во всех дилерских центрах тоже был одинаковым: необходима дефектовка сцепления. Столичные мастера, успевшие повидать больше Вест, чем их коллеги в регионах, предложили сразу перейти к «вскрытию». Через их руки прошел уже не один седан с подобной проблемой, причем были случаи ее проявления и на пробеге в 5000 километров.

Замена ведомого диска и корзины сцепления преобразила автомобиль. У меня сложилось впечатление, что наша Веста не ехала так, даже будучи новой! Впрочем, это стандартный эффект от замены умершей детали на исправную. Пропали рывки и дергания, стали плавнее переключаться передачи.

Проблема не только в том, что неисправность носит массовый характер. Комплекты сцепления в дефиците. К примеру, в Москве нам пришлось ждать его около недели. Хорошо, если дилер, как в нашем случае, заказал детали без разбора узла. А если ваша Веста уже болтается на подъемнике и не способна передвигаться? Кроме того, на замену приходят точно такие же детали. Значит, у нас есть все шансы еще до конца лета снова столкнуться с той же бедой. Будем надеяться, что завод ищет пути для избавления от дефекта.

Наше новое видео

Спальное место, лазер в фарах… — чем удивил новый китайский кроссовер

Новая Лада Гранта или Веста с пробегом — что выбрать?

Эти 5 вещей должны быть в машине зимой. А у вас они есть?

Понравилась заметка? Подпишись и будешь всегда в курсе!

За рулем на Яндекс.Дзен

Отзывы о LADA Vesta (30)

Безымянный

14 марта 2021 года

LADA Vesta 2017 / срок владения до 6 месяцев

Достоинства:

Очень хороший конструтор «Лего» для взрослых

Недостатки:

Этот конструкиор необходимо собрать и доработать, чтобы он стал автомобилем

Комментарий:

Написать отзыв

Новости smi2.ru

Сила сцепления — определение термина

Термин и определение

внешняя по отношению к колесной паре сила, обеспечивающая перемещение экипажа по рельсам при приложении вращающего момента от тягового привода или тормозного момента от механической или электрической системы торможения.

Научные статьи на тему «Сила сцепления»

Сцепленное наследование. …
Оно характеризирует

Статья от экспертов

Недостаточное освещение вопросов применения адгезивных систем в стоматологии в зависимости от витальности, функциональной принадлежности зуба и возраста пациента определили актуальность и цель настоящего исследования.

Научный журнал

Creative Commons

Но в силу многих обстоятельств, среди которых и короткий сезон проведения работ, и экстремальные нагрузки.

Статья от экспертов

Две трупные женские бедренные кости с остеопорозом пересечены в области истмуса. Их костномозговые каналы разработаны разверткой в проксимальном направлении, включая межвертельную область. В одну кость ретроградно шприцом введен низковязкостный цемент Lima, в другую антеградно высоковязкостный цемент Symplex. Из первой кости получены 14 образцов для испытаний на машине ZWICK-1464, из второй 13. Таким образом, проведены 27 испытаний прочности связи двух цементов с остеопорозной костью.

Научный журнал

Creative Commons

Повышай знания с онлайн-тренажером от Автор24!

• 📝 Напиши термин
• ✍️ Выбери определение из предложенных или загрузи свое
• 🤝 Тренажер от Автор24 поможет тебе выучить термины, с помощью удобных и приятных карточек

Когезионные и адгезионные силы — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Силы сцепления и адгезии связаны с объемными (или макроскопическими) свойствами, и, следовательно, эти термины неприменимы к обсуждению атомарных и молекулярных свойств. Когда жидкость вступает в контакт с поверхностью (например, со стенками градуированного цилиндра или столешницей), на нее действуют как силы сцепления, так и силы сцепления. Эти силы управляют формой, которую принимает жидкость. Из-за действия сил сцепления жидкость на поверхности может растекаться, образуя тонкую, относительно однородную пленку по поверхности, этот процесс известен как смачивание. В качестве альтернативы, при наличии сильных когезионных сил, жидкость может разделиться на несколько небольших, примерно сферических шариков, которые стоят на поверхности, сохраняя минимальный контакт с поверхностью.

Адгезионные и когезионные силы

Термин «когезионные силы» является общим термином для коллективных межмолекулярных сил (например, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса), ответственных за объемное свойство жидкостей, сопротивляющихся разделению. Именно эти силы притяжения существуют между молекулами одного и того же вещества. Например, дождь падает каплями, а не мелким туманом, потому что вода обладает сильным сцеплением, которое плотно стягивает ее молекулы, образуя капли. Эта сила стремится объединить молекулы жидкости, собирая их в относительно большие кластеры из-за неприязни молекул к окружающей среде.

