原子力顯微鏡基本成像模式分析及其應用

魏東磊

摘 要：原子力顯微鏡具有原子級別分辨率，成像分辨率高，并且能提供三維表面圖，近年來在納米功能材料、生物、化工和醫藥方面得到廣泛的使用。文章從原子力顯微鏡的成像原理、操作模式及其相關應用等方面對原子力顯微鏡做了簡要的介紹。

關鍵詞：原子力顯微鏡；操作模式；應用

原子力顯微鏡最早是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧于1986年所發明的[1]，原于力顯微鏡是一種利用原子分子間的相互作用力來觀察物體表面微觀形貌的新型實驗技術。因為原子力顯微鏡具有原子級別分辨率，被廣泛應用于納米尺寸及生命科學領域。文章從原子力成像及其在不同學科的應用進行詳細的介紹。

1 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡（AFM）是利用原子之間的作用力通過儀器的檢測系統、反饋系統等成像。當探針針尖接觸樣品受到力的作用時懸臂發生形變，AFM通過掃描樣品時探針的偏移量來構建三維圖片，從而間接獲得樣品表面形貌[2]。原子力顯微鏡可以檢測樣品的拓撲結構與力學、電學等性能，是最近幾十年表面成像重要的表征工具之一。目前原子力顯微鏡可以應用在不同的領域，AFM發揮不同的功能，當然在研究中AFM也存在一定的局限性及使用的困難。譬如在細胞生物工程研究中，液相下對細胞成像具有一定的難度，如針尖和細胞的粘附、掃描速度、頻率、針尖的污染及清洗等問題，都是會面臨及必須要解決的問題。

2 原子力顯微鏡基本成像模式

根據針尖與樣品作用方式不同，原子力顯微鏡的操作模式主要分為接觸模式、非接觸模式和輕敲模式等三種，下面針對各種模式進行詳細的介紹：

2.1 接觸模式

在接觸式AFM模式下，探針針尖始終與樣品保持接觸。針尖位于彈性系數很低的懸臂末端，懸臂的彈性系數低于原子保持在一起的作用力的有效彈性系數。當掃描管引導針尖在樣品上方輕輕滑過時，接觸作用力使懸臂發生彎曲，從而反映出樣品表面形貌的起伏。在AFM中，力曲線在排斥力區間的斜率非常大，意味著當懸臂將針尖壓向樣品時，實際情況將是懸臂的彎曲程度遠遠大于針尖原子靠近樣品原子的程度。哪怕使用更堅硬的懸臂來對樣品施加更大的作用力，也不能讓原子間的間距有顯著減小。相反，這樣做的結果往往是樣品表面或針尖發生形變。

2.2 非接觸式AFM

非接觸式AFM技術是幾種懸臂振動成像技術中的一種，成像時，AFM探針懸臂在樣品表面附近處于振動狀態。在非接觸模式下，系統驅動硬度較高的懸臂在本振頻率附近振動（一般為100-400kHz），振幅為幾十至上百埃，并探測懸臂共振頻率或振幅的變化。非接觸模式下針尖與樣品之間的吸引力通常相比接觸模式下的排斥力小，并且更難以保持穩定。在非接觸模式下，Z向反饋處于啟用狀態，系統對懸臂的共振頻率或振幅的變化進行探測并隨著形貌的起伏上下移動掃描管使之保持不變。通過這種方式，針尖一樣品間距的平均值同樣保持不變，Z向反饋信號用來生成成像所需數據。

2.3 輕敲模式

輕敲模式是所有AFM模式中最常見的一種，通過使用處于振動狀態的探針針尖對樣品表面進行敲擊來生成形貌圖像。掃描過程中，探針懸臂的振幅隨樣品表面形貌的起伏而變化。輕敲模式消除了對樣品造成損傷并降低圖像分辨率的橫向力影響，從而可以對其他AFM技術無法掃描的樣品進行成像。另一個重要的優點可以不受在常見成像環境下大多數樣品表面都會附著的液體膜對圖像的影響。一般來說，輕巧模式的懸臂共振幅度在幾十納米，可以保證針尖有足夠的動能脫離表面的黏著，以保證穩態振動。而非接觸式AFM的懸臂振幅則要求小很多。因此，通常在超高真空中，以非常緩慢的速度進行掃描，否則針尖很容易被粘在液體膜中。

