原子力顯微鏡的應(yīng)用和進(jìn)展

　摘要 ：

　從原子力顯微鏡誕生以來，由于其在表面觀測上的高分辨率以及對表面的要求較低，這項(xiàng)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于科研的各個(gè)領(lǐng)域，極大的促進(jìn)了各學(xué)科的發(fā)展。由于這項(xiàng)技術(shù)的重要性，在其誕生之后就一直被改進(jìn)以滿足不同學(xué)科不同場合的需求。本文從具體原子力實(shí)驗(yàn)出發(fā)概述原子力顯微鏡的應(yīng)用以及改進(jìn)方案。

　 關(guān)鍵詞 ：

　原子力顯微鏡

　壓電微懸臂

　敲擊式 AFM

　探針功能化

　 1

　引言 1996 年 Binning 及其合作者在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)明了 AFM，它是利用原子、分子間的相互作用力(主要范德瓦爾斯力，價(jià)鍵力，表面張力，萬有引力，以及靜電力和磁力等)來觀察物體表面微觀形貌的新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在這項(xiàng)表面觀測技術(shù)發(fā)明以來已經(jīng)被各學(xué)科所采納、改進(jìn)，以適應(yīng)不同學(xué)科不同工作環(huán)境的需求。比如在生物及醫(yī)學(xué)研究中要求不能對活體細(xì)胞產(chǎn)生太大影響，要求力更小以免對膜有破壞作用，同時(shí)也要求原子力顯微鏡的掃描更快，更方便以適應(yīng)更多學(xué)科對它的需求，最好能實(shí)現(xiàn)更好的自動(dòng)化，同時(shí)最好能應(yīng)用于不同的環(huán)境。但現(xiàn)在而言原子力顯微鏡對環(huán)境的要求還是很高的，所以對原子力顯微鏡的改進(jìn)也是件十分有意義的工作。現(xiàn)在有的一個(gè)想法是對原子力顯微鏡的微懸臂進(jìn)行改造，用壓電微懸臂[4]替代，這樣直接利用壓電微懸臂收集數(shù)據(jù)以替代激光放大。另外，將原子力顯微鏡應(yīng)用于生物和醫(yī)學(xué)的研究，也提出了對探針進(jìn)行功能化[5]的要求。

　2 原子力實(shí)驗(yàn)簡介 2.1 實(shí)驗(yàn)原理 AFM 探針和測試樣品表面原子相互靠近時(shí)會(huì)產(chǎn)生原子間相互作用力，這種力使連接探針的微懸臂發(fā)生形變，而通過激光檢測器和反饋系統(tǒng)調(diào)整樣品在 z 軸方向的位置，使得探針和樣品間的作用力保持恒定，通過測量檢測信號對應(yīng)樣品的掃描位置的變化，就可以得到測試樣品表面形貌特征。通常原子力顯微鏡 AFM 有幾種運(yùn)行模式：在斥力或接觸模式中，力的量級為 1∽10ev/?? （或910 ? ∽810 ? N）；在引力或非接觸模式中，范德瓦耳斯力、交換力、靜電力或磁力被檢測。這些不能提供原子分辨率但可得到表面有關(guān)的重要信息。

　[1]

　對于原子力顯微鏡，通用的工作模式有接觸（AFM）和敲擊式（tapping AFM）。在敲擊模式中，一種恒定的驅(qū)使力使探針懸臂以一定的頻率振動(dòng)。當(dāng)針尖剛接觸樣品時(shí)，懸臂振幅會(huì)減少到某一數(shù)值。在掃描過程中，反饋回路維持懸臂振幅在這一數(shù)值恒定，亦即作用在樣品上的力恒定，通過記錄壓電陶瓷管的移動(dòng)得到樣品表面形貌圖。對于接觸模式，由于探針和樣品間的相互作用力會(huì)引起微懸臂發(fā)生形變，也就是說微懸臂的形變作為樣品和針尖相互作用力的直接度量。同上述輕敲式，反饋系統(tǒng)保持針尖—樣品作用力恒定從而得到表面形貌圖。原子力顯微鏡是用微小探針“ 摸索”樣品表面來獲得信息，所以測得的圖像是樣品最表面

　的形貌，而沒有深度信息。掃描過程中，探針在選定區(qū)域沿著樣品表面逐行掃描[2] 2.2 AFM 的結(jié)構(gòu) [1][3]

