【正文】 從空間上去看兩個(gè)原子之間的距離與其所導(dǎo)致的吸引力和斥力或是從當(dāng)中能量的關(guān)系來(lái)看，原子力顯微鏡就是利用原子之間那奇妙的關(guān)系來(lái)把原子樣子給呈現(xiàn)出來(lái)，讓微觀的世界不再神秘。將一個(gè)對(duì)極微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過(guò)在掃描時(shí)控制這種作用力恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于原子間的作用力的等位面，在垂直于樣品表面方向上起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測(cè)法或隧道電流檢測(cè)法，可測(cè)得對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，將信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換從而得到樣品表面原子級(jí)的三維立體形貌圖像。AFM主要是由執(zhí)行光柵掃描和Z定位的壓電掃描器、反饋電子線路、光學(xué)反射系統(tǒng)、探針、防震系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。壓電陶瓷管(PZT)控制樣品在x、y、z方向的移動(dòng)，當(dāng)樣品相對(duì)針尖沿著xy方向掃描時(shí)，由于表面的高低起伏使得針尖－樣品之間的距離發(fā)生改變。當(dāng)激光束照射到微懸臂的背面，再反射位置靈敏的光電檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器不同象限收到的激光強(qiáng)度差值，同微懸臂的形變量形成一定的比例關(guān)系。反饋回路根據(jù)檢測(cè)器信號(hào)與預(yù)置值的差值，不斷調(diào)整針尖－樣品之間的距離，并且保持針尖－樣品之間的作用力不變，就可以得到表面形貌像。這種測(cè)量模式稱為恒力模式。當(dāng)已知樣品表面非常平滑時(shí)，可以采用恒高模式進(jìn)行掃描，即針尖－樣品之間距離保持恒定，這時(shí)針尖－樣品之間的作用力大小直接反映了表面的形貌圖像。AFM圖像是通過(guò)在樣品掃描時(shí)測(cè)量微懸臂受力彎曲的程度得到的，檢測(cè)微懸臂彎曲的方式有3種，即隧道電流法、電容檢測(cè)法和光學(xué)檢測(cè)法。目前探測(cè)懸臂微形變的常用方法是光學(xué)檢測(cè)法。光學(xué)檢測(cè)法可分成兩種基本類型：干涉法和光束發(fā)射法。一束激光經(jīng)微懸臂背面反射進(jìn)入位置靈敏光檢測(cè)器(PSPD)，而PSPD由光電二極管組成，它將輸出靈敏反映反射光位置的信號(hào)。其原理是：從激光器中發(fā)出的激光聚焦在微懸臂背面，在光滑的微懸臂表面反射。當(dāng)掃描樣品時(shí)，樣品表面的性質(zhì)將通過(guò)原子間的斥力使微懸臂彎曲，這一彎曲使從微懸臂反射回來(lái)的激光束的角度發(fā)生偏移。反射光束的偏移可用一個(gè)對(duì)位置靈敏的光電二極管檢測(cè)出來(lái)。選擇微懸臂和PSPD之間的合適距離，是提高靈敏度的重要方法之一。 AFM的工作模式根據(jù)樣品與針尖之間的接觸情況，AFM有3種不同的操作模式：接觸模式、輕敲模式和非接觸模式。最常用的是接觸模式和輕敲模式。 接觸模式AFM（Contact Mode AFM，CMAFM）在接觸模式中，針尖始終與樣品接觸，樣品掃描時(shí)，針尖在樣品表面上滑動(dòng)，針尖與樣品間的相互作用力是兩者原子間存在的庫(kù)侖排斥力。接觸模式通常產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。但它在研究低彈性模量的樣品時(shí)也存在一些缺陷。探針在樣品表面上的移動(dòng)以及針尖與表面間的粘附力有可能使樣品產(chǎn)生一定程度的變形，并會(huì)損壞探針，從而影響圖像的質(zhì)量和真實(shí)性。針尖－樣品距離在小于零點(diǎn)幾個(gè)納米的斥力區(qū)域。當(dāng)樣品沿著xy方向掃描時(shí)，由于表面的高低起伏使得針尖－樣品距離發(fā)生變化，引起它們之間作用力的變化，從而使懸臂形變發(fā)生改變。當(dāng)激光束照射到微懸臂的背面，再反射到位置靈敏的光電檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器不同象限會(huì)接收到同懸臂形變量成一定的比例關(guān)系的激光強(qiáng)度差值。反饋回路根據(jù)檢測(cè)器的信號(hào)與預(yù)置值的差值，不斷調(diào)整針尖－樣品距離，并且保持針尖－樣品作用力不變，就可以得到表面形貌圖像。這種測(cè)量模式稱為恒力模式。