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原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）

一種可用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。

它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏 感元件之間的微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。         

原子力顯微鏡的原理

原子力顯微鏡的基本原理是：將一個對微弱力敏 感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖 端原子與樣品表面原子間存在微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動。利用光學(xué)檢測法或隧 道電流檢測法，可測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。我們以激光檢測原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM）來詳細(xì)說明其工作原理。
如圖所示，二極管激光器（Laser Diode）發(fā)出的激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦在微懸臂（Cantilever）背面，并從微懸臂背面反射到由光電二極管構(gòu)成的光斑位置檢測 器（Detector）。在樣品掃描時，由于樣品表面的原子與微懸臂探針尖 端的原子間的相互作用力，微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而，通過光電二極管檢測光斑位置的變化，就能獲得被測樣品表面形貌的信息。

在系統(tǒng)檢測成像全過程中，探針和被測樣品間的距離始終保持在納 米量級，距離太大不能獲得樣品表面的信息，距離太小會損傷探針和被測樣品，反饋回路(Feedback）的作用就是在工作過程中，由探針得到探針-樣品相互作用的強(qiáng)度，來改變加在樣品掃描器垂直方向的電壓，從而使樣品伸縮，調(diào)節(jié)探針和被測樣品間的距離，反過來控制探針-樣品相互作用的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)反饋控制。因此，反饋控制是本系統(tǒng)的核心工作機(jī)制。本系統(tǒng)采用數(shù)字反饋控制回路，用戶在控制軟件的參數(shù)工具欄通過以參考電流、積分增益和比例增益幾個參數(shù)的設(shè)置來對該反饋回路的特性進(jìn)行控制。

原子力顯微鏡儀器結(jié)構(gòu)

在原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。

力檢測部分
在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂（cantilever）來檢測原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個一般100~500μm長和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個尖銳針尖，用來檢測樣品－針尖間的相互作用力。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。

位置檢測部分
在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂cantilever擺動，當(dāng)激光照射在微懸臂的末端時，其反射光的位置也會因?yàn)閼冶蹟[動而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測 器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號，以供SPM控制 器作信號處理。

反饋系統(tǒng)
在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號經(jīng)由激光檢測 器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會將此信號當(dāng)作反饋信號，作為內(nèi)部的調(diào)整信號，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?，以使樣品與針尖保持一定的作用力。

原子力顯微鏡對樣品的要求

原子力顯微鏡研究對象可以是有 機(jī)固體、聚合物以及生物大分子等，樣品的載體選擇范圍很大，包括云母片、玻璃片、石墨、拋光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中至 常用的是新剝離的云母片，主要原因是其非常平整且容易處理。而拋光硅片至 好要用濃 硫酸與30%雙氧水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h。利用電性能測試時需要導(dǎo)電性能良好的載體，如石墨或鍍有金屬的基片。
試樣的厚度，包括試樣臺的厚度，至大為10 mm。如果試樣過重，有時會影響Scanner的動作，請不要放過重的試樣。試樣的大小以不大于試樣臺的大?。ㄖ睆?0 mm）為大致的標(biāo)準(zhǔn)。稍微大一點(diǎn)也沒問題。但是，至大值約為40 mm。如果未固定好就進(jìn)行測量可能產(chǎn)生移位。請固定好后再測定。

原子力顯微鏡的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生命科學(xué)開始向定量科學(xué)方向發(fā)展。大部分實(shí)驗(yàn)的研究重 點(diǎn)已經(jīng)變成生物大分子，特別是核酸和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)功能的關(guān)系。因?yàn)锳FM的工作范圍很寬，可以在自然狀態(tài)（空氣或者液體）下對生物醫(yī)學(xué)樣品直接進(jìn)行成像，分辨率也很高。因此，AFM已成為研究生物醫(yī)學(xué)樣品和生物大分子的重要工具之一。AFM應(yīng)用主要包括三個方面：生物細(xì)胞的表面形態(tài)觀測；生物大分子的結(jié)構(gòu)及其他性質(zhì)的觀測研究；生物分子之間力譜曲線的觀測。
AFM可以用來對細(xì)胞進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察，并進(jìn)行圖像的分析。通過觀察細(xì)胞表面形態(tài)和三維結(jié)構(gòu)，可以獲得細(xì)胞的表面積、厚度、寬度和體積等的量化參數(shù)等。例如，利用AFM可以對感 染病 毒后的細(xì)胞表面形態(tài)的改變、造骨細(xì)胞在加入底物（鈷鉻、鈦、鈦釩等）后細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞彈性的變化、GTP對胰腺外分泌細(xì)胞囊泡高度的影響進(jìn)行研究。利用AFM還可以對自 由基損傷的紅細(xì)胞膜表面精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究，直接觀察到自 由基損傷，以及加女貞子保護(hù)作用后，對紅細(xì)胞膜分子形態(tài)學(xué)的影響。

   此文章來源：公眾號西大材料與能源學(xué)部研會，如有涉及版權(quán)問題，可與我司聯(lián)系，我司將第 一時間處理，謝謝