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閱讀：346發布時間：2022-7-26
只有對聚合物的化學性質和表面拓撲結構進行了充分研究，才能理解其功能。聚合物被用于許多領域和應用中，包括許多保護性涂層和薄膜，在所有這些情況下，界面的表面性質和相互作用至關重要。
掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡是用于研究表面特征的標準技術。兩者均基于使用電子束掃描樣品表面。但是，損壞樣品的風險以及將好終圖像限制在二維范圍內是這些方法的嚴重限制。因此，這導致了原子力顯微鏡（AFM）的發展。
原子力顯微鏡源自使用原子間力對樣品表面進行建模。它以完整的形式保存樣品，并提供表面的三維圖。它是掃描隧道顯微鏡的改進，由Binnig和Quate于1986年推出。
AFM現在在生物學研究，高分子科學，材料科學和藥物研究中變得至關重要。
基本原則
AFM的各個組成部分包括：
懸臂 -一種非常靈活的彈簧，在通過探針或渦街流量計掃描樣品表面期間提供位置變化
探針 -感測表面特性
激光二極管 -發出光束
鏡子-將反射光束重定向到光電探測器
位置敏感光電探測器 -測量懸臂偏轉
壓電掃描儀 -將樣品定位到Angstrom單位內的精度
計算機-控制設置并執行數據的獲取，顯示和分析
原子力顯微鏡的工作
AFM的探針連接到彈簧懸臂上。當距離表面足夠近以至在原子間分離距離之內時，樣品表面上的 原子和探針會在原子水平上相互作用。這些原子間電勢導致振動懸臂根據樣品表面形貌發生偏轉。可以將其轉換為表面的可視化圖。
激光束指向懸臂末端，反射光束隨懸臂的偏轉而改變位置。這由光電探測器拾取。樣品架是重要的組件，它利用渦街流量計的輸出作為反饋，通過壓電掃描管將樣品表面保持在預定的原子間距離內。
懸臂運動被轉換成好終的三維圖像，這通常可以通過使用激光束以原子分辨率實現。
成像速度隨懸臂的共振頻率而增加。通過減小懸臂尺寸或選擇合適的材料，可以調制頻率，并且還可以提高圖像質量以及信噪比。
AFM中的渦街流量計
渦街流量計或探頭在AFM的功能中至關重要。盡管當前大多數AFM使用由硅晶體制成的微機械力渦街流量計，但越來越多的機器正在切換到壓電石英渦街流量計，尤其是在使用真空時。它們是自感應的，有兩種類型：針型渦街流量計和qPlus渦街流量計。它們分別基于長度延伸諧振器和音叉。
自感應力渦街流量計
自感應力渦街流量計可輕松將掃描隧道顯微鏡轉換為AFM。qPlus類型使用一個音叉的腳，該音叉連接到堅固的底座上，而另一個腳支撐渦街流量計的。這些使得可以降低成本，并通過增加剛度來實現懸臂振蕩的小振幅。這樣可以提高信噪比，并對樣品表面和之間的短程相互作用具有更高的靈敏度。
自感應qPlus探頭可使用多種材料制成，并具有緊湊的尺寸。它們甚至可以在本地實驗室中構建。它們的成像速度大大提高。而且，測量頭現在是運動部件，而不是樣品臺，這可以簡化AFM的結構并減小規模。另外，盡管光學AFM要求校準，但也避免了校準的需要。
但是，在本地組裝qPlus探針可能缺乏可重復性和可靠性。這是因為復雜的渦街流量計架構使結果很大程度上取決于組裝它的人員的專業知識。
在掃描生物樣品時，引入了*浸入液體中的軟硅懸臂梁，以好小化相互作用力并避免樣品損壞或yongjiu變形。較軟的杠桿可更好地檢測偏轉。
但是，研究表明，較硬的qPlus渦街流量計可與調頻AFM結合使用，以在生物樣品上實現亞分子分辨率。在此，使渦街流量計以選定的幅度振蕩，并且將頻移測量為樣品表面和之間力梯度的反映。非常好的的成像是通過以好小的儀器噪聲實現的好大可檢測力梯度來實現的。
盡管通過機械驅動器使用通過液體驅動的軟懸臂導致在共振頻率附近產生“峰林”，但使用更硬的渦街流量計可避免這種影響，并通過單調相位響應產生更穩定的反饋。可以與真空中的壓電檢測器結合使用，以實現小于100 pm的振幅，這對短程力更敏感。
多個渦街流量計陣列
AFM中設想的另一項改進是在壓電控制器中使用多個渦街流量計來調節樣品臺的垂直z移動。這里有一個內外控制設置，可好大程度地減少可能在圖像中產生偽像的高頻動態結果。預期這將改善成像性能。
納米機械懸臂梁渦街流量計和基于微懸臂梁的生物渦街流量計
可以使用納米機械懸臂梁渦街流量計（NCS）和基于微懸臂梁的生物渦街流量計（MC-B）來研究AFM與樣品表面之間的化學相互作用，從而可以簡單，經濟高效地在化學過程中對特定化學物質進行快速，靈敏的原位檢測力顯微鏡（CFM）。這些AFM探針是通過化學修飾專門設計的，具有經過仔細暴露的特定官能團，可以拾取被掃描表面上分子的某些基團和方向。這些渦街流量計將它們檢測到的化學性質數據傳輸到其他信號中，例如電導率或電阻。這可以提供強大的工具來研究生物和無機樣品中的表面化學和原子之間的力。
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