當(dāng)已知樣品表面非常平滑時(shí)，可以讓針尖—樣品距離保持恒定，這時(shí)針尖—樣品作用力大小直接反映了表面的高低，這種方法稱恒高模式。由于生物分子的彈性模量較低，同基底間的吸附接觸也很弱，針尖—樣品間的壓縮力和摩擦力容易使樣品發(fā)生變形，從而降低圖像質(zhì)量。 非接觸模式AFM(Noncontact Mode AFM)非接觸式AFM對(duì)應(yīng)的針尖與樣品間距在幾到幾十納米的吸引力區(qū)域，針尖與樣品作用力比接觸式的小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此直接測(cè)量力的大小比較困難。非接觸式AFM的工作原理就是，以略大于微懸臂自由共振頻率的頻率驅(qū)動(dòng)微懸臂，當(dāng)針尖接近樣品表面時(shí)，微懸臂的振幅顯著減小。振幅的變化量對(duì)應(yīng)于作用在微懸臂上的力梯度，因此對(duì)應(yīng)于針尖與樣品間距。反饋系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整針尖與樣品間距使得微懸臂的振幅在掃描過(guò)程中保持不變，就可以得到樣品的表面形貌圖像。但是非接觸AFM由于針尖與樣品距離較大，因此分辯力比接觸模式的低。在非接觸模式中，針尖與樣品間的作用力是很小的，這時(shí)研究柔軟的或有彈性的表面很適合。非接觸模式有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)的針尖始終不與樣品表面接觸，因而針尖不會(huì)對(duì)樣品造成污染。此模式的操作相對(duì)難些，其應(yīng)用也比較少。 輕敲模式AFM(Tapping Mode AFM，TMAFM)輕敲模式是介于接觸模式和非接觸模式之間的一種操作模式。掃描過(guò)程中在共振頻率附近以更大的振幅(20 nm) 驅(qū)動(dòng)微懸臂，使得針尖與樣品表面間斷地接觸。當(dāng)針尖沒(méi)有接觸到表面時(shí)，微懸臂以一定的大振幅振動(dòng)，當(dāng)針尖接近表面直至輕輕接觸表面時(shí)，其振幅將減??；而當(dāng)針尖反向遠(yuǎn)離表面時(shí)，振幅又恢復(fù)到原先的大小。反饋系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)該振幅，不斷調(diào)整針尖與樣品之間的距離來(lái)控制微懸臂的振幅，使得作用在樣品上的力保持恒定。由于針尖同樣品接觸，分辯力幾乎同接觸式同樣好；又因?yàn)榻佑|非常短暫，剪切力引起的對(duì)樣品的破壞幾乎完全消失。輕敲模式適合于分析研究柔軟、針尖和脆性的樣品，很適合用于生物分子的成像。第4章 實(shí)驗(yàn)部分 試劑和儀器試劑：NaCl：中鹽精制碘鹽；產(chǎn)地：湖北省孝感市；制造商：中鹽宏博（集團(tuán)）有限公司；純度：%，碘酸鉀（以I計(jì)）（2050）mg/kg。純凈水：可口可樂(lè)公司冰露純凈水。無(wú)水乙醇：分析純，沈陽(yáng)市華東試劑廠，質(zhì)量分?jǐn)?shù)：﹪，密度(20 186。C)/（g/ml）：~。丙酮：分析純，北京化工廠，北京北化精細(xì)化學(xué)品有限責(zé)任公司，含量（氣相色譜法）：﹪，沸點(diǎn)：56177。1 186。C。儀器：電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司天平儀器廠制造JA3003型電子天平， g，配有200 g校正砝碼。原子力顯微鏡：上海愛(ài)建納米科技發(fā)展有限公司AJⅢa型原子力顯微鏡，如圖41所示。圖41 AJⅢa型原子力顯微鏡外貌AFM性能參數(shù)：樣品尺寸：10 mm；掃描范圍：10 mm10 mm；掃描速度：62500點(diǎn)/秒；輕敲模式分辨率： nm， nm；針尖驅(qū)進(jìn)：行程10 mm， mm，步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)驅(qū)進(jìn)，高性能DSP數(shù)字控制，采用16Bit DAC；高壓放電器動(dòng)態(tài)范圍：400 V，可對(duì)壓電陶瓷管的掃描過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)校正，PC與控制箱RS232接口。針尖參數(shù)：型號(hào)：NSG20；尺寸： mm；針尖高度：10~15 mm；針尖錐角：≤22176。；針尖曲率半徑：10 nm；懸臂長(zhǎng)度 L177。5 mm：90；懸臂寬度 W177。5 mm：60；懸臂厚度：~ mm；共振頻率（KHZ）：260~630；力常數(shù)（N/m）：28~91。 實(shí)驗(yàn)方法 NaCl溶液的配制，緩慢搖晃滴瓶，并用滴管反復(fù)吸入丙酮，使滴瓶和滴管中的雜質(zhì)溶解于丙酮，倒出丙酮；將無(wú)水乙醇倒入滴瓶少許，緩慢搖晃滴瓶，并用滴管反復(fù)吸入無(wú)水乙醇，使滴瓶和滴管中的丙酮溶解于無(wú)水乙醇，倒出無(wú)水乙醇；用純凈水清洗滴瓶和滴管。