原子力顯微鏡的成像模式及特點(diǎn)

探針和樣品間的力一距離關(guān)系是本儀器測量的關(guān)鍵點(diǎn)。當選擇不同的初始工作距離時(shí)，探針所處的初始狀態(tài)也是不同的。由此可將原子力顯微鏡的操作模式分為三大類(lèi)型：接觸模式(Contact Mode)、非接觸模式(Non-contact Mode)和輕敲模式(Tapping Mode)。圖1給出了AFM不同操作模式在針尖和樣品相互作用力曲線(xiàn)中的工作區間和力屬性。

圖1   原子力顯徽鏡的工作模式在力一距離曲線(xiàn)上的分布

1、接觸模式(Contact Mode)

        樣品掃描時(shí)，針尖始終同樣品“接觸”。此模式通常產(chǎn)生穩定、高分辨圖像。針尖一樣品距離在小于零點(diǎn)幾個(gè)納米的斥力區域，對應圖1中的1-2段。當樣品沿著(zhù)xy方向掃描時(shí)，由于表面的高低起伏使得針尖一樣品距離發(fā)生變化，引起它們之間作用力的變化，從而使懸臂形變發(fā)生改變。當激光束照射到微懸臂的背面，再反射到位置靈敏的光電檢測器時(shí)，檢測器不同象限會(huì )接收到同懸臂形變量成一定的比例關(guān)系的激光強度差值。反饋回路根據檢測器的信號與預置值的差值，不斷調整針尖一樣品距離，并且保持針尖一樣品作用力不變，就可以得到表面形貌像。這種測量模式稱(chēng)為恒力模式。當已知樣品表面非常平滑時(shí)，可以讓針尖一樣品距離保持恒定，這時(shí)針尖一樣品作用力大小直接反映了表面的高低，這種方法稱(chēng)恒高模式。由于生物分子的彈性模量較低，同基底間的吸附接觸也很弱，針尖一樣品間的壓縮力和摩擦力容易使樣品發(fā)生變形，從而降低圖像質(zhì)量。

2、非接觸模(Non－contact Mode)

        針尖在樣品表面的上方振動(dòng)，始終不與樣品表面接觸。針尖檢測的是范德瓦耳斯吸引力和靜電力等長(cháng)程力，對樣品沒(méi)有破壞作用。針尖一樣品距離在幾到幾十納米的吸引力區域，對應圖１中的3－4段，針尖一樣品作用力比接觸式小幾個(gè)數量級，但其力梯度為正且隨針尖一樣品距離減小而增大。當以共振頻率驅動(dòng)的微懸臂接近樣品表面時(shí)，由于受到遞增的力梯度作用，使得微懸臂的有效的共振頻率減小，因此在給定共振頻率處，微懸臂的振幅將減小很多。振幅的變化量對應于力梯度量以得到樣品的表面形貌像。但由于針尖一樣品距離較大，因此分辨率比接觸式的低。到目前為止，非接觸模式通常不適合在液體中成像，在生物樣品的研究中也不常見(jiàn)。

3、 輕敲模式(Tapping Mode)

        輕敲模式是上述兩種模式之間的掃描方式。掃描時(shí)，在共振頻率附近以更大的振幅(>20nm)驅動(dòng)微懸臂，使得針尖與樣品間斷地接觸。當針尖沒(méi)有接觸到表面時(shí)，微懸臂以一定的大振幅振動(dòng)，當針尖接近表面直至輕輕接觸表面時(shí)，振幅將減��；而當針尖反向遠離時(shí)，振幅又恢復到原值。反饋系統通過(guò)檢測該振幅來(lái)不斷調整針尖一樣品距離進(jìn)而控制微懸臂的振幅，使得作用在樣品上的力保持恒定。由于針尖同樣品接觸，分辨率幾乎與接觸模式一樣好；又因為接觸非常短暫，剪切力引起的樣品破壞幾乎完全消失。輕敲模式適合于分析柔軟、粘性和脆性的樣品，并適合在液體中成像。