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原子力显微镜技术的新应用原子力显微镜（AFM）技术是一种能够对物质的表面和微观结构进行高分辨率成像的工具。
最初，该技术被广泛用于物理学、化学、材料科学、生物学等领域，以研究材料的结构和性质，从而推动科学技术的发展。
随着该技术的不断发展，其应用范围也越来越广泛，在环境、医学、纳米科技等领域也得到了广泛的应用。
1. 环境保护原子力显微镜技术在环境保护方面的应用主要是在表面化学、颗粒物的形态和气溶胶的研究等方面。
例如，在空气质量监测中，原子力显微镜可以直接观察和记录气溶胶的粒子形态、粗糙度和表面形貌，这对于分析其来源、成分和污染程度等问题具有十分重要的意义。
2. 医学领域在医学领域中，原子力显微镜技术可以应用于生物分子的成像和测量，如蛋白质的分子结构、微生物的表面亲和性等问题。
此外，它还可以用于药物研发、药效评估等方面。
例如，利用原子力显微镜技术可以直接观察药物与细胞膜之间的相互作用，从而更准确地评估其效果。
3. 纳米科学原子力显微镜技术在纳米科学领域中是一种非常重要的手段。
利用原子力显微镜技术可以直接观察纳米级别的材料，并对其表面形貌、物理和化学性质等进行深入研究。
这对先进材料的设计和制备具有重要意义。
例如，将原子力显微镜技术应用于纳米级催化剂的设计和制备，可以提高其反应活性和选择性，并减少残留物的产生，从而提高产业效益。
4. 新能源原子力显微镜技术在新能源领域的应用也逐渐得到了重视。
例如，利用原子力显微镜技术可以对太阳能电池、燃料电池等材料进行分析，探究材料表面形貌、成分和结构等与能量转换效率之间的关系，从而进一步提高材料性能，推动新能源的发展。
5. 材料科学原子力显微镜技术在材料科学领域中的应用主要涉及材料表面结构的测量、薄膜的制备和研究等方面。
例如，原子力显微镜可以直接观测和记录不同材料的表面粗糙度、微观形貌和晶体结构等信息，从而提高材料的制备工艺和性能。
此外，原子力显微镜还可以用于材料失效的分析和研究，以便对材料的优化和改进进行指导。
原子力显微镜在材料研究中的应用引言：原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种高分辨率的原子级别表面形貌分析仪器，具有高灵敏度、高分辨率的优点，能够观察到几乎所有材料中的原子、分子和纳米粒子的表面形貌和性质，因此在材料研究领域中具有广泛应用。
一、AFM原理及基本操作AFM主要基于扫描探针对样品表面进行接触力或非接触力的测量，通过扫描探针进行相对位移的量测，进而得出材料表面的拓扑结构或者相关物理性质等信息。
AFM的工作原理主要包括弹性形变、非接触物理和化学作用以及扫描成像等过程。
在基本操作中，AFM主要通过扫描探针和样品表面的相对运动来实现测量和成像。
二、材料表面形貌的表征AFM可以直接观察到任意表面的形貌，从而可以定量描述材料的表面形貌，如表面粗糙度、表面特征等。
同时，还可以通过图像处理方法进一步处理得到更加精细的表面形貌特征，如表面轮廓的高度分布、颗粒的大小、分布和形状等。
三、材料表面性质的探测AFM还可以通过使用不同的扫描模式探测材料的多种表面性质，如化学反应动力学、局域物理和电子性质等。
例如，通过利用力曲线技术，可以定量表征材料的化学反应动力学和电声耦合等独特的性质。
四、AFM在研究纳米材料中的应用AFM具有高分辨率、非接触等优点，因此在研究纳米材料中具有广泛应用。
例如，通过使用非接触扫描模式，AFM可以在不损伤纳米材料表面的情况下进行成像和测量。
此外，通过利用AFM的相干力探头技术，可以对纳米材料表面的物理化学特性进行分析，如表面能、分散力、力学性能等。
