一文读懂AFM，从道理到操做 – 质料牛

扫描隧讲电子隐微镜要供样品概况可能约莫导电，文读只能直接不雅审核导体战半导体的从道操概况挨算，对于非导电样品则要正在概况拆穿困绕一层导电薄膜，质料导电薄膜的文读粒度战仄均性易以保障，会偏呵护样品概况的从道操细节，为了抵偿STM的质料那一不敷，1986年Binning，文读Quate战Gerber收现了第一台簿本力隐微镜AFM。从道操

AFM的质料根基工做道理：

图1. AFM组成示诡计

簿本力隐微镜是将一个对于庞鼎力极敏感的微悬臂一端牢靠，此外一端有一重大的文读针尖，针尖与样品概况悄然干戈，从道操由于针尖尖端簿本与样品概况簿本间存正在沉重大的质料熏染激能源（斥力或者范德华力），经由历程扫描时克制那类力的文读恒定，带有针尖的从道操微悬臂将对于应于针尖与样品概况簿本间熏染激能源的等位里而正在垂直于样品的概况标的目的笔直行动。操做光教检测法战隧讲电流检测法，质料可能测患上微悬臂对于应于扫描各面的位置修正，从而患上到样品的概况形貌疑息。

AFM操做模式：

干戈式：

图2. AFM干戈式探针与样品示诡计

该格式所感知的力是干戈簿本的中层电子相互倾轧的库伦力，那类相互倾轧的库伦力小大小正在10^-8~10^-11 N，该格式可能晃动天患上到下分讲率样品概稍微不美不雅形貌图。倾向倾向是检测弹性模量低的硬量样品时，样品表层正在针尖里的熏染感动下会产去世变形，导致划伤；针尖战样品干戈并滑止，随意使探针尖磨益导致誉坏。

非干戈式：

该模式下丈量的熏染激能源因此范德华力为主的排汇力，针尖-样品间的距离小大约5-20 nm。非干戈模式下针尖丈量时不会使样品概况变形，同时针尖也不随意磨益，但玄色干戈模式丈量锐敏度要低些。

沉敲式：

图3. AFM 沉敲式示诡计

该模式是用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂振动，其振动频率偏偏下于探针的最低机械共振频率，探针可能约莫对于驱动旗帜旗号起放大大熏染感动，当把那类受迫振动的探针调节到样品概况时，探针与样品概况会产去世重大的排汇力，那类排汇力会使探针的共振频率降降，驱动频率战共振频率的产局删小大，探针剪短振幅削减，用激光检测出振幅的修正便可能推测出样品概况的笔直。

该模式实用天克制了扫描历程中针尖划伤样品的倾向倾向战针尖被拖过样品而受到磨擦力等的影响。

相移模式：

图4. 相移模式示诡计

做为沉敲模式的一项尾要扩大足艺，相移模式是经由历程检测驱动微悬臂探针振动的旗帜旗号源的相位角与探针真践振动的相位角之好的修正去成像。

AFM三小大特色：

簿本级的下分讲率：

光教隐微镜的放大大倍数同样艰深不逾越1000倍，电子隐微镜的放大大倍数极限为100万倍，而AFM的放大大倍数能下达10亿倍。

图5. Au(001)概况溅射单晶的AFM图像

不雅审核活的去世命样品：

电子隐微镜的样品必需妨碍牢靠、脱水、切片等处置，只能不雅审核去世的细胞或者妄想，由于簿本力隐微镜的样本可以是种种物量，正在小大气条件或者溶液中皆能妨碍，可能不雅审核活的去世命样品及其动态历程。

图6. 癌细胞的AFM图像

减工样品的力动做：

除了能测试样品的硬度战弹性等，AFM借能产决战激战丈量电化教反映反映，具备对于标本的份子或者簿本妨碍减工的力动做，好比搬移簿本，切割染色体等。

AFM操做真例：

1. 簿本力隐微镜钻研小鼠睁开板硬骨删去世区收育历程中的挨算战力教功能^[1]

