眾所周知，原子力顯微鏡（AFM）對液體中的樣品表征十分重要。然而，傳統的基于激光反射探測原理的AFM對液體中樣品表征存在著諸多不盡如人意的方面。
①制備傳統AFM所用液體樣品的時間較長，對掃描樣品的尺寸限制多。為了避免液體對傳統AFM的激光反射光路產生影響，人們通常會把測試樣品通過多個步驟制備在AFM專用的液體腔中。整個制備流程復雜費時。同時，傳統的AFM通常不能對較大尺寸的樣品進行掃描，例如厘米骨骼樣品。這大地限制了醫學等學科對各類器官組織的研究。
②傳統的AFM在對液體中樣品的表征模式方面存在一定的限制。由于傳統AFM在掃描液體中的樣品時可能會涉及到AFM探針在大氣和液體兩個相中的轉換。為了避免探針在液氣兩相轉換過程中所出現的問題，基于激光反射原理的AFM在測量液體中的樣品時通常使用接觸模式（Contact Model），不使用輕敲模式（Tapping Model）。然而對于表面敏感的樣品而言，接觸模式在掃描過程中接觸樣品表面時間長，對樣品掃描時施加的力大，容易損壞樣品表面形貌。
③傳統基于激光反射原理的AFM不能對不透明液體中的樣品進行掃描表征。由于傳統AFM的成像機理，這類的AFM不可能把探針伸入不透明液體，然后對液體中的樣品進行掃描。然而，在生物學等領域，把探針伸入不透明液體對樣品進行掃描又是非常必要的研究。因為，細胞在不透明液體（例如血液）和透明緩釋液中的狀態是不一樣的。
④傳統的AFM由于體積原因很難和其他表征設備聯用，例如與熒光顯微鏡進行協同原位表征。
為了解決傳統基于激光反射原理AFM在液體中測量樣品過程中所遇到的問題。Quantum Design公司推出了基于全電系統的生物學AFM-AFSEM。使用AFSEM對液體中樣品表征時，無需繁瑣的制樣過程，掃描探針進入液體中直接掃描即可[1]。在掃描模式上，AFSEM可在對液體中樣品掃描時提供接觸和輕敲兩種模式，掃描過程中盡可能減少對樣品的損傷。由于AFSEM是一款基于全電系統的AFM，可以在不透明液體中對樣品進行掃描。突破性地解決了以往AFM不能在不透明液體中掃描樣品這一難題。后，由于AFSEM的體積僅有手掌大小，如圖1所示，AFSEM可以與各種光學顯微，電子顯微鏡，FIB等多平臺結合。
圖1. AFSEM原子力顯微鏡實物圖。A) AFSEM的兩種型號。左側為AFSEM 1.0，右側為AFSEM Nano。B）AFSEM 1.0尺寸大小示意圖。
圖2. AFSEM在1：8（血液：水）稀釋的血液中掃描樣品的結果。A) AFSEM在液體中掃描樣品的特寫。B）在液體中獲得的血紅細胞血影的形貌圖。圖中比例尺為10 μm。
圖3. 在不同透明度液體中掃描TGZ2 AFM標樣的結果。A）表樣浸在牛奶液體中。B）牛奶液體中獲得的TGZ2 AFM掃描結果。圖中比例尺為為10 μm。C）在去離子水液體中掃描標樣的結果。D）血清中掃描標樣的結果。E）未稀釋血液中掃描標樣結果。
圖4. AFSEM在不同液體中掃描HS-500MG AFM XYZ標準樣的結果。圖中上半部分為去離子水中的掃描結果，下半部分為在未稀釋的人體血液中獲得的結果。掃描速度從左至右從30 μm/s增加到750 μm/s。
圖5. 裝在SEM中的AFSEM對大尺寸骨骼樣本進行多維度原位表征。A）AFSEM對大尺寸骨骼樣品表征示意圖。B）把AFSEM放在SEM樣品腔體中。C）在SEM中獲得骨骼樣品原位形貌信息示意圖。D）C圖中白色虛線部分的放大圖。E）D圖中彩色部分的三維立體結果。
Quantum Design公司擁有一只強大專業的定制化團隊，可以根據用戶的要求將AFSEM與光學顯微鏡，電子掃描顯微鏡，聚焦離子束加工設備，熒光顯微鏡等設備進行整合。下圖為2021年9月Quantum Design公司為斯坦福大學定制的AFSEM系統[2]。
圖6. 2021年9月Quantum Design公司為斯坦福大學安裝定制的AFSEM系統。A)斯坦福大學Fritz Prince教授和Quantum Design工程師在定制AFSEM系統前合影。B）為教授定制的AFSEM系統。定制系統方案為在FEI Teneo電子顯微鏡的樣品腔中將AFSEM與Kleidiek八探針電學測量平臺進行整合。
參考文獻：
[1]. Michael Leitner, Hannah Seferovic, Sarah Stainer, et al.Atomic Force Microscopy Imaging in Turbid Liquids: A Promising Tool in Nanomedicine. Sensors, 2020,20,3715.
[2]. https://www.qd-microscopy.com/2021-august-microscopy-virtual-conference-2021/
教育裝備采購網 作者：Quantum量子科學儀器貿易（北京）有限公司 責任編輯：逯紅棟
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