原子力顯微鏡ppt課件

1、原子力顯微鏡原子力顯微鏡 生科院 Page 2Page 3顯微鏡的分類顯微鏡的分類 顯微鏡光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡暗視野顯微鏡實體顯微鏡熒光顯微鏡偏光顯微鏡位相顯微鏡倒置式顯微鏡微分干涉顯微鏡攝影顯微鏡透射式電子顯微鏡掃描式電子顯微鏡掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡Page 4原子力顯微鏡Page 5原子力顯微鏡 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope Atomic Force Microscope ）簡稱）簡稱AFMAFM。是一種可。是一種可用來用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過檢測待測樣品的分析儀器。它

2、通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運動狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力動狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。分布信息，

3、從而以納米級分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。Page 6原子力顯微鏡的產(chǎn)生與發(fā)展原子力顯微鏡的產(chǎn)生與發(fā)展n 1981年，年，IBM公司蘇黎士研究所的科學(xué)家成功開發(fā)掃描隧道顯微鏡，為原子公司蘇黎士研究所的科學(xué)家成功開發(fā)掃描隧道顯微鏡，為原子力顯微鏡的問世奠定了基礎(chǔ)。力顯微鏡的問世奠定了基礎(chǔ)。n 1982年，由掃描隧道顯微鏡派生出了原子力顯微鏡。（前者為導(dǎo)體用，后者年，由掃描隧道顯微鏡派生出了原子力顯微鏡。（前者為導(dǎo)體用，后者為非導(dǎo)體用。）為非導(dǎo)體用。）n 1986年，徳裔物理學(xué)家年，徳裔物理學(xué)家G.Binnig等人原子力顯微鏡進(jìn)行了改良，開始使用微等人原子力顯微鏡進(jìn)行了改良，開始使用微懸臂梁作為探針。懸

4、臂梁作為探針。n 1988年，國外開始對原子力顯微鏡進(jìn)行改進(jìn)，激光檢測原子力顯微鏡。年，國外開始對原子力顯微鏡進(jìn)行改進(jìn)，激光檢測原子力顯微鏡。n 1989年，白春禮等人研制出了我國第一臺原子力顯微鏡，并躋身于國際先進(jìn)年，白春禮等人研制出了我國第一臺原子力顯微鏡，并躋身于國際先進(jìn)行列。行列。Page 7原子力顯微鏡的工作原理 將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描

5、時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學(xué)檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化，用光學(xué)檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。從而可以獲得樣品表面形貌的信息。Page 8Page 9Page 10原子力顯微鏡的構(gòu)成 原子力顯微鏡主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運動檢測裝置、監(jiān)控其運原子力顯微鏡主要由帶針尖的微懸臂、

6、微懸臂運動檢測裝置、監(jiān)控其運動的反饋回路、使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機(jī)控制的圖像采動的反饋回路、使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。集、顯示及處理系統(tǒng)組成。Page 11原子力顯微鏡各部分的功能微懸臂：檢測原子之間力的變化量。微懸臂：檢測原子之間力的變化量。微懸臂運動檢測裝置：監(jiān)控微懸臂的運動情況。微懸臂運動檢測裝置：監(jiān)控微懸臂的運動情況。監(jiān)控其運動的反饋回路：保證樣品原子與探針之間的原子力恒定。監(jiān)控其運動的反饋回路：保證樣品原子與探針之間的原子力恒定。壓電陶瓷掃描器件：使樣品進(jìn)行掃描。壓電陶瓷掃描器件：使樣品進(jìn)行掃描。計算機(jī)部分：接收并分析

7、掃描所得的信號，并以特定的方式輸出。計算機(jī)部分：接收并分析掃描所得的信號，并以特定的方式輸出。Page 12原子力顯微鏡原理簡易視圖Page 13原子力顯微鏡工作原理示意圖Page 14Page 15Page 16Page 17原子力顯微鏡下觀察到的圖像原子力顯微鏡下的細(xì)胞原子力顯微鏡下的細(xì)胞Page 18原子力顯微鏡的成像特點原子力顯微鏡的成像特點n 與傳統(tǒng)的電子顯微鏡，特別是掃描電子顯微鏡相比，具有非常高的橫向分辨與傳統(tǒng)的電子顯微鏡，特別是掃描電子顯微鏡相比，具有非常高的橫向分辨率和縱向分辨率。橫向分辨率可達(dá)到率和縱向分辨率。橫向分辨率可達(dá)到0.10.2nm0.10.2nm，縱向分辨率高達(dá)

