原子力显微镜在有机LB膜结构与物化性质研究中的应用.pdf

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原子力显微镜在有机LB膜结构与物化性质研究中的
应用∗

朱杰,王国栋
西北农林科技大学理学院应用物理系杨凌712100
摘要：LB膜以其广泛的应用价值而备受关注，而对其各种性质的表征是推动其应用的源
动力，原子力显微镜以其优秀的时空分辨能力、力学操纵能力而在众多表面表征技术中显得
尤为突出。文章在详细介绍原子力显微镜基本探测原理的基础上，全面总结了该技术在LB
膜参量如表面精细结构、静电荷分布、磁畴分布、膜分子间相互作用等分析中的应用，并探
讨了该技术在膜表面表征中存在的技术问题，对膜参量表征技术的发展和应用前景进行了展
望。
关键词：原子力显微镜；LB膜；表面结构；物化性质
中图分类号：O342.1Q753.2文章识别号：A

单层厚度在零点几纳米至几纳米的LB膜具有高度各向异性的层状结构且在理论上几乎
没有缺陷；运用LB技术还可实现单一物质和多种物质在LB膜上的可控性分子组装，形成具
有特殊性能的分子有序体[1,2]。这些特点是其他技术所无法比拟的，通过分子组装可对生物
膜进行模拟，研究成膜分子间的相互作用，进而了解生物膜的结构与功能；将LB膜作为实
验载体，可对其他生物大分子的性能进行研究；利用LB技术还可对药物制剂进行包裹，从
而在方剂化学和生物医学工程中大有作为[3]；通过功能分子的组装亦可开发出多种生物功能
器件，以满足工程上的需求；另外，LB膜还可广泛地应用于环境工程、电子器件研发等研
究领域。如此广泛的应用范围与发展前景使得LB技术深受科技界的关注[4]。随着膜技术的
蓬勃发展，人们力图通过控制膜的表面形态结构，改进制膜的方法，进而提高膜的性能。近
年来发展起来的原子力显微镜(atomicforcemicroscope，AFM)可观察分子膜中分子的排列结
构、取向及分子链的空间构象，研究分子膜的聚合、晶畴形成、相变、衰变等动态过程，还
能在测量分子膜表面在原子水平上的各种物理性质[5]。不仅如此，还可用AFM探针对分子组
装体进行纳米级的刻蚀、表面微区改性。AFM的深入研究使人们对LB膜的表面微观结构和
物理性质有了更全面的理解，极大地推进了LB膜技术在科技研究中的应用，取得了良好的
社会效益。
1.AFM的工作模式及特点

AFM是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当
样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖-样品相互作用就会引起微悬臂的形变。也
就是说，微悬臂的形变是对样品-针尖相互作用及样品表面形貌的直接反映[6]。探针和样品
间的力-距离关系是本仪器测量的关键点。根据初始工作距离的不同可将AFM的工作模式分
为三大类型：接触模式(ContactMode，CM-AFM)、非接触模式(Non-contactMode，NCM-AFM)
和轻敲模式(TappingMode，TM-AFM)[7]。
用CM-AFM扫描样品时，针尖-样品距离在小于零点几个纳米的斥力区域。由于表面的

基金项目：教育部科学技术研究重点项目(No.104167)；国家自然科学基金资助项目(No.20572067)；
作者简介：朱杰(1980-)，男，土家族，湖南张家界人，博士，助教，中国物理学会、中国/美国化学学会、
中国/美国细胞生物学会、中国生物物理学会会员，主要从事农业环境生物物理、分子生物物理与理论生物
物理研究。
作者通讯：E-mail：[e-mail]。

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高低起伏使得针尖-样品距离发生变化，引起它们之间作用力的变化，从而使悬臂的形变量
发生改变[3]。用光电转换器记录到同悬臂形变量成比例关系的光强差值，反馈回路则会根据
程序预置值不断调整针尖-样品距离以保持两者间作用力不变，就可将探针形变转换得到样
品表面形貌图像。若已知样品表面非常平滑时，可让针尖-样品距离始终保持恒定，这时针
尖-样品作用力大小直接反映了表面的高低，这种方法称恒高模式[8]。
用NCM-AFM扫描样品时，针尖在样品表面上方振动，始终不与样品表面接触。针尖检
测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力等长程力，对样品没有破坏作用。针尖-样品距离在几到
几十纳米的吸引力区域，针尖-样品作用力比接触式小几个数量级，但其力梯度为正且随针
尖-样品距离减小而增大。当以共振频率驱动的微悬臂接近样品表面时，由于受到递增的力
梯度作用，使得微悬臂的有效的共振频率减小，因此在给定共振频率处，微悬臂的振幅将减
小很多。振幅的变化量对应于力梯度量，因此对应于针尖-样品间距。反馈系统通过调整针
尖-样品间距使得微悬臂的振幅在扫描时保持不变，就可以得到样品的表面形貌像。由于生
物分子的弹性模量较低，同基底间的吸附接触也很弱，