Аналогичным образом, термин «силы сцепления» относится к силам притяжения между разнородными веществами, таким как механические силы (слипание) и электростатические силы (притяжение из-за противоположных зарядов). В случае жидкого смачивающего агента адгезия заставляет жидкость прилипать к поверхности, на которой она находится. Когда воду наливают на чистое стекло, она имеет тенденцию растекаться, образуя тонкую равномерную пленку на поверхности стекла. Это связано с тем, что силы сцепления между водой и стеклом достаточно сильны, чтобы вытащить молекулы воды из их сферического образования и удержать их на поверхности стекла, тем самым избегая отталкивания между подобными молекулами.

Макроскопические эффекты когезионных и адгезионных сил

Когда жидкость помещается на гладкую поверхность, относительная сила когезионных и адгезионных сил, действующих на эту жидкость, определяет форму, которую она примет (и будет ли она смачивать поверхность или нет ). Если силы сцепления между жидкостью и поверхностью сильнее, они будут тянуть жидкость вниз, заставляя ее смачивать поверхность. Однако, если силы сцепления между самой жидкостью сильнее, они будут сопротивляться такому слипанию и заставят жидкость сохранять сферическую форму и выпуклость на поверхности.

Случай I: Мениск

Мениск представляет собой кривизну поверхности жидкости внутри сосуда, такого как мерный цилиндр. Однако, прежде чем мы объясним, почему некоторые жидкости имеют мениск вогнутый вверх, а другие — вогнутый вниз мениск, мы должны понять силы сцепления при работе поверхностного натяжения. Вода, например, представляет собой полярную молекулу, состоящую из частичного положительного заряда атомов водорода и частичного отрицательного заряда кислорода. Таким образом, в жидкой воде частичный положительный заряд каждой молекулы притягивается к частичному отрицательному заряду соседней молекулы. Это источник сил сцепления в воде. Молекулы воды, погруженные в жидкость, затем вытягиваются и равномерно выталкиваются во всех направлениях, не создавая чистого притяжения. Между тем, молекулы на поверхности жидкости, лишенные сил притяжения в восходящем направлении, таким образом охватывают результирующее притяжение вниз.

Каким образом эта сила сцепления создает одновременно вогнутую вверх и вогнутую вниз поверхность? Ответ заключается в его отношении к силе сцепления между молекулами воды и поверхностью контейнера. Когда сила сцепления жидкости больше, чем сила сцепления жидкости со стенкой, жидкость вогнута вниз, чтобы уменьшить контакт с поверхностью стенки. Когда сила сцепления жидкости со стенкой больше, чем сила сцепления жидкости, жидкость сильнее притягивается к стенке, чем ее соседи, вызывая вогнутость вверх.

Случай II: Слезы вина

В встряхиваемых бокалах с вином капли вина как бы «плавают» над мениском жидкости и образуют «слезы». Это вековое явление является результатом поверхностного натяжения и когезионных и адгезионных сил. Спирт более летуч, чем вода. В результате «испарение спирта создает градиент поверхностного натяжения, поднимающий тонкую пленку вдоль стенок бокала» (Адамсон). Этот процесс называется «солютным эффектом Марангони». ² Из-за сил сцепления некоторые воды прилипают к стенкам стакана. «Слезы» образуются из-за сил сцепления внутри воды, удерживающих ее вместе. Важно отметить, что градиент поверхностного натяжения является «движущей силой движения жидкости» (Гульотти), но фактическое образование разрывов является результатом когезионных и адгезионных сил.

Задачи

1. Назовите два примера, где сила сцепления преобладает над силой сцепления и наоборот.
2. В стеклянном градуированном цилиндре вода представляет собой вогнутый вверх мениск. Однако, когда вода заполнена до кончика цилиндра, уровень воды может поддерживаться выше стенки цилиндра, не выливаясь, напоминая вогнутый вниз мениск. Используйте принципы когезионных и адгезионных сил, чтобы объяснить эту ситуацию.
3. Объясните, почему водомер может скользить по воде, зная сцепление в воде.
4. Предложите различные типы сил, на которых могут основываться силы сцепления.

Ответы

1. Когда сила сцепления больше, чем сила сцепления: вогнутый мениск, вода образует капли на поверхности. Когда сила сцепления больше, чем сила сцепления: мениск вогнут вниз, поверхности покрыты смачивающим веществом, последние капли жидкости в бутылке всегда отказываются выходить.
2. Поскольку вода образует вогнутый мениск, сцепление молекул со стеклом сильнее, чем сцепление между молекулами. Однако при отсутствии силы сцепления (когда вода достигает кончика стакана) сила сцепления остается. Таким образом, сила сцепления сама по себе доказывает, что она еще может удерживать себя на месте, не вытекая из цилиндра. Этот пример подчеркивает важность того, что силы сцепления и силы сцепления не просто компенсируют друг друга, но именно разница между ними определяет характеристики жидкости.
3. Эта задача еще раз обращается к концепции поверхностного натяжения. Поскольку сцепление воды основано на слабых межмолекулярных силах воды, когда водомерка выходит на поверхность, потребуется дополнительная энергия, чтобы преодолеть эти связи, чтобы увеличить площадь поверхности. Более того, поскольку гравитационное притяжение водомерки не может преодолеть энергию активации, чтобы разрушить эти межмолекулярные силы, водомерка может свободно скользить по воде.
4. Дополнительная форма, образование химических связей, слабые межмолекулярные силы, такие как Н-связь или силы Ван-дер-Ваальса.

Ссылки

1. Петруччи и др. Общая химия: принципы и современные приложения: AIE (твердый переплет). Река Аппер-Сэдл: Пирсон / Прентис-холл, 2007 г.
.
2. Гуглиотти, Маркос. «Слезы вина». Журнал химического образования 81.1 (2004): 67-68. Веб. 9 марта 2010 г.
3. Адамсон, А. В.; Гаст, А. П. Физическая химия поверхностей , 6-е изд.
   ; Джон Уайли и сыновья: Нью-Йорк, 1997; стр. 371.

Авторы и ссылки

• Кэмерон Трейси, Лин Се, Ирэн Лим, Генри Ли

Cohesive and Adhesive Forces распространяется по лицензии CC BY, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Лицензия

   СС BY

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. сила сцепления
   2. сила сцепления
   3. мениск
   4. Слезы вина
   5. смачивающий агент

Измерение силы адгезии с помощью атомно-силового микроскопа, оснащенного линейным позиционно-чувствительным детектором

• Список журналов
• Рукописи авторов HHS
• PMC4130233

Ленгмюр. Авторская рукопись; доступно в PMC 2014 12 августа. 1994 сен; 10(9): 3217–3221.

doi: 10.1021/la00021a053

PMCID: PMC4130233

NIHMSID: NIHMS348882

PMID: 25125792

Информация об авторе0024

Атомно-силовой микроскоп (АСМ), помимо получения изображений в атомном масштабе, может использоваться для измерения сил между поверхностями и зондом АСМ. Потенциальное использование картирования адгезионных сил на поверхности включает пространственное определение поверхностной энергии и прямую идентификацию поверхностных белков посредством специфических взаимодействий связывания белок-лиганд. Возможности АСМ по измерению силы сцепления можно расширить, заменив четырехквадрантный фотодиодный датчик обнаружения внешним датчиком, чувствительным к линейному положению, и за счет использования специального программируемого пользователем генератора сигналов и системы сбора данных. Такая модернизация позволяет микроскопу измерять силы сцепления в более широком динамическом диапазоне, повышает чувствительность и линейность измерения, а также устраняет проблемы, связанные с многократными повторяющимися контактами между зондом АСМ и поверхностью образца.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) ¹ — это устройство формирования изображений с атомарным разрешением. ² АСМ зарекомендовал себя как ценный инструмент для визуализации ряда различных биологических образцов, включая глобулярный белок. ^3–6 В АСМ используется небольшой зонд на кантилевере, который отклоняется в ответ на межмолекулярные силы притяжения и отталкивания, возникающие вблизи образца. ^1,7,8 Помимо получения изображения образца, АСМ может измерять эти межмолекулярные силы. ^7–12

Основным недостатком АСМ является невозможность химической идентификации молекул образца. Одним из возможных подходов к решению этой задачи является анализ измеряемых экспериментально сил, действующих между зондом АСМ и поверхностью образца. Эти силы могут быть нанесены на карту во время приближения и отвода между зондом АСМ и поверхностью образца. Силы адгезионного контакта между зондом АСМ и полимерными поверхностями уже описаны в литературе. ^13,14 Такие адгезионные силы неспецифичны и могут быть напрямую связаны с межфазной энергией между зондом АСМ и образцом. ¹³

В отличие от неспецифических сил, биологические молекулы в основном взаимодействуют посредством специфических молекулярных сил. Силы молекулярного распознавания между лигандом и рецептором, связанным с поверхностью, недавно были измерены с использованием аппарата поверхностных сил (SFA) ¹⁵ и других методов, включая АСМ. ^16–21 Ожидается, что силы, необходимые для отделения лиганда от места его специфического связывания, должны отличаться от сил, необходимых для удаления неспецифически связанного лиганда. Поскольку АСМ может измерять эти различия удельных сил адгезии с пространственным разрешением, этот «контраст удельных сил адгезии» можно использовать для идентификации связывающих молекул и определения их распределения на поверхности образца.