五、总结与展望由于AFM具有高分辨率、高灵敏度等优点，在材料研究中具有广泛的应用前景。
例如，通过仪器的不断升级和改进，可以实现AFM在高温、高压、高湿度和低温等复杂环境中的应用，进一步拓展了该仪器在材料研究领域中的应用范围。
原子力显微镜技术的应用与发展原子力显微镜技术（Atomic Force Microscopy, AFM）自从1986年问世以来，凭借其高分辨率、能够在真空和常温下进行成像的特点，成为了材料科学、物理学、生物学等领域研究的重要工具之一。
它通过探针在物质表面扫描，测量和记录探针与物质表面之间的相互作用力，从而得到了纳米级别的三维成像。
本文将介绍AFM的发展历程和在不同领域中的应用，并探讨其未来的发展方向。
一、AFM技术的发展历程AFM技术始于20世纪80年代，是由格尔德·碧尔以及吉德巴特·宾宁（Gerd Binnig和Heinrich Rohrer）在研究扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy, STM）的过程中发现的。
1986年，碧尔和宾宁发明了第一台AFM仪器，并于1987年发布了第一篇有关AFM的论文。
由于AFM技术与STM技术类似，所以在20世纪末期，这两种技术被统称为扫描探针显微技术（Scanning Probe Microscopy, SPM）。
20世纪90年代，AFM技术逐渐成熟，广泛应用于材料科学、物理学、化学、生物学等领域。
此后，AFM仪器的性能不断提高，成像速度不断提高，价格也不断下降，使得更多的科学家和工程师能够使用AFM技术。
同时，AFM技术也不断被创新，例如在AFM成像的同时进行光谱分析，实现了AFM-Raman技术；或是将AFM与拉曼光谱、红外光谱、电化学等技术相结合，提高其应用的范围和灵活性。
二、AFM技术在材料科学中的应用1、表面形貌分析与传统的扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）相比，AFM技术具有更高的分辨率和更广泛的应用范围。
在材料科学中，AFM常用于表面形貌的检测和分析。
例如，在半导体微电子学中，AFM可用于检测半导体表面和器件的形貌，从而评估器件的性能和稳定性；在纳米材料研究中，AFM可以用于观察纳米颗粒和纤维的形貌和性质；在涂层技术中，AFM可以实时检测涂层表面的形貌和粗糙度，并通过后处理软件实现涂层表面的数学模拟和优化设计。
原子力显微镜技术的应用发展原子力显微镜（AFM）技术是一种高分辨率的表面力学和形貌测量技术。
虽然最初的应用是在物理学中的研究，但随着技术的不断发展，AFM在材料、生物、化学和医学等领域得到了广泛应用。
本文将讨论AFM技术的基本原理、发展历史以及应用领域。
一、AFM技术的基本原理AFM技术是利用扫描探针和样品之间的静电力和分子力来实现表面成像的。
扫描探针的针尖非常小，只有1-10纳米的直径，扫描探针在样品表面上扫描，检测扫描探针和样品之间的力信号。
此时电控制系统会根据探针的偏移量来调整探针和样品之间的力信号，从而保持想要的距离。
扫描探针的位置可以被记录下来，在计算机屏幕上形成他们之间的高度差（拓扑形貌）影像。
AFM 技术能够对样品表面进行微小区域的观测和精准测量，因此适用于许多领域的研究。
二、AFM技术的发展历史AFM技术是由美国物理学家 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 在20世纪80年代初发明的，他们因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。
最初的AFM技术只能在真空条件下工作。
然而，近年来，由于开发出了新的扫描探针和控制系统，AFM技术已经可以在大气环境下使用了。
