原子力顯微鏡PPT課件

1、1 原子力顯微鏡原子力顯微鏡2第一代：光學顯微鏡第一代：光學顯微鏡 16世紀末， 荷蘭人janssen發(fā)明了第一臺復式顯微鏡 1665年，英國科學家羅伯特胡克用他的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了細胞 1680年，列文虎克磨制的單片顯微鏡的放大倍數(shù)將近300倍3第一代：光學顯微鏡第一代：光學顯微鏡列文虎克觀察到的“小動物”羅伯特虎克觀察到的細胞4第一代：光學顯微鏡第一代：光學顯微鏡相較于過去兩個世紀， 現(xiàn)在我們使用的普通光學顯微鏡基本上沒有什么改進。原因：光學顯微鏡已經(jīng)達到了分辨原因：光學顯微鏡已經(jīng)達到了分辨率的極限。率的極限。對于使用可見光作為光源的顯微鏡，它的分辨率極限是0.2m。任何小于0.2m的結(jié)構都沒法

2、識別出來。提高顯微鏡分辨率的途徑是設法減小光的波長，或者，用電子束來代替光。 5第二代：電子顯微鏡第二代：電子顯微鏡1938年，德國工程師max knoll和ernst ruska制造出了世界上第一臺透射電子顯微鏡（tem）1952年，英國工程師charles oatley制造出了第一臺掃描電子顯微鏡（sem）掃描式電子顯微鏡sem透射式電子顯微鏡tem6第二代：電子顯微鏡第二代：電子顯微鏡電子顯微鏡的分辨率可以達到納米級電子顯微鏡的分辨率可以達到納米級 1. 樣品處理過程復雜樣品處理過程復雜 2. 要在高真空的環(huán)境下操作要在高真空的環(huán)境下操作7第三代：掃描探針顯微鏡第三代：掃描探針顯微鏡 1

3、983年，ibm公司兩位科學家gerd binnig和heinrich rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（stm），但只能測導體和部分半導體 1985年，ibm公司binning和stanford大學的 quate研發(fā)出了原子力顯微鏡（afm），彌補了stm的不足8stmstm基本原理基本原理 隧道效應隧道效應：量子力學認為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能過去，好像有一個隧道，故名隧道效應。隧道電流隨探針樣品間距離減小而呈隧道電流隨探針樣品間距離減小而呈指數(shù)增加指數(shù)增加要求樣品導電性要好，所以要求樣品導電性要好，所以只能測導只能測導體和部分半導體體

4、和部分半導體。9afmafm基本原理基本原理afmafm是在是在stmstm的基礎上發(fā)展起來的。所不同的是，它不是利的基礎上發(fā)展起來的。所不同的是，它不是利用電子隧道效應，而是用電子隧道效應，而是利用原子之間的范德華力作用來呈利用原子之間的范德華力作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性現(xiàn)樣品的表面特性。 吸引部分排斥部分f pair d原子原子排斥力原子原子吸引力10afmafm基本原理基本原理 （1）將一個對微弱力極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。 （2）由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的力，會使懸臂產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)。 （3）通過檢測出偏轉(zhuǎn)量檢測出偏轉(zhuǎn)量并作用反

5、饋控制其排斥力的恒定，就可以 獲得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的圖像。11儀器構成儀器構成力檢測部分力檢測部分位置檢測部分位置檢測部分反饋電子系統(tǒng)反饋電子系統(tǒng)壓電掃描系統(tǒng)壓電掃描系統(tǒng) 12 壓電裝置在壓電裝置在x，y，z三個方向上精確控制樣品或探針位置。三個方向上精確控制樣品或探針位置。 目前構成掃描器的基質(zhì)材料主要是鈦鋯酸鉛制成的壓電陶瓷目前構成掃描器的基質(zhì)材料主要是鈦鋯酸鉛制成的壓電陶瓷材料壓電陶瓷有壓電效應，即在加電壓時有收縮特性，并且材料壓電陶瓷有壓電效應，即在加電壓時有收縮特性，并且收縮的程度與所加電壓成比例關系壓電陶瓷能將收縮的程度與所加電壓成比例關系壓