8、，縱向分辨率高達(dá)0.01nm0.01nm。n 原子力顯微鏡具有很寬的工作范圍，可以在諸如真空、空氣、高溫、常溫、原子力顯微鏡具有很寬的工作范圍，可以在諸如真空、空氣、高溫、常溫、低溫以及液體環(huán)境下掃描成像。低溫以及液體環(huán)境下掃描成像。n 樣品制備簡單。原子力顯微鏡所觀察的標(biāo)本不需要包埋、覆蓋、染色等處理，樣品制備簡單。原子力顯微鏡所觀察的標(biāo)本不需要包埋、覆蓋、染色等處理，可以直接觀察?？梢灾苯佑^察。n 原子力顯微鏡具有對樣品的分子或原子進(jìn)行加工的力行為。原子力顯微鏡具有對樣品的分子或原子進(jìn)行加工的力行為。Page 19原子力顯微鏡的應(yīng)用n 使用原子力顯微鏡觀察生化過程。使用原子力顯微鏡觀察生化

9、過程。n 原子力顯微鏡在研究分子識別中的應(yīng)用。原子力顯微鏡在研究分子識別中的應(yīng)用。n 原子力顯微鏡在研究物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。原子力顯微鏡在研究物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。n 原子力顯微鏡在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用。原子力顯微鏡在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用。Page 20使用原子力顯微鏡觀察生化過程使用原子力顯微鏡觀察生化過程 可運用原子力顯微鏡觀察轉(zhuǎn)錄過程。但是，要用原子力顯微鏡觀察可運用原子力顯微鏡觀察轉(zhuǎn)錄過程。但是，要用原子力顯微鏡觀察DNADNA分子的轉(zhuǎn)錄過程，就必須解決一個問題。利用原子力顯微鏡觀察樣品時，樣分子的轉(zhuǎn)錄過程，就必須解決一個問題。利用原子力顯微鏡觀察樣品時，樣品必須固定在基底，但是，轉(zhuǎn)錄是

10、由品必須固定在基底，但是，轉(zhuǎn)錄是由DNADNA經(jīng)過堿基配對生成經(jīng)過堿基配對生成RNARNA的過程，該過的過程，該過程必定是動態(tài)的。程必定是動態(tài)的。 科學(xué)研究者運用一定的方法將科學(xué)研究者運用一定的方法將DNADNA沉降下來（并不影響其生物活性），在沉降下來（并不影響其生物活性），在云母片上進(jìn)行觀察，可觀察到云母片上進(jìn)行觀察，可觀察到RNARNA聚合酶沿著聚合酶沿著DNADNA移動的過程。移動的過程。Page 21原子力顯微鏡在研究分子識別中的應(yīng)用原子力顯微鏡在研究分子識別中的應(yīng)用 分子間的相互作用在生物學(xué)領(lǐng)域中相當(dāng)普遍，例如，受體和配體的結(jié)合，分子間的相互作用在生物學(xué)領(lǐng)域中相當(dāng)普遍，例如，受體和

11、配體的結(jié)合，抗原和抗體的結(jié)合，信息傳遞分子間的結(jié)合等，是生物體中信息傳遞的基礎(chǔ)?？乖涂贵w的結(jié)合，信息傳遞分子間的結(jié)合等，是生物體中信息傳遞的基礎(chǔ)。 原子力顯微鏡可以作為一種力傳感器來研究分子間的相互作用。這是由原子力顯微鏡可以作為一種力傳感器來研究分子間的相互作用。這是由于原子力顯微鏡理論上能夠感應(yīng)于原子力顯微鏡理論上能夠感應(yīng)10-14nm10-14nm的作用力，能感應(yīng)的作用力，能感應(yīng)0.01nm0.01nm的位移，的位移，而接觸面積可小到而接觸面積可小到10n10n. .Page 22原子力顯微鏡原子力顯微鏡在研究物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用在研究物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 應(yīng)用原子力顯微鏡應(yīng)用原子力顯

