AFM原子力显微镜

【简介】

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)：是一种可以用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖，使之与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，会使悬臂发生微小的偏转。通过检测出偏转量并作用反馈控制其排斥力的恒定，就可以获得微悬臂对应于各点的位置变化，从而获得样品表面形貌的图像。

原子间范德瓦尔斯力

成像模式：

(1)接触模式：针尖与样品表面距离小，利用原子间的斥力;可获得高解析度图像;样品变形，针尖受损;不适合于表面柔软的材料。

(2)非接触模式：针尖距离样品5-20nm,利用原子间的吸引力，不损伤样品表面，可测试表面柔软样品;分辨率低，有误判现象。

(3)轻敲模式：探针在Z轴维持固定频率振动，当振动到谷底时与样品接触，对样品破坏小，分辨率几乎同接触模式相同。

原子力显微镜的优点：

(1)样品无需导电;

(2)能在多种环境(如真空、大气、液体、低温等)下工作;

(3)能得到物体表面的高分辨三维像;

(4)能对单细胞、单分子进行操作，如在细胞膜上打孔、切割染色体等。

AFM的应用实例：

(1)表征液体中生物样品

链球菌素的结构研究：a)，溶血素被标域的晶体结构;b),一种具有原子结构孔隙低聚物微结构的低温电子显微镜图的截面图;c),在水溶液中测得的具有(b)结构模型孔隙的AFM 3D表面形貌d),c)的高度剖面图

(2)生物样本的自组装过程观察

产气荚膜梭菌的胆固醇结合细胞溶素从孔隙形成前到孔隙组装一起的转变。(a-c) 胆固醇衣片密集群同一区域的AFM序列图片;(d,e)是组装前后更大放大倍数的AFM图

(3)表征纳米力学性质

AFM测量细胞刚度的模型：(a)在液体环境中测细胞的压缩应变;(b)AFM的力-压痕曲线可测量细胞弹性(黄线)和附着力(蓝线);(c)应力和应变弛豫曲线研究与时间相关的细胞行为;(d)功能化的原子力显微镜针尖常用作单细胞相互作用实验;(e)球形针尖或对原子力显微镜悬臂做物理修改可用于测量力的分布。

(4)薄膜材料的表面形貌

(a) 一种基于电荷注入机制的电式纳米装置的示意图; (b)CNP2-P样品(Vet=3V，electro-typing)2×2µm2区域的输出图像，对应于谱线图f中的黑色曲线;(c) electro-typing 30分钟后的4×4µm2区域输出图像(VR=3V，Read-out)，对应谱线图f中的红色曲线;(d)electro-typing 360分钟后的4×4µm2区域输出图像(VR=3V，Read-out);(e)相同区域无electro-typing的输出图片，对应谱线图f中的粉红色曲线;(f)所有扫描图像对应的谱线图。

(5)不同条件下菱铁矿的表面研究

AFM峰值力轻敲模式下菱铁矿(Ⅰ)和吸附着油酸盐的菱铁矿(Ⅱ)图像:(a) 2D高度像;(b)3D高度像;(c)峰值力误差信号像

(6)大气环境下结肠癌细胞形态学(高度、长度、宽度和粗糙度)表征

经富勒醇培养48小时的单核和多核SW480结肠癌细胞的AFM像：(a-c)对照组SW480细胞结构;(d)单核SW480细胞的3D结构;(e，f)多核SW480细胞的3D结构。

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