6、電陶瓷能將1mv1000v的電壓信號轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。的電壓信號轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。 壓電掃描系統(tǒng)壓電掃描系統(tǒng) 壓電轉(zhuǎn)換器壓電轉(zhuǎn)換器將機械作用和電信號相互轉(zhuǎn)換的物理器件將機械作用和電信號相互轉(zhuǎn)換的物理器件13力檢測部分力檢測部分 檢測的力是原子與原子之間的范德華力檢測的力是原子與原子之間的范德華力 該部分是該部分是由懸臂和懸臂末端的針尖組成由懸臂和懸臂末端的針尖組成微懸臂是探測樣品的直接工具，它的屬性直接關系到儀器的微懸臂是探測樣品的直接工具，它的屬性直接關系到儀器的精密度和使用范圍。精密度和使用范圍。14 (1)極低的z向彈性系數(shù)，其值為10-2102n/m

7、。這樣的微懸臂將極其靈敏，能夠檢測出小于1nn 的微小力。(2)足夠高的固有頻率（10khz），使afm掃描時可以跟隨表面輪廓的起伏。 (3)足夠小的微懸臂：其長度必須在微米尺度才能符合要求。用光束偏轉(zhuǎn)來測量懸臂的偏轉(zhuǎn)時，其靈敏度反比于懸臂的長度。 (4)足夠高的側(cè)向剛性、以便盡可能地克服由于水平方向摩擦力造成的信號干擾。 力檢測部分力檢測部分 對微懸臂性能的要求對微懸臂性能的要求15 (1)理想針尖的頂端應該是單個原子，這樣的針尖能夠靈敏地感應出它與樣品表面之間的相互作用力。 (2)較高的縱橫比，盡可能小的曲率半徑。 (3)高的機械柔軟性，針尖掃描時，即使撞擊到樣品的表面也不會使針尖損壞。

8、(4)高的彈性形變，可有效地限制針尖在樣品表面上的作用力，從而減小對樣品的損害，對柔軟的生物樣品特別有利。 (5)穩(wěn)定的結(jié)構。力檢測部分力檢測部分 對針尖性能的要求對針尖性能的要求16位置檢測部分位置檢測部分 當針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得當針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得微懸臂微懸臂擺動，擺動，產(chǎn)產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)，位置檢測系統(tǒng)就是檢測該偏轉(zhuǎn)量的大小。生微小的偏轉(zhuǎn)，位置檢測系統(tǒng)就是檢測該偏轉(zhuǎn)量的大小。懸臂偏轉(zhuǎn)的檢測有四種懸臂偏轉(zhuǎn)的檢測有四種方法方法：(1)電容測量法；(2)隧道電流檢測法；(3)光學干涉測量法；(4)光束偏轉(zhuǎn)測量法光束偏轉(zhuǎn)測量法； 為了得到高分辨的為了得到高分辨的

9、afmafm，對檢測方式一方面要求具有納，對檢測方式一方面要求具有納米級的靈敏度，另一方面還要求檢測時不應該對微懸臂產(chǎn)生米級的靈敏度，另一方面還要求檢測時不應該對微懸臂產(chǎn)生任何附加的作用力，避免造成信號誤差任何附加的作用力，避免造成信號誤差。17 電容測量電容測量法法 微懸臂作為構成平行平板電容器的一塊平板之一，而另一塊微懸臂作為構成平行平板電容器的一塊平板之一，而另一塊平板則平行地位于微懸臂平板則平行地位于微懸臂上方上方。微懸臂的偏轉(zhuǎn)值將通過測量該。微懸臂的偏轉(zhuǎn)值將通過測量該電容器的電容器的電容值的變化電容值的變化得到。它的垂直位移檢測精度達到得到。它的垂直位移檢測精度達到0.03nm。位置