，用電子天平稱量滴瓶的重量，將純凈水倒入滴瓶中， g 純凈水。，將NaCl倒在紙上， g NaCl。，緩慢搖晃滴瓶，使NaCl均勻溶解于水中，溶液均勻透明，靜置一段時(shí)間， mol/L的NaCl溶液。 mol/L、 mol/L、 mol/L、 mol/L的NaCl溶液。需要說(shuō)明的是，盡管上述方法配制的NaCl溶液的物質(zhì)的量濃度沒(méi)有考慮NaCl加入純凈水中溶液體積會(huì)變化的影響，但是NaCl加入純凈水中對(duì)溶液體積的影響是極其微小的，在誤差允許范圍內(nèi)，可以忽略不計(jì)。 顯微鏡觀測(cè)用的樣品制備（1）用鑷子夾住蓋片，用棉簽蘸少許丙酮在蓋片上均勻涂抹，清洗掉蓋片上的雜質(zhì)；用另一個(gè)棉簽蘸少許無(wú)水乙醇在蓋片上均勻涂抹，清洗掉蓋片上的丙酮，用玻璃蓋蓋住蓋片，以免落入灰塵。（2）待蓋片上的無(wú)水乙醇揮發(fā)掉以后， mol/L的NaCl溶液在蓋片上滴一滴溶液，用玻璃蓋蓋住蓋片，以免落入灰塵，在室溫下（16 186。C）蒸發(fā)結(jié)晶后備用。（3） mol/L、 mol/L、 mol/L、 mol/L的NaCl溶液結(jié)晶樣品備用。依上述方法清洗蓋片和載片， mol/L的NaCl溶液，在室溫下（16 186。C）蒸發(fā)結(jié)晶后備用。 依上述方法清洗蓋片， mol/L的NaCl溶液，在烤箱中設(shè)置溫度為95 186。C，蒸發(fā)結(jié)晶后備用。第5章 結(jié)果與討論 不同初始濃度結(jié)晶的形貌對(duì)比第一系列的實(shí)驗(yàn)考慮不同初始濃度結(jié)晶的形貌對(duì)比，在AJⅢa型原子力顯微鏡附帶的圖像處理軟件中將掃描得到的圖像轉(zhuǎn)化為bmp格式的線性灰度圖像，利用圖像處理軟件Imagepro Plus處理掃描圖像。將矩形目標(biāo)區(qū)域的圖像轉(zhuǎn)化為8位灰度圖和表面形貌圖。 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品的掃描圖像。從圖像中可以看出低濃度下的NaCl結(jié)晶花樣并不像完整的NaCl結(jié)晶那樣呈規(guī)則的立方晶體，而是一片紊亂、成形不規(guī)則、邊界形狀極其復(fù)雜的凹凸?fàn)罱Y(jié)晶。將掃描范圍縮小為20 mm（圖52），顯然它具有明顯的自相似性。利用Imagepro Plus獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用Excel處理數(shù)據(jù)（圖53），與Koch曲線類似。由此可以推斷，隨著溶液的蒸發(fā)，不斷有NaCl小晶粒成核析出，由于NaCl濃度較低且蒸發(fā)速度快從而導(dǎo)致NaCl小晶粒結(jié)晶不完整形成了一個(gè)個(gè)微小的類似Koch曲線的生成元。生成元順次相互連接，期間以一定概率“向上”凸或“向下”凹，從而形成一段段邊界復(fù)雜的不規(guī)則的凹凸?fàn)钋€。顯然這是一種從無(wú)序到有序的自組織現(xiàn)象，在遠(yuǎn)離平衡條件下自發(fā)形成了宏觀的空間有序結(jié)構(gòu)。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際上這個(gè)分形花樣的部分枝叉是不連續(xù)的，說(shuō)明它是一種多中心聚集體。500nm250nm圖51 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品掃描圖像（掃描范圍為3030mm）(a)8位灰度圖（b）表面形貌圖250nm500nm圖52 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品掃描圖像（掃描范圍為2020 mm）(a)8位灰度圖（b）表面形貌圖150nm150nm300nm300nm圖53 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品維數(shù)計(jì)算的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品的掃描圖像。從圖像中可以看出， mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶往往形成較大的晶粒，圖像仍然表現(xiàn)出分維的特征，只是形成的枝叉較密集。圖55所示是將掃描范圍縮小三倍后得到的圖像，從圖像中可以看出，它仍然具有自相似性。利用Imagepro Plus獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用Excel處理數(shù)據(jù)（圖56），與Koch曲線類似。肉眼觀察結(jié)晶樣品發(fā)現(xiàn)結(jié)晶多呈立方形，有些呈不規(guī)則形狀，立方形四周的結(jié)晶呈樹(shù)枝狀。