AFM中,扫描器在哪个方向的分辨率最高？

AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵。

原子力显微镜用途 原子力显微镜是干啥的

AFM原理：针尖与表面原子相互作用

1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足，可以用来测量任何样品（无论导电性与否）的表面。

AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的。

二、AFM原理

AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息。

如下图所示，当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变。悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像。

AFM是在STM的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。

假设两个原子一个是在悬臂的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如下图所示，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。原子力显微镜就是利用原子之间微妙的关系来把原子样子给呈现出来。

三 、AFM基本成像模式

原子力显微镜有三种基本成像模式，它们分别是接触式(Contact mode)、非接触式(non-contact mode)、轻敲式(tapping mode)

1、接触式

接触式AFM是一个排斥性的模式，探针尖端和样品做柔软性的“实际接触”，当针尖轻轻扫过样品表面时，接触的力量引起悬臂弯曲，进而得到样品的表面图形。由于是接触式扫描，在接触样品时可能会是样品表面弯曲。经过多次扫描后，针尖或者样品有钝化现象。

特点：通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图像。但是这种模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。

2、非接触式

在非接触模式中，针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。

需要使用较坚硬的悬臂（防止与样品接触）。所得到的信号更小，需要更灵敏的装置，这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但当针尖和样品之间的距离较长时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低

特点：由于为非接触状态，对于研究柔软或有弹性的样品较佳，而且针尖或者样品表面不会有钝化效应，不过会有误判现象。这种模式的操作相对较难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也很少。

3、轻敲式

微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振荡的针尖轻轻的敲击表面，间断地和样品接触。当针尖与样品不接触时，微悬臂以最大振幅自由振荡。当针尖与样品表面接触时，尽管压电陶瓷片以同样的能量激发微悬臂振荡，但是空间阻碍作用使得微悬臂的振幅减小。反馈系统控制微悬臂的振幅恒定，针尖就跟随表面的起伏上下移动获得形貌信息。

类似非接触式AFM，比非接触式更靠近样品表面。损害样品的可能性比接触式少（不用侧面力，摩擦或者拖拽）。

轻敲模式的分辨率和接触模式一样好，而且由于接触时间非常短暂，针尖与样品的相互作用力很小，通常为1皮牛顿（pN）～1纳牛顿（nN），剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失，所以适用于对生物大分子、聚合物等软样品进行成像研究

特点：对于一些与基底结合不牢固的样品，轻敲模式与接触模式相比，很大程度地降低了针尖对表面结构的“搬运效应”。样品表面起伏较大的大型扫描比非接触式的更有效。

四、 AFM的分辨率

原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分辨率。

图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集图像的步宽(Step size)和针尖形状

1、 步宽因素

原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形式如图所示．扫描器沿着齿形路线进行扫描，计算机以一定的步宽取数据点．以每幅图像取512x 512数据点计算，扫描1μm x1μm尺寸图像得到步宽为2nm(1μm／512)高质量针尖可以提供1~2nm的分辨率．由此可知，在扫描样品尺寸超过1μm x1μm时，AFM的侧向分辨率是由采集图像的步宽决定的。

扫描管运动方向和数据点的采集

2、针尖因素

AFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。

针尖影响AFM成像主要表现在两个方面：针尖的曲率半径和针尖侧面角，曲率半径决定最高侧向分辨率，而探针的侧面角决定最高表面比率特征的探测能力。曲率半径越小，越能分辨精细结构．

不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描路线

五、 AFM制样及测试

1、 制样流程

AFM制样时，对样品导电与否没有要求，因此测量范围比较广泛。

2、 测试及结果分析

以氧化石墨烯AFM结果

六、 AFM应用技术举例

AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液等各种环境下工作，且不受样品导电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的应用。主要用途：

1. 导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像

2. 生物样品、有机膜的高分辨成像

3. 表面化学反应研究

4. 纳米加工与操纵

5. 超高密度信息存储

6. 分子间力和表面力研究

7 摩擦学及各种力学研究

8 在线检测和质量

扫描隧道显微镜的用途有什么？

扫描隧道显微镜的英文缩写是STM。这是20世纪80年代初期出现的一种新型表面分析工具。其基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的尖针，针尖头部为单个原子去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近，即小于1纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级10A的隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向可优于0.01纳米。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，利用扫描隧道显微镜还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的刻蚀、修饰以及直接书写等。目前扫描隧道显微镜取得了一系列新进展，出现了原子力显微镜AFM、弹道电子发射显微镜BEEM、光子扫描隧道显微镜PSTM，以及扫描近场光学显微镜SNOM等。

