AFM及其應用研究進展

2018-10-19 06:52:50長春理工大學國家納米操縱與制造國際聯合研究中心程利群曲英敏楊煥洲孫佰順

電子世界 2018年19期

長春理工大學國家納米操縱與制造國際聯合研究中心程利群曲英敏楊煥洲孫佰順

導語：AFM因具有很高的空間分辨率和力學靈敏度，并可在空氣、真空和溶液中檢測生物細胞的表面形貌和力學特性，近年來已取得了迅速發展并獲得廣泛應用。本文主要介紹AFM的基本結構、工作原理以及在生命科學中應用和系統改進的一些研究進展。

1.引言

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope——AFM）于1986年由格爾德·賓尼（G．Binning）等人在掃描隧道顯微鏡的基礎上發明的①。AFM通過檢測探針針尖與樣品表面之間極微弱的原子和分子間的相互作用力來檢測樣品的表面形貌和結構，具有很高的空間分辨率（納米級）②。AFM不僅能夠提供樣品表面的三維高空間分辨圖像，還能夠測量探針針尖與樣品原子間的極微弱的力（pN級），給出樣品的力譜曲線。AFM樣品不需要導電，測量環境要求低，不需要高真空，可以在常溫、低溫、高溫、大氣、溶液中使用，因此，成為生命科學研究細胞的一種有力的工具。近年來，隨著AFM技術的不斷發展與進步以及AFM與光學顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等其它技術相結合的聯合使用，使得AFM的功能進一步擴展，AFM已在生命科學、化學、物理學、材料科學等領域獲得廣泛應用。

2.AFM的基本結構和原理

AFM主要由力檢測、位置檢測和信息控制處理三個部分組成③，其基本結構如圖1所示。

圖1 AFM的基本結構

力檢測部分主要由探針架、微米尺度的微懸臂和曲率半徑為納米量級的探針組成，力檢測部分是AFM的關鍵組成部分。

位置檢測部分由步進電機、壓電陶瓷、激光器和光電探測器構成，其作用是控制樣品表面與探針針尖之間保持一定距離。當探針針尖與樣品之間產生相互作用時，會使與針尖連接的對微弱力極敏感的微懸臂產生移動，此時，激光照射在微懸臂的背面，其反射光的位置也會因為微懸臂的移動而發生改變，這就產生了一定的偏移量，光電探測器將此偏移量記錄下來并轉換成電信號。

信息控制處理部分的作用，電信號通過控制器進行信號處理，控制器驅動電機進行位置調節，處理后的結果反饋給系統，驅動壓電陶瓷掃描器移動，以保持樣品與探針針尖一定的作用力，通過一定的成像算法即可得到樣品表面形貌以及力學特性。

原子力顯微鏡在工作時，微懸臂的一端固定，另一端安裝一個探針，探針針尖的曲率半徑非常小（在納米量級），當探針針尖與樣品表面輕輕接觸時，針尖尖端的原子與樣品表面的原子間存在極微弱的力（機械接觸力、范德華力、毛吸力、化學鍵、靜電力等等），掃描時控制針尖與樣品之間的作用力保持恒定，則微懸臂就會在垂直于樣品表面的方向做上下起伏運動，利用光學檢測法檢測微懸臂對應于掃描各點的位置變化，則可獲得樣品表面的形貌和力學性能信息。由于是通過測量針尖尖端的原子與樣品表面原子間的作用來進行測量的，所以原子力顯微鏡測定樣品形貌的空間分辨率達到納米（nm）級，而力學性能的測量精度可達到皮牛頓（pN）量級。