此外，AFM技术还有其他改进，例如高速扫描和感光技术。
这些技术的不断改进和完善，使得AFM技术在研究领域中的应用更加广泛。
三、AFM技术的应用领域1. 材料科学在材料科学中，AFM技术被广泛用于表面形貌和表面力学测量。
例如，在纳米级分析中，AFM技术是研究纳米结构材料表面形貌和表面力学性质的重要工具。
此外，AFM技术还可以用于材料表面状态的实时观察和检测，例如氧化，腐蚀和热处理等工艺。
2. 生物科学在生物科学中，AFM技术可以被用于测量生物材料的细观结构和机械性质。
例如，生物分子的形态、力学性质、纳米级别内表面结构等的测量。
此外，AFM技术还可以用于图像分析，例如细胞膜的结构，细胞结构的三维可视化等。
3. 化学和电子学在化学和电子学中，AFM技术可以用于研究材料的化学成分和表面反应。
afm摩擦学表征摩擦学是研究物体表面间相互作用的一门学科，而原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）则是一种能够观测表面原子级别的仪器。
AFM摩擦学表征是利用原子力显微镜对材料摩擦特性进行研究和表征的方法。
本文将介绍AFM摩擦学表征的原理、应用和相关研究进展。
一、原理AFM是一种基于扫描探针显微镜的技术，它通过利用探针与样品表面的相互作用力来获取表面形貌和其他物理性质的信息。
在AFM摩擦学表征中，我们关注的是探针与样品表面的摩擦力。
AFM的探针是由一个微小的探头和一个弹簧组成，当探针接触到样品表面时，弹簧会受到力的作用而发生弯曲。
通过测量弹簧的弯曲程度，我们可以得到探针与样品表面之间的相互作用力，其中包括摩擦力。
通过在样品表面上扫描探针，我们可以获取摩擦力的分布情况，从而研究材料的摩擦特性。
二、应用AFM摩擦学表征在材料科学、表面科学、纳米科学等领域具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 表面摩擦特性研究：通过AFM摩擦学表征，我们可以研究不同材料表面的摩擦特性，包括摩擦系数、摩擦力的分布等。
这对于理解材料的摩擦行为、优化材料的表面性能具有重要意义。
2. 润滑剂研究：润滑剂在减小摩擦和磨损方面起着重要作用。
通过AFM摩擦学表征，我们可以评估不同润滑剂的性能，优化润滑剂的配方，并研究润滑剂与材料表面的相互作用机制。
3. 纳米摩擦学研究：随着纳米技术的发展，纳米材料的摩擦特性成为一个研究热点。
通过AFM摩擦学表征，我们可以研究纳米材料的摩擦行为，揭示纳米尺度下摩擦的特殊规律，并为纳米器件的设计和制造提供指导。
三、研究进展近年来，AFM摩擦学表征在理论和实验研究方面取得了许多进展。
以下是一些研究方向的发展动态：1. 多尺度摩擦学：传统的摩擦学理论主要适用于宏观尺度，而在纳米和微观尺度下，摩擦行为显示出与宏观尺度不同的规律。
研究人员通过结合实验和理论方法，探索多尺度下的摩擦特性，为纳米和微观尺度的摩擦学理论提供了基础。
afm 平均杨氏模量近年来，原子力显微镜（AFM）作为一种先进的材料表征技术，在科学研究和工程领域得到了广泛应用。
在AFM测量中，平均杨氏模量是一个重要的参数，它能够反映材料的弹性特性。
本文将介绍AFM平均杨氏模量的概念、计算方法、应用领域以及提高测量准确性的方法，并简要概述我国在AFM平均杨氏模量研究方面的进展。
一、什么是AFM平均杨氏模量AFM平均杨氏模量是指通过原子力显微镜测量得到的材料表面形貌和弹性模量分布的统计平均值。
它主要包括两个部分：横向杨氏模量和纵向杨氏模量。
横向杨氏模量描述了材料在垂直于表面方向上的弹性特性，而纵向杨氏模量则反映了材料在表面方向上的弹性特性。
这两个参数能够为研究者提供关于材料弹性性能的重要信息。
