原子力显微镜的原理及应用

作者原稿所列单位：中科院上海药物研究所 / 华东理工大学（历史署名）

因为有了超级天文望远镜，我们可以拍下宇宙的永恒美丽; 因为有了照相机，我们可以记录大自然的千奇百怪和绚烂多彩；因为有了光学显微镜，我们揭开了微观世界神秘面纱的一角。然而，受衍射限制，传统光学显微镜难以分辨许多纳米尺度的细节。1纳米是十亿分之一米。

人类探索未知世界的好奇心并未因此而消失，相反越来越强。1986年，IBM实验室的G. Binnig、Ch. Gerber和斯坦福大学的C. F. Quate 教授在扫描隧道显微镜的基础上发明了原子力显微镜，由此开创出一种全新的观测方式。人们借助这种显微镜既可以观察材料和生物样品表面的纳米级精细形貌，也可以研究这些样品的力学性能。

原子力显微镜通过机械探针“触摸”样品表面表征其形貌并记录力学性质。它的工作原理（图1）类似人类用手指触摸物品表面，当探针靠近样品表面时，探针与样品表面间会产生一个相互作用力，此作用力会导致悬臂发生偏折。激光二极管产生的激光束通过透镜聚焦到悬臂背面，然后再反射到光电二极管上，在扫描样品时，微悬臂在反馈调节系统调节下将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，由检测器记录表面形貌和力学信息。

AFM在适当条件下可以分辨分子尺度的结构。2013年的研究在8-羟基喹啉体系中观察到与可能氢键位置相符的分子间对比（图2）。氢键是一类有氢原子参与的吸引相互作用，常见于与氧、氮等原子相连的氢与邻近原子之间。

不过，图像中的线状特征并不等于直接“看见氢键”。2014年的后续实验表明，在不应存在分子间键的位置，也会出现类似对比；探针尖端的柔性是解释这种现象的重要因素，需要结合结构模型和其他证据判断。^[2]

生物学家也借助原子力显微镜研究膜蛋白的排列、细胞与纤维的相互作用、抗体和病毒形貌，以及DNA分子的结构（图3）。不同成像模式适合不同样品，也各有分辨率和解释上的限制。^[3]

未来，随着原子力显微镜扫描精度的进一步提高和与其它光谱类表征仪器的连用，科学家们将为我们呈现纳米世界更多的精彩内容。

恢复与校订参考资料

1. Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy. Science (2013).
2. Intermolecular contrast in atomic force microscopy images without intermolecular bonds. Physical Review Letters 113, 186102 (2014).
3. Dufrêne et al. Imaging modes of atomic force microscopy for application in molecular and cell biology. Nature Nanotechnology 12, 295–307 (2017).