常用的原子力顯微鏡工作模式主要包括接觸模式、非接觸模式和輕敲模式等。接觸模式工作時，探針的針尖始終與樣品保持接觸，針尖與樣品間的作用力為庫侖排斥力，其大小一般為10-8～10-11N。這種模式可以獲得穩定的高分辨率圖像，但針尖在樣品表面上的移動以及針尖與樣品間的黏附力，會對針尖造成損壞，也會使樣品產生形變，進而產生虛像。非接觸模式工作時，控制探針針尖與樣品表面的距離保持在約5-20nm進行掃描，檢測到的是探針針尖與樣品表面的吸引力和靜電力等，這種模式針尖不易被損壞，樣品表面不易被破壞，但是由于針尖與樣品之間的距離比較大，分辨率沒有接觸模式的高，實際上，由于針尖會被樣品表面的黏附力所捕獲，所以使得非接觸模式的操作變得非常困難。在輕敲模式工作中，針尖與樣品短時間接觸，針尖和樣品表面免遭破壞，輕敲模式探針針尖在接觸樣品表面時有較大的振幅（大于20nm），足以克服針尖與樣品之間的黏附力，其作用力介于接觸模式和非接觸模式之間，分辨率和接觸模式基本相近。目前，細胞研究中的操作模式大都采用輕敲模式。

不同接觸模式的力—距離曲線如圖2所示。接觸模式中針尖與樣品距離短，工作在斥力區，非接觸模式工作中針尖與樣品距離較大，工作在吸引力區。輕敲模式中探針樣品間隙接觸，并以一定振幅振動，探針針尖與樣品的距離在一定范圍內變化，針尖和樣品的作用力是引力和斥力的交互作用。

圖2 不同接觸模式的力—距離曲線

3.AFM應用及系統研究進展

由于AFM能夠在常壓下甚至在液體環境下直接觀測非導體樣品，不需要對樣品進行任何特殊處理可獲得樣品真實的三維表面形貌以及力學特性，適合在空氣和溶劑體系中直接觀測細胞甚至活體細胞的表面形貌和結構特征，因此，AFM已成為一種細胞形貌和力學特性研究的有力工具。近年來，AFM已在腫瘤細胞的研究中發揮了重要作用。腫瘤細胞是一種變異的細胞，這種變異細胞的形態和結構以及力學性能均與正常細胞不同，利用AFM可以觀測研究腫瘤細胞的形態、結構和力學性質的變化，從而揭示腫瘤細胞與健康細胞的相互聯系和區別，為腫瘤的診斷提供有力支撐④-⑥。此外，藥物與腫瘤細胞的相互作用會使細胞的形貌和力學性能產生一定的變化，AFM用來觀察研究藥物對腫瘤細胞微觀結構形貌和力學性質的影響，為腫瘤藥物的篩選和腫瘤的治療提供了新的途徑⑦-⑨。隨著AFM技術的不斷發展和進步，未來將在疾病診斷和治療以及新藥研發等方面發揮越來越大的作用⑩。