二、AFM平均杨氏模量的计算方法1.横向杨氏模量的计算：在AFM测量中，横向杨氏模量通常通过采集一系列剪切模量数据并进行统计分析得到。
在实验过程中，需要对不同压力下的剪切模量进行测量，并计算出压力与剪切模量的关系。
最后，通过拟合得到横向杨氏模量的值。
2.纵向杨氏模量的计算：纵向杨氏模量的计算方法与横向杨氏模量类似，也需要采集一系列压力下的杨氏模量数据。
通过对这些数据进行统计分析，可以得到纵向杨氏模量的值。
三、AFM平均杨氏模量的应用领域1.材料科学研究：AFM平均杨氏模量可用于研究不同材料在微观尺度下的弹性特性，为材料的选择和设计提供依据。
2.生物医学领域：AFM平均杨氏模量可用于研究细胞、组织和生物材料的弹性特性，有助于揭示生物组织的生理功能和病理变化。
3.纳米技术：AFM平均杨氏模量可用于纳米材料的力学性能研究，有助于优化纳米结构的制备工艺和应用前景。
四、如何提高AFM平均杨氏模量的测量准确性1.选择合适的探针：探针的类型和尺寸对AFM平均杨氏模量的测量结果有很大影响。
因此，在实验过程中需要根据研究对象选择合适的探针。
2.优化测量参数：测量参数如扫描速度、压力和扫描范围等对测量结果有显著影响。
细胞生物力学的研究方法及其应用细胞生物力学，顾名思义，是研究生物体内单个细胞机械性质的学科。
近年来，由于技术手段的不断提高，细胞生物力学得到了越来越多的关注和研究。
本文将介绍当前常用的细胞生物力学研究方法及其在生物学、医学等领域的应用。
第一，原子力显微镜（AFM）原子力显微镜，是一种用于材料表面形貌和物理化学性质研究的宏观静态力学显微镜。
近年来，它也被广泛应用于细胞生物力学。
AFM可以在细胞表面扫描出其形貌结构，同时提供各种力学参数的测量。
例如，它可以测定细胞的硬度、弹性模数、粘附力等力学参数，从而揭示细胞的生物物理特性。
AFM的优点在于可以直接测量单个细胞的形态和力学特性，并且不会对细胞造成伤害。
此外，AFM可以在生命体内进行活体测量，可以更加真实地反映细胞的生物物理特征。
第二，拉伸式细胞生物力学实验这是一种基于机械实验装置的细胞力学试验。
拉伸式细胞生物力学实验可以测量细胞的有限元分析、张力分布等力学参数，从而了解细胞在外力下的变形和应力状态。
同时，这种实验可以研究细胞内部力的平衡，研究细胞内大分子的力学特性。
拉伸式细胞生物力学实验常用于细胞稳态、生长和迁移等方面的研究。
第三，光学牵引力显微镜（OT）光学牵引力显微镜，是一种非接触、光学控制下研究细胞运动和力学行为的实验技术，称为“光学镊子”。
它可以利用激光光束的光学力控制微米级别细胞的运动，同时实时追踪微小颗粒到纳米级别的位移、速度和应力等变化。
光学牵引力显微镜技术的优点是可以对单个细胞进行可控制的牵引力实验，测定细胞内蛋白质分子的颗粒动力学，证明各种细胞内生物标签或药物的分布和传输。
此外，由于操作非常灵活，长期研究难度较小，有助于细胞生物力学实验结果的稳定和可靠。
总之，细胞生物力学是一门尝试了解和解决生物体内机械问题的新兴学科，其研究方法也在不断创新和完善。
通过不断改进研究方法，细胞生物力学的研究在生物学、医学、生物材料等学科领域的应用也在不断扩大。
浅谈原子力显微镜( AFM) 应用于纳米科学中的进展扫描探针显微镜( Scanning Probe Microscopy,SPM) 以其较强的原子和纳米尺度上的分析加工能力,在纳米科学技术的发展中占据极其重要的位置。
扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜( STM) 基础上发展起来的。
