原子力显微镜ppt课件

1、原子力显微镜原子力显微镜 生科院 Page 2Page 3显微镜的分类显微镜的分类 显微镜光学显微镜电子显微镜暗视野显微镜实体显微镜荧光显微镜偏光显微镜位相显微镜倒置式显微镜微分干涉显微镜摄影显微镜透射式电子显微镜扫描式电子显微镜扫描隧道显微镜、原子力显微镜Page 4原子力显微镜Page 5原子力显微镜 原子力显微镜（原子力显微镜（Atomic Force Microscope Atomic Force Microscope ）简称）简称AFMAFM。是一种可。是一种可用来用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构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的分析仪器。它

2、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。分布信息，

3、从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。Page 6原子力显微镜的产生与发展原子力显微镜的产生与发展n 1981年，年，IBM公司苏黎士研究所的科学家成功开发扫描隧道显微镜，为原子公司苏黎士研究所的科学家成功开发扫描隧道显微镜，为原子力显微镜的问世奠定了基础。力显微镜的问世奠定了基础。n 1982年，由扫描隧道显微镜派生出了原子力显微镜。（前者为导体用，后者年，由扫描隧道显微镜派生出了原子力显微镜。（前者为导体用，后者为非导体用。）为非导体用。）n 1986年，徳裔物理学家年，徳裔物理学家G.Binnig等人原子力显微镜进行了改良，开始使用微等人原子力显微镜进行了改良，开始使用微悬臂梁作为探针。悬

4、臂梁作为探针。n 1988年，国外开始对原子力显微镜进行改进，激光检测原子力显微镜。年，国外开始对原子力显微镜进行改进，激光检测原子力显微镜。n 1989年，白春礼等人研制出了我国第一台原子力显微镜，并跻身于国际先进年，白春礼等人研制出了我国第一台原子力显微镜，并跻身于国际先进行列。行列。Page 7原子力显微镜的工作原理 将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描

5、时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。从而可以获得样品表面形貌的信息。Page 8Page 9Page 10原子力显微镜的构成 原子力显微镜主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运原子力显微镜主要由带针尖的微悬臂、

6、微悬臂运动检测装置、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、显示及处理系统组成。集、显示及处理系统组成。Page 11原子力显微镜各部分的功能微悬臂：检测原子之间力的变化量。微悬臂：检测原子之间力的变化量。微悬臂运动检测装置：监控微悬臂的运动情况。微悬臂运动检测装置：监控微悬臂的运动情况。监控其运动的反馈回路：保证样品原子与探针之间的原子力恒定。监控其运动的反馈回路：保证样品原子与探针之间的原子力恒定。压电陶瓷扫描器件：使样品进行扫描。压电陶瓷扫描器件：使样品进行扫描。计算机部分：接收并分析

7、扫描所得的信号，并以特定的方式输出。计算机部分：接收并分析扫描所得的信号，并以特定的方式输出。Page 12原子力显微镜原理简易视图Page 13原子力显微镜工作原理示意图Page 14Page 15Page 16Page 17原子力显微镜下观察到的图像原子力显微镜下的细胞原子力显微镜下的细胞Page 18原子力显微镜的成像特点原子力显微镜的成像特点n 与传统的电子显微镜，特别是扫描电子显微镜相比，具有非常高的横向分辨与传统的电子显微镜，特别是扫描电子显微镜相比，具有非常高的横向分辨率和纵向分辨率。横向分辨率可达到率和纵向分辨率。横向分辨率可达到0.10.2nm0.10.2nm，纵向分辨率高达

8、，纵向分辨率高达0.01nm0.01nm。n 原子力显微镜具有很宽的工作范围，可以在诸如真空、空气、高温、常温、原子力显微镜具有很宽的工作范围，可以在诸如真空、空气、高温、常温、低温以及液体环境下扫描成像。低温以及液体环境下扫描成像。n 样品制备简单。原子力显微镜所观察的标本不需要包埋、覆盖、染色等处理，样品制备简单。原子力显微镜所观察的标本不需要包埋、覆盖、染色等处理，可以直接观察。可以直接观察。n 原子力显微镜具有对样品的分子或原子进行加工的力行为。原子力显微镜具有对样品的分子或原子进行加工的力行为。Page 19原子力显微镜的应用n 使用原子力显微镜观察生化过程。使用原子力显微镜观察生化

9、过程。n 原子力显微镜在研究分子识别中的应用。原子力显微镜在研究分子识别中的应用。n 原子力显微镜在研究物质超微结构中的应用。原子力显微镜在研究物质超微结构中的应用。n 原子力显微镜在细胞生物学中的应用。原子力显微镜在细胞生物学中的应用。Page 20使用原子力显微镜观察生化过程使用原子力显微镜观察生化过程 可运用原子力显微镜观察转录过程。但是，要用原子力显微镜观察可运用原子力显微镜观察转录过程。但是，要用原子力显微镜观察DNADNA分子的转录过程，就必须解决一个问题。利用原子力显微镜观察样品时，样分子的转录过程，就必须解决一个问题。利用原子力显微镜观察样品时，样品必须固定在基底，但是，转录是