睁开板（growth plate, GP）是一种动态妄想，经由历程硬骨细胞删殖，肥小大战基量产去世去驱动骨骼伸少。细胞中基量（extracellular matrix, ECM）是GP去世物力教特色的尾要抉择成份，并被感应答硬骨细胞的多少多中形战摆列起闭头熏染感动，从而指面安妥的睁开板形态产决战激战骨伸少。为了申明硬骨形态产去世历程中形态与去世物力教之间的关连，本文经由历程AFM钻研了小鼠从胚胎期到成年期GP删去世区的年龄依靠性挨算战弹性特色。

图7. 小鼠胚胎战收育阶段的AFM图像战ECM详细图像

图8. 小鼠成去世阶段的AFM图像战ECM详细图像

从胚胎第13.5天到诞去世躲世后第2周，细胞逐渐变仄并摆列成列，那与胶本卵黑稀度战ECM硬度的删减有闭，随后从第2详尽4个月，细胞中形，胶本卵黑稀度战ECM硬度多少远恒定。而且收当初所熟年纪段，柱内基量战柱间基量之间的胶本汇散稀度战妄想挨算存正在赫然好异，部份ECM刚度的好异可能会迫使细胞正在细胞割裂后摆列成柱状挨算，并正在胚胎战少年收育历程中驱动骨骼伸少。

2. 簿本力隐微镜商讨沥青的份子挨算^[2]

正在真践糊心中，份子同样艰深以异化物模式存正在，煤油是此类异化物中最尾要的，也是现古人们碰着的最重大的质料之一，其化教成份可能逾越100,000中。本油的尾要已经分解成份是沥青量，体味沥青量的挨算具备宏大大的经济价钱战研借价钱，是竖坐煤油化教中挨算与功能关连的先决条件。但它们的份子计划一背受到抵赖：有钻研感应单个沥青量份子尾要收罗一个多环芳烃，而其余钻研批注，具备多个多环芳烃的挨算也有贡献。

本文散漫扫描隧讲隐微镜STM战簿本力隐微镜AFM，妨碍轨讲成像商讨沥青量的多环芳烃，患上到了沥青量单个份子的簿天职讲率高温AFM图，并散漫AFM图像妨碍挨算假如，正在比力度较强的地域，经推普推斯滤波的图像可能约莫隐现其余细节，而LUMO战HOMO的轨讲图像则用于进一步申明份子挨算。

图9. 煤衍去世的沥青量的AFM图像战STM图像

图10. 基于AFM丈量战STM轨讲图像提出的沥青量挨算。X展现碳骨架内的已经知部份（概况是CH，CH₂，N，NH，Om或者S），R展现已经知的侧链基团。

3. 簿本力隐微镜对于水汇散的超下分讲率成像^[3]

正在金属概况上睁开的水层中存正在部份缺陷，且对于概况的润干历程有很小大影响。可是，那类挨算是出法用宏不美不雅格式检测到的。本文经由历程操做非干戈AFM战份子功能化针尖，患上到了铜（110）概况上单水层的超下分讲率成像。

图11. 五边形水链最后的STM（顶部）战AFM（中间）图像，最后的簿本挨算叠减正在经由推普推斯滤波的AFM图像上（底部）。

图12. 六边形水层可视化成像

AFM的尖端被一氧化碳停止，尾要成像的是氧气簿本，氢簿本的贡献很小。AFM图像中的氧气骨架批注，收罗部份缺陷战边缘的水汇散由五边形战六边形环组成。本文提醉了带有功能化探针的AFM正在金属概况的水份子层可视化圆里的操做，收罗其缺陷，边缘战地域边界，增强了簿本力隐微镜对于表征强键开份子组拆体簿本挨算的开用性。

参考文献

[1] C. Prein, N. Warmbold, Z. Farkas, M. Schieker, A. Aszodi, H. Clausen-Schaumann, Structural and mechanical properties of the proliferative zone of the developing murine growth plate cartilage assessed by atomic force microscopy, Matrix Biology, 50 (2016) 1-15.

[2] B. Schuler, G. Meyer, D. Peña, O.C. Mullins, L. Gross, Unraveling the molecular structures of asphaltenes by atomic force microscopy, Journal of the American Chemical Society, 137 (2015) 9870-9876.

[3] A. Shiotari, Y. Sugimoto, Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy, Nature Co妹妹unications, 8 (2017) 14313.

本文由秋秋供稿。

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