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原子力显微镜(AFM)及其在生物学中的应用

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原 子 力 显 微 镜 (AFM)及 其 在 生 物 学 中 的 应 用 单 分 子 与 纳 米 生 物 医 学 实 验 室 王 冲 学 号 : 10203828 1982年 , G. Binning等 人 发 明 了 扫 描 隧 道 显 微 镜 ( Scanning Tunneling Microscope, STM), 并 因 此 获 得 了 1986年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 , 但 是 , 由 于 STM工 作 时 监 测 的 是 针 尖 和 样 品 之间 隧 道 电 流 的 变 化 , 因 此 它 只 能 直 接 观 察 导 体 和 半 导 体 的 表 面 结 构 , 这 使 STM在 应 用 上 就 有很 大 的 局 限 性 。为 此 ,Binning等 人 1986年 在 STM的 基 础 上 发 明 了 原 子 力 显 微 镜 (Atomic Force Microscope, AFM), AFM不 仅 具 有 很 高 的 分 辨 率 ( 横 向 分 辨 率 达 到 1nm, 纵 向 分 辨 率 达 到0.01nm) , 而 且 对 工 作 环 境 、 样 品 性 质 等 方 面 的 要 求 也 非 常 低 , 因 此 , AFM的 出 现 为 人 们 更多的 观 察 微 观 世界提供了 一个有 效的 手段和 方 法。 1. AFM 的 工 作 原 理 在 AFM上 有 一个安装在 对 微 弱力 极敏感的 微 悬臂(Cantilever)上 的 极细探针 (Probe),当针 尖 非 常 接 近样 品 表 面 时 ,就 在 针 尖 —样 品 之 间 产生 极微 弱的 作 用 力 (吸引或排斥力 ), 引起微 悬臂偏转。 根据物 理 学 原 理 , 施加到 微 悬臂末端力 的 表 达 式为 F = KΔZ 式中 , ΔZ表 示针 尖 相对 于 试样 间 的 距离, K为 微 悬臂的 弹性 系数。 力 的 变 化 均可以通过微 悬臂被检测 。 根据力 的 检测 方 法, AFM可以分 成两类: 一类是 检测 探针 的 位移;另一类是 检测探针 的 角度变 化[1]。 由 于 后者在 Z方 向 上 的 位移是 通过驱动探针 来自动跟踪样 品 表 面 形状,因 此 受到 样 品 的 重量及 形状大 小的 限 制比前者小。 图1 追踪针 尖 运动的 原 理 在 扫 描 时 控制这 种针 尖 —样 品 之 间 的 作 用 力 恒定, 带针 尖 的 微 悬臂将对 应 于 原 子 间 作 用力 的 等 位面 , 在 垂直 ...

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