原子力显微镜的应用

随着科学技术的发展，生命科学开始向定量科学方向发展。大部分实验的研究重点已经变成生物大分子，特别是核酸和蛋白质的结构及其相关功能的关系。因为AFM的工作范围很宽，可以在自然状态（空气或者液体）下对生物医学样品直接进行成像，分辨率也很高。因此，AFM已成为研究生物医学样品和生物大分子的重要工具之一。AFM应用主要包括三个方面：生物细胞的表面形态观测；生物大分子的结构及其他性质的观测研究；生物分子之间力谱曲线的观测。

AFM对生物细胞的表面形态观察

AFM可以用来对细胞进行形态学观察，并进行图像的分析。通过观察细胞表面形态和三维结构，可以获得细胞的表面积、厚度、宽度和体积等的量化参数等。例如，利用AFM可以对感染病毒后的细胞表面形态的改变、造骨细胞在加入底物（钴铬、钛、钛钒等）后细胞形态和细胞弹性的变化、GTP对胰腺外分泌细胞囊泡高度的影响进行研究。利用AFM还可以对自由基损伤的红细胞膜表面精细结构的研究，直接观察到自由基损伤，以及加女贞子保护作用后，对红细胞膜分子形态学的影响。

生物大分子的结构及其他性质的观测研究

2.1 蛋白质

对于蛋白质，AFM的出现极大的推动了其研究进展。AFM可以观察一些常见的蛋白质，诸如白蛋白，血红蛋白，胰岛素及分子马达和噬菌调理素吸附在图同固体界面上的行为，对于了解生物相溶性，体外细胞的生长，蛋白质的纯化，膜中毒有很大帮助。例如，Dufrene 等利用AFM 考察了吸附在高分子支撑材料表面上的胶原蛋白的组装行为。结合X-射线光电子能谱技术和辐射标记技术，他们提出了一个定性解释其层状结构的几何模型。AFM 实验证实了胶原蛋白组装有时连续，有时不连续的性质，通过形貌图也提供了胶原蛋白纤维状结构特征。Quist等利用AFM 研究了白蛋白和猪胰岛素在云母基底上的吸附行为，根据AFM 图上不同尺寸的小丘状物质推测，蛋白质有时发生聚集，有时分散分布。Epand 等则利用AFM 技术研究了一类感冒病毒的红血球凝集素，首次展示了一种膜溶原蛋白自组装形成病毒折叠蛋白分子外域的实时过程。

在AFM 观察包裹有紫膜的噬菌调理素蛋白（BR) 的研究中，AFM 仪器的改进，检测技术的提高和制样技术的完善得到了集中的体现。在细胞中，分子马达可以将化学能转变为机械运动，防止因为布朗运动导致的细胞中具有方向性的活动出现错误，这些活动包括：肌浆球蛋白，运动蛋白，动力蛋白，螺旋酶，DNA 聚合酶和RNA 聚合酶等分子马达蛋白的共同特点是沿着一条线性轨道执行一些与生命活动息息相关的功能，比如肌肉的收缩，细胞的分化过程中染色体的隔离，不同细胞间的细胞器的置换以及基因信息的解码和复制等。由于分子马达本身的微型化，它们容易受更高的热能和大的波动的影响，了解马达分子如何正常有序工作就成为一项具有挑战性的任务。利用AFM，人们已经知道了肌动蛋白结合蛋白的结构信息和细胞运动过程中肌动蛋白骨架调控功能。

2.2 脱氧核糖核酸(DNA)

AFM液相成像技术的优点在于消除了毛细作用力，针尖粘滞力，更重要的是可以在接近生理条件下考察DNA 的单分子行为。DNA 分子在缓冲溶液或水溶液中与基底结合不紧密，是液相AFM面临的主要困难之一。硅烷化试剂,如3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和阳离子磷脂双层修饰的云母基底固定DNA 分子，再在缓冲液中利用AFM 成像，可以解决这一难题。在气相条件下阳离子参与DNA的沉积已经发展十分成熟，适于AFM 观察。在液相条件下，APTES 修饰的云母基底较常用。目前DNA的许多构象诸如弯曲，超螺旋，小环结构，三链螺旋结构，DNA 三通接点构象，DNA 复制和重组的中间体构象，分子开关结构和药物分子插入到DNA 链中的相互作用都广泛地被AFM考察，获得了许多新的理解。

2.3 核糖核酸( RNA)