　AFM 的結(jié)構(gòu)主要包括激光器單元、微懸臂單元、壓電掃描單元和光電檢測與反饋單元。如圖（1）所示：

　圖一

　AFM 的組成部件 2.2.1 微懸臂 微懸臂有矩形和三角形兩種，微懸臂的力彈性常數(shù)介于 0.1-lOON／m，即使探針與樣品間零點(diǎn)幾個(gè)納牛頓(nN)的作用力均能夠輕易被檢測到。微懸臂的共振頻率一般大于 10kHz，目的是減小振動(dòng)和聲波的干擾。由于力彈性常數(shù)降低會(huì)使共振頻率下降，如保持共振頻率恒定的同時(shí)降低力彈性常數(shù)，就應(yīng)減小微懸臂的質(zhì)量，所以微懸臂的質(zhì)量有越來越小的趨勢。

　2.2.2 探針

　 AFM 探針的材料通常為單晶硅(Si)和氮化硅(Si N )，探針針尖的形狀有方錐體、圓錐體或超級針尖。金字塔形探針曲率半徑為 5～10nm，氮化硅的曲率半徑為 20～60nm。超級 AFM 探針是在原 AFM 針尖上粘附碳納米管，曲率半徑為0．5～2nm，圖像的分辨率更高。當(dāng)樣品尺寸與針尖曲率半徑相當(dāng)或更小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“加寬效應(yīng)”，影響圖像的準(zhǔn)確度?。針尖越細(xì)長，掃描圖像的質(zhì)量越高，愈接近樣品表面的真空形貌。

　圖二

　AFM 控制機(jī)箱及面板示意圖

　2.3 實(shí)驗(yàn)操作步驟 [3]

　(1)AFM 儀器開機(jī) 電源與控制機(jī)箱連接線等已無誤，不需確認(rèn)。依次打開計(jì)算機(jī)電源、機(jī)箱低壓電源 、高壓電源、激光器電源等。

　(2)樣品——探針進(jìn)給

　樣品進(jìn)給提供粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種進(jìn)給機(jī)構(gòu)。先用粗調(diào)進(jìn)給樣品至約離探針１mm左右，再用細(xì)調(diào)機(jī)構(gòu)，一邊緩慢進(jìn)給樣品，一邊觀察 PSD 位置的光斑有變化，這時(shí)說明已接近進(jìn)入反饋狀態(tài)，接著觀察反饋信號，更緩慢地進(jìn)給樣品，直至 PSD信號顯示為 1.600 左右，Ｚ反饋信號在-200～-300 左右。注意這時(shí)不能再移動(dòng)粗調(diào)和細(xì)調(diào)進(jìn)給機(jī)構(gòu)。接下來下面的操作讓計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整和保持樣品與探針之間的間距。

　(3) 樣品掃描 運(yùn)行計(jì)算計(jì)掃描程序，根據(jù)需要設(shè)置掃描參數(shù)。單次掃描時(shí)間設(shè)定約 15s左右，進(jìn)入掃描工作狀態(tài)。

　(4) 圖象顯示與存儲(chǔ) 掃描過程自動(dòng)進(jìn)行，圖像以逐行顯示的方式顯示。在不改變掃描參數(shù)的情況下，掃描在同一區(qū)域循環(huán)重復(fù)進(jìn)行。也可根據(jù)需要改變掃描區(qū)域和掃描范圍。對于滿意的圖象，可隨時(shí)將圖像捕獲存儲(chǔ)。存儲(chǔ)時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)保存圖像信息和掃描參數(shù)信息。

　(5) 退出掃描 如已獲得理想的圖像，不再做另外掃描，可按“退出”鍵退出掃描程序，用細(xì)調(diào)緩慢退移樣品，直到Ｚ反饋信號在 500 以上，并將細(xì)調(diào)進(jìn)給機(jī)構(gòu)退移到底，退移粗調(diào)。

　(6) AFM 儀器關(guān)機(jī) 當(dāng)不再進(jìn)行樣品掃描實(shí)驗(yàn)時(shí)，依次關(guān)閉激光器電源、高壓電源、機(jī)箱低壓電源等。

　(7) 用配套軟件對圖像進(jìn)行平面顯示和立體顯示 可實(shí)現(xiàn)圖像的裁剪、平滑、旋轉(zhuǎn)、添加色彩、加注標(biāo)尺等，并可調(diào)整圖像的色調(diào)、對比度和亮度等。如圖（3—5）為多孔氧化鋁正面結(jié)構(gòu)材料的 AFM 圖像， 圖 3—6 為 多孔氧化鋁背面結(jié)構(gòu)材料的 AFM 圖像。

　3

　實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)得到的樣品掃描圖樣如下圖所示：

　 圖 3.11

　 樣品掃描圖樣(1)

