溶液中的非接触调频模式原子力显微镜的搭建及其高分辨成像研究

• 作 者: 李林
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 非接触调频模式 原子力显微镜 高分辨成像 机械结构

原子力显微镜自发明以来,由于其高反差、可在多种环境中进行成像和样品不需要导电等优势,被广泛地应用在了材料和生物科学领域,为我们在纳米尺度上对不同材料和生物样品分子结构和功能的认识提供了有力的手段。在多年的发展和完善过程中,原子力显微镜逐步形成了以接触模式和轻敲模式为主的商业化成像模式。　　
原子力显微镜在生物学领域的主要应用是在生理环境中对生物样品实现高分辨成像以解析其结构。常规模式原子力显微镜——接触模式和轻敲模式,在某些生物样品上确实实现了一至两纳米分辨率。但是,常规模式由于其成像原理的原因,探针针尖与样品之间的相互作用力很大,很容易造成样品的变形甚至损坏,同时探针针尖的尖端原子也很容易被损坏,进一步提高成像分辨率就遇到了很大的困难。为了让原子力显微镜在生物学领域得到更加广泛的应用,发展一套适合生理环境中能够对生物样品实现高分辨成像的原子力显微镜系统就显得尤为重要。　　
我们知道,上个世纪九十年代发展起来的非接触调频模式原子力显微镜已经在超高真空中对平整、规则的非生物样品实现了分子或原子的成像分辨能力,究其原因是在超高真空中探针悬臂可以具有高达几万的品质因数Q,因此在共振条件下,系统具有很高的灵敏性。但是想要在空气或者溶液中发展非接触调频模式原子力显微镜由于很小的品质因数,降低了系统灵敏性,也就变得尤为困难。　　
在本论文中,我们通过激光、机械结构以及电路的改进来降低系统噪声和提高系统稳定性,发展了一套可在生理环境中操作的非接触调频模式原子力显微镜。在完成仪器的调试之后,系统热噪声为20fm*HZ-1/2,远远小于商业化的原子力显微镜,并且通过对测试样品云母的成像验证了该仪器的分辨率可达到原子级别,从而证实了其高分辨成像能力。同时,我们利用该系统可对磷脂双分子层在胶态和褶皱态下实现了原子级别的高分辨成像,并且从未经过处理的图像上可清晰分辨出磷脂头部的磷脂部分和胆碱部分。这个分辨率也使我们可解析出在磷脂双层膜表面上的磷脂头部的排布情况,提供了独特的、其它成像方法无法提供的信息。基于这些磷脂双层膜在不同相变下的超高分辨图像以及之前x射线对磷脂尾部的研究数据,完全解析了其结构并且发现了磷脂双分子层在胶态和褶皱态下的磷脂头部排布是不同的。该工作成功地通过仪器改进提高分辨率并解决了生物结构学中的一个长期未解决的难题。