介绍原子力顯微鏡 (Atomic Force Micricopy, AFM)

A.  原子力显微镜介绍

藉由AFM人们将第一次直观地看到了原子、分子，被人们称为可以看得见原子的显微镜。利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的解析度。

在1982年两位科学家Binning和Rohrer利用隧道电流效应发明了扫描穿遂式显微镜(STM) ，为首次观察到原子、分子，只不过在处理STM的试片样品上有所限制，对于非导电物品不适用。1985年Binning和Gerber、Quate共同发明了 AFM，利用原子间的凡得瓦力，待测样品不须导电性也可以测量，让量测的可用范围更为广泛，对于样本表面现象的研究也更加的深入。

AFM原子力显微镜与STM扫描式穿隧式显微镜Zui大的差别在于并非利用电子量子穿隧效应，而是利用原子之间的凡得瓦力作用来呈现样品的表面特性。这当中的原理是感测原子之间的凡得瓦力作用来进一步呈现样本的表面特性，可以由图1得知：

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，所以整个淨力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，彼此之间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。可以由图一看出：

图1  原子位能图

AFM的探针与样品表面的作用力可以控制在非常微小的量，约在10-6-10-10 N之范围，因此AFM的解析度可达原子尺寸。由于AFM具有原子级的解析度，是各种薄膜粗糙度( roughness)检测及微观表面结构研究的重要工具，也适合与STEM搭配成为从nm至A。

在应用上分为下列四点优势：

 1. AFM技术的样品製备简单，无需对样品进行特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害因此，其破坏性较其它生物学常用技术（如电子显微镜）要小得多。

2.AFM能在多种环境（包括空气、液体和）中运作，不必像电子显微镜必须运行在高真空条件下，生物分子可在生理条件下直接成像，也可对活细胞进行时动态观察。

3. 不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM能提供生物分子和生物表面的分子分辨率的三维图像。

4.AFM以奈米尺度的分辨率观察局部的电荷密度和物理特性，测量分子间的相互作用力。

 而在缺点上，比较于同样表面扫描的扫描式电子显微镜(SEM)，AFM的缺点在于成像范围小、速度慢、而且探头容易损伤，须常常置换。

B. 原子力显微镜量测

在AFM的系统中，是感测微小探针与待测物之间交互作用力如图2，来呈现待测物的表面之物理特性。由于AFM具有原子级的解析度其基本架构如图3。

AFM的微小探针通常是黏附在悬臂式的弹簧片上，当探针尖端与样品表面接近时，因力场而产生作用力，造成悬臂簧片的微小偏折，此簧片的弹性变形量，可以利用簧片后方的STM探针所测得，也可以利用电容感应法、光学侦测法来感测。

AFM之量测模式依据探针与样本间的距离可分为三种操作模式：接触式、非接触式与敲击式。

(1)接触式（contact mode）：

利用针尖的原子与样本表面原子之间排斥力的变化而产生表面轮廓的方式称为接触式，其互斥能的大小主要与原子间距倒数的十二次方成正比，当探针与试片的距离约为数个A时(一般为3 A)，两原子的电子云会有互斥现象其原子间的排斥力约为10-6至10-10 N，由于接触面积极小且近，因此过大的作用力可能会造成样品表面损坏，尤其是软性材质，因此在扫描生物样品时或软性材质，必须特别注意力的大小对样本表面的影响。不过因为是接触性的缘故，不仅仅样品表面受损伤、探针也容易受损坏。

(2)非接触式（non-contact mode）：

利用针尖的原子与样本表面原子之间吸引力的变化而产生表面轮廓的方式称为非接触式，其吸引力的大小主要与原子间距倒数的六次方成正比。非接触式是利用原子间长距离吸引力-凡得瓦尔力对距离的变化非常小，针和样品表面的距离为数十到数百A，由于探针和样品没有接触，所以样品不易被损坏，但由于探针和样品并未接触，因此非接触模式的呈像之空间解析度较差，为其缺点。

(3)半接触式：

有一种介于contact mode与non-contact mode 的操作模式称做半接触式（semi-contact mode）或是敲击模式（tapping mode）。因接触式探针一定要接触待测物表面，探针下压力量必须调整适当，否则会有扫描方向之破坏产生。半接触式是改良非接触式与接触式，其原理是让悬臂上下摆动并轻拍于物体表面，藉由振幅的改变而成像，其作用力同时受到吸引力及排斥力的交互作用。解析度介于接触式与非接触式间，且不受横向力的干扰，且减少表面吸附现象。其操作模式适用于表面较软的材料或是液样中扫描的样本可以降低水层的干扰或是毛细现象的产生。

参考链接: http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscope