Source: http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=2093&lang=es
Timestamp: 2013-06-19 14:45:09+00:00

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Resolución de la Fuerza Experimentos de la Espectroscopia de En Vigor, Ruido Térmico y el Efecto de la Anchura De Banda de la Medición
Por AZoNano Filete del Tema AntecedentesLímites Físicos en la Resolución de la Fuerza del AFMInfluencia de la Anchura De Banda de la MediciónExperimentalInfluencia de la Selección VoladizaResumen Antecedentes El microscopio atómico de la fuerza (AFM) se está utilizando cada vez más para las mediciones de la fuerza en el régimen del piconewton. Como tentativas son las fuerzas más pequeñas y más pequeñas hechas a medida que llega a ser más importante entender varios factores que influencien la resolución de la fuerza de la técnica. La aproximación óptica de la palanca da lugar a mediciones extraordinario sensibles de la desviación voladiza. Es rutinaria obtener los niveles de ruidos del sub-Angstrom. Puesto Que los voladizos con constantes del muelle alrededor de 10 pN/nm están extensamente - disponible, éste parecería implicar que las mediciones de las fuerzas del subpiconewton deben ser posibles. Sin Embargo, éste lamentablemente no es el caso. Los Límites Físicos en el AFM Fuerzan la Resolución Los niveles de ruidos de la desviación del sub-Angstrom que se utilizan para especificar el funcionamiento del sistema óptico de la palanca son medidos por el refl ecting el de rayo láser lejos de un voladizo muy derecho o el substrato sí mismo de la antena. Cuando esta superficie muy derecha es reemplazada por muy suavemente un voladizo el ruido en la medición de la desviación es dominado no más por el ruido en el sistema óptico de la palanca sí mismo, pero bastante por el ruido térmico del voladizo. Éste es el origen del término “limitado térmicamente” que es de uso frecuente describir funcionamiento de la medición de la fuerza. El ruido Térmico es el resultado del movimiento Browniano intrínseco del voladizo. Del equipartition theorem1, podemos escribir una expresión para la energía térmica, kTb, relacionándose la con la amplitud media cuadrático del movimiento voladizo, el〉 del 〈2x, y el constante del muelle, k, del voladizo: Ecuación 1. De esto, podemos derivar una expresión simple que permita que estimemos el ruido de la media cuadrada de la raíz (RMS) para las mediciones de la fuerza debido al ruido térmico: Ecuación 2. Si evaluamos esto para los constantes suaves del muelle voladizo en el rango de 10-30 pN/nm, encontramos que el ruido de la fuerza del RMS debe estar aproximadamente 6-11 pN. Sin Embargo, este solo no define totalmente la resolución de la fuerza de las mediciones del AFM. Influencia de la Anchura De Banda de la Medición El ruido térmico del voladizo ocurre en una anchura de banda cerca de la frecuencia de la resonancia del voladizo. Por Lo Tanto la anchura de banda de la medición, determinada por la tasa de muestreo y cualquier dato que hacen un promedio u otros que filtran, puede tener un efecto grande sobre el ruido observado datos de en vigor. En las soluciones acuosas, donde muchas de estas mediciones del régimen del piconewton se están haciendo, las frecuencias de la resonancia de la mayoría de los voladizos son muy inferiores, típicamente menos de 10 kilociclos. Esto está en conformidad con la anchura de banda posible de la medición del AFM. Por ejemplo, Bruker AFMs que se ejecuta en el controlador aéreo de NanoScope V puede capturar curvas estándar de la fuerza a los índices de datos de hasta 40 kilociclos. Usando la característica De alta velocidad de la Recogida de Datos esto se puede aumentar hasta el final hasta 50 Megaciclos. Sin Embargo, la anchura de banda de la medición también es determinada por cualquier filtración de datos que ocurra en la señal de la desviación. Esto puede incluir los filtros analogicos, los filtros digitales, y hacer un promedio de los datos básicos (es decir “mudanza” o “furgón” que hace un promedio). La filtración Analogica en el controlador aéreo de NanoScope V se piensa sobre todo para reducir los efectos del alias causados por los componentes de la frecuencia en la señal que exceden la frecuencia de Nyquist, que es mitad de la tasa de muestreo. Por Lo Tanto, la señal “de poca velocidad” normal de la desviación, muestreada en 500 kilociclos, se filtra en 200 kilociclos. La señal “de alta velocidad” de la desviación, que se puede muestrear en hasta 50 Megaciclos, CA-se acopla y de paso bajo se filtra aproximadamente 6,5 Megaciclos. Además de esta filtración analogica, un filtro