原子力显微镜（AFM）

原子力显微镜（AFM）是一种高分辨率扫描探针技术，通过感测尖锐探针与样品之间的力来测量表面形貌。与电子显微镜不同，AFM可以在环境条件或液体中对非导电样品成像，使其特别适用于生物和软材料表征。

AFM原理

AFM由一个安装在柔性悬臂末端的尖锐探针组成。当探针在样品表面扫描时，探针-样品相互作用导致悬臂偏转。从悬臂表面反射到位置敏感光电检测器的激光束以亚纳米精度测量该偏转。反馈回路调整样品高度或探针位置以维持恒定的力或距离。

标准探针的尖端半径通常为1–20 nm，超锐利尖端低于1 nm。力灵敏度可达皮牛顿级别，能够测量分子间相互作用。

接触模式在扫描过程中保持恒定的探针-样品接触。通过调整z位置保持悬臂偏转恒定，生成形貌图。接触模式提供高扫描速度，但可能损伤软样品或移动松散结合的物质。

轻敲（间歇接触）模式在扫描过程中使悬臂在其共振频率附近振荡。探针在每次振荡的最低点短暂接触样品。由探针-样品相互作用引起的振荡幅度变化用于反馈。轻敲模式减少侧向力，是生物样品、聚合物和松散吸附颗粒的首选模式。

非接触模式在样品上方振荡悬臂而不接触，感测吸引性范德华力。该模式完全避免样品损伤，但需要清洁表面和稳定的条件。

AFM可以在单点或沿栅格测量力-距离曲线。记录探针接近、接触和撤回样品时的悬臂偏转。所得的力曲线揭示样品刚度、粘附力和形变。

力谱用于测量配体-受体对之间的分子解绑力、蛋白质解折叠力和聚合物弹性。该技术可检测低至几个皮牛顿的力，相当于单个氢键的强度。

AFM要求相对平坦的样品，表面粗糙度小于扫描仪的z轴范围（通常为几微米）。样品使用胶粘剂或静电吸附安装在玻璃载玻片、云母盘或硅片上。生物样品可在缓冲溶液中成像以维持天然构象。

固定对于稳定成像至关重要。生物分子可吸附在云母或功能化表面上，或通过特异性连接进行固定。支撑脂质双层和膜蛋白可在生理相关条件下成像。

高速AFM实时捕获动态过程，如蛋白质运动、酶活性和细胞动力学。使用小型悬臂和优化的扫描仪可实现每秒10–50帧的扫描速率。

多参数成像同时记录形貌、刚度、粘附力和能量耗散图。峰值力轻敲模式控制每个像素施加的最大力，实现定量力学性能映射且样品形变最小。

导电AFM、开尔文探针力显微镜和磁力显微镜将AFM能力扩展到纳米尺度测量电学、静电和磁学性质。

AFM广泛应用于材料科学，表征表面粗糙度、薄膜形态和纳米颗粒。在生物学中，AFM以分子分辨率对膜蛋白、DNA和细胞骨架结构成像。在聚合物科学中，AFM映射相分离、结晶度和力学性能。在半导体制造中，AFM测量线边缘粗糙度和关键尺寸。

AFM扫描区域有限，高分辨率扫描仪通常为10–100 µm。图像采集速度慢于SEM，探针伪影可能扭曲特征。该技术仅成像表面，不提供直接的化学鉴定。无伪造成像需要熟练操作。