1982 年,德国物理学家GBinnig 和H Rohrer发明了具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜( Scanning Tunneling Microscope,STM) ,它使人类第一次能够直观地看到物质表面上的单个原子及其排列状态,并深入研究其相关的物理化学性能。
因此,它对物理学、化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和深远的影响。
STM 的发明被公认为20 世纪80 年代世界十大科技成果之一。
Binnig 和Rohrer 因此获得了1986 年诺贝尔物理学奖。
原子力显微镜是SPM 家族中最重要的成员之一。
1986 年Binnig 等人[4]为了弥补STM 不能对绝缘样品进行检测和操纵而发明了原子力显微镜( Atomic Force Microscopy,AFM) ,AFM 由于不需要在探针与样品间形成导电回路,突破了样品导电性的限制,因此使其在科研应用领域更加广阔。
1 AFM 的工作原理AFM 的工作原理分为探测系统和反馈系统两大部分。
探测系统包括探针用以感受样品的表面信息、激光系统用以收集探针上的信号,反馈系统的功能是控制探针的相对高度,以保证探针能够保持一定高度从而顺利探测到样品信息。
AFM 在扫描图像时,针尖与样品表面轻轻接触,而针尖尖端原子与样品表面原子间存在微弱的相互作用力,会使悬臂产生微小变化。
这种微小变化被检测出并用作反馈来保持力的恒定,就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,从而获得样品表面形貌的图像。
AFM 的工作模式是以针尖与样品之间作用力的形式来区分主要有接触模式、非接触模式、轻敲模式三种工作模式。
原子力显微镜在生物医学中的应用【摘要】原子力显微镜在生物医学中的应用已经取得了显著的成就。
在细胞和分子水平上，原子力显微镜帮助科学家们研究细胞结构和功能机制，揭示了许多生物过程的奥秘。
在蛋白质结构研究中，原子力显微镜提供了高分辨率的图像，帮助科研人员理解蛋白质的构型和功能。
在药物研发领域，原子力显微镜可以帮助科学家们更快速地筛选药物候选物，加速新药的研发过程。
原子力显微镜还在疾病诊断和生物材料研究中发挥着重要作用。
原子力显微镜为生物医学领域带来了巨大的进步，其应用前景也十分广阔，必将继续推动生物医学领域的发展。
【关键词】原子力显微镜，生物医学，细胞，分子，蛋白质结构，药物研发，疾病诊断，生物材料研究，进步，前景。
1. 引言1.1 原子力显微镜在生物医学中的应用在细胞和分子水平上，原子力显微镜可以提供高分辨率的图像，帮助科研人员观察细胞内部的结构和功能。
通过原子力显微镜，研究人员可以更清晰地了解细胞表面的形态和结构，进而研究细胞的生物活动过程。
在蛋白质结构研究中，原子力显微镜也发挥着重要作用。
通过原子力显微镜技术，科研人员可以观察蛋白质的结构和功能，从而深入研究蛋白质在生物体内的作用机制。
在药物研发领域，原子力显微镜可以帮助科研人员研究药物与细胞的相互作用，从而提高药物研发的效率和成功率。
原子力显微镜在生物医学领域的应用为科研人员提供了更多的研究手段和思路，促进了生物医学领域的发展。
原子力显微镜的应用前景广阔，将为生物医学领域带来更多的突破和进步。
2. 正文2.1 原子力显微镜在细胞和分子水平上的应用原子力显微镜(AFM)是一种基于原子份子力的显微镜，可以实现纳米级别的图像分辨率，使得科研人员能够更深入地研究生物体系在细胞和分子水平上的结构和功能。
在生物医学领域中，原子力显微镜的应用极为广泛，其主要应用包括以下几个方面：1. 细胞形态和表面结构的研究：原子力显微镜能够在纳米尺度下对细胞的形态和表面结构进行高分辨率的成像，揭示细胞表面的微纹理、微结构及细胞器的分布情况，从而帮助研究人员更全面地理解细胞的结构和功能。
