生物型原子力显微镜测定表面电势的功能拓展

张金娜，李冬梅，赵晟锌，王 科

(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090)

生物型原子力显微镜测定表面电势的功能拓展

张金娜，李冬梅，赵晟锌，王 科

(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090)

Bruker公司生物型原子力显微镜，主要用于生物及材料样品的表面形貌观察. 通过对样品台及控制器进行改装，加装偏压电源，并对软件进行升级，使系统初步实现表面电势测定功能，拓展了仪器的应用范围.

原子力显微镜；生物型；表面电势；功能拓展

原子力显微镜是探测原子间相互作用力的一种显微镜，由于其分辨率高、制样简单而备受关注，并在生命科学、材料科学等领域发挥的重要作用[1].根据检测信号的不同还发展出许多其类型的显微镜，如横向力显微镜，磁力显微镜、静电力显微镜等.通常原子力显微镜主要用于微生物及膜等材料的表面二维和三维形貌观察，同时可测长、宽等尺寸数据，并进行表面粗糙度、颗粒度等数据分析.随着我院研究方向的拓展，对样品表面电荷测试的需求逐渐增多，此项测试一般是通过开尔文力显微镜完成，生物型原子力显微镜并不具备此项功能.通过对开尔文力显微镜原理的研究及厂家工程师的咨询，我们对现有仪器进行改造，增配相关附件，调整软件参数，使现有的生物型原子力显微镜初步具备测定表面电势的功能，拓宽了仪器的应用范围.

1 表面电势测定原理

表面电势的测试通常是用开尔文力显微镜来完成的.开尔文力显微镜是近10年来在原子力显微镜基础上发展起来的一项微纳米表面分析技术.该技术可以在微纳米尺度下同时观察样品表面形貌和表面电荷分布[2-3].在测量表面形貌时，探针的针尖与样品表面发生接触；而后针尖从样品表面抬起一个固定高度，在克服掉表面行形貌影响下导电探针和样品表面电荷之间的静电力就会显示出来.探针的微悬臂梁由于电场力影响产生挠度或振动相位的微小变化，通过对挠度或相位处理信号的采集和处理从而实现表面电势的测量[4-5].在开尔文力显微镜中利用该技术测试表面电势时，探针与样品表面接触，针尖电势与针尖-样品之间的接触电势差相等时，针尖与样品之间的作用力等于零，此时检测到的针尖电势为针尖与样品的实际接触电势，扣除针尖电势即可得到样品的表面电势[6].其具体过程如下：首先在平行板电容器假设下导出探针与样品间的电场力

(1)

然后将探针和样品间实际的电势差代入，包含待测的接触电势差、补偿电势Vdc和引起探针振动的电势Vac

(2)

将上式展开，根据作用力与频率的关系分为三类作用力，

(3)

(4)

(5)

从一倍频作用力的表达式可以看出，当补偿电势Vdc调节至恰好与待测接触电势差相等时，该力为0. 根据力与振幅的关系

(6)

可知此时一倍频的振幅为0，所以将令一倍频振幅为0的那个补偿电势就是要测的电势，其原理如图1所示.

图1 表面电势模式简化示意图[7]

扫描过程使用的是导电探针，在针尖或样品上施加一定偏压，利用AFM的表面成像功能，对样品表面形貌进行面扫[8].通过针尖施加直流电场+交流电场，改变直流电场大小直至交流电场所造成的探针同频率的振幅变化为零，这时的直流电场就是针尖和表面电势的差.在表面电势扫描时，按照前面的扫描轮廓抬举一定高度再扫一遍，表面电势的变化就是针尖上增加的直流电场+交流电场的变化，如图2[9].

图2 针尖和样品的能带图

2 生物型原子力显微镜功能拓展—表面电势测定

实际应用中，表面电势的测定通过在探针和样品之间施加恒定的电压来控制电场力.这个电压既可以加在探针上也可以加在样品上.若偏压加在针尖上则实测电势差V=Vsample-Vtip，若偏压加到样品上，则V=Vtip-Vsample.在EFM中一般是将偏压加在针尖上，现有生物型原子力显微镜探针的移动扫描直接通过压电陶瓷管的压电效应来控制，探针本身不带电，不能预先设定针尖偏压，因此我们试图将偏压加到样品上，具体操作办法是从E-box模块引出电源作为样品偏压，电压在控制器中产生，通过它加到样品上.在电场力较强的情况下，在扫描时利用锁相放大器将特定频率信号的振幅和相位滤出.通过potential的反馈回路，监控一倍频探针振动的振幅与相位符号的乘积，调节DC使施加在样品上的信号中的一次谐波项为零.

