1、360 文档中心 word 文档下载网站http:/ 360 文档中心，更多免费文档请访问网址 http:/http:/ 25 卷第 1 期 2013 年 1 月化学进展PROGRESSINCHEMISTRYVol25No1Jan ，2013原子力显微镜在纳米生物材料研究中的应用马梦佳1，2*陈玉云2闫志强2360 文档中心 word 文档下载网站http:/ 200241）上海 200240；在过去的 20 年里，原子力显微镜（AFM）在纳米生物材料领域有着广泛的应用。AFM 可有力地揭示纳米生物材料的表面结构与力学性质，并且可作为纳米加工工具对其进行操作与处理。本文综述了 AFM 在纳米生
2、物材料中的最新应用进展，包括纳米生物材料的成像与表征，力学性能测量和纳米加工。AFM 可用来观察纳米生物材料的表面形貌并对其特征高度和表面粗糙度进行分析，还可对其动态过程进行原位观察。通过 AFM 相图还可得到有时候高度图无法获360 文档中心 word 文档下载网站http:/ 力曲线可用于测量针尖与纳米生物材料之间的黏附力及分子内外的相互作用力。AFM 纳米压痕技术可用来测量材料的相关力学 AFM 也已经被探索用于精准、性质（弹力，杨氏模量，硬度，纳米断裂行为等） 。此外，可控、可重复地加工纳 AFM 已成为纳米生物材料相关研究领域的一个理想的米生物材料。总之，作为一个强大的纳米技术工具，
3、表面分析和表面加工工具。关键词原子力显微镜纳米生物材料形貌成像相位成像力学性能纳米加工33；TB383 中图分类号：O657；Q6-文献标识码：A281X（2013）01-0135-10 文章编号：1005-ApplicationsofAtomicForceMicroscopyinNanobiomaterialsResearchMaMengjia1，2ChenYuyun2360 文档中心 word 文档下载网站http:/ ，CollegeofMaterialsScienceandEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，Chi
4、na；2NationalEngineeringResearchCenterforNanotechnology，Shanghai200241，China）AbstractInthepasttwodecades，atomicforcemicroscopy（AFM）hasbeenwidelyusedforstudyingnanobiomaterialsrelatedresearchAFMisapowerfultoolthatcanrevealthesurfacestructureandmechanicalpropertiesofnanobiomaterials，andisalsoknownasana
5、nofabricationtooltomanipulateandprocessnanobiomaterialsThefocusofthisreviewisontherecentprogressintheapplicationsofAFMfornanobiomaterials，whichmainlyincludesimaging，forcemeasurements，andnanofabricationofnanobiomaterialsAFMcanbeusedtoimagethetopographyofnanobiomaterialsandanalyzethefeatureheightandsu
6、rfaceroughness，imagethedynamicprocessofnanobiomaterialsrelatedprocessesinsituAFMphaseimagingcanbeusedtoimagesomesurfacefeaturesofnanobiomaterialsthoseAFMheightimagingcannotdetectAFMforcecurvescanbeappliedtomeasuretheadhesionforcebetweentipandnanobiomaterials，and360 文档中心 word 文档下载网站http:/ 年 7 月，收修改稿：
