针尖影像仪

注射针尖穿刺力测试仪在制药与包装行业中，注射针尖作为药物传递的直接媒介，其性能的稳定与安全性直接关系到患者的健康与安全。随着医疗技术的不断进步和药品包装的多样化发展，注射针尖在各类薄膜、复合膜、电池隔膜、人造皮肤乃至药品包装用胶塞、组合盖、口服液盖等材料的穿刺应用日益广泛。这些材料不仅需要具备良好的阻隔性以保护药品免受外界污染，还需在针尖穿刺时展现适宜的力学特性，以确保药物输送的顺畅与安全。注射针尖在制药包装行业的应用概述在制药过程中，注射针尖常被用于穿透药品包装材料，以实现药物的精准注入或抽取。无论是液体药品的密封瓶、预充式注射器，还是复杂的医疗装置，都离不开注射针尖的高效与准确。同时，随着环保和可持续性理念的深入人心，制药包装材料正逐步向轻量化、可降解方向发展，这对注射针尖的穿刺性能提出了更高的要求。为何需要注射针尖穿刺力测试仪鉴于注射针尖在制药包装中的核心作用，其穿刺性能的优劣直接影响到产品的使用体验和药品的安全性。因此，对注射针尖在不同材料上的穿刺力进行测试显得尤为重要。注射针尖穿刺力测试仪应运而生，它专为评估针尖在穿透各种材料时所需的力值及拔出时的阻力而设计，能够有效帮助制造商、质检机构及研究人员评估材料的适用性，优化产品设计，确保产品质量。广泛应用领域注射针尖穿刺力测试仪广泛应用于质检中心、药检中心、包装厂、药厂、食品厂等多个领域，成为保障产品安全与质量的重要工具。通过精确测量不同材料在穿刺过程中的力值变化与位移情况，可以深入了解材料的物理特性，为材料选择、工艺改进及质量控制提供科学依据。测试原理详解注射针尖穿刺力测试仪的测试原理基于力学原理与精密测量技术。测试时，首先将待测样品装夹在仪器的两个夹头之间，通过精确控制两夹头的相对运动，使标准要求的穿刺针以设定速度刺入样品。在穿刺过程中，仪器会实时记录并显示穿刺力及拔出力的变化曲线，同时监测针尖的位移情况。这些数据不仅反映了材料对针尖的抵抗能力，还能揭示材料内部的力学结构特性，为材料性能评估提供全面而准确的信息。

近日，中国科学技术大学董振超研究小组在探究针尖增强单分子拉曼光谱的化学增强与猝灭机制方面取得新进展。相关成果以“Chemical Enhancement and Quenching in Single-Molecule Tip-Enhanced Raman Spectroscopy”为题作为热点文章发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。 　　表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Ramanspectroscopy, SERS)具有显著的信号增强特性，能够在单分子尺度提供目标材料丰富的化学指纹信息，因此被广泛应用于物理、化学、材料、生物等领域的物种识别与结构研究。SERS增强机制通常分为两种：局域等离激元场激发产生的物理增强以及分子–金属之间电荷转移诱导的化学增强。物理增强在SERS信号增强中起主导作用，对其电磁场物理增强图像的理解已经比较透彻。化学增强不仅能在物理增强的基础上进一步增强分子拉曼信号，而且往往会对谱型产生影响。然而，尽管经过近半个世纪的大量SERS研究，化学效应对拉曼信号的具体影响机制仍然不够清晰。这主要是因为化学机制比较复杂，跟单个分子与金属表面之间的局域相互作用密切相关，而且其贡献相对较小，并常常与物理增强效应共存，难以分割和评估。存在这些困难在一定程度上是因为SERS技术难以对这种局域相互作用进行精准表征和控制。因此，迫切需要开展局域环境清晰明确的单分子拉曼实验，以便精确调控单个分子的局域化学环境，深入研究化学效应对拉曼信号的影响。 　　2013年，董振超研究小组首次在超高真空和液氮温度下展示了亚纳米分辨的单分子拉曼成像技术[Nature 498, 82 (2013)]，通过针尖局域电磁场调控将具有化学识别能力的光学成像空间分辨率提高到了一个纳米以下(~0.5nm)。这一结果在一定程度上颠覆了当时人们对于光学成像分辨率和光场限域性的固有认知，极大推动了针尖增强技术和相关纳米光子学领域的发展。在此基础上，2019年，该研究小组通过发展液氦条件下工作的低温超高真空针尖增强拉曼光谱(tip-enhanced Ramanspectroscopy, TERS)系统，进一步对针尖尖端高度局域的等离激元场进行精细调控，将空间分辨率提高到了1.5 Å的单个化学键识别水平，并基于这项技术提出了一种重构分子化学结构的新方法¾埃级分辨的扫描拉曼显微术[National Science Review 6, 1169−1175 (2019)]。 　　最近，为了深入探究化学效应对拉曼信号的影响机制，该研究小组利用所发展的高分辨TERS技术，通过精心设计和构建四种不同的清晰明确的单分子局域接触环境(图1)，探究了单个ZnPc酞菁分子在不同接触环境下的拉曼响应，并结合理论计算揭示了基态电荷转移引起的TERS增强以及界面动态电荷转移诱导的拉曼猝灭的新机制(图2)。图1.单分子TERS实验示意图和四种不同的分子局域接触环境。图2.基态电荷转移引起的TERS增强与界面动态电荷转移诱导猝灭效应。他们发现，当针尖与氯化钠表面单个平面型ZnPc分子进行“弱”的点接触时，TERS信号会被显著增强，与此同时，针尖增强光致荧光(tip-enhanced photoluminescence, TEPL)信号迅速猝灭。TERS和TEPL信号演化表明针尖与分子之间的接触产生了化学相互作用。他们对此提出一种新的物理化学联合作用机制，即针尖与分子的点接触会产生基态电荷转移过程，在与表面垂直的方向上诱导出可观的拉曼极化率，而且该垂直极化偶极还会进一步与纳腔等离激元的垂直电场耦合产生增强的拉曼信号。这种新的增强机制不仅超越了传统的纯化学效应机制，而且也不同于之前普遍认为的在化学增强过程中占主导地位的共振电荷转移机制。另一方面，当分子与金属衬底进行“强”的面接触后，TERS信号严重猝灭，特别是对于分子的面内振动信号。结合DFT理论计算表明，这是由于分子与金属衬底之间的轨道杂化引起的动态界面电荷转移以及表面电磁场屏蔽效应所导致的拉曼极化率的减弱，并且前者起主导作用。但是，通过进一步与针尖产生“弱”的点接触，猝灭的拉曼信号能够被有效“拯救”，这同样是因为上面所提及的基态电荷转移诱导的物理化学机制的联合作用所致。需要强调的是，如果分子与金属衬底的相互作用很弱(例如物理吸附的情况)，或者分子垂直吸附在金属表面，这时由于动态界面电荷转移诱导的拉曼极化率的减弱效应会变得很小，预计将不会出现拉曼猝灭现象。 　　该研究小组还进一步开展了偏压和波长依赖的TERS光谱演化研究，证明了基于基态电荷转移的物理化学联合作用机制的正确性。值得注意的是，对于非共振情况下的针尖−分子点接触构型，体系的拉曼信号在纳腔等离激元场增强的基础上，还将获得超过300倍的极大电荷转移化学增强。 　　该工作不仅为理解化学效应诱导的TERS/SERS增强与猝灭现象提供了新的视角，澄清和深化了人们对化学增强机制的认识，而且展示了一种通过针尖−分子原子级点接触增强拉曼信号的方法，将对本征拉曼信号微弱的分子(例如生物分子)的化学探测和识别具有重要意义。 　　文章的第一作者是中国科学技术大学博士后杨犇和特任副研究员陈功。该研究工作得到了基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等单位的支持。

在成功实现针尖增强拉曼光谱（TERS）技术的15年后，HORIBA Scientific 和 AIST-NT 合作完成了 TERS 的整套解决方案，将其推向了一个全新的层面。TERS 技术不只是进行所谓的单点测量，更能够完成一个 TERS 扫描成像，收集到成千上万个像素点的拉曼光谱，而且一个完整成像采集时间一般小于10分钟。文中我们采用了HORIBA & AIST 的 Nano Raman 团队在2015年获得的结果，来展示TERS在纳米尺度上的化学成像，并由HORIBA Scientific的全球产品经理Marc Chaigneau 博士进行了讲解。图1采用XploRA Nano系统和镀金的TERS针尖，对单根碳纳米管进行纳米级的化学成像，其空间分辨率达到了8nm。扫描发现在绿色区域D峰（缺陷峰）产生明显的增强，该位置的空间分辨已经接近晶格缺陷尺寸（扫描步长为1.3nm）。“TERS的空间分辨率获得如此惊人的进步主要归功于NanoRaman系统光学耦合部件的稳定性和SmartSPM型号AFM的高频扫描器，能够远离噪声的干扰。”图1：单个碳纳米管的TERS成像，空间分辨率小至8nm， 1.3nm步长（75×75点,每点采集时间为100ms）从氧化石墨烯的TERS成像中发现，其褶皱位置与镀银的AFM-TERS针尖具有很强的相互作用，见图2（绿色：G峰强度分布，红色：有机物残留的C-H振动峰强度分布）。与普通远场拉曼信号相比，针尖将信号增强了大概2×106倍。并且通过进一步计算D/G的强度分布，可以表征样品上缺陷的局部变化。“这么好的拉曼增强效果要归功于Ag针尖的强等离子体共振；而且好消息是，由于保护层的加入，Ag针尖的寿命已经延长到了数周。”图2 左：氧化石墨烯D峰的TERS成像 右：褶皱位置（红色和蓝色）、平坦位置（绿色）和薄片外的单点TERS谱图 脉冲力刻蚀技术” （NanoRaman系统的一种纳米刻蚀模式）可以利用单晶金刚石针尖在单层氧化石墨烯上点压出所需的图案。我们在氧化石墨烯表面压印出了15nm尺寸大小的“TERS”字母，并发现在刻划位置的TERS信号显著增强。“得益于SmartSPM针尖调谐和准直的全自动化，使得我们即使在进行纳米刻蚀后更换为TERS针尖，也能够找到原来的测试区域。”图3：金膜上单层氧化石墨烯刻蚀字图的D峰强度TERS成像，尺度15nm为了将TERS应用于其他2D材料，应用团队对机械剥离的MoS2样品进行了TERS成像。从中发现，使用AFM-TERS针尖，MoS2的A1g和A2u振动模式强度有明显的提升（图4），而且采用DualSpec模式，能够采集到近场信号和远场信号并进行差谱处理。 “同样，由于AFM-TERS针尖的不断发展，尤其是镀银针尖，为新一代2D材料的TERS表征打开了一扇门。高增强因子使之前难以观察到的纳米尺度的拉曼振动模式变得清晰可见，同时DualSpec模式可以帮助我们完成每一个点的远场信号扣除。”图4 左：MoS2 408cm-1拉曼峰（A1g模式）的TERS成像 右：边缘及刚脱离边缘位置的TERS图谱图5展示了沉积在金基底上C60和C70富勒烯的TERS成像，并清晰地表现出某些位置具有单一的C60或C70的拉曼谱图。与单层的C70富勒烯区域的TERS成像对比，我们能够进一步确认在大气环境中完成了AFM模式下的单分子测试。“单分子灵敏度是每一个光谱学家的终目标！之前单分子的TERS检测已经在超高真空超低温的STM设备上实现了，但是如果TERS要成为一种大众化的检测技术，整套设备的安装和操作必须简单，成本也必须降低。由此来看，我们的应用团队在大气环境中得到了清晰地单分子测试结果，意义是非常大的。”图5：左：沉淀在金膜上的氧化石墨烯以及C60、C70富勒烯的TERS成像（每行128点，采集时间：每点80毫秒）。右： C60和C70混合位置谱图（绿色）以及单一成分的谱图（蓝色-C60，红色-C70）

一、项目基本情况1.项目编号：0873-2301HW2L0473项目名称：北京理工大学低温磁场扫描隧道显微镜采购预算金额：800.000000 万元（人民币）采购需求：采购低温磁场扫描隧道显微镜1套；用于科研，接受进口产品投标，详见附件合同履行期限：合同签订后2个月内出具图纸，采购人批复图纸后8个月交付。本项目( 不接受 )联合体投标。2.项目编号：CFTC-BJ01-2311049项目名称：北京理工大学多功能针尖增强拉曼光谱仪预算金额：350.000000 万元（人民币）采购需求：采购标的用途数量是否接受进口产品投标简要技术参数或要求描述多功能针尖增强拉曼光谱仪教学及科研1套是详见招标文件第四章“货物需求一览表及技术规格”合同履行期限：签订合同之日起至质保期结束。本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2023年12月04日 至 2023年12月11日，每天上午9:00至12:00，下午14:00至17:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：北京中教仪国际招标代理有限公司512室，北京市海淀区文慧园北路10号方式：建议采用汇款形式进行报名（节假日、工作日均可），请按本公告“其他补充事宜”所述账户信息汇款(不接受个人账户汇款)，请您在本公告页面最下方附件自行下载“报名登记表”，填写完成后以word文本形式和汇款底单一起发送至shige@china-didac.com，工作日可以现场登记报名，招标文件售后不退。售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：北京理工大学　　　　　地址：北京市海淀区中关村南大街5号　　　　　　　　联系方式：林老师，010-68917981　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：北京中教仪国际招标代理有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：北京市海淀区文慧园北路10号　　　　　　　　　　　　联系方式：施歌、李璟琨、卢琛曦、杨硕，010-59893121、010-59893127、010-59893109　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：施歌、李璟琨、杨硕、蒋旭、谢杰、韩寿国电　话：　　010-59893121、010-59893129

项目编号：1297-2343020079A1/03（Z20230261）项目名称：同济大学材料科学与工程学院超高空间分辨针尖增强拉曼光谱仪采购项目预算金额：820.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：820.0000000 万元（人民币）采购需求：序号产品名称数量简要技术规格备注1超高空间分辨针尖增强拉曼光谱仪1套详见招标文件第八章预算：人民币820万元整，投标报价超预算作废标处理合同履行期限：合同签订且图纸批准后360个工作日内交货本项目( 不接受 )联合体投标。获取招标文件时间：2023年02月18日 至 2023年02月24日，每天上午9:00至11:30，下午13:30至17:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：上海市普陀区中山北路2130号1706室方式：获取招标文件方式：现场领购或邮箱获取 报名资料：法人授权委托书原件（或法人授权委托书原件的扫描件）、营业执照副本原件（或加盖公章的复印件）及汇款凭据。 报名电话：025-83609953（南京）/021-52181959（上海） 报名邮箱：jshc3333@163.com 以下为本公司对公支付宝报名付款码：（转账时请务必备注公司名称+79A1/03）售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名称：同济大学地址：上海市杨浦区四平路1239号联系方式：李老师 021-695800382.采购代理机构信息名称：江苏省华采招标有限公司地址：上海市普陀区中山北路2130号1705室1706室联系方式：李娆/胡晓秀 025-83603378（南京），021-52181959（上海）3.项目联系方式项目联系人：李娆/胡晓秀电话：025-83603378/021-52181959

p　　日前，厦门大学化学化工学院任斌教授课题组应英国皇家化学会旗下刊物Chemical Society Reviews邀请撰写的综述“Tip-enhanced Raman Spectroscopy for Surfaces and Interfaces”，近期在线发表于Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/c7cs00206h。该综述以课题组工作为主，系统地介绍了针尖增强拉曼光谱(TERS)技术在表面和界面研究的应用，并提出了未来挑战与发展方向。/pp　　TERS技术结合了扫描探针显微镜和拉曼光谱技术，可以同时提供表/界面的表面形貌信息和化学指纹信息。由于增强源自金/银针尖的表面等离激元共振和避雷针效应等近场增强效应，使得TERS具有远远超越衍射极限的纳米级空间分辨率和单分子的检测灵敏度。TERS技术可以从纳米尺度和分子水平原位表征和揭示表/界面构效关系，因此在表界面研究中具有巨大的优势。/pp　　任斌教授课题组长期从事针尖增强拉曼光谱相关的研究，近年来基于课题组发展的仪器方法，利用TERS在固气、固液界面和增强机理等方面取得了一系列进展(Nat. Nanotech., 2017, 12, 132–136 Nat. Comm., 2017, 8, 14897 J. Am. Chem. Soc, 2015, 137, 11928–11931)。并于2016年获得国家自然科学基金委重点项目的资助。本文从实验和理论两方面，详细介绍了各类TERS针尖的制备和优化手段，回顾了适用于固气界面、超高真空和固液界面研究的TERS光学设计与构造，着重描述了TERS技术在固气(单分子层到单分子，静态到动态反应)、超高真空(亚纳米级别分辨率)以及固液界面(电化学TERS)的研究和应用。讨论了新近发展起来的TERS理论。最后提出从原位检测、优化针尖提高灵敏度、采用计量学方法和扣除光致发光背景等多方面来提高TERS的研究能力，从而进一步推动TERS技术未来更重要的应用。/pp style="text-align: center "img width="400" height="264" title="201706131058341364.png" style="width: 400px height: 264px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/noimg/af2c6ccf-e220-4119-b01c-026fe84e2b6f.jpg" border="0" vspace="0" hspace="0"//pp　　该综述论文的第一作者为王翔博士后，黄声超等博士生参与了撰写。该工作得到国家自然科学基金委(21633005、21621091)、科技部(2016YFA0200601、2013CB933703)及教育部创新团队(IRT13036)的资助。/pp　　论文链接：a href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/CS/C7CS00206H#!divAbstract"http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/CS/C7CS00206H#!divAbstract/a /pp/pp/p

为了更加合理地设计高性能的多相催化剂，科学家们不再满足于整体催化机理的研究，他们需要从原子、分子水平来了解单个活性位点的电子结构与催化性能之间的关系。近些年来，扫描探针显微镜与拉曼光谱联用的针尖增强拉曼光谱(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy，TERS)，可以同时提供表面形貌与拉曼光谱信息，并可达到亚纳米级的空间分辨率，这使得科学家们可以在纳米尺度甚至原子尺度来表征催化剂表面结构与性质之间的关系。TERS装置图及原理。图片来源：Nature Nanotech.　　日前，厦门大学任斌教授(点击查看介绍)团队采用TERS技术成功地以3 nm的空间分辨率对Pd/Au(111)双金属催化剂表面进行成像，得到了该催化剂表面不同位点电子结构与催化活性之间的关系。相关成果已发表于Nature Nanotechnology杂志，共同第一作者是钟锦辉博士和金曦。(Probing the electronic and catalytic properties of a bimetallic surface with 3 nm resolution. Nature Nanotech., 2016, DOI:10.1038/NNANO.2016.241)。任斌教授。图片来源：厦门大学　　在TERS中，由Au或Ag组成的尖端由扫描探针装置控制，以亚纳米的精度在样品表面进行扫描。当尖端金属被激光激发而产生局部表面等离子共振效应时，在探针与样品表面之间会产生强烈的电磁场，由此所得样品的拉曼信号会被大幅增强。本工作中，研究人员采用电化学欠电位沉积法在Au(111)单晶表面沉积单原子的Pd层，再以异腈苯(phenyl isocyanide，PIC)为拉曼探针分子(异腈苯被催化氧化成异氰酸苯酯)，通过TERS技术获得不同位点处的电子性质与催化性质，从而来研究两者间的内在联系。　　本研究TERS示意图。图片来源：Nature Nanotech.　　研究人员通过控制Pd单层的覆盖量，可以使Au(111)表面进行完全单层覆盖(full monolayer coverage)与80%单层覆盖(0.8 monolayer coverage)，分别标记为PdML/Au(111)和Pd0.8ML/Au(111)，由扫描隧道显微镜(STM)图像可以看出，Pd0.8ML/Au(111)表面由连续性的Pd单层以及Au空穴组成。　　Au(111)、PdML/Au(111)以及Pd0.8ML/Au(111)的STM图像。图片来源：Nature Nanotech.　　接着，研究人员进一步对Pd0.8ML/Au(111)表面进行TERS表征，并惊喜地发现发现台阶边缘处(step edge)的TERS信号相比于平台处(terrace)更强，这可以通过台阶边缘处有效曲率半径减少引起的避雷针效应，以及电荷累积产生的等离子效应来解释。借助于台阶边缘处TERS信号的增强，空间分辨率能够提升到3 nm。在催化剂不同位点处的拉曼信号。图片来源：Nature Nanotech.　　此外，研究人员还发现，与吸附在Pd平台处的异腈苯分子相比，吸附在Pd台阶边缘处的分子N≡ C键削弱，振动频率降低，更容易发生氧化。对此结果，研究人员采用理论计算进行了验证。计算结果表明，与平台处相比，台阶边缘处的金属与异腈苯分子之间有着更强的d-π *反馈作用，这极大削弱了N≡ C键，因而使得台阶边缘处的催化活性更高。　　理论计算比较不同位点处的态密度(DOS)。图片来源：Nature Nanotech.　　来自美国西北大学(Northwestern University)的Guillaume Goubert教授和Richard Van Duyne教授在同期Nature Nanotechnology 撰写了题为“Raman Spectroscopy: Tipping point”的评论，认为此项成果证明了“TERS可以在原子水平解析催化剂表面的结构与活性关系”，有望发展成为“多相催化的一种主要分析技术”。同时他们也提到了未来TERS发展所面临的挑战，“科学家还需要努力提高TERS对基底及吸附物的普适性，即不限于Au或Ag金属以及芳环大分子。”

