布魯克生物型原子力顯微鏡NanoWizard®（Atomic Force Microscope,，簡稱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、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,、單原子識別等許多方面有顯著優(yōu)勢。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和AFM圖,，A用于移動樣品的微定位器(用紅色載玻片表示),，B用于移動AFM頭的微定位器(三個藍(lán)點(diǎn)表示AFM底部的位置)。與倒置光學(xué)顯微鏡聯(lián)用,，可以在對納米級材料進(jìn)行納米操縱的同時,，實(shí)時輸出三維圖像，方便操作者觀測,。

圖1 NanoWizard®生物型原子力顯微鏡演示圖：A為移動樣品的微定位器,，B為用于移動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（右下角量子點(diǎn)作為參照點(diǎn),，共六個）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通過針尖使得單個碳納米管束發(fā)生扭結(jié)和旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對單個納米管的操縱。在納米管片段移動后,，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強(qiáng)到碳納米管無法在不剪切的情況下移動，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),，而不會抑制納米束與針尖的運(yùn)動。在納米管的納米操作過程中,，利用實(shí)時交互力對AFM圖像進(jìn)行更新，為操作者提供實(shí)時的視覺反饋,。

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)測和控制,。操作和無損檢測的結(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)使我們看到了一個新世界,。事實(shí)上，AFM傳感器可以作為一個操縱器使用,，來移動納米級材料,，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，對從單分子到活細(xì)胞和組織的樣品進(jìn)行長期實(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性,，擁有廣泛的模式和配件