AFM对RNA的研究还不是很多。结晶的转运RNA 和单链病毒RNA 以及寡聚Poly (A) 的单链RNA 分子的AFM 图像已经被获得。因为在于不同的缓冲条件下，单链RNA 的结构变化十分复杂，所以单链RNA 分子的图像不容易采集。（利用AFM成像RNA分子需要对样品进行特殊和复杂的处理。Bayburt 等借鉴Ni2 + 固定DNA 的方法在缓冲条件下获得了单链Pre-m RNA 分子的AFM 图像。他们的做法如下： (1) 用酸处理被Ni2 + 修饰的云母基底以增加结合力； (2) RNA 分子在70℃退火，慢慢将其冷却至室温再滴加在用酸处理过的Ni2 +-云母基底上。采用AFM 单分子力谱技术，在Mg2 + 存在的溶液中，Liphardt 等研究了形貌多变的RNA 分子的机械去折叠过程，发现了从发夹结构到三螺旋连接体这些RNA 分子三级结构的过渡态。随后他们又利用RNA 分子证实了可逆非平衡功函和可逆平衡自由能在热力学上的等效性。）

2.4 核酸与蛋白质复合物( Nuclearacids-Protein Complex)

DNA 和蛋白质分子的特定相互作用在分子生物学中起着关键作用。蛋白质与DNA 结合的精确位点图谱和不同细胞状态下结合位点的测定对于了解复杂细胞体系的功能与机理，特别是基因表达的控制都十分关键。AFM 作为一种高度分辨达0。1 nm，宽度分辨率为2 nm 左右的表面分析技术，已广泛地用于表征各类DNA-蛋白质的复合物。低湿度大气条件下，Rees 等利用AFM 在接触模式下考察了λ2PL 启动子在启动和关闭转录过程中对DNA 链弯曲程度的影响。此外，这个小组还研究了另外一种λ2转录因子，Cro-蛋白对DNA 弯曲的影响。为了研究Jun 蛋白的结合是否会引起DNA 链的弯曲，Becker等利用AFM研究了包含一个AP21 结合位点的线性化质粒DNA 与Jun 蛋白的复合物。Aizawa小组对DNA 蛋白激酶Ku 亚结构域和双链DNA断裂的相关性进行了研究。Kasas 等研究了大肠杆菌RNA 聚合酶（RNAP) 转录过程中的动态酶活性。他们的方法是在Zn2 + 存在的条件下，RNAP 能够松散或紧密地与DNA 模板进行结合，通过AFM 成像了解其动态过程。

2.5 细胞( Cell)

AFM 不仅能够提供超光学极限的细胞结构图像，还能够探测细胞的微机械特性，利用AFM 力-曲线技术甚至能够实时地检测细胞动力学和细胞运动过程。利用AFM 研究细胞很少用样品预处理，尤其是能够在近生理条件下对它们进行研究。

利用AFM 直接成像方法，可以对固定的活细胞和亚细胞结构进行了深入研究。这些研究获得了关于细胞器的构造，细胞膜和细胞骨架更详细的信息。将细胞固定在基底上再进行AFM 观察，可以得到细胞膜结构的皱褶，层状脂肪物，微端丝和微绒毛等特征。由于细胞质膜掩盖了细胞内部骨架，现在已经发展了一种仔细剥离该层膜的方法,并利用AFM 对剥离细胞膜后的结构进行了研究。

AFM 在细胞研究方面的一个最重要用途是对活细胞的动力学过程，细胞间的相互作用以及细胞对其内外干扰因素的响应进行实时成像目前，AFM已经可以对外来病毒感染的细胞进行实时考察。AFM还可以研究活性状态下血小板形状的变化情况和培养的胰腺细胞对淀粉消化酶的响应情况。

2.6病毒( Virus)

早期，AFM 在生物学上的应用主要集中在病毒研究。Kolbe 等首次研究了具有不同头尾结构的T4 噬菌体。Imai 及其合作者分别对烟草花叶病毒和各类噬菌体进行了考察。烟草花叶病毒（ TMV) 或星形烟草花叶病毒（STMV) 是迄今研究得最多的病毒类型。在胶体溶液中，TMV非常类似已知的蛋白质行为，可以采用研究蛋白质的方法对其进行考察。利用AFM，可以研究高度过饱和和轻微过饱和条件下TMV的二维成核生长过程。AFM研究表明，当TYMV 暴露在平衡条件下的溶液中，TYMV 晶体的（101) 面逐层向上生长，晶格的结构缺陷如空位，单粒子，位错和聚集等现象在AFM 图上区分得十分清楚。Turner 等利用从AIDS 病毒中提取的逆转录酶修饰AFM横梁，使之成为一种能检测抑制酶的活力和筛选使AIDS 病毒失活药物的方法。自支撑磷脂膜与感冒病毒结合作用以及缺陷位点结构上底物暴露的磷脂单层效应和水合双层磷脂的检测被发展成了一种新型生物传感器，这种传感器能够从其它大分子中识别特定的病毒物质。这些结果都被AFM 图像所证实。

