La técnica de la sonda coloidal se utiliza comúnmente para medir las fuerzas de interacción que actúan entre partículas coloidales y/o superficies planas en el aire o en solución. Esta técnica se basa en el uso de un microscopio de fuerza atómica (AFM). Sin embargo, en lugar de un voladizo con una punta de AFM afilada, se utiliza la sonda coloidal . La sonda coloidal consiste en una partícula coloidal de unos pocos micrómetros de diámetro que está unida a un voladizo de AFM. La técnica de la sonda coloidal se puede utilizar en las geometrías esfera-plano o esfera-esfera ( ver figura ). Por lo general, se logra una resolución de fuerza entre 1 y 100 pN y una resolución de distancia entre 0,5 y 2 nm .
La técnica de la sonda coloidal fue desarrollada en 1991 de forma independiente por Ducker [1] y Butt [2] . Desde su desarrollo, esta herramienta ha ganado una gran popularidad en numerosos laboratorios de investigación y existen numerosas revisiones disponibles en la literatura científica. [3] [4] [5]
Las técnicas alternativas para medir la fuerza entre superficies incluyen el aparato de fuerzas superficiales , la microscopía de reflexión interna total y las técnicas de pinzas ópticas junto con la microscopía de video.
La posibilidad de medir fuerzas que involucran partículas y superficies directamente es esencial ya que dichas fuerzas son relevantes en una variedad de procesos que involucran sistemas coloidales y poliméricos. Los ejemplos incluyen agregación de partículas , reología de suspensión, deposición de partículas y procesos de adhesión. También se pueden estudiar fenómenos biológicos similares, como la deposición de bacterias o la infección de células por virus . Las fuerzas son igualmente más informativas para investigar las propiedades mecánicas de las interfaces , burbujas , cápsulas, membranas o paredes celulares . Tales mediciones permiten sacar conclusiones sobre la deformación elástica o plástica o la ruptura eventual en tales sistemas.
La técnica de la sonda coloidal proporciona una herramienta versátil para medir dichas fuerzas entre una partícula coloidal y un sustrato plano o entre dos partículas coloidales (véase la figura anterior). Las partículas utilizadas en dichos experimentos tienen normalmente un diámetro de entre 1 y 10 μm. Las aplicaciones típicas implican mediciones de fuerzas eléctricas de doble capa y los potenciales de superficie o cargas superficiales correspondientes , fuerzas de van der Waals o fuerzas inducidas por polímeros adsorbidos. [3] [5] [6]
La técnica de la sonda coloidal utiliza un AFM estándar para las mediciones de fuerza. Pero en lugar del voladizo del AFM con una punta afilada adjunta, se utiliza la sonda coloidal . Esta sonda coloidal normalmente se obtiene uniendo una partícula coloidal a un voladizo. Al registrar la desviación del voladizo como una función del desplazamiento vertical del escáner AFM, se puede extraer la fuerza que actúa entre la sonda y la superficie como una función de la separación de la superficie. Este tipo de operación del AFM se conoce como el modo de fuerza . Con esta sonda, se pueden estudiar las interacciones entre varias superficies y partículas de la sonda en la geometría de esfera-plano . También es posible estudiar las fuerzas entre partículas coloidales uniendo otra partícula al sustrato y realizar la medición en la geometría de esfera-esfera , consulte la figura anterior.
El modo de fuerza utilizado en la técnica de sonda coloidal se ilustra en la figura de la izquierda. El escáner está fabricado con cristales piezoeléctricos , que permiten su posicionamiento con una precisión mejor que 0,1 nm. El escáner se eleva hacia la sonda y de este modo se registra el desplazamiento del escáner D . Al mismo tiempo, también se controla la desviación del voladizo ξ , normalmente con una precisión comparable. Se mide la desviación enfocando un haz de luz procedente de un diodo láser no coherente hacia la parte posterior del voladizo y detectando el haz reflejado con un fotodiodo dividido . La señal de palanca S representa la diferencia de las fotocorrientes procedentes de las dos mitades del diodo. Por tanto, la señal de palanca es proporcional a la desviación ξ .
Durante un ciclo de aproximación-retracción, se registra la señal de la palanca S en función del desplazamiento vertical D del escáner. Supongamos por un momento que la sonda y el sustrato son objetos duros e indeformables y que no actúan fuerzas entre ellos cuando no están en contacto. En tal situación, se habla de una repulsión de núcleo duro . Por lo tanto, la palanca no se deformará mientras no esté en contacto con el sustrato. Cuando la palanca toca el sustrato, su deflexión será la misma que el desplazamiento del sustrato. Esta respuesta se denomina región de contacto o compliancia constante . La señal de la palanca S en función del desplazamiento del escáner D se muestra en la figura siguiente. Este gráfico consta de dos líneas rectas que se asemejan a un palo de hockey. Cuando las superficies no están en contacto, la señal de la palanca se denotará como S 0 . Este valor corresponde a la palanca no deformada. En la región de compliancia constante, la señal de la palanca es simplemente una función lineal del desplazamiento y se puede representar como una línea recta.
Los parámetros a y b se pueden obtener a partir de un ajuste de mínimos cuadrados de la región de cumplimiento constante. La pendiente inversa a −1 también se conoce como sensibilidad óptica de la palanca. Al invertir esta relación para la señal de la palanca S 0 , que corresponde a la palanca no deformada, se puede obtener con precisión el punto de contacto a partir de D 0 = ( S 0 − b )/ a . Dependiendo del sustrato, la precisión para determinar este punto de contacto está entre 0,5 y 2 nm. En la región de cumplimiento constante, la deformación de la palanca está dada por
De esta manera, se pueden detectar deflexiones del voladizo con una resolución típica mejor que 0,1 nm.
