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實驗室設備:如何選購原子力顯微鏡?

2013-10-16  發布者:admin 

隨著生物學的發展,原子探針顯微鏡得到了越來越多的應用和發展,如細胞動態觀察、樣品的三維成像等。那麽,如何選購一台原子探針顯微鏡呢?

選購步驟可從以下幾方麵著手:

1.了解原子探針顯微鏡的基本原理

掃描隧道顯微鏡的原理

掃描隧道顯微鏡是根據量子力學中的隧道效應原理,通過探測固體表麵原子中電子的隧道電流來分辨固體表麵形貌的新型顯微裝置。

根據量子力學原理,由於電子的隧道效應,金屬中的電子並不完全局限於金屬表麵之內,電子雲密度並不是在表麵邊界處突變為零。在金屬表麵以外,電子雲密度呈指數衰減,衰減長度約為1nm。用一個極細的、隻有原子線度的金屬針尖作為探針,將它與被研究物質(稱為樣品)的表麵作為兩個電極,當樣品表麵與針尖非常靠近(距離<1nm)時,兩者的電子雲略有重疊,如圖1所示。若在兩極間加上電壓U,在電場作用下,電子就會穿過兩個電極之間的勢壘,通過電子雲的狹窄通道流動,從一極流向另一極,形成隧道電流I。隧道電流I的大小與針尖和樣品間的距離s以及樣品表麵平均勢壘的高度有關,其關係式中A為常量。如果s以10-1nm為單位,以eV為單位,則在真空條件下,A≈1,

由此可見,隧道電流I對針尖與樣品表麵之間的距離s極為敏感,如果s減小0.1nm,隧道電流就會增加一個數量級。當針尖在樣品表麵上方掃描時,即使其表麵隻有原子尺度的起伏,也將通過其隧道電流顯示出來。借助於電子儀器和計算機,在屏幕上即顯示出樣品的表麵形貌。

原子力顯微鏡的基本工作原理

AFM係統主要由以下幾部分組成:(1)帶針尖的力敏感元件;(2)力敏感元件運動檢測裝置;(3)監控力敏感元件運動的反饋回路;(4)掃描係統(一般使用壓電陶瓷),其作用是使樣品進行掃描運動;(5)圖象采集及顯示;(6)圖象處理係統。其中關鍵的是前兩部分。

AFM的工作原理如圖2所示。將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定,另一端有一微小的針尖,針尖與樣品表麵輕輕接觸。使針尖在樣品的表麵上掃描,由於針尖尖端原子與樣品表麵原子間存在極微弱的排斥力(10-8-10-6N),原子間作用力的檢測主要由光杠杆技術來實現。如果探針和樣品間有力的作用,懸臂將會彎曲。為檢測懸臂的微小彎曲量(位移),采用激光照射懸臂的尖端,四象限探測器就可檢測出懸臂的偏轉。如果控製這種力在掃描過程中保持恒定,則微懸臂將在垂直於樣品表麵的方向上起伏運動,利用隧道電流檢測法或光學檢測方法,測定微懸臂對應於掃描各點的位置變化,從而可以獲得樣品表麵形貌的信息。

根據AFM所測力的性質的不同,其工作模式及微懸臂運動的檢測方法將有所不同。所謂工作模式,主要是指AFM工作時微懸臂運動所處的狀態,主要可分為兩種。一種為準靜態工作模式,此時針尖與樣品的相互作用力較強,微懸臂有較大形變,可用隧道電流法,電容及激光束偏轉探測法等直接檢測此形變。處於該模式,針尖與樣品的間距小於0.03nm,基本上是緊密接觸的(故又稱接觸模式)。

原子力顯微鏡的基本工作原理圖

由於此時二者電子雲發生重疊,導致儀器的分辨率極高,可達原子級水平。運用此種模式可測量原子間的相互作用力,所測最小力可達10-9N。對於針尖與樣品間的摩擦力,也可用該模式進行測量,這時最小檢測極限可達10-10N。根據反饋方式的不同,該模式又可分成恒力模式和形變變化模式兩種。前者反饋信號控製樣品上下運動,使得微懸臂的形變及其與樣品間的相互作用力保持恒定;後者樣品隻進行掃描運動,反饋線路控製使得微懸臂隨表麵的起伏而上下運動。此時,由於反饋直接控製隧道針尖,導致儀器工作穩定,但其數據的解釋要困難一些。

