非接触调频模式AFM的发展及生物学应用.pdf

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1、第35卷第6期核技术Vol.35,No.62012年6月NUCLEARTECHNIQUESJune2012非接触调频模式AFM的发展及生物学应用李林张金金胡钧(中国科学院上海应用物理研究所上海201800)摘要非接触调频模式原子力显微镜(AFM)可实现高分辨成像，其探针针尖与样品间的相互作用力非常小，能最大限度减少样品形变。本文综述非接触调频模式原子力显微镜在真空和溶液中的高分辨成像发展，并以DPPC磷脂双分子层和人类免疫球蛋白IgM为例，介绍了该系统在生物结构学研究中的应用。关键词原子力显微镜、非接触、高分辨、调频模式中图分类号Q334原子力显微

2、镜(AFM)是用探针针尖和样品表面1非接触调频模式AFM在真空中的高分辨原子间的范德华力呈现样品表面特征的扫描探针显成像微镜，能对金属、半导体和绝缘体表面进行成像。非接触调频模式AFM的成像原理是：当探针在材料科学领域，AFM为了解材料的表面形貌特征靠近样品表面时，由于范德华力的作用，探针悬臂提供了直接依据；在生物领域，AFM对不同环境下的共振峰会发生偏移，探测该频率偏移并维持其恒[5]生物分子结构在纳米尺度上的成像发挥了重要作定，可进行反馈成像。系统流程如图1所示。非[1–3]用。AFM的成像模式有接触模式、轻敲模式和接触调频模式AFM的成像参数

3、为探针悬臂振幅、非接触调频模式。非接触调频模式AFM具有分子成像频率偏移和频率偏移基准。为实现高分辨，通[4,5]和原子级别的成像分辨能力，样品几乎不受到影常先设定频率偏移基准为零，再细微调节探针悬臂响和损伤，即使对软物质表面也能进行高分辨成像，振幅和成像频率偏移，优化成像条件。须注意的是，从而使AFM的应用跨前了一步。探针悬臂振幅减小时，最大成像频率偏移会增加。图1非接触调频模式AFM系统流程图Fig.1Schematicsofnon-contactfrequency-modulationAFM.图2(a)为扫描隧道显微镜(STM)对硅晶体部可清

4、晰分辨出单个硅原子和五个硅晶格，且每个(111)-(7×7)表面的成像图(横坐标为扫描范围)，每一晶格内硅原子的排布情况与扫描隧道显微镜图像一硅晶格呈菱形，含有12个硅原子，菱形对角线分别致。这也证实非接触调频模式AFM在真空中可实为4.66和2.69nm；图2(b)是非接触调频模式AFM现对晶体表面原子级的分辨率。图中分辨率较低的在真空中对该样品表面的高分辨成像图，图像中上部位，由系统稳定性和探针尖端的多针尖现象造成。——————————————国家重点基础研究发展计划(973项目：2007CB936000)第一作者：李林，男，1984年出生，2

5、006年毕业于中国科学技术大学，现为中国科学院上海应用物理研究所博士研究生收稿日期：2012-01-06，修回日期：2012-02-23第6期李林等：非接触调频模式AFM的发展及生物学应用463扫描开始时是多针尖探针，成像分辨率不高；扫至级分辨率成像，但将它应用于单个、起伏较大的单中上部时，多针尖变为单针尖，信噪比大大提高，分子成像会遇到技术瓶颈，即系统的稳定性和探针从而实现了原子级的分辨率。表明虽然非接触调频尖端的锐利程度。模式AFM实现了在真空中对平整晶体表面的原子图2硅晶体(111)-(7×7)表面的STM图像(a)和真空中非接触调频模式AF

6、M图像Fig.2ImagesofSi(111)-(7×7)surfacebyscanningtunnelingmicroscope(a),andbynon-contactfrequency-modulationAFMinvacuum(b).非接触调频模式AFM难以实现单分子的高分达到高分辨成像，探针针尖与样品表面必须十分接辨成像，这是因为单个分子在纵向上起伏较大，很近，因此，探针悬臂得以非常小的振幅稳定振动，易由于系统不稳定导致探针针尖与样品表面的接须选择悬臂弹性系数很大的探针进行成像。图3(c)触，使样品变形甚至损坏，同时探针锐利的针尖也和(d)

7、为非接触调频模式AFM在真空低温环境下实[6]被破坏。最近，科研工作者将非接触调频模式AFM现对铜(111)表面上五苯环的单分子超高分辨成像，[6]放入真空超低温环境中，实现了单分子成像，由与图3(b)中扫描隧道显微镜对该样品的成像图像相于温度仅为5K，探针悬臂的热漂移非常小，系统比，具有更高的分辨率，可清晰分辨出组成每个苯稳定性大大增强。另外，探针尖端吸附一氧化碳分环的各个原子。证实了非接触调频模式AFM在真[7]子，可得到更锐利的尖端，从而避免出现多针尖，空低温下实现了对单分子的超高分辨成像，为其结使成像过程中始终保持单针尖扫描样品。同时，为构

8、研究提供了直接证据。图3五苯环模型(a)与五苯环的STM图像(b)，真空低温下非接触调频模式AFM的单分子级分辨成像(c,