布魯克生物型原子力顯微鏡NanoWizard®（Atomic Force Microscope，簡(jiǎn)稱AFM）在納米尺度上成像和操作功能給生物學(xué)研究帶來了新的思路。從技術(shù)方面來看，納米粒子：如量子點(diǎn)、納米線、DNA、碳納米管(CNT)或其他聚合物分子，廣泛應(yīng)用到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、單電子電子學(xué)、納米光子學(xué)和納米機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域。AFM不受樣品導(dǎo)電性的限制, 能夠提供更多操縱過程中的力學(xué)信息, 因而在推斷反應(yīng)機(jī)理、操縱機(jī)理、分子電荷操縱、單原子識(shí)別等許多方面有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，AFM可以與各種光學(xué)儀器聯(lián)用，為其提供精確的納米級(jí)成像和納米操縱等技術(shù)支持。

納米操縱研究目的

1) 操縱原子/分子自下而上地構(gòu)筑具有優(yōu)異性能的新材料, 結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑效率與構(gòu)筑規(guī)模上的突破；

2)       結(jié)合利用AFM的原子識(shí)別和原子、分子、電荷操縱能力, 精準(zhǔn)構(gòu)造室溫下的功能納米結(jié)構(gòu), 如人工單分子開關(guān)等納米尺度電學(xué)元件；

3)       對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行精準(zhǔn)修飾加工, 如實(shí)現(xiàn)選擇性半導(dǎo)體摻雜、定點(diǎn)飽和懸掛鍵修復(fù)“缺陷”等。^[1]

NanoWizard®生物型原子力顯微鏡演示圖

圖1為NanoWizard®生物型原子力顯微鏡的樣品臺(tái)和AFM圖，A用于移動(dòng)樣品的微定位器(用紅色載玻片表示)，B用于移動(dòng)AFM頭的微定位器(三個(gè)藍(lán)點(diǎn)表示AFM底部的位置)。與倒置光學(xué)顯微鏡聯(lián)用，可以在對(duì)納米級(jí)材料進(jìn)行納米操縱的同時(shí)，實(shí)時(shí)輸出三維圖像，方便操作者觀測(cè)。

圖1 NanoWizard®生物型原子力顯微鏡演示圖：A為移動(dòng)樣品的微定位器，B為用于移動(dòng)AFM頭的微定位器

應(yīng)用案例

1. 量子點(diǎn)的納米操縱

量子點(diǎn)在納米光學(xué)、物理和生物學(xué)研究中有許多潛在的應(yīng)用。AFM可以將量子力學(xué)特性與這種微小粒子的電磁輻射結(jié)合在一起進(jìn)行表征，操縱量子點(diǎn)的模式和排列，與倒置光學(xué)顯微鏡聯(lián)用，可以進(jìn)行高分辨率成像并獲取熒光光學(xué)數(shù)據(jù)。圖2顯示五個(gè)（右下角量子點(diǎn)作為參照點(diǎn)，共六個(gè)）單量子點(diǎn)排列成任意圖形的圖像序列。利用AFM針尖(成像IC模式、接觸模式)連續(xù)拍攝覆蓋玻璃上量子點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的圖像。

量子點(diǎn)組裝成聚集體可能導(dǎo)致光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)的變化。利用AFM來操縱表面上的量子點(diǎn)組織，將這些粒子集合的研究從由自組裝驅(qū)動(dòng)的規(guī)則陣列擴(kuò)展研究這些特性如何隨著量子點(diǎn)彼此之間的接近程度被原位操縱而變化。

圖2 顯示五個(gè)單量子點(diǎn)（右下為參照點(diǎn)）排列成任意圖形的圖像序列

2. 碳納米管的納米操縱

原子力顯微鏡針尖對(duì)納米棒或納米管的操作要比控制納米顆粒的定位復(fù)雜得多。納米棒和納米管的操作不僅包括平移，還包括旋轉(zhuǎn)和扭結(jié)，在圖3a通過針尖使得單個(gè)碳納米管束發(fā)生扭結(jié)和旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)納米管的操縱。在納米管片段移動(dòng)后，碳納米管與表面之間的相互作用足以將新結(jié)構(gòu)固定在原位。

