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原子力显微镜下的分子间力与表面力研究

来源：时间：2025-03-03 09:23:17 浏览：711次

原子力显微镜下的分子间力与表面力研究

原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）自1986年由美国IBM公司的Binnig等人发明以来，已经成为纳米科学和生命科学领域的重要工具。其独特的原理和高分辨率成像能力，使科学家能够以前所未有的精度研究分子间力与表面力。

一、工作原理与分类

原子力显微镜的工作原理基于原子间的相互作用力。当AFM的探针（装有细微针尖的弹性微悬臂）靠近样品表面时，针尖与样品间的微弱相互作用力会引起微悬臂发生形变。这一形变通过激光束反射到位敏光电检测器上，转化为电信号，从而实现对样品表面形貌的高精度测量。

根据工作模式的不同，AFM可以分为以下几类：

接触式原子力显微镜：在此模式下，探针针尖与样品表面直接接触。由于接触力较大，可能导致样品表面损伤，但成像分辨率较高。

非接触式原子力显微镜（NC-AFM）：探针在样品表面上方振动，不与样品直接接触。这种模式下，成像分辨率可能稍低，但避免了样品损伤，特别适用于研究柔软或易损样品。

轻敲式原子力显微镜：作为非接触式的一种变体，探针在样品表面附近以较高振幅振动。这种方式既能获得高分辨率图像，又能减少样品损伤。

二、原子力显微镜在分子间力研究中的应用

原子力显微镜在分子间力研究中发挥着至关重要的作用。其皮牛级的测力灵敏度能够精确测量单对生物分子间的非共价作用力（一般认为单对生物分子间的非共价作用力为几十到几百皮牛）。这使得AFM成为研究生物分子间相互作用力的理想工具。

单分子力谱测量

单分子力谱法（Single Molecule Force Spectroscopy，SMFS）是AFM在分子间力研究中的一项重要应用。通过化学反应或物理吸附，将需要研究的分子对（如配体和受体）分别固定于AFM的针尖和基底表面。当针尖逼近基底并回退提拉过程中，记录微悬臂弯曲方向和弯曲程度的变化，转化为力值，从而得到力-距离曲线。这一曲线反映了分子间的相互作用力。

单分子力谱测量不仅可以获得配体-受体相互作用力的大小，还能同时获得成键几率这一重要参数。这对于理解生物分子间的识别进程、揭示生命活动的基本原理具有重要意义。

生物分子间相互作用的研究

AFM在生物分子间相互作用的研究中，广泛应用于抗体-抗原间的相互作用、DNA与其他物质的相互作用等领域。例如，通过AFM可以观察到脂多糖结合蛋白（LBP）和受体蛋白（CD14）与脂多糖（LPS）间的相互作用力变化，揭示败血症性休克引发的免疫响应机制。此外，AFM还能研究白蛋白抗体与抗原间的相互作用力，改进蛋白质的固定方法，提高抗体抗原的空间自由度。

分子间键合的实空间特征研究

随着非接触原子力显微镜（NC-AFM）技术的进步，科学家能够在实空间内以原子级分辨率观察和识别单个分子的化学结构、吸附构型以及化学转化。这一技术为研究分子间相互作用提供了全新的视角和方法。例如，通过NC-AFM技术，科学家成功实现了8-羟基喹啉（8-hq）分子在Cu（111）基底上氢键网络的原子级可视化，包括对氢键的位点、方向和长度的精确测定。这一突破性发现不仅揭示了氢键网络的特征，还为理解基底对氢键的影响提供了重要参考。

三、原子力显微镜在表面力研究中的应用

除了分子间力研究外，原子力显微镜在表面力研究中也发挥着重要作用。其高分辨率成像能力和测力灵敏度使科学家能够深入探究样品表面的力学性质、电荷分布、磁畴分布等结构特征。

表面形貌与力学性质研究

AFM能够高分辨率地表征样品表面形貌，并分析研究与作用力相对应的各种表面性质。例如，通过AFM可以观察到水合活细胞的结构、测定细胞壁的弹力、探测聚合物分子的表面构象以及绘制其官能团的图像。这些处于亚细胞水平的性质用传统的方法很难检测，因为它们的尺寸太小。而利用AFM的高分辨率，科学家能够直观地观察到这些微观结构，为理解生命活动的基本原理提供有力支持。

表面电荷与磁畴分布研究

AFM不仅能够测量样品表面的力学性质，还能探测样品表面的电荷分布和磁畴分布。通过静电力显微镜（EFM）这一AFM的变种技术，科学家能够利用导电悬臂来探测样品表面的电荷分布。在EFM的成像过程中，悬臂所受到的吸引力和排斥力主要取决于样品表面的电荷分布，从而揭示出样品表面在纳米尺度的电荷分布信息。同样地，磁力显微镜（MFM）则能够探测样品表面的磁畴分布，为磁性材料的研究提供直观效果。

表面力学性质的纳米压痕技术

纳米压痕技术是AFM在表面力学性质研究中的一项重要应用。通过原子力探针将悬臂精准地压入样品表面，随后通过原位成像技术对压痕进行表征，从而揭示样品的局部硬度。此外，通过深入分析样品的压痕加载和卸载曲线，可以进一步获取到样品的硬度和弹性系数等关键物理参数。这一技术对于理解材料的力学性能和微观结构具有重要意义。

四、原子力显微镜与其他技术的结合应用

为了拓展AFM的应用范围，科学家常常将其与其他技术结合使用。例如：

AFM与光谱技术的结合：可以用于研究材料的电子结构和光学性质。

AFM与纳米加工技术的结合：可以实现纳米尺度的精确操控和制造。

AFM与电化学技术的结合：可以用于研究样品表面的电化学性质，如局部电流密度、电位分布等。

这些协同应用为纳米材料的研究和发展注入了新的活力，推动了科学研究的深入进行。

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