digital en la señal de la desviación puede ser utilizado opcionalmente. Esto se puede seleccionar usando “el parámetro de la Desviación de LP” encontrado conforme al “Otro” filete de parámetro. La frecuencia de atajo para este filtro es a elección dentro del radio de acción de 2-20 kilociclos usando “el parámetro de la Desviación de LP” encontrado conforme al filete de parámetro del “Feedback”. Finalmente, los datos muestreados pueden ser filtrados más a fondo aplicando una media móvil. Esto se puede ejecutar en dos maneras diferentes. Primero, el índice de rampa y el número de puntas por la curva (“Número parámetro de las Muestras”) determinan un tipo total de la recogida de datos. Por ejemplo, un tipo de rampa de 1 Hertz y 19968 puntas por curva combinan para dar el índice máximo de recogida de datos de cerca de 40 kilociclos (1 Hertz = 0,5 s por la dirección, que en 19968 puntas por curva es cerca de 25 ìs por punta, o cerca de 40 kilociclos). Usando menos puntas por curva hace un promedio simple de más puntas al downconvert la señal a una anchura de banda más inferior. En Segundo Lugar, una media móvil se puede aplicar a los datos usando el parámetro de las “Puntas Medias” encontrado bajo cada grupo del “Canal” en los filetes de parámetro del modo de la rampa. Esto da lugar a la filtración similar de los datos pero conserva más puntas por la curva, que es importante cuando las funciones apropiadas para los datos y para mantener la buena resolución en el eje de la distancia de los datos. El efecto combinado “Tipo de Exploración”, de los parámetros del “Número de Muestras”, y de las “Puntas Medias” da lugar a un parámetro llamado “BW Efectivo,” que se encuentra bajo grupo de parámetro del canal de la rampa. Esto se calcula cerca: Ecuación 3. Éste es un presupuesto de la anchura de banda de la medición para ese canal de los datos de la curva de la fuerza. Observe que la descarga rodada de la filtración esa los resultados de una media móvil difiere de la de un filtro de paso bajo de la primera orden usual. Es decir, la atenuación de la señal comienza en las frecuencias bien debajo de la frecuencia de atajo calculada en Eqn. (3) mientras que la atenuación de un filtro de paso bajo de la primera orden normal estaría solamente - la polarización del revelador 3 en la frecuencia de atajo. El índice de descarga rodada se aumenta como más puntas se utilizan en el promedio, similar a usar un filtro más de categoría alta. El efecto práctico de estas diferencias es que la anchura de banda efectiva calculada será algo más alta que la anchura de banda real, así que significa que los componentes de la frecuencia cerca de la parte alta de la anchura de banda serán atenuados substancialmente. Limitando la anchura de banda de ninguno de estos maneras es posible excluir una porción del ruido térmico de mediciones de la fuerza. Esto está quizás la más bien ilustrado considerando una potencia gráfico espectral de la densidad de la señal de la desviación, tal y como se muestra en del Cuadro 1. Esto muestra que el ruido térmico (puntas azules) ajustó a una función armónica simple del oscilador (línea roja). El ruido ocurre Obviamente en un pico centrado en la frecuencia de la resonancia del voladizo. Integrando el área bajo este pico podemos calcular el ruido de la fuerza del RMS. Si establecemos los límites de integración a la anchura de banda de nuestra medición podemos obtener el ruido teórico de la fuerza del RMS para una anchura de banda dada. Experimental, sin embargo, es imposible lograr una anchura de banda de la medición que limite exacto la anchura de banda al rango deseado porque las frecuencias de atajo de filtración no son infinitamente sostenidas. Experimental Las mediciones de ruido de la fuerza del RMS fueron hechas con el mismo voladizo usado para medir los datos en el Cuadro 1, que era el voladizo rectangular en una antena de Bruker MLCT con un constante 24,2 pN/nm del muelle. Una serie de mediciones fue hecha para demostrar el efecto de cada método de limitar la anchura de banda de la medición. Según Eqn. (2), un voladizo con este constante de la primavera debe tener ruido de la fuerza del RMS de cerca de 10 pN. Cuadro 1. El gráfico espectral de la densidad de la potencia de la señal de la desviación muestra el ruido térmico que ocurre en la frecuencia del voladizo, aquí cerca de 4 kilociclos de la resonancia. Las olumnas muestran el ruido de la fuerza del RMS que se debe medir en una anchura de banda de DC a la frecuencia mostrada. La Figura 2A muestra el efecto de cambiar la frecuencia de atajo digital del filtro de paso bajo mientras que