原子力显微镜基本成像模式分析及其应用

魏东磊

摘 要：原子力显微镜具有原子级别分辨率，成像分辨率高，并且能提供三维表面图，近年来在纳米功能材料、生物、化工和医药方面得到广泛的使用。文章从原子力显微镜的成像原理、操作模式及其相关应用等方面对原子力显微镜做了简要的介绍。

关键词：原子力显微镜；操作模式；应用

原子力显微镜最早是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁于1986年所发明的[1]，原于力显微镜是一种利用原子分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。因为原子力显微镜具有原子级别分辨率，被广泛应用于纳米尺寸及生命科学领域。文章从原子力成像及其在不同学科的应用进行详细的介绍。

1 原子力显微镜

原子力显微镜（AFM）是利用原子之间的作用力通过仪器的检测系统、反馈系统等成像。当探针针尖接触样品受到力的作用时悬臂发生形变，AFM通过扫描样品时探针的偏移量来构建三维图片，从而间接获得样品表面形貌[2]。原子力显微镜可以检测样品的拓扑结构与力学、电学等性能，是最近几十年表面成像重要的表征工具之一。目前原子力显微镜可以应用在不同的领域，AFM发挥不同的功能，当然在研究中AFM也存在一定的局限性及使用的困难。譬如在细胞生物工程研究中，液相下对细胞成像具有一定的难度，如针尖和细胞的粘附、扫描速度、频率、针尖的污染及清洗等问题，都是会面临及必须要解决的问题。

2 原子力显微镜基本成像模式

根据针尖与样品作用方式不同，原子力显微镜的操作模式主要分为接触模式、非接触模式和轻敲模式等三种，下面针对各种模式进行详细的介绍：

2.1 接触模式

在接触式AFM模式下，探针针尖始终与样品保持接触。针尖位于弹性系数很低的悬臂末端，悬臂的弹性系数低于原子保持在一起的作用力的有效弹性系数。当扫描管引导针尖在样品上方轻轻滑过时，接触作用力使悬臂发生弯曲，从而反映出样品表面形貌的起伏。在AFM中，力曲线在排斥力区间的斜率非常大，意味着当悬臂将针尖压向样品时，实际情况将是悬臂的弯曲程度远远大于针尖原子靠近样品原子的程度。哪怕使用更坚硬的悬臂来对样品施加更大的作用力，也不能让原子间的间距有显著减小。相反，这样做的结果往往是样品表面或针尖发生形变。

2.2 非接触式AFM

非接触式AFM技术是几种悬臂振动成像技术中的一种，成像时，AFM探针悬臂在样品表面附近处于振动状态。在非接触模式下，系统驱动硬度较高的悬臂在本振频率附近振动（一般为100-400kHz），振幅为几十至上百埃，并探测悬臂共振频率或振幅的变化。非接触模式下针尖与样品之间的吸引力通常相比接触模式下的排斥力小，并且更难以保持稳定。在非接触模式下，Z向反馈处于启用状态，系统对悬臂的共振频率或振幅的变化进行探测并随着形貌的起伏上下移动扫描管使之保持不变。通过这种方式，针尖一样品间距的平均值同样保持不变，Z向反馈信号用来生成成像所需数据。

2.3 轻敲模式

轻敲模式是所有AFM模式中最常见的一种，通过使用处于振动状态的探针针尖对样品表面进行敲击来生成形貌图像。扫描过程中，探针悬臂的振幅随样品表面形貌的起伏而变化。轻敲模式消除了对样品造成损伤并降低图像分辨率的横向力影响，从而可以对其他AFM技术无法扫描的样品进行成像。另一个重要的优点可以不受在常见成像环境下大多数样品表面都会附着的液体膜对图像的影响。一般来说，轻巧模式的悬臂共振幅度在几十纳米，可以保证针尖有足够的动能脱离表面的黏着，以保证稳态振动。而非接触式AFM的悬臂振幅则要求小很多。因此，通常在超高真空中，以非常缓慢的速度进行扫描，否则针尖很容易被粘在液体膜中。