据国外媒体报道，内窥镜从根本上改变了医学治疗，医生能够使用一个微型相机附在线绳粗细的连线末端，无需做大手术便能窥探患者身体内脏器官。目前，美国斯坦福大学研究人员最新研制一款新型内窥镜，是迄今世界上直径最细的内窥镜，甚至能够探测到患者体内的单个细胞。　　 美国科学家最新研制世界最纤细内窥镜相机，可观测拍摄人体单个细胞结构　　针头粗细的内窥镜将潜在拍摄到单个癌细胞和病变器官，这将避免使用较大直径内窥镜进入人体带来的伤害，例如：大脑组织。同时，这个超级纤细内窥镜将比腹腔镜形成更小的伤疤。　　常规内窥镜都是采用多重光导纤维制成，它们能够照亮人体病变区域，并记录图像返回到观测者。内窥镜中纤维数量越多，图像的清晰度就更高，但是较多的纤维束将使内窥镜变得更粗。　　斯坦福大学卡恩带领的一支研究小组使用一个多模光纤建造了内窥镜，多模光纤能够沿着多种不同路线携带光线，研究小组的观点是使用单个纤维照亮物体并实现传输数据，这项技术存在的挑战是信息干扰，因为光线将沿着不同路径传输。　　为了实现这一点，卡恩带领研究小组建造了一种装置——空间光线调制器，该调制器能够以随机路径持续发送激光束至光纤上，由于采用随机路径，一旦光线离开光纤，将形成散斑图像，一些光线则反馈至光纤。　　研究小组设计的一个计算机程序能够分析反馈至光纤的散斑图像，并使用它们形成一个图像。这项技术将提高图像的分辨率，甚至远超出之前的预期，能够观测到单个细胞大小的物体。　　卡恩在新闻发布会上指出，他已发现内窥镜在成像方面的诸多应用，当他们在人体内进行手术时能够研究细胞的详细状况。(悠悠/编译)

[报告简介] 在环境检测，工业质检，地质勘探等领域，通常会需要对样品进行随时随地的表面形貌测量。而在诸多表面形貌成像设备中，来自加拿大ICSPI公司的nGauge便携式原子力显微镜因其突出的便携性和易用性，成为能够满足上述要求的一种的解决方案。与传统的表面成像设备相比，nGauge原子力显微镜的设备具有方便携带（设备尺寸仅有手掌大小）、分辨率高（高可达1 nm）、探针更换简单，操作过程方便，无需后续维护等优势，能对样品随时随地地进行纳米高速表面成像。在本报告中，将重点介绍nGauge便携式原子力显微镜，并结合来自国内外科研院所和工业用户的实际使用情况，探讨nGauge便携式原子力显微镜在各领域的应用。nGauge便携式芯片原子力显微镜（AFM）实物图。左图为使用状态，右图为收纳状态。[直播入口] 请扫描下方二维码进入直播预约界面，无需注册！扫码即刻预约，无需注册！[报告时间]开始 2022年06月29日 14:00结束 2022年06月29日 14:30[主讲人介绍]喻博闻 博士喻博闻博士，毕业于澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院，博士期间研究方向为微纳机电器件中的界面问题，以及微纳尺度操纵和加工技术。于2021年4月加入Quantum Design中国子公司表面光谱部门，负责微纳加工相关产品在的应用开发、技术支持及市场拓展工作。nGauge便携式原子力显微镜（AFM）特点：更小巧，更便携拥有的AFM微纳机电芯片，使得nGauge原子力显微镜（AFM）系统仅有公文包大小，可随身携带。 更简单，更易用只需点击鼠标三次即可获得样品表面纳米形貌信息，无需配置减震平台。 更高性价比扫描速度快，可扫描大尺寸样品。一个针可以进行上千次扫描，无需繁琐的更换针操作和其他后期维护工作。 部分应用案例：材料 - 钢铁抛光样品表面检测光学显微镜图像nGauge AFM三维成像生物 - 皮肤样本光学显微镜图像nGauge AFM三维成像器件 - 微纳光学器件检测SEM图像nGauge AFM三维成像光电子器件检测SEM图像nGauge AFM三维成像部分文章列表：[1]. Zhao, P., et al., Multiple antibiotics distribution in drinking water and their co-adsorption behaviors by different size fractions of natural particles. Science of The Total Environment, 2021. 775: p. 145846.[2]. Guo, P., et al., Vanadium dioxide phase change thin films produced by thermal oxidation of metallic vanadium. Thin Solid Films, 2020. 707: p. 138117.[3]. Connolly, L.G., et al., A tip-based metrology framework for real-time process feedback of roll-to-roll fabricated nanopatterned structures. Precision Engineering, 2019. 57: p. 137-148.[4]. O' Neill, C., et al., Effect of tooth brushing on gloss retention and surface roughness of five bulk‐fill resin composites. Journal of Esthetic and Restorative Dentistry, 2018. 30(1): p. 59-69. 部分已有用户：

原子力显微术（AFM）作为一种表征手段，已成功应用于研究各个领域的表面结构和性质。随着人们对多功能和更高精度的需求，原子力显微技术得到了快速发展。目前，原子力显微镜针对不同的研究对象，搭配特定的应用功能模块可以研究材料的力学、电学以及磁学等特性。其中压电力显微术（PFM）已被广泛应用于研究压电材料中的压电性和铁电性。1. 压电材料与铁电材料压电材料具有压电效应，从宏观角度来看，是机械能与电能的相互转换的实现。当对压电材料施加外力时，内部产生极化现象，表面两侧表现出相反的电荷，此过程将机械能转化为电能，为正压电效应。与之相反，若给压电材料的施加电场，材料会产生膨胀或收缩的形变，此过程将电能转化为机械能，为逆压电效应。铁电材料同时具备铁电性和压电性。铁电性指在一定温度范围内材料会产生自发极化。铁电体晶格中的正负电荷中心不重合，没有外加电场时也具有电偶极矩，并且其自发极化可以在外电场作用下改变方向。并非所有的压电材料都具有铁电性，例如压电薄膜 ZnO。压电铁电材料广泛应用于压电制动器、压电传感器系统等各个领域，与我们的生活息息相关，还应用于具有原子分辨率的科学仪器技术，例如在原子力显微镜中扫描的精度在很大程度上取决于内部压电陶瓷管扫描器的性能。2. PFM工作原理原子力显微镜是一种表面表征工具，通过检测针尖与样品间不同的相互作用力来研究样品表面的不同结构和性质。针尖由悬臂固定，激光打在悬臂的背面反射到位置敏感光电二极管上，由于针尖样品间作用力发生变化会使悬臂产生相应的形变，激光光束的位置会有所偏移，通过检测光斑的变化可获得样品的表面形貌信息。 图1 压电力显微术工作原理PFM测量中导电针尖与样品表面接触，样品需提前转移到导电衬底上，施加电压时可在针尖在样品间形成垂直电场。为检测样品的压电响应，在两者之间施加AC交流电场，由于逆压电效应，样品会出现周期性的形变。当施加电场与样品的极化方向相同时，样品会产生膨胀，反之，当施加电场与样品的极化方向相反时，样品会收缩。由于样品与针尖接触，悬臂会随着样品表面周期性振荡发生形变，悬臂挠度的变化量与样品电畴的膨胀或收缩量直接相关，被AFM锁相放大器提取，获得样品的压电响应信号。3． PFM的测量模式图2 压电力显微术的三种测量模式PFM目前有三种测量模式，分别为常规的压电力显微术、接触共振压电力显微术和双频共振追踪压电力显微术。常规的压电力显微术在测量过程中针尖的振动频率远小于其自由共振频率，将其称为Off-resonance PFM。这种模式得到的压电信号通常较小，一般需要施加更高的电压，通常薄层材料的矫顽场较小，有可能会改变样品本身的极性，不利于薄层材料压电响应的测量，存在一定的局限性。此时获得的振幅值正比于压电系数，利用针尖的灵敏度可直接将振幅得到的PFM 信号转换为样品的表面位移信息，获得材料的压电系数。接触共振的压电力显微术测量称其为contact-resonance PFM，可以有效放大信号，针尖的振动频率为针尖与样品接触时的接触共振频率，一般是针尖自由共振频率的3-5倍。此时无需施加很高的外场就能得到较强的PFM信号，不会改变样品的极化方向。此时测得 PFM 压电响应信号比常规FPM测量的响应信号幅值放大了 Q 倍（Q为共振峰品质因子），计算压电系数时需考虑放大的倍数。但此技术也存在一定的局限性，针尖的接触共振频率是在某一位置获得的，接触共振频率取决于此位置的局部刚度。在扫描的过程中，针尖与样品之间的接触面积会发生变化，引起接触共振频率的变化，若以单一的接触共振频率为针尖的振动频率会使得信号不稳定，测得的振幅信号在共振频率处放大，其余地方信号较弱，极大的影响压电系数的定量分析，得到与理论值不符的压电系数。与此同时PFM信号易与形貌信号耦合，产生串扰。双频共振追踪压电力显微术（DART-PFM）可以有效避免压电信号与形貌的串扰。在这项技术中，通过两个锁相放大器分别给针尖施加在接触共振峰两侧同一振幅位置的频率，当接触共振频率变化时，振幅会随之变化，锁相放大器中的反馈系统会通过调节激励频率消除振幅的变化，由此获得清晰的形貌和压电信号。此时在量化压电系数时需要额外的校准步骤确定振幅转化为距离单位的值，目前一般是通过三维简谐振动模型去校准修订得到压电材料的压电系数。 4. PFM的表征与应用PFM测量中可获得样品的振幅和相位图。图中相位的对比度反映样品相对于垂直电场的极化方向，振幅信息显示极化的大小以及畴壁的位置。一般来说，材料的压电响应是矢量，具有三维空间分布，可分为平行和垂直于施加外场的两个分量。图3 BFO样品的PFM表征图[1]若样品只存在与电场方向平行的极化响应，PFM所获得的振幅和相位信息可直接反映样品形变的大小和方向，若样品畴极化方向与外加电场相同，相位φ=0；若样品畴极化方向与外加电场相反，则相位φ=180°。此时垂直方向的压电响应常数可直接由获得的振幅与施加的外场计算出来，在共振频率下可以定量测量。值得说明的是，PFM获得的压电响应常数很难与块体材料相比较，因为样品在纳米尺度的性质会与块体材料有显著的不同。若样品具有平行和垂直于电场的压电响应，在施加电场时，样品的形变出现面内和面外两个方向。利用Vector PFM可以同时获得悬臂的垂直和横向位移，可以将得到的信号矢量叠加，获得样品的三维PFM图像。压电力显微术不仅可以成像，还能用于研究铁电材料的电滞回线，并且可以对铁电材料进行写畴。铁电材料的相位和振幅与施加的电压呈函数关系，测得的电滞回线和蝴蝶曲线可以用于判断铁电材料的矫顽场，矫顽场是铁电材料发生畴极化反转时的外加电压。一般的电滞回线的获取需要施加大于±10V的直流偏压，但值得注意的是较高的直流电压会增加针尖与样品间的静电力贡献，静电力信号有可能超过压电响应信号，从而掩盖畴极化反转信号。图4 SS-PFM的工作原理图开关谱学压电力显微术(SS-PFM)可以有效减小静电力的影响，原理如图4所示与普通PFM在测量电滞回线时线性施加DC电压的方式不同，SS-PFM将DC电压以脉冲的形式初步增加或减小，每隔一定的时间开启和关闭DC电压，并且持续施加AC交流电。其中DC用于改变样品的极化，AC交流电用于记录DC电压接通和关闭时的压电信号。图为研究二维异质材料MoS2/WS2压电性能时利用SS-PFM测得的材料特性曲线。 图5 二维异质材料MoS2/WS2的材料特性曲线[2]铁电材料与普通压电材料最大不同是在没有外加电场时也具有电偶极矩，并且其自发极化可以在外电场作用下改变方向，因此可利用是否能够写畴来区分铁电材料。知道压电材料的矫顽场之后可以对样品进行局部极化样品进行写畴，畴区可以自定义，正方形、周期阵列型或者更加复杂的图案。最简单的写畴是先选择一10×10μm正方形区域，其中6×6μm区域施加正偏压，4×4μ区域施加负偏压，获得回字形写畴区域，在相位图中可以清晰的看到所写畴区。图6 Si掺杂HfO2样品的回字形写畴区域[3]5. 注意事项在PFM测量中首先要保证在样品处于电场之中，在样品的前期准备时需将样品转移至导电衬底，并确定针尖和放置样品的底座可以施加电信号，此时才能保证施加电压时在针尖在样品间具有垂直电场。在PFM测量中静电效应的影响也不容忽略，导电针尖电压的电荷注入可诱导静电效应并影响材料的压电响应，导致PFM振幅和相位信息与特性曲线失真。尽管静电效应在 PFM 测试中无可避免，但可以使用弹簧常数较大的探针或者施加直流偏压来尽量减小其中的静电影响。此外针尖的磨损也会极大的影响PFM测量。由于针尖与样品间相互接触，加载力不宜过高，过高会损坏样品表面，保持恒定适中的加载力。此外使用较软的针尖在扫描过程中可以保护针尖不受磨损，并且保护样品。PFM测量中常用的针尖为PtSi涂层的导电针尖，以获得较稳定的PFM信号。参考文献[1] HERMES I M, STOMP R. Stabilizing the piezoresponse for accurate and crosstalk-free ferroelectric domain characterization via dual frequency resonance tracking, F, 2020 [C].[2] LV JIN W. Ferroelectricity in untwisted heterobilayers of transition metal dichalcogenides [J]. Science (New York, NY), 2022, 376: 973-8.[3] MARTIN D, MüLLER J, SCHENK T, et al. Ferroelectricity in Si-doped HfO2 revealed: a binary lead-free ferroelectric [J]. Adv Mater, 2014, 26(48): 8198-202.作者简介米烁：中国人民大学物理学系在读博士研究生，专业为凝聚态物理，主要研究方向为低维功能材料的原子力探针显微学研究。程志海：中国人民大学物理学系教授，博士生导师。2007年，在中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室，获凝聚态物理博士学位。2011年-2017年，在国家纳米科学中心纳米标准与检测重点实验室，任副研究员/研究员。曾获中国科学院“引进杰出技术人才计划”和首届“卓越青年科学家”、卢嘉锡青年人才奖等。目前，主要工作集中在先进原子力探针显微技术及其在低维量子材料与表界面物理等领域的应用基础研究。

焊接质量一般是通过焊缝质量好坏来做评定，而焊缝质量取决于所焊接的物体、焊接填充物以及所选用的焊接工艺及参数。为了更好地去优化和改善焊接工艺，对于焊缝及其热影响区进行力学性能表征是极其有意义的。对局部弹塑性特性的兴趣导致了一种新检测技术的发展，该技术使用球形压头对焊缝及其热影响区进行局部应力应变性能表征，加载期间使用振动的压痕允许非常局部地确定试验材料的代表性应力-应变曲线。简单的应力应变分析在Anton-Paar压痕软件中实现。该方法可适用于焊缝及其附近不同区域的局部力学性能的表征。01焊缝裂纹尖端附近的弹塑性行为研究纳米压痕仪 NHT3通过展示仪器化纳米压痕测试方法获得低合金钢焊缝中裂纹尖端附近区域和远离裂纹尖端区域的应力应变行为。焊缝出现裂纹通常是由焊接过程中焊缝快速凝固产生的热应力引起的，或由内部显微结构的发生改变所引起的，导致硬度和屈服强度增加，但抗断裂性降低。为了了解局部区域的应力应变行为，仪器化纳米压痕法是能够提供此信息的少数方法之一，局部应力应变测量的目的是帮助理解焊缝开裂的原因。图1 ： 靠近或远离焊缝裂纹尖端局部区域的仪器化压痕测试使用Anton-Paar纳米压痕仪NHT3搭载半径为20 µm球型针尖对两个已经存在焊缝裂纹的样品进行测试，以获得局部的应力应变行为；与传统的静态测试方法不同的是，在这次的应用案例中将采用在加载过程增加正弦波加载方式的动态测试方法 (Sinus)，选取最大载荷为500 mN，加载卸载速率为1000 mN/min，动态加载振幅为50 mN，频率为5 Hz。图2：载荷位移曲线图3：应力应变曲线图2和图3显示了动态加载测试下获得的压痕曲线，以及从两个区域的压痕曲线中获得的应力应变曲线。可以看出裂纹尖端附近区域的屈服强度远高于远离裂纹尖端的区域。屈服强度的增加通常与延展性的降低有关，这可能对焊缝的抗断裂韧性产生至关重要影响。在外部荷载作用下，靠近裂纹尖端的材料屈服强度增加，往往会出现比基材更早断裂的情况，因此在整个结构中是个力学薄弱点。焊缝中的断裂会导致整个部件失效，因此应该去调整焊接参数，使裂纹尖端附近的材料具有较低的屈服应力和较高的抗断裂性。02焊接铝合金的应力应变行为研究仪器化纳米压痕测试方法中应力应变分析的另一个经典应用是研究金属焊缝周围的弹塑性，尤其是软金属，例如铝合金。铝合金比钢对高温更敏感，因此，研究铝合金的焊接热效应尤为更重要。在本应用所提及的研究中，在加载过程中使用正弦波动态加载模式，利用球形纳米压痕针尖的特性对两种不同的铝合金焊缝附近的弹塑性行为进行局部表征。球形纳米压痕针尖用于确定靠近焊缝（区域A）且距离焊缝约2mm（区域B）的应力应变特性。图4：对比距离焊缝近的区域A和距离焊缝2mm处区域B的应力应变行为使用NHT3纳米压痕仪搭载半径20µm球型针尖作为表征手段，选取的最大载荷为300 mN、加载卸载速率为600 mN/min。在加载过程中采用正弦波的动态加载模式，振幅为30 mN，频率为5 Hz。图4展示了区域A和区域B的应力应变曲线的比较。两个区域表现出相类似的弹塑性行为，屈服应力约为0.3 GPa。这表明焊接过程中加热和冷却对材料的弹塑性性能的影响可以忽略不计。然而，并非所有情况下都是如此，焊接区域的局部应力应变行为仍然是优化焊接参数的重要信息。03搅拌摩擦焊接铝合金的应力应变研究搅拌摩擦焊（FSW）通常是铝合金焊接工艺更好地选择，而传统电弧焊由于铝的高导热性而容易产生较大的热影响区。FSW中的焊接温度远低于中心接触点，因此热效应的传导不如弧焊中明显。在这种情况下，将两种不同的铝合金AA6111-T4（T4）和AA6061-T6（T6）焊接在一起，并在距离熔核中心位置的1.1 mm、2.2 mm和3.3 mm处研究硬度、弹性模量和屈服应力。以下参数用于压痕：最大载荷300 mN，加载速率600 mN/min，动态加载模式下选取振幅30 mN，频率5 Hz。图5的结果表明随着距熔核距离的增加，所表现出的应力应变行为大致一样，仅存在微小差异。在所有的三个区域的屈服应力大约为0.33 GPa（两种基材中的屈服应力大约为0.27 GPa，图中未显示）。母材的硬度为0.8 GPa（T4合金）和1.1 GPa（T6合金）。所有三个区域（距焊缝熔核1.1 mm、2.2 mm和3.3 mm）的硬度均为1.1 GPa，这证实焊缝附近的弹塑性能并没有发生显著变化。图5：距熔核不同位置的应力应变曲线Aoton-Paar自研自产的纳米压痕仪能非常好地去胜任微观局部的应力应变分析，新一代的检测手段的开发有助于焊接行业的进一步发展。安东帕中国总部销售热线：+86 4008202259售后热线：+86 4008203230官网：www.anton-paar.cn在线商城：shop.anton-paar.cn

当前，在细胞或亚细胞水平的分子分析，即无论是被选择的分子分析或是细胞代谢物的分析，对于相关研究人员而言依然是一项挑战。而为了更好地了解复杂的生物现象（例如：生物体系的差异性可能导致在不同的细胞之间，甚至是不同的亚细胞区室之间产生一个代谢物梯度），科学家们需要开发可以在细胞水平检测代谢物的方法。现有的一些方法虽然有其各自突出的优势，但也依然存在一些局限。例如：荧光显微镜的检测能力依赖于所使用的分子探针，这可能会导致一个较低的方法特异性。此外，对一个给定分子进行荧光标记，很可能对它的位置和生物功能产生影响。近些年，基于质谱技术的单细胞分析方法也开始逐渐发展起来（包括：MALDI-TOF和二次离子质谱 SIMS），它们无需荧光标记，尤其适于未知分子的检测。但是这两种方法通常需要真空条件，从而很难进行活细胞检测。此外，科学家们也在尝试使用激光剥蚀电喷雾离子化质谱进行单细胞分析工作。最近，清华大学张新荣研究组开发了一种基于探针电喷雾质谱技术（PESI-MS）的单细胞检测方法，成功实现了在细胞和亚细胞水平的代谢物检测。他们将一种针尖直径约为1微米的钨探针插入活细胞以富集代谢物。而被富集的代谢物从该探针的针尖上可以被直接解吸附/离子化，从而极大地改善了检测灵敏度。较之其他需要预先洗脱被富集分析物的方法，该方法的灵敏度提升了约30倍。这一方法目前已被初步应用于单个洋葱细胞代谢产物的检测。

