岛津原子力显微镜——软硬通吃

1981年，量子理论打破了书本的次元壁，STM的出现使其从纯数理理论变成了真实可表征的存在。4年后，AFM在STM的基础上诞生，几乎各种固体表面的微观表征似乎一下子触手可得。

然而，现实的尝试总是坎坷的。AFM诞生伊始，工作模式是以库伦斥力为主的接触模式。在这种模式下，探针针尖需要在样品表面上施加一定的压力，数值一般是在几个纳牛到几个微牛级别。这么大小的力，对于大多是固体而言，可以说是不痛不痒的，因此也可以比较顺利地获得表面形貌。

但是，如果样品比较柔软，尤其是杨氏模量硬度在几十个兆帕以内的样品，面对尖锐的针尖，即使很微弱的力，仍然会被刺穿，无法正常扫描图像。

因此，当时遇到无法正常扫描的样品，实验者首先想到的就是利用“力-距离曲线”测试样品的杨氏模量，由此判断得不到图像是样品的原因还是其他原因。

这就是AFM的另一个经常用到的测试模式，“力-距离曲线”测试。这时AFM可以看做一个微型的“纳米压痕仪”，通过尖锐的针尖压入-提起过程中的力变化曲线获得样品表面的机械性能数据。

在这个测试过程中，AFM检测系统对力的分辨率是最重要的参数，岛津通过不断优化整个检测系统，可以达到皮牛级的精确检测。

尤其是对于一些生物样品，例如脂质膜，因为其是由磷脂分子构成的单层或双层结构，极其柔软，从测试曲线上可以看出，脂质膜对探针的力只有约1pN，而且曲线很清晰。

当然，仅限于单点的测试时不能满足实验者的，最终还是要能对柔软样品进行成像。动态力模式的推出完美解决了柔软样品形貌表征的问题。

在该模式下，利用振动探针的振幅受与样品作用力的影响，可以有效检测极微小的作用力。同时，因为探针与样品接触式间断产生的，可以通过振幅反馈有效调整接触时力的大小。利用该模式，甚至表面杨氏模量在1MPa以下的样品也可以进行表面形貌表征。

例如近些年医学和保健领域的前沿研究热点外泌体和微泡。它的尺寸一般为几十个纳米，很难用光学显微镜观察；而且单层膜结构使其极为柔软，传统原子力显微镜无能为力。我们用岛津SPM对溶液（盐溶液）中的两类外泌体进行观察，因为可以精确控制接触的力，保持在一个极为微小的范围内，最终获得了真实的图像。

更进一步，将形貌表征和“力-距离曲线”测试结合起来，对每一个测试点都同时获取高度信息和机械性能信息，就可以在一次扫描中，获得表面形貌、表面杨氏模量分布、表面粘弹性分布等多幅图像。

虽然功能很强大，但是这种工作模式传统上受制于“力-距离曲线”的获取速度，一般时间都很长，往往需要几个小时才能完成一个区域扫描。一味地提高速度，会导致每个点的“力-距离曲线”抖动失真，无法保证定量测试。

为此，岛津在全产品线上标配了高速扫描器，同时优化表面物性分析软件，在表征数据真实可靠的基础上将耗时压缩到二十分钟左右，提高了工作效率。

如上图所示，对高密度PE和低密度PE进行表面物性分析，扫描点阵为256*256，在21分钟内完成了测试，同时得到了表面形貌图、表面杨氏模量分布图、表面粘弹性分布图。而且每一个点的力-距离曲线均没有发生抖动变形。

经过三十年的发展，岛津SPM不断进行技术迭代，实现了对各类样品的兼容。形象一点来说，三十年练就了一副铁齿铜牙，软硬通吃，来者不拒！

本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。