亚纳米精度长度溯源计量型动态模式原子力显微镜

通过与长度溯源三轴激光干涉仪测量系统结合,设计开发计量型动态模式原子力显微镜(AFM)。此AFM系统中,三轴激光干涉仪系统用于实时测量AFM测头与试样的相对位移。激光干涉仪系统的x,y,z测量轴正交于AFM探针顶端附近的一点,基本可以避免系统的阿贝误差,使AFM具有极高的测量精度。除此之外,扫描过程中三轴激光干涉仪系统还用于工作台x,y方向位移的反馈控制,完全克服AFM中压电器件的缺陷对水平尺寸测量的影响。分析表明.在对纳米标准栅的平均栅距测量中,AFM系统达到亚纳米的测量精度。

原子力显微镜在有机缓蚀剂研究中的应用

有机缓蚀剂具有低毒性和高性价比等优点,在低浓度的注射剂量下可以实现优良的缓蚀效果,被广泛应用于石油化工(碳钢)、电子工业(铜)、车辆船舶和航空航天工业(铝),保护合金材料免受腐蚀危害。现有的电化学测试技术已经在有机缓蚀剂领域得以广泛应用,这种传统的研究方法可以提供有关界面电化学反应的平均动力学信息,但是无法直接解析缓蚀剂的吸附及作用机制。随着金属腐蚀与缓蚀剂研究的微观化和系统化发展,电化学分析手段逐渐与其他分析技术(如扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱等)紧密结合,开展了对缓蚀剂作用机制的深入研究。在这些分析技术中,原子力显微镜(AFM)由于空间分辨率成像能力高,受工作环境和样品性质的局限较少,在有机缓蚀剂于金属/溶液界面的直观研究中起到了重要作用。本文结合近年来原子力显微镜在有机缓蚀剂领域的研究进展,简述了原子力显微镜的工作原理和几种操作模式,详述了AFM的接触模式在有机缓蚀剂研究中的普遍应用和其局限性,总结了AFM的敲击模式在表面活性剂吸附研究中的重要作用和研究现状并延伸到有机缓蚀剂的吸附研究,综述了AFM几个衍生功能(包括纳米刮擦、力-距离曲线、摩擦力和电化学原子力显微镜)在有机缓蚀剂研究中获得的缓蚀剂膜的力学和电化学相关信息,最后对AFM在有机缓蚀剂领域当前研究中存在的问题和未来发展趋势进行了展望。

原子力显微镜相位成像模式的设计及研究

相位成像模式是近几年发展起来的一种原子力显微镜的检测模式,该模式可以提供丰富的样品表面纳米尺度信息,是形貌像的有利补充。本文给出了一种应用于原子力显微镜轻敲模式的相位检测电路,结构简单,工作可靠稳定。通过实验获得了一些样品的相位像。

适用于原子力显微镜先进扫描模式的学习控制系统

原子力显微镜(AFM)是进行纳米测量和操作的一种重要工具.针对原子力显微镜系统,论文提出了一种基于学习控制的先进扫描模式.具体而言,首先构造了一种适用于AFM的学习控制系统,它由对于扫描管动态特性的最优逆补偿环节和对于样品表面特性的学习算法两部分组成.然后,针对测量过程中扫描线之间的偏移,通过将常见的比例-积分控制算法与这种学习控制相结合,实现了一种基于学习算法的先进扫描模式.论文将这种模式应用于周期性样品来测试其性能,仿真和实验结果表明它可以显著提高测量的速度和精度,同时将样品与探针针尖的距离控制在一个合理的范围之内,以避免损坏样品或探针.这种先进扫描模式可以应用于对快速生物过程的实时监测,同时也可以用来完成重复刻写等纳米操作.

