实例分析原子力显微镜使用中的假像

蒋智强

（河南大学，河南 开封 475004）

原子力显微镜（AFM）早已成为纳米材料研究中重要的表征手段，并被广泛应用于物理、化学、生物、医药等多个领域［1］。AF M获得的样品图像是探针与样品间相互作用力的一种表达，为此，得到的AFM图像中不但有样品的信息，还有探针的信息。探针的尺寸、形状等都对AFM实验结果产生一定的影响，如果想获取横向尺度为100 n m的微结构形貌时，那么采用尖端直径为10 n m的探针时，目前研究人员认为是合理的。即探针相对样品较小，对AFM测试的结果影响可以忽略。如果探针信息对AFM实验结果影响比较大时，往往被研究人员称为“假像”［2］。如何从AFM图像中获取样品信息，即降低探针对AF M实验结果的影响，或者说辨别AF M实验结果中的假像，是正确利用AF M对样品进行测试分析实验中必不可少的一项技能。

1 AFM实验中产生假像的常见原因分析

目前人们认为AFM实验中主要存在的假像有探针引起的假像、扫描器引起的假像和电路、机械系统引起的假像。探针引起假像的原因主要是探针尺寸相对样品结构来说太大，首先会引起探针对样品尺度的展宽效应［2－4］，此时得到的球体往往是扁球体。虽然宽度被探针展宽了，但其高度信息还是真实的样品信息。其次，探针太宽时，扫描成像过程中无法到达样品中孔结构的底部，得到图像中孔的尺度比真实信息要小得多。另外，实验中经常见到的样品形貌图像一边比另外一边低的现象，也是因为探针断掉或者别的原因造成的探针太大，无法测到样品较低一边的信息。如果实验中看到AFM图像中有很多重复的三角形结构图像如图1C所示，这是由于样品尺寸远小于探针尺寸，导致AF M图像显示的不是样品的信息，而是探针的信息。如果针尖上粘附了一个软的细小污染物，还经常会得到一些重复的“豆芽形结构”在AFM形貌图像中，如图1 A所示。解决探针太大的问题可以通过挑选合适尺寸的探针或者利用软件对获得的AFM图像进行反卷积的处理［5］。

扫描器引起假像的原因主要是压电陶瓷的磁滞效应、非线性效应。AFM仪器中扫描器的执行部件一般是压电陶瓷，它用于执行X、Y和Z方向的伸缩命令，达到定位和控制扫描成像的功能。压电陶瓷的磁滞效应、非线性效应等都会影响到获取的AFM图像。比如原本尺寸均匀的样品，得到的AFM形貌左边的尺寸小，向右则图像尺寸逐渐增大。要解决扫描器引起的假像，通常需要利用标准光栅样品对扫描器进行磁滞效应、线性和非线性校准［6－7］。

此外，探针和样品的相对角度、AFM仪器的机械漂移［8－9］、电路反馈等噪音也会影响到获得的AF M图像。探针不垂直样品表面时获得的AF M图像中，原本垂直的样品结构变成倾斜结构了，该现象通常在扫描矩形光栅的实验中最为明显。探针与样品的夹角问题可以通过更换几何形状不同的探针或者调节探针与样品的相对位置来解决。同时，系统的漂移将会导致原本直线形的样品结构，其得到的AFM形貌特征是弯曲的。该现象可以通过修正AFM控制软件中的漂移速度来解决。如果电路的反馈速度过低将体现在样品图像模糊，即系统反馈太慢；而电路反馈过快则引起AFM图像中的高频噪音，不会随着扫描范围变化而变化是它的主要特征。该问题的解决需要在AFM控制软件中，针对不同的样品，设置优化合理的电路反馈系数。

图1是在研究生物分子自组装实验中获得的三幅AFM形貌图，其中图A中出现了许多“豆芽形结构”，根据前面的分析，该豆芽形结构并非样品的形貌，而是探针尖端粘附了一个软的细小污染物，该污染物有可能是一个或几个生物分子。这种假像的判断可以通过清洗探针或者换一个没有污染的探针重新扫描样品来解决。

图1B中的样品形貌原本是一个圆环，也就是图中左边颜色较亮的那个环。但观察发现，除了样品本身的那个圆环之外，B图中还有两个与左边圆环形状完全一样的暗环。这两个暗环并不是样品本身的信息，而是因为在探针前端粘附了两个软的长链，这两个长链应该是生物分子或者它们的自组装结构，暗环的出现正是这两个长链与样品上圆环相互作用引起的探针与样品间作用力变化，该力在数值上小于与真正的AFM探针与样品间的相互作用力，结果在形貌图像中显示为暗环。该暗环属于假像，它提醒我们，如果获得的样品形貌中有完全一样的结构，则需要辨别它们是不是假像。这也可以通过清洗探针或者换一个没有污染的探针重新扫描样品来解决。

图C中出现的重复三角形结构非常典型，这类假像已经被用来做讲课材料来用。它是在我们研究生物分子自组装的初期颗粒状结构时发现的，如前面分析，这类重复的三角形结构并非样品的结构，而是我们采用的三角形探针自身的结构。此时，生物分子组装的颗粒还很小，而这根探针则是用了一段时间的旧探针，前端比较钝，其尖端直径远大于样品中颗粒的直径，所以扫描得到的是探针的形状，或者说，探针被样品的小结构扫描成像了。解决这个问题的方法是更换新的探针，让探针尺度小于样品的尺度。

图1 AFM形貌图

图1 A为利用被污染的针尖扫描的样品形貌图，其中的豆芽状结构显示的是针尖上污染物的形状，并非样品的真实形貌；图1B为多个针尖扫描成像得到的样品形貌图，其中样品真实的形貌是左边较亮的那个环，右边较暗的两个环为探针上粘附的两个长链与样品相互作用过程中扫描得到的形貌图；图1C为探针尖最前端断掉时，钝化的探针与样品作用的到的AFM形貌图，其中的三角形结构并非样品的形貌，而是针尖的形貌。

2 结 论

本文总结了AFM研究产生假像的几种原因和它们可能导致的假像结构，并针对实验中的到的三种假像，分析了其产生原因和解决的办法。为将来的AFM实验数据分析提供了借鉴经验。

［1］Li Y，Zhang S，Guo L et al.Collagen coated tantalu m substrate for cell proliferation［J］.Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2012.

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