一般而言，輕敲模式的效果優于非接觸式AFM，尤其是對形貌起伏很大的樣品表面上較大范圍區域進行掃描成像。輕敲模式可以在其他或非腐蝕性液體環境下進行。

3 原子力顯微鏡的應用

原子力顯微鏡可以在真空、氣體、液體中使用，應用非常廣泛，目前被用于研究細胞生物學、生命科學、無機材料表面形貌、物理學等各方面。

3.1 細胞生物學的研究

原子力顯微鏡可以直接觀察液相中的細胞，前提是事先將細胞培養在小的培養皿中或者經過氫氧化鈉處理的蓋玻片，檢測時培養液不要太多，細胞培養之后置于AFM的掃描器下，選擇液相環境對細胞進行表面形態的成像檢測。AFM對活體細胞的成像不是很穩定，因為細胞與基底接觸不是很牢固，在測試時，細胞有時會跟著探針滑動，有時甚至因為針尖的壓力損傷細胞，從而造成細胞成像不理想。測試細胞成像時為了達到較好的效果，最好事先將細胞固定住，固定步驟：將培養好的細胞用2.5%戊二醛固定10分鐘；之后用氮氣吹干，最后采用輕敲式或接觸式對細胞進行觀測[3]。

3.2 原子力顯微鏡在生物大分子方面的應用

原子力顯微鏡在生命科學的應用主要是生物大分子，尤其是核酸和蛋白質方面。AFM具有原子級別的分辨率，可以用來檢測DNA和DNA-蛋白的成像[4]。原子力顯微鏡AFM在生物復合物檢測方面是比較有用的檢測工具，在AFM檢測下可以很容易的得到蛋白的形貌與大小。納米生物學的研究主要是在納米尺度上的的研究，包括細胞粘附，蛋白折疊以及蛋白間的相互作用力等，采用AFM可以直接檢測出蛋白復合體之間的作用力，有助于研究細胞表面及蛋白間的相互作用力在生物大分子方面如蛋白質的檢測應該注意蛋白的吸附固定，首先將蛋白質液滴滴加到基底上，根據需要在基底上吸附一定的時間，最后多余的液體用氮氣將其吹走，吹干，此時樣品準備完畢。將樣品放于液體池中放置在檢測臺上，采用液相模式或輕巧模式進行蛋白成像[5]。測試蛋白吸附關鍵要注意的是蛋白與基底的結合，測試過程中應該注意掃描頻率、探針施加力的控制。目前不同廠家的原子力顯微鏡具有相應的智能模式，可以根據不同點上樣品的性能不同自行調節掃描參數以獲得更好的圖像。

4 結束語

原子力顯微鏡的用途廣泛，AFM目前已經應用于較多科學研究領域，隨著研究的發展及表征手段的嚴謹，AFM憑借其原子級別的分辨率和強大的功能，可以滿足從拓撲結構到力學、電學、生物學、電化學等各方面的需求。近年來國內外研究表明，AFM在生物醫學方面的應用具有很大的潛力，憑借其納米水平的分辨率，再跟其他的表征手段相結合，可以推動多個學科的發展，勢必推動AFM技術必將會成為常規的表征方法。

參考文獻

[1]Binnig G， Quate CF， Gerber C. Atomic force microscope[J]. Phys Rev Lett，1986，56：930-936.

[2]白春禮，田芳，羅克.掃描力顯微術[M].北京：科學出版社，2000.

[3]張德添，張颯，何昆，等.原子力顯微鏡在生物醫學中的應用[J].現代儀器，2004，1-4.

[4]鄭偉民，蔡繼業.原子力顯微鏡在DNA領域中研究應用[J].現代儀器，2006，1：9-12.

[5]曲秋蓮，張英鴿.用原子力顯微技術測定蛋白質分子間及分子內的作用力[J].軍事醫學科學院刊，2003，27（1）：60-63.