最近的财政贴息贷款引爆了整个仪器圈，引发了科学仪器行业的高度关注。这两大重磅政策（详见下文介绍）不仅提供极低利息的贷款给消费端提前进行设备购置和更新改造，同时对于科学仪器行业来说也是重大利好。2022年9月13日，国务院常务会议决定对部分领域设备更新改造贷款阶段性财政贴息和加大社会服务业信贷支持，政策面向高校、职业院校、医院、中小微企业等九大领域的设备购置和更新改造。贷款总体规模预估为1.7万亿元。2022年9月28日，财政部、发改委、人民银行、审计署、银保监会五部门联合下发《关于加快部分领域设备更新改造贷款财政贴息工作的通知》（财金〔2022〕99号），对2022年12月31日前新增的10个领域设备更新改造贷款贴息2.5个百分点，期限2年，额度2000亿元以上。因此今年第四季度内更新改造设备的贷款主体实际贷款成本不高于0.7% （加上此前中央财政贴息2.5个百分点）。仪器信息网更是围绕这一热点话题发布了《2000亿贴息贷款，引爆科学仪器采购热潮！》、《2000亿贴息贷款超536亿已签，各省份战况如何？》、《1.7万亿？2000亿？仪器采购究竟获多少支持？》等资讯内容，不仅对政策进行了解读，更是解答了一部分大家十分关注的问题，比如两笔贷款有何不同、各省进展程度等。实际上，早在今年9月初，教育部科学技术与信息化司就已经在组织高校开展重大仪器设备采购和配套设施建设项目的储备工作，并于2022年9月30日前汇总需求情况反馈给教育部科学技术与信息化司。2022年10月12日，中国政府采购网上一则公告悄然发布——四川大学发布了2022年11月的政府采购意向，仅仅在2022年11月这一个月内，拟采购约181台（套）仪器，涉及的总采购金额高达约4.5亿元（单位：人民币），拟采购仪器类型包括球差校正透射电子显微镜、X射线显微镜、小角X射线散射-流变联用仪（Rheo-SAXS）、流变-小角X射线散射联用分析仪、针尖增强拉曼光谱仪、多接收电感耦合等离子体质谱仪、超高时空分辨率显微镜、飞行时间电感耦合等离子体质谱仪、X射线光电子能谱仪等大量高端仪器。（文末附四川大学11月仪器采购仪器清单）此次四川大学发布的公告，无论从采购数量上还是采购金额上都不同寻常。纵观2022年的整体采购情况，多所高校全年的采购意向金额大约在千万到上亿之间，并且高校全年仪器设备采购意向金额过亿的情况也不十分多见，而此次四川大学在2022年11月一个月内拟采购金额就高达4.5亿元。根据政府采购法，四川大学这样大批量的仪器采购都会按相关规定发布招标公告。其他各大高校是否将在2022年第四季度陆续放出上亿的仪器采购大单？仪器信息网将持续关注。作为业内知名的科学仪器行业B To B专业门户网站，公司致力于以信息化带动中国科学仪器及分析测试行业健康快速发展，从而促进中国产品质量提升，推动中国科技进步。2014 年，北京信立方科技发展股份有限公司成功登陆“新三板”（股票代码：831401）。作为专业的仪器导购平台，仪器信息网囊括了分析仪器、实验室设备、物性测试仪器、光学仪器及设备等14大类仪器，900余个仪器品类，收录3万+台优质仪器。其核心宗旨是帮助仪器用户快速找到优质的仪器设备。经过多年的持续建设，平台实现了可以同时从价格、品牌、行业、口碑、产品横向对比等多维度快速查找仪器产品的功能，助力千万级的用户轻松找到了靠谱的仪器。为此，仪器信息网将特别围绕此次贴息贷款政策推出系列活动。系列活动一：仪咖说vol.15:专家共议乘万亿设备更新改造政策“东风”仪器信息网将于2022年10月21日举办第十五期仪咖说活动，活动主题为专家共议乘万亿设备更新改造政策“东风”，活动将邀请中国计量科学研究院院长方向、北京大学分析测试中心副主任周江、北京国家质谱中心主任汪福意三位嘉宾围绕财政贴息设备更新改造贷款政策落地、仪器设备更新采购需求及诉求等问题共同探讨。此外，活动中还会有两位神秘嘉宾现身直播间，帮助仪器用户更好地进行用户选型。系列活动二：推出“仪器优选--高校版”导购选型工具针对本次高校量大、多品类、采购急的痛点，仪器信息网10月21日将上线“仪器优选--高校版”导购选型工具，精选200余个优势品类，整理国内外主流产品，帮助高校采购用户快速选型，降本增效。系列活动三：助力高校用户进行仪器选型将在10月24日--11月11日期间、集中组织50+主流厂商为高校用户提供选型指导。系列活动四：2022财政贴息设备更新改造贷款之仪器选型专题为了更好地帮助仪器用户通过此次财政贴息贷款选购适合的仪器设备，仪器信息网拟联合多家优质仪器厂商上线专门的仪器展示专题，提升用户选购仪器的效率。（专题拟于10月17-21日期间上线）系列活动五：仪器厂商征稿活动仪器信息网面向广大仪器厂商进行征稿活动，仪器厂商可围绕“2000亿贴息贷款政策下，如何助力快速选型采购”这一主题进行原创稿件创作（字数不少于1500字），稿件一经采用将发布在仪器信息网上并收录到相关专题中。活动截止时间：2022年12月31日系列活动六：仪器用户原创稿件征集仪器信息网面向广大仪器用户进行征稿活动，如果您是仪器用户，除了可以联系我们发布仪器采购需求外，还可围绕以下主题之一进行原创内容创作（字数不少于1500字）：1.仪器采购经验分析2.对于此次贴息贷款政策的理解和解读原创稿件一经采用将发布在仪器信息网上并收录到相关专题及原创大赛活动，投稿用户还将获得800元（税后）稿酬。活动截止时间：2022年12月31日可以预见的是，2022年第四季度科学仪器市场势必风起云涌，涌现大量的仪器采购商机，采购规模更胜往年。如何在这样激烈竞争的市场环境下，掌握第一手商机，请持续关注仪器信息网！四川大学2022年11月采购意向清单如下：序号采购项目名称采购品目采购需求概况预算金额(万元)1双激光单颗粒装置A03专用仪器详见项目详情1402MICA全场景显微分析平台A03专用仪器详见项目详情1803高通量测序仪A03专用仪器详见项目详情2804Celigo全视野细胞扫描分析仪A03专用仪器详见项目详情2005临床多人协同沉浸式体验增强现实交互系统A03专用仪器详见项目详情2006护理学四川省重点实验室精准护理基础实验仪器套装A03专用仪器详见项目详情3517四川省护理与材料医工交叉研究中心“护理+材料”研发实验仪器套装A03专用仪器详见项目详情175.58先进高分子功能薄膜成型与测试系统A03专用仪器详见项目详情10009极高温光纤激光烧结打印智造平台A03专用仪器详见项目详情26010大吨位高速精密注塑机A03专用仪器详见项目详情18011极限微尺度光固化3D打印系统A03专用仪器详见项目详情18012挤出式3D打印一体机A03专用仪器详见项目详情12013超临界注塑发泡设备A03专用仪器详见项目详情20014小角X射线散射-流变联用仪（Rheo-SAXS）A03专用仪器详见项目详情80015X射线显微镜A03专用仪器详见项目详情90016X射线光电子能谱仪A03专用仪器详见项目详情45017场发射扫描电子显微镜A03专用仪器详见项目详情40018高精度X射线衍射仪A03专用仪器详见项目详情19919核磁共振变温分析仪A03专用仪器详见项目详情13020冷冻超薄切片机A03专用仪器详见项目详情17021原子力显微镜A03专用仪器详见项目详情20022智能转靶X射线衍射仪A03专用仪器详见项目详情19523太赫兹频段矢量网络分析仪A03专用仪器详见项目详情35024材料基因工程计算系统A03专用仪器详见项目详情12025材料动态疲劳测试平台A03专用仪器详见项目详情24026微尺度原位扫描电化学测试系统A03专用仪器详见项目详情18027宽频介电阻抗谱仪A03专用仪器详见项目详情19828电子拉扭动静态材料试验机A03专用仪器详见项目详情19629高压电缆材料绝缘性能检测集成系统A03专用仪器详见项目详情24030电场型分子运动规律评价系统A03专用仪器详见项目详情25031多场原位宽频介电阻抗谱仪A03专用仪器详见项目详情18032复杂环境极端条件下异种/同种材料摩擦磨损跨尺度分析平台A03专用仪器详见项目详情19833高分子功能材料电磁性能测试系统A03专用仪器详见项目详情18034核反应截面测量实验终端A03专用仪器详见项目详情22035COLTRIMS实验探测器A03专用仪器详见项目详情13036ERDA谱仪系统A03专用仪器详见项目详情15037超高时空分辨率显微镜A03专用仪器详见项目详情60038激光共聚焦显微镜A03专用仪器详见项目详情18039流式细胞分选仪A03专用仪器详见项目详情20040超快瞬态光谱测量系统A03专用仪器详见项目详情28641飞秒激光加工系统A03专用仪器详见项目详情20042时间关联计数相机A03专用仪器详见项目详情13043计算服务器A03专用仪器详见项目详情15044分布式存储A03专用仪器详见项目详情12045数字工厂虚拟仿真系统A03专用仪器详见项目详情18046自动化控制系统A03专用仪器详见项目详情27047超灵敏微量差示扫描量热仪A03专用仪器详见项目详情12048电子顺磁共振波谱仪A03专用仪器详见项目详情14049针尖增强拉曼光谱仪A03专用仪器详见项目详情75850400M核磁共振波谱仪A03专用仪器详见项目详情28051高分辨场发射扫描电子显微镜及配套制样系统A03专用仪器详见项目详情4205218角度激光光散射尺寸排阻色谱联用系统 SEC-MALSA03专用仪器详见项目详情20053高分辨质谱A03专用仪器详见项目详情36054制备液相色谱仪A03专用仪器详见项目详情14455气相色谱质谱联用仪A03专用仪器详见项目详情15056高效液相色谱仪A03专用仪器详见项目详情10457通风橱A03专用仪器详见项目详情10558手套箱A03专用仪器详见项目详情25059旋转蒸发仪A03专用仪器详见项目详情15060超低温探头A03专用仪器详见项目详情38061荧光共聚焦显微镜A03专用仪器详见项目详情28062Agilent 6530 Q-TOF LC/MS高分辨率质谱A03专用仪器详见项目详情25063流变仪A03专用仪器详见项目详情15664流式细胞仪A03专用仪器详见项目详情12065冷冻切片机A03专用仪器详见项目详情16866Nanopore GridION Mk1纳米孔测序仪A03专用仪器详见项目详情18567超高效液相-四极杆-飞行时间高分辨质谱仪A03专用仪器详见项目详情45068双系统高压离子色谱仪A03专用仪器详见项目详情16069全自动合成反应结晶工作站A03专用仪器详见项目详情45070瞬态荧光磷光光谱仪A03专用仪器详见项目详情18071全自动化高分辨反应器A03专用仪器详见项目详情20072电感耦合等离子体质谱A03专用仪器详见项目详情15073X射线光电子能谱仪A03专用仪器详见项目详情58074气氛保护型电子探针微区分析系统A03专用仪器详见项目详情58075小动物活体Micro CT成像仪A03专用仪器详见项目详情35076单颗粒纳米分析仪A03专用仪器详见项目详情18077数字PCRA03专用仪器详见项目详情15078圆二色光谱仪A03专用仪器详见项目详情12579硬材料纳米压痕仪A03专用仪器详见项目详情19080辐照仪A03专用仪器详见项目详情18081小动物活体成像系统A03专用仪器详见项目详情32082核酸质谱分析系统A03专用仪器详见项目详情19083微量芯片点样仪A03专用仪器详见项目详情14084低电压台式透射电子显微镜A03专用仪器详见项目详情19085原位高温场发射扫描电镜联用系统A03专用仪器详见项目详情19886DSM Xplore微型纺丝系统A03专用仪器详见项目详情16087高温凝胶渗透色谱A03专用仪器详见项目详情19588绝对分子量测定仪A03专用仪器详见项目详情11089高真空原子力显微镜A03专用仪器详见项目详情180905g材料介电常数精密测试系统A03专用仪器详见项目详情12091小型卧式高性能消能器试验系统集成A03专用仪器详见项目详情14092相对重力仪A03专用仪器详见项目详情20093dIdD精密地磁测量系统与量子磁力仪A03专用仪器详见项目详情34094煤矿保压保瓦斯取芯器A03专用仪器详见项目详情13095深海沉积物保温保压取芯器A03专用仪器详见项目详情27096极端环境岩土体保真取芯器A03专用仪器详见项目详情11097金属3D打印机A03专用仪器详见项目详情19898激光共聚焦显微镜A03专用仪器详见项目详情15099离子束研磨仪A03专用仪器详见项目详情190100多功能离子束减薄仪A03专用仪器详见项目详情126101阻燃剂筛查系统（热裂解气相色谱质谱联用仪）A03专用仪器详见项目详情125102顺序扫描型波长色散型X射线荧光光谱仪A03专用仪器详见项目详情150103矢量网络分析仪A03专用仪器详见项目详情125104微量熔融纺丝系统A03专用仪器详见项目详情215105快速切换小角X射线散射仪A03专用仪器详见项目详情395106本体连续聚合及高温合成装置A03专用仪器详见项目详情120107可视化共聚酯连续聚合反应系统A03专用仪器详见项目详情260108多功能POY/FDY智能纺丝机A03专用仪器详见项目详情195109阻燃材料超高通量分析研究系统A03专用仪器详见项目详情220110纳米力学测试系统A03专用仪器详见项目详情276111落地式超速离心机A03专用仪器详见项目详情85112环氧乙烷灭菌器A03专用仪器详见项目详情56113Instron万能材料试验机A03专用仪器详见项目详情130114NOAi280 NO检测仪A03专用仪器详见项目详情58115椭圆偏光仪J.A. Woollam RC2A03专用仪器详见项目详情180116HPLC-TOF-MS/MSA03专用仪器详见项目详情350117全景组织切片扫描系统A03专用仪器详见项目详情150118全自动玻片扫描（荧光+分析）A03专用仪器详见项目详情150119高内涵细胞分析系统A03专用仪器详见项目详情350120Micro-CTA03专用仪器详见项目详情350121圆二色光谱仪A03专用仪器详见项目详情125122ICP电感耦合等离子体发射光谱仪A03专用仪器详见项目详情150123活细胞工作站A03专用仪器详见项目详情420124一体化荧光成像系统A03专用仪器详见项目详情280125高分辨活体小动物X射线断层扫描系统 In-vivo Micro CT for small animalA03专用仪器详见项目详情450126河床床面行走式沙卵石推移质探测器搭载舱A03专用仪器详见项目详情150127场发射电子显微镜A03专用仪器详见项目详情196128极端环境材料试验机A03专用仪器详见项目详情120129电子显微镜A03专用仪器详见项目详情198130磁控溅射A03专用仪器详见项目详情195131X-射线单晶衍射仪A03专用仪器详见项目详情330132金属3D激光打印设备A03专用仪器详见项目详情150133高内涵细胞成像系统A03专用仪器详见项目详情350134200KV球差校正透射电子显微镜A03专用仪器详见项目详情2200135GPC-GCMS在线凝胶渗透色谱气相色谱质谱联用仪A03专用仪器详见项目详情135136组织玻片自动成像系统A03专用仪器详见项目详情195137高分辨激光共聚焦成像系统A03专用仪器详见项目详情290138集成式纳米芯片数字PCR仪A03专用仪器详见项目详情120139分子间相互作用仪A03专用仪器详见项目详情150140高通量法医基因组测序及分析系统A03专用仪器详见项目详情310141光遗传操作系统A03专用仪器详见项目详情180142扫描电镜（含能谱）A03专用仪器详见项目详情160143单细胞分析系统A03专用仪器详见项目详情120144超高时空分辨率显微镜A03专用仪器详见项目详情600145激光共聚焦显微镜A03专用仪器详见项目详情180146流式细胞分选仪A03专用仪器详见项目详情200147超分辨率显微成像分析平台A03专用仪器详见项目详情400148太赫兹频段矢量网络分析仪A03专用仪器详见项目详情350149X射线显微镜A03专用仪器详见项目详情900150流变-小角X射线散射联用分析仪A03专用仪器详见项目详情800151宽频介电阻抗谱仪A03专用仪器详见项目详情198152复杂环境极端条件下异种/同种材料摩擦磨损跨尺度分析平台A03专用仪器详见项目详情198153X射线光电子能谱仪A03专用仪器详见项目详情450154智能转靶X射线衍射仪A03专用仪器详见项目详情195155电子拉扭动静态材料试验机A03专用仪器详见项目详情196156挤出式3D打印一体机A03专用仪器详见项目详情120157微尺度原位扫描电化学测试系统A03专用仪器详见项目详情180158多场原位宽频介电阻抗谱仪A03专用仪器详见项目详情180159高精度X射线衍射仪A03专用仪器详见项目详情199160场发射扫描电子显微镜A03专用仪器详见项目详情400161多接收电感耦合等离子体质谱仪A03专用仪器详见项目详情750162光声光谱多模成像系统A03专用仪器详见项目详情950163等温量热滴定仪A03专用仪器详见项目详情160164X-射线荧光光谱仪A03专用仪器详见项目详情190165超高效液相色谱-三重串联四极杆质谱联用仪A03专用仪器详见项目详情300166气相色谱-离子迁移谱联用仪A03专用仪器详见项目详情135167瞬态荧光光谱仪A03专用仪器详见项目详情150168接触角分析仪A03专用仪器详见项目详情160169飞行时间电感耦合等离子体质谱仪A03专用仪器详见项目详情600170全自动切片扫描系统A03专用仪器详见项目详情190171X射线单晶衍射仪A03专用仪器详见项目详情195172近红外二区小动物活体成像系统A03专用仪器详见项目详情195173细胞能量代谢分析系统A03专用仪器详见项目详情120174高效液相色谱质谱联用仪A03专用仪器详见项目详情190175400MHz核磁共振波谱仪A03专用仪器详见项目详情300176热重-傅立叶红外-气相色谱-质谱四联机A03专用仪器详见项目详情180177复杂原位环境下CO2-水-岩石综合演化试验系统A03专用仪器详见项目详情480178超高效三重四级杆液质联用仪（LC-MS）A03专用仪器详见项目详情198179Horiba　XGT-9000 X射线显微分析仪A03专用仪器详见项目详情135180激光烧蚀固体进样系统A03专用仪器详见项目详情123181显微激光共聚焦拉曼光谱仪A03专用仪器详见项目详情160

气相色谱仪是一种多组份混合物的分离、分析工具，它是以气体为流动相，采用冲洗法的柱色谱技术。当多组份的分析物质进入到色谱柱时，由于各组分在色谱柱中的气相和固定液液相间的分配系数不同，因此各组份在色谱柱的运行速度也就不同，经过一定的柱长后，顺序离开色谱柱进入检测器，经检测后转换为电信号送至数据处理工作站，从而完成了对被测物质的定性定量分析。 Gas-PC20气相色谱仪　　气相色谱仪的常用操作小技巧　　1 加热　　由于气相色谱仪的生产厂家和质量的不同，蛤定温度的方式也不相同 对于用微机设数法或拨轮选择法给定温度，一般是直接设数或选择合适给定温度值加以升温，而如果是采用旋钮定位法，则有技巧可言：　　1.1 过温定位法　　将温控旋钮调至低于操作温度约30℃处 给气相色谱仪升温 当过温至约为操作温度时，配台温度指示和加热指示灯，再逐渐将温控旋钮调至台适位置。　　1.2 分步递进定位法　　将温控旋钮朝升温方向转动一个角度，升温开始，指示灯亮：当温度基本稳定时，再同向转动温控旋钮。开始继续升温：如此递进调节、直至恒温在工作温度上。　　2 调池平衡　　调池平衡 实际是调热导电桥平衡.使之有较为台适的输出 讲调节技巧.其实是对具有池平衡、调零和记录调零等调珊能的气相色谱仪而言　　3 点火　　氢焰气相色谱仪 开机时需要点火，有时因各种原因致使熄火后，也需要点火 。然而，我们经常会遇到点火不着的情况 ，下面介绍两种点火技巧，供同行们相试。　　3.1 加大氢气流量法　　先加大氢气流量，点着火后，再缓慢调回工作状况 此法通用。　　3.2 减少尾吹气流量法　　先减少尾吹气流量，点着火后，再调回工作状况 此法适用于用氢气怍载气，用空气作助燃气和尾畋气情况。　　4 气比的调节　　氢焰气相色谱仪三气的流量比.有关资料均建议为：氮气：氢气：空气=l：l：10 但由于转子流量计指示流量的不准确性.事实上谁会去苛求这个配比呢?本人认为 为各气旌以良好匹配。目的是既有高的检测器灵敏度又能有较好的分离效果。还不致于容易熄火。本着上述原则 气比应按下法调节：　　(1)氮气流量的调节　　在色谱柱条件确定后、样品组分分离效果的好坏、氮气的流量大小是决定因素 调节氮气流量时.要进样观察组分分离情况.直至氮气流量尽可能大且样品组分有较好分离为止　　(2)氢气和空气流量的调节　　氢气和空气流量的调节效果，可以用基流的大小来检验 先调节氢气流量 使之约等于氮气 的流量。再调节空气流量 在调节空气流量时，要观察基流的改变情况 只要基流在增加，仍应相向调节，直至基流不再增加不止 最后，再将氢气流量上调少许。　　5 进样技术　　在定量分析中,应注意进样量读数准确在气相色谱分析中，一般是采用注射器或六通阀门进样 在考虑进样技术的时候，主要是以注射器进样为对象。　　5.1 进样量　　进样量与气化温度、柱容量和仪器的线性响应范围等因素有关，也即进样量应控制在能瞬间气化。达到规定分离要求和线性响应的允许范围之内 ，填充柱冲洗法的瞬间进样量：液体样品或固体样品溶液一般为0.01～ 10微升,气体样品一般为0.1～ 10毫升 。　　(1)排除注射器里所有的空气　　用微量注射器抽取液体样品时，只要重复地把液体抽凡注射器又迅速把其排回样品瓶，就可做到遗一点。　　还有一种更好的方法，可以排除注射器里所有的空气 那就是用计划注射量的约2倍的样品置换注射器3～5次。每扶取到样品后，垂直拿起注射器，针尖朝上 任何依然留在注射器里的空气都应当跑到针管顶部 推进注射器塞子，空气就会被排掉。　　(2)保证进样量的准确　　用经换过的注射器取约计划进样量2倍左右的样品，垂直拿起注射器，针尖朝上，让针穿过一层纱布，这样可用纱布吸收从针尖排出的液体 推进注射器塞子。直到读出所需要的数值用纱布擦干针尖 ，至此准确的液体体积已经测得。需要再抽若干空气到注射器里，如果不慎推动柱塞，空气可以保护液体使之不被排走。　　5.2 进样方法　　双手章注射器 用一只手(通常是左手)把针插入垫片,洼射大体积样品(即气体样品)或输入压力很高时,要防止从气相色谱仪来的压力把柱塞弹出(用右手的大拇指)让针尖穿过垫片尽可能踩的进入进样口,压下柱塞停留1～ 2秒钟,然后尽可能快而稳地抽出针尖(继续压住柱塞)。　　5.3 进样时间　　进样时间长短对柱效率影响很大，若进样时间过长,遇使色谱区域加宽而降低柱效率 。因此，对于冲洗法色谱而言，进样时间越短越好，一般必须小于1秒钟。