原子力显微镜磁驱动轻敲模式在活细胞成像中的应用研究

应用MI公司最新发展的磁驱动轻敲模式(MAC mode)对体外培养成纤维细胞系3T3细胞进行在位成像研究。分别用力常数为0.95 N/m及0.03 N/m的微悬臂进行磁驱动轻敲模式成像,并与接触模式进行比较。同时研究了固定细胞与活体细胞之间的形貌差异。结果显示,利用上述两种微悬臂探针,磁驱动轻敲模式均可获得高分辨像。与接触模式相比,磁驱动轻敲模式对活细胞的影响较小,在细胞膜表面微结构及细胞内亚结构成像方面,有明显优势。而接触模式由于其施力方式,使活细胞应力纤维应激性绷紧,更适合于对活体细胞应力纤维的成像研究。固定细胞与活细胞表面形貌存在较大差异,在生理环境下,进行活细胞检测更能了解细胞的真实状况。

状态激励轻敲模式原子力显微镜的设计与仿真

为轻敲模式原子力显微镜设计了一种激励方式,在带有状态反馈的轻敲模式原子力显微镜基础上,除去原有的外加激励信号而引入一个自动增益控制环节,用于维持状态反馈信号的幅度恒定,并将此信号作为悬臂振动的激励信号。该激励方式即为状态激励,用于轻敲模式时可称为状态激励轻敲模式原子力显微镜。采用Matlab/Simulink工具实现了对状态激励轻敲模式原子力显微镜系统的建模和数值仿真,起振曲线证明了状态激励信号能够驱动悬臂振动并调整其工作频率;逼近曲线、线扫描曲线等典型功能仿真实验证明了状态激励方式能够成功地应用于轻敲模式成像。

轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散机理研究

为研究原子力显微镜(AFM)在轻敲工作模式下的能量耗散机理,基于Hamaker假设和Lennard-Jones势能定律得到了原子与球体间的作用力.通过将球体与平面原子间的作用力等效为球体与平面间的粘着分布力,并结合经典弹性理论建立了一种新型的球体与平面粘着接触的弹性模型,根据所建模型得到了AFM针尖与样品表面间的粘着力随其间距的变化规律.仿真结果表明,粘着力随间距的变化曲线在AFM针尖趋近和撤离样品表面,即加载和卸载的两个过程中并不完全相同,产生了粘着滞后现象,而粘着滞后现象的出现表明AFM在轻敲工作模式中将耗散能量,因而,所建模型从理论上证实了AFM在轻敲工作模式下存在能量耗散现象.

考虑摩擦力及试样表面倾角的原子力显微镜扫描模式

原子力显微镜(Atomic force microscopes,AFM)接触模式下的测量结果因受样本表面倾角和针尖—样本表面间摩擦力的影响而存在较大的测量误差。为避免针尖—表面间的摩擦力对AFM测量试样表面形貌的影响,并能够准确测量表面倾角,提出了一种新的AFM工作模式——消除倾角和摩擦力影响模式。在这种工作模式中,扫描方向垂直悬臂的长轴方向,通过测量悬臂的竖向和横向偏转而得到针尖所受的竖向和横向力,并计算得到针尖—试样表面间的vander Waals力及试样表面局部倾角,然后结合针尖顶点和扫描器的位置及针尖—试样表面间距可以得到试样表面形貌的测量结果。在上述工作模式下,针尖—试样表面间的摩擦力是可控的,能够避免针尖或试样的损伤。仿真结果证明了这种方法的可行性。

基于高阶谐振悬臂的动态原子力显微镜的研制

动态原子力显微镜微悬臂为无限自由度系统,具有多个谐振模态的振动特性。微悬臂的工作振动频率是影响动态原子力显微镜系统的测量特性的关键参数之一,为了提高微悬臂的谐振频率,结合悬臂的高阶谐振特性,研制了基于高阶谐振悬臂的轻敲式动态原子力显微镜,可实现对微观表面的测量,并且明显改善了动态原子力显微镜系统的测量灵敏度、测量速度等测量特性。