7、2012 年 8 月*国家自然科学基金项目（No51203024） 、上海市浦江人才计划项目（No12PJ1430300）和国家高技术研究发展计划（863）基金（No2012AA030309）资助Correspondingauthore-mail：jianzhongpkuhotmailcom；hdnbillsh163netsummary，asaprowerfulnanotechnologicaltool，AFMhasprovidedanidealsurface-analysisandsurface-fabricationtoolinthenanobiomaterialsrelatedresea
8、rchKeywordsatomicforcemicroscopy（AFM） ；nanobiomaterials；topographicalimaging；phaseimaging；mechanicalproperties；nanofabricationAFM 不仅能在高真空或者空气中对样品进行分是，析，还能在液体环境中对样品进行分析，使得利用 AFM 能获得样品在近生理条件下的信息，同时消除了在大气环境下成像样品和探针之间产生的较强的而使在纳米水平动态研究样品间相互毛细作用力，360 文档中心 word 文档下载网站http:/ 在纳米生物材料相关作用成为了可能。因此，研究中已得到了广泛的应用
9、。本文将就 AFM 的组成和原理进行简单介绍，并综述 AFM 技术在纳米生物材料中的应用进展。Contents1233.13.244.14.256IntroductionComponentsandprinciplesofAFMImagingandcharacterizationTopographicalimagingPhaseimagingMechanicalpropertiesmeasurementsForcemeasurementsOthermechanicalpropertiesmeasurementsNanofabricationSummaryandoutlook2AFM 主要组成与工
10、作原理AFM 主要由 4 部分组成3：（1）探针末端带1 引言原子力显微镜（AFM）是扫描探针显微镜家族有尖锐微小针尖的微悬臂探针，末端尖锐微小针尖的曲率半径一般是纳米级别，样品-针尖间的相互作用力会导致微悬臂的偏移；（2）压电陶瓷扫描管用来精确控制探针或者样品在三维方向上的移动。Y，Z 方向的压电陶瓷块通常是把三个分别代表 X，360 文档中心 word 文档下载网站http:/ 方向压电陶瓷块的通过控制 X，组成一个扫描管，伸缩来驱动探针在样品表面扫描，通过控制 Z 方向压电陶瓷块的伸缩来控制探针与样品表面之间的距离；（3）反馈控制系统包含二极管激光器，位敏光电子控制器等。二极管激光器产生
11、的微电检测器，小激光束照射在微悬臂的末端并反射到位敏光电检测器上，当微悬臂偏移时，反射光的位置改变而产生偏移量，位敏光电检测器记录下该偏移量并转换为随后控制器根据该偏移量对压电扫描管进电信号，行适当的调整；（4）计算机和软件度成像、纤维成像、力曲线等） 。AFM 的工作模式是以针尖与样品之间作用力的形式来区分的，主要有以下三种工作模式接触模式的14中的一员，于 1985 年由斯坦福大学的 GBinnig 与 CFQuate 和 IBMSanJose 研究实验室的 ChGerber 合作发明1 ，可以在纳米级别上对各种材料和样品的物理性质包括形貌和力学性能等进行探甚至直接对样品进行纳米加工。因此
12、被广泛应测，用于生物科学、医学科学、纳米技术科学、材料科学、表面科学和半导体工业等领域。纳米生物材料是指在三维方向上至少有一维处于纳米尺度范围（1100nm）的可以用于对生360 文档中心 word 文档下载网站http:/ 可以在纳米级别上对纳米生物材料的物理性质包括形貌和力学性能等进行探测，也可以直接对材料进行纳米加工。不同于扫描电子显微镜的与控制器进行交流，可以调节操作参数并显示实验结果（样品高：（1）1986 年研制的第一台 AFM 是接触模式，在此模式下，针尖与样品表面物理接触，针尖受范德华力和毛细力两种力的作用，两者的合力组成接触力，这种力是排斥力，会使微悬臂弯曲。根据 Hooke