圖54 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品掃描圖像（掃描范圍為3030 mm）(a)8位灰度圖（b）表面形貌圖2500nm1250nm2500nm1250nm圖55 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品掃描圖像（掃描范圍為1010 mm）(a)8位灰度圖（b）表面形貌圖2000nm1000nm2000nm1000nm圖56 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品維數(shù)計(jì)算的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品發(fā)現(xiàn)樣品中心呈立方體狀，立方體周圍有許多小顆粒和類似于雪花狀的結(jié)構(gòu)。在原子力顯微鏡下掃描樣品的邊緣， mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品的掃描圖像。從表面形貌圖中可以看出，圖像仍然表現(xiàn)出分維的特征，表面形貌圖中表現(xiàn)出如下的三個(gè)特征：。 mm的掃描圖像，是對(duì)圖57中的細(xì)節(jié)進(jìn)行掃描得到的表面形貌圖。從圖中可以看出，粒子或集團(tuán)相互吸附，相互靠近，凝聚體的樹(shù)枝變得粗密。利用Imagepro Plus獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用Excel處理數(shù)據(jù)（圖59），與二維DLA模型的分形結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)相同。由此可以推斷，其成形機(jī)制為擴(kuò)散受限聚集機(jī)制（DLA）。在結(jié)晶過(guò)程中，溶液內(nèi)首先形成一個(gè)個(gè)小的NaCl晶粒，這些小晶粒相當(dāng)于DLA模型中的顆粒，它們?cè)谌芤褐凶鲭S機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)。這種布朗運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性是形成分形花樣的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。隨著溶液的進(jìn)一步揮發(fā)，這些小NaCl晶粒聚集在一起，形成了分形花樣。整個(gè)過(guò)程中擴(kuò)散受限系統(tǒng)，聚集遵從擴(kuò)散粘著機(jī)制（Diffusionsticking），類似于膠體的聚集過(guò)程。圖57 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品掃描圖像（掃描范圍為1010 mm）(a)8位灰度圖（b）表面形貌圖200nm100nm200nm100nm 圖58 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品掃描圖像（ mm）(a)8位灰度圖（b）表面形貌圖20nm10nm20nm10nm圖59 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品維數(shù)計(jì)算的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖 mol/L，將溶液滴在蓋片上時(shí)液滴不易擴(kuò)散，肉眼觀察結(jié)晶樣品發(fā)現(xiàn)結(jié)晶表面呈圓形分布，中間有一些小立方體，周圍有許多小顆粒，邊緣有類似于雪花狀的結(jié)構(gòu)。在原子力顯微鏡下掃描樣品，觀察得到的表面形貌圖，如圖510所示， mol/ mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品的表面形貌有些相似，只是形成的枝叉更粗更大，在一些枝叉的主干上可以發(fā)現(xiàn)類似于液體流過(guò)后形成的“溝道”，這些溝道說(shuō)明液體的流動(dòng)對(duì)分形花樣的形成起到一定的作用。將掃描范圍縮小為33 mm，發(fā)現(xiàn)“溝道”更加明顯，如圖511所示。利用Imagepro Plus獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用Excel處理數(shù)據(jù)（圖512），與二維DLA模型的分形結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)相同，說(shuō)明其成形機(jī)制仍為擴(kuò)散受限聚集機(jī)制（DLA）。圖510 mol/L的NaCl溶液室溫結(jié)晶樣品掃描圖像（掃描范圍為1010 mm）(a)8位灰度圖（b）表面形貌圖2000nm1000nm2