Динамический диапазон сил, которые можно измерить с помощью имеющихся в продаже атомно-силовых микроскопов, довольно ограничен по нескольким причинам. Одной из причин ограниченного диапазона измерений силы является фактическая система определения положения кантилевера. В коммерческих приборах АСМ отклонение кантилевера АСМ измеряется методом оптического рычага с использованием четырехквадрантного фотодиода в качестве датчика положения. ²² Фотодиод принимает лазерный луч при его отражении от верхней поверхности кантилевера. Хотя этот метод оптического рычага очень подходит для режима «обратной связи» при сканировании поверхности образца, любое большое отклонение кантилеверов, вероятно, вызовет неустойчивый отклик четырехквадрантной фотодиодной системы обнаружения. Как следствие, система имеет ограниченный диапазон обнаружения отклонений кантилевера, недостаток, который становится еще более важным, когда жесткость кантилевера мала, а силы велики, как в случае сил сцепления. Если в качестве зонда АСМ используется более крупный объект, такой как сферический шарик кремнезема, проблема становится острой, поскольку возникающие силы увеличиваются с радиусом сферического зонда. В некоторых случаях четырехквадрантный фотодиод дает ошибочный отклик, поскольку профиль лазерного луча, отраженного от кантилевера АСМ, имеет несимметричный профиль интенсивности. Такая неоднородность, вероятно, возникает, когда силовые измерения проводятся в жидкой среде, и отраженный лазерный луч должен преломляться через прозрачное окно проточной кюветы АСМ.

Работа в этом отчете описывает модификации, внесенные в коммерчески доступный АСМ с целью оптимизации измерения силы записи между биологическими молекулами. Новый датчик отклонения кантилевера АСМ и программируемый пьезопривод использовались для измерения сил в двух экспериментальных системах: (а) силы адгезии, возникающие в разбавленном растворе электролита между шариком кремнезема, приклеенным к кантилеверу АСМ, и поверхностью кремнезема, и (б) силы адгезии между биотином. иммобилизованы на кантилевере нитрида кремния, а молекулы стрептавидина связаны с поверхностью нитрида кремния, покрытой биотином.

Атомно-силовой микроскоп Nanoscope II (Digital Instruments, Inc. ) был модифицирован, как показано на рис. Столик АСМ, головка АСМ, включая лазерный диод, и шаговый двигатель, который позволял опускать головку АСМ на поверхность образца, были взяты из оригинальной системы Nanoscope. Положение z пьезокристалла, несущего образец, контролировалось отдельным компьютерным функциональным генератором, размещенным на специальной карте интерфейса ПК. Компьютер обеспечивал гибкость программирования времени, скорости и формы сигнала, управляющего пьезокристаллом. Выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя (±10 В) подавался на специально изготовленный высоковольтный усилитель (±150 В). Четырехквадрантный фотодиод, поставляемый как неотъемлемая часть системы оптического уровня, был вынесен за пределы оптического пути отраженного лазерного луча. Лазерный луч падал на линейный позиционно-чувствительный детектор (PSD, модель 1L30, SiTek ElectroOptics), расположенный на оптическом расстоянии примерно 150 мм от кантилевера. По данным производителя, номинальная нелинейность PSD составляла ±0,05 % длины детектора (30 мм). Сигнал детектора усиливался и фильтровался фильтром нижних частот (EGG PARC, модель 113) и подавался на один из двух синхронизированных аналого-цифровых преобразователей (преобразование 12 бит, скорость дискретизации 12 пс). Выходной сигнал высоковольтного усилителя ослаблялся специально изготовленным дифференциальным аттенюатором и контролировался вторым аналого-цифровым преобразователем. Таким образом, два сигнала, (1) z — положение пьезокристалла и (2) отклик PSD регистрировались одновременно с регулируемым временем выборки. Благодаря использованию одновременной выборки удалось избежать каких-либо фазовых сдвигов между сигналами, принимаемыми двумя аналого-цифровыми преобразователями.

Открыть в отдельном окне

Схема модификации АСМ Nanoscope II (Digital Instruments) для измерения сила-перемещение. Положение z пьезокристалла контролировалось отдельным компьютерным генератором сигналов, размещенным на специальной плате интерфейса ПК. Выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя (±10 В) подавался на специально изготовленный высоковольтный усилитель (±150 В). Лазерный луч, отраженный от кантилевера, падал на линейный позиционно-чувствительный детектор (PSD; модель 1L30, SiTek ElectroOptics), расположенный на оптическом расстоянии прибл. 150 мм от консоли. Сигнал детектора усиливался и фильтровался фильтром нижних частот (EGG PARC, модель 113) и подавался на один из двух синхронизированных аналого-цифровых преобразователей (12-битное преобразование, 12 μ с скоростью дискретизации), находящейся на специально изготовленной плате интерфейса ПК. Выходной сигнал высоковольтного усилителя ослаблялся специально изготовленным дифференциальным аттенюатором и контролировался вторым аналого-цифровым преобразователем.