p　　strong扫描隧道显微镜/strong(scanning tunneling microscope，缩写为STM)，亦称为扫描穿隧式显微镜，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德· 宾宁及海因里希· 罗雷尔在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特· 鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。/pp　　它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。/pp　　它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持稳定的电流，依此来观测物体表面的形貌。/pp　　换句话说，扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料(针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成)。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。/pp　　strong原子力显微镜/strong(atomic force microscope，简称AFM)，也称扫描力显微镜(scanning force microscopy，SFM))是一种纳米级高分辨的扫描探针显微镜，是由IBM苏黎士研究实验室的比宁(Gerd Binning)、魁特(Calvin Quate)和格勃(Christoph Gerber)于1986年发明的。AFM测量的是探针顶端原子与样品原子间的相互作用力——即当两个原子离得很近使电子云发生重叠时产生的泡利(Pauli)排斥力。工作时计算机控制探针在样品表面进行扫描，根据探针与样品表面物质的原子间的作用力强弱成像。/pcenterimg alt="" src="http://www.kepu.net.cn/gb/special/hydrogenbond/basicknowledge/201312/W020140613331100352076.jpg" height="210" width="459"//centerp style="text-align: center "strong世界上第一台原子力显微镜和发明人之一比宁/strong/pp　　以一种简单的方式进行类比，如同一个人利用一艘小船和一根竹竿绘制河床的地形图。人可以站在小船上将竹竿伸到河底，以此判断该点的位置河床的深度，当在一条线上测量多个点后就可以知道河床在这条线上的深度。同样道理绘制多条深度线进行组合，一张河床的地形图就诞生了。与此类似，在AFM工作时的，原子力传感器相当于人和他手中的竹竿，探针顶端原子与样品原子间作用力的大小就相当于竹竿触及河底时水面下的长度。这样，在一艘小船(控制系统)的控制下进行逐点逐行的扫描，AFM就可以绘制出一张显微图像啦。/pp　　/pcenterimg alt="" src="http://www.kepu.net.cn/gb/special/hydrogenbond/basicknowledge/201312/W020140613331100358209.jpg" height="283" width="388"//centerp style="text-align: center "strong普通原子力显微镜的原理示意图/strong/pp　　原理解释起来并不算十分复杂，但是AFM的发明、使用与改进汇聚了大批科学家们的辛劳努力和创造性思维。特别是拍摄到氢键实空间图像所使用的非接触式原子力显微镜，经过分子沉积、温度控制、防振、探针、真空、控制系统等多方面的摸索与改造才最终具有如此强大的分辨能力。/pp strong1 基本原理/strongbr//pp　　原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。/pp　　strong2 /strongstrong成像模式/strong/pp　　原子力显微镜的主要工作模式有静态模式和动态模式两种。在静态模式中，悬臂从样品表面划过，从悬臂的偏转可以直接得知表面的高度图。在动态模式中，悬臂在其基频或谐波或附近振动，而其振幅、相位和共振与探针和样品间的作用力相关，这些参数相对外部参考的振动的改变可得出样品的性质。/pp　　1）strong接触模式/strong/pp　　在静态模式中，静态探针偏转用做反馈信号。因为静态信号的测试与噪音和偏移成正比，低硬度探针用来增强外偏转信号。然而，因为探针非常接近于样品的表面，吸引力非常强导致探针切入样品表面。因此静态原子力显微镜几乎都用在总使用力为排斥力的情况。结果，这种技术经常被叫做“接触模式”。在接触模式中，扫描过程时保持探针偏转不变来使其探针和样品表面的作用力保持恒定。/pp　　2）strong非接触模式/strong/pp　　/pcenterimg alt="" src="http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/AFM_noncontactmode.jpg" height="291" width="350"//centerp style="text-align: center "strong原子力显微镜非接触模式/strong/pp　　在这种模式下，悬臂上的探针并不接触样品表面，而是以比其共振频率略高的频率振动，振幅通常小于几纳米。范德华力在探针距离表面样品1~3纳米时最强，它与其他在表面上的长程力会降低悬臂的振动频率。/pp　　通过调整探针与样品间的平均距离，频率的降低与反馈回路一起保持不变的振动频率或振幅。测量(x,y)每个数据点上的探针与样品间的距离即可让扫描软件构建出样品表面的形貌。/pp　　在接触模式下扫描数次通常会伤害样品和探针，但非接触模式则不会，这个特点使得非接触模式通常用来测试柔软的样品，如生物组织和有机薄膜 而对于坚硬样品，两个模式得到的图像几乎一样。然而，如果在坚硬样品上裹有一层薄膜或吸附有流体，两者的成像则差别很大。接触模式下探针会穿过液体层从而成像其下的表面，非接触模式下则探针只在吸附的液体层上振动，成像信息是液体和下表面之和。/pp　　动态模式下的成像包括频率调制和更广泛使用的振幅调制。频率调制中，振动频率的变化提供探针和样品间距的信息。频率可以被非常灵敏地测量，因此频率调制使用非常坚硬的悬臂，因其在非常靠近表面时仍然保持很稳定 因此这种技术是第一种在超高真空条件下获得原子级分辨率的原子力显微镜技术。振幅调制中，悬臂振幅和相位的变化提供了图像的反馈信号，而且相位的变化可用来检测表面的不同材料。 振幅调制可用在非接触模式和间歇接触领情况。在动态接触模式中，悬臂是振动的，以至悬臂振动悬臂探针和样品表面的间距是调制的。[来源请求]振幅调制也用于非接触模式中，用来在超高真空条件下使用非常坚硬的悬臂和很小的振幅来得到原子级分辨率。/pp　　strong3）轻敲模式/strong/pp　　/pcenterimg alt="" src="http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/72/Single-Molecule-Under-Water-AFM-Tapping-Mode.jpg/285px-Single-Molecule-Under-Water-AFM-Tapping-Mode.jpg" height="215" width="190"//centerp style="text-align: center "strong在不同的pH的溶液环境中使用轻敲模式得到的高分子单链的原子力显微镜图(0.4 nm 厚)/strong/pp　　通常情况下，绝大部分样品表面都有一层弯曲液面，为此非接触模式下使探针足够靠近样品表面从而可以测试短程力，但是此时探针又容易粘贴到样品表面，这是经常发生的大问题 动态模式就是为了避免此问题而发明的，又叫做间歇接触模式(intermittent contact)、轻敲模式(tapping mode)或AC模式(AC Mode)。在轻敲模式中，悬臂通过类似于非接触下的装载在探针上的微小的压电元件做来上下振动，频率在其共振频率附近，然而振幅则远大于10纳米，大概在100~200纳米间。当探针越靠近样品表面时，探针和样品表面间的范德华力、偶极偶极作用和静电力等作用力会导致振幅越来越小。电子自动伺服机通过压电制动器来控制悬臂和探针间的距离，当悬臂扫描样品表面时，伺服机会调整探针和样品间距来保持悬臂的预设的振幅，而成像相互作用力则得到原子力显微镜轻敲模式图像。轻敲模式减少了接触模式中对样品和探针和损伤，它是如此的温和以致于可以成像固定的磷脂双分子层和吸附的单个高分子链。比如液相的0.4纳米厚的合成聚合物电解质，在合适的扫描条件下，单分子实验可以在几小时内保持稳定。/pp　　strong3 优点与缺点/strong/pp　　相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。他就像盲人摸象一样，在物体的表面慢慢抚摸，原子的形状很直观的表现。/pp　　和扫描电子显微镜相比，AFM的缺点在于成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。/p