2.1 硬件改造

从E-box里面的 sample bias外接电源线一根，将其连接到载物台上，每次进行测定时将原载物台与显微镜底架之间加装绝缘板，测试完毕后需卸载绝缘板以保证其他模式能够正常使用.

2.2 软件设置

在软件操作界面中，将操作平台切换到Surface Potential 模式，在“Inter leave Controls”菜单中，设置为“Sample Bias”，样品偏压的可设范围是±10V.我们一般设定偏压在±3V以内，过大的电压可能会将样品表面极化.将数据通道1中Data Type设为“Height”，将数据通道2的Data Type设为“Potential”，Scan Line设为“Interleave”，Line Direction 设为“Retrace”，同时需要变更参数aspect ratio 设定为1∶1.其他参数以轻敲模式的步骤设定并优化，并根据样品变化随时调整，使系统能够获得重合良好的形貌图.

2.3 其他增配附件

导电型探针(型号SCM-PIT)，HOPG-12型石墨载体，绝缘板.

改造后可测量样品(导体，半导体)表面电荷分布，样品任意点电势及不同点之间的电势差值，任意区域电势均值.

3 测量案例

3.1 无机膜表面电势的测定

首先对准对称无机膜(QSTFI)的表面电势分布进行测试.准对称无机膜的制备过程为：正硅酸乙酯在致密的不锈钢网上发生界面溶胶凝胶反应，经过高温处理后得到文中的受试无机膜.该膜能够在正向渗透模式下实现水中离子和水分子的分离.这主要是由于其内部由无定形的无机Si-O网络组成，而表面含有大量的硅羟基，SiO2凝胶的等电点为pH=2.5，在常规测试条件下，pH>6.0，这使得其表面在吸收空气中的水分后应呈现负电态.

步骤如下：

1)测试前，将膜样品固定在AFM载物台上；将 AFM 的工作模式调到 surface potential 模式下；

2)对膜表面同一相对光滑的区域以不同的扫描方向或不同的扫描面积进行扫描测量.

3)操作时，针尖与样品间距一般为10～200 nm，进行成像操作时，每条扫描线上都进行两次扫描测量.第二次扫描时，针尖(相对于样品表面)抬起高度设定为100 nm左右.

4)获得信息：可以获得样品表面形貌，电势分布情况等，得到如下结果(图3).

图3 无机正向渗透膜样品表面电荷测试结果

由测试结果可知，膜样品的表面电势为负值，表面电势范围是-166～-97.7 mV[10]，整个区域平均电势为-131 mV，说明膜样品和探针间有电场特性存在.

3.2 污泥表面电荷的测定

在生物絮体表面特性中，微生物絮体的表面电荷是关系到活性污泥絮体稳定性及沉淀性能的关键参数.当絮体表面负电荷增加，则静电斥力增加，絮体难以聚集，降低微生物絮体稳定性；当表面负电荷减少，静电斥力随之降低，增加了微生物絮体的稳定性[11].利用改造后的AFM对活性污泥微生物样品的表面电势进行测定，测试样品固定在石墨片上，其他步骤同上，选取扫描区域后进行扫描，得到扫描区形貌图如图4(A)所示，整个扫描区域电荷分布如图4(B)所示，由软件计算得到整个扫描区域表面电势平均值为-43.5mV.其中不同颜色显示代表表面电势的高低区分，由下至上电势值逐渐降低，说明样品表面各点与探针间的电场力是有变化的，样品表面带负电荷，此结果已得到国际权威杂志认可[11].

图4 活性污泥样品表面电荷测试结果

4 结 语

通过对现有生物型原子力显微镜进行硬件改造，外接偏压到样品台，使样品带电，从而可以检测样品的表面电势变化，对膜和生物样品进行测试，得到了较好的实验结果，拓宽了仪器的应用领域.

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Measurement of surface potential using biotype AFM

ZHANG Jin-na, LI Dong-mei, ZHAO Sheng-xin, WANG Ke

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

The Bioscope AFM (Bruker, US) is used for observing the microscopic morphology of the biological samples. The function of AFM can be extended to measure the surface electric potential by modifying the sample platform and controller, adding bias and updating the software. The AFM after modification can realize the measurement of the electric potential and force for the material surface.

AFM; biotype; surface electric potential; function expansion

2016-12-20.

国家自然科学基金青年科学基金项目(51208142)

张金娜(1982-)，女，博士，工程师，研究方向：原子力显微镜分析测试.

TH 742.9

A

1672-0946(2017)02-0180-04