　圖 3.12

　 放大三維立體圖（1）

　圖 3.21

　樣品掃描圖樣（2）

　圖 3.22

　樣品掃描的三維圖樣（2）

　圖 3.31

　 樣品掃描圖樣（3）

　 圖 3.32

　 樣品掃描的三維圖樣（3）

　4 結(jié)果分析 本實(shí)驗(yàn)是個(gè)操作要求較高的實(shí)驗(yàn)，要花時(shí)間才能做得好，由于時(shí)間也很有限，所以本次試驗(yàn)的目的也不是一定也做出多好的成績，關(guān)鍵在于鍛煉一下基本操作，同時(shí)通過查找資料更廣泛的了解 AFM 的構(gòu)造以及制造、在不同學(xué)科上的應(yīng)用這些方面來擴(kuò)充視野倒是不無裨益的。

　5

　實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 5.1 微懸臂的改進(jìn) 可以考慮采用壓電微懸臂，用壓電微懸臂采集信號，這樣就可免去調(diào)節(jié)激光的麻煩，而且可以使得實(shí)驗(yàn)更加簡便，實(shí)驗(yàn)裝置更為簡單。[4]另外對于微懸臂的材料也可以加以改進(jìn)，使其具有更好的性能。如最近有人提出了用鎢代替 SiO2的方法：采用 STM 微位移檢測裝置，用很細(xì)(而彈性又好的鎢絲制作簡易又適用的新型微懸臂和針尖，可大大降低了微懸臂的制作成本，在堿溶液中，采用低壓交流電化學(xué)腐蝕法，使鎢絲尖部達(dá)到接近只有一個(gè)原子，即使碰撞后也只需腐蝕一下又可以繼續(xù)使用。

　[7]

　5.2 采用敲擊模式 采用敲擊式原子力顯微鏡。在敲擊模式中，一種恒定的驅(qū)使力使探針懸臂以一定的頻率振動(dòng)。當(dāng)針尖剛接觸樣品時(shí)，懸臂振幅會(huì)減少到某一數(shù)值。在掃描過程中，反饋回路維持懸臂振幅在這一數(shù)值恒定，亦即作用在樣品上的力恒定，通過記錄壓電陶瓷管的移動(dòng)得到樣品表面形貌圖對于接觸模式，由于探針和樣品間的相互作用力會(huì)引起微懸臂發(fā)生形變，也就是說微懸臂的形變作為樣品和針尖相互作用力的直接度量。同上述輕敲式，反饋系統(tǒng)保持針尖—樣品作用力恒定從而得到表面形貌圖 [2]

　5.3 AFM 在生物、醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用——探針功能化

　 作為最基礎(chǔ)的學(xué)科，物理的發(fā)展往往能極大的推動(dòng)其他學(xué)科的發(fā)展，很多的工程、生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)的發(fā)展都得益于物理學(xué)探測技術(shù)的發(fā)展。事實(shí)已經(jīng)證明，AFM 技術(shù)是物理學(xué)對于人類對微觀世界探索的有一大具里程碑意義的成就。

　1986 年 Binning 及其合作者在掃描隧道顯微鏡 (scanning tunneling microscope，STM)的基礎(chǔ) 上發(fā)明了 AFM，其卓越的高分辨率(0．5～1 nm)和能保持樣品生理狀態(tài)的制樣方法，使研究人員能在生理?xiàng)l件下直接觀察到高分辨率的生物樣品表面結(jié)構(gòu)。

　[6]

　探針功能化是指通過化學(xué)或生物方法將各種生物分子固定在 AFM 的探針上。探針功能化使 AFM 在力學(xué)測定功能之上又具備了分子識別能力，成為探測生物分子相互作用的有力 工具。

　[5]

　近年來，AFM 在提高分辨率、探針制作、探針功能化、樣品制備和圖像數(shù)據(jù)分析等方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。這些技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了在生理?xiàng)l件下直接觀測生物單分子和在納米尺度上直接操作生物單分子 ]。特別是以功能化探針為基礎(chǔ)的黏附力成像和動(dòng)態(tài)識別成像將 AFM 具備的力譜測定和高分辨率成像能力與單分子問識別的特異性有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生物樣品表面單分子定位、基于單分子識別的成像和樣品組分探測。AFM 力譜技術(shù)(force spectroscopy)可在生理?xiàng)l件下進(jìn)行單分子水平的作用力譜分析，實(shí)現(xiàn)分子間作用力及其動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)測定。AFM 是目前惟一能在納米尺度上進(jìn)行生物膜表面單分子作用力學(xué)測定的儀器 [5] . 在所有的這些進(jìn)步中，最為重要且意味深遠(yuǎn)的成果便是將探針功能化，通過

　探針的功能化，AFM 的作用已經(jīng)不僅僅局限于探測表面的形狀，還可用于進(jìn)行更多方面的研究，如測量 DNA 之間的結(jié)合力、蛋白質(zhì)配體和受體的結(jié)合等。

　參考文獻(xiàn)：

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