Consideremos ahora la situación relevante en la que la sonda y el sustrato interactúan. Denotemos por F ( h ) la fuerza entre la sonda y el sustrato. Esta fuerza depende de la separación de superficies h . En equilibrio, esta fuerza se compensa con la fuerza de recuperación del resorte, que viene dada por la ley de Hooke.
donde k es la constante elástica del voladizo. Las constantes elásticas típicas de los voladizos AFM están en el rango de 0,1 a 10 N/m. Dado que la deflexión se controla con una precisión mejor de 0,1 nm, normalmente se obtiene una resolución de fuerza de 1 a 100 pN. La distancia de separación se puede obtener a partir del desplazamiento del escáner y la deflexión del voladizo.
La figura siguiente ilustra cómo responde el voladizo a diferentes perfiles de fuerza. En el caso de una fuerza repulsiva suave, el voladizo es repelido desde la superficie y solo se acerca lentamente a la región de flexibilidad constante. En tales situaciones, puede resultar realmente difícil identificar esta región correctamente. Cuando la fuerza es atractiva, el voladizo es atraído hacia la superficie y puede volverse inestable. A partir de consideraciones de estabilidad, se descubre que el voladizo será inestable siempre que
Esta inestabilidad se ilustra en el panel derecho de la figura de la derecha. A medida que el voladizo se acerca, la pendiente de la curva de fuerza aumenta. Cuando la pendiente se vuelve mayor que la constante de resorte del voladizo, el voladizo salta en contacto cuando la pendiente de la curva de fuerza excede la constante de fuerza del voladizo. Al retraerse, ocurre el mismo fenómeno, pero el punto donde el voladizo salta se alcanza con una separación menor. Al acercarse y retraerse, el sistema mostrará una histéresis . En tales situaciones, no se puede sondear una parte del perfil de fuerza. Sin embargo, este problema se puede evitar utilizando un voladizo más rígido, aunque a expensas de una resolución de fuerza inferior.
Las sondas coloidales se fabrican normalmente pegando una partícula coloidal a un voladizo sin punta con un micromanipulador en el aire. La posterior rehumectación de la sonda puede provocar la formación de burbujas de tamaño nanométrico en la superficie de la sonda. Este problema se puede evitar uniendo las partículas coloidales en condiciones húmedas en una celda de fluido AFM a voladizos funcionalizados adecuadamente. [5] Si bien la técnica de la sonda coloidal se utiliza principalmente en la geometría de esfera-plano, también se puede utilizar en la geometría de esfera-esfera. [6] La última geometría requiere además un centrado lateral de las dos partículas, que se puede lograr con un microscopio óptico o un escáner AFM. Los resultados obtenidos en estas dos geometrías diferentes se pueden relacionar con la aproximación de Derjaguin .
Las mediciones de fuerza se basan en un valor preciso de la constante elástica del voladizo. Esta constante elástica se puede medir mediante diferentes técnicas. [3] [4] El método de ruido térmico es el más sencillo de utilizar, ya que se implementa en la mayoría de los AFM. Este enfoque se basa en la determinación de la amplitud cuadrática media del desplazamiento del voladizo debido a fluctuaciones térmicas espontáneas . Esta cantidad está relacionada con la constante elástica mediante el teorema de equipartición . En el método de masa añadida , se fijan una serie de perlas metálicas al voladizo y en cada caso se determina la frecuencia de resonancia. Al explotar la relación de un oscilador armónico entre la frecuencia de resonancia y la masa añadida, también se puede evaluar la constante elástica. El método de fuerza de fricción se basa en la medición de las curvas de aproximación y retracción del voladizo a través de un fluido viscoso. Dado que el arrastre hidrodinámico de una esfera cerca de un sustrato plano se conoce teóricamente, se puede deducir la constante elástica del voladizo. El método geométrico explota las relaciones entre la geometría del voladizo y sus propiedades elásticas.
La separación se mide normalmente desde el inicio de la región de cumplimiento constante. Si bien la separación superficial relativa se puede determinar con una resolución de 0,1 nm o mejor, la separación superficial absoluta se obtiene desde el inicio de la región de cumplimiento constante. Si bien este inicio se puede determinar para muestras sólidas con una precisión de entre 0,5 y 2 nm, la ubicación de este inicio puede ser problemática para interacciones repulsivas suaves y para superficies deformables. Por esta razón, se han desarrollado técnicas para medir la separación superficial de forma independiente (por ejemplo, microscopía de reflexión interna total , microscopía de contraste de interferencia de reflexión ). [7]
Al escanear la muestra con la sonda coloidal lateralmente se pueden aprovechar las fuerzas de fricción entre la sonda y el sustrato. [4] Dado que esta técnica aprovecha la torsión del voladizo, para obtener datos cuantitativos se debe determinar la constante del resorte torsional del voladizo.
Una técnica relacionada que implica un tipo similar de mediciones de fuerza con el AFM es la espectroscopia de fuerza molecular única . Sin embargo, esta técnica utiliza una punta de AFM regular a la que se adhiere una sola molécula de polímero. A partir de la parte de retracción de la curva de fuerza, se puede obtener información sobre el estiramiento del polímero o su desprendimiento de la superficie.