原子力显微镜的核心技术与应用

叮叮小文库原子力显微镜的核心技术与应用 摘 要：原子力显微镜是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。原子力显微镜的成像原理是根据检测样品和针尖之间的相互作用，从而实现高分辨成像。要达到这一点，首先要保证悬臂顶端的针尖和样品表面有一定的力的接触，然后再对样品进行相对扫描，使得微悬臂因为针尖和样品之间的作用力发生改变而发生形变，再通过电学或光学的方法来检测形变并在电脑上形成图像。该文主要对原子力显微镜的核心技术与应用进行分析。 关键词：原子力显微镜 核心技术 应用 中图分类号：TH742 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（b）-0240-02 原子力显微镜的成像原理是根据检测样品和针尖之间的相互作用，从而实现高分辨成像。要达到这一点，首先要保证悬臂顶端的针尖和样品表面有一定的力的接触，然后再对样品进行相对扫描，使得微悬臂因为针尖和样品之间的作用力发生改变而?l生形变，再通过电学或光学的方法来检测形变并在电脑上形成图像。AFM有独特的特点，如能够在低温、真空等多种环境下工作， 尤其在溶液状态下生物样品保持自然状态，避免样品的变形；能够形成高分辨物体表面的三维形貌；样品不需要导电；可以对动态进行连续分析。所以研究者通过观察样品的连续成像，来了解某些生物的动态过程。 1 原子力显微镜的核心技术 虽然原子力显微镜发展仅仅只有十几年，但是发展却是十分迅速，为了使其使用范围更加广泛，让其分辨率高的优点发挥到极点，同时还要弥补存在的一些问题，如寻找待检样品较困难，将原子力显微术和其他技术相结合，可以更好的促进这一技术的发展。有关科研人员将针尖改造之后与其他技术相结合，来适应一些特殊研究的需要。Manalis小组把微小的寻址电位传感器放在针尖上，形成可以扫描的探针电位仪，这样的结合可以使原子力显微镜的定位更加准确。还有一种联用技术，就是一些其他的显微镜与原子力显微镜相结合一起发展。如Vesenka等把原子力显微镜与光学显微镜相结合，先用光学显微镜对待测样品简单的定位，再用原子力显微镜对待测样品的内部结构进行仔细的观察。一些科研人员还把原子力显微镜与电化学技术相结合，用原子力显微镜可以观察到电化学技术中肉眼看不到的东西，如测得的静电力、吸附在电极表面的小分子物质等。Kelley等还对生物电化学技术进行了结合研究，利用电极来控制DNA单层膜取向，这种技术可以研发生产成电化学纳米开关，也可以在纳米电子器件与DNA传感器中应用。这样可以很好的解决原子力显微镜寻找样品的困难，这也是原子力显微镜的一个很好的发展方向。Ikai小组把荧光显微镜和原子力显微镜结合在一起，其主要是用于研究单细胞工程，如果这两种技术结合之后，发展较好，可以解决很多问题，如高灵敏的单分子定位与纳米水平的操纵，这也会使得单细胞工程有较大的发展空间。但是Joachimsthaler等更加走在科技的前言，研发出可以将原子力显微镜安装在扫描电子显微镜上，可以更好的研究微观世界。首先是先在扫描电子显微镜中看到一个特定的区域，对此区域锁定特殊的目标，然后再用原子力显微镜对原子等较小分子进行观察、精准测量。 2 原子力显微镜的应用 由于扫描过程是逐行扫描的，每行的扫描时间非常短。如果样品的高低起伏比较大，致使有部分样品表面探测不到而不能真实反应形貌。所以通常要求样品表面平整度较好，又由于所测的是微观区域，至少要求局部较为平整。例如，一般来说样品脆断面起伏都较大，不太容易得到较好的图像，有时甚至会损坏探针。原子力显微镜的应用范围十分广泛，其适用于生物、高分子、陶瓷、金属材料、矿物、皮革等固体材料等的显微结构和纳米结构的观测，以及粉末、微球颗粒形状、尺寸及粒径分布的观测等。 2.1 原子力显微镜在细胞生物学中的应用 原子力显微镜在多个领域都有广泛的应用，在这里介绍其在细胞生物学中的应用。细胞是生命活动和生命体结构的基本单位， 关于生命的奥秘都要从细胞中去发现、探讨。随着科技的不断发展，人们研究的方向越来越广，研究的内容越来越深，如现在的生物学研究已经从细胞的群体逐渐向单细胞方向研究，更加的细致。研究的内容观察时是需要连续动态分析的与更高分辨能力的仪器，而原子力显微镜刚好满足这样的要求，它可以观察细胞的纳米结构和细胞的一些连续动态过程。原子力显微镜从研发到应用只有十几年，但是却广泛的应用在各个研究领域，借助此仪器可以更好地了解细胞功能和结构之间存在的关系，还可以用于针尖和样品之间的相互作用来识别成像。 2.2 原子力显微镜在电化学和物理学领域中的应用 原子力显微镜在电化学领域中也有广泛的应用，但是应用的稳定性会受到法拉第电流等因素的影响。因此，必须要重点解决这一问题。目前，研究人员已经针对界面结构表征、界面动态学、化学材料、化学结构、多晶表面重构、表面结构、表面吸附物种等进行了研究，并取得了突出的成果。原子力显微镜在物理学中的应用主要集中于金属、半导体表面形貌、表面重构的研究，多数情况下，利用原子力显微镜都可以得到半导体与金属重构图像。 2.3 原子力显微镜在生命科学领域中的应用 原子力显微镜也是解决生命科学问题的重要工具，大量的研究人员利用这一技术获取了DNA图像，自此之后，原子力显微镜成为解决DNA分子的有效工具。 halobacterium halobim首先用原子力显微镜研究紫膜上的视紫红蛋白，之后科学家们又对游离蛋白质进行研究并取得了很大成功，如免疫蛋白、胶原蛋白、肌动蛋白、巨球蛋白等；原子力显微镜在多糖方面的研究比较晚，但是也取得了突出的成效。 3 结语 虽然原子力显微镜被广泛的应用在不同的领域，但是也有缺点，如样品和针尖接触时，环境不好会污染样品或针尖，这样进行连续动态分析就较为困难。针尖的曲率半径会影响原子力显微镜的分辨率。 为了在更多领域进行良好的应用，对原子力显微镜有以下展望：第一要研发出的原子力显微镜带有分子识别能力，目的是为了将复杂体系中形貌差不多的生物分子区分开来；第二要研发出扫描快速的原子力显微镜，目的是为了更好地观察一些生物学领域的快速动态过程；第三要开发出新的样品制作技术，目的是为了将显微镜对细胞的损伤降到最低；最后就是要通过应用联用技术来扩大原子力显微镜应用范围。相信在未来原子力显微镜会在更多的领域发挥更加重要的作用。 参考文献 1 彭光含，杨学恒，辛洪政，等.高精度STM.IPC-205BJ型原子力显微镜的设计J.机械工程学报，2007（2）：114. 2 彭光含，杨学恒，刘济春，等.纳米金刚石的STM观测及其导电机理J.重庆大学学报：自然科学版，2006（6）：59. 3 何光宏，张志津，彭光含，等.基于STM的原子力显微镜的设计及应用J.电子显微学报，2006（1）：16. 4 M.D. Rodriguez，W.X. Li，F. Chen，C. Trautmann，T. Bierschenk，B. Afra，D. Schauries，R.C. Ewing，S.T. Mudi