13、s 定律（F=kz） ，微悬臂的弯曲（z）正比于接触力（F） ，针尖360 文档中心 word 文档下载网站http:/ Y 方向上移动）时，由于样品表面起伏而使探在 X，针带动微悬臂弯曲量变化，从而导致激光束在位敏光电检测器上发生改变，这个信号反馈到电子控制器，从而驱动压电扫描管在 Z 方向上移动以维护微即使针尖与样品表面悬臂弯曲的形变量维持一定，间的作用力维持一定，在这个过程中记录压电扫描 Y，Z 方向上的位移，从而得到样品表面的高管在 X，度形貌成像。这种反馈控制系统工作以维持作用力恒定的情况，一般被称为恒力模式（高度模式） 。如则针尖恒高并不随样品表面果反馈控制系统关闭，这种模式被称为
14、恒高模式（偏形貌的变化而改变，移模式） 。恒高模式一般只用于表面很平的样品如对分子或原子的高分辨成像。 （2）非接触模式是 1987 年研发出来的成像模式5且在液体环境下工作。因此 AFM 是纳米生物材料结构研究不可替代的工具。利用 AFM 可以在纳米得到尺度上对纳米生物材料的表面形貌进行观察，高分辨率图像，并对其表面特征进行高度分析。3.1.1高度分析AFM 可以用来对通过纳米加工手段等制备得到的纳米生物材料进行表面形貌成像和高度分析，进而鉴别纳米加工工艺的可靠性，为后续纳米生物材料的生物效应等研究提供表面形貌方面的数据。Meng 等9为了阐述星形胶质细胞介导神经元生长的机理，运用微接触印刷
15、方法在玻璃盖玻片表面制备了图案化的层粘连蛋白带，随后运用 AFM 轻敲模式对其进行了成像。360 文档中心 word 文档下载网站http:/ 1 所示，证明了图案化的层粘连蛋白带宽约 15m，间距约 15m，高度最后研究了星形胶质细胞在图案化层粘连约 5nm，蛋白带上的生长以及神经元在该星形胶质细胞上的结果表明，纳米级高度的表面蛋白配体能够诱生长，而且，定向生长的星形导星形胶质细胞的定向生长，胶质细胞能够诱导神经元定向生长。这，针尖在样品上方（110nm）振荡（振幅一般小于 10nm） ，针尖检测到的是范德华吸引力和静电力等长程力，样品不会被针尖也不会被污染，特别适合柔软物体的样品破坏，在室
16、温大气环境下样品表面通常有一薄表面；然而，薄的水层，该水层容易导致针尖“突跳（jump-to-contact） ”而与表面吸附在一起，造成成像困难。大多数情况下，为了使针尖不吸附在样品表面，常常选用一些弹性系数在 20100N/m 的硅探针。 （3）轻敲模式这是 1993 年研发的介于上面两种模式之68间的一种成像模式。微悬臂在样品表面上方以360 文档中心 word 文档下载网站http:/ ，成像过程中，针尖周期性地间断接触样品表面，探针反馈控制系统确保探针振幅恒定，从的振幅被阻尼，而针尖和样品之间相互作用力恒定，获得样品表面高度图像和相位图像。在该模式下，探针与样品之间的相互作用力包含吸
17、引力和排斥力。在大气环境下，该模式中探针的振幅能够抵抗样品表面薄薄的水层的吸附。轻敲模式通常用于与基底只有微弱结 DNAs，合力的样品或者软物质样品（高分子，蛋白质/多肽，脂双层膜，等等） 。由于该模式对样品的表面损伤最少并且与该模式相关的相位成像可以检摩擦力、黏弹性等的差异，因此在高测到样品组成、分子样品成像中应用广泛。33.1成像与表征形貌成像在纳米生物材料的形貌结构研究方面，当前主图 1Fig1微接触印刷方法制备得到的图案化层粘连蛋白带AFMimagesofthetopographyofamicrocontact9的 AFM 图像：（A）三维轮廓图；（B）截面分析图360 文档中心 wo
18、rd 文档下载网站http:/ AFM 可提供三维形貌图像。另外，图像，电子显微 AFM 可以在常压下并镜需要在高真空条件下运行，printedlamininlanepatternontheglassconverslip9 （A）3Dsurfaceplotimage；（B）sectionanalysisAFM 可以用来观察纳米生物材料作为反应物时反应前后的表面形貌，进而分析出纳米生物材料138化10学进展第 25 卷的特性。Voigt 等利用 AFM 轻敲模式在大气环敲模式对仿生智能涂层进行了形貌学观察和粗糙度分析。将壳聚糖和重组类弹性蛋白-RGD 复合物通在 pH=7.4 和 11 过层层组
