原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)是在扫描隧道显微镜基础之上发展起来的新型扫描探针显微镜，与扫描隧道显微镜相比，原子力显微镜的一个突出的优点是不需要所检测的样品具有导电性，它通过分析探针尖与样品之间的原子间作用力来获取所观察表面的微观信息，这对研究通常不 导电的生物材料是一项非常有意义的革新。

原子力显微镜的探针被置于一个弹性系数很小的微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定。探针尖和被检测的样品表面轻轻的接触，针尖的原子和样品表面的原子之间的微弱的排斥力使对力的变化非常敏感的微悬臂的游离端发生弯曲，经过光学透镜准直和聚焦后投射在微悬臂背面的一束激光及其监测器能将这种微弱的曲度的变化转换为电流的变化。通过移动样品平台使探针在被检测材料的表面逐点作快速扫描时，样品**表面的微细结构特征**的三维坐标数据就被转换为图像信息并准确地呈现在屏幕上。

原子力显微镜的优点：

（1）样品**无需导电**；

（2）能在**多种环境**（如真空、大气、液体、低温等）下工作；

（3）能得到物体表面的**高分辨三维像**；

（4）能对**单细胞、单分子**进行操作，如在细胞膜上打孔、切割染色体等。

【AFM成像模式】

原子间范德瓦尔斯力成像模式：

• 接触模式 (Contact mode) ：针尖与样品表面距离小，利用原子间的斥力；可获得高解析度图像；样品变形，针尖受损；不适合于表面柔软的材料。
• 非接触模式 (non-contact mode) ：针尖距离样品5-20nm,利用原子间的吸引力，不损伤样品表面，可测试表面柔软样品；分辨率低，有误判现象。
• 轻敲模式 (tapping mode) ：探针在Z轴维持固定频率振动，当振动到谷底时与样品接触，对样品破坏小，分辨率几乎同接触模式相同。

【AFM制样要求】

1）AFM制样对样品导电与否没有要求，可以很平也可以不那么平，对表面光洁度有一定要求，测量范围比较广泛。

2）适用于多种环境，可在真空，空气和溶液中进行。

AFM的应用实例：

（1）表征液体中生物样品

链球菌素的结构研究：a)，溶血素被标域的晶体结构；b）,一种具有原子结构孔隙低聚物微结构的低温电子显微镜图的截面图；c),在水溶液中测得的具有(b)结构模型孔隙的AFM 3D表面形貌d),c)的高度剖

（2）生物样本的自组装过程观察

产气荚膜梭菌的胆固醇结合细胞溶素从孔隙形成前到孔隙组装一起的转变。（a-c） 胆固醇衣片密集群同一区域的AFM序列图片；（d,e）是组装前后更大放大倍数的AFM图

（3）表征纳米力学性质

AFM测量细胞刚度的模型：(a)在液体环境中测细胞的压缩应变;(b)AFM的力-压痕曲线可测量细胞弹性（黄线）和附着力（蓝线）；(c)应力和应变弛豫曲线研究与时间相关的细胞行为；(d)功能化的原子力显微镜针尖常用作单细胞相互作用实验；(e)球形针尖或对原子力显微镜悬臂做物理修改可用于测量力的分布。

（4）薄膜材料的表面形貌

(a) 一种基于电荷注入机制的电式纳米装置的示意图; (b)CNP2-P样品（Vet=3V，electro-typing）2×2µm2区域的输出图像，对应于谱线图f中的黑色曲线；(c) electro-typing 30分钟后的4×4µm2区域输出图像（VR=3V，Read-out），对应谱线图f中的红色曲线；(d)electro-typing 360分钟后的4×4µm2区域输出图像（VR=3V，Read-out）；(e)相同区域无electro-typing的输出图片，对应谱线图f中的粉红色曲线；(f)所有扫描图像对应的谱线图。

（5）不同条件下菱铁矿的表面研究