原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱AFM）作為一種表征測試技術，具有強大的儀器聯用功能，可以與拉曼技術、紅外分析、以及倒置光學顯微鏡等儀器聯用，突破單個儀器的局限性。在生物類材料的研究中，AFM通常會與光學顯微鏡聯用，考慮到樣品的透明度、尺寸等特性，還可以與各種工作站聯用，增強AFM的使用效果，從多個角度表征材料的特性，也將AFM的適用范圍從科研過渡到企業生產中。

應用介紹

以生活中常見的紙張為例，大都由纖維素等生物成分構成，AFM與光學顯微鏡的結合可以研究紙張上的印刷和書寫過程以及油墨如何與紙張相互作用。由于紙張的半透明特性，AFM可以與立式光學顯微鏡聯用，同時聯用便攜式穿梭工作站——BioMaterial (BioMAT™)工作站，來進行樣品的傳輸移動，在平臺之間運輸樣品，提高工作效率。

圖1:AFM高度圖像(5 μ m2)的a)鏡頭清潔紙和b)標簽紙。紙張的種類可以通過影響紙張結構和硬度的纖維素纖維的大小和方向清楚地辨別出來。

傳統造紙和打印機行業通過優化油墨消耗來創造好的印刷效果；普通用戶則希望減少潛在的有害碳粉顆粒的濃度，并希望節省能源和金錢。為了獲得更好的打印效果，調色劑和紙張的表面性能尤為重要。尤其是紙張的孔隙度、孔徑、滲透性、附著力和粗糙度都會影響結果。

這些特性都可以通過原子力顯微鏡來測量，并可以通過AFM聯用光學顯微鏡來研究油墨消耗量。因此，使用AFM聯用直立光學顯微鏡，同時聯用BioMaterial (BioMAT™)工作站，這種多維聯用技術可以有效識別熔化和非熔化形式的單個碳粉顆粒分布及尺寸，從而達到測試效果。

成像效果

AFM的多維聯用可以有效的增強成像效果，可以對光學顯微鏡進行成像的同時，與BioMAT聯用進行選區成像，在AFM高度圖像中CMYK(青色，品紅，黃色，黑色)顆粒的組合可以打印所有顏色。亮場光學圖像顯示在紙張表面完整的顆粒和熔融顆粒區域。在AFM高度圖像中可以清楚地識別出紙張上有色的碳粉顆粒。

此外，油墨材料和紙張表面之間的結構差異可以相互區分(參見圖3)。紙張結構(圖3b)與碳粉顆粒表面(圖3c)相比，在形貌和粗糙度方面存在顯著差異。由于光學和AFM數據的融合，在三維地形和明場光學圖像疊加后可以識別出不同的區域。還可以識別熔化和未熔化的顆粒并顏色。

圖2:(a)明場垂直光學圖像(40x;蔡司AxioImager)在激光打印紙上的打印區域。所有顏色都可以通過AFM掃描識別和定位。使用JPK NanoWizard®AFM和BioMATTM工作站對選定區域進行成像。(b)相應的AFM高度掃描顯示了完整的品紅和黃色碳粉顆粒的紙張結構

圖3光學和AFM數據集成。

聯用保持高分辨率

通過AFM和光學顯微鏡聯用，能夠測定不同油墨顆粒的體積，而聯用后的AFM依然保持高分辨率，可以很容易地研究油墨消耗量。圖4給出AFM研究結果，一個碳粉顆粒的三維形貌和相應的截面。碳粉顆粒大小和橫向膨脹的碳粉顆粒，體積可以計算出來。如圖4所示，顆粒的體積為308 μm3。

圖4:(a)所選碳粉顆粒的三維形貌(12.5µm)。(b)對應的橫截面顯示了碳粉顆粒的高度和寬度，以識別一個碳粉顆粒的體積。

總結

布魯克作為原子力產品供應商，針對生物型樣品可以提供JPK NanoWizard 4 XP生物型原子力顯微鏡。該設備具有強大的聯用能力，可以與包括紅外、拉曼、光學顯微鏡在內的許多儀器聯用。通過AFM和其他品牌的光學顯微鏡及BioMAT™工作站聯用，不但可以將光學成像與AFM成像結合，同時可以利用工作站的便捷性對樣品進行選區表征成像，具有成像分辨率高、效果好等優點。而且可以從多個維度去了解材料本身的性能，為原子力顯微鏡在科研領域、企業領域、日常生活中的應用提供了思路。

參考文獻：

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數據來源：本文數據來源于布魯克網站

產品介紹

NanoWizard® 4 XP生物型原子力顯微鏡在一個系統中可提供原子分辨率，高達150行/秒的快速掃描以及100µm大掃描范圍。即使置于倒置光學顯微鏡上，對從單分子到活細胞和組織的樣品進行長期實驗，其具有優異的機械和熱穩定性。

主要特點

u  具有快速掃描選項，高可達每秒150行，可用于跟蹤動態過程

u  現在已經標配Bruker的PeakForce Tapping技術

u  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

u  全新的基于工作流程的用戶界面，符合人體工程學設計，易于操作

u  新增Tiling拼接功能，可與HybridStage一起自動映射大樣品區域

u  增強的DirectOverlay 2模式用于精準與顯微鏡關聯

u  全新的Vortis 2控制器，具有高速低噪音DAC和的位置傳感器讀取技術

u  高的靈活性和可升級性，擁有廣泛的模式和配件