mantiene el tipo de la recogida de datos reparado en 40 kilociclos y sin ningún hacer un promedio de los datos. Porque la descarga rodada del filtro digital no es tan sostenida como ésa obtenida por los datos que hacen un promedio, vemos que el ruido de la fuerza está disminuido solamente modesto incluso en el más escotado de frecuencia. Mientras Que es efectivo para reducir ruido de alta frecuencia, el filtro de paso bajo digital no se adapta muy bien para reducir el ruido térmico de baja fricción. Observe que el ruido total medido en una anchura de banda hasta 20 kilociclos, pN 10,9, está de acuerdo bien con el valor previsto de 10 pN. El Cuadro 2. mediciones Experimentales de fuerza del RMS divulga bajo diversas condiciones de la medición. (a) el tipo de la recogida de 40 datos del kilociclo, el ningún hacer un promedio, filtro de paso bajo digital no activó (b) Ningún hacer un promedio, filtro de paso bajo digital de 20 kilociclos, diversos tipos de la recogida de datos determinados por el número de puntas por la curva (c) el tipo de la recogida de 20 datos del kilociclo, 20 kilociclos de lter de paso bajo digital del fi, diversas anchuras de banda determinadas haciendo un promedio de puntas. La Figura 2B muestra el efecto de cambiar el tipo de la recogida de datos ajustando el número de puntas por curva. Revoque que esto da lugar a los datos que hacen un promedio para reducir el número de puntos de referencias. Vemos que para los tipos de la recogida de datos más allá de la frecuencia de la resonancia que hay poca variación en el ruido de la fuerza. Sin Embargo, a los tipos en o por debajo de la frecuencia de la resonancia los niveles de ruidos comienzan a caer substancialmente, final menos que mitad del valor original. Finalmente, la Figura 2C muestra el efecto de usar el parámetro de las “Puntas Medias” para reducir la anchura de banda de la medición mientras que sujeta el tipo de la recogida de datos y el filtro de paso bajo digital reparados en 20 kilociclos. Los valores resultantes del ruido del RMS son muy similares a ésos obtenidos para las anchuras de banda equivalentes en la Figura 2B, pues deben ser puesto que son esencialmente el mismo tipo de filtración. Sin Embargo, este método ofrece la ventaja de guardar el número total de puntas por constante de la curva incluso durante se cambia la anchura de banda. Según Lo observado previamente, esto es a menudo ventajoso para mantener la suficiente resolución de la distancia en las curvas de la fuerza y proporcionar a más puntas para las operaciones tting del fi de la curva (e.g ajustes wormlike del encadenamiento a los datos de la extensión). Encontramos que éste es el método lo más generalmente posible útil de reducir el ruido térmico medido datos de la espectroscopia de en vigor. Influencia de la Selección Voladiza El ruido térmico medido puede ser reducido más a fondo seleccionando un voladizo con una frecuencia de la resonancia más allá de la anchura de banda de la medición. Este concepto ha sido explotado por los grupos que trabajaban en los “pequeños voladizos”. Estos voladizos tienen frecuencias mucho más altas de la resonancia y bajan amortiguar viscoso, que reduce el ruido medido de la fuerza en la anchura de banda de la medición comparada a los voladizos convencionales. Aunque los “pequeños voladizos verdaderos” y la dotación física compatible no son actualmente disponibles en el comercio, algunos voladizos actuales tienen frecuencias considerablemente más altas de la resonancia, incluso en líquido. Cuando usar estos voladizos más altos de la frecuencia resonante, más de poco ruido se puede lograr con la misma anchura de banda, o una anchura de banda más alta puede ser utilizada mientras que todavía obtiene un nivel de ruidos equivalente. Resumen El nivel de ruidos en mediciones de la fuerza del AFM es limitado fundamental por el ruido térmico intrínseco de los voladizos. Sin Embargo, el ruido térmico medido se puede reducir por la selección juiciosa de parámetros que controlen la tasa de muestreo de los datos y hacer un promedio de los datos muestreados. Para el uso general de la espectroscopia de la fuerza, recomendamos el usar del parámetro de las “Puntas Medias” para ayudar a reducir el ruido térmico observado mientras que los suficientes puntos de referencias todavía que mantienen en cada fuerza curvan. Esta información ha sido originaria, revisada y adaptada de los materiales proporcionados por Bruker AXS. Para más información sobre esta fuente visite por favor Bruker AXS.
Last Update: 13. June 2013 18:28

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