上麵描述的這種接觸模式適應於對硬表麵的觀察,並可達到較高的分辨率,但這種接觸模式與樣品表麵相互作用較強,對於生物樣品,由於它相對於雲母,石墨及金等固體材料具有較大的柔軟性,目前對其觀察還沒有達到足夠高的分辨率,在針尖掃描時,有時還會造成樣品表麵的損傷。而對於吸附在堅硬表麵的樣品,在探針的作用下有時會被移動而不利於成像。對於生物材料,由於其表麵較軟如果采用接觸模式,在不降低其分辨率的情況下,應盡量降低針尖與樣品的作用力,以免造成表麵損傷。

2.廠家的儀器的功能和特性是否滿足我的科研要求?

詳細閱讀產品資料中的技術性能指標,不肯定時可將您的樣品交給廠家要求試驗做樣,看看其結果是否滿意再下結論;

3.該廠家的儀器所做出來的結果是否得到國內、國外核心期刊的認可?用該廠家的儀器在國內、國外核心期刊所發表的數量和質量如何?

有些廠家無法提供自己儀器經同行審議的、已經公開發表、有人負責任的應用成果,但卻在網站上或宣傳材料中陳列了一些不明出處或摘自AG亚游集团或國外其他廠家儀器得到的結果,並煞有介事地就此對自家儀器的性能進行分析和推論,誤導客戶;

4.該廠家的儀器的市場占有率是多少?口碑如何?

您可以要求該生產廠家提供用戶名單、聯係方式;

5.該廠家的企業文化如何?背景如何?

請注意,有良好傳統的廠家的產品在市場上是最有保障也是最受歡迎的;

6.該廠家的技術隊伍、研發能力是否強大?售後服務、產品升級是否有保障?

更多的通過交流了解該廠家的實力和服務態度,條件許可的話,您可以到廠家處實地考察,最好帶上您的樣品,親自到廠家處操作儀器對您的樣品進行測試;

7.了解儀器的成像模式,特別重要的是,原子力顯微鏡(AFM)是否具備接觸、輕敲、相移成像等多種工作模式?

8.了解儀器是否具備一些重要功能,如:

是否具備樣品全自動逼進功能?一些儀器必須配合手動逼近,操作起來不勝其煩,而且很容易損壞探針

是否具有圖形刻蝕模式和矢量掃描模式等納米加工技術?

是否配備強大的在線控製軟件和後處理分析軟件?

能否對原來的儀器進行升級和二次開發?

掃描器最大掃描範圍可達到多大?

可放置樣品的最大尺寸的直徑和厚度是多少?

有些功能您目前不一定用得到,但具備這些擴展能力,對於保護您的投資非常重要。

9.綜合上述因素,整體考慮儀器的性價比如何,結合您的經費、偏好等因素做出選擇。

二、簽訂合同時務必注意的事項:

1.簽訂合同時,您務必將關鍵參數及性能指標寫入到驗收條款中:

驗收必須以國際通用標準為依據,避免輕信某些商家的過分吹噓,到驗收時以這樣那樣的理由降低驗收標準甚至不驗收,而買回來一堆廢鐵。

國際上公認的標準為:

STM:橫向0.13nm垂直0.01nm(以石墨定標)

AFM:橫向0.26nm垂直0.1nm(以雲母定標)

有些廠家含混其詞,將AFM的橫向分辨率寫為0.4nm,以回避原子分辨的驗收標準。

2.必須在購買合同中聲明電腦操作係統軟件、在線控製軟件和後處理分析軟件都是正版軟件,如果不事先約定,有些廠家就可能預裝盜版係統軟件,甚至其在線控製軟件和後處理分析軟件都是基於盜版軟件開發的。



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