10、檢測部分位置檢測部分 18 隧道電流檢測法隧道電流檢測法 這種檢測法在微懸臂的上方設有一個隧道電極這種檢測法在微懸臂的上方設有一個隧道電極，通過通過測量微懸臂與測量微懸臂與隧道電極隧道電極之間之間隧道電流的變化隧道電流的變化就可以檢就可以檢測微懸測微懸臂臂的偏轉(zhuǎn)。的偏轉(zhuǎn)。位置檢測部分位置檢測部分 19 光學干涉測量法光學干涉測量法 利用光學干涉的方法來探測微懸臂共振頻率的位移利用光學干涉的方法來探測微懸臂共振頻率的位移( (或或偏振光的相移偏振光的相移) )及微懸臂偏轉(zhuǎn)的幅度。及微懸臂偏轉(zhuǎn)的幅度。位置檢測部分位置檢測部分 20 光學光學偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)測量法測量法它在微懸臂上的頂部設置了一它在微懸臂上

11、的頂部設置了一面面微小的鏡子，通過檢測小鏡微小的鏡子，通過檢測小鏡子上子上反射光束的偏轉(zhuǎn)反射光束的偏轉(zhuǎn)就可以得到微懸臂偏轉(zhuǎn)的信息。就可以得到微懸臂偏轉(zhuǎn)的信息。位置檢測部分位置檢測部分 21 光學光學偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)測量法測量法二極管激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦在微懸臂背面，二極管激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦在微懸臂背面，并從微懸臂背面反射到由光電二極管構成的光斑位置檢測器。并從微懸臂背面反射到由光電二極管構成的光斑位置檢測器。通過光電二極管檢測通過光電二極管檢測光斑位置的變化光斑位置的變化，就能獲得被測樣品表，就能獲得被測樣品表面形貌的信息。目前的面形貌的信息。目前的afmafm都是采用這

12、種檢測模式。都是采用這種檢測模式。位置檢測部分位置檢測部分 22反饋電子系統(tǒng)反饋電子系統(tǒng) 控制系統(tǒng)主要有兩個功能：控制系統(tǒng)主要有兩個功能：(1)提供控制壓電轉(zhuǎn)換器提供控制壓電轉(zhuǎn)換器x-y方向掃描的驅(qū)動電壓；方向掃描的驅(qū)動電壓；(2)在恒力模式下維持來自顯微鏡檢測環(huán)路輸入模擬信號在一恒定在恒力模式下維持來自顯微鏡檢測環(huán)路輸入模擬信號在一恒定數(shù)值計算機通過數(shù)值計算機通過a/d轉(zhuǎn)換讀取比較環(huán)路電壓轉(zhuǎn)換讀取比較環(huán)路電壓(即設定值與實際測即設定值與實際測量值之差量值之差)根據(jù)電壓值不同，控制系統(tǒng)不斷地輸出相應電壓來調(diào)根據(jù)電壓值不同，控制系統(tǒng)不斷地輸出相應電壓來調(diào)節(jié)節(jié)z方向壓電傳感器的伸縮，以糾正讀入方向

13、壓電傳感器的伸縮，以糾正讀入a/d轉(zhuǎn)換器的偏差，從轉(zhuǎn)換器的偏差，從而維持比較環(huán)路的輸出電壓恒定。而維持比較環(huán)路的輸出電壓恒定。 電子線路電子線路 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 為壓電陶瓷管提供電壓、接收位置敏感器件傳來的信號，并構為壓電陶瓷管提供電壓、接收位置敏感器件傳來的信號，并構成控制針尖和樣品之間距離的反饋系統(tǒng)。成控制針尖和樣品之間距離的反饋系統(tǒng)。連接連接計算機與掃描系統(tǒng)計算機與掃描系統(tǒng)23afmafm的的三種三種工作模式工作模式 1. 接觸模式（接觸模式（contact mode） 2. 非接觸模式（非接觸模式（non-contact mode） 3. 輕敲模式（輕敲模式（tapping mo

