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    只有對聚合物的化學(xué)性質(zhì)和表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行了充分研究，才能理解其功能。聚合物被用于許多領(lǐng)域和應(yīng)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(zhì)和相互作用至關(guān)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(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。兩者均基于使用電子束掃描樣品表面。但是，損壞樣品的風(fēng)險以及將好終圖像限制在二維范圍內(nèi)是這些方法的嚴(yán)重限制。因此，這導(dǎo)致了原子力顯微鏡（AFM）的發(fā)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(xiàn)在在生物學(xué)研究，高分子科學(xué)，材料科學(xué)和藥物研究中變得至關(guān)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(fā)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(zhuǎn)
    壓電掃描儀 -將樣品定位到Angstrom單位內(nèi)的精度
    計算機-控制設(shè)置并執(zhí)行數(shù)據(jù)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(dāng)距離表面足夠近以至在原子間分離距離之內(nèi)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(dǎo)致振動懸臂根據(jù)樣品表面形貌發(fā)生偏轉(zhuǎn)?？梢詫⑵滢D(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yù)定的原子間距離內(nèi)。

    懸臂運動被轉(zhuǎn)換成好終的三維圖像，這通?？梢酝ㄟ^使用激光束以原子分辨率實現(xiàn)。

    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(diào)制頻率，并且還可以提高圖像質(zhì)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(guān)重要。盡管當(dāng)前大多數(shù)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(yīng)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(yīng)力渦街流量計
    自感應(yīng)力渦街流量計可輕松將掃描隧道顯微鏡轉(zhuǎn)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(xiàn)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(yīng)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(gòu)建。它們的成像速度大大提高。而且，測量頭現(xiàn)在是運動部件，而不是樣品臺，這可以簡化AFM的結(jié)構(gòu)并減小規(guī)模。另外，盡管光學(xué)AFM要求校準(zhǔn)，但也避免了校準(zhǔn)的需要。

    但是，在本地組裝qPlus探針可能缺乏可重復(fù)性和可靠性。這是因為復(fù)雜的渦街流量計架構(gòu)使結(jié)果很大程度上取決于組裝它的人員的專業(yè)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(zhuǎn)。

    但是，研究表明，較硬的qPlus渦街流量計可與調(diào)頻AFM結(jié)合使用，以在生物樣品上實現(xiàn)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(xiàn)的好大可檢測力梯度來實現(xiàn)的。

    盡管通過機械驅(qū)動器使用通過液體驅(qū)動的軟懸臂導(dǎo)致在共振頻率附近產(chǎn)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(diào)相位響應(yīng)產(chǎn)生更穩(wěn)定的反饋?？梢耘c真空中的壓電檢測器結(jié)合使用，以實現(xiàn)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(shè)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(diào)節(jié)樣品臺的垂直z移動。這里有一個內(nèi)外控制設(shè)置，可好大程度地減少可能在圖像中產(chǎn)生偽像的高頻動態(tài)結(jié)果。預(yù)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(xué)相互作用，從而可以簡單，經(jīng)濟高效地在化學(xué)過程中對特定化學(xué)物質(zhì)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(xué)修飾專門設(shè)計的，具有經(jīng)過仔細(xì)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(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌盘栔?，例如電?dǎo)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(xué)和原子之間的力。