Определение пределов смещения кантилевера для четырехквадрантной фотодиодной системы обнаружения

Кантилевер со сверхострым наконечником (Digital Instruments, Inc.) опускали в контакте с поверхностью очищенного покровного стекла в воздухе, сидя на пьезокристалле, приводимом в движение пьезокристаллом. генерируемый компьютером пьезосигнал. Отклик четырехквадрантного фотодиода (сигнал «А-В») подавался на модифицированную электронику АСМ, так что сигнал усиливался и регистрировался той же электроникой, что и PSD. Пьезокристалл был перемещен вверх всего на 1794 нм, прежде чем вернуться в исходное исходное положение, в то время как отклик четырехквадрантного фотодиода был записан как функция движения пьезокристалла.

Измерения линейности PSD

Чтобы определить, будет ли PSD линейно реагировать на диапазоны отклонения кантилевера, превышающие значения, полученные с четырехквадрантной фотодиодной детекторной системой, сверхострый кантилевер (Digital Instruments, Inc.) приводили в контакт с очищенным покровное стекло микроскопа внутри жидкостной ячейки, заполненной 70% этанолом. Шаговый двигатель Nanoscope II использовался для дальнейшего смещения кантилевера вверх с шагом 0,2, 0,4 или 0,8 9 .0028 мк м. Использование шагового двигателя позволяет избежать гистерезиса и дрейфа, связанных с пьезокристаллом, а также их нежелательного влияния на измерение линейности.

Измерение силы адгезии

Кантилеверы из нитрида кремния без встроенного пирамидального наконечника АСМ были получены от Park Scientific Instruments. Использовался более узкий прямоугольный кантилевер (шириной 10- мкм м, длиной 100- мкм м, толщиной 0,6- мкм м) с номинальной жесткостью пружины 0,08 Н/м. Верхняя сторона кантилевера была покрыта золотом для улучшения отражательной способности лазерного луча. В эксперименте, где в качестве зонда использовалась кварцевая бусина, использовался тонкий треугольный кантилевер (13- μ м ширина, 100- μ м, 0,6- μ м толщина, номинальная жесткость пружины 0,21 Н/м). Гранулы кремнезема (Duke Scientific, диаметр примерно 20- мкм мкм) очищали в хромовой кислоте (80 °C) и приклеивали (структурный клей Speedbonder 325, Loctite Corp.) к нижней стороне кантилевера с помощью оптического микроскопа. оснащен микроманипулятором. Попыток измерить жесткость кантилевера после приклеивания валика не предпринималось.

Для измерения сил адгезии с использованием модели распознавания биотин-стрептавидин биотин был химически связан с поверхностью кантилевера. Очистку кантилеверов проводили в кислородной плазме (200 мм рт. ст., 50 Вт) в течение 5 мин. Очищенные кантилеверы немедленно помещали в 2% раствор (меркаптопропил)диметилэтоксисилана (MPDMS) (Hüls) в толуоле (EM Science), защищали от света и инкубировали не менее 12 ч при комнатной температуре. После последовательных промывок в толуоле, ацетоне и этаноле кантилеверы помещали в раствор 50 мМ Трис, рН 8,3, 5 мМ ЭДТА. Йодоацетил-LC-биотин (0,2 мМ, Pierce Chemical) реагировал с сульфгидрильной группой кантилеверов, покрытых MPDMS, в течение ночи в темноте при комнатной температуре. Затем кантилеверы промывали боратно-солевым буфером (BBS) и хранили в BBS до использования для измерения силы. Покрытие поверхности биотином на кантилеверах не определялось.

Для экспериментальной системы с использованием шариков кремнезема, приклеенных к консолям, в качестве поверхности, выбранной для создания силы сцепления, была пластина из окисленного кремния (поверхность Si/SiO ₂ , p-тип, ориентация (100), тщательно отполированная с шероховатостью l нм, HEDCO Microengineering Laboratories, Университет штата Юта). Поверхность кремниевой пластины очищали в этаноле и окисляли в кислородной плазме (200 мм рт. ст., 50 Вт) в течение 2 мин.

Для измерения силы адгезии с использованием экспериментальной системы стрептавидин-биотин использовались кремнеземные пластины с покрытием из нитрида кремния, полученным методом CVD, толщиной 25–30 нм (Si/Si ₃ N ₄ поверхность, HEDCO Microengineering Laboratories). Биотин был ковалентно связан с поверхностью пленки нитрида кремния, следуя тому же методу, который использовался для модификации кантилеверов. После прикрепления биотина к поверхности Si/Si ₃ N ₄ образец инкубировали в растворе 1 мк М иммуноочищенного стрептавидина (Pierce Chemical) в BBS в течение 1,5 ч при комнатной температуре. Затем пластины промывали BBS и хранили в BBS до использования для измерения силы.

