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【干貨】一文解讀AFM原子力顯微鏡（基礎介紹和應用實例）

來源：本站時間：2019-10-24 16:13:25 瀏覽：20437次

【干貨】一文解讀AFM原子力顯微鏡（基礎介紹和應用實例）-1

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）：是一種可以用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小針尖，使之與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，會使懸臂發生微小的偏轉。通過檢測出偏轉量并作用反饋控制其排斥力的恒定，就可以獲得微懸臂對應于各點的位置變化，從而獲得樣品表面形貌的圖像。

原子間范德瓦爾斯力

成像模式：

（1）接觸模式：針尖與樣品表面距離小，利用原子間的斥力；可獲得高解析度圖像；樣品變形，針尖受損；不適合于表面柔軟的材料。

（2）非接觸模式：針尖距離樣品5-20nm,利用原子間的吸引力，不損傷樣品表面，可測試表面柔軟樣品；分辨率低，有誤判現象。

（3）輕敲模式：探針在Z軸維持固定頻率振動，當振動到谷底時與樣品接觸，對樣品破壞小，分辨率幾乎同接觸模式相同。

原子力顯微鏡的優點：

（1）樣品無需導電；

（2）能在多種環境（如真空、大氣、液體、低溫等）下工作；

（3）能得到物體表面的高分辨三維像；

（4）能對單細胞、單分子進行操作，如在細胞膜上打孔、切割染色體等。

AFM的應用實例：

（1）表征液體中生物樣品

鏈球菌素的結構研究：a)，溶血素被標域的晶體結構；b）,一種具有原子結構孔隙低聚物微結構的低溫電子顯微鏡圖的截面圖；c),在水溶液中測得的具有(b)結構模型孔隙的AFM 3D表面形貌d),c)的高度剖面圖

（2）生物樣本的自組裝過程觀察

產氣莢膜梭菌的膽固醇結合細胞溶素從孔隙形成前到孔隙組裝一起的轉變。（a-c）膽固醇衣片密集群同一區域的AFM序列圖片；（d,e）是組裝前后更大放大倍數的AFM圖

（3）表征納米力學性質

AFM測量細胞剛度的模型：(a)在液體環境中測細胞的壓縮應變;(b)AFM的力-壓痕曲線可測量細胞彈性（黃線）和附著力（藍線）；(c)應力和應變弛豫曲線研究與時間相關的細胞行為；(d)功能化的原子力顯微鏡針尖常用作單細胞相互作用實驗；(e)球形針尖或對原子力顯微鏡懸臂做物理修改可用于測量力的分布。

（4）薄膜材料的表面形貌

(a) 一種基于電荷注入機制的電式納米裝置的示意圖; (b)CNP2-P樣品（Vet=3V，electro-typing）2×2μm2區域的輸出圖像，對應于譜線圖f中的黑色曲線；(c) electro-typing 30分鐘后的4×4μm2區域輸出圖像（VR=3V，Read-out），對應譜線圖f中的紅色曲線；(d)electro-typing 360分鐘后的4×4μm2區域輸出圖像（VR=3V，Read-out）；(e)相同區域無electro-typing的輸出圖片，對應譜線圖f中的粉紅色曲線；(f)所有掃描圖像對應的譜線圖。

（5）不同條件下菱鐵礦的表面研究