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原子力顯微鏡下的分子間力與表面力研究

來源：時間：2025-03-03 09:23:17 瀏覽：1851次

原子力顯微鏡下的分子間力與表面力研究

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）自1986年由美國IBM公司的Binnig等人發明以來，已經成為納米科學和生命科學領域的重要工具。其獨特的原理和高分辨率成像能力，使科學家能夠以前所未有的精度研究分子間力與表面力。

一、工作原理與分類

原子力顯微鏡的工作原理基于原子間的相互作用力。當AFM的探針（裝有細微針尖的彈性微懸臂）靠近樣品表面時，針尖與樣品間的微弱相互作用力會引起微懸臂發生形變。這一形變通過激光束反射到位敏光電檢測器上，轉化為電信號，從而實現對樣品表面形貌的高精度測量。

根據工作模式的不同，AFM可以分為以下幾類：

接觸式原子力顯微鏡：在此模式下，探針針尖與樣品表面直接接觸。由于接觸力較大，可能導致樣品表面損傷，但成像分辨率較高。

非接觸式原子力顯微鏡（NC-AFM）：探針在樣品表面上方振動，不與樣品直接接觸。這種模式下，成像分辨率可能稍低，但避免了樣品損傷，特別適用于研究柔軟或易損樣品。

輕敲式原子力顯微鏡：作為非接觸式的一種變體，探針在樣品表面附近以較高振幅振動。這種方式既能獲得高分辨率圖像，又能減少樣品損傷。

二、原子力顯微鏡在分子間力研究中的應用

原子力顯微鏡在分子間力研究中發揮著至關重要的作用。其皮牛級的測力靈敏度能夠精確測量單對生物分子間的非共價作用力（一般認為單對生物分子間的非共價作用力為幾十到幾百皮牛）。這使得AFM成為研究生物分子間相互作用力的理想工具。

單分子力譜測量

單分子力譜法（Single Molecule Force Spectroscopy，SMFS）是AFM在分子間力研究中的一項重要應用。通過化學反應或物理吸附，將需要研究的分子對（如配體和受體）分別固定于AFM的針尖和基底表面。當針尖逼近基底并回退提拉過程中，記錄微懸臂彎曲方向和彎曲程度的變化，轉化為力值，從而得到力-距離曲線。這一曲線反映了分子間的相互作用力。

單分子力譜測量不僅可以獲得配體-受體相互作用力的大小，還能同時獲得成鍵幾率這一重要參數。這對于理解生物分子間的識別進程、揭示生命活動的基本原理具有重要意義。

生物分子間相互作用的研究

AFM在生物分子間相互作用的研究中，廣泛應用于抗體-抗原間的相互作用、DNA與其他物質的相互作用等領域。例如，通過AFM可以觀察到脂多糖結合蛋白（LBP）和受體蛋白（CD14）與脂多糖（LPS）間的相互作用力變化，揭示敗血癥性休克引發的免疫響應機制。此外，AFM還能研究白蛋白抗體與抗原間的相互作用力，改進蛋白質的固定方法，提高抗體抗原的空間自由度。

分子間鍵合的實空間特征研究

隨著非接觸原子力顯微鏡（NC-AFM）技術的進步，科學家能夠在實空間內以原子級分辨率觀察和識別單個分子的化學結構、吸附構型以及化學轉化。這一技術為研究分子間相互作用提供了全新的視角和方法。例如，通過NC-AFM技術，科學家成功實現了8-羥基喹啉（8-hq）分子在Cu（111）基底上氫鍵網絡的原子級可視化，包括對氫鍵的位點、方向和長度的精確測定。這一突破性發現不僅揭示了氫鍵網絡的特征，還為理解基底對氫鍵的影響提供了重要參考。

三、原子力顯微鏡在表面力研究中的應用

除了分子間力研究外，原子力顯微鏡在表面力研究中也發揮著重要作用。其高分辨率成像能力和測力靈敏度使科學家能夠深入探究樣品表面的力學性質、電荷分布、磁疇分布等結構特征。

表面形貌與力學性質研究

AFM能夠高分辨率地表征樣品表面形貌，并分析研究與作用力相對應的各種表面性質。例如，通過AFM可以觀察到水合活細胞的結構、測定細胞壁的彈力、探測聚合物分子的表面構象以及繪制其官能團的圖像。這些處于亞細胞水平的性質用傳統的方法很難檢測，因為它們的尺寸太小。而利用AFM的高分辨率，科學家能夠直觀地觀察到這些微觀結構，為理解生命活動的基本原理提供有力支持。

表面電荷與磁疇分布研究

AFM不僅能夠測量樣品表面的力學性質，還能探測樣品表面的電荷分布和磁疇分布。通過靜電力顯微鏡（EFM）這一AFM的變種技術，科學家能夠利用導電懸臂來探測樣品表面的電荷分布。在EFM的成像過程中，懸臂所受到的吸引力和排斥力主要取決于樣品表面的電荷分布，從而揭示出樣品表面在納米尺度的電荷分布信息。同樣地，磁力顯微鏡（MFM）則能夠探測樣品表面的磁疇分布，為磁性材料的研究提供直觀效果。

表面力學性質的納米壓痕技術

納米壓痕技術是AFM在表面力學性質研究中的一項重要應用。通過原子力探針將懸臂精準地壓入樣品表面，隨后通過原位成像技術對壓痕進行表征，從而揭示樣品的局部硬度。此外，通過深入分析樣品的壓痕加載和卸載曲線，可以進一步獲取到樣品的硬度和彈性系數等關鍵物理參數。這一技術對于理解材料的力學性能和微觀結構具有重要意義。

四、原子力顯微鏡與其他技術的結合應用

為了拓展AFM的應用范圍，科學家常常將其與其他技術結合使用。例如：

AFM與光譜技術的結合：可以用于研究材料的電子結構和光學性質。

AFM與納米加工技術的結合：可以實現納米尺度的精確操控和制造。

AFM與電化學技術的結合：可以用于研究樣品表面的電化學性質，如局部電流密度、電位分布等。

這些協同應用為納米材料的研究和發展注入了新的活力，推動了科學研究的深入進行。

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