原子力顯微鏡的核心技術(shù)與應(yīng)用

萬(wàn)旻億

摘 要：原子力顯微鏡是一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。原子力顯微鏡的成像原理是根據(jù)檢測(cè)樣品和針尖之間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)高分辨成像。要達(dá)到這一點(diǎn)，首先要保證懸臂頂端的針尖和樣品表面有一定的力的接觸，然后再對(duì)樣品進(jìn)行相對(duì)掃描，使得微懸臂因?yàn)獒樇夂蜆悠分g的作用力發(fā)生改變而發(fā)生形變，再通過(guò)電學(xué)或光學(xué)的方法來(lái)檢測(cè)形變并在電腦上形成圖像。該文主要對(duì)原子力顯微鏡的核心技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：原子力顯微鏡 核心技術(shù) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH742 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（b）-0240-02

原子力顯微鏡的成像原理是根據(jù)檢測(cè)樣品和針尖之間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)高分辨成像。要達(dá)到這一點(diǎn)，首先要保證懸臂頂端的針尖和樣品表面有一定的力的接觸，然后再對(duì)樣品進(jìn)行相對(duì)掃描，使得微懸臂因?yàn)獒樇夂蜆悠分g的作用力發(fā)生改變而發(fā)生形變，再通過(guò)電學(xué)或光學(xué)的方法來(lái)檢測(cè)形變并在電腦上形成圖像。AFM有獨(dú)特的特點(diǎn)，如能夠在低溫、真空等多種環(huán)境下工作， 尤其在溶液狀態(tài)下生物樣品保持自然狀態(tài)，避免樣品的變形；能夠形成高分辨物體表面的三維形貌；樣品不需要導(dǎo)電；可以對(duì)動(dòng)態(tài)進(jìn)行連續(xù)分析。所以研究者通過(guò)觀察樣品的連續(xù)成像，來(lái)了解某些生物的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

1 原子力顯微鏡的核心技術(shù)

雖然原子力顯微鏡發(fā)展僅僅只有十幾年，但是發(fā)展卻是十分迅速，為了使其使用范圍更加廣泛，讓其分辨率高的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到極點(diǎn)，同時(shí)還要彌補(bǔ)存在的一些問(wèn)題，如尋找待檢樣品較困難，將原子力顯微術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合，可以更好的促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展。有關(guān)科研人員將針尖改造之后與其他技術(shù)相結(jié)合，來(lái)適應(yīng)一些特殊研究的需要。Manalis小組把微小的尋址電位傳感器放在針尖上，形成可以掃描的探針電位儀，這樣的結(jié)合可以使原子力顯微鏡的定位更加準(zhǔn)確。還有一種聯(lián)用技術(shù)，就是一些其他的顯微鏡與原子力顯微鏡相結(jié)合一起發(fā)展。如Vesenka等把原子力顯微鏡與光學(xué)顯微鏡相結(jié)合，先用光學(xué)顯微鏡對(duì)待測(cè)樣品簡(jiǎn)單的定位，再用原子力顯微鏡對(duì)待測(cè)樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)的觀察。一些科研人員還把原子力顯微鏡與電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，用原子力顯微鏡可以觀察到電化學(xué)技術(shù)中肉眼看不到的東西，如測(cè)得的靜電力、吸附在電極表面的小分子物質(zhì)等。Kelley等還對(duì)生物電化學(xué)技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合研究，利用電極來(lái)控制DNA單層膜取向，這種技術(shù)可以研發(fā)生產(chǎn)成電化學(xué)納米開(kāi)關(guān)，也可以在納米電子器件與DNA傳感器中應(yīng)用。這樣可以很好的解決原子力顯微鏡尋找樣品的困難，這也是原子力顯微鏡的一個(gè)很好的發(fā)展方向。Ikai小組把熒光顯微鏡和原子力顯微鏡結(jié)合在一起，其主要是用于研究單細(xì)胞工程，如果這兩種技術(shù)結(jié)合之后，發(fā)展較好，可以解決很多問(wèn)題，如高靈敏的單分子定位與納米水平的操縱，這也會(huì)使得單細(xì)胞工程有較大的發(fā)展空間。但是Joachimsthaler等更加走在科技的前言，研發(fā)出可以將原子力顯微鏡安裝在掃描電子顯微鏡上，可以更好的研究微觀世界。首先是先在掃描電子顯微鏡中看到一個(gè)特定的區(qū)域，對(duì)此區(qū)域鎖定特殊的目標(biāo)，然后再用原子力顯微鏡對(duì)原子等較小分子進(jìn)行觀察、精準(zhǔn)測(cè)量。

