高校原子力顯微鏡開放管理體系的探討與實踐

李偉 黃睿 耿曉葉 郭茂蓮 武春瑞

摘要：原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope， AFM）是研究材料微觀表面的重要工具，不僅應用于物理、化學、生物等領域，還在微電子學、微機械學、新型材料、納米材料、醫學等領域有著廣泛的應用和巨大的應用前景。本文根據原子力顯微鏡的儀器特點，簡要介紹了原子力顯微鏡在高校中的開放管理方針，以及對培訓教學方案的探索，從而提高其使用效率和使用效益，使其在高校教學科研中發揮更大的作用，與此同時能夠有利于高校更好地完成人才培養、科學研究和社會服務的使命。

關鍵詞：原子力顯微鏡；開放管理；培訓教學

天津工業大學材料科學與工程學院分析測試中心是由學院通過學校“十五”、“十一五”、“十二五”學科建設經費以及中央與地方共建基礎實驗室投資經費逐步建設而成。目前擁有近2500m2的實驗室，大型分析測試儀器40臺套、總價值逾6000萬元。測試中心是學校教學、科研和人才培養的公共平臺，是服務于培養高質量研究型人才和開展各類科研活動的重要測試基地，里面的大型設備承擔著本校大量的科研教學任務。在工作量多，任務繁重，人員有限的情況下，要充分發揮設備最大使用效能，有必要積極探索合理的開放管理體系和有效的培訓教學方案[1， 2]，并且在提高儀器的使用效率同時，培養出一批專業素養高，動手能力強和具有創新思維能力的畢業生[3]，以服務當地社會經濟，創造良好的社會效益。如何充分使用以及確保大型儀器的正常運行，是身處一線設備管理人員必須探索和思考的主要問題。本文就原子力顯微鏡的開放管理和培訓教學兩方面進行了探索與總結。

1 原子力顯微鏡的特點和應用

原子力顯微鏡（AFM）是很多學校大型儀器中使用率較高的儀器之一。AFM可以對被測樣品表面及近表面區域的物理特性在原子級分辨率的水平上進行探測。AFM是利用探針和樣品之間的相互作用力進行表面形貌的研究，因此不僅可對導體進行探測，對于絕緣體同樣可得到高分辨率的表面形貌圖像[4]。此外，AFM有著現代許多表面分析儀器所不能比擬的優點：光從放大倍數或分辨率來講，它超過透射電子顯微鏡；若比較樣品處理難易程度，它又超過掃描電子顯微鏡。并且AFM對測試環境的要求較低，可以適應大氣、超高真空、溶液以及反應性氣氛等各種環境；而且AFM的測試功能還具有多樣性，它除了可以研究各種材料的表面結構外，還可以研究材料的硬度、彈性、塑性等力學性能以及表面微區摩擦性質，也可以用于操控分子、原子，進行納米尺寸的結構加工和超高密度信息存儲。

原子力顯微鏡有三種不同的工作模式：接觸模式、非接觸模式和輕敲模式。我校測試中心的原子力顯微鏡S5500是由美國Agilent 生產制造，針對本校研究多以高聚物材料為主，故主要工作模式是輕敲模式。在輕敲模式中，懸臂在其共振頻率附近做受迫振動，震蕩的針尖輕輕地敲擊表面，間接地和樣品接觸，適合于對生物大分子、聚合物等軟樣品進行成像研究。因此，原子力顯微鏡在各工科學院及專業得到了廣泛的應用。目前不僅應用在材料科學與工程學院的各個專業，而且也應用在紡織學部、環境與化學工程學院、機械工程學院、分離膜與膜過程國家重點實驗室等相關專業，他們測試的樣品種類主要包括：膜材料、纖維材料、高分子材料、石墨烯類材料、微生物樣品以及凝膠樣品等。

2 原子力顯微鏡的開放管理

目前，隨著學校本科、研究生招生規模的不斷擴大，分離膜與膜過程國家重點實驗室的建立以及科研項目的增多，對于原子力顯微鏡測試的需求也越來越大；另一方面，大多數高校教師只是“兼管”儀器，他們同時還要承擔教學和科研的任務，往往沒有足夠的時間和精力保證該儀器全天候的開放使用。如果完全放手讓測試者獨立操作，常常會因為操作者責任心不強、操作不熟練等原因造成儀器的損壞，導致較高的維修成本。因此當儀器負責人無法親自操作時，該儀器往往會被閑置，嚴重影響了儀器在教學和科研中的作用。

基于以上兩個主要問題，我們主要采用開放管理與培訓教學相協同的方針，具體采取以下方法：

開放共享平臺：原子力顯微鏡是由我校材料科學與工程學院分析測試中心購置，若僅僅只向材料學院師生開放使用，則會因儀器使用量少而白白閑置。為了避免出現這樣的問題，測試中心將開放共享平臺，全校各個學院的師生均可實行預約測試。

