原子力顯微鏡的介紹及原理

 

隨著科學技術的發展，生命科學開始向定量科學方向發展。大部分實驗的研究重點已經變成生物大分子，特別是核酸和蛋白質的結構及其相關功能的關系。因為AFM的工作范圍很寬，可以在自然狀態（空氣或者液體）下對生物醫學樣品直接進行成像，分辨率也很高。因此，AFM已成為研究生物醫學樣品和生物大分子的重要工具之一。AFM應用主要包括三個方面：生物細胞的表面形態觀測；生物大分子的結構及其他性質的觀測研究；生物分子之間力譜曲線的觀測。

 

原子力顯微鏡研究對象可以是有機固體、聚合物以及生物大分子等，樣品的載體選擇范圍很大，包括云母片、玻璃片、石墨、拋光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中常用的是新剝離的云母片，主要原因是其非常平整且容易處理。而拋光硅片要用濃硫酸與30%雙氧水的7∶3混合液在90℃下煮1h。利用電性能測試時需要導電性能良好的載體，如石墨或鍍有金屬的基片。

 

試樣的厚度，包括試樣臺的厚度，為10mm。如果試樣過重，有時會影響Scanner的動作，請不要放過重的試樣。試樣的大小以不大于試樣臺的大小（直徑20mm）為大致的標準。稍微大一點也沒問題。但是，值約為40mm。如果未固定好就進行測量可能產生移位。請固定好后再測定。

 

原子力顯微鏡（atomicforcemicroscope，簡稱AFM）利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達到檢測的目的，具有原子級的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導體，也可以觀察非導體，從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。原子力顯微鏡是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧于一九八五年所發明的，其目的是為了使非導體也可以采用類似掃描探針顯微鏡（SPM）的觀測方法。原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）的差別在于并非利用電子隧穿效應，而是檢測原子之間的接觸，原子鍵合，范德瓦耳斯力或卡西米爾效應等來呈現樣品的表面特性。

 

原子力顯微鏡的基本原理是：
將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。我們以激光檢測原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscopeEmployingLaserBeamDeflectionforForceDetection,Laser-AFM）來詳細說明其工作原理。