生物分子间力谱曲线的观测

对生物分子表面的各种相互作用力进行测量，是AFM的一个十分重要的功能。这对于了解生物分子的结构和物理特性是非常有意义的。因为这种作用力决定两种分子的相互吸引或者排斥，接近或者离开，化学键的形成或者断裂，生物分子立体构像的维持或者改变等等。在分子间作用力的支配下，还同时支配着生物体内的各种生理现象、生化现象、药物药理现象，以及离子通道的开放或关闭，受体与配体的结合或去结合，酶功能的激活或抑制等等。因此，生物分子间作用力的研究，在某种意义上说，就是对生命体功能活动中最根本原理的研究。这也为人们理解生命原理，提供了一个新的研究手段和工具。

将两种分子分别固定于AFM的基底和探针尖端上。然后使带有一种分子的探针尖端在垂直方向上不断地接近和离开基底上的另一种分子。这时，两种分子间的相互作用力，就是二者间的相对距离的函数。这种力与距离间的函数关系曲线，称之为力谱曲线。

利用AFM获得的力谱曲线在生物医学中的应用：在探测一个细胞之后，根据所遇到的阻力，AFM就会赋予一个表明细胞柔软度的数值。研究人员发现，尽管正常细胞的硬度各有不同，但癌细胞比正常细胞要柔软得多，所研究的胰腺、肺部和乳腺细胞均是如此。一些肿瘤的细胞可能比另外一些更为坚硬，那就意味着这些肿瘤恶化转移的可能性较小，对病人的威胁也较小。利用AFM还可以研究不同药物对癌细胞的影响。针对细胞用药后，AFM可以观察在药物的作用下细胞的变化情况。这样可以开发出比当前所用的药物毒性更小、但同样能够阻止正常细胞发生癌变的药物，以免因癌症扩散而危及生命。

扫描探针显微镜对现代科学的发展起了什么作用

以扫描探针显微镜为代表的非光学纳米测量方法能够纳米甚至亚纳米的测量分辨率，是非常重要且实用纳米精密测量仪器。选择显微镜推荐Park FX40。

Park FX40的优势：

1、FX40拥有一流的智能视觉系统，能自动检测探针是否正确定位。

软件界面通过定位加载探针的位置至纳米级别，并在必要时生成错误状态报告，同时将这些数据与成千上万个可能发生的模拟问题进行比较，以此不断更新升级软件。 原子力显微镜中最快速精确的真正非接触模式

对于针尖样品，非接触模式展现了其一流的控制力，距离达到了亚纳米级别。Park FX40拥有史无前例的快速且精确的非接触模式。

2、环境传感器

智能扫描仪显示并储存传感器的测量。传感器主要测量基本的环境条件，如温度，湿度，水平和振动。由此帮助用户在不同环境条件下扫描图像，为您筛选最佳的环境指标。

3、安全的探针安装系统

用户可以自选手动或自动探针安装功能，同时内置的智能系统会自动检测并在用户错误安装探针时发出警告，从而有效提高测量精准度。

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AFM探针的用途

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)是一种具有原子分辨率的表面形貌、电磁性能分析的重要仪器。1981年，STM（scanning tunneling microscopy, 扫描隧道显微镜）由IBM-Zurich 的Binnig and Rohrer 发明。1982年，Binnig首次观察到原子分辨图Si(7x7)。1985年，Binnig, Gerber和Quate开发成功了首台AFM（atomic force microscope, 原子力显微镜）。在表面科学、纳米技术领域、生物电子等领域， SPM（scanning probe microscopy）逐渐发展成为重要的、多功能材的材料表征工具。

AFM由四个部分组成：机械运动部分、悬臂偏转信号光学检测系统、控制信号反馈系统， 成像和信息处理软件系统。探针与样品之间的相互作用力使微悬臂向上或向下偏转，利用激光将光照射在悬臂的末端，反射光的位置改变就用来测器此悬臂的偏移量，这种检测方法最先由Meyer 和Amer提出。机械部分的运动（探针上、下以及横向扫描运动）是有精密的压电陶瓷控制。激光反射探测采用PSD。反馈和成像系统控制探针和样品表面间距以及最后处理实验测试结果。

电子显微镜的成像原理是什么啊？也就是工作原理？

电子显微镜 利用电子的扫描 等比放大

无法观测到原子

一般一百纳米 差不多极限了

分子 原子 一般利用扫描隧道显微镜 也叫原子力显微镜 利用量子隧道效应

质子中子 目前为止无法观测

只是利用 撞击晶体或者其他物质来 探测