舉辦大型講座：在不同專業、不同學科，對所需要的測試儀器以及對儀器的性能要求是不同的。測試中心定期舉行AFM的大型講座，對新學者介紹儀器的工作原理、測試技術及主要功能。聽講座采取的是自愿報名的原則，相比于理論課堂，其優勢在于：講座的聽眾對象范圍較廣，可以是一切有需要的師生；并且講座的聽眾數量可達上千人/次，大量節約了主講老師的時間與精力；講座的針對性強，對于感興趣的學生能起到事半功倍的效果，而理論課堂的義務性較強，容易使學生產生厭煩心理，降低課堂效率。

上機演示：AFM上機操作需要注意的主要問題是樣品制備和探針的安裝，總的來說，操作簡單易學。管理老師在開辦講座講解原子力的相關理論知識之后，再上機演示教學，以理論結合實踐，能讓學生從理性認識到感性認識有一個質的提升，還可以培養學生對儀器操作的動手能力。

培訓上崗：AFM管理老師針對不同學科及不同課題組對原子力顯微鏡需求的不同，定期地對學生進行培訓并不定期舉行測試技能考核，通過考核并取得大型儀器管理老師的同意后，方可獨立上機操作，這樣不僅能在較短時間內得到理想的顯微照片，還能提高AFM的使用效率。

開放學習：除了定期的專業技能培訓，感興趣的同學也可隨時到測試室，在

儀器旁邊細心觀摩，同時通過考核合格同學的簡單指導和講解，實時學習儀器的使用及基本操作，保證在管理老師進行技能培訓前學生對AFM的生疏感降低，有利于激發學生學習AFM的主觀能動性，更深刻地理解培訓內容。通過考核合格的“前輩”知道的學生也可以直接找AFM管理老師申請參加不定期地測試技能考核，以獲得獨立上機的資格。這不僅做到了全天候開放學習，為更多的學生提供便利，還提高了設備的使用價值。

3 大型儀器的網絡化管理

在大型儀器的使用預約及管理階段，我校緊跟信息時代的步伐，充分利用網絡技術，提高工作效率，實現信息共享。在最開始的管理階段，主要是通過由測試需求的學生或者老師找儀器管理老師當面預約下周的測試時間，管理老師整合所有預約者信息之后再通知各位預約者具體的測試時間。這種管理方法不利于信息的及時且有效的溝通，如果一方有什么問題，會給測試過程帶來諸多問題和不便；同學們在從事科研工作時，當面預約下周測試會浪費很多時間在排隊等候或者協調等繁瑣的問題上；此外，由于沒有公共平臺，很多信息和資源都不能及時共享，信息流通速度過慢，效率低下，不利于同學們科研工作的順利進行。

現在，測試中心新構建了大型儀器管理平臺，測試中心所有儀器實現了聯網控制，廣大師生可以通過網絡，預約合適的機時，并實現了網絡可視化管理、網絡評價及智能扣費等功能。原子力顯微鏡在大型儀器管理平臺的具體預約方法是：每周一早上8：30～11：30，預約者可預約本周8：30～20：30的測試，特殊情況下也可預約周六與周日，已預約成功的預約者信息（包括預約時間段）將會公布在網絡平臺，以免后面的預約產生時間沖突。這種模式大大節省了預約者的時間以及儀器管理老師的精力，簡化了預約程序，大大提高大型儀器的使用效率。

開放測試與培訓教學的方案延長了儀器的使用時間，大型儀器的網絡化管理極大提高了儀器的使用率及效益，得到學校廣大師生的支持，自實施以來收到了良好的效果。

4 結語

原子力顯微鏡是目前高校教學、科研工作中非常重要的一臺大型儀器設備，儀器設備的管理制度直接影響到科研水平和實驗教學質量，故加強并健全大型儀器的管理顯得尤為重要。正確且合理有效的使用儀器，不僅有利于提高高校的科研水平和教學質量，促進產學研的發展，獲得良好的經濟效益和社會效益，而且有助于確保儀器的正常使用及運行。迄今為止，AFM已為我校多項材料相關的國家高技術研究發展計劃課題（863）、國家重點基礎研究發展規劃（973）、國家自然基金等國家級與省部級項目及企業項目提供了測試服務，作為我校材料科學研究的實驗平臺，在科學研究和人才培養等方面發揮著重要的作用。此外，在滿足學校教學和科研任務的同時，我們積極敞開大門為社會服務，供當地企業使用，實現高校與企業的聯合以更好的服務當地經濟，達到產學研相結合的目標。

參考文獻：

[1]任凱，賈華麗，李艷霞.儀器分析實驗的教學改革與探索[J].廣州化工，2012，40（13）：185186.

[2]陳鐸，劉鶴.提高貴重儀器設備使用效益的管理模式探索[J].實驗技術與管理，2013，30（2）：215222.

[3]李霞章，王文昌，王昕，吳鳳芹，楊揚.透射電子顯微鏡培訓教學探索與實踐[J].廣州化工，2013， 41（10）：212213.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（No.51573135）；天津市應用基礎與技術前沿研究計劃（No.16JCYBJC17100）