2 原子力顯微鏡的應(yīng)用

由于掃描過(guò)程是逐行掃描的，每行的掃描時(shí)間非常短。如果樣品的高低起伏比較大，致使有部分樣品表面探測(cè)不到而不能真實(shí)反應(yīng)形貌。所以通常要求樣品表面平整度較好，又由于所測(cè)的是微觀區(qū)域，至少要求局部較為平整。例如，一般來(lái)說(shuō)樣品脆斷面起伏都較大，不太容易得到較好的圖像，有時(shí)甚至?xí)p壞探針。原子力顯微鏡的應(yīng)用范圍十分廣泛，其適用于生物、高分子、陶瓷、金屬材料、礦物、皮革等固體材料等的顯微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，以及粉末、微球顆粒形狀、尺寸及粒徑分布的觀測(cè)等。

2.1 原子力顯微鏡在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用

原子力顯微鏡在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，在這里介紹其在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用。細(xì)胞是生命活動(dòng)和生命體結(jié)構(gòu)的基本單位， 關(guān)于生命的奧秘都要從細(xì)胞中去發(fā)現(xiàn)、探討。隨著科技的不斷發(fā)展，人們研究的方向越來(lái)越廣，研究的內(nèi)容越來(lái)越深，如現(xiàn)在的生物學(xué)研究已經(jīng)從細(xì)胞的群體逐漸向單細(xì)胞方向研究，更加的細(xì)致。研究的內(nèi)容觀察時(shí)是需要連續(xù)動(dòng)態(tài)分析的與更高分辨能力的儀器，而原子力顯微鏡剛好滿足這樣的要求，它可以觀察細(xì)胞的納米結(jié)構(gòu)和細(xì)胞的一些連續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程。原子力顯微鏡從研發(fā)到應(yīng)用只有十幾年，但是卻廣泛的應(yīng)用在各個(gè)研究領(lǐng)域，借助此儀器可以更好地了解細(xì)胞功能和結(jié)構(gòu)之間存在的關(guān)系，還可以用于針尖和樣品之間的相互作用來(lái)識(shí)別成像。

2.2 原子力顯微鏡在電化學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

原子力顯微鏡在電化學(xué)領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用，但是應(yīng)用的穩(wěn)定性會(huì)受到法拉第電流等因素的影響。因此，必須要重點(diǎn)解決這一問(wèn)題。目前，研究人員已經(jīng)針對(duì)界面結(jié)構(gòu)表征、界面動(dòng)態(tài)學(xué)、化學(xué)材料、化學(xué)結(jié)構(gòu)、多晶表面重構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、表面吸附物種等進(jìn)行了研究，并取得了突出的成果。原子力顯微鏡在物理學(xué)中的應(yīng)用主要集中于金屬、半導(dǎo)體表面形貌、表面重構(gòu)的研究，多數(shù)情況下，利用原子力顯微鏡都可以得到半導(dǎo)體與金屬重構(gòu)圖像。

2.3 原子力顯微鏡在生命科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

原子力顯微鏡也是解決生命科學(xué)問(wèn)題的重要工具，大量的研究人員利用這一技術(shù)獲取了DNA圖像，自此之后，原子力顯微鏡成為解決DNA分子的有效工具。

halobacterium halobim首先用原子力顯微鏡研究紫膜上的視紫紅蛋白，之后科學(xué)家們又對(duì)游離蛋白質(zhì)進(jìn)行研究并取得了很大成功，如免疫蛋白、膠原蛋白、肌動(dòng)蛋白、巨球蛋白等；原子力顯微鏡在多糖方面的研究比較晚，但是也取得了突出的成效。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然原子力顯微鏡被廣泛的應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，但是也有缺點(diǎn)，如樣品和針尖接觸時(shí)，環(huán)境不好會(huì)污染樣品或針尖，這樣進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)分析就較為困難。針尖的曲率半徑會(huì)影響原子力顯微鏡的分辨率。 為了在更多領(lǐng)域進(jìn)行良好的應(yīng)用，對(duì)原子力顯微鏡有以下展望：第一要研發(fā)出的原子力顯微鏡帶有分子識(shí)別能力，目的是為了將復(fù)雜體系中形貌差不多的生物分子區(qū)分開(kāi)來(lái)；第二要研發(fā)出掃描快速的原子力顯微鏡，目的是為了更好地觀察一些生物學(xué)領(lǐng)域的快速動(dòng)態(tài)過(guò)程；第三要開(kāi)發(fā)出新的樣品制作技術(shù)，目的是為了將顯微鏡對(duì)細(xì)胞的損傷降到最低；最后就是要通過(guò)應(yīng)用聯(lián)用技術(shù)來(lái)擴(kuò)大原子力顯微鏡應(yīng)用范圍。相信在未來(lái)原子力顯微鏡會(huì)在更多的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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