10、由品必须固定在基底，但是，转录是由DNADNA经过碱基配对生成经过碱基配对生成RNARNA的过程，该过的过程，该过程必定是动态的。程必定是动态的。 科学研究者运用一定的方法将科学研究者运用一定的方法将DNADNA沉降下来（并不影响其生物活性），在沉降下来（并不影响其生物活性），在云母片上进行观察，可观察到云母片上进行观察，可观察到RNARNA聚合酶沿着聚合酶沿着DNADNA移动的过程。移动的过程。Page 21原子力显微镜在研究分子识别中的应用原子力显微镜在研究分子识别中的应用 分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍，例如，受体和配体的结合，分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍，例如，受体和

11、配体的结合，抗原和抗体的结合，信息传递分子间的结合等，是生物体中信息传递的基础。抗原和抗体的结合，信息传递分子间的结合等，是生物体中信息传递的基础。 原子力显微镜可以作为一种力传感器来研究分子间的相互作用。这是由原子力显微镜可以作为一种力传感器来研究分子间的相互作用。这是由于原子力显微镜理论上能够感应于原子力显微镜理论上能够感应10-14nm10-14nm的作用力，能感应的作用力，能感应0.01nm0.01nm的位移，的位移，而接触面积可小到而接触面积可小到10n10n. .Page 22原子力显微镜原子力显微镜在研究物质超微结构中的应用在研究物质超微结构中的应用 应用原子力显微镜应用原子力显

12、微镜(AFM)(AFM)可以直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附可以直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置、以及有表面吸附体引起的表面重构等。原子力显微镜体的形态和位置、以及有表面吸附体引起的表面重构等。原子力显微镜(AFM)(AFM)可以观察许多不同材料的原子级平坦结构，例如，可以用原子力显微镜可以观察许多不同材料的原子级平坦结构，例如，可以用原子力显微镜(AFM)(AFM)对对DLDL亮氨酸晶体进行研究，可观察到表面晶体分子的有序排列，其晶格间亮氨酸晶体进行研究，可观察到表面晶体分子的有序排列，其晶格间距与距与X X射线衍射数据相符。另外原子力显微镜射线衍射数据相符。另外原

13、子力显微镜(AFM)(AFM)还成功地用于观察吸附在还成功地用于观察吸附在基底上的有机分子和生物样品，如，三梨酸、基底上的有机分子和生物样品，如，三梨酸、DNADNA和蛋白质的表面。和蛋白质的表面。Page 23原子力显微镜原子力显微镜在细胞生物学中的应用在细胞生物学中的应用 原子力显微镜对体外动态细胞的分析具有非凡的能力。原子力显微镜对体外动态细胞的分析具有非凡的能力。 这些研究大都把样品直接放置在玻片上，不需要染色和固定，样品制备这些研究大都把样品直接放置在玻片上，不需要染色和固定，样品制备和操作环境相当简单。和操作环境相当简单。 比如：比如： 观察血小板的运动，可以看到微丝结构、颗粒传输

14、到细胞质外侧及活化观察血小板的运动，可以看到微丝结构、颗粒传输到细胞质外侧及活化中细胞成分的再分配。中细胞成分的再分配。Page 24原子力显微镜的应用前景 原子力显微镜技术在生物学领域的应用有赖于样品制备方法和适合针尖原子力显微镜技术在生物学领域的应用有赖于样品制备方法和适合针尖- -样品相互作样品相互作用的缓冲液的研究。原子力显微镜现已成为一种获得样品表面结构的高分辨率图像用的缓冲液的研究。原子力显微镜现已成为一种获得样品表面结构的高分辨率图像的有力工具。而更为吸引人的是其观察生化反应过程级生物分子构象变化的能力，的有力工具。而更为吸引人的是其观察生化反应过程级生物分子构象变化的能力，因此

15、，原子力显微镜在生物学领域中的应用前景毋庸置疑。而对于原子力显微镜技因此，原子力显微镜在生物学领域中的应用前景毋庸置疑。而对于原子力显微镜技术本身，以下几个方面的进展将更加有利于它在生物学中的应用。大多数生物反应术本身，以下几个方面的进展将更加有利于它在生物学中的应用。大多数生物反应过程相当快速，原子力显微镜时间分辨率的提高有助于这些过程的观察。生命科学过程相当快速，原子力显微镜时间分辨率的提高有助于这些过程的观察。生命科学研究有其自身特点，需设计出适合生物学研究的原子力显微镜。高分辨率是原子力研究有其自身特点，需设计出适合生物学研究的原子力显微镜。高分辨率是原子力显微镜的优势。其分辨率在理论

16、上能达到原子水平，但目前还没有实现，如何做出显微镜的优势。其分辨率在理论上能达到原子水平，但目前还没有实现，如何做出更细的针尖将有助于其分辨率的进一步提高。更细的针尖将有助于其分辨率的进一步提高。Page 25Page 26原子力显微镜的各类针尖Page 27原子力显微镜与扫描隧道显微镜的区别原子力显微镜与扫描隧道显微镜的区别n 扫描隧道显微镜的原理：扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜的原理：扫描隧道显微镜（STMSTM）的基本原理是利用量子理）的基本原理是利用量子理论中的隧道效应论中的隧道效应 。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm1nm），在外加电场的作用），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极 。利用电子反馈线路