AFM在材料表面结构分析中的应用一、引言原子力显微镜（AFM）是一种高分辨率的表面成像技术，它的分辨率能够达到纳米级别。
AFM技术可以用来研究各种材料的表面结构和分子尺寸。
因此，在材料科学和工业制造中，AFM技术已成为一个重要的工具。
二、 AFM的基本原理AFM实际上是基于近场扫描和触点力显微镜的原理。
在AFM 中，扫描探针通过跟踪样品表面的轮廓，获得样品表面的高度、形态等信息。
AFM可以直接在样品表面进行高分辨率成像，非常适合于研究具有原子级结构的表面材料。
三、材料表面结构分析中的应用1、成像AFM技术可以在不破坏样品结构的情况下，对表面进行高分辨率成像。
在材料科学研究中，AFM可以提供关于各种材料的表面和形态特征的信息。
在不同的阶段，包括材料制备、表面状态改变、洗涤和形态变化等过程中，使用AFM技术可以发现微观的结构变化。
例如，一些钙质生物被用于牙齿、骨骼和贝壳中，这些微观结构可以很好地被AFM技术探测到。
2、薄膜涂层薄膜涂层是材料科学和工业制造中的一个重要领域。
涂层的形态和厚度对材料的性能有很大的影响。
使用AFM技术可以测量膜厚度、表面形态和结构等数据，并且可以用来帮助控制膜结构和厚度。
3、生物纳米结构研究生物纳米结构对于认识生命现象并拓展制造生物纳米材料有很大的意义。
AFM技术非常适合用来研究生物纳米结构和细胞膜的结构。
AFM技术能够分辨出单个蛋白质、核酸和膜蛋白等分子，并能够探测到生物分子的形态。
通过AFM技术研究生物纳米结构，可以更好地了解生命科学中各种生物过程的机制。
四、结论AFM技术非常适用于材料表面结构的研究，无论是在材料科学还是在生命科学中都有重要应用。
在材料制备、表面活性剂处理、涂覆和加工等工业中，使用AFM技术可以实现对各种表面处理的优化。
随着AFM技术和数据处理技术的不断发展和完善，它在材料表面结构分析领域的应用将会更加广泛和深入。
• 39•AFM及其应用研究进展长春理工大学 国家纳米操纵与制造国际联合研究中心 程利群 曲英敏 杨焕洲 孙佰顺导语：AFM 因具有很高的空间分辨率和力学灵敏度，并可在空气、真空和溶液中检测生物细胞的表面形貌和力学特性，近年来已取得了迅速发展并获得广泛应用。
本文主要介绍AFM 的基本结构、工作原理以及在生命科学中应用和系统改进的一些研究进展。
1.引言原子力显微镜（Atomic Force Microscope ——AFM ）于1986年由格尔德·宾尼（G ．Binning ）等人在扫描隧道显微镜的基础上发明的①。
AFM 通过检测探针针尖与样品表面之间极微弱的原子和分子间的相互作用力来检测样品的表面形貌和结构，具有很高的空间分辨率（纳米级）②。
AFM 不仅能够提供样品表面的三维高空间分辨图像，还能够测量探针针尖与样品原子间的极微弱的力（pN 级），给出样品的力谱曲线。
AFM 样品不需要导电，测量环境要求低，不需要高真空，可以在常温、低温、高温、大气、溶液中使用，因此，成为生命科学研究细胞的一种有力的工具。
近年来，随着AFM 技术的不断发展与进步以及AFM 与光学显微镜、激光共聚焦显微镜等其它技术相结合的联合使用，使得AFM 的功能进一步扩展，AFM 已在生命科学、化学、物理学、材料科学等领域获得广泛应用。
2.AFM的基本结构和原理AFM 主要由力检测、位置检测和信息控制处理三个部分组成③，其基本结构如图1所示。
图1 AFM的基本结构力检测部分主要由探针架、微米尺度的微悬臂和曲率半径为纳米量级的探针组成，力检测部分是AFM 的关键组成部分。
位置检测部分由步进电机、压电陶瓷、激光器和光电探测器构成，其作用是控制样品表面与探针针尖之间保持一定距离。