原子力顯微鏡自問世以來，經過30余年的發展，從硬件到軟件都得到了迅速發展，各生產廠商開相繼開發出適于科學研究、工業和實驗應用的各種不同型號的產品，以滿足其在不同領域和場合應用的需求。然而，AFM目前依然還存在成像范圍太小、掃描速度慢、檢測結果受探針影響較大等方面的缺點。近年來，研究人員不斷對AFM進行改進，如，為提高原子力顯微鏡的成像速度，劉璐⑾等提出了一種新的結構設計方案，Y、Z掃描器集成于測頭內驅動探針進行慢軸掃描和形貌反饋，X掃描器與測頭分離，驅動樣品做快軸掃描。X掃描器采用高剛性的獨立一維納米位移臺，能夠承載尺寸和質量較大的樣品高速往復運動而不易發生共振；同時Z掃描器的載荷實現最小化，固有頻率得以顯著提高。為了避免測頭的掃描運動引起檢測光束與探針相對位置的偏差，設計了一種隨動式光杠桿光路；為了便于裝卸探針以及精確調整激光在探針上的反射位置，設計了基于磁力的探針固定裝置和相應的光路調節方案。對所搭建的AFM系統的初步測試結果表明，該系統在采用三角波驅動和簡單PID控制算法的情況下，可搭載尺寸達數厘米且質量超過10g的較大樣品實現13μm×13μ m范圍50Hz行頻的高速成像。曾俊智等⑿研究了分布式原子力顯微系統，以解決由于低速成像和細胞培養時間的差異所帶來的誤差。把兩個原子力顯微鏡集成到一個操作系統中，可以在一個操作界面上對兩個原子力顯微鏡同時操作，實現對同一時刻不同細胞在相同生長環境，相同細胞在同一時刻不同生長環境、不同細胞在同一時刻同一生長環境下生長狀態的分析，獲取樣品的效率顯著提高。黃強先等⒀研制了多模態動態AFM，可以在三種反饋模式、不同階諧振狀態下對物體進行掃描測量。利用該系統在不同反饋模式、不同階諧振狀態下進行了掃描測試，結果顯示，系統在各模式下具有亞納米分辨力，其中在相位反饋模式，懸臂二階諧振時，達到最優靈敏度與分辨力分別為17.5V/μm和0.29nm，該系統還存在頻率反饋不穩定的問題，懸臂的高階諧振特性尚需深入研究，控制算法有待于進一步完善。此外，針對AFM通常只能獲得樣品表面形貌和特征信息，難以獲得細胞內部分子結構信息等缺點，研究人員將AFM與其他技術聯合使用實現優勢互補，對AFM功能進行擴展，例如，AFM與光學顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、全內反射熒光顯微鏡的組合技術，已在細胞研究中獲得應用⒁-⒃。例如，AFM與激光共聚焦顯微鏡的組合，用于細胞表面分子的高分辨率成像，激光共聚焦顯微鏡對樣品進行選擇性的熒光標記，而AFM則提供樣品的三維信息，AFM與超分辨光學顯微鏡組合，可以在獲取細胞形貌以及力學性質的同時，還可以對細胞內部成分及結構進行定位和三維成像，大大提升了AFM在細胞物理化學特性研究中獲取信息的能力。

4.總結與展望

本文對AFM的基本結構、原理和工作模式進行了較為詳細的介紹，AFM通過檢測探針與樣品間的微弱相互作用力實現對樣品表面形貌的成像和力學性能測試，其空間分辨率達納米（nm）級，力學靈敏度達皮牛(pN)級，AFM已成為探測生物樣品形貌和力學特性的有力工具，目前針對AFM系統掃描速度慢以及成像范圍小等缺點進行了大量的改進工作，并與其他技術聯用，取得較大進展。相信隨著科學與技術的進步，AFM將在生命科學、化學、物理學、材料科學等領域獲得越來越廣泛的應用。

引文

①G.Bining,C.F.Quate,C.Gerber,Phys.Rev.Lett,1986,56:930-933.

②劉斌,李密,劉柱,等.電子顯微學報,2017,369(6):610-623.

③王曉春,等.材料現代分析與測試技術[M].北京:國防工業出版社,2009.

④陳斌,王琦,韓立,等,腫瘤學雜志,2005,11(1):36-38.

⑤李密,劉連慶,席寧,等.科學通報,2010,55(22):2188-2196.

⑥高警蔚,韓東.影像科學與光化學,2016,34(3):233-244.

⑦C.Milburn,J Zhou,O.Bravo et al.J.of Biomedical Nanotechnology,2005,1(1):30-38．

⑧C.Rotsch,M.Radmache,Biophysical Journal,2000,78(1):520-535.

⑨A Berquand,M P Mingeot-Leclercq,YF Dufrêne,Biochimica Biophys Acta,2004,1664(2):198-205.

⑩李密,劉連慶,席寧,等.科學通報,2010,55(22):2188-2196.

⑾劉璐,吳森,胡曉東,等.光學精密工程,2018,26(3):662-671.