19、装方式沉积到基底上，的缓冲溶液里孵育之后，对仿生智能涂层的形貌和无论最表面粗糙度进行了分析。结果如图2 所示，后一层是壳聚糖还是重组类弹性蛋白-RGD 复合物，仿生智能涂层的粗糙度都随着pH 值的增加而增加。360 文档中心 word 文档下载网站http:/ DNA 折叠支架表面的单分子化学反证明单分子化学反应的高产率和化学选择性，从应，而表明了 DNA 纳米结构组装后化学修饰的可行性。Maune 等11利用 DNA 折纸结构诱导单壁碳纳米管组装成十字交叉结构，并用 AFM 轻敲模式在液体环境下观察了其表面形貌，进而验证了该方法的可行性。Li 等12制备了具有形状记忆和酶敏性质的由淀粉样纤维
20、和石墨烯组成的可生物降解纳米复合运用 AFM 轻敲模式对石墨烯-淀粉样纤维复合物，物进行了成像，表明淀粉样纤维特异性地结合在还原型石墨烯表面，从而证实了淀粉样纤维能够结合还原型石墨烯并使其稳定存在。AFM 还可以用来观察纳米生物材料自组装的为深入了解纳米生物过程以及其相关的影响因素，材料的结构与功能提供基础。Ruan 等13设计了一图 25 对壳聚糖和重组类弹性蛋白-RGD 复合物层在不16360 文档中心 word 文档下载网站http:/ pH 条件下的粗糙度分析种含有 9 个残基的多肽结构，并利用 AFM 轻敲模式在大气环境下对多肽样品进行形貌观察。结果表明多肽可以自组装成纳米纤维网络，
21、并且纤维的形貌随着多肽浓度的改变而不同。Dutta 等14组类弹性蛋白-RGD；灰色柱状图：表面为壳聚糖。内图分别为在 pH=7.4 和 11 时复合物层的AFM 图像 Fig2Rootmeansquare（RMS）-roughnessof5pairsofCHI/ELR-RGDlayers，endinginCHI（grey）andELR-RGD（white）16 TheinsetsareAFMimagesatpH=7.4and11，forthefifthpairoflayers，endinginELR-RGD，ina11marea利用 AFM轻敲模式在大气环境下研究了在不同表面（云母、石墨、硅
22、）上 rec1-resilin 的自组装结构以及不同制旋转速率）的影响，结果显示，这些备条件（pH 值，条件对单分子 rec1-resilin 膜的形貌和高度有明显的影响。Adamcik 等15利用 AFM 轻敲模式在大气环境下检查了热变性 -乳球蛋白纤维的结构，统计分析后显示多肽自组装不同时期的结构特360 文档中心 word 文档下载网站http:/ -乳球蛋白纤维是扭曲丝带形成的多股螺旋形状。3.1.2粗糙度分析表面粗糙度即表面的起伏程度。粗糙度的测量是检测纳米生物材料表面性质和功能中必不可少的如自动变焦一个环节。目前的表面粗糙度测量仪，三维测量仪，尽管 Z 方向分辨率可以达到小于 5n
23、m，X-Y 向分辨率可以达到亚微米级，但仍不能满足表面特征在纳米尺度的材料分析需要。而 AFM 在 ZX-Y 方向上分辨率为方向上分辨率为 0.010.1nm，0.11nm，可达到纳米量级材料的表面粗糙度测量需求。利用 AFM 可以测定样品的表面形貌并分析得到样品的表面粗糙度，从而为研究材料粗糙度与材料相关性质之间的关系提供了更为精确的结果。利用 AFM 测量纳米生物材料的表面形貌和粗糙度，可以为研究理化因素等对纳米生物材料粗糙度的影响提供实验依据。Costa 等16利用 AFM 测量纳米生物材料的表面形貌和粗糙度可以研究纳米生物材料粗糙度对其表面与生物分子吸附能力的影响。Bhatt 等17运
24、用 AFM 轻敲模式在大气环境下研究了离子体增强化学气相沉积模式对两亲性涂层表面粗糙度的影响，结果显示连续波模式下所得到的两亲性涂层的表面粗糙度（0.3nm）要低于脉冲波模式下所制备得到的涂层表随后研究了这些表面对牛血面粗糙度（212nm） ，360 文档中心 word 文档下载网站http:/ AFM 测量纳米生物材料的表面形貌和粗糙度，还可以研究纳米生物材料粗糙度对其细菌黏细胞黏附、细胞增殖能力等的影响。Truong 附、等18通过等通道弯角挤压工艺将工业化纯钛表面晶粒显著细化，用 AFM 对加工前后的钛表面进行成显示加工后的表面明显比加工像并分析其粗糙度，前的表面更为光滑，随后研究了表面晶粒显著细化对细菌黏附的影响，显示细菌偏向于黏附在加工后运用 AFM 轻360 文档中心-海量免费 word 文档，ppt 模板下载。涵盖教育、职场、生活应用等各行业。荟萃营销，职业规划，工作简历，入党，工作报告，工作总结，学习资料，知识点总结等精品文档。360 文档中心 http:/