14、de）24接觸式工作模式接觸式工作模式 在接觸模式中，探針的針尖部分保持與樣品表面接觸在接觸模式中，探針的針尖部分保持與樣品表面接觸，其，其主要作用力是主要作用力是庫侖排斥力庫侖排斥力。 微懸臂探針緊壓樣品表面，探針尖端和樣品做柔軟性的微懸臂探針緊壓樣品表面，探針尖端和樣品做柔軟性的“實際接觸實際接觸”，當針尖輕輕掃過樣品表面時，接觸的力量引，當針尖輕輕掃過樣品表面時，接觸的力量引起懸臂彎曲，進而得到樣品的表面圖形。起懸臂彎曲，進而得到樣品的表面圖形。 van der waals force curve25接觸式工作模式的特點接觸式工作模式的特點（1）該方式可以穩(wěn)定地獲得高分辨率試該方式可以穩(wěn)

15、定地獲得高分辨率試樣樣表面微觀形貌圖表面微觀形貌圖像，有可能達到原子級的測量分辨率。像，有可能達到原子級的測量分辨率。（2）檢測彈性模量低的軟質(zhì)試檢測彈性模量低的軟質(zhì)試樣樣時，試時，試樣樣表層在針尖力的表層在針尖力的作用下會產(chǎn)生變形，甚至劃傷，這將使測出的表面形貌圖作用下會產(chǎn)生變形，甚至劃傷，這將使測出的表面形貌圖像出現(xiàn)假象。像出現(xiàn)假象。（3）針尖和試針尖和試樣樣接觸并滑行，容易使探針尖磨損甚至損壞。接觸并滑行，容易使探針尖磨損甚至損壞。26非接觸式工作模式非接觸式工作模式 針尖在樣品表面的上方振動，始終不與樣品接觸，測量的針尖在樣品表面的上方振動，始終不與樣品接觸，測量的作用力是以作用力是以

16、范德華力為主的吸引力范德華力為主的吸引力。 探針回到當前行掃描的開始點，增加探針與樣品之間的距探針回到當前行掃描的開始點，增加探針與樣品之間的距離，根據(jù)第一次掃描得到的樣品形貌，始終保持探針與樣離，根據(jù)第一次掃描得到的樣品形貌，始終保持探針與樣品之間的距離，進行第二次掃描。在這個階段，可以通過品之間的距離，進行第二次掃描。在這個階段，可以通過探針懸臂振動的振幅和相位的變化，得到相應的長程力的探針懸臂振動的振幅和相位的變化，得到相應的長程力的圖像圖像。van der waals force curve范德華吸引力27非接觸式工作模式的特點非接觸式工作模式的特點（1）探針和試探針和試樣樣不接觸，針

17、尖測量時不會使試不接觸，針尖測量時不會使試樣樣表面變形，表面變形，適用于彈性模量低的試適用于彈性模量低的試樣樣。（2）因針尖和試因針尖和試樣樣不接觸，測量不受毛細力的影響，同時不接觸，測量不受毛細力的影響，同時針尖也不易磨損。針尖也不易磨損。（3）非接觸掃描測量模式測量靈敏度要低些。非接觸掃描測量模式測量靈敏度要低些。 28輕敲工作模式輕敲工作模式 一個外加的振蕩信號驅(qū)動微懸臂在其共振頻率附近做受迫一個外加的振蕩信號驅(qū)動微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動，振蕩的針尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。振動，振蕩的針尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。 用處于共振狀態(tài)、上下振蕩的微懸臂探針對樣品表面

18、進行用處于共振狀態(tài)、上下振蕩的微懸臂探針對樣品表面進行掃描，樣品表面起伏使微懸臂探針的振幅產(chǎn)生相應變化，掃描，樣品表面起伏使微懸臂探針的振幅產(chǎn)生相應變化，從而得到樣品的表面形貌。從而得到樣品的表面形貌。 van der waals force curve29輕敲工作模式的特點輕敲工作模式的特點（1）輕敲模式的分辨率和接觸模式一樣好輕敲模式的分辨率和接觸模式一樣好。（2）對于一些與基底結(jié)合不牢固的樣品，輕敲模式與接觸對于一些與基底結(jié)合不牢固的樣品，輕敲模式與接觸模式相比，很大程度地降低了針尖對表面結(jié)構的模式相比，很大程度地降低了針尖對表面結(jié)構的“搬運效搬運效應應”。（3）樣品表面起伏較大的大型掃