Кантилевер с шариком кремнезема помещали в держатель жидкостной ячейки АСМ. Жидкостную ячейку заполнили 0,01% (масса/объем) раствором поверхностно-активного вещества F108 Pluronic (BASF) в 10 мМ NaCl, pH 2,6, а лазерный луч, отраженный от кантилевера, отрегулировали так, чтобы он падал на среднюю часть положения. чувствительный детектор. С помощью шагового двигателя головку АСМ опускали до тех пор, пока не устанавливался контакт зонда АСМ с поверхностью Si/SiO ₂ , т. е. до тех пор, пока датчик положения не указывал на незначительное отклонение кантилевера из-за его контакта с поверхностью. . Гранулы кремнезема и Si/SiO ₂ поверхность оставалась в контакте в течение 30 с, прежде чем компьютер сгенерировал движение пьезокристалла, приводящего в движение поверхность Si/SiO ₂ 0,897 мкм м от зонда АСМ в направлении z и обратно в исходное положение. Скорость движения составила 0,45 μ м/с в обе стороны. Полученные сигналы сохранялись в числовом виде в компьютере перед дальнейшим анализом.

представлена ​​схема измерений тонкого прямоугольного кантилевера в системе биотин-стрептавидин. Биотинилированный Si/Si ₃ N ₄ поверхность со связанным стрептавидином помещали на пьезокристалл и собирали проточную кювету. Проточная кювета заполнялась BBS, и лазерный луч настраивался так, чтобы он отражался от задней части выбранного кантилевера на среднюю часть позиционно-чувствительного детектора. Кантилевер опускали на поверхность с помощью шагового двигателя до тех пор, пока датчик положения не указывал на небольшое отклонение кантилевера из-за его контакта с поверхностью. Измерения проводились за счет компьютерного движения пьезокристалла в z- направление, 0,897 мкм м от датчика АСМ и обратно в исходное положение. Скорость движения составила 0,45 μ м/с в обе стороны.

Открыть в отдельном окне

Схема измерения удельной силы адгезии между биотинилированным прямоугольным кантилевером и биотинилированной поверхностью Si/Si ₃ N ₄ со связанным стрепавидином. Объекты не нарисованы в одном масштабе.

Силы сцепления, возникающие между датчиком АСМ и поверхностью, потенциально могут привести к смещениям кантилевера, превышающим то, что может измерить система обнаружения, использующая четырехквадрантный фотодиод. В этом случае электроника и/или фотодиод могут стать насыщенными, и будет записана ошибочная кривая сила-смещение, даже если фактическое соотношение между измеренной силой и относительным расстоянием между поверхностями может быть совершенно другим. Чтобы проверить, насколько ограничен диапазон измерений смещения кантилевера в немодифицированной АСМ-системе, четырехквадрантный фотодиод был включен в модифицированную электронику АСМ, и его отклик был записан для различных диапазонов пьезо-смещений, когда относительно жесткий кантилевер находился в контакте с жесткий образец. Как показано на рисунке, четырехквадрантный фотодиод может измерять только диапазон смещения кантилевера, равный или меньший 986 нм. ²³ Для кантилевера длиной 100- мкм и длиной м это смещение составляет угловое отклонение кантилевера примерно на 0,6 град.

Открыть в отдельном окне

Диапазон обнаруживаемого смещения кантилевера с использованием четырехквадрантного фотодиодного сигнала A–B и модифицированной электроники АСМ. Стрелки указывают динамический диапазон измерений смещения.

Когда система позиционно-чувствительного детектора используется для измерения сил, при которых ожидаются большие отклонения кантилевера и/или используются большие перемещения пьезокристалла, ее отклик должен быть линейным в этих крайних значениях, чтобы точно записывать эксперимент. показывает сигнал линейной PSD, когда смещение кантилевера известной величины было зарегистрировано для полного диапазона перемещений 8 мк м. Перемещения консоли производились с шагом 0,2, 0,4 или 0,8 мк м в панелях а–в соответственно. Коэффициент корреляции R ² , почти приближался к единице в каждом наборе измерений, указывая на то, что электроника PSD обеспечивала эквивалентный и линейный отклик на все отклонения кантилевера в диапазоне перемещений до 8 мк м. .

Открыть в отдельном окне

Линейность отклика PSD в диапазоне 8-9Диапазон перемещений кантилевера 0,28 мк м с шагом 0,2- (а), 0,4- (б) и 0,8- мк м (в). Прямая линия, ее уравнение и R ² вычисляются методом линейной регрессии.