|作者：彭金波1,2,† 江颖3,4,††(1 上海交通大学 李政道研究所 )(2 上海交通大学物理与天文学院 )(3 北京大学物理学院 量子材料科学中心 )(4 北京大学轻元素先进材料研究中心 )本文选自《物理》2023年第3期摘要：扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜，其利用尖锐的针尖逐点扫描样品，可在原子和分子尺度上获取表面的形貌和丰富的物性，改变了人们对物质的研究范式和基础认知。近年来，qPlus型高品质因子力传感器的出现将扫描探针显微镜的分辨率和灵敏度推向了一个新的水平，为化学结构、电荷态、电子态、自旋态等多自由度的精密探测和操控提供了前所未有的机会。文章首先简要介绍原子力显微镜的发展历史和基本工作原理，然后重点描述qPlus型原子力显微镜技术的优势及其在单原子、单分子和低维材料体系中的应用，最后展望该技术的未来发展趋势和潜在应用。关键词：扫描探针显微镜，原子力显微镜，qPlus力传感器，高分辨成像，原子分辨01原子力显微镜的诞生显微镜是人类认识微观世界的最重要工具之一。光学显微镜的诞生让人们第一次看到了细菌、细胞等用肉眼无法看到的微小物体，从而打开了崭新的世界。然而，由于光学衍射极限的限制，光学显微镜的空间分辨率一般局限于可见光波长的一半左右(约300 nm)，很难用于分辨纳米尺度下更细微的结构，更无法用于观察物质最基本的原子结构排布。要想进一步提高探测的空间分辨率，一种途径是减小探测波的波长，比如扫描电子显微镜就是利用波长更短的电子波来进行成像。另一种途径是采取近场的局域探测，比如近场光学显微镜及其他基于局域相互作用探测的扫描探针显微镜。可以想象，要想获得更高的空间分辨率，就需要对样品的探测更加局域，即“探针”尖端足够尖，最好只有探针和样品最接近的几个原子能够发生相互作用，“感受”到彼此。这种相互作用可以是电子波函数的交叠或者原子作用力等。1981年，Binnig和Rohrer发明了扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)，STM是基于探测针尖和样品之间的隧道电流来进行空间成像的工具。由于隧道电流正比于针尖尖端几个原子与衬底原子的电子波函数的交叠，对针尖与样品之间的距离非常敏感，因此可以获得原子级的空间分辨率。STM的发明，使得人们可以在实空间直接观察固体表面的原子结构，因此荣获1986年的诺贝尔物理学奖[1]。然而，STM依赖于隧道电流的探测，无法用于扫描绝缘样品，因此使用范围受到了极大的限制。有趣的是，在早期的STM实验中，研究人员发现当针尖和样品比较近而出现隧道电流时，会同时产生较强的相互作用力。Binnig意识到通过测量针尖与样品原子之间的相互作用力也可用来对样品表面成像。1986年，他提出了基于探测针尖和样品之间原子作用力的新型显微镜——原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)[2]，并随后与Quate和Gerber搭建出了第一套可以工作的AFM[3]。三人于2016年获得了Kavli纳米科学奖。AFM是基于针尖与样品之间原子作用力的探测，不需要样品具有导电性，因而可以用于研究包括金属、半导体、绝缘体等多种材料体系，大大弥补了STM的研究局限。此外，AFM还可以在大气和液体环境中工作，具有很好的工况条件和生物体系兼容性。这些优势使得AFM成为纳米科学领域使用最广泛的成像工具之一。然而，AFM并不像STM那样在发明之初就获得了原子级分辨率，而是直到5年之后(1991年)，惰性固体表面的原子分辨成像才得以实现[4，5]。近年来，由于qPlus力传感器的引入，AFM的空间分辨能力得到了极大的提升。通过针尖修饰，人们可以更加容易地获得原子级成像，甚至实现氢原子和化学键的超高分辨成像。接下来，本文将简要介绍常见AFM的基本工作原理，然后着重介绍基于qPlus力传感器的AFM(简称qPlus-AFM)及其在各种体系中的应用，最后展望qPlus-AFM在物理和其他领域的潜在应用和面临的挑战。02常规AFM的原理和工作模式介绍2.1 AFM工作的基本原理目前使用最为广泛的是激光反射式AFM，其典型的结构示意图如图1(a)所示[6]。最核心的部分是力传感器，它一般是一个由微加工技术制备的可以振动的悬臂(常用的材料是硅或者氮化硅)，悬臂的末端有一个与悬臂梁一体的尖锐针尖，悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。当一束激光照射到悬臂上，光斑被反射到一个对光斑位置非常敏感的光电探测器上。当针尖扫描样品表面时，由于针尖与样品之间存在相互作用力，悬臂将随样品表面形貌的起伏而产生不同程度的弯曲形变，因而反射光斑的位置也会发生变化。通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。图1 AFM工作的基本原理[6] (a)典型激光反射式AFM的结构示意图；(b)超高真空下针尖与样品的相互作用力Fts及各成分力与针尖—样品距离z的关系2.2 原子力的分类在超高真空环境中，针尖与样品之间的相互作用力(Fts)与针尖—样品距离z之间典型的关系曲线如图1(b)所示。Fts大致可以分为长程力和短程力，长程力通常包括范德瓦耳斯力和静电力等，其衰减长度一般为几纳米或者几十纳米。短程力主要包括来自针尖和样品之间形成化学键的作用力和由于针尖—样品电子云交叠产生的泡利排斥力，其衰减长度一般约为0.1 nm左右。长程力对距离不敏感，很难分辨较小的表面起伏，要想获得较高的空间分辨率，需要让短程力的贡献占主导。在特殊的环境下，针尖和样品之间的相互作用力还包括机械接触力、毛细力、磁场力、卡西米尔力、水合力等。2.3 AFM的主要工作模式AFM有多种工作模式，通常分为静态模式和动态模式，后者包括非接触模式和轻敲模式两种(图2(a))。在静态模式下，针尖以拖拽的形式在样品表面扫描并记录表面的形貌起伏变化，因此也叫接触模式。悬臂的形变量为q=Fts/k (k为悬臂的劲度系数)，为了提高力探测的灵敏度，一般使用较软(k较小)的悬臂。为了避免较大的吸引力引起针尖发生“突跳”现象，静态模式主要工作在短程的排斥力区间(图2(b))，因此空间分辨率较高。但这种模式下针尖和样品之间的相互作用力较大，容易对较软的样品产生破坏。图2 AFM的工作模式[6] (a)接触模式、非接触模式和轻敲模式的示意图；(b)不同模式的大致工作范围(区分并不严格)；(c)悬臂在频率调制和振幅调制模式下的共振曲线。人们也经常把振幅调制模式称为轻敲模式，把频率调制模式称为非接触模式在动态模式下，悬臂被压电陶瓷励振器驱动以共振频率振动，当振幅A足够大使得回复力k∙Amax(Fts)时可以避免“突跳”现象的发生。动态模式有轻敲模式和非接触模式两种。轻敲模式类似于盲人使用手杖行走，其振幅比较大，一般从几纳米到一百多纳米，主要的力的贡献来源于针尖距离样品很近甚至接触的时候。这种模式对样品的损坏小，适用于不同的材料，是目前AFM使用最为广泛的模式。但是这种模式由于包含较多的长程力贡献，因此一般较难获得原子级分辨。此外，由于轻敲模式下振幅较大，测量振幅变化的信噪比较高，这种模式一般使用幅度调制(amplitude modulated，AM)，即以固定频率和振幅的激励信号来驱使悬臂振动，针尖和样品的作用力会引起悬臂振幅(及相对于激励信号的相位)的变化，将测量的振幅(或相位)的变化作为反馈信号可以获取样品表面的形貌信息(图2(c))。非接触模式的振幅一般是几纳米或埃的量级，针尖在振动过程中不会接触样品，因此可以避免对样品的扰动或者破坏。非接触式AFM除了可以使用AM模式外，还能以频率调制(frequency modulated，FM)模式工作。这其实与收音机的AM和FM模式原理类似，只是工作的频段不同。在FM模式下，悬臂保持相位和振幅不变，针尖和样品的作用力引起悬臂振动频率的变化，测量振动频率的变化可以得到样品表面形貌的信息(图2(c))。AM和FM模式下悬臂的共振频率变化的响应时间[7，8]分别约为τAM=Q/(πf0)，τFM=1/(2πf0)，其中Q是悬臂的品质因子，f0为悬臂的本征振动频率。由此可见，AM模式的响应时间会随Q因子的增加而线性变大，而FM模式的响应时间不受Q因子的影响。在超高真空低温环境中，悬臂的Q因子会比大气环境下增加几十倍，这使得AFM对力的敏感度及信噪比会有很大提升，但也会使得AM模式下AFM的响应时间大幅延长，导致扫描成像需要很长的时间。因此，AM模式(轻敲模式)主要被用于大气或者液体环境中。Q因子的增加对FM模式下AFM的响应时间没有影响，所以FM模式是超高真空环境下被广泛使用的工作模式，即保持高Q因子的同时还能保证较高的扫描速度。2.4 影响频率调制AFM噪音大小的因素在FM模式下，AFM直接探测的信号是针尖—样品相互作用力引起的悬臂频率偏移∆f，利用公式[9]可进一步转化为相互作用力Fts。频率偏移对应的相对噪音，因此可以用δkts的形式来表示FM模式下AFM测量中4种主要的噪音来源，分别为[10]热噪音：力传感器信号探测的噪音：AFM悬臂振荡的噪音：漂移噪音：其中kB为玻尔兹曼常数，T是温度，B是与扫描速度对应的带宽，nq是悬臂偏转信号探测的噪音密度，r 是频率的漂移速率，N是扫描图像的像素数。由上述式子可知，k越小，4种噪音都更小，因此在满足k∙Amax(Fts)的前提下，选择的k越小越好；Q越大，会使得第一和第三种噪音更小，但过大的Q会使得悬臂在FM模式下的稳定起振难以维持；振幅A越大，前三种噪音都更小，但A太大会引起短程力贡献大幅减小的问题(见下节)。03基于qPlus力传感器的非接触式AFM3.1 振幅对非接触式AFM分辨率的影响在FM模式下，AFM探测的频率偏移∆f，可以转化为权重函数w(z,A)和针尖—样品相互作用力的梯度的卷积[11]。如图3所示，w(z,A)是与振幅A和距离z相关的半椭圆，kts是力Fts与z曲线的梯度，也呈现为勺子形，只是最低点对应的距离z有所不同。可见，当振幅较大时，长程力对频率偏移的贡献占主导；随着振幅减小，短程力的贡献变大。当振幅与短程力的衰减长度(亚埃级)接近时，更容易得到原子级分辨率[10]。图3 长程力和短程力的贡献与AFM悬臂振幅A的关系[11]3.2 qPlus力传感器的发明传统AFM力传感器一般采用微加工制备的硅或者氮化硅悬臂，其劲度系数较小(约1 N/m)，力的探测灵敏度高。为了能探测短程力从而实现高空间分辨，往往需要让针尖靠近表面，从而导致“突跳”的发生。为了避免“突跳”引起的针尖损坏，需要悬臂在较大的振幅下工作。然而，大的振幅会使长程力的贡献增加，引起AFM的空间分辨率大大降低。图4 石英音叉和qPlus力传感器实物图 (a)，(b)手表中拆出来的石英音叉[12]；(c)第一代qPlus力传感器的实物图(图片来自德国雷根斯堡大学Giessibl课题组)[13]；(d)第四代qPlus力传感器的实物图(图片来自北京大学江颖课题组)[6]要想克服上述矛盾，实现在小振幅下工作的同时而不引起“突跳”的发生，则需要使用劲度系数k较大的悬臂。石英音叉是被广泛用于手表中的计时元件(图4(a)，(b))[12]，劲度系数高，可产生极高精度的振荡频率(一般为32—200 kHz)，且具有很高的Q因子。此外，其悬臂的形变可以利用石英的压电效应以电学的方式来直接探测，不需要激光系统，更容易兼容低温环境。早期，人们一般是在石英音叉的一个悬臂上粘上针尖来作为力传感器使用。然而，两个悬臂(相当于两个耦合的谐振子)由于质量和受力的不对称性导致Q因子大幅度降低，严重降低了AFM的信噪比。1996年，Giessibl将音叉的一个悬臂固定在质量很大的基底上，而在另一个自由的悬臂上粘上针尖以作为AFM力传感器，这样把两个耦合的谐振子变成单个独立的谐振子，可以保持较高的Q因子，且Q因子几乎不受针尖—样品相互作用力的影响。因此，这种力传感器被称为qPlus力传感器[13](图4(c))。目前，qPlus力传感器已经经过了四代的升级和改进，最新的版本是直接设计单个石英悬臂作为力传感器(图4(d))。表1 微加工硅悬臂力传感器与qPlus力传感器典型参数的对比[6]典型的qPlus力传感器与广泛使用的微加工硅悬臂力传感器的主要参数对比见表1。可以看到，qPlus力传感器悬臂的劲度系数高得多(一般约1800 N/m)，因此其力灵敏度一般情况下低于硅悬臂。然而，qPlus力传感器可以在非接触模式下，以极小的振幅(约100 pm)近距离扫描样品，而不会出现“突跳”现象。由于qPlus-AFM的振幅可以与短程力的衰减长度接近，因此短程力的贡献非常大，更加容易获得超高的空间分辨率。最近，田野等通过优化设计qPlus力传感器，将Q因子提升到140000以上，最小振幅小于10 pm，最小探测力小于2 pN，从而将qPlus力传感器的性能推向了一个新的水平[14]。此外，使用导电针尖，并通过单独的导线把经过针尖的电流提取出来，可以很容易地将qPlus-AFM与STM集成在一起，以同时发挥STM和AFM的功能。关于qPlus-AFM更为系统的介绍见综述[10，11]。3.3 获得超高空间分辨率的关键如前所述，针尖与样品间的相互作用越局域，空间分辨率越高。换言之，要想获得超高的空间分辨率，需要减小长程力的贡献，凸显短程力的贡献。要实现这一点，有两点非常关键：一是使用与短程力衰减长度接近的亚埃级的小振幅工作(详见3.1节)；二是让针尖更加尖锐，减少长程的范德瓦耳斯力的贡献。对于AFM成像来说，针尖末端几纳米的部分尤其是针尖末端的几个原子扮演着最重要的角色。为了让针尖末端更尖锐，常用办法是让金属针尖轻戳金属衬底或对针尖进行原子或者分子修饰，使得短程的泡利排斥力、化学键力或者高阶静电力占主导。3.3.1 短程的泡利排斥力当针尖与样品的距离足够近时，二者的电子云会发生交叠，产生很强的短程泡利排斥力。大部分时候，泡利排斥力是对固体及分子体系成像获得原子级分辨率的关键。2009年，Gross等[15]发现对针尖修饰一氧化碳(CO)分子后，可以实现对单个并五苯分子的化学键和结构(图5(a))的超高分辨成像(图5(c))，其分辨率已经超过了STM图像(图5(b))。这种超高空间分辨率的成像主要起源于CO针尖“尖锐”的p轨道与并五苯分子之间电子云交叠所导致的短程泡利排斥力。这种针尖修饰方法简单易行，成像分辨率高，使得qPlus-AFM成像技术迅速获得了广泛的应用。除了CO分子修饰外，人们还可以对针尖修饰其他种类的原子或者分子，以提高空间分辨率或者实现其他特定功能，例如Cl离子[16]和Xe分子[17]修饰的针尖以及CuO针尖[18]等。图5 基于泡利排斥力的单分子化学键成像[15] (a)并五苯分子的结构图；用 CO 分子修饰的针尖得到的 STM 图(b)和AFM图(c)3.3.2 短程的化学键力当针尖和衬底的化学活性都较强时，在近距离扫描过程中，二者可以形成局域的化学键，基于这种短程的化学键力，也可以获得超高的空间分辨率。典型的例子是半导体表面的AFM高分辨成像。例如，Giessibl等[19]发现在用AFM扫描Si(111)-(7×7)样品时，针尖会从样品上吸起一些Si团簇而被修饰，因此在扫描时容易与样品表面带悬挂键的Si原子形成共价键，而得到原子级分辨率。然而，这种成像方式对表面结构扰动较大，不适用于弱键和分子体系。3.3.3 短程的静电力通常所说的静电力主要来源于低阶静电力，比如点电荷与点电荷或者电偶极之间的静电力，其大小分别正比于r -2和r -3(r是二者作用的距离)，是较长程的相互作用力，因此空间分辨率较低。而在某些特殊的情况下，高阶静电力的贡献会起主要作用，而且是更加短程的，因此会导致分辨率的显著提升。一个典型的例子是对离子晶体(如NaCl，MgO，Cu2N等)的原子分辨成像。离子晶体表面周期性的正负电荷排布产生指数衰减的短程静电势分布[20]，针尖与离子晶体表面的短程静电力作用可以得到原子级分辨的成像[21]。图6 基于高阶静电力的水分子高分辨成像 (a)CO针尖示意图(上)及DFT计算得到的CO针尖的电荷分布(下)，呈现出明显的电四极矩特征[16]；(b)水四聚体的原子结构图(上)和AFM图(下)[16]。白色箭头和弧线分别指示水分子中氧原子和氢原子的位置；(c)Au(111)上双层二维冰的原子构型(上)和AFM图像(下)，其中可以分辨平躺(蓝色箭头)和直立(黑色箭头)的水分子[23]；(d)Au(111)表面由Zundel类型水合氢离子(黑色箭头)自组装形成的单层结构图(上)和AFM图像(下)[14]另一个例子是利用CO针尖对强极性分子的高分辨成像。彭金波等[16]利用CO修饰的针尖(图6(a)上图)扫描水分子四聚体时，发现即使在针尖距离较远时也能获得亚分子级的分辨率(图6(b))，且图像的形貌与水分子四聚体的静电势分布极其接近，从中可识别水分子OH键的取向。通过理论计算得知，CO修饰的针尖具有电四极矩(图6(a)下图)，与水分子电偶极之间存在高阶静电力相互作用，这是一种更为短程的静电力(正比于r -6)，因此能够在未进入泡利排斥区域时获得超高空间分辨。这种基于微弱的高阶静电力的成像技术可以区分水分子中氢、氧原子的位置和氢键的取向并且扰动极小。近年来，这个技术已被成功应用于亚稳态水分子团簇[16]、盐离子水合物[22]、二维冰[23](图6(c))及单层水中的水合氢离子[14]的非侵扰高分辨成像(图6(d))，将水科学的研究推向了原子尺度。04超高分辨qPlus-AFM的应用相对于传统的AFM，qPlus-AFM可以很方便地与STM集成在一起，并兼容超高真空和低温环境，而且可获得原子级甚至单个化学键级的超高空间分辨率。这些优势使得qPlus-AFM获得了广泛的应用，大大促进了表面科学和低维材料研究领域的快速发展。下面我们简要介绍qPlus-AFM在高分辨结构成像、电荷态和电子的测量、原子力的测量和操纵等方面的应用和最新进展。4.1 高分辨结构成像qPlus-AFM在高分辨结构成像方面得到了最为广泛的应用。Gross等[15]通过对AFM针尖进行CO修饰，首次实现对有机分子的化学结构的直接测量(图5)，触发了一系列后续研究，包括：分子之间的氢键相互作用[24]、分子化学键键序[25]、铁原子团簇[26]、化学反应产物识别[27]等。近年来，人们通过控制有机分子前驱体的表面化学反应可以精确制备低维纳米材料，如石墨烯、石墨烯纳米带等。STM虽然被广泛用于表征其电子态，但是难以直接确定其原子结构、局域缺陷和边界构型等。qPlus-AFM对原子结构的敏感及超高的空间分辨率，可以很好地解决这些问题。例如，Gröning等[28]利用扫描隧道谱成像观测到了石墨烯纳米带末端的拓扑末端态(图7(a)右)，并通过AFM成像确定了拓扑非平庸的石墨烯纳米带的原子构型(图7(a)左)。图7 qPlus-AFM在低维材料高分辨成像中的典型应用 (a)表面合成的石墨烯纳米带的AFM图(左)和0.25 V偏压下的dI /dV 图(右)[28]，四角较亮部分指示拓扑边缘态；(b)利用磁性针尖得到的绝缘反铁磁NiO表面的AFM图像(左)及沿[100]方向相邻两个Ni原子不同自旋取向对应的高度轮廓线(右)[34]此外，qPlus-AFM开始被用于绝缘体表面原子结构的高分辨成像，如KBr[29]，CaF2[30]等。在复杂氧化物表面方向，Diebold组观测了钙钛矿KTaO3(001)的表面重构[31]和TiO2(110)及In2O3(111)表面分子的吸附和分解[32，33]等。最近，qPlus-AFM被用于对绝缘反铁磁材料NiO的成像，而且使用磁性针尖成像时，由于超交换作用可以分辨不同Ni原子的自旋取向[34](图7(b))。4.2 电荷态和电子态的测量在电荷态测量方面，由于qPlus-AFM极高的信噪比和力灵敏度，Gross等[35]率先展示了单个原子的不同带电状态可以通过AFM直接测量(图8(a))。通过测量AFM的局域接触势差，单个原子和分子内部的电荷分布也可进行成像[36，37]。利用厚层绝缘的NaCl阻断分子与金属衬底之间的电荷转移，可对单分子进行多重电荷的充放电并控制分子间的电荷横向转移[38]。图8 AFM在电荷和电子态探测中的应用 (a)电中性和带负电的金原子的恒高AFM图(插图)及对应的频率偏移的轮廓线[35]；(b)三重激发态寿命的探测：左图为单个并五苯分子和近邻吸附的两个氧气分子的结构图(上)和AFM图(下)；右图为测量三重激发态占据比例随电压脉冲停留时间的变化，通过指数拟合可得猝灭后三重激发态的寿命仅0.58(5) μs[42]近些年，人们利用qPlus-AFM实现了对分子电子态的测量。例如，绝缘衬底上单分子的基态和激发态电子能谱被成功测量[39，40]。进一步，将AFM与纳秒电学脉冲结合，能直接对绝缘体表面上单分子在不同带电状态下电子转移的概率分布进行成像[41]。最近，qPlus-AFM被成功用于对分子自旋激发态的探测。彭金波等[42]发展了一套新颖的电学泵浦—探测AFM技术，首次实现了以原子级分辨率对单分子三重激发态寿命的探测并观测到了近邻氧气分子引起的三重态的猝灭(图8(b))。4.3 原子力的测量与操纵利用qPlus-AFM可以对原子作用力直接测量。Ternes等[43]变高度扫过表面上吸附的单原子并记录针尖—原子之间相互作用力引起的频率偏移(利用公式[9]可以将频率偏移∆f 转化成垂直作用力Fz)，直到原子发生移动，便可知移动原子所需的最小垂直作用力(图9(a))。进一步，可以将垂直作用力转化为相互作用势，将其对x坐标微分可以得到移动原子所需的最小水平作用力Fx 的大小。利用类似的方法，单个石墨烯纳米带在Au(111)表面的摩擦力已被精确测量[44]。最近，通过测量原子力曲线，人们揭示了针尖上CO分子与衬底上单个铁/铜原子的物理吸附向化学吸附的转变过程[45]。图9 qPlus-AFM在原子力测量和操纵中的应用 (a)测量移动Pt(111)表面(灰色小球)吸附的单个Co原子(红色圆球)所需的力[43]。由远及近测量沿原子上方(x方向，图(a-i))的频率偏移及垂直作用力Fz(a-ii)，直到在某个高度下开始引起原子移动(红色箭头所示)，从而可以得知移动原子所需要的最小垂直作用力(a-iii)；(b)利用AFM针尖和金刚石样品之间产生的局域强电场，通过“拉出—推离”方法耗尽NV色心附近的杂质电荷((b-i)，(b-ii))，使NV色心的自旋相干时间提升20倍(b-iii)[47]此外，qPlus-AFM也开始被尝试应用于绝缘载体中固态量子比特的操控。边珂等[46]利用金属针尖的局域强电场和激光成功诱导了金刚石氮—空位色心(NV center)的电荷态转换。进一步，郑闻天等[47]通过施加较大的偏压，在AFM针尖—样品之间产生强电场，改变电场的方向，利用“拉出—推离”方法来清除NV色心周围的未配对电子，实现了金刚石近表面电子自旋噪声的高效抑制，从而大幅提升了浅层NV色心的相干性(T2，echo时间提升20倍)及其探测灵敏度(图9(b))。05总结和展望基于qPlus力传感器的超高分辨AFM技术，有力促进了单分子、表面科学、低维材料等研究方向的发展，为人们理解物质的结构、电子态、电荷态、自旋态等提供了崭新的信息。这种超高分辨的AFM成像技术仍处于快速发展期，我们相信在接下来若干年它会成为物理、材料、化学、生物等学科领域的重要工具，并对这些领域产生深远的影响。5.1 应用展望首先，高分辨qPlus-AFM成像技术可以提供固体表面的原子结构和原子尺度电荷分布的信息。STM仅对费米能级附近的电子态或外层电子敏感，常常很难将几何结构和电子态的信息分离开，而qPlus-AFM测量的泡利排斥力对总电子态密度敏感，其中包含内层电子的信息，可以反映原子核位置。因此，STM与qPlus-AFM的结合将有助于人们更准确细致地确定材料的结构和电子态分布。另一方面，通过qPlus-AFM对静电力的探测，可实现以单个电荷的灵敏度和原子级的空间分辨率确定原子或者分子带电状态。利用开尔文探针力显微镜(KPFM)模式或者对短程静电力的成像，还可对材料表面的电荷分布进行高分辨表征，这种关于电荷的新信息将为人们在原子尺度研究各种电荷序带来巨大的便利，比如电荷密度波、高温超导中的电荷序、铁电材料中的电荷分布等。其次，qPlus-AFM也将为各种绝缘材料或者材料绝缘相研究打开全新的窗口。例如，高温超导体的母体一般是莫特绝缘体，STM很难成像。而qPlus-AFM可以用于研究高温超导体随着掺杂浓度的增加从莫特绝缘体向超导态和金属态转变的全过程，有助于理解高温超导的机制。如果将针尖进行自旋极化，还可研究各种磁性绝缘体(如NiO)或者材料绝缘相(如高温超导体的母体)的自旋分布等。此外，qPlus-AFM还将在以绝缘体为载体的固态量子比特研究中发挥独特的作用。借助qPlus-AFM强大的空间表征、操纵与局域调控能力，有望发展出表面/近表面量子比特的相干性提升、精密量子比特网络构筑、纳米尺度扫描量子传感等多种前沿技术。最后，qPlus-AFM在化学和生物领域也将发挥重要的作用。qPlus-AFM可以用来识别化学反应的产物，还可以被用于研究绝缘体(如NiO，Fe3O4)表面的化学反应及固液界面各种化学反应(如电化学过程)的机制。在生物大分子的结构成像方面，可以精准识别DNA、RNA、蛋白质分子等的构型和相互作用位点，揭示其结构与功能的关系。5.2 挑战和机遇qPlus-AFM技术本身面临的一些问题和技术瓶颈亟待解决。qPlus力传感器的悬臂劲度系数大，对力的灵敏度较低。Q因子受环境和温度影响大，从而严重影响信噪比。一种可能的途径是发展主动控制Q因子的技术[48]。qPlus力传感器共振频率低(一般约几十kHz)，成像速度慢，难以捕捉较快的非平衡态动力学过程，需要发展高速甚至超快的AFM技术。比如制备质量更小共振频率更高的AFM悬臂；或者将AFM与泵浦—探测技术相结合，将短的电压脉冲[42]或者超短的激光脉冲[49]耦合到qPlus-AFM中。利用qPlus-AFM对非平面的三维立体结构和分子的测量，还面临着挑战，发展新的算法(如利用机器学习)是一条可能的途径。此外，qPlus-AFM通常缺乏化学分辨，有时候很难仅从图像上获取样品的化学信息。一种途径是将其与具有化学分辨的光谱技术(如拉曼光谱)相结合[50]或者与磁共振技术结合。最后，qPlus-AFM面临的另一个巨大挑战是如何将其应用推广到溶液、生物体系等复杂的环境或体系中。大气溶液环境兼容的金刚石色心量子传感技术[51]可能为qPlus-AFM带来全新的应用场景和探测自由度。参考文献[1] Binnig G，Rohrer H. 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p　　【财新网】据央视网8月18日“焦点访谈”栏目报道，在天津港“8· 12”火灾爆炸事故现场的核心区，官方检测到氰化钠和有毒气体都达到了仪器测量的最高值。/pp　　央视报道称，北京消防总队的生化侦检队伍，配备了先进的检测设备，负责探测爆炸区域内的有毒有害气体。北京公安消防总队参谋吕峥介绍：“这个是我们北京总队核生化侦检车，这个车功能就是能进入现场边缘地带，能测定有毒有害的范围。”那它都能检测到什么物质呢?吕峥说：“检测到化学有害物或者生物的一些比如说病毒、病菌这些都可以。”/pp　　爆炸发生后，事故区域的空气就处于严密的监测中，每天都会有多支小分队对空气进行监测。而8月16日上午，这些侦检队员们的任务是对爆炸核心区域的空气进行采样。为了保证安全，进入核心区域前，所有队员、包括记者在内都必须穿着防护服、佩戴空气呼吸器。由于空气呼吸器的供氧时间只有半个小时，侦检队员们必须迅速完成计划区域的检测工作。/pp　　做好防护工作后，央视记者跟随侦检队员，来到了距离爆炸核心区500米的集结地。由于前方已经没有道路，所有人员必须在这里下车。而就在此时，车载监测系统和手持监测仪同时发出了警报声，提示空气中的有害气体已经超过了仪器能够测量的最高值。/pp　　侦检队伍继续徒步向爆炸核心区方向前进。沿途记者看到，在爆炸核心区的外围，为了防止降雨后污水外溢，已经垒起了一道一米多高的防护堤。前进过程中，侦检队员手持的报警器依然在提示有害气体爆表。/pp　　北京公安消防总队副参谋长李兴华介绍：“今天上午这趟去采集的结果，侦测的结果跟昨天几乎一样，还是氰化钠和神经性毒气这两种有毒的气体。这两项指标都达到最高值。”/pp　　央视记者进而采访了北京化工大学国家新危险化学品评估及事故鉴定实验室博士门宝，他表示：“氰化钠固体毒性非常大，只要碰到皮肤破伤处或者吸入或者误食大概有几十毫克可以致死。”/pp　　门博士介绍，氰化钠是一种白色粉末状的剧毒物质。由于毒性很大，不方便用来试验，但可以用化学性质与之相似的无毒物质碳酸氢钠来演示它的一些特性。门博士将碳酸氢钠放入蒸馏水中，可以看到它能够很快溶解，并且没有气体产生，而与酸性液体接触后则迅速产生大量气泡。/pp　　门博士告诉记者，氰化钠遇到酸性物质会产生大量剧毒的氢氰酸，但在碱性环境下比较稳定。现场如果有散落的量比较大的氰化钠应进行清理或者掩埋，对于空气中漂浮的和地面散落的氰化钠颗粒，可以通过喷洒低浓度的碱性双氧水来消除毒性。目前，事故现场已经开始了这项工作。如果处理及时，即便降雨，也不会造成太大影响。/pp　　在对爆炸核心区的空气进行监测时，除了氰化钠，还发现了一种物质就是神经性毒气，门博士介绍，爆炸区域的多种危化品都可能产生这类物质。他说：“这些物质遇水或者遇碱能产生气体然后产生神经性毒气，比如氰化钠还有一些硫化碱，另外一些物质在高温爆炸过程中会发生化学反应，产生有毒性气体，比如二甲基二硫。神经性毒气一旦人吸入，可以与神经细胞作用，使酶失活，另外可以导致呼吸系统心脏等骤停进而导致人死亡。”/pp　　门博士建议，如果神经性毒气密度较高，应尽快撤离，如果超标不严重，也应做好防护措施，避免与人体接触。事实上，本次爆炸现场的危险远不止这些。现场危化品的种类和数量，超乎想象。/pp　　公安部消防局副局长牛跃光表示：“40多种危化品，目前了解到的情况有硝铵、硝酸钾这些硝类的应该是炸药类的，这个量是非常大的，像硝酸铵目前我们了解到可能在800吨左右，还有硝酸钾500吨，加上氰化钠这类物品，要超过2000吨。”/pp　　牛跃光告诉记者，由于瑞海公司办公楼已经被毁，货物记录不清，所以爆炸现场具体的危化品数量有待最终确认，但现在能够确认的危化品数量在3000吨左右。/pp　　瑞海公司仓库示意图显示，凡是能够堆放物品的地方，全部放满了危化品。牛跃光说：“我干消防40多年了，像此类的危险品仓库，这还是历经最复杂的一次灾害事故。”/pp　　由于情况复杂，危化品的生产厂家，氰化钠所属的河北诚信有限责任公司相关人员也赶到现场，参与处置。河北诚信有限责任公司总经理智群申介绍，现场核实有700来吨氰化钠：“当地按照应急指挥中心，他们在当地有运输车辆，帮助我们把东西运回去。”/pp　　核心区包装完好的氰化钠将运回企业，而爆炸发生时，还有氰化钠颗粒散落到外围。在今天上午的发布会中，天津市副市长何树山介绍说，对外围氰化钠的清理搜寻分成了三个区域，分别为离核心爆炸点一公里半径范围、两公里半径范围、三公里半径范围：“我们从13号开始这几天已经把一公里半径搜寻完了，两公里半径搜寻完了，今天傍晚可以把三公里半径搜集完。”/p