圖3（a左）高度和相位通道中的單個(gè)碳納米管束；(b右) 碳納米管在硅表面的操作。

圖3b中表面-碳納米管形成相互作用的強(qiáng)度足以使得納米管被穩(wěn)定被操縱，但針尖所施加的力又不會(huì)強(qiáng)到碳納米管無法在不剪切的情況下移動(dòng)，以至于納米管只發(fā)生剪切，這是更好的選擇。碳納米管沉積在硅表面，表面相互作用的強(qiáng)度足以支持能量上不利的結(jié)構(gòu)，如扭結(jié)，而不會(huì)抑制納米束與針尖的運(yùn)動(dòng)。在納米管的納米操作過程中，利用實(shí)時(shí)交互力對(duì)AFM圖像進(jìn)行更新，為操作者提供實(shí)時(shí)的視覺反饋。

總結(jié)

NanoWizard®AFM是一種易于使用的納米操作應(yīng)用工具。在操作過程中，懸臂梁上的力、速度和彎曲等重要參數(shù)可以很容易地被監(jiān)測(cè)和控制。操作和無損檢測(cè)的結(jié)合使原子力顯微鏡成為納米結(jié)構(gòu)操作和監(jiān)測(cè)的技術(shù)?？梢栽诩{米尺度上分辨結(jié)構(gòu)的顯微鏡技術(shù)使我們看到了一個(gè)新世界。事實(shí)上，AFM傳感器可以作為一個(gè)操縱器使用，來移動(dòng)納米級(jí)材料，這意味著我們現(xiàn)在可以以一種可控的方式與納米世界進(jìn)行交互和操縱。布魯克AFM的操作和成像能力可以應(yīng)用于廣泛領(lǐng)域，在基礎(chǔ)研究和新技術(shù)的開發(fā)中都有應(yīng)用。

引用文獻(xiàn)

[1]     李彥, 鄭琦, 常霄, 黃立, 林曉, 程志海, 高鴻鈞. 原子、分子以及電荷的原子力顯微術(shù)操縱及其應(yīng)用[J]. 物理學(xué)報(bào), 2021, 70(13): 136802-1-136802-23. doi: 10.7498/aps.70.20202129.

本文數(shù)據(jù)來源于《布魯克網(wǎng)站》

產(chǎn)品介紹

NanoWizard® 4 XP生物型原子力顯微鏡在一個(gè)系統(tǒng)中可提供原子分辨率，高達(dá)150行/秒的快速掃描以及100µm大掃描范圍。即使置于倒置光學(xué)顯微鏡上，對(duì)從單分子到活細(xì)胞和組織的樣品進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，其具有優(yōu)異的機(jī)械和熱穩(wěn)定性。

主要特點(diǎn)：

■ 具有快速掃描選項(xiàng)，高可達(dá)每秒150行，可用于跟蹤動(dòng)態(tài)過程

■ 標(biāo)配Bruker的PeakForce Tapping技術(shù)

■ 大掃描范圍，100 × 100 × 15 µm³，且在倒置顯微鏡上具有原子晶格分辨率

■ 全新的基于工作流程的用戶界面，符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，易于操作

■ 新增Tiling拼接功能，可與HybridStage一起自動(dòng)映射大樣品區(qū)域

■ 增強(qiáng)的DirectOverlay 2模式用于精準(zhǔn)與顯微鏡關(guān)聯(lián)

■ 全新的Vortis 2控制器，具有高速低噪音DAC和針尖的位置傳感器讀取技術(shù)

■ 高的靈活性和可升級(jí)性，擁有廣泛的模式和配件