关于原子力显微镜的一些研究1

1、关于原子力显微镜的一些研究电气学院电气工程1110610730曹士刚所谓的原子力显微镜(AtomicForceMicroscope，AFM),是指一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。我们知道，原子力显微镜是有一下几部分构成的，带针尖的微悬臂、微悬臂运

2、动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统。原子力显微镜的针尖是一根纳米级的探针，被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上当探针很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置.根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像就能间接获得样品表面的形貌或原子成分这就是原子力显微镜的工作原理。而探针的半径一般为10100nm之间，主要种类以及它们各自的优缺点为以下几种：、非接触/轻敲模式针尖以及接触模式探针：最常用的产品，分辨率高，使用寿命一般。使用过程中探针不断磨损，分辨率很容易下降。主要应用与表面形貌观察

3、。、导电探针：通过对普通探针镀10-50纳米厚的Pt(以及别的提高镀层结合力的金属，如Cr，Ti,Pt和Ir等)得到。导电探针应用于EFM,KFM，SCM等。导电探针分辨率比tapping和contact模式的探针差，使用时导电镀层容易脱落，导电性难以长期保持。导电针尖的新产品有碳纳米管针尖，金刚石镀层针尖，全金刚石针尖，全金属丝针尖，这些新技术克服了普通导电针尖的短寿命和分辨率不高的缺点。、磁性探针：应用于MFM，通过在普通tapping和contact模式的探针上镀Co、Fe等铁磁性层制备，分辨率比普通探针差，使用时导电镀层容易脱落。、大长径比探针：大长径比针尖是专为测量深的沟槽以及近似铅

4、垂的侧面而设计生产的。特点：不太常用的产品，分辨率很高，使用寿命一般。技术参数：针尖高度9卩m；长径比5:1；针尖半径10nm。、类金刚石碳AFM探针/全金刚石探针：一种是在硅探针的针尖部分上加一层类碳膜，另外一种是全金刚石材料制备(价格很高)。这两种金刚石碳探针具有很大的耐久性，减少了针尖的磨损从而增加了使用寿命。而原子力显微镜主要部分有三部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。力检测部分在原子力显微镜(AFM)的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂(cantilever)来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100500ym长和大约500n

5、m5gm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品一针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。压电陶瓷管SPM控制器位置检测部分在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。反馈系统在原子力显微镜（AFM）的系

6、统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。这就是三部分各自的工作情况。接下来我们将看一下原子力显微镜的工作模式，主要有三种：接触模式从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那样，AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10-1010-6N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。非接触模

7、式非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方510nm的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10-12N，样品不会被破坏,而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。敲击模式敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。

8、因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时，AFM还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。以上是原子力显微镜的具体工作情况，那么原子力显微镜相比普通的显微镜有哪些特点呢？主要是以下几个方面。高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM）,以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10-8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样

9、品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析等多种功能。以上是原子力显微镜的特点，而原子力显微镜的应用主要是在生物工程方面，而在生物学研究中的应用主要是以下几个部分1原子

10、力显微镜对生物细胞表面形态观测：AFM对生物细胞的表面形态观察AFM可以用来对细胞进行形态学观察，并进行图像的分析。通过观察细胞表面形态和三维结构，可以获得细胞的表面积、厚度、宽度和体积等的量化参数等。例如，利用AFM可以对感染病毒后的细胞表面形态的改变、造骨细胞在加入底物（钻铬、钛、钛钒等）后细胞形态和细胞弹性的变化、GTP对胰腺外分泌细胞囊泡高度的影响进行研究。利用AFM还可以对自由基损伤的红细胞膜表面精细结构的研究，直接观察到自由基损伤，以及加女贞子保护作用后，对红细胞膜分子形态学的影响。2生物大分子的结构及其他性质的观测研究：蛋白质对于蛋白质，AFM的出现极大的推动了其研究进展。AFM

11、可以观察一些常见的蛋白质，诸如白蛋白，血红蛋白，胰岛素及分子马达和噬菌调理素吸附在图同固体界面上的行为，对于了解生物相溶性，体外细胞的生长，蛋白质的纯化，膜中毒有很大帮助。脱氧核糖核酸（DNA）AFM液相成像技术的优点在于消除了毛细作用力，针尖粘滞力，更重要的是可以在接近生理条件下考察DNA的单分子行为。DNA分子在缓冲溶液或水溶液中与基底结合不紧密，是液相AFM面临的主要困难之一。硅烷化试剂，如3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和阳离子磷脂双层修饰的云母基底固定DNA分子，再在缓冲液中利用AFM成像，可以解决这一难题。在气相条件下阳离子参与DNA的沉积已经发展十分成熟，适于AFM观察。在液

12、相条件下，APTES修饰的云母基底较常用。目前DNA的许多构象诸如弯曲，超螺旋，小环结构，三链螺旋结构，DNA三通接点构象，DNA复制和重组的中间体构象，分子开关结构和药物分子插入到DNA链中的相互作用都广泛地被AFM考察，获得了许多新的理解。核糖核酸(RNA)AFM对RNA的研究还不是很多。结晶的转运RNA和单链病毒RNA以及寡聚Poly(A)的单链RNA分子的AFM图像已经被获得。因为在于不同的缓冲条件下，单链RNA的结构变化十分复杂，所以单链RNA分子的图像不容易采集。(利用AFM成像RNA分子需要对样品进行特殊和复杂的处理。核酸与蛋白质复合物(Nuclearacids-ProteinComplex)DNA和蛋白质分子的特定相互作用在分子生物学中起着关键作用。蛋白质与DNA结合的精确位点图谱和不同细胞状态下结合位点的测定对于了解复杂细胞体系的功能与机理，特别是基因表达的控制都十分关键。AFM作为一种高度分辨达001nm,宽度分辨率为2nm左右的表面分析技术，已广泛地用于表征各类DNA-蛋白质的复合物。细胞(Cell)AFM不仅能够提供超光学极限的细胞结构图像，还能够探测细胞的微机械特性，利用AFM力-曲线技术甚至能够实时地检测细胞动力学和细胞运动过程。利用AFM研究细胞很少用样品预处理，尤其是能够在近生理条件下对它们进行