原子力显微镜的应用

　　原子力显微镜的用途广泛，目前已经应用于较多科学研究领域，随着研究的发展及表征手段的严谨，原子力显微镜凭借其原子级别的分辨率和强大的功能，可以满足从拓扑结构到力学、电学、生物学、电化学等各方面的需求。

原子力显微镜在物理学中的应用

　　在物理学中，原子力显微镜可以用于研究金属和半导体的表面形貌、表面重构、表面电子态及动态过程，超导体表面结构和电子态层状材料中的电荷密度等。从理论上讲，金属的表面结构可由晶体结构推断出来，但实际上金属表面很复杂。衍射分析方法已经表明，在许多情况下，表面形成超晶体结构(称为表面重构)，可使表面自由能达到Z小值。而借助原子力显微镜可以方便地得到某些金属、半导体的重构图像。原子力显微镜已经获得了包括绝缘体和导体在内的许多不同材料的原子级分辨率图像。

　　纳米摩擦学是摩擦学新的分支学科之一，它对纳米电子学、纳米材料学和纳米机械学的发展起着重要的推动作用，而原子力显微镜在摩擦学研究领域的应用又将极大地促进纳米摩擦学的发展。原子力显微镜不仅可以实现纳米级尺寸微力的测量，而且可以得到三维形貌、分形结构、横向力和相界等信息，尤其重要的是还可以实现过程的测量，达到实验与测量的统一，是进行纳米摩擦学研究的一种有力手段。

　　近年来，应用原子力显微镜研究纳米摩擦、纳米磨损、纳米润滑、纳米摩擦化学反应和微型机电系统的纳米表面工程等方面都取得了一些重要进展。总之，原子力显微镜在纳米摩擦学研究中获得了越来越广泛的应用，已经成为进行纳米摩擦学研究的重要工具之一。

原子力显微镜在电化学中的应用

　　现场扫描隧道显微镜在电化学中应用广泛，但存在法拉第电流等的干扰，而原子力显微镜在水或电解质溶液等电化学环境下工作稳定，因此化学工作者努力将原子力显微镜应用于现场电化学。

　　1991年Manne等人使diyi个现场电化学原子力显微镜(ECAFM)实验获得成功，目前原子力显微镜已成功应用于现场电化学研究。这些研究主要有3个方向:界面结构的表征、界面动态学和化学材料及结构，如观察和研究单晶、多晶局部表面结构、表面缺陷和表面重构、表面吸附物种的形态和结构、金属电极的氧化还原过程、金属或半导体的表面电腐蚀过程、有机分子的电聚合及电极表面上的沉积等。

　　在电化学环境下，将原子力显微镜应用于对材料表面的纳米加工或修饰是当前的一个热门课题。在原子力显微镜的作用下，可在材料表面均匀地产生大量金属纳米颗粒、诱导硅的局域刻蚀、增强导电聚合物的局域聚合等。

原子力显微镜在生物大分子结构研究中的应用

　　原子力显微镜在生物大分子结构研究中具有明显优势，主要表现在:对样品无需用重金属包裹或者制作金属复制物，可以在空气或者各种溶剂体系中直接观测，能够在接近生理环境的条件下直接进行研究，这是其它化学和物理分析方法所无法比拟的;通过控制成像操作力的大小，采用合适的成像模式不会引起样品分子的漂移和损坏，图像的可重复性大大提高;现场操作性好，能够研究监测整个生化反应的动力学过程;载体的选择则更加简单，范围也更大。这些优点已使原子力显微镜成为这个领域的重要工具，并且具有很大的发展前景。

　　1、脱氧核糖核酸

　　自从Lindsay等首次用原子力显微镜获得脱氧核糖核酸的图像以来，原子力显微镜已经成为研究核酸分子结构的重要工具。1992年，Bustamante等用原子力显微镜在室温和干燥空气条件下得到可重复的质粒DNA的图像，图像重复性良好并且分辨率达到分子级水平，可以清晰地观测到三维环状DNA分子的结构，并可估算分子的宽度和高度。另外，Hansma等在丙醇体系中用轻敲式研究小片断DNA和双链DNA的分子结构，得到分辨率2nm的高清晰度图像。以上两点是原子力显微镜研究生物大分子的两个重大突破。

　　2、蛋白质

　　原子力显微镜在膜蛋白、游离的蛋白质分子及结晶的蛋白质等3个方面都有重要应用。例如，可以用原子力显微镜研究蛋白质结晶的动态过程，Zda的优点是蛋白质晶体在母液中的生长过程，可以在几乎不受外界干扰下用图像的方式记录下来，用于研究大分子晶体生长的机制及一些相关现象。

　　3、多糖

　　由于多糖分子往往带有支链，分子的均一性及线性不如DNA和蛋白质好，相对而言得到的图像的分辨率差一些，但是近年来这方面的发展很快，取得了很多进展。具体表现为:用原子力显微镜观测多糖分子的高级结构;用原子力显微镜观测二维多糖网络结构，并研究了多糖浓度及几种离子在不同浓度下对凝胶网络形成的影响;用原子力显微镜直接观察以纤维素微纤维素为主体的植物细胞壁。

　　近来Kuznetso等用原子力显微镜与计算机模拟技术相结合的方法来研究蛋白质晶体的空间结构，这为研究DNA等生物大分子的空间三维结构提供了重要启示。尽管原子力显微镜的分辨率受到探针曲率半径的制约，但由于其良好的性能，无疑将会在生物大分子结构研究中发挥重要作用。