原子力顯微鏡

原子力顯微鏡徐國正(哈爾濱工業(yè)大學材料與工程學院youwot1@163.com,哈爾濱150001)原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM),一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運動狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面結構信息。它主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運動檢測裝置、監(jiān)控其運動的反饋回路、使樣品進行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學方法或光束偏轉法、干涉法等光學方法檢測，當針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級水平。AFM測量對樣品無特殊要求，可測量固體表面、吸附體系等。一.原理原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，簡稱AFM)利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達到檢測的目的，具有原子級的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導體，也可以觀察非導體，從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。原子力顯微鏡(AFM)與掃描隧道顯微鏡(STM)最大的差別在于并非利用電子隧穿效應，而是檢測原子之間的接觸，原子鍵合，范德瓦斯爾力或卡西米爾效應等來呈現(xiàn)樣品的表面特性。檢颶激盛微懸臂顯微鏡探針工作示意圖圖1激光檢測原-個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微

檢颶激盛微懸臂顯微鏡探針工作示意圖圖1激光檢測原-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，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，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動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測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信息。下面，我們以激光檢測原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopeEmployingLaserBeamDeflectionforForceDetection,Laser-AFM)——掃描探針顯微鏡家族中最常用的一種為例，來詳細說明其工作原理。 如圖1所示，二極管激光器(LaserDiode)發(fā)出的激光束經過光學系統(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(10e-9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-樣品相互作用的強度，實現(xiàn)反饋控制。因此，反饋控制是本系統(tǒng)的核心工作機制。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)的設置來對該反饋回路的特性進行控制。隨著科學技術的發(fā)展，生命科學開始向定量科學方向發(fā)展。大部分實驗的研究重點已經變成生物大分子，特別是核酸和蛋白質的結構及其相關功能的關系。因為AFM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)學樣品直接進行成像，分辨率也很高。因此，AFM已成為研究生物醫(yī)學樣品和生物大分子的重要工具之一。AFM應用主要包括三個方面：生物細胞的表面形態(tài)觀測；生物大分子的結構及其他性質的觀測研究；生物分子之間力譜曲線的觀測。下面主要介紹AFM對生物細胞的表面形態(tài)觀察和生物分子之間力譜曲線的觀測。(1)AFM對生物細胞的表面形態(tài)觀察AFM可以用來對細胞進行形態(tài)學觀察，并進行圖像的分析。通過觀察細胞表面形態(tài)和三維結構，可以獲得細胞的表面積、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胞表面形態(tài)的改變、造骨細胞在加入底物(鉆鉻、鈦、鈦釩等)后細胞形態(tài)和細胞彈性的變化、GTP對胰腺外分泌細胞囊泡高度的影響進行研究。利用AFM還可以對自由基損傷的紅細胞膜表面精細結構的研究，直接觀察到自由基損傷，以及加女貞子保護作用后，對紅細胞膜分子形態(tài)學的影響。(2)生物分子間力譜曲線的觀測對生物分子表面的各種相互作用力進行測量，是AFM的一個十分重要的功能。這對于了解生物分子的結構和物理特性是非常有意義的。因為這種作用力決定兩種分子的相互吸引或者排斥，接近或者離開，化學鍵的形成或者斷裂，生物分子立體構像的維持或者改變等等。在分子間作用力的支配下，還同時支配著生物體內的各種生理現(xiàn)象、生化現(xiàn)象、藥物藥理現(xiàn)象，以及離子通道的開放或關閉，受體與配體的結合或去結合，酶功能的激活或抑制等等。因此，生物分子間作用力的研究，在某種意義上說，就是對生命體功能活動中最根本原理的研究。這也為人們理解生命原理，提供了一個新的研究手段和工具。 將兩種分子分別固定于AFM的基底和探針尖端上。然后使帶有一種分子的探針尖端在垂直方向上不斷地接近和離開基底上的另一種分子。這時，兩種分子間的相互作用力，就是二者間的相對距離的函數(shù)。這種力與距離間的函數(shù)關系曲線，稱之為力譜曲線。利用AFM獲得的力譜曲線在生物醫(yī)學中的應用：在探測一個細胞之后，根據(jù)所遇到的阻力，AFM就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，所研究的胰腺肺部和乳腺細胞均是如此。一些腫瘤的細胞可能比另外一些更為堅