原子力顯微鏡的核心技術與應用

萬旻億

摘 要：原子力顯微鏡是一種可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。原子力顯微鏡的成像原理是根據檢測樣品和針尖之間的相互作用，從而實現高分辨成像。要達到這一點，首先要保證懸臂頂端的針尖和樣品表面有一定的力的接觸，然后再對樣品進行相對掃描，使得微懸臂因為針尖和樣品之間的作用力發生改變而發生形變，再通過電學或光學的方法來檢測形變并在電腦上形成圖像。該文主要對原子力顯微鏡的核心技術與應用進行分析。

關鍵詞：原子力顯微鏡 核心技術 應用

中圖分類號：TH742 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（b）-0240-02

原子力顯微鏡的成像原理是根據檢測樣品和針尖之間的相互作用，從而實現高分辨成像。要達到這一點，首先要保證懸臂頂端的針尖和樣品表面有一定的力的接觸，然后再對樣品進行相對掃描，使得微懸臂因為針尖和樣品之間的作用力發生改變而發生形變，再通過電學或光學的方法來檢測形變并在電腦上形成圖像。AFM有獨特的特點，如能夠在低溫、真空等多種環境下工作， 尤其在溶液狀態下生物樣品保持自然狀態，避免樣品的變形；能夠形成高分辨物體表面的三維形貌；樣品不需要導電；可以對動態進行連續分析。所以研究者通過觀察樣品的連續成像，來了解某些生物的動態過程。

1 原子力顯微鏡的核心技術

雖然原子力顯微鏡發展僅僅只有十幾年，但是發展卻是十分迅速，為了使其使用范圍更加廣泛，讓其分辨率高的優點發揮到極點，同時還要彌補存在的一些問題，如尋找待檢樣品較困難，將原子力顯微術和其他技術相結合，可以更好的促進這一技術的發展。有關科研人員將針尖改造之后與其他技術相結合，來適應一些特殊研究的需要。Manalis小組把微小的尋址電位傳感器放在針尖上，形成可以掃描的探針電位儀，這樣的結合可以使原子力顯微鏡的定位更加準確。還有一種聯用技術，就是一些其他的顯微鏡與原子力顯微鏡相結合一起發展。如Vesenka等把原子力顯微鏡與光學顯微鏡相結合，先用光學顯微鏡對待測樣品簡單的定位，再用原子力顯微鏡對待測樣品的內部結構進行仔細的觀察。一些科研人員還把原子力顯微鏡與電化學技術相結合，用原子力顯微鏡可以觀察到電化學技術中肉眼看不到的東西，如測得的靜電力、吸附在電極表面的小分子物質等。Kelley等還對生物電化學技術進行了結合研究，利用電極來控制DNA單層膜取向，這種技術可以研發生產成電化學納米開關，也可以在納米電子器件與DNA傳感器中應用。這樣可以很好的解決原子力顯微鏡尋找樣品的困難，這也是原子力顯微鏡的一個很好的發展方向。Ikai小組把熒光顯微鏡和原子力顯微鏡結合在一起，其主要是用于研究單細胞工程，如果這兩種技術結合之后，發展較好，可以解決很多問題，如高靈敏的單分子定位與納米水平的操縱，這也會使得單細胞工程有較大的發展空間。但是Joachimsthaler等更加走在科技的前言，研發出可以將原子力顯微鏡安裝在掃描電子顯微鏡上，可以更好的研究微觀世界。首先是先在掃描電子顯微鏡中看到一個特定的區域，對此區域鎖定特殊的目標，然后再用原子力顯微鏡對原子等較小分子進行觀察、精準測量。

2 原子力顯微鏡的應用

由于掃描過程是逐行掃描的，每行的掃描時間非常短。如果樣品的高低起伏比較大，致使有部分樣品表面探測不到而不能真實反應形貌。所以通常要求樣品表面平整度較好，又由于所測的是微觀區域，至少要求局部較為平整。例如，一般來說樣品脆斷面起伏都較大，不太容易得到較好的圖像，有時甚至會損壞探針。原子力顯微鏡的應用范圍十分廣泛，其適用于生物、高分子、陶瓷、金屬材料、礦物、皮革等固體材料等的顯微結構和納米結構的觀測，以及粉末、微球顆粒形狀、尺寸及粒徑分布的觀測等。

2.1 原子力顯微鏡在細胞生物學中的應用

原子力顯微鏡在多個領域都有廣泛的應用，在這里介紹其在細胞生物學中的應用。細胞是生命活動和生命體結構的基本單位， 關于生命的奧秘都要從細胞中去發現、探討。隨著科技的不斷發展，人們研究的方向越來越廣，研究的內容越來越深，如現在的生物學研究已經從細胞的群體逐漸向單細胞方向研究，更加的細致。研究的內容觀察時是需要連續動態分析的與更高分辨能力的儀器，而原子力顯微鏡剛好滿足這樣的要求，它可以觀察細胞的納米結構和細胞的一些連續動態過程。原子力顯微鏡從研發到應用只有十幾年，但是卻廣泛的應用在各個研究領域，借助此儀器可以更好地了解細胞功能和結構之間存在的關系，還可以用于針尖和樣品之間的相互作用來識別成像。

2.2 原子力顯微鏡在電化學和物理學領域中的應用

原子力顯微鏡在電化學領域中也有廣泛的應用，但是應用的穩定性會受到法拉第電流等因素的影響。因此，必須要重點解決這一問題。目前，研究人員已經針對界面結構表征、界面動態學、化學材料、化學結構、多晶表面重構、表面結構、表面吸附物種等進行了研究，并取得了突出的成果。原子力顯微鏡在物理學中的應用主要集中于金屬、半導體表面形貌、表面重構的研究，多數情況下，利用原子力顯微鏡都可以得到半導體與金屬重構圖像。

2.3 原子力顯微鏡在生命科學領域中的應用

原子力顯微鏡也是解決生命科學問題的重要工具，大量的研究人員利用這一技術獲取了DNA圖像，自此之后，原子力顯微鏡成為解決DNA分子的有效工具。

halobacterium halobim首先用原子力顯微鏡研究紫膜上的視紫紅蛋白，之后科學家們又對游離蛋白質進行研究并取得了很大成功，如免疫蛋白、膠原蛋白、肌動蛋白、巨球蛋白等；原子力顯微鏡在多糖方面的研究比較晚，但是也取得了突出的成效。

3 結語

雖然原子力顯微鏡被廣泛的應用在不同的領域，但是也有缺點，如樣品和針尖接觸時，環境不好會污染樣品或針尖，這樣進行連續動態分析就較為困難。針尖的曲率半徑會影響原子力顯微鏡的分辨率。 為了在更多領域進行良好的應用，對原子力顯微鏡有以下展望：第一要研發出的原子力顯微鏡帶有分子識別能力，目的是為了將復雜體系中形貌差不多的生物分子區分開來；第二要研發出掃描快速的原子力顯微鏡，目的是為了更好地觀察一些生物學領域的快速動態過程；第三要開發出新的樣品制作技術，目的是為了將顯微鏡對細胞的損傷降到最低；最后就是要通過應用聯用技術來擴大原子力顯微鏡應用范圍。相信在未來原子力顯微鏡會在更多的領域發揮更加重要的作用。

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