Измерения адгезионной силы, выполненные с помощью экспериментальной системы гранулы кремнезема и поверхности кремнезема в отсутствие белка, были измерены с помощью нашего модифицированного микроскопа с внешним линейным PSD и специально разработанной системой сбора сигналов. Репрезентативный график сила-пьезосмещение показан на нижней панели. Ось силы была откалибрована путем измерения отклонения кантилевера, когда он прошел известное расстояние при контакте с поверхностью, и путем умножения расстояния на Δ d , с коэффициентом жесткости кантилевера, предоставленным производителем, k, т. е. F = k Δ d . Ось x представляет собой относительное смещение пьезокристалла, генерируемое программируемым пользователем генератором сигналов. Результирующий пик адгезионной силы имеет форму «правильного» треугольника с резким отрывом кантилевера от поверхности. На верхней панели показан график сила-пьезосмещение, зарегистрированный в идентичной системе с четырехквадрантным детектором и электроникой Nanoscope II.

Открыть в отдельном окне

Сравнение двух измерений силы-перемещения в идентичной экспериментальной системе с использованием двух разных позиционно-чувствительных систем обнаружения: (верхняя панель) выход силы-перемещения прибора Nanoscope II; (нижняя панель) измерение силы-перемещения, зарегистрированное внешним датчиком, чувствительным к линейному положению, и специальной электроникой ().

Пять последовательных измерений с использованием экспериментальной системы биотин-стрептавидин-биотин были проведены в одном и том же месте на поверхности образца с помощью узкого прямоугольного кантилевера (). Первое измерение привело к пику адгезионной силы с округлым, куполообразным видом, указывающим на то, что после того, как адгезивный контакт, по-видимому, был нарушен, кантилевер медленно возвращался в исходное положение. Следы сила-расстояние, имеющие пики силы сцепления с округлым видом в нашей системе и системах других ^17,19 характерны для измерения специфических взаимодействий белков. С каждым последующим измерением () сила адгезии увеличивается, и пик адгезии начинает медленно принимать треугольную форму, так что к пятому измерению результирующий пик представляет собой почти идеальный прямоугольный треугольник; напоминающий след силы-смещения, полученный с помощью экспериментальной системы безбелковые шарики кремнезема-поверхность кремнезема ().

Открыть в отдельном окне

Сравнение пяти последовательных измерений силы-перемещения (a-e) в системе биотин-стрептавидин-биотин, выполненных в одном и том же месте поверхности образца с использованием PSD и специальной электроники () . Время контакта между биотин-стрептавидиновой поверхностью и биотинилированным узким прямоугольным кантилевером составляло 30 с между каждым измерением.

Модернизация АСМ внешним детектором, чувствительным к линейному положению () и специальным программируемым пользователем генератором функций и системой сбора данных, обеспечивает несколько явных преимуществ по сравнению с имеющимися в продаже приборами АСМ для использования в измерениях адгезионной силы. Четырехквадрантный фотодиод точно измеряет смещение кантилевера только тогда, когда отраженный лазерный луч имеет симметричное поперечное сечение. ²² Лазерный луч асимметричной формы приводит к ошибке в измерении смещения кантилевера. Внешний позиционно-чувствительный детектор не чувствителен к форме отраженного лазерного луча при условии, что профиль луча не изменяется во время измерения.

Большее движение отраженного лазерного луча на четырехквадрантном фотодиоде может привести к насыщению электроники обнаружения во время измерений. Большая площадь PSD позволяет обнаруживать увеличенный диапазон отклонений кантилевера, как показано на сравнении между и . Отклик PSD остается линейным в этих больших диапазонах отклонений кантилевера. Наличие этого более широкого диапазона линейных откликов в сенсорной электронике позволяет точно записывать полное измерение силы независимо от степени зацепления кантилевера или величины результирующей силы сцепления ().

Измерение силы-перемещения в коммерческих АСМ-приборах основано на повторяющихся колебаниях пьезокристалла вверх-вниз. Практически для всех коммерческих АСМ-инструментов измерения силы-перемещения не могут быть выполнены до того, как зонд АСМ войдет в контакт с поверхностью образца. Неконтролируемое вхождение в контакт часто приводит к развитию избыточного давления, действующего на поверхность образца. Когда биологические макромолекулы, такие как белки, присутствуют на поверхности образца, избыточное давление может разрушить их структуру и сделать их биологически дисфункциональными. Пример кумулятивного эффекта давления зонда на белки можно увидеть в этой работе (). Последовательные измерения, проведенные в одном и том же месте образца, в конечном итоге привели к реакции сила-смещение, указывающей на неспецифическую адгезию (4). Следовательно, немодифицированный АСМ может потенциально разрушить белок в процессе взаимодействия, прежде чем будут выполнены какие-либо измерения силы-смещения. Однако в модифицированном приборе кантилевер с зондом АСМ опускается на поверхность образца с помощью шагового двигателя, когда пьезокристалл находится в состоянии покоя. Возникновение контакта контролируется датчиком положения.

