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什么是原子力显微镜(AFM)?
原子力显微镜AFM是一种扫描探针显微镜，其主要作用包括测量磁性、高度、摩擦等特性。分辨率以纳米为单位进行测量，这比光学衍射极限更加精确和有效。它使用探针进行测量，数据的收集涉及到触摸有探针的表面。当扫描探针显微镜光栅扫描探针在样品的一部分上，同时测量其局部性质时，就形成了图像。它们也有压电元件，这是一种电荷积聚在选定的固体材料中，比如DNA，生物蛋白，晶体等，使微小的准确和精确的运动，在扫描时的电指令。原子力显微镜是在1982年由IBM的科学家发明的，就在1980年由苏黎世IBM研究中心的Gerd Binnig和Heinrich Rohler发明了扫描隧道显微镜之后。正是在那个时候，宾尼格发明了原子力显微镜，并在1986年首次用于实验。它于1989年投入市场进行商业销售。
图:原子力显微镜(AFM)资料来源:Sagar Aryal和维基百科．创建biorender.com
原子力显微镜原理
原子力显微镜的工作原理是测量分子间的力，利用纳米尺度的样品表面观察原子。它的功能由三个主要工作原理实现，包括表面传感、探测和成像。
- 原子力显微镜(AFM)通过使用悬臂(一种由像梁或板一样的刚性块构成的元素，附着在支撑的一端，从支撑的一端突出，形成垂直的平面连接，像墙一样垂直)进行表面传感。当悬臂靠近样品表面时，通过在表面和尖之间形成吸引力，悬臂具有扫描样品表面的尖尖。当它非常接近样品的表面时，一个斥力逐渐控制使悬臂远离表面。
- 在悬臂远离样品表面的偏转过程中，光束的反射方向发生了变化，激光束通过从悬臂平面反射一束光来检测厌恶。它使用一个正敏光电二极管(ppd -基于硅PIN二极管技术的组件，用于测量入射光信号的积分焦点位置)，跟踪这些偏转和反射光束方向的变化并记录下来。
- 原子力显微镜(AFM)通过扫描感兴趣的截面上的悬臂来获得受力样品表面形貌的图像。根据样品表面的高低，它决定了光束的偏转，由正敏光电二极管(PSDP)监测。该显微镜有一个反馈回路，控制刚好在样品表面上方的悬臂尖的长度，因此，它将保持激光位置，从而生成图像表面的精确成像图。
原子力显微镜零件
原子力显微镜有几种技术来测量力的相互作用，如范德华力，热，电和磁力的相互作用，这些相互作用由AFM完成，它有以下部分，以协助控制其功能。
- 改进的尖端，用于检测样品表面并进行偏转
- 软件调整用于成像样本。
- 反馈回路控制-他们控制力的相互作用和尖端位置使用激光偏转器。激光从悬臂的背面和尖端反射，当尖端与样品表面相互作用时，激光在光电探测器上的位置被用于反馈回路中跟踪样品表面和测量。
- 偏转-原子力显微镜是由激光束偏转系统构成的。激光从AFM杠杆的背面反射到灵敏的探测器。它们由尖端半径约为10纳米的硅化合物制成。
- 力的测量- AFM的工作和高度依赖于力的相互作用，它们有助于产生的图像。当悬臂刚度已知时，通过计算挠度杠杆来测量力。这个计算由胡克定律定义，定义如下:
F = -kz，其中F为力，k为杠杆的刚度，z为杠杆弯曲的距离。
原子力显微镜的应用
这种类型的显微镜已用于自然科学的各个学科，如固体物理学、半导体研究、分子工程、聚合物化学、表面化学、分子生物学、细胞生物学、医学和物理学。
这些应用包括:
- 从样品中识别原子
- 评估原子间的力相互作用
- 研究原子的物理变化特性
- 研究蛋白质复合物和组合物的结构和力学性质，如微管。
- 用于区分癌细胞和正常细胞。
- 评估和区分邻近细胞及其形状和细胞壁硬度。
原子力显微镜的优点
- 易于制备样品进行观察
- 它可用于真空、空气和液体。
- 样本量的测量是准确的
- 它有3D成像
- 它可以用来研究生物和非生物元素
- 它可以用来量化表面的粗糙度
- 它在动态环境中使用。
原子力显微镜的缺点
- 它只能在大约150 × 150nm的时间内扫描单个纳米尺寸的图像。
- 它们的扫描时间很短，这可能会导致样品的热漂移。
- 在检测过程中，针尖和样品可能会被损坏。
- 它的放大倍率和垂直范围有限。
引用和来源
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请写出高速原子力显微镜的优点和缺点。
在明天。