19、描比非接觸式的更有效。樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式的更有效。（4）較軟及粘性較大的樣品，應盡量選擇輕敲模式）較軟及粘性較大的樣品，應盡量選擇輕敲模式。30afmafm假象假象 在所有顯微學技術中，在所有顯微學技術中，afmafm圖像的解釋相對來說是容易的。圖像的解釋相對來說是容易的。光學顯微鏡和電子顯微鏡成像都受電磁衍射的影響，這給它們光學顯微鏡和電子顯微鏡成像都受電磁衍射的影響，這給它們辨別三維結(jié)構帶來困難辨別三維結(jié)構帶來困難afmafm可以彌補這些不足，在可以彌補這些不足，在afmafm圖像中圖像中峰和谷明晰可見峰和谷明晰可見afmafm的另一優(yōu)點是光或電對它成像基本沒有影的另一優(yōu)

20、點是光或電對它成像基本沒有影響，響，afmafm能測得表面的真實形貌能測得表面的真實形貌盡管盡管afmafm成像簡單，成像簡單，afmafm本身也本身也有假象存在相對來說，有假象存在相對來說，afmafm的假象比較容易驗證下面介紹一的假象比較容易驗證下面介紹一些假象情況：些假象情況：31 1.針尖成像針尖成像：afm中大多數(shù)假象源于針尖成像針尖比樣品中大多數(shù)假象源于針尖成像針尖比樣品尖銳時，樣品特征就能很好地顯現(xiàn)出來。相反，尖銳時，樣品特征就能很好地顯現(xiàn)出來。相反，當樣品比針當樣品比針尖更尖時，假象就會出現(xiàn)尖更尖時，假象就會出現(xiàn)，這時成像主要為針尖特征高表，這時成像主要為針尖特征高表面率的針尖

21、可以減少這種假象發(fā)生面率的針尖可以減少這種假象發(fā)生afmafm假象假象32 2.鈍的或污染的針尖產(chǎn)生假象鈍的或污染的針尖產(chǎn)生假象：當針尖污染或有磨損時，所獲：當針尖污染或有磨損時，所獲圖像有時是針尖的磨損形狀或污染物的形狀這種假象的特征圖像有時是針尖的磨損形狀或污染物的形狀這種假象的特征是整幅圖像都有同樣的特征是整幅圖像都有同樣的特征。afmafm假象假象33 3.雙針尖或多針尖假象雙針尖或多針尖假象：這種假象是由于一個探針末端帶有：這種假象是由于一個探針末端帶有兩個或多個尖點所致當掃描樣品時，多個針尖依次掃描樣兩個或多個尖點所致當掃描樣品時，多個針尖依次掃描樣品而得到重復圖像品而得到重復圖像

22、。afmafm假象假象34 4.樣品上污物引起的假象樣品上污物引起的假象：當樣品上的污物與基底吸附不牢：當樣品上的污物與基底吸附不牢時，污物可能時，污物可能被被正在掃描的針尖帶走并隨針尖運動，致使正在掃描的針尖帶走并隨針尖運動，致使大面積圖像模糊不清。大面積圖像模糊不清。afmafm假象假象35 5.樣品樣品-針尖間的作用力太小針尖間的作用力太?。禾结槻荒茼樌貟呙铇悠范觯禾结槻荒茼樌貟呙铇悠范霈F(xiàn)橫向拉伸現(xiàn)象。此時可以通過調(diào)節(jié)振幅衰減量來調(diào)節(jié)作用現(xiàn)橫向拉伸現(xiàn)象。此時可以通過調(diào)節(jié)振幅衰減量來調(diào)節(jié)作用力。力。afmafm假象假象36在核酸研究中的應用在核酸研究中的應用 （1 1）對對dnad