Хотя скорость повторяющегося движения пьезокристалла вверх-вниз в коммерческих АСМ можно регулировать, контроль времени связывания молекул на зонде АСМ с поверхностью образца недоступен. В нашей модифицированной АСМ при установлении контакта может происходить связывание в течение любого желаемого периода времени, после чего движение пьезокристалла в направлении z инициируется программируемым пользователем генератором сигналов. Использование специальной системы генерации сигналов обеспечивает гибкость в программировании времени, скорости и формы функции напряжения, управляющей пьезокристаллом, и скорости дискретизации системы сбора данных. Таким образом, модифицированный АСМ может быть оптимизирован для конкретного измерения силы-перемещения.

Еще одним преимуществом может быть улучшенная чувствительность модифицированного АСМ. Небольшие движения кантилевера приведут к большим движениям лазерного луча по мере удаления от микроскопа, где луч перехватывается. Луч будет перемещаться на внешнем PSD на большее расстояние, чем на четырехквадрантном фотодиоде, потому что PSD можно разместить на большем расстоянии от микроскопа.

Эта работа была поддержана исследовательскими грантами Фонда Уитакера и Национального института здравоохранения (R01-HL44538). Дискуссия с доктором Манфредом Радмахером выражает благодарность.

1. Binnig G, Quate C, Gerber G. Phys Rev Lett. 1986; 56:930. [PubMed] [Google Scholar]

2. Онезорге Ф., Бинниг Г. Наука. 1993; 260:1451. [PubMed] [Google Scholar]

3. Egger M, Ohnesorge F, Weisenhorn AF, Heyn SP, Drake B, Prater CB, Gould SAC, Hansma PK. J Struct Biol. 1990;103:89. [Google Scholar]

4. DrakeBPrater CB, Weisenhorn AL, Gould SAC, Albrecht TR, Quate CF, Cannell DS, Hansma HG, Hansma PK. Наука. 1989; 243:1586. [PubMed] [Академия Google]

5. Лин Д. Н., Дрейк Б., Леа А. С., Хансма П. К., Андраде Д. Д. Ленгмюр. 1990;6:509. [Google Scholar]

6. Леа А.С., Пунгор А., Хлади В. , Андраде Д.Д., Херрон Д.Н. Ленгмюр. 1992; 8:68. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

7. Martin Y, Williams CC, Wickramasinghe HK. J Appl Phys. 1987;61:4723. [Google Scholar]

8. Weisenhorn AL, Hansma PK, Albrecht TR, Quate CF. Appl Phys Lett. 1989;54:2651. [Google Scholar]

9. Durig U, Gimzewski JK, Pohl DW. Phys Rev Lett. 1986;57:2403. [PubMed] [Google Scholar]

10. Burnham NN, Dominguez DD, Mowery RL, Colton RJ. Phys Rev Lett. 1990;64:1931. [PubMed] [Google Scholar]

11. Ducker WA, Cook RF. Appl Phys Lett. 1990;56:2408. [Google Scholar]

12. Дакер В.А., Сенден Т.Дж., Пэшли Р.М. Ленгмюр. 1992; 8:1831. [Google Scholar]

13. Creuzet F, Ryschenkow G, Arribart H. J Adhes. 1992;40:15. [Google Scholar]

14. Mizes HA, Loh KG, Miller RJD, Ahuja SK, Grabowski EF. Appl Phys Lett. 1991;59:2901. [Google Scholar]

15. Лекбанд Д., Исраэлахвилли Дж. Н., Шмитт Ф. Дж., Нолл В. Наука. 1992; 255:1419. [PubMed] [Google Scholar]

16. Evans E, Berk D, Leung A. Biophys J. 1991; 59:838. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

17. Флорин Э.Л., Мой В.Т., Гауб Х.Е. Наука. 1994; 264:415. [PubMed] [Google Scholar]

18. Kuo SC, Sheetz MP. Наука. 1993; 260:232. [PubMed] [Google Scholar]

19. Lee GU, Kidwell DA, Colton RJ. Ленгмюр. 1994;10:354. [Академия Google]

20. Мой В.Т., Флорин Э.Л., Гауб Х.Е. Коллоидный прибой. представлен к публикации. [Google Scholar]

21. Wang N, Bulter JP, Ingber PE. Наука. 1993; 260:1124. [PubMed] [Google Scholar]

22. Сэнд Д. Сканирующая силовая микроскопия с приложениями к электрическим, магнитным и атомным силам. Издательство Оксфордского университета; New York: 1991. [Google Scholar]

23. По данным производителя (Digital Instrument, Inc.), в последней версии Nanoscope III расширен динамический диапазон четырехквадрантного фотодиодного детектора. Кроме того, предусмотрена возможность «ложного зацепления», которая позволяет пользователю записывать кривую сила-смещение при выполнении первого цикла вверх-вниз.