AFM探針的原理和特點(diǎn)
發(fā)布日期：2021-11-24 13:10:27
隨著生物學(xué)的發(fā)展，AFM探針得到了越來(lái)越多的應(yīng)用和發(fā)展，如細(xì)胞動(dòng)態(tài)觀察、樣品三維成像等。那么，如何選擇AFM探針呢？
選購(gòu)AFM探針要了解AFM探針的基本原理和掃描隧道顯微鏡的原理。掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧穿效應(yīng)原理，通過(guò)檢測(cè)固體表面原子中電子的隧穿電流來(lái)區(qū)分固體表面形貌的一種新型顯微設(shè)備。
AFM探針的原子力顯微鏡系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：(1)針尖力敏元件；(2)力敏元件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置；(3)用于監(jiān)測(cè)力敏元件運(yùn)動(dòng)的反饋回路；(4)掃描系統(tǒng)(一般采用壓電陶瓷)，其功能是使樣品掃描；(5)圖像采集和顯示；(6)圖像處理系統(tǒng)。關(guān)鍵是前兩部分。
AFM探針的工作原理是將對(duì)弱力敏感的微懸臂梁一端固定，另一端有微小針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。針尖在樣品表面掃描時(shí)，由于針尖處的原子與樣品表面的原子之間存在非常弱的排斥力(10-8-10-6N)，因此原子間作用力的檢測(cè)主要通過(guò)光杠桿技術(shù)實(shí)現(xiàn)。如果探針和樣品之間有強(qiáng)烈的相互作用，懸臂就會(huì)彎曲。為了檢測(cè)懸臂的輕微彎曲(位移)，用激光照射懸臂的尖端，可以用四象限探測(cè)器檢測(cè)懸臂的偏轉(zhuǎn)。如果在掃描時(shí)控制力恒定，微懸臂梁會(huì)在垂直于樣品表面的方向波動(dòng)，利用隧道電流檢測(cè)法或光學(xué)檢測(cè)法可以測(cè)量每個(gè)掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的微懸臂梁的位置變化，從而獲得樣品表面形貌的信息。
根據(jù)AFM探針的原子力顯微鏡測(cè)得的力的不同性質(zhì)，其工作模式和微懸臂梁運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)方法也會(huì)有所不同。所謂工作模式主要是指AFM工作時(shí)微懸臂梁運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，分為兩種。一種是準(zhǔn)靜態(tài)工作模式，針尖與樣品的相互作用力大，微懸臂梁變形大，可用隧道電流法、電容法和激光束偏轉(zhuǎn)檢測(cè)法等直接檢測(cè)。在這種模式下，針尖與樣品之間的距離小于0.03毫米，基本上是緊密接觸(因此也稱為接觸模式)。
AFM探針的接觸方式適合觀察硬表面，可以達(dá)到很高的分辨率，但這種接觸方式與樣品表面的相互作用很強(qiáng)。對(duì)于生物樣品，由于其比云母、石墨、金等固體材料具有更大的靈活性，目前觀測(cè)還沒(méi)有達(dá)到足夠高的分辨率，有時(shí)掃描針尖時(shí)會(huì)損傷樣品表面。但吸附在硬表面的樣品有時(shí)會(huì)被探針移動(dòng)，不利于成像。對(duì)于生物材料來(lái)說(shuō)，由于其表面較軟，如果采用接觸方式，在不降低其分辨率的情況下，應(yīng)盡可能減小針尖與樣品之間的作用力，以避免表面損傷。
選購(gòu)AFM探針要了解AFM探針的基本原理和掃描隧道顯微鏡的原理。掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧穿效應(yīng)原理，通過(guò)檢測(cè)固體表面原子中電子的隧穿電流來(lái)區(qū)分固體表面形貌的一種新型顯微設(shè)備。
AFM探針的原子力顯微鏡系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：(1)針尖力敏元件；(2)力敏元件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置；(3)用于監(jiān)測(cè)力敏元件運(yùn)動(dòng)的反饋回路；(4)掃描系統(tǒng)(一般采用壓電陶瓷)，其功能是使樣品掃描；(5)圖像采集和顯示；(6)圖像處理系統(tǒng)。關(guān)鍵是前兩部分。
AFM探針的工作原理是將對(duì)弱力敏感的微懸臂梁一端固定，另一端有微小針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。針尖在樣品表面掃描時(shí)，由于針尖處的原子與樣品表面的原子之間存在非常弱的排斥力(10-8-10-6N)，因此原子間作用力的檢測(cè)主要通過(guò)光杠桿技術(shù)實(shí)現(xiàn)。如果探針和樣品之間有強(qiáng)烈的相互作用，懸臂就會(huì)彎曲。為了檢測(cè)懸臂的輕微彎曲(位移)，用激光照射懸臂的尖端，可以用四象限探測(cè)器檢測(cè)懸臂的偏轉(zhuǎn)。如果在掃描時(shí)控制力恒定，微懸臂梁會(huì)在垂直于樣品表面的方向波動(dòng)，利用隧道電流檢測(cè)法或光學(xué)檢測(cè)法可以測(cè)量每個(gè)掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的微懸臂梁的位置變化，從而獲得樣品表面形貌的信息。
根據(jù)AFM探針的原子力顯微鏡測(cè)得的力的不同性質(zhì)，其工作模式和微懸臂梁運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)方法也會(huì)有所不同。所謂工作模式主要是指AFM工作時(shí)微懸臂梁運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，分為兩種。一種是準(zhǔn)靜態(tài)工作模式，針尖與樣品的相互作用力大，微懸臂梁變形大，可用隧道電流法、電容法和激光束偏轉(zhuǎn)檢測(cè)法等直接檢測(cè)。在這種模式下，針尖與樣品之間的距離小于0.03毫米，基本上是緊密接觸(因此也稱為接觸模式)。
AFM探針的接觸方式適合觀察硬表面，可以達(dá)到很高的分辨率，但這種接觸方式與樣品表面的相互作用很強(qiáng)。對(duì)于生物樣品，由于其比云母、石墨、金等固體材料具有更大的靈活性，目前觀測(cè)還沒(méi)有達(dá)到足夠高的分辨率，有時(shí)掃描針尖時(shí)會(huì)損傷樣品表面。但吸附在硬表面的樣品有時(shí)會(huì)被探針移動(dòng)，不利于成像。對(duì)于生物材料來(lái)說(shuō)，由于其表面較軟，如果采用接觸方式，在不降低其分辨率的情況下，應(yīng)盡可能減小針尖與樣品之間的作用力，以避免表面損傷。