一般而言，轻敲模式的效果优于非接触式AFM，尤其是对形貌起伏很大的样品表面上较大范围区域进行扫描成像。轻敲模式可以在其他或非腐蚀性液体环境下进行。

3 原子力显微镜的应用

原子力显微镜可以在真空、气体、液体中使用，应用非常广泛，目前被用于研究细胞生物学、生命科学、无机材料表面形貌、物理学等各方面。

3.1 细胞生物学的研究

原子力显微镜可以直接观察液相中的细胞，前提是事先将细胞培养在小的培养皿中或者经过氢氧化钠处理的盖玻片，检测时培养液不要太多，细胞培养之后置于AFM的扫描器下，选择液相环境对细胞进行表面形态的成像检测。AFM对活体细胞的成像不是很稳定，因为细胞与基底接触不是很牢固，在测试时，细胞有时会跟着探针滑动，有时甚至因为针尖的压力损伤细胞，从而造成细胞成像不理想。测试细胞成像时为了达到较好的效果，最好事先将细胞固定住，固定步骤：将培养好的细胞用2.5%戊二醛固定10分钟；之后用氮气吹干，最后采用轻敲式或接触式对细胞进行观测[3]。

3.2 原子力显微镜在生物大分子方面的应用

原子力显微镜在生命科学的应用主要是生物大分子，尤其是核酸和蛋白质方面。AFM具有原子级别的分辨率，可以用来检测DNA和DNA-蛋白的成像[4]。原子力显微镜AFM在生物复合物检测方面是比较有用的检测工具，在AFM检测下可以很容易的得到蛋白的形貌与大小。纳米生物学的研究主要是在纳米尺度上的的研究，包括细胞粘附，蛋白折叠以及蛋白间的相互作用力等，采用AFM可以直接检测出蛋白复合体之间的作用力，有助于研究细胞表面及蛋白间的相互作用力在生物大分子方面如蛋白质的检测应该注意蛋白的吸附固定，首先将蛋白质液滴滴加到基底上，根据需要在基底上吸附一定的时间，最后多余的液体用氮气将其吹走，吹干，此时样品准备完毕。将样品放于液体池中放置在检测台上，采用液相模式或轻巧模式进行蛋白成像[5]。测试蛋白吸附关键要注意的是蛋白与基底的结合，测试过程中应该注意扫描频率、探针施加力的控制。目前不同厂家的原子力显微镜具有相应的智能模式，可以根据不同点上样品的性能不同自行调节扫描参数以获得更好的图像。

4 结束语

原子力显微镜的用途广泛，AFM目前已经应用于较多科学研究领域，随着研究的发展及表征手段的严谨，AFM凭借其原子级别的分辨率和强大的功能，可以满足从拓扑结构到力学、电学、生物学、电化学等各方面的需求。近年来国内外研究表明，AFM在生物医学方面的应用具有很大的潜力，凭借其纳米水平的分辨率，再跟其他的表征手段相结合，可以推动多个学科的发展，势必推动AFM技术必将会成为常规的表征方法。

参考文献

[1]Binnig G， Quate CF， Gerber C. Atomic force microscope[J]. Phys Rev Lett，1986，56：930-936.

[2]白春礼，田芳，罗克.扫描力显微术[M].北京：科学出版社，2000.

[3]张德添，张飒，何昆，等.原子力显微镜在生物医学中的应用[J].现代仪器，2004，1-4.

[4]郑伟民，蔡继业.原子力显微镜在DNA领域中研究应用[J].现代仪器，2006，1：9-12.

[5]曲秋莲，张英鸽.用原子力显微技术测定蛋白质分子间及分子内的作用力[J].军事医学科学院刊，2003，27（1）：60-63.