非接触调频模式AFM的发展及生物学应用

   

    原子力显微镜(AFM)是用探针针尖和样品表面原子间的范德华力呈现样品表面特征的扫描探针显微镜，能对金属、半导体和绝缘体表面进行成像。在材料科学领域，AFM 为了解材料的表面形貌特征提供了直接依据；在生物领域，AFM 对不同环境下生物分子结构在纳米尺度上的成像发挥了重要作用^[1–3]。AFM 的成像模式有接触模式、轻敲模式和非接触调频模式。非接触调频模式 AFM 具有分子和原子级别的成像分辨能力^[4,5]，样品几乎不受到影响和损伤，即使对软物质表面也能进行高分辨成像，从而使 AFM 的应用跨前了一步。

    1 非接触调频模式 AFM 在真空中的高分辨成像

    非接触调频模式 AFM 的成像原理是：当探针靠近样品表面时，由于范德华力的作用，探针悬臂的共振峰会发生偏移，探测该频率偏移并维持其恒定，可进行反馈成像^[5]。系统流程如图 1 所示。非接触调频模式 AFM 的成像参数为探针悬臂振幅、成像频率偏移和频率偏移基准。为实现高分辨，通常先设定频率偏移基准为零，再细微调节探针悬臂振幅和成像频率偏移，优化成像条件。须注意的是，探针悬臂振幅减小时，最大成像频率偏移会增加。

    图 2(a)为扫描隧道显微镜(STM)对硅晶体(111)-(7×7)表面的成像图(横坐标为扫描范围)，每一硅晶格呈菱形，含有 12 个硅原子，菱形对角线分别为 4.66 和 2.69 nm；图 2(b)是非接触调频模式 AFM在真空中对该样品表面的高分辨成像图，图像中上部可清晰分辨出单个硅原子和五个硅晶格，且每个晶格内硅原子的排布情况与扫描隧道显微镜图像一致。这也证实非接触调频模式 AFM 在真空中可实现对晶体表面原子级的分辨率。图中分辨率较低的部位，由系统稳定性和探针尖端的多针尖现象造成。扫描开始时是多针尖探针，成像分辨率不高；扫至中上部时，多针尖变为单针尖，信噪比大大提高，从而实现了原子级的分辨率。表明虽然非接触调频模式 AFM 实现了在真空中对平整晶体表面的原子级分辨率成像，但将它应用于单个、起伏较大的单分子成像会遇到技术瓶颈，即系统的稳定性和探针尖端的锐利程度。     非接触调频模式 AFM 难以实现单分子的高分辨成像，这是因为单个分子在纵向上起伏较大，很易由于系统不稳定导致探针针尖与样品表面的接 触，使样品形甚至损坏，同时探针锐利的针尖也被破坏。最近，科研工作者将非接触调频模式 AFM放入真空超低温环境中，实现了单分子成像 ^[6]，由于温度仅为 5 K，探针悬臂的热漂移非常小，系统稳定性大大增强。另外，探针尖端吸附一氧化碳分子，可得到更锐利的尖端^[7] ，从而避免出现多针尖，使成像过程中始终保持单针尖扫描样品。同时，为达到高分辨成像，探针针尖与样品表面必须十分接近，因此，探针悬臂得以非常小的振幅稳定振动，须选择悬臂弹性系数很大的探针进行成像。图 3(c)和(d)为非接触调频模式 AFM 在真空低温环境下实现对铜(111)表面上五苯环的单分子超高分辨成像^[6]，与图 3(b)中扫描隧道显微镜对该样品的成像图像相比，具有更高的分辨率，可清晰分辨出组成每个苯环的各个原子。证实了非接触调频模式 AFM 在真空低温下实现了对单分子的超高分辨成像，为其结构研究提供了直接证据。