原子力显微镜成像要点

　　原子力显微镜(AFM)作为现代微观领域研究的重要工具，在表面分析中具有广泛的应用，它具有非常高的分辨率，是近年来表面成像技术中Z重要的进展之一。

原子力显微镜探针

　　探针(包括微悬臂和针尖)是原子力显微镜的核心部件，直接决定原子力显微镜的分辩率。在针尖与样品的接触模式中，为了不使针尖损坏样品，就要求微悬臂具有相对低的力常数，即受到很小的力就能产生可检测到的位移。对微悬臂还有横向刚性的要求，目的是要减小横向力的影响。因为在微悬臂上针尖与样品的摩擦力会引起微悬臂的横向弯曲，从而导致得到的图像失真。将微悬臂制成V字形会提高横向刚性。

　　为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化，得到更真实的样品表面形貌，提高原子力显微镜的灵敏度，微悬臂的设计通常要求满足下述条件：①较低的力学弹性系数，使很小的力就能产生可观测的位移;②较高的力学共振频率;③高的横向刚性，针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲：④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的反射面或电极;⑥针尖尽可能尖锐。

　　目前，原子力显微镜探针的微悬臂一般用氮化硅(Si3N4)、硅或氧化硅等到材料制成，是微悬臂一针尖一体化的结构，形状有长方形和V形。针尖为金字塔形或针形。其典型尺寸为长100～200um，宽为几十微米，厚度小于1um，固定于微悬臂Z顶端的探针一般为针尖要求尽量尖锐。

　　理想的原子力显微镜针尖应具有以下特性：较高的纵横比，尽可能小的曲率半径，且针尖具有确定的分子结构，较强的机械性能和化学性能，在空气和液体中成像时不发生变化。针尖的表现依赖于其形状和尺寸，并与化学组成和表面性质(硬度、亲疏水性等)密切相关。

　　原子力显微镜针尖曲率半径的大小将直接影响到测量的水平分辩率。当样品的尺寸大小与探针的曲率半径相当或更小时，会出现所谓的“加宽效应”，即测量值大于真实值，影响图像准确度。为克服“加宽效应”，一方面可发展制造更细的探针，如用单壁碳纳米管制备的原子力显微镜探针进行生物或化学修饰也可提高图像质量。

　　目前用于原子力显微镜针尖修饰的技术主要有：自组装单分子膜修饰原子力显微镜针尖、生物分子修饰原子力显微镜针尖、碳纳米管修饰原子力显微镜针尖和颗粒修饰的原子力显微镜针尖。与传统的原子力显微镜针尖相比较，碳纳米管针尖有几个显著的优点：①高的纵横比;②高的机械柔软性，针尖扫描时，即使撞击到样品的表面也不会使针尖损坏;③高的弹性变形，可有效地限制针尖在样品表面上的作用力，从而减小对样品的损害，对柔软的生物样品特别有利;④稳定的结构。因此碳纳米管修饰原子力显微镜探针已经成为一个研究热点。

原子力显微镜的成像载体

　　由于原子力显微镜是对固定在表面的样品进行成像，所以固定样品的载体(也称基底)对于能否得到理想的结果是至关重要的。一个理想的基底应具有以下特点：在实验室环境下具有化学稳定性、容易制备、相对便宜、能简便的进行修饰并且能长时间保存。对于许多分析目的而言，理想的基底应包括较大范围的相当平整的区域，这-点是相当重要的。

　　原子力显微镜的成像载体种类比较多，根据研究工作对成像载体表面粗糙度及其它表面特性的要求可选择云母片、硅片、玻璃片、金膜、生物膜、石墨等做基底，其中Z常用的是云母。云母是一种相当平的基底，几平方微米范围内的表面粗糙度只有几埃，吸附能力强，价格便宜，容易剥离得到新鲜洁净的表面，且可进行化学修饰。云母的这些优点决定了它是-种理想的基底，能用于许多物质的成像，如从DNA到活细胞的成像都能采用云母作为基底。金膜和硅片也用得比较多，虽然金膜较云母贵，但它易于与疏基化合物得用Au-S键形成牢固的共价键合。通过对其末端基团进行修饰、控制，可以得到不同性质的表面。由于这种固定方法主要是利用结合比较强的Au-S键，所以固定效果好，无论原子力显微镜在大气还是在液体中成像或进行力曲线测定都可以。

　　目前，如何获得更好的原子力显微镜成像载体以满足不同实验要求方面的研究工作也是一个很有意义的研究方向。

原子力显微镜的成像环境

　　原子力显微镜可在真空、大气和液体环境中成像，这样可以根据实验需要选择合适的成像环境。尤其是可在液体中成像，为在近生理条件下研究生物大分子的结构和相互作用提供了有效的研究手段。

原子力显微镜的样品制备

　　原子力显微镜与透射电镜、扫描电镜、X-射线衍射等技术相比，原子力显微镜制样简单，制作过程对样品原始形态的影响小。在空气或真空环境括染中成像时，可以将样品直接滴加到成像载体上，吸附一定时间后用滤纸吸干、自然晾干或氮气吹干的方法去掉多余的水分，然后进行扫描成像。在液体中测定时，为了避免样品的漂移，在原子力显微镜制样方面多加注意，选择合适的固定方法以得到理想的实验结果。