纳米孔测序技术（又称第四代测序技术）是近几年兴起的新一代测序技术，相较于前几代测序技术，其最主要的特点是能够实现长读长测序和实时测序。2014年，英国公司Oxford Nanopore Technologies最早将这一技术进行商业化，自此之后参与其中的玩家也越来越多，这其中，齐碳科技无疑是国产纳米孔测序仪的代表企业。齐碳科技成立于2016年，七年间，齐碳科技累计完成十几亿元融资，推出了国内第一款商业化纳米孔基因测序仪，并形成了严密的知识产权布局。整个发展过程，可谓一步一个脚印。齐碳科技凭借什么成为国产纳米孔测序仪企业NO.1？纳米孔测序的核心技术是什么？相较于当前主流的二代测序技术，纳米孔测序技术优劣势是什么？未来，纳米孔测序仪与二代测序仪的应用格局将如何发展？带着这些问题，仪器信息网采访了齐碳科技联合创始人兼首席科学家白净卫。采访完整视频如下：年研发投入数亿元 聚焦研发是公司快速发展的动力源自成立以来，几乎每一年，齐碳科技都取得里程碑式的发展。从技术和产品的发展看，2017年，齐碳科技实现了纳米孔测序仪原理样机；2018年实现了工程样机；2020年，推出国内第一台自研的纳米孔基因测序仪；2021年底，实现量产、推出国内首款商业化纳米孔测序仪；2022年，在掌上纳米孔测序仪基础上，再推商业化桌面纳米孔基因测序仪，开始矩阵化发展。白净卫表示：“现在推出的产品是基于我们的第一代技术，现阶段还在进行新技术的研发。齐碳科技走到今天，最主要的原因是我们持之以恒地投入研发。”每年研发投入数亿元，320余名员工中70%以上是研发人员，这是齐碳科技当前的研发投入数据。尽管齐碳科技是一家硬科技创业型企业，但这样的研发投入不可谓不庞大。白净卫随后讲起了齐碳科技的发展路径。不同于很多仪器企业，齐碳科技最开始就是利用商业投资，先后研制出研发样机和工程样机，之后再以这些为基础向市场进行融资；获得更多投资后，齐碳科技继续大力投入研发，进一步提升自身技术能力。如同滚雪球一般，齐碳科技快速发展壮大。白净卫坦言，“取得今天的成绩，一方面得益于在国家引导下，资本投向先进制造、科技创新型企业，支持实体经济发展，齐碳面临的商业投资大环境是向好的，另一方面也得益于我们始终聚焦于技术的研发和产品本身的性能提升。当技术研发积累到一定程度之后，它才能够形成可商业化的产品。6年的时间里，我们从没有动摇，也从没急于求成，做出能够满足终端用户需求的产品，是我们始终坚持的。”如今，齐碳科技已经完成国产纳米孔测序仪研发及商业化从“0”到“1”的关键一跃。接下来它将在哪些方面发力呢？白净卫再次强调：“满足客户需求是我们最重视的事情。现阶段的成果表明我们整个产品线的逻辑已经通顺，接下来，我们将在此基础上推出一系列不同通量以及更高准确率的产品来满足用户不同应用场景的需求。”“所有环节都是纳米孔测序仪的核心！”齐碳科技至今已经发布了2款商业化基因测序仪，即QNome-3841便携式纳米孔基因测序仪和QNome-3841hex桌面式纳米孔基因测序仪。小小的仪器里所蕴藏的科技含量却不容小觑。QNome-3841hex 桌面式纳米孔基因测序仪回顾纳米孔测序技术的发展历史，会发现从研发到最终出现商业化的过程十分艰难。1989年，纳米孔链测序技术首次被提出；1995年，技术原理性专利被申请；直到2010年后，技术的可行性终于得以验证并在学术界展示。从提出概念到评价技术可行性，整个过程用了二十多年的时间。而在此之前，纳米孔测序技术被认为只是“想象中的技术”。为什么证明纳米孔测序技术可行性的过程如此困难？据白净卫介绍，纳米孔测序属于单分子检测技术，第一个难点在于稳定测序，稳定是实现产品化非常重要的点；第二个难点是单分子电学的信号对检测灵敏度要求非常高，这会影响到测序的准确率；第三个难点在于单次测序通量如何提升。那么，纳米孔测序仪的核心技术究竟是什么？白净卫回答道：“常常有人问我这个问题，我认为并不是哪一个技术是纳米孔测序仪的核心技术，整个体系的完美配合是它的核心。基因测序仪的研制需要多学科交叉，就齐碳科技的纳米孔测序仪而言，核心技术包括纳米孔、控速蛋白、承载纳米孔的生物芯片等。在研发过程中，每一个单元都非常重要，研发难度也都非常高。”以其中的芯片为例，齐碳科技纳米孔测序仪所使用的生物芯片基于微机电芯片技术（MEMS），其后端的信号非常弱，电路设计要求很高，此外，后端的信息解读也使用了大规模人工智能和深度学习的算法。“MEMS的要求与一般研究院所或半导体产线的要求均不一样，我们投了大量的人力和资金，经过了大量试错才研发出来。如果只是为了发文章，纳米孔测序技术可以做一些简单的测试和展示，但是要推出真正商业化的仪器，所有环节都是非常重要的。”白净卫进一步解释道。纳米孔测序VS二代测序：针尖对麦芒？ 有别于前几代测序技术，纳米孔测序无需PCR扩增或者荧光标记，对样本片段长度没有限制。同时，纳米孔测序属于连续测序，即当核酸穿过纳米孔时，信号可以实时输出、实时分析。因此，相较于二代测序技术，纳米孔测序具有小型化、长读长、速度快等优势。但也不可否认，在产品发展的前期，其准确率、通量和稳定性还是存在不足。其中，准确率偏低一定程度上限制了它的应用场景。随着工程和工艺的不断优化以及科学家不断发展新的技术，近几年，纳米孔测序技术的准确率已经有了明显的提升。白净卫介绍到：“过去三年左右，纳米孔测序技术的准确率已经做到95-97%，现阶段，在国际上已经展示出来的数据可达到99%以上，甚至有报道单次测序的准确率达到了99.5%。”99.5%的准确率或许尚未在客户端稳定实现，但白净卫表示，根据过往经验，当一项技术有了初步展示之后，后续就可以通过不断地工程优化来提高它的稳定性，最终实现稳定输出。因此，他对纳米孔测序技术将来的准确率十分有信心，并推测这个准确率极有可能在未来几年内在客户端稳定实现。当纳米孔测序的准确率真正达到理想值时，与二代测序的应用格局将发生怎样的变化呢？白净卫认为：“这个时候，纳米孔测序与二代测序的关系将不再是互补模式，结合自身长读长的优势，纳米孔测序在一些应用场景下极有可能取代二代测序，因为它能同时检出SNP短片段和长片段变异，这将给科学家提供更多的数据和信息，让他们更全面地掌握正在研究的内容，帮助他们发现新的科学现象。”“当然，我认为两者并不完全是针尖对麦芒。任何新平台的出现，从某个角度来讲，更多的是去拓展我们的视野和想象力，让我们站在更高的台阶上去展望未来。使我们去开发一些新的应用，做以前没有做到的事情。”白净卫补充道。“比如，现阶段二代测序技术在临床上的一些应用已非常成熟，纳米孔测序即便在准确率提升之后进入这个市场，想要完全去替代原来的应用成本太高，因此并不现实，但可以在已有应用的基础上获得新的信息、开发新的应用。”基因测序仪应通过技术突破摆脱“贵族形象” 走向平民化近些年，国内涌现出多家测序仪创新型企业，基因测序仪市场快速发生变化，已经不再是过去一家独大、外资品牌垄断的格局。对于此，白净卫认为，过去基因测序仪是IVD行业中“high hanging fruit”，研制难度非常大、整个供应链不成熟，才会有illumina、赛默飞的产品在全球垄断的局面。随着整个市场、技术和供应链的发展，特别是国内的核心部件，如精密位移台、光学部件和芯片技术等的发展，使得本土企业有能力去做二代测序仪或者纳米孔测序仪，这是行业“水涨船高”的结果。当行业水平整体提升后，测序仪也将会渐渐“走下神坛”。从客户需求出发，白净卫表示很乐于看到更多国产基因测序仪厂商发展起来，通过激烈的竞争各自找到合适的发展路径，最终让整个基因测序行业获益。一直以来，人们对基因测序仪印象是高端仪器，技术水平高，很贵，很难用。白净卫认为，企业要考虑用户真正的需求，让测序仪更容易使用、让用户能以更低的成本来获得所需要的数据。与国外企业竞争，本土企业需要有更多的技术突破和发展，而不是依赖劳动力或其他优势。他说，“伴随技术的不断突破，当有一天测序仪摆脱‘贵族’形象，变得平民化，甚至每个人都能用得起，才能够开拓更大的市场，真正作为一款基础的工具去推动相关产业的发展，从而影响整个社会。”后记：在今年的第十六届中国科学仪器发展年会上，齐碳科技从众多创新型企业中脱颖而出，获得“2022年度科学仪器行业成长潜力企业”，这是对齐碳科技自主知识产权、创新性和市场竞争力的充分认可。纳米孔测序仪应用推广之路漫漫，但齐碳科技已经有了一个良好的开端。受访人简介：白净卫，齐碳科技联合创始人兼首席科学家。清华大学药学院研究员、博士生导师。研究方向包括单分子生物传感器、高通量长读长测序技术开发与应用、Point-of-Care核酸检测技术、多肽测序等 美国加州大学洛杉矶分校材料学博士、IBM 沃森实验室博士后，拥有超过10年的微纳器件研发经验。已获得十多项美国、中国授权专利；在Nature、Nature Nanotechnology、Nano Letters、 PNAS等期刊上发表论文30余篇。作为项目负责人获得3项科技部重点资助项目，领导基于纳米孔的新一代基因测序技术的研发。获得2018年“美国李氏基金会杰出成就奖”、“2022科学家创业先锋榜”、“2022NGS创新开发者杰出贡献奖”、2023年未来医疗100强｜蔚澜奖创新青年科学家等。相关会议预告：点击图片即可报名参会，30+位嘉宾将带来单细胞测序内容！第六届基因测序网络大会进入报名页面：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/geneseq2023/

原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种具有原子级别高分辨率的新型表面分析仪器，它不但能像扫描隧道显微镜（STM）那样观察导体和半导体材料的表面现象，而且能用来观察诸如玻璃、陶瓷等非导体表面的微观结构，还可以在气体、水和油中无损伤地直接观察物体，大大地拓展了显微技术在生命科学、物理、化学、材料科学和表面科学等领域中的应用，具有广阔的应用前景。1 原子力显微镜的工作原理1.1 基本原理AFM 进行表面分析的基本原理如下：AFM 中有一由氮化硅片或硅片制成的对微弱力极敏感的弹性臂，微悬臂顶端有一硅或碳纳米管等材料制成的微小针尖，控制这一针尖，使其扫描待测样品的表面，这一过程是由压电陶瓷三维扫描器驱动的。当针尖与样品表面原子做相对运动时，作用在样品与针尖之间的力会使微悬臂发生一定量的形变。通过光学或电学的方法检测微悬臂的形变，转化成为图像输出，即可用于样品表面分析。简单地说，原子力显微镜是通过分析样品表面与一个微弱力敏感元件之间的相互作用力来呈现材料表面结构的。1.2 工作模式（一）接触工作模式扫描时如果控制针尖一直与样品表面原子或分子接触，那么这种工作模式称为接触模式。在这一过程中，针尖原子与样品表面原子之间力的作用主要表现为是两者相接触原子间的互斥力（大小约为10-8-10-11 N）。接触模式下工作的原子力显微镜可得到稳定的、高分辨率的样品表面图像。但是这种工作模式也有它的不足之处：当研究易变形的样品（液体样品）、生物大分子等的时候，由于针尖与样品原子直接接触，会使样品表面的原子移动、粘附于针尖或者发生较大形变，从而造成样品损坏、污染针尖或者结果中出现假象。（二）非接触工作模式扫描时如果控制针尖一直不与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为非接触模式。非接触工作模式下由于扫描样品时针尖始终在样品上方5-20 nm 距离范围内，针尖与样品间的距离较接触模式远，所以获得的样品表面图像分辨率相对接触模式较低。但正是这一距离也克服了接触模式的不足之处，不再会造成样品的损坏、针尖污染等问题，灵敏度也提高了。（三）间歇接触工作模式扫描时如果控制针尖间歇性的与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为间歇接触模式，也称为轻敲模式，常通过振动来实现针尖与样品的间歇性接触。该模式下微悬臂的振动是由磁线圈产生的交流磁场直接激发的，针尖与样品表面原子作用力主要是垂直方向的，不再受横向力的影响。间歇接触工作模式集合了接触与非接触模式的优点，既减少了剪切力对样品表面的破坏，又适用于柔软的样品表面成像，因此特别适合于生物样品研究。2 原子力显微镜的组成AFM 的硬件系统由力检测部分、位置检测部分和反馈控制系统三部分组成。图1 所示为AFM 的工作原理图，从图中可以看出，AFM 就是通过集合以上三个系统来将样品的表面特性反映出来的：在AFM的工作系统中，使用由微小悬臂和针尖组成的力检测部分来感应样品与针尖间的作用力；当微悬臂受力形变时，照射在微悬臂末端的激光会发生一定程度的偏移，此偏移量反射到激光检测器的同时也会将信号传递给反馈控制系统；反馈控制系统根据接受的调节信号调节压电陶瓷三维扫描器的位置，最终通过显示系统将样品表面的形貌特征以图像的形式呈现出来。3 样品制备3.1 样品要求原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大，包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是新剥离的云母片，主要原因是其非常平整且容易处理。而抛光硅片最好要用浓硫酸与30%双氧水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h。利用电性能测试时需要导电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。如果试样过重，有时会影响Scanner的动作，请不要放过重的试样。试样的大小以不大于试样台的大小（直径20 mm）为大致的标准。稍微大一点也没问题。但是，最大值约为40 mm。如果未固定好就进行测量可能产生移位。请固定好后再测定。3.2 样品制备粉末样品的制备：粉末样品的制备常用的是胶纸法，先把两面胶纸粘贴在样品座上，然后把粉末撒到胶纸上，吹去为粘贴在胶纸上的多余粉末即可。块状样品的制备：玻璃、陶瓷及晶体等固体样品需要抛光，注意固体样品表面的粗糙度。液体样品的制备：液体样品的浓度不能太高，否则粒子团聚会损伤针尖。（纳米颗粒：纳米粉末分散到溶剂中，越稀越好，然后涂于云母片或硅片上，手动滴涂或用旋涂机旋涂均可，并自然晾干）。4 原子力显微镜的应用4.1 在材料科学及化学中的应用目前，AFM 在材料科学中主要应用于材料的表面结构、表面重构现象以及表面的动态过程（例如扩散现象）等方面的研究，表面科学的中心内容是研究晶体表面的原子结构，例如从理论上推算出的金属表面结构往往不如实际复杂，借助原子力显微镜可以直观地观察材料的表面重构现象，有助于理论的进一步完善。4.1.1 在探测材料样貌方面的应用利用原子力显微镜来观测材料的样貌进行成像的时候，材料与探针之间出现相应作用力改变能够很好的反映出材料表面的三维图像。可以通过数值分析出材料表面的高低起伏情况，因此，在利用原子力显微镜对材料进行图像分析的时候，可以有效地发现材料表面的颗粒程度、粗糙程度、孔径分布以及孔的结构等。可以利用这种成像的方式把材料表面的情况形成三维图像进行模拟显示，促使形成的图像更加利于人们观察。4.1.2 在粉体材料中的应用在对粉体材料进行分析和研究的时候，可以利用原子力显微镜来逐渐分析原子或者分子中尺度，从而保证可以准确观测晶体以及非晶体的位置、形态、缺陷、聚能、空位以及不同力之间的相互作用。一般来说，粉体材料基本上都是使用在工业中的，但是现阶段有关于检测粉体材料的方法还是十分少的，研制样品也相对比较困难。原子力显微镜实际上是一种新兴的检测方式，具有操作方便、制样简单等特点。很多专家学者认为，人们使用化学方式研制出了SnS粉末，利用原子力显微镜把涂在硅基板上的材料进行成像，从图像上我们很容易发现此类材料具有分布均匀的特点，每一个大约15nm。4.1.3 在晶体材料中的应用专家学者经过不断研究和分析得到了很多晶体生长的模型，但是经过更加深入的分析和研究发现这些理论模型和实际情况是否相同还是具有一定差异，也逐渐成为学者讨论和研究的重点，所以人们希望通过显微镜来监测和观察生长过程。虽然，使用传统的显微镜已经观测出一定的成果，但是由于这些光学显微镜、激光全息干涉技术等存在分辨率不是十分高、实验条件不是很好以及放大不足等问题，使得研究过程出现很大困难，导致不能观测纳米级的分子等。原子力显微镜的发展，为科学家们研究纳米级分子或者原子提供了依据，也成为了专业人士研究晶体过程的重要方式。利用这种显微镜具有的能够在溶液中观察以及高分辨率等特点，可以保证科学家们能够很好的观测到晶体生长过程中的纳米级图像，从而不断分析和掌握材料的情况。4.2 在生物学中的应用AFM 能在气体、液体中无损伤地直接观察物体，可对生物分子在近生理条件下进行检测，是生命科学研究中的有力工具。目前，在生命科学中AFM 主要应用于对细胞、病毒、核酸、蛋白质等生物大分子的三维结构和动态结构信息进行研究。4.2.1 对细胞膜表面形态的研究细胞膜有重要的生理功能，它既使细胞维持稳定代谢的胞内环境，又能调节和选择物质进出细胞。AFM 能够观察到细胞膜表面的超微结构，因此它可以用来观察正常细胞与病变细胞的细胞膜，发现两者的异同，为临床病理诊断提供新的视角和方法。4.2.2 测定细胞弹性以及力学性质病变这一生理过程与细胞的形态和力学性质有关。细胞形态学的变化会影响和反映细胞性质、功能以及细胞微环境的改变。健康细胞与病理状态的细胞在机械性能上是完全不同的。抓住这一点，可以利用AFM 测量出的细胞弹性性质识别癌细胞，以及辅助诊断红细胞相关的各种疾病等，从细胞层面上对各种疾病进行早期诊断和治疗。4.2.3 检测活细胞间相互作用AFM 也可以对细胞间的相互作用进行观察。将一种细胞连接在AFM 扫面探针的尖端，使针尖功能化，对另一种单层排列的细胞进行扫描就可以进行细胞间相互作用的研究。4.2.4 观察动态生物过程AFM也是观察细胞生物过程非常有效的工具。研究痘病毒和活细胞，得到了痘病毒感染活细胞全过程的AFM 图。通过活着的细胞观察子代病毒颗粒，并用AFM 在水溶液环境中在分子水平分辩出有规则重复的烙铁状结构和准有序的环状结构。观察中发现: 在感染前后最初几小时，细胞并无显著变化 子代病毒粒子沿细胞骨架进入细胞内部，还有胞吐、病毒颗粒聚集等现象。通过AFM 图像可以看出哑铃状小泡逐渐形成、消失并在细胞膜表面形成凹陷的全过程。4.2.5 观察生物大分子之间相互作用在生物体内，DNA 与蛋白质间的相互作用有着同样举足轻重的地位。在转录、翻译的过程中，DNA 与特定的蛋白质如解旋酶、聚合酶、启动因子等的结合就决定着生命活动的开启。Gilmore 等利用AFM 以每500 ms 拍摄1 次的速度，清晰地观察到了蛋白质在DNA 上的结合情况。因此，AFM 可以真正帮助我们深入地“看到”生命活动的本质。4.2.6 测定细胞电学性质细胞不论在静止状态还是活动状态，都会产生与生命状态密切相关的、有规律的电现象，生物电信号包括静息电位和动作电位，其本质是离子的跨膜流动。因此，研究细胞的电生理学也成为了生命科学领域一个重要的分支。在AFM 系统中增加了导电模块，在迎春花细胞、酵母菌细胞等样品和探针之间加一个偏压，在扫描的过程中，同时获得样品的表面形貌和电流像，且在成像的同时检测探针和细胞样品之间的电流，得到样品表面形貌和局域电流分布及两者之间的对应关系，从而实现AFM 在纳米尺度上对细胞样品电学特性的分析检测。参考文献[1]高翔.原子力显微镜在材料成像中的应用[J].化工管理,2015(08):67.[2]王明友,王卓群,焦丽君.原子力显微镜在表面分析中的应用[J].邢台职业技术学院学报,2015,32(01):75-78.[3]万旻亿.原子力显微镜的核心技术与应用[J].科技资讯,2016,14(35):240-241.[4]鞠安,蒋雯,许阳,杨升,常宁,王鹏,顾宁.原子力显微镜在生命科学领域研究中的应用进展[J].东南大学学报(医学版),2015,34(05):807-812.

