1、原子力顯微鏡,生科院,Page 2,Page 3,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(shí)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（Atomic Force Microscope ）簡(jiǎn)稱AFM。是一種可用來(lái)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(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一

2、端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)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,1981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，為原子力顯微鏡的問(wèn)世奠定了基礎(chǔ)。 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，后者為非導(dǎo)體用。） 1986年，徳裔物理學(xué)家G.Binnig等人原子力顯微鏡進(jìn)行了改良，開始使用微懸臂梁作為探針。 1988年，國(guó)外開始對(duì)原子力顯微鏡進(jìn)行改進(jìn)，激光檢測(cè)原子力顯微鏡。 1989年，白春禮等人

3、研制出了我國(guó)第一臺(tái)原子力顯微鏡，并躋身于國(guó)際先進(jìn)行列。,Page 7,原子力顯微鏡的工作原理,將一個(gè)對(duì)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排斥力，通過(guò)在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)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(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測(cè)法或隧道電流檢測(cè)法，可測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。,Page 8,Page 9,Page 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(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置、監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)的反饋回路、使樣

4、品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計(jì)算機(jī)控制的圖像采集、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(cè)原子之間力的變化量。 微懸臂運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置：監(jiān)控微懸臂的運(yùn)動(dòng)情況。 監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)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。 計(jì)算機(jī)部分：接收并分析掃描所得的信號(hào)，并以特定的方式輸出。,Page 12,原子力顯微鏡原理簡(jiǎn)易視圖,Page 13,原子力顯微鏡工作原理示意圖,Page 14,Page 15,Page 16,Page 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,Page 18,原子力顯微鏡的成像特點(diǎn),與傳統(tǒng)的電

5、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0.10.2nm，縱向分辨率高達(dá)0.01nm。 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。 樣品制備簡(jiǎn)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。 原子力顯微鏡具有對(duì)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,使用原子力顯微鏡觀察生化過(guò)程。 原子力顯微鏡在研究分子識(shí)別中的應(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。 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(guò)程,

6、可運(yùn)用原子力顯微鏡觀察轉(zhuǎn)錄過(guò)程。但是，要用原子力顯微鏡觀察DNA分子的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，就必須解決一個(gè)問(wèn)題。利用原子力顯微鏡觀察樣品時(shí)，樣品必須固定在基底，但是，轉(zhuǎn)錄是由DNA經(jīng)過(guò)堿基配對(duì)生成RNA的過(guò)程，該過(guò)程必定是動(dòng)態(tài)的。 科學(xué)研究者運(yùn)用一定的方法將DNA沉降下來(lái)（并不影響其生物活性），在云母片上進(jìn)行觀察，可觀察到RNA聚合酶沿著DNA移動(dòng)的過(guò)程。,Page 21,原子力顯微鏡在研究分子識(shí)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，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)。 原子力顯微鏡可以作為一種力傳感器來(lái)研究分子間的相互作用。這是由于原

7、子力顯微鏡理論上能夠感應(yīng)10-14nm的作用力，能感應(yīng)0.01nm的位移，而接觸面積可小到10n.,Page 22,原子力顯微鏡 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(AFM)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(AFM)可以觀察許多不同材料的原子級(jí)平坦結(jié)構(gòu)，例如，可以用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)DL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X射線衍射數(shù)據(jù)相符。另外原子力顯微鏡(AFM)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、DNA和蛋白質(zhì)的表面。,Page 23,原子力顯微鏡

8、 在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用,原子力顯微鏡對(duì)體外動(dòng)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，樣品制備和操作環(huán)境相當(dāng)簡(jiǎn)單。 比如： 觀察血小板的運(yùn)動(dòng)，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。,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-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)的高分辨率圖像的有力工具。而更為吸引人的是其觀察生化反應(yīng)過(guò)程級(jí)生物分子構(gòu)象變化的能力，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(duì)于原子力顯微鏡技術(shù)本身，以下幾個(gè)方面

9、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(guò)程相當(dāng)快速，原子力顯微鏡時(shí)間分辨率的提高有助于這些過(guò)程的觀察。生命科學(xué)研究有其自身特點(diǎn)，需設(shè)計(jì)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(shì)。其分辨率在理論上能達(dá)到原子水平，但目前還沒(méi)有實(shí)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。,Page 25,Page 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,掃描隧道顯微鏡的原理：掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(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(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極 。利用