试样激励下轻敲模式原子力声显微镜的非线性动力学特性

利用Euler-Bernoulli梁理论和DMT针尖-样品作用力模型建立了试样激励下轻敲模式原子力声显微镜(AFAM)系统的动力学方程,并应用非线性动力学分析方法对AFAM微悬臂梁的振动特性进行研究。通过合理改变超声激励幅值、超声激励频率和针尖-样品初始间距等模型参数模拟得到微悬臂梁的超谐波、次谐波、准周期和混沌振动现象,采用时间序列、频谱、相空间、Poincare截面和Lyapunov指数等方法对不同非线性振动特性进行表征。通过分析不同模型参数条件下微悬臂梁针尖-样品作用力特性,探索了微悬臂梁不同非线性振动现象的产生机制。此外,研究了AFAM微悬臂梁运动的分岔特性,发现当超声激励幅值和针尖-样品初始间隙连续变化时,周期、准周期和混沌运动交替出现。研究结果对AFAM系统非线性动力学行为分析和混沌振动控制提供了理论参考。

原子力显微镜在活体微生物实时动态观测中的应用

本文运用原子力显微镜的实时成像技术,通过探索制样条件和调节仪器参数,对活体大肠杆菌进行原位实时动态观测。文中探讨研究了生理盐水、PBS磷酸缓冲液以及Tris-HCl缓冲液洗涤之后细菌的形态变化。结果表明,采用Tris-HCl缓冲液洗涤后的细菌仍然保持良好的状态,菌体饱满光滑,没有出现干瘪塌陷或是形成多细胞聚集体的现象,能够真实反映细菌的形态以及表面微结构。另外,调节原子力显微镜回馈信号的积分增益和力学参数,比较长时间实时动态观测下细菌形貌的差异,优化仪器参数设置。经过两个小时的连续观察,细菌依然保持良好的状态,菌体完整饱满,表面平整光滑,实现了活体微生物的原位实时动态观测。

一种新颖的点衍射干涉轻敲模式原子力显微镜

论述了一种新颖的原子力显微镜,它利用硅微探针的特殊结构和相关光学系统所引起的点衍射干涉现象[1]来扫描成像,因为硅微探针被用作反射型点衍射板,故光路完全共路,再结合锁相检测技术,使得该仪器抗干扰力极强且结构精巧紧凑,可适用于测试软硬不同材料样品,对软质高分子膜材料检测得到了实际的链状结构。

原子力显微镜基本成像模式分析及其应用

原子力显微镜具有原子级别分辨率,成像分辨率高,并且能提供三维表面图,近年来在纳米功能材料、生物、化工和医药方面得到广泛的使用。文章从原子力显微镜的成像原理、操作模式及其相关应用等方面对原子力显微镜做了简要的介绍。

轻敲模式原子力显微镜相位、频移特性研究

原子力显微镜在轻敲模式下工作时,相位像相比于高度像能提供更多的样品信息,因此如何提供高分辨率的相位像成为理论和实验研究的重要内容。原子力显微镜其核心部件为微悬臂梁系统,在轻敲模式下将其简化为质量-弹簧-阻尼振动模型。采用经典振动力学理论分析该模型,可得到一种提高相位像分辨率的方法。结果表明,在探针-样品系统中,对于不同的品质因子,通过合理选择激振频率可使相位像分辨率达到最大。研究结果对操作者在实验中取得更高分辨率的相位图具有一定的参考意义。

基于原子力显微的多模式扫描探针显微镜

扫描探针显微镜是目前世界上分辨率最高的显微镜之一,也是纳米技术研究的主要工具。本文在分析原子力显微镜工作原理的基础上,探讨多模式扫描探针显微镜的相关功能,并对扫描探针显微镜的发展前景进行展望。

激光检测原子力显微镜的改进——振荡工作模式

针对一些特殊材料表面形貌的检测需要 ,在原有国产商用激光检测原子力显微镜的基础上 ,设计研制了适用性更广、功能更强的原子显微镜。在不提高驱动电压的前提下 ,采用改进的扫描管 ,将扫描范围从 15μm× 15μm提高到了 50 μm× 50 μm ;改进了原有的微探针扫描模式 ,在探针上施加一驱动的简谐振荡信号 ,使探针发生振荡。由于存在着表面的力梯度 ,当样品与探针距离发生振荡变化时 ,针尖振荡的振幅、频率和位相都会随之改变。用电子信号反馈电路探测此变化 。