p style="text-indent: 2em "本文主要介绍了qPlus型非接触原子力显微镜(NC-AFM)的基本工作原理，qPlus NC-AFM的两种工作模式的应用：高分辨成像获得分子内和分子间原子结构和力谱测量获得表面元素及成键力信息，以及NC-AFM在表面在位化学反应、低维材料、三维成像探测、开尔文探针力显微镜(KPFM)等方面的应用。/psection style="box-sizing: border-box text-align: justify "section style="position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="display: flex flex-flow: row nowrap margin: 10px 0% position: static box-sizing: border-box "section style="display: inline-block vertical-align: top width: auto min-width: 10% max-width: 100% flex: 0 0 auto height: auto align-self: flex-start border-width: 0px margin: 0px 2px 0px 0px box-sizing: border-box "section style="text-align: right margin: 0px 0% justify-content: flex-end position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="display: inline-block min-width: 10% max-width: 100% vertical-align: top transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -webkit-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -moz-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) 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text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/a2bacf3f-6fd9-4827-86ff-9a0eda9e5d52.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg"//pp style="text-align: center "strong图1 非接触原子力显微镜的工作原理/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "类比于STM工作模式有恒电流和恒高度两种模式，NC-AFM也具有恒频率偏移和恒高度两种主要成像模式。在恒频率偏移成像模式下，通过振幅反馈回路使音叉悬臂保持恒定振幅，通过频率反馈回路调整针尖和样品间的距离保持频率偏移恒定(Δf)，所获得图像为恒定力梯度下的样品表面形貌高度图。在恒高度成像模式下，断开频率偏移控制的反馈回路保持针尖高度恒定，探测扫描过程中的频率偏移变化，所获图像为恒定高度下的样品表面力梯度图。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "NC-AFM之所以能够达到亚分子级分辨，甚至亚原子级分辨率，主要原因是qPlus传感器(如图1所示)的引入。qPlus传感器使用高弹性常数(~1800 N· msup-1/sup)的石英音叉作为悬臂代替传统AFM使用的硅悬臂，石英音叉在针尖-样品的作用力可以以非常小的振幅( 100 pm)稳定成像。此外，qPlus传感器还具有以下优势：qPlus传感器使用导电的金属针尖，可以同时获得STM和AFM信号，可以给出更丰富的样品信息；qPlus音叉使用的石英晶体是压电晶体，振动时会产生和振幅成比例的压电信号，属于自检测传感器，不需要激光检测，适用于极低温工作环境；相比于传统硅悬臂，qPlus传感器体积较大，属于宏观物体，易于集成功能化的针尖。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "针尖-样品之间的总作用力是吸引力和排斥力加和，如图1C所示。从作用范围的不同可以分为长程力和短程力：其中长程力包括范德华力、静电力、磁力；短程力包括化学成键力和泡利排斥力。范德华力产生的原因是原子与原子之间的局域瞬时偶极作用；针尖和样品间的电势差，或功函数差可以产生长程的静电力；在微观上长程的静电力的加和可以产生短程的静电力，其大小随距离指数衰减。短程化学力可分为短程化学成键力和短程泡利排斥力：短程化学成键力衰减长度在化学键长度的量级，由于化学键力很大又相对局域，所以在理想的体系中可以获得很高的分辨；短程泡利排斥力来源于量子力学中电子的量子数不能全同导致的短程排斥力，具有最高的空间局域性。相比于长程力，短程力有更大的力梯度，对Δf的贡献也更大，所以降低针尖的振幅可以一方面大大提高短程力的敏感性，另一方面降低振幅还可以大大降低长程力的贡献，消除长程力的背景。目前认为，在单分子内的原子分辨上 起主要贡献的是泡利排斥力。/psection style="box-sizing: border-box text-align: justify "section style="position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="display: flex flex-flow: row nowrap margin: 10px 0% position: static box-sizing: border-box "section style="display: inline-block vertical-align: top width: auto min-width: 10% max-width: 100% flex: 0 0 auto height: auto align-self: flex-start border-width: 0px margin: 0px 2px 0px 0px box-sizing: border-box "section style="text-align: right margin: 0px 0% justify-content: flex-end position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="display: inline-block min-width: 10% max-width: 100% vertical-align: top transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -webkit-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -moz-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -o-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) border-style: none solid border-width: 1px 1px 1px 0px border-radius: 0px border-color: rgba(255, 255, 255, 0) rgb(92, 107, 192) rgb(92, 107, 192) rgb(223, 46, 0) padding: 5px 10px background-color: rgba(255, 255, 255, 0) box-shadow: rgba(255, 255, 255, 0) 0px 0px 0px line-height: 1 letter-spacing: 0px width: auto height: auto box-sizing: border-box "section style="text-align: justify font-size: 19px color: rgb(92, 107, 192) font-family: Optima-Regular, PingFangTC-light box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"p style="white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box "strong style="box-sizing: border-box "2/strong/p/section/section/section/sectionsection style="display: inline-block vertical-align: top width: auto border-width: 1px 0px 0px flex: 100 100 0% align-self: flex-start height: auto border-top-style: solid border-top-left-radius: 0px border-top-color: rgb(92, 107, 192) padding: 0px 10px box-sizing: border-box "section style="margin: 3px 0% 0px position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="font-size: 17px color: rgb(92, 107, 192) box-sizing: border-box "p style="white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box "strongspan style="box-sizing: border-box "qPlus NC-AFM的工作模式/span/strong/p/section/section/section/section/section/sectionp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong2.1 高分辨成像/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "实现分子内部单原子的识别是表面显微技术的重要目标。STM可获得原子级的图像，但由于隧穿电流主要探测的是费米面附近的局域电子态密度，因此对于分辨吸附分子内部的原子结构有一定的难度。NC-AFM探测的是针尖与样品原子间的相互作用力，在成像区域起主要贡献的是短程泡利排斥力，其探测的实质为分子内部总电子密度的分布，这使得AFM在理论上具有比STM更高的空间分辨能力。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "为了达到NC-AFM的超高分辨率，针尖需要满足两个条件：一是化学惰性，保证针尖与样品分子之间的弱相互作用力，避免分子被针尖操纵；二是针尖尖端必须尖锐，针尖半径足够小(亚纳米尺度)从而确保可以获得原子级别的分辨，这两个条件保证了针尖可以逼近表面吸附的分子从而达到成像所需的泡利排斥力区域。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "除了能够分辨分子内部的原子结构，NC-AFM技术还被用于化学键键级研究。利用NC-AFM技术识别键级的机制有两种：一是电子密度随键级的增大而增大，在相同高度下高键级区域与针尖之间具有更大的泡利排斥力，因此在AFM图像中呈现更亮的衬度；二是由于化学键长随着键级的增大而减小，结合针尖上修饰的CO分子的偏转作用可以判断其键级大小。由于CO针尖的偏转作用，AFM图像中所有化学键长都被放大，无法利用测量值与理论键长直接进行比较，但可以利用不同位置化学键的测量值进行对比获得其键级信息。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "为了保证针尖及样品的稳定性，大多NC-AFM图像的采集需要在液氦温度，极少数结果在液氮温度下获得。随着技术的进一步发展，德国雷根斯堡大学Giessibl团队于2015年首次在室温下利用qPlus传感器及W针尖获得了苝四甲酸二酐分子的AFM图像。这一成果对于将qPlus NC-AFM技术应用于常温化学反应及分子结构识别等领域具有突破性的意义。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "除了分子内部原子结构和化学键的识别，qPlus NC-AFM也可以识别分子间相互作用。2013年，裘晓辉团队以Cu(111)单晶表面吸附的8-羟基喹啉分子为研究体系，首次利用qPlus NC-AFM技术实现了实空间对分子间氢键的成像。卤键是一种类似氢键的分子间的相互作用，是由卤素原子的亲电位点(称为σ-hole)和另一原子的亲核位点之间形成的非共价相互作用。Cl、Br、I等卤素原子形成卤键的键能逐渐增大，F原子由于难以形成σ- hole，因此F原子之间认为没有卤键存在。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "分子间氢键和卤键被实空间观测对于研究分子间弱相互作用力具有重要意义。氢键之所以能够被NC-AFM观测到，最初的解释是由于氢键的形成增大了该处的电子密度，因此针尖可以探测到增强的泡利排斥力，故而可以获得氢键成像。之后，捷克科学院Hapala团队利用CO针尖建立模型模拟发现，单纯利用针尖尖端CO分子所受范德华力引起的偏转，也可以实现上述结果显示的分子间氢键衬度特征。由于在图像模拟中未考虑分子间电子密度的作用，因此他们认为NC-AFM图像中针尖偏转对分子间作用力成像起了主要作用。随后，芬兰阿尔托大学Liljeroth和荷兰乌特勒支大学Swart等利用二对吡啶基乙炔(BPPA)分子自组装体系对该问题进行了进一步的研究。BPPA分子利用分子间氢键形成四聚体结构(如图3 (G, H)所示)，示意图显示上下两个BPPA分子之间未直接形成化学键，但相对的两个N原子之间在NC-AFM图像中出现亮线。利用CO软性针尖进行Lennard-Jones势模拟图像与实验结果相似。因此他们认为针尖偏转在AFM成像上具有重要的影响：一方面使化学键的AFM衬度锐化，易于得到分子内部原子结构，另一方面在相邻非常近但未成键的两原子之间，偏转效应会使图像中出现成键的假象。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/1885fe3a-f255-4b08-972e-86fe121a072d.jpg" title="3.jpg" alt="3.jpg"//pp style="text-align: center "strong图3 分子间化学键高分辨成像/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "虽然NC-AFM已经实现了亚原子级别的高分辨成像，但其成像机制在国际上仍具有一定的争议，针尖偏转和电子密度在分子间成像上的贡献孰多孰少，亦或是某一因素起单独作用，目前并没有定论。解决这一问题也是现在NC-AFM技术最重要的目标之一，也是该技术应用于研究分子间成键和弱键相互作用体系的基本前提。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong2.2 针尖-样品作用力谱测量/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "NC-AFM的力谱功能可以定量测量针尖-表面之间的相互作用力和能量，是研究高分辨成像和原子/分子操纵机理的关键。力谱是在特定的位置上记录针尖-样品相互作用力梯度(即Δf)与针尖-表面间距(d)的关系，即Δf(d)曲线，利用Sader和Jarvis提出的转换关系可以将Δf(d)曲线转化为F(d)曲线。当针尖与样品之间距离较远时，其作用力包括宏观尺度的范德华力、针尖尖端与样品的局域范德华力、偶极或带电样品引起的静电力，短程的泡利排斥力在此时可以忽略。针尖与样品之间距离较近进行成像扫描时，泡力排斥力对成像起主导作用，但长程的范德华力和静电力仍有作用(图4A)。因此，定量研究针尖与样品间的短程泡利排斥力时需要在总力谱的基础上扣除长程力背景(图4B)。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/e4d6a009-363d-4afe-92ca-e5ff9242a84a.jpg" title="4.jpg" alt="4.jpg"//pp style="text-align: center "strong图4 针尖-样品间作用力测量/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2001年，瑞士巴塞尔大学Lantz团队首次在低温下利用力谱技术测量了Si针尖与 Si(111)-(7× 7)表面Si原子悬挂键间形成的共价键力的大小为2.1 nN，如图4(C,D)所示。这一结果是化学成键力测量上的突破性进展。2007年，日本大阪大学Morita团队在室温下利用不同结构的针尖测量了Si基底上沉积Sn分子后针尖与Si原子和Sn原子间的力谱，将每种针尖测得的短程力谱根据Si原子力谱的最大吸引力进行归一化后得到Sn原子和Si原子力谱的最大吸引力比值为0.77 : 1 (图4(E, F))。同样的方法可得到Pb原子和Si原子力谱的最大吸 引力比值为0.59 : 1。基于以上结果，在Si(111)基底上Si、Sn、Pb合金材料上通过区别不同原子与针尖之间吸引力最大值的差别，可以实现Si、Sn、Pb化学元素的识别(图4(G,H))。NC-AFM的成像技术和力谱测量相结合，有利地推进了扫描探针技术对尺度空间和能量空间分辨率的提高，为研究原子或分子间相互作用及化学键的形成具有重要意义。值得注意的是，以上提到的研究结果都早于qPlus传感器的发明，是利用悬臂梁针尖测量所得。/psection style="box-sizing: border-box text-align: justify "section style="position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="display: flex flex-flow: row nowrap margin: 10px 0% position: static box-sizing: border-box "section style="display: inline-block vertical-align: top width: auto min-width: 10% max-width: 100% flex: 0 0 auto height: auto align-self: flex-start border-width: 0px margin: 0px 2px 0px 0px box-sizing: border-box "section style="text-align: right margin: 0px 0% justify-content: flex-end position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="display: inline-block min-width: 10% max-width: 100% vertical-align: top transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -webkit-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -moz-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -o-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) border-style: none solid border-width: 1px 1px 1px 0px border-radius: 0px border-color: rgba(255, 255, 255, 0) rgb(92, 107, 192) rgb(92, 107, 192) rgb(223, 46, 0) padding: 5px 10px background-color: rgba(255, 255, 255, 0) box-shadow: rgba(255, 255, 255, 0) 0px 0px 0px line-height: 1 letter-spacing: 0px width: auto height: auto box-sizing: border-box "section style="text-align: justify font-size: 19px color: rgb(92, 107, 192) font-family: Optima-Regular, PingFangTC-light box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"p style="white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box "strong style="box-sizing: border-box "3/strong/p/section/section/section/sectionsection style="display: inline-block vertical-align: top width: auto border-width: 1px 0px 0px flex: 100 100 0% align-self: flex-start height: auto border-top-style: solid border-top-left-radius: 0px border-top-color: rgb(92, 107, 192) padding: 0px 10px box-sizing: border-box "section style="margin: 3px 0% 0px position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="font-size: 17px color: rgb(92, 107, 192) box-sizing: border-box "p style="white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box "strongspan style="box-sizing: border-box "qPlus NC-AFM的应用/span/strong/p/section/section/section/section/section/sectionp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong3.1 针尖修饰对成像的影响/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在AFM成像研究中，针尖的原子组成和几何结构对成像结果具有重要影响。通常实验中可以通过针尖脉冲，降低扫描高度或撞针的方法进行针尖处理，但这些处理方法获得的针尖重复性不高且难以确定针尖的具体原子结构。而纵向原子/分子操控技术可以高效地将特定的分子或原子从样品表面提取，修饰到针尖尖端，提高AFM成像的分辨率。已经实现可以进行针尖修饰的原子/分子包括H原子、卤素原子(Cl，Br)、惰性气体分子(Ar，Kr，Xe)及小分子如CO、NO、CH4等。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "目前，对于表面吸附分子的结构识别和化学反应研究一般选择CO分子修饰的针尖。修饰步骤如下：首先将CO分子沉积在基底表面，将NC-AFM针尖置于CO分子上方，在针尖方向施加-2.8 V的恒定电压激发CO分子跳到针尖端，若重复扫描图像发现CO分子消失且分辨率得到极大地提高则认为CO分子已修饰到针尖尖端。尖端修饰的CO分子的偏转极大地提高了分子内部原子结构的AFM分辨率，但同时也带来了图像扭曲的问题(图5A)。惰性气体如Xe原子可以在金属基底、NaCl基底或分子自组装网格上吸附并修饰针尖，将针尖置于Xe原子上方，下压0.3 nm，继续扫描发现该处Xe原子消失，且图像分辨率显著提高，/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "证明Xe原子被修饰在针尖尖端。对同一个分子的成像结果显示Xe针尖的分辨率低于CO针尖，但分子成像的扭曲程度比CO针尖小(图5B)。与CO修饰针尖相比，Xe针尖的一个优点是在STM成像实验中避免CO中O原子p波函数态对分子轨道成像的贡献。Kr针尖的制备方法类似Xe针尖，但稳定性比Xe针尖弱。卤素原子的提取方法与Xe原子类似，Cl原子通常来源于NaCl晶体，Br原子通常来源于从有机分子上断键后的游离Br原子。卤素原子修饰的针尖分辨率比CO针尖低，但是图像扭曲程度也较低，这主要是由于卤素原子的偏转效应比CO分子弱(图5(C, D))。Br原子虽然比Cl原子半径大，但成像分辨率相近。Br针尖的优势在于易于制备，并且可以对NaCl上的DBA单分子进行“pulling”模式的横向操纵，这对于其他修饰针尖来说是比较困难的。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "除了以上提到的可与针尖尖端形成较弱成键的分子和原子外，利用O原子与Cu针尖形成CuO针尖，O原子的存在可减弱Cu针尖与样品之间的作用力，同时具有稳定的原子结构，减少针尖偏转对图像成像的影响。如图5(E, F)所示，利用O针尖获得的二蒄(DCLN)分子的AFM图显示分子外围的C原子呈现比分子内部C原子更亮的AFM衬度，这是由于分子外围C原子上具有更高的电荷密度以及与针尖具有更小的范德华吸引力导致，两种原因所占的比例约为30% : 70%。此外，CO针尖进入排斥力成像区域后具有严重的偏转效应，导致对化学键的成像有30%的放大，而O针尖所引起的成像放大效应几乎可以忽略。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/3234dc8f-eb23-4348-a559-cd7e82fa60e7.jpg" title="5.jpg" alt="5.jpg"//pp style="text-align: center "strong图5 不同针尖修饰对成像的影响/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong3.2 对低维纳米材料的研究/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "低维材料是材料学科和物理化学研究中的重要研究方向，其中以石墨烯为代表的一维/二维材料的表面原位合成研究至关重要。对于表面低维材料的结构研究多以STM为主，但是对于石墨烯以及石墨烯纳米带(GNRs)这类具有较强电子离域性质的材料来说，STM图像呈现的是材料整体的电子态信息，难以直观地确定材料的原子结构、缺陷和边界结构等。NC-AFM 技术有效地解决了这些问题。由于石墨烯具有化学惰性，且尺寸较大不易被针尖操纵，所以可以直接用金属针尖对石墨烯进行NC-AFM成像。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "图6(A,B)是分别用W针尖和CO针尖对Ir(111)基底上的石墨烯进行成像，可以识别长程的摩尔条纹(周期~2.5 nm)。活性金属针尖扫描时，石墨烯晶格呈现六方对称的点状，在该状态下降低针尖高度，图像会发生反转呈现蜂窝状晶格。而电学非活性的CO针尖扫描时，石墨烯在所有高度下只呈现蜂窝状晶格。对于GNRs、NC-AFM的成像能够提供更为精细的结构信息，图6C左下角是GNRs的STM图像，条带区域呈现均一的电子态。而相对应的利用CO针尖扫描获得的 AFM 图像中可以清晰的观测 GNRs的原子结构。该GNRs是由六排碳原子组成的具有锯齿型边界的纳米带，简称6-ZGNRs (6-zigzag graphene nanoribbons)，边界C由H原子终止。对6- ZGNRs进行边界修饰可以得到图6D所示的原子结构，在 6-ZGNRs 的两个锯齿型边界上分别修饰了周期性的荧蒽基团，边界的C原子仍由H原子终止，而不以自由基形式存在。NC-AFM图像还可以分辨GNRs中的掺杂原子，如图6E所示，GNRsspan style="text-indent: 2em "中衬度较暗的区域是对位的两个B原子掺杂(标记为红点)，呈现与C原子差别较大的AFM衬度不仅是由于B原子的缺电子特性导致该位点的电子密度较低，更主要的原因是由于在该结构中B原子在高度上比C原子低30 pm53。此外，NC-AFM还可以研究其他类型的缺陷态，例如图6F所示的两GNRs交界处形成的非完美融合中的五七元环结构等。以上这些结构信息对研究GNRs的物理性质和边界态结构具有重要意义。除了石墨烯、石墨烯纳米带等导电材料，NC-AFM对于氧化物、氮化物等绝缘材料的结构研究也具有一定的优势。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="text-indent: 2em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/08f77a2e-f030-4be2-8c18-5fefb84c84d2.jpg" title="6.jpg" alt="6.jpg"//span/pp style="text-align: center "strong图6 q Plus NC-AFM在低维纳米材料中的应用/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "利用qPlus NC-AFM研究绝缘材料表面原子结构的工作，大多是基于金属单晶表面的超薄层样品，只有少数研究是基于严格意义上的体相绝缘体材料。从基本原理上分析，qPlus NC-AFM用于研究体相绝缘材料是可行的，但在实际应用中存在一定的困难。首先，体相绝缘材料与针尖之间具有电势差，由于qPlus针尖弹性常数大，工作振幅极小( 100 pm)，需要在较小的针尖-样品距离下才能得到成像，而在此状态下，针尖-样品间电势差引起的静电力无法估量；第二，针尖形状和尖端修饰的分子对AFM成像分辨率具有极大的影响，纯绝缘体表面很难对针尖进行原位处理或修饰。因此目前研究的体相绝缘体材料大多是平整度较高的晶体，例如NaCl等。如何克服以上难点将qPlus NC-AFM更广泛地应用于体相绝缘体材料对于一些催化体系的活性位点、燃料电池材料的工作机制的研究具有重要意义。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong3.3 表面化学反应研究/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "观测化学反应过程中分子和原子的重组对催化机理研究具有重要意义，也是表面物理化学研究中的巨大挑战。2013年，加州大学伯克利分校的Crommie和Fischer等利用NC-AFM首次观测了Ag(100)基底上oligo-(phenylene-1,2-ethynylenes)单分子的内部原子结构以及在该表面的单分子环化反应过程。反应物和产物分子的STM图无法直观解析分子结构(图7A-C)，但相对应的NC-AFM图像(图7D-F)可以提供分子内部的原子排列的结构信息。除了分子中原子位置和共价化学键之外，反应物分子中两苯环之间的C≡C键也可以清晰地分辨，这是由于三键区域具有较高的电子密度导致。而分子外围AFM衬度的增强则是由与该处具有较小的范德华吸引力背景，离域π电子体系边缘处的电子密度增强和分子平面的扭曲等因素造成的。产物分子中可以清晰地分辨分子环化反应后形成的四元、五元、六元环以及分子边缘C原子连接的氢原子。通过AFM高分辨图像确定的原子结构证实反应物和多种产物具有同样的分子式，因此该表面环化反应是反应物分子的异构化过程。随后，他们用同样的方法研究了oligo-(E)-1,1′-bi(indenylidene)分子在Au(111)表面的环化和双自由基聚合反应和 1,2- bis(2- ethynyl phenyl) ethyne分子的二聚体偶联和环化过程(图7G-I)，并通过反应中间产物确定了该反应的复杂路径，并提出该反应路径不仅决定于表面能量耗散，也取决于反应熵增加。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/1e218ed1-ae02-4059-addd-aad91a26105a.jpg" title="7.jpg" alt="7.jpg"//pp style="text-align: center "strong图7 q Plus NC-AFM在表面化学反应中的应用/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "目前，NC-AFM技术被越来越多的应用到表面化学反应领域，在原子、分子的层次研究化学反应的机制。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong3.4 三维成像技术/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "由于qPlus NC-AFM成像的主要贡献来源于针尖与样品之间的短程泡利排斥力，因此针尖与样品间工作距离非常近，通常在1 nm以内，这导致qPlus NC-AFM的应用主要局限在平面分子或二维结构表面等起伏较小的材料样品体系。近年来，人们致力于发展qPlus NC-AFM在三维成像上的应用，并拓展了多种不同的方法。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2015年，德国雷根斯堡大学Albrecht团队利用CO针尖研究了非平面分子二菲并[9,10-b:9′,10′- d]噻吩(DPAT)的表面吸附和环化反应。DPAT分子的两个分支由于空间位阻的作用无法存在于同一平面内，当分子吸附在Cu(111)表面时，一个分支与表面平行，另一分支的两个苯环与表面分别形成10° 和23° 的夹角，如图8B左图。为了能够准确地表征与平面具有一定夹角的分子结构，将扫描平面进行一定的旋转，直至获得非平面区域清晰的原子结构图像。利用这一方法一方面可以有效地得到立体分子原子结构，另一方面可以根据旋转角度确认分子立体部分与平面部分之间的夹角。但对于夹角太大的立体分子不能单纯利用该方法确认分子内部夹角，因为针尖CO的偏转会对成像分析具有一定的影响。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/4f8a208b-efb0-4fd2-aa9c-f3c858367d6e.jpg" title="8.jpg" alt="8.jpg"//pp style="text-align: center "strong图8 q Plus NC-AFM的三维成像/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "对于表面催化或表面在位化学反应，分子在基底上的吸附位点和角度等对催化或反应活性具有重要的影响。由于高度的差异，通常AFM只能够分别分辨吸附分子或基底的原子结构，2015年，日本国家材料科学研究所Moreno团队提出了一种利用多通道AFM同时分辨分子结构和基底结构的方法。首先接通恒Δf反馈回路，对样品表面形貌进行一次AFM扫描(图8D,F)，然后断开反馈回路，将针尖沿一次扫描的形貌路径进行二次扫描，但二次扫描需要在针尖上施加高度补偿将针尖置于更靠近样品的位置以保证获得清晰的原子分辨图像(图8E,G)，他们利用这一方法同时获得基底锐钛矿(101)和其表面吸附的并五苯分子和C60分子的原子结构。这种方法有望被应用于非平面纳米结构的研究，例如纳米管、纳米颗粒、聚合物和生物分子等。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong3.5 表面电荷分布的测量/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "通过测量不同电荷状态下针尖与样品的接触势差，即KPFM中的局域功函数差，可以实现对表面分子或原子/离子电荷分布或带电性质的测量。2012年，Mohn团队采用qPlus-AFM的KP-FM成像模式，通过测量萘酞菁分子内部的局域功函数差，获得了分子内的电荷分布的亚分子分辨图像(图9A-C)。具体测量模式为将萘酞菁分子所在的区域分为64 × 64个像素点，在恒高模式下，在每个像素点处做Δf(V)谱(在保持针尖-样品间距离恒定下，频率偏移随针尖和样品间偏压变化曲线)，得到分子内不同位点的局域接触势差。这对应于分子内不同位点的带电状态或电荷分布，这种方法可以实现对由于氢原子位置改变引起的分子内电荷分布的识别。通过利用CO分子修饰针尖，可以进一步提高分辨率。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2009年，Gross团队通过针尖施加电压脉冲，让吸附在NaCl薄层上的金属Au和Ag原子分别得到和失去一个电子，得到Au-和Ag+离子。通过比较在中性原子和带电离子上获得的Δf(V)谱，发现中性原子与带电离子的局域功函数差有约30 mV，且正离子和负离子具有相反的局域功函数差，实现了原子不同带电状态的识别和测量。通过针尖操控，可以实现Ausup-/sup离子、Au原子和Ausup+/sup离子的三态电荷调控(图9(D, E))。对于TTF-PYZ2这类自身带有电子给体和受体的双极性分子，利用局域功函数差的测量可以判定分子内电荷转移方向(图9(F-H))。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/685f29b1-7ffe-4236-adcf-e38f614dbfeb.jpg" title="9.jpg" alt="9.jpg"//pp style="text-align: center "strong图9 表面电荷分布测量/strong/psection style="box-sizing: border-box text-align: justify "section style="position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="display: flex flex-flow: row nowrap margin: 10px 0% position: static box-sizing: border-box "section style="display: inline-block vertical-align: top width: auto min-width: 10% max-width: 100% flex: 0 0 auto height: auto align-self: flex-start border-width: 0px margin: 0px 2px 0px 0px box-sizing: border-box "section style="text-align: right margin: 0px 0% justify-content: flex-end position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="display: inline-block min-width: 10% max-width: 100% vertical-align: top transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -webkit-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -moz-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) -o-transform: matrix(1, 0, -0.2, 1, 0, 0) border-style: none solid border-width: 1px 1px 1px 0px border-radius: 0px border-color: rgba(255, 255, 255, 0) rgb(92, 107, 192) rgb(92, 107, 192) rgb(223, 46, 0) padding: 5px 10px background-color: rgba(255, 255, 255, 0) box-shadow: rgba(255, 255, 255, 0) 0px 0px 0px line-height: 1 letter-spacing: 0px width: auto height: auto box-sizing: border-box "section style="text-align: justify font-size: 19px color: rgb(92, 107, 192) font-family: Optima-Regular, PingFangTC-light box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"p style="white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box "strong style="box-sizing: border-box "4/strong/p/section/section/section/sectionsection style="display: inline-block vertical-align: top width: auto border-width: 1px 0px 0px flex: 100 100 0% align-self: flex-start height: auto border-top-style: solid border-top-left-radius: 0px border-top-color: rgb(92, 107, 192) padding: 0px 10px box-sizing: border-box "section style="margin: 3px 0% 0px position: static box-sizing: border-box " powered-by="xiumi.us"section style="font-size: 17px color: rgb(92, 107, 192) box-sizing: border-box "p style="white-space: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px padding: 0px box-sizing: border-box "strongspan style="box-sizing: border-box "总结/span/strong/p/section/section/section/section/section/sectionp style="text-align: justify text-indent: 2em "应用qPlus传感器的NC-AFM使得扫描探针技术在空间分辨率上得到了提升，自从2009年Gross团队首次利用NC-AFM技术得到单分子内部原子结构成像后，该技术进一步应用在化学键键级、分子间氢键、卤键、表面纳米结构的研究中，通过3D NC-AFM技术还可以获得非平面分子的内部结构以及同时获得吸附分子和吸附基底的原子结构。NC-AFM技术对于研究表面原位化学反应、表面催化、低维材料等具有极大的优势。根据NC-AFM技术发展的谱学测量可以根据针尖与不同原子之间作用力的差异，实现对样品表面的原子操纵、元素识别、电荷分布测量等，对表面异质结和界面研究具有重要意义。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "尽管基于qPlus传感器的NC-AFM技术已经获得了相当的发展，但在技术以及应用体系上仍面临以下问题和局限：为了保证图片的信噪比和分辨率，扫描速度相对较慢，由此连带产生热漂移问题，热漂移等问题的存在使仪器需要在液氦温度下工作，成本较高，虽然目前在液氮和室温也得到了分子内部结构的图像，但分辨率与液氦温度下的图像相差甚远；由于STM和NC-AFM电极都集成在qPlus传感器上，工作时电流信号会对力信号产生串扰，与此同时电流的存在会在针尖和样品之间引入静电势，影响力信号的测量；对于力谱测量，针尖形状对针尖-样品间作用力影响极大，如何合理地扣除背景力，保留化学成键力成分，建立一套有效的力谱测量和分析标准也是亟待解决的重要问题。此外，对于qPlus NC-AFM的成像机制，尤其是考虑CO针尖偏转效应的前提下，仍具有一定的争议，需要更多的实验探索和发展相应的理论进行分析。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "为解决这些问题，科学家们致力于开发更高频的力传感器，优化传感器电路，发展详尽的NC-AFM力谱测量的理论和成像模拟理论，联合NC-AFM与其它技术(如STM、光谱等)，在提高空间分辨率的同时进一步提高时间分辨率。NC-AFM的快速发展为物理、化学、材料等研究领域带来了众多突破性的进展。目前，NC-AFM已能够达到亚原子级分辨率，这对在分子/原子尺度研究催化反应机理、化学成键机制等具有绝对优势，可以应用在分子筛、金属纳米颗粒、金属氧化物表面等催化体系的基础研究。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在未来发展中，NC-AFM与其它表面分析技术的联用将进一步拓宽其研究领域，例如，NC-AFM与STM模式的联用可以研究样品不同的结构和物理化学特性，是全面而深入地研究原子尺度接触问题不可或缺的工具；NC-AFM与光谱技术联用可以研究分子或材料内部原子结构与能带结构关系、光催化或反应过程的基元步骤；基于NC-AFM技术的KPFM也已经成为一种具有高空间分辨和能量分辨的表征手段，可以在表面构造功能纳米结构，并研究分子内电荷分布、电荷传输路径和化学反应活性等问题，为材料、物理、化学和生命科学研究提供了新的思路。/ppbr//ppstrong本文来自：/strong刘梦溪,李世超,查泽奇,裘晓辉.qPlus型非接触原子力显微技术进展及前沿应用[J].物理化学学报,2017,33(01):183-197./p

