原子力显微镜的原理及应用

张涛

中科院上海药物研究所

关键词：原子力显微镜、微观、纳米

因为有了超级天文望远镜，我们可以拍下宇宙的永恒美丽; 因为有了照相机，我们可以记录大自然的千奇百怪和绚烂多彩；因为有了光学显微镜，我们揭开了微观世界神秘面纱的一角。然而，由于光波衍射现象的限制，传统光学显微镜的放大率不能无限提高，我们对纳米世界（<1微米，即百万分之一米）的真实面貌还了解较少。

人类探索未知世界的好奇心并未因此而消失，反而越来越强。1986年，IBM实验室的G. Binnig、Ch. Gerber和斯坦福大学的C. F. Quate 教授在扫描隧道显微镜的基础上发明了原子力显微镜[1]，由此开创出一种全新的观测方式。人们借助这种显微镜既可以观察材料和生物样品表面的纳米级精细形貌，也可以研究这些样品的力学性能。

原子力显微镜通过机械探针“触摸”样品表面表征其形貌并记录力学性质。它的工作原理（图一）类似人类用手指触摸物品表面，当探针靠近样品表面时，探针与样品表面间会产生一个相互作用力，此作用力会导致悬臂发生偏折。激光二极管产生的激光束通过透镜聚焦到悬臂背面，然后再反射到光电二极管上形成反馈。在扫描样品时，样品在载物台上缓慢移动，而微悬臂在反馈调节系统调节下将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，由检测器记录表面形貌和力学信息。

图一：原子力显微镜原理。

原子力显微镜因其超高的成像分辨率，常常获得令人惊艳的结果。自然界里，氢原子与电负性大的原子X以共价键结合，它们若与电负性大、半径小的的原子Z（O、F、N）接触生成X-H…Z形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用，则为氢键。这一教科书上的定义，一直以来为大家所熟知, 然而人们始终无法窥探其原本“容貌”。中国国家纳米科学中心的科学家们利用原子力显微镜技术实现了对化学分子间作用的直接成像，在国际上首次直接观察到了分子间的氢键（图二）[2]。这一研究成果使我们教科书里的“氢键”变成了“眼见为实”。随后，又有科学家利用原子力显微镜对单分子中氢键的强度进行研究，这一测量结果与理论计算精确吻合[3]。

图二：8-羟基喹啉分子的原子力显微镜成型图[3]。

在原子力显微镜的帮助下，生物学家也做出了许多杰出的研究。人们直接观察到许多膜蛋白在生理状态下的聚集状态（图三A-C）、细胞的行走(图三D)、病毒的形貌(图三F)、DNA的双螺旋结构(图三G)[4]。这些都是生命世界的基本内容。

图三：生物大分子、病毒和细胞的原子力显微镜成像图[4]。

未来，随着原子力显微镜扫描精度的进一步提高和与其它光谱类表征仪器的联用，科学家们将为我们呈现纳米世界更多的精彩内容。

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参考文献：

[1] Binnig G, Quate C F,Gerber C. Atomic force microscope. Phys Rev Lett. 1986, 56(9): 930-933

[2] Zhang J, Chen P, Yuan B, et al. Real-space identification of intermolecular bonding with atomic force microscopy.Science. 2013, 342(6158): 611-614

[3] Shigeki Kawai1, Tomohiko Nishiuchi4, Takuya Kodama.et al. Direct quantitative measurement of the C═O⋅⋅⋅H-C bond by atomic force microscopy. 2017, 3(5):e1603258.

[4] Dufrene Y F, Ando T, Garcia R, et al. Imaging modes of atomic force microscopy for application in molecular and cell biology.Nat Nanotechnol. 2017, 12(4): 295-307