原子力顯微鏡的應用和進展

　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，這項技術被廣泛的應用于科研的各個領域，極大的促進了各學科的發展。由于這項技術的重要性，在其誕生之后就一直被改進以滿足不同學科不同場合的需求。本文從具體原子力實驗出發概述原子力顯微鏡的應用以及改進方案。

　 關鍵詞 ：

　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上發明了 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驗技術。在這項表面觀測技術發明以來已經被各學科所采納、改進，以適應不同學科不同工作環境的需求。比如在生物及醫學研究中要求不能對活體細胞產生太大影響，要求力更小以免對膜有破壞作用，同時也要求原子力顯微鏡的掃描更快，更方便以適應更多學科對它的需求，最好能實現更好的自動化，同時最好能應用于不同的環境。但現在而言原子力顯微鏡對環境的要求還是很高的，所以對原子力顯微鏡的改進也是件十分有意義的工作。現在有的一個想法是對原子力顯微鏡的微懸臂進行改造，用壓電微懸臂[4]替代，這樣直接利用壓電微懸臂收集數據以替代激光放大。另外，將原子力顯微鏡應用于生物和醫學的研究，也提出了對探針進行功能化[5]的要求。

　2 原子力實驗簡介 2.1 實驗原理 AFM 探針和測試樣品表面原子相互靠近時會產生原子間相互作用力，這種力使連接探針的微懸臂發生形變，而通過激光檢測器和反饋系統調整樣品在 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，一種恒定的驅使力使探針懸臂以一定的頻率振動。當針尖剛接觸樣品時，懸臂振幅會減少到某一數值。在掃描過程中，反饋回路維持懸臂振幅在這一數值恒定，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引起微懸臂發生形變，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，探針在選定區域沿著樣品表面逐行掃描[2] 2.2 AFM 的結構 [1][3]

　AFM 的結構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介于 0.1-lOON／m，即使探針與樣品間零點幾個納牛頓(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，目的是減小振動和聲波的干擾。由于力彈性常數降低會使共振頻率下降，如保持共振頻率恒定的同時降低力彈性常數，就應減小微懸臂的質量，所以微懸臂的質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。當樣品尺寸與針尖曲率半徑相當或更小時，會出現“加寬效應”，影響圖像的準確度?。針尖越細長，掃描圖像的質量越高，愈接近樣品表面的真空形貌。

　圖二

　AFM 控制機箱及面板示意圖

　2.3 實驗操作步驟 [3]

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

　(2)樣品——探針進給

　樣品進給提供粗調和細調兩種進給機構。先用粗調進給樣品至約離探針１mm左右，再用細調機構，一邊緩慢進給樣品，一邊觀察 PSD 位置的光斑有變化，這時說明已接近進入反饋狀態，接著觀察反饋信號，更緩慢地進給樣品，直至 PSD信號顯示為 1.600 左右，Ｚ反饋信號在-200～-300 左右。注意這時不能再移動粗調和細調進給機構。接下來下面的操作讓計算機控制系統自動調整和保持樣品與探針之間的間距。

　(3) 樣品掃描 運行計算計掃描程序，根據需要設置掃描參數。單次掃描時間設定約 15s左右，進入掃描工作狀態。

　(4) 圖象顯示與存儲 掃描過程自動進行，圖像以逐行顯示的方式顯示。在不改變掃描參數的情況下，掃描在同一區域循環重復進行。也可根據需要改變掃描區域和掃描范圍。對于滿意的圖象，可隨時將圖像捕獲存儲。存儲時，計算機自動保存圖像信息和掃描參數信息。

　(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，用細調緩慢退移樣品，直到Ｚ反饋信號在 500 以上，并將細調進給機構退移到底，退移粗調。

　(6) AFM 儀器關機 當不再進行樣品掃描實驗時，依次關閉激光器電源、高壓電源、機箱低壓電源等。

　(7) 用配套軟件對圖像進行平面顯示和立體顯示 可實現圖像的裁剪、平滑、旋轉、添加色彩、加注標尺等，并可調整圖像的色調、對比度和亮度等。如圖（3—5）為多孔氧化鋁正面結構材料的 AFM 圖像， 圖 3—6 為 多孔氧化鋁背面結構材料的 AFM 圖像。

　3

　實驗結果 實驗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 結果分析 本實驗是個操作要求較高的實驗，要花時間才能做得好，由于時間也很有限，所以本次試驗的目的也不是一定也做出多好的成績，關鍵在于鍛煉一下基本操作，同時通過查找資料更廣泛的了解 AFM 的構造以及制造、在不同學科上的應用這些方面來擴充視野倒是不無裨益的。

　5

　實驗改進 5.1 微懸臂的改進 可以考慮采用壓電微懸臂，用壓電微懸臂采集信號，這樣就可免去調節激光的麻煩，而且可以使得實驗更加簡便，實驗裝置更為簡單。[4]另外對于微懸臂的材料也可以加以改進，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(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腐蝕法，使鎢絲尖部達到接近只有一個原子，即使碰撞后也只需腐蝕一下又可以繼續使用。

　[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，一種恒定的驅使力使探針懸臂以一定的頻率振動。當針尖剛接觸樣品時，懸臂振幅會減少到某一數值。在掃描過程中，反饋回路維持懸臂振幅在這一數值恒定，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引起微懸臂發生形變，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、醫學上的應用——探針功能化

　 作為最基礎的學科，物理的發展往往能極大的推動其他學科的發展，很多的工程、生物、醫學、化學的發展都得益于物理學探測技術的發展。事實已經證明，AFM 技術是物理學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 上發明了 AFM，其卓越的高分辨率(0．5～1 nm)和能保持樣品生理狀態的制樣方法，使研究人員能在生理條件下直接觀察到高分辨率的生物樣品表面結構。

　[6]

　探針功能化是指通過化學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、樣品制備和圖像數據分析等方面取得了突飛猛進的發展。這些技術進步實現了在生理條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的黏附力成像和動態識別成像將 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結合，實現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(force spectroscopy)可在生理條件下進行單分子水平的作用力譜分析，實現分子間作用力及其動態變化的實時測定。AFM 是目前惟一能在納米尺度上進行生物膜表面單分子作用力學測定的儀器 [5] . 在所有的這些進步中，最為重要且意味深遠的成果便是將探針功能化，通過

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

　參考文獻：

　[1] 王寶玉,何北海,李軍榮,孟云蘭.原子力顯微鏡在制漿造紙研究中的應用.Paper Science& Technology,2010 Vo1.29 No.4. [2] 劉歲林, 田云飛,陳紅,吉曉江.原子力顯微鏡原理與應用技術. 現代儀器, 2006 年第六期 [3]近代物理講義,浙江大學,ftp://10.71.23.250 [4]包定華，張良瑩，姚熹. 壓電微懸臂在原子力顯微鏡中的應用. 壓電與聲光,1 998 年 8月第 2D 卷第 4 期 [5]陳建敏,楊拯,何彥芳. 基于原子力顯微鏡的單分子探測技術及其在醫學研究中的應用. 重慶醫學 2010 年 7 月第 39 卷第 14 期 [6]Dufrene YF，Hinterdorfer P．Recent progress in AFM molecular recognition studies[J]．Pflugers Arch，2008，456(1) [7] 彭光含,楊學恒，劉濟春，李旭，辛洪政.一種高精度多功能雙用原子力顯微鏡技術及應用. 儀器儀表學報, 2008 年 1 月第 29 卷第 1 期.

推薦訪問： 顯微鏡 原子 實驗