23、na分子的成像及其自組裝研究分子的成像及其自組裝研究 1992年，年，bustamante等利用等利用afm得到分得到分辨率達分子級水平的可重復質(zhì)粒辨率達分子級水平的可重復質(zhì)粒dna圖像，圖像，并可估算分子寬度和高度，這是原子力顯并可估算分子寬度和高度，這是原子力顯微鏡微鏡研究生物大分子研究生物大分子的一項重大突破。的一項重大突破。37 （2） afm不僅可以研究整個復合物分子不僅可以研究整個復合物分子立體結(jié)構立體結(jié)構和和空間構空間構象象，同時還可以利用某些特殊抗體蛋白或，同時還可以利用某些特殊抗體蛋白或rna分子在緩沖分子在緩沖體系中與體系中與dna 相互作用過程中重要結(jié)構參數(shù)變化來探究相互

24、作用過程中重要結(jié)構參數(shù)變化來探究dna區(qū)域區(qū)域分子構型分子構型，這是，這是dna研究的一個熱點。研究的一個熱點。 （3） 利用利用afm可以可以控制控制生物大分子，生物大分子，調(diào)整生命的遺傳與死調(diào)整生命的遺傳與死亡規(guī)律亡規(guī)律，也可以在納米尺度內(nèi)將染色體的單拷貝基因復制，也可以在納米尺度內(nèi)將染色體的單拷貝基因復制擴增，切割剔除異常的堿基對，引起病理變化的逆轉(zhuǎn)。擴增，切割剔除異常的堿基對，引起病理變化的逆轉(zhuǎn)。在核酸研究中的應用在核酸研究中的應用 38在蛋白質(zhì)研究中的應用在蛋白質(zhì)研究中的應用 在蛋白質(zhì)單分子在蛋白質(zhì)單分子外形外形上的應用上的應用 如在質(zhì)子泵和離子泵研究上的應用；在與光合作用相關蛋白質(zhì)

25、研究方面的應用等。 在蛋白質(zhì)在蛋白質(zhì)表面物理特性表面物理特性研究上研究上的應用的應用 如對蛋白質(zhì)表面的粘彈性的研究；蛋白質(zhì)靜電特性的測量。 對蛋白質(zhì)結(jié)構的研究對蛋白質(zhì)結(jié)構的研究 如對蛋白質(zhì)的抗體標記或酶消化的鑒定；多肽末端移除的鑒定和多肽環(huán)置換或移出的鑒定等。39 在蛋白質(zhì)的在蛋白質(zhì)的功能功能特性方面特性方面的應用的應用 例如，daniel等應用afm在納米分辨率上顯示了膜蛋白的時間依賴性構象變化及聚集運動，成為經(jīng)典的研究方法。 對蛋白質(zhì)對蛋白質(zhì)單分子單分子操縱操縱 人們通過afm操縱可以直接檢測到該結(jié)構域的力學穩(wěn)定性。afm 成像與操縱的聯(lián)合使其能夠宏觀地從單分子尺度上對生物系統(tǒng)進行精確和可

26、控的修飾和研究。在蛋白質(zhì)研究中的應用在蛋白質(zhì)研究中的應用40活細胞與微生物結(jié)構動態(tài)研究中應用活細胞與微生物結(jié)構動態(tài)研究中應用(1) (1) 細胞或各種微生物細胞或各種微生物表面結(jié)構表面結(jié)構成像成像 afm 現(xiàn)已廣泛用于觀察各種細胞的表面結(jié)構，如血紅細胞、神經(jīng)細胞、上皮細胞等。(2) (2) 對對細胞間細胞間的相互作用進行觀察的相互作用進行觀察 例如可研究動物胚胎移植中細胞的免疫排斥反應，病變細胞與健康細胞間的相互作用等。(3) 識別正常細胞和癌細胞識別正常細胞和癌細胞 afm會賦予一個表明細胞柔軟度的數(shù)值。研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管正常細胞的硬度各有不同，但癌細胞比正常細胞要柔軟得多。41afmafm與其他技術聯(lián)用與其他技術聯(lián)用（1）afm與其他顯微鏡技術的聯(lián)用與其他顯微鏡技術的聯(lián)用 afm與熒光共聚焦