原子力显微镜的原理和应用

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1、原子力显微镜的原理及应用摘要：原子力显微镜研制于1986年，但由于其本身的突出特点，应用范围已经拓展到了物理学、材料科学、工程领域、生命科学等多个领域。本文简要介绍了原子力显微镜的应用工作原理及主要特点。综述了原子力显微镜在生命科学、材料科学中的应用。关键词：原子力显微镜；原理；特点；应用1、引言扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope，SPM）是继光学显微镜和电子显微镜之后的第三代显微镜，扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope，STM）和原子力显微镜（Atom

2、icForceMicroscopy，AFM）均属于扫描探针显微镜。1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼（GerdBinning）博士和海·洛雷尔（HeinrichRohrer）博士及其同事们[1]共同研制了扫描隧道显微镜,它的出现使人类第一次能够实时的观察单个原子在物质表面的排列状态以及和表面电子行为有关的物理、化学性质，为科学家们提供了一种前所未有的直接观察单原子、单分子的手段，从而从根本上改变了人类对微观（纳米）世界的认识水平，但扫描隧道显微镜的应用有一定的局限性：所观察的样品必须具有一定导电性[

3、2]。1986年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate共同研发了原子力显微镜[3]，它的出现弥补了扫描隧道显微镜的不足，并且已经凭借其自身的特点，将其应用范围拓展到了物理学、材料科学、工程领域、生命科学等方面。本文从AFM的原理、特点、应用等几个方面进行了综述。2．原子力显微镜的工作原理及主要特点2.1原子力显微镜的工作原理8原子力显微镜的系统结构主要由4部分组成：核心部分（带针尖的微悬臂）、力检测部分（激光器、激光检测器）、位置检测部分（压电陶瓷扫描器件、步进电机）和计算机控制部分（反馈回

4、路、控制器）。AFM通过待测样品表面和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，通常使用氮化硅作为一个灵敏的弹性微悬臂，其尖端有一个很尖的探针，用来在样品表面扫描。AFM探针安装在一个灵活的悬臂上，激光二极管发出的一束激光经悬臂反射到一个分裂式发电二极管上，当探针在样品表面扫描时，由于样品表面原子结构起伏不平，悬臂也就随之起伏，于是激光束的反射也就起伏，光电二极管将其接受、放大，即可获得样品表面三维形貌图像[4]。AFM检测的是微悬臂的偏移量，而此偏移量取决于针尖最后一个原子和样品表面

5、附近最后一个原子之间的作用力，通过对其相互作用力的测量，可以跟进一步得到样品的各种信息。按照探针与样品表面之间接触方式的不同，AFM主要有3中不同的工作模式：接触模式、非接触模式和轻敲模式。2.2原子力显微镜的主要特点原子力显微镜具有很多突出的优点，首先原子力显微镜的分辨率极高，可以达到纳米量级的高空间分辨率，横向分辨率可达0.1～0.2nm，纵向分辨率高达0.01nm，能过清晰地对原子到分子尺度的结构进行三维成像和测量。原子力显微镜不仅能够提供物质在纳米尺度、分子水平上的表面形貌，而且也能够测定极微弱的力，从而可

6、以研究分子间的弱相互作用力；其次，与STM相比，AFM所观察的样品类型更广泛，既适应于导电的样品，也适应于非导电和绝缘的样品；再次，与扫描电镜和透射电镜这些高分辨的观测技术相比，样品制备过程简便，可以不需染色、包埋、电镀、电子束的照射等处理过程；并且，AFM对样品的原有结构破坏很小，能够准确客观的反映出样品的原貌；最重要的是，AFM研究可以在各种实验环境中进行，如，真空、空气或液体中，也可以根据观察者的要求，调节样品所处的温度、湿度等观察条件[5]8。尤其在生命科学的应用中，可以使AFM在生理条件下成像生物分子和细

7、胞，同时可以实时和高清晰度的记录部分生物样品的分子结构变化的整个动力学过程。因此，AFM的优越的特点为其广泛应用提供了充分的条件。3．原子力显微镜的应用3．1生命科学中的应用[4]3．1．1用于形态结构的观察由于具有光学显微镜所不具备的高分辨率，同时又不需扫描电子显微镜的严格制样要求。AFM已广泛地应用于细胞、蛋白质、核酸等生物形态结构的研究中。目前，生物学家们已经利用AFM研究活细胞或固定的细胞，如红细胞、白细胞等，获得了丰富的信息。对于单个细胞而言，AFM不但能够提供长度、宽度、高度等形态方面的信息，而且可以满

8、足人们对膜上的离子通道、丝状伪足、细胞间连接等细微结构研究的要求，甚至还可清楚地观察到膜本身的骨架结构。这些对于进步研究细胞表面及表面以下结构相互作用很有启发性。AFM还可以观察蛋白质的细微结构，测算复合物中蛋白质的大小。最早用AFM研究的膜蛋白是halobacteriumhalobim的紫膜上的视紫红蛋白，得到视紫红蛋白在膜上呈二维的六角形排列。AFM还比