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【干貨】一文解讀AFM原子力顯微鏡（基礎(chǔ)介紹和應(yīng)用實(shí)例）

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【干貨】一文解讀AFM原子力顯微鏡（基礎(chǔ)介紹和應(yīng)用實(shí)例）-1

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）：是一種可以用來(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。它將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小針尖，使之與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，會(huì)使懸臂發(fā)生微小的偏轉(zhuǎn)。通過(guò)檢測(cè)出偏轉(zhuǎn)量并作用反饋控制其排斥力的恒定，就可以獲得微懸臂對(duì)應(yīng)于各點(diǎn)的位置變化，從而獲得樣品表面形貌的圖像。

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原子間范德瓦爾斯力

成像模式：

（1）接觸模式：針尖與樣品表面距離小，利用原子間的斥力；可獲得高解析度圖像；樣品變形，針尖受損；不適合于表面柔軟的材料。

（2）非接觸模式：針尖距離樣品5-20nm,利用原子間的吸引力，不損傷樣品表面，可測(cè)試表面柔軟樣品；分辨率低，有誤判現(xiàn)象。

（3）輕敲模式：探針在Z軸維持固定頻率振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)到谷底時(shí)與樣品接觸，對(duì)樣品破壞小，分辨率幾乎同接觸模式相同。

原子力顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)：

（1）樣品無(wú)需導(dǎo)電；

（2）能在多種環(huán)境（如真空、大氣、液體、低溫等）下工作；

（3）能得到物體表面的高分辨三維像；

（4）能對(duì)單細(xì)胞、單分子進(jìn)行操作，如在細(xì)胞膜上打孔、切割染色體等。

AFM的應(yīng)用實(shí)例：

（1）表征液體中生物樣品

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鏈球菌素的結(jié)構(gòu)研究：a)，溶血素被標(biāo)域的晶體結(jié)構(gòu)；b）,一種具有原子結(jié)構(gòu)孔隙低聚物微結(jié)構(gòu)的低溫電子顯微鏡圖的截面圖；c),在水溶液中測(cè)得的具有(b)結(jié)構(gòu)模型孔隙的AFM 3D表面形貌d),c)的高度剖面圖

（2）生物樣本的自組裝過(guò)程觀察

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產(chǎn)氣莢膜梭菌的膽固醇結(jié)合細(xì)胞溶素從孔隙形成前到孔隙組裝一起的轉(zhuǎn)變。（a-c）膽固醇衣片密集群同一區(qū)域的AFM序列圖片；（d,e）是組裝前后更大放大倍數(shù)的AFM圖

（3）表征納米力學(xué)性質(zhì)

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AFM測(cè)量細(xì)胞剛度的模型：(a)在液體環(huán)境中測(cè)細(xì)胞的壓縮應(yīng)變;(b)AFM的力-壓痕曲線可測(cè)量細(xì)胞彈性（黃線）和附著力（藍(lán)線）；(c)應(yīng)力和應(yīng)變弛豫曲線研究與時(shí)間相關(guān)的細(xì)胞行為；(d)功能化的原子力顯微鏡針尖常用作單細(xì)胞相互作用實(shí)驗(yàn)；(e)球形針尖或?qū)υ恿︼@微鏡懸臂做物理修改可用于測(cè)量力的分布。

（4）薄膜材料的表面形貌

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(a) 一種基于電荷注入機(jī)制的電式納米裝置的示意圖; (b)CNP2-P樣品（Vet=3V，electro-typing）2×2μm2區(qū)域的輸出圖像，對(duì)應(yīng)于譜線圖f中的黑色曲線；(c) electro-typing 30分鐘后的4×4μm2區(qū)域輸出圖像（VR=3V，Read-out），對(duì)應(yīng)譜線圖f中的紅色曲線；(d)electro-typing 360分鐘后的4×4μm2區(qū)域輸出圖像（VR=3V，Read-out）；(e)相同區(qū)域無(wú)electro-typing的輸出圖片，對(duì)應(yīng)譜線圖f中的粉紅色曲線；(f)所有掃描圖像對(duì)應(yīng)的譜線圖。

（5）不同條件下菱鐵礦的表面研究

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AFM峰值力輕敲模式下菱鐵礦(Ⅰ)和吸附著油酸鹽的菱鐵礦(Ⅱ)圖像:(a) 2D高度像；(b)3D高度像；(c)峰值力誤差信號(hào)像

（6）大氣環(huán)境下結(jié)腸癌細(xì)胞形態(tài)學(xué)（高度、長(zhǎng)度、寬度和粗糙度）表征

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經(jīng)富勒醇培養(yǎng)48小時(shí)的單核和多核SW480結(jié)腸癌細(xì)胞的AFM像：(a-c)對(duì)照組SW480細(xì)胞結(jié)構(gòu)；(d)單核SW480細(xì)胞的3D結(jié)構(gòu)；(e，f）多核SW480細(xì)胞的3D結(jié)構(gòu)

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