乙酰胆碱酯酶的动态模式原子力显微成像观察

目的 用原子力显微技术 (AFM)动态模式对乙酰胆碱酯酶 (AChE)进行成像观察。方法 利用柱亲和层析法从电鳐电器官中提取纯化AChE。将纯化的AChE以 1∶10 ,1∶10 0 ,1∶5 0 0的比例稀释 ,分别取 5 μL滴于新鲜的云母表面 ,吹干 ,以双面胶固定于基底上 ,置于扫描器上进行成像。成像用岛津95 0 0J3SPM以动态模式在空气中进行。扫描器 :30μm× 30 μm。首先在大范围 ,size 2 0 μm ,z range 2 0 0nm以下 1Hz频率扫描 ,以便于发现AChE。继而缩小扫描范围 ,调节size ,z range和扫描频率 (0 .5Hz) ,调整成像条件以获得最佳成像为准 ,对AChE成像。结果 结果表明AFM可以获得AChE成像 ,图像除进行必要的平整处理及清除扫描线外不做任何处理。本实验观察到的AChE形态与文献中的描述相似 ,呈分散的椭圆形颗粒 ,短径 70～ 10 0nm ,长径 110～ 12 0nm ,高度为 0 .2 5～ 1.2 5nm ,与接触式扫描结果相比 ,蛋白颗粒边界较清晰。同时 ,由于动态式扫描对蛋白的纵向压力与横向摩擦力较小 ,因此成像具有更高的真实性和可信性。动态式扫描对AChE成像另一优于接触式扫描的特点是样品的制备比较简单。在接触式扫描中 ,为使AChE在AFM扫描成像过程中不易脱落 ,酶通过羧基化的MPA固定于镀有金膜的云母表面。

原子力显微镜技术在多糖研究中的应用

简单介绍了原子力显微镜(AFM)的原理和工作模式,详细叙述了利用AFM研究多糖时的样品制备方法及影响成像的因素,并综述了AFM在多糖分子的形态观察和定量研究方面的进展,介绍了AFM在研究多糖单分子力学谱方面的工作和AFM对糖基构象变化过程的测定和调控,还对AFM在多糖研究中的进一步应用提出了展望。

压电探针应用于原子力显微镜液体成像的研究

研究了采用微悬臂梁上集成的ZnO压电薄膜作为微驱动的探针的直接激振方法，比较了间接激振和直接激振方法下探针在液体中的振动性能，以标准生理溶液中的海拉细胞为样品，对原子力显微镜在液体环境下轻敲模式的成像性能进行了实验研究．研究表明，采用压电探针的直接激振方法在探针振动的幅频曲线中仅有单一谐振峰，可以避免在压电陶瓷管激振方法下由液体振动造成的寄生谐振峰，因此使用压电探针不仅提高了探针振动频率的控制精度，而且减小了针尖对样品的损坏，还提高了仪器的带宽和成像速度．对于512×512点阵和60μm×60μm范围的图像，使用该方法可将采集速度由原来的2～3min／帧提高到15-20s／帧，并且扫描速度的提高对原子力显微镜在动态过程中的研究有着重要的参考价值．

快速原子力显微镜技术在细胞生物学中的应用新进展

快速原子力显微镜在不损失高分辨率的情况下,其扫描速度与检测精度达到了完美结合,在细胞和分子水平上实现了对生物体系动态过程的实时表征。这种超高时间分辨率和空间分辨率的结合,以及与其它先进技术的联用,为细胞生物学等生命科学领域的研究展现了诱人的前景。本文对快速原子力显微镜在细胞生物学领域的新进展进行了综述,包括环境因素对DNA构象的影响、DNA与蛋白质结合的过程、膜蛋白结构域的变化、肌球蛋白的运动、活细胞表面结构的变化等。