12、微鏡(AFM)(AFM)可以直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附可以直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置、以及有表面吸附體引起的表面重構(gòu)等。原子力顯微鏡體的形態(tài)和位置、以及有表面吸附體引起的表面重構(gòu)等。原子力顯微鏡(AFM)(AFM)可以觀察許多不同材料的原子級平坦結(jié)構(gòu)，例如，可以用原子力顯微鏡可以觀察許多不同材料的原子級平坦結(jié)構(gòu)，例如，可以用原子力顯微鏡(AFM)(AFM)對對DLDL亮氨酸晶體進(jìn)行研究，可觀察到表面晶體分子的有序排列，其晶格間亮氨酸晶體進(jìn)行研究，可觀察到表面晶體分子的有序排列，其晶格間距與距與X X射線衍射數(shù)據(jù)相符。另外原子力顯微鏡射線衍射數(shù)據(jù)相符。另外原

13、子力顯微鏡(AFM)(AFM)還成功地用于觀察吸附在還成功地用于觀察吸附在基底上的有機(jī)分子和生物樣品，如，三梨酸、基底上的有機(jī)分子和生物樣品，如，三梨酸、DNADNA和蛋白質(zhì)的表面。和蛋白質(zhì)的表面。Page 23原子力顯微鏡原子力顯微鏡在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用 原子力顯微鏡對體外動態(tài)細(xì)胞的分析具有非凡的能力。原子力顯微鏡對體外動態(tài)細(xì)胞的分析具有非凡的能力。 這些研究大都把樣品直接放置在玻片上，不需要染色和固定，樣品制備這些研究大都把樣品直接放置在玻片上，不需要染色和固定，樣品制備和操作環(huán)境相當(dāng)簡單。和操作環(huán)境相當(dāng)簡單。 比如：比如： 觀察血小板的運動，可以看到微絲結(jié)構(gòu)、顆粒傳輸

14、到細(xì)胞質(zhì)外側(cè)及活化觀察血小板的運動，可以看到微絲結(jié)構(gòu)、顆粒傳輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)外側(cè)及活化中細(xì)胞成分的再分配。中細(xì)胞成分的再分配。Page 24原子力顯微鏡的應(yīng)用前景 原子力顯微鏡技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有賴于樣品制備方法和適合針尖原子力顯微鏡技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有賴于樣品制備方法和適合針尖- -樣品相互作樣品相互作用的緩沖液的研究。原子力顯微鏡現(xiàn)已成為一種獲得樣品表面結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像用的緩沖液的研究。原子力顯微鏡現(xiàn)已成為一種獲得樣品表面結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像的有力工具。而更為吸引人的是其觀察生化反應(yīng)過程級生物分子構(gòu)象變化的能力，的有力工具。而更為吸引人的是其觀察生化反應(yīng)過程級生物分子構(gòu)象變化的能力，因此

15、，原子力顯微鏡在生物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景毋庸置疑。而對于原子力顯微鏡技因此，原子力顯微鏡在生物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景毋庸置疑。而對于原子力顯微鏡技術(shù)本身，以下幾個方面的進(jìn)展將更加有利于它在生物學(xué)中的應(yīng)用。大多數(shù)生物反應(yīng)術(shù)本身，以下幾個方面的進(jìn)展將更加有利于它在生物學(xué)中的應(yīng)用。大多數(shù)生物反應(yīng)過程相當(dāng)快速，原子力顯微鏡時間分辨率的提高有助于這些過程的觀察。生命科學(xué)過程相當(dāng)快速，原子力顯微鏡時間分辨率的提高有助于這些過程的觀察。生命科學(xué)研究有其自身特點，需設(shè)計出適合生物學(xué)研究的原子力顯微鏡。高分辨率是原子力研究有其自身特點，需設(shè)計出適合生物學(xué)研究的原子力顯微鏡。高分辨率是原子力顯微鏡的優(yōu)勢。其分辨率在理論

16、上能達(dá)到原子水平，但目前還沒有實現(xiàn)，如何做出顯微鏡的優(yōu)勢。其分辨率在理論上能達(dá)到原子水平，但目前還沒有實現(xiàn)，如何做出更細(xì)的針尖將有助于其分辨率的進(jìn)一步提高。更細(xì)的針尖將有助于其分辨率的進(jìn)一步提高。Page 25Page 26原子力顯微鏡的各類針尖Page 27原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡的區(qū)別原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡的區(qū)別n 掃描隧道顯微鏡的原理：掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡的原理：掃描隧道顯微鏡（STMSTM）的基本原理是利用量子理）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)論中的隧道效應(yīng) 。將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電。將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于1nm1nm），在外加電場的作用），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極 。利用電子反饋線路