当探针针尖与样品之间产生相互作用时，会使与针尖连接的对微弱力极敏感的微悬臂产生移动，此时，激光照射在微悬臂的背面，其反射光的位置也会因为微悬臂的移动而发生改变，这就产生了一定的偏移量，光电探测器将此偏移量记录下来并转换成电信号。
信息控制处理部分的作用，电信号通过控制器进行信号处理，控制器驱动电机进行位置调节，处理后的结果反馈给系统，驱动压电陶瓷扫描器移动，以保持样品与探针针尖一定的作用力，通过一定的成像算法即可得到样品表面形貌以及力学特性。
原子力显微镜在工作时，微悬臂的一端固定，另一端安装一个探针，探针针尖的曲率半径非常小（在纳米量级），当探针针尖与样品表面轻轻接触时，针尖尖端的原子与样品表面的原子间存在极微弱的力（机械接触力、范德华力、毛吸力、化学键、静电力等等），扫描时控制针尖与样品之间的作用力保持恒定，则微悬臂就会在垂直于样品表面的方向做上下起伏运动，利用光学检测法检测微悬臂对应于扫描各点的位置变化，则可获得样品表面的形貌和力学性能信息。
由于是通过测量针尖尖端的原子与样品表面原子间的作用来进行测量的，所以原子力显微镜测定样品形貌的空间分辨率达到纳米（nm ）级，而力学性能的测量精度可达到皮牛顿（pN ）量级。
常用的原子力显微镜工作模式主要包括接触模式、非接触模式和轻敲模式等。
接触模式工作时，探针的针尖始终与样品保持接触，针尖与样品间的作用力为库仑排斥力，其大小一般为10-8～10-11N 。
这种模式可以获得稳定的高分辨率图像，但针尖在样品表面上的移动以及针尖与样品间的黏附力，会对针尖造成损坏，也会使样品产生形变，进而产生虚像。
非接触模式工作时，控制探针针尖与样品表面的距离保持在约5-20nm 进行扫描，检测到的是探针针尖与样品表面的吸引力和静电力等，这种模式针尖不易被损坏，样品表面不易被破坏，但是由于针尖与样品之间的距离比较大，分辨率没有接触模式的高，实际上，由于针尖会被样品表面的黏附力所捕获，所以使得非接触模式的操作变得非常困难。
在轻敲模式工作中，针尖与样品短时间接触，针尖和样品表面免遭破坏，轻敲模式探针针尖在接触样品表面时有较大的振幅（大于20nm ），足以克服针尖与样品之间的黏附力，其作用力介于接触模式和非接触模式之间，分辨率和接触模式基本相近。
目前，细胞研究中的操作模式大都采用轻敲模式。
不同接触模式的力—距离曲线如图2所示。
接触模式中针尖与样品距离短，工作在斥力区，非接触模式工作中针尖与样品距离较大，工作在吸引力区。
轻敲模式中探针样品间隙接触，并以一定振幅振动，探针针尖与样品的距离在一定范围内变化，针尖和样品的• 40•作用力是引力和斥力的交互作用。
图2 不同接触模式的力—距离曲线3.AFM应用及系统研究进展由于AFM 能够在常压下甚至在液体环境下直接观测非导体样品，不需要对样品进行任何特殊处理可获得样品真实的三维表面形貌以及力学特性，适合在空气和溶剂体系中直接观测细胞甚至活体细胞的表面形貌和结构特征，因此，AFM 已成为一种细胞形貌和力学特性研究的有力工具。
近年来，AFM 已在肿瘤细胞的研究中发挥了重要作用。
肿瘤细胞是一种变异的细胞，这种变异细胞的形态和结构以及力学性能均与正常细胞不同，利用AFM 可以观测研究肿瘤细胞的形态、结构和力学性质的变化，从而揭示肿瘤细胞与健康细胞的相互联系和区别，为肿瘤的诊断提供有力支撑④-⑥。
此外，药物与肿瘤细胞的相互作用会使细胞的形貌和力学性能产生一定的变化，AFM 用来观察研究药物对肿瘤细胞微观结构形貌和力学性质的影响，为肿瘤药物的筛选和肿瘤的治疗提供了新的途径⑦-⑨。
随着AFM 技术的不断发展和进步，未来将在疾病诊断和治疗以及新药研发等方面发挥越来越大的作用⑩。
原子力显微镜自问世以来，经过30余年的发展，从硬件到软件都得到了迅速发展，各生产厂商开相继开发出适于科学研究、工业和实验应用的各种不同型号的产品，以满足其在不同领域和场合应用的需求。
然而，AFM 目前依然还存在成像范围太小、扫描速度慢、检测结果受探针影响较大等方面的缺点。
近年来，研究人员不断对AFM 进行改进，如，为提高原子力显微镜的成像速度，刘璐⑾等提出了一种新的结构设计方案，Y 、Z 扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈，X 扫描器与测头分离，驱动样品做快轴扫描。
X 扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台，能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振；同时Z 扫描器的载荷实现最小化，固有频率得以显著提高。
为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差，设计了一种随动式光杠杆光路；为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置，设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。
对所搭建的AFM 系统的初步测试结果表明，该系统在采用三角波驱动和简单PID 控制算法的情况下，可搭载尺寸达数厘米且质量超过10g 的较大样品实现13μｍ×13μｍ范围50Hz 行频的高速成像。
曾俊智等⑿研究了分布式原子力显微系统，以解决由于低速成像和细胞培养时间的差异所带来的误差。
把两个原子力显微镜集成到一个操作系统中，可以在一个操作界面上对两个原子力显微镜同时操作，实现对同一时刻不同细胞在相同生长环境，相同细胞在同一时刻不同生长环境、不同细胞在同一时刻同一生长环境下生长状态的分析，获取样品的效率显著提高。
黄强先等⒀研制了多模态动态AFM ，可以在三种反馈模式、不同阶谐振状态下对物体进行扫描测量。
利用该系统在不同反馈模式、不同阶谐振状态下进行了扫描测试，结果显示，系统在各模式下具有亚纳米分辨力，其中在相位反馈模式，悬臂二阶谐振时，达到最优灵敏度与分辨力分别为17.5V/μｍ和0.29nm ，该系统还存在频率反馈不稳定的问题，悬臂的高阶谐振特性尚需深入研究，控制算法有待于进一步完善。
此外，针对AFM 通常只能获得样品表面形貌和特征信息，难以获得细胞内部分子结构信息等缺点，研究人员将AFM 与其他技术联合使用实现优势互补，对AFM 功能进行扩展，例如，AFM 与光学显微镜、激光共聚焦显微镜、全内反射荧光显微镜的组合技术，已在细胞研究中获得应用⒁-⒃。
例如，AFM 与激光共聚焦显微镜的组合，用于细胞表面分子的高分辨率成像，激光共聚焦显微镜对样品进行选择性的荧光标记，而AFM 则提供样品的三维信息，AFM 与超分辨光学显微镜组合，可以在获取细胞形貌以及力学性质的同时，还可以对细胞内部成分及结构进行定位和三维成像，大大提升了AFM 在细胞物理化学特性研究中获取信息的能力。
4.总结与展望本文对AFM 的基本结构、原理和工作模式进行了较为详细的介绍，AFM 通过检测探针与样品间的微弱相互作用力实现对样品表面形貌的成像和力学性能测试，其空间分辨率达纳米（nm ）级，力学灵敏度达皮牛(pN)级，AFM 已成为探测生物样品形貌和力学特性的有力工具，目前针对AFM 系统扫描速度慢以及成像范围小等缺点进行了大量的改进工作，并与其他技术联用，取得较大进展。
相信随着科学与技术的进步，AFM 将在生命科学、化学、物理学、材料科学等领域获得越来越广泛的应用。
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