项目编号：ZFCG2021-034206-T00001-JH001-XM001项目名称：医疗器械检验设备购置其他专用仪器仪表采购项目预算金额：1300 万元（人民币）最高限价：1275 万元（人民币）采购需求：1. 货物需求一览表分包编号分包名称序号名 称台/套是否涉及进口涉及进口的设备是否须制造厂家授权书★交货期简要技术要求是否为核心产品分包预算（限价，万元）第一包全自动血液分析仪1全自动血液分析仪1否否60工作日1.线性范围：白细胞0-440 109/L,红细胞0-8.6 1020/L，血小板0-5000 109/L 2.正确度：白细胞≤3%，红细胞≤2%，血红蛋白≤3%，血小板≤5%；是50第二包层析纯化仪1层析纯化仪1是是120工作日1.流速准确度：±1.2%2.梯度流速范围：0.1-25 ml/min3线性：±2%，在0–2 AU之间；是80第三包全自动生化分析仪1全自动生化分析仪1否否60工作日1.波长范围340nm-800nm；2.吸光度线性范围：0 Abs -3.2Abs；是50第四包拧盖机等检测设备1拧盖机1否否60工作日产能≥20个/分是61.12雪花制冰机1否否60工作日制冰量 (kg/24h)≥40；否3涡旋振荡器2否否30工作日转速≥2800转/分；否4医用低温冰箱1否否60工作日有效容积：≥300L否5医用冷藏冷冻低温冰箱2否否60工作日有效容积（L）：≥450L，-20℃否6医用冷藏箱3否否60工作日温度2-8℃否7医用冰箱1否否60工作日冷藏温度2～8℃否8移液器八连排枪1否否30工作日量程：5-50μl否9精密干燥箱1是否60工作日温度范围 室温+10℃-300 ℃；是10ATP荧光检测仪1否否7工作日检测下限 ≤1.0 CFU/ml；大肠菌群 ≥1-106 CFU否11防护服微生物气溶胶穿透试验装置1否否60工作日符合YY/T 1799-2020 《可重复使用医用防护服技术要求》附录B要求是12粉红噪音发生器1否否5工作日符合IEC60065标准中4.1.6条否13质量流量计1否否30工作日150-250L/min否14医疗器械流量测试仪1否否15工作日压力输出误差不大于读数的±2.5%否15医疗器械密封性测试仪1否否15工作日压力输出范围高于当地大气压，20kPa～200 kPa否16缩水率试验机1否否15工作日最大洗涤容量及精度：5Kg±0.05Kg否17医用注射针针尖刺穿力测试仪1否否15工作日测试范围： 0~5N，精度：±0.01N；否18医用针针尖强度、刺穿力测试仪1否否30工作日符合 “YY0043-2016”《医用缝合针》的标准否19断裂力和连接牢固度仪测试仪1否否15工作日加值显示范围5～70N否20超声波清洗器1否否30工作日超声波功率≥ 600W否21旋涡振荡器1否否30工作日转速≥2800转/分否22台式 鼓风干燥箱1否否60工作日控温范围≥RT+10～200℃否23加热型多工位磁力搅拌器1否否30工作日转速范围rpm：≥50~2000否24马弗炉1否否35工作日控温范围：室温~1200℃否25风速仪2否否20工作日最大测量范围0~30m/s否第五包功率放大器等设备1射频切换开关1是否120工作日频率范围：DC-18GHz；否284.442信号发生器1是否120工作日频率范围：8kHz-6GHz是3功率探头1是否120工作日测量频率范围：8kHz-6GHz是4测试软件1是否120工作日与现有测试软件兼容否5功率放大器1是是120工作日频率范围：9kHz-250MHz是6电压暂降核查组件1是否120工作日负载精度：±10%否7注入网络：104界面1是否80工作日符合ISO14708-2:2005标准否8阻抗稳定网络ISN1是否80工作日抗扰度频率范围：150 kHz至80 MHz；否9暗室视频系统1否否40工作日实时全高清 1080P否10大气压变化测试工装1否否30工作日加压罐承压范围0.1-0.5Mpa否第六包脑电性能测试仪等设备1脑电性能测试仪1是否60 个工作日符合IEC60601-2-26的性能测试的标准要求是70.382光学PPG心率仿真器1是否60 个工作日BMP：30～300BMP（±1 BPM ）否3水听器前置放大器1是否60 个工作日带宽：10 kHz to 50 MHz (-3dB)，5 kHz to 100 MHz (-6dB)否4水听器前置放大器电源1是否60 个工作日驻波比 ：≤ 1.2 : 1否5高压差分探头1是否60 个工作日测试70 MHz 带宽，可选择设置 100:1 或 1000:1 衰减比否6空气压缩机1否否15 个工作日气流速值高于80NL/min否7牙科电动抽吸机1否否15 个工作日抽吸量大于250L/min。否8沙尘试验箱1否否30 个工作日沙尘浓度：2kg/m3否9电动万向龙门架1否否30 个工作日载重1吨否10直流电阻测试仪1否否15 个工作日测试电流：20mA、2.5A、5A、10A、20A、40A否11生理信号模拟器1否否60 个工作日满足GB 9706.25、YY1139-2013等标准及其最新版要求是12多普勒体模与仿血流控制系统1否否28 个工作日（1540±10）m/s（23℃），超声仿血管密度：0.930(g/cm3)否13超声多普勒胎儿测量仪检测装置1否否60 个工作日超声频率测量范围：(1.5—5)MHz；心率测量范围：（50—250）次/分否第七包中红外光电探测器等设备1中红外光电探测器1是否60 个工作日1. 探测器2.0 - 10.6 μm，带宽DC - 100 MHz否30.22剂量面积乘积仪1是否60 个工作日尺寸114 mm x 92 mm x 158 mm是3铅片1否否60 个工作日铅纯度99.9%否4磁氧分析仪1否否60 个工作日满量程： 0～100%，精度： ±0.2%否5胶片打印机1否否60 个工作日医用干式胶片，可输出胶片尺寸：14x17英寸、11x14英寸、10x12英寸、8x10英寸否第八包MR兼容矩阵1MR兼容矩阵1是是60 个工作日内探测器类型：改进型平行板电离室（核磁兼容）是80第九包测量模体1EPID摸体1是是60 个工作日内支持EPID的MV影像质量控制是602TPS剂量验证模体1是是60 个工作日内TPS剂量计算精度：验证蒙特卡洛计算精度，误差≤0.5%。是第十包呼吸门控模体1呼吸门控模体1是是60个工作日程控呼吸运动模体是55第十一包调强验证矩阵1调强验证矩阵1是是60个工作日常规灵敏度2 nC/Gy；线性误差≤ 1%是80第十二包矩阵软件升级1PTW矩阵软件升级1是是120个工作日现有设备功能升级是10第十三包数字切片扫描仪等设备1电热恒温培养箱1否否30个工作日控温范围≥RT+5～65℃否209.382数字切片扫描仪1是是60个工作日1.图像扫描倍数：20倍 和40倍；2.扫描切片类型：明场切片和荧光切片都可以扫描。是3微量输液泵3否否30个工作日流速选择：300、600、800、1200ml/h否4热原仪1否否60个工作日测温范围: 0℃～50℃否5外科手术器械快速干燥消毒器1否否30个工作日灭菌时间≤20秒。否第十四包冷热循环机等设备1冷热循环机1是否6个月水槽温度4℃~60℃是1032便携式粒子计数器1是否90个工作日粒径范围：≥0.1-10 μm；流量：≥28L/min是3x射线荧膜厚测试仪1否否15个工作日分析元素:16(S)-U(92)否4图形处理软件1否否180个工作日具有通过 4D 进行采集和设备控制否5显微镜相机1否否180个工作日高清相机配备至少590万像素的CMOS图像传感器否6露点仪1否否60个工作日冷镜式测量否7剥离抗张测试仪1否否5个工作日同时具备抗张和180°剥离两种测试功能否第十五包血气用气血平衡仪等设备1血气用气血平衡仪1否否60个工作日样品体积：1mL-5mL是51.52干化学尿液分析仪1否否60个工作日尿胆原、葡萄糖、酮体、胆红素、蛋白质等检测否具体要求详见招标文件“第四章 采购需求及技术要求”。合同履行期限：自合同签订之日起至全部货物供货安装完成之日止本项目不接受联合体投标。

2011年9月15日，宁夏回族自治区药检所采购68台医疗器械检测设备结果公布，采购金额高达1315万元。具体事项如下　　委托计划编号：2011NCZ0775 采购文件编号：NXSZ/A110826　　采购内容：医疗器械检测设备　　采购方式：公开招标 采购方法：综合评分法　　采购公告日期：2011年8月26日 定标日期：2011年9月15日　　采购人：宁夏回族自治区药检所 联系人：尹世清 联系电话：0951-4120230　　采购代理机构：宁夏圣泽招标有限公司 地址：银川市北京东路339号中房办公楼501室　　中标情况:标段号设备名称数量中标厂商及金额一标段（4台）连续波长扫描分析检测系统（进口）1套宁夏泷泽医疗器械有限公司216.6万元全自动生化分析仪（进口）1套全自动凝血功能分析仪（进口）1台双人生物安全柜（进口）1台二标段（14台）长度测量仪（进口）1台宁夏鲁建医疗器械有限公司200万元数字式厚度测量仪（进口）1台两工位爆破容量检测仪（进口）1台爆破容量仪校准仪（进口）1台避孕套环状和哑铃型测试样本制备用的模切工装（进口）1台手动切割压力机（进口）1台电子测漏仪（进口）1台医用空气压缩机组件1台水法真空箱，内置气动真空泵（进口）1台热老化箱1台色稳定性试验仪（进口）1台高低温交换装置1台自动温湿度记录器1台双频超声波清洗器1台三标段（2台）ICP-OES （进口）1台宁夏康君医疗器械贸易有限公司191.5万元红外显微系统（进口）1台四标段（24台）注射器滑动性能测试仪1台宁夏逸达恒商贸有限公司148万元注射器锥头多功能测试仪1台注射器器身密合性（负压）测试仪1台注射器器身密合性（正压）测试仪1台医用针管（针）韧性测试仪1台医用针管（针）刚性测试仪1台医用注射针针尖穿刺力测试仪1台断裂力和连接牢固度测试仪1台医疗器械密封性测试仪1台医疗器械流量测试仪1台输液器泄漏正压测试仪1台输液器泄漏负压测试仪1台医用缝合线线径测试仪1台缝合针韧性和弹性测试仪1台缝合针切割力测试仪1台缝合针针尖刺穿力和强度测试仪1台轮廓投影仪（进口）1台表面粗糙度测定仪（进口）1台旋转型游标卡尺（进口）1支太阳能数显卡尺（进口）1支助听器测试仪（进口）1台氧浓度分析仪（进口）1台露点仪（进口）1台自动电位滴定仪（进口）1台五标段（14台）成人标准温度计1套甘肃吉瑞仪器设备有限公司92.95万元新生儿标准温度计1套精密恒温水槽1台输注泵流量参数测试仪1台机械或数字微压表1台无油静音真空泵1台低温冰箱（进口）1台蠕动泵（进口）1台电子天平（进口）1台金相显微镜（进口）1台透氧仪2/21ML夹具（进口）1套电子拉力万能材料试验机升级（进口）1套澄明度检测仪1台尘埃粒子计数器1台六标段（6台）角膜接触镜规格测试仪（进口）1台宁夏鲁健医疗器械有限公司187万元透氧量检测仪（进口）1台角膜接触镜溶液法光学测试仪（进口）1台角膜接触镜片折光仪（进口）1台角膜接触镜厚度测试仪（进口）1台医疗用品综合测试系统试验机（进口）1套七标段（4台）高效液相色谱仪（1台 进口） 四元梯度泵1台北京德美中贸国际贸易有限公司279.8万元检测器（UV+示差）自动进样器 脱气机 柱温箱高效液相色谱仪（2台 进口）四元梯度泵1套检测器（DAD+ELSD）自动进样器 脱气机 柱温箱高效液相色谱仪（1台 进口）四元梯度泵1套检测器（DAD+ELSD）脱气机 柱温箱 自动进样器温控模块　　评标委员会名单：　　姚 宏 梁诗颂 祁学祥 刘吉祥 吴敬祝 尹世清 谢 鹏　　采购项目联系人：雷泽红　　联系电话/传真：0951-5170261　　Email：szbidding@163.com　　宁夏圣泽招标有限公司　　2011年9月15日

期刊：Food Hydrocolloids IF 11.504文章DOI：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022.108303 【引言】 目前，全球肥胖和高血脂症形势严峻，摄入脂质的消化和吸收一直备受关注。现在常用的抑制脂肪消化吸收的药物副作用明显，亟需寻找绿色、安全的治疗肥胖和高血脂的策略。众所周知，摄入的脂质首先需要由脂肪酶水解成游离脂肪酸，才能进一步被吸收，胆酸盐稳定的脂质乳液是脂肪酶发挥水解作用的关键平台和前提条件。对于生物活性物质对脂肪消化吸收的抑制，目前大多数研究只从生化角度关注活性物质对脂肪酶的直接抑制作用，而忽略了脂肪酶赖以发挥作用的胆酸盐稳定的脂质乳液平台这个关键前提。 【成果简介】 近日，北京林业大学生物科学与技术学院食品学科范俊峰教授团队在国际食品高水平期刊《Food Hydrocolloids》发表了题为“The interfacial destabilization of bile salt-emulsified oil droplets, essential for lipase function, is mediated by Lycium barbarum L. leaf polysaccharides”的研究论文，以胆酸盐稳定的脂质乳液平台为研究对象，创新性地从界面化学的视角揭示了多糖与肠道分泌的脂质消化剂之间的相互作用，为生物活性物质抑制脂肪消化的研究奠定了新的理论基础。 值得注意的是，本文使用便携式原子力显微镜nGauge对枸杞叶中提取的多糖进行了形貌表征。便携式芯片原子力显微镜nGauge具有小巧灵活、方便携带，操作简单，扫描速度快，可扫描大尺寸样品，一个针尖可以进行上千次扫描，无需维护、无需减震、超级稳定等优点，适合各类纳米表征应用场景，拓宽了传统AFM的应用范围！图1. nGauge便携式芯片原子力显微镜（AFM）实物图。左图为使用状态，右图为收纳状态。 【图文导读】 图2. 使用nGauge便携式原子力显微镜对从枸杞叶中提取的多糖进行形貌表征。（LP:多糖，LD:脱钙多糖,SP:多糖分解产物，SD：脱钙多糖分解产物）图3. 对获得多糖颗粒进行（A）粒径统计，（B）Zeta电位，（C）XRD，（D）FTIR 光谱表征。图4. 胆盐，多糖，胆盐-多糖的（A）三相接触角，（B）表面张力，（C）FTIR光谱。图5. 胆酸盐和多糖（A）以及胆酸盐和除矿物质多糖（B）之间的相互作用。 【结论】这些发现从界面化学的角度为植物源多糖对脂肪消化的影响提供了新的见解，也进一步加深了我们对多糖与肠道分泌的脂质消化物相互作用的理解。便携式芯片原子力显微镜nGauge也将继续助力食品科学、半导体工业、材料工业、纳米技术、生命科技、涂料，聚合物和复合材料等行业的发展。

项目编号：NMGZCS-G-H-220442项目名称：医疗器械检验检测仪器设备采购项目采购方式：公开招标预算金额：3,255,200.00元采购需求：合同包1(医疗器械检验检测仪器设备):合同包预算金额：1,668,000.00元品目号品目名称采购标的数量（单位）技术规格、参数及要求品目预算(元)最高限价(元)1-1其他医疗设备防护口罩死腔测试仪1(台)详见采购文件91,000.00-1-2其他医疗设备泄漏性测试装置1(台)详见采购文件610,000.00-1-3其他医疗设备抗刺穿性能测试仪1(台)详见采购文件68,000.00-1-4其他医疗设备纺织品热阻和湿阻测试仪1(台)详见采购文件570,000.00-1-5其他医疗设备防护服可燃性测试仪1(台)详见采购文件79,000.00-1-6其他医疗设备涨破仪1(台)详见采购文件173,000.00-1-7其他医疗设备医用针管（针）韧性测试仪1(台)详见采购文件38,000.00-1-8其他医疗设备医用注射针针尖穿刺力测试仪1(台)详见采购文件39,000.00-本合同包不接受联合体投标合同履行期限：合同签订后3个月内合同包2(医疗器械检验检测仪器设备):合同包预算金额：1,587,200.00元品目号品目名称采购标的数量（单位）技术规格、参数及要求品目预算(元)最高限价(元)2-1其他医疗设备抗噬菌体穿透性能测试仪1(台)详见采购文件300,000.00-2-2其他医疗设备阻干态微生物穿透性能测试仪1(台)详见采购文件350,000.00-2-3其他医疗设备湿态阻菌仪1(台)详见采购文件190,800.00-2-4其他医疗设备干态落絮测试仪1(台)详见采购文件413,900.00-2-5其他医疗设备6%（鲁尔）圆锥接头多功能测试仪1(台)详见采购文件144,500.00-2-6其他医疗设备医用针针管（针）刚性测试仪1(台)详见采购文件48,000.00-2-7其他医疗设备注射器器身密合性正压测试仪1(台)详见采购文件30,000.00-2-8其他医疗设备浮游菌采样器1(台)详见采购文件110,000.00-本合同包不接受联合体投标合同履行期限：合同签订后3个月内

p　　近日，日本数字影像技术巨头柯尼卡美能达公司(Konica Minolta)宣布，将以10亿美元现金收购美国癌症基因检测公司Ambry Genetics 。/pp　　据悉，Ambry Genetics提供多种遗传性和非遗传性疾病的检测，并包括肿瘤、心脏病、肺病、神经内科和普通遗传病的诊断。该公司由现任总裁Charles Dunlop和CEO Aaron Elliott共同创立于1999年，目前已经进行了超过100万例的基因测试，发现位于近500个基因上45000多种突变。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/8de52f8b-546b-42fd-b9eb-643f19242ce0.jpg" title="201707071430224550_副本.jpg"//pp style="text-align: center "Ambry Genetics的产品线/pp　　柯尼卡美能达对外公告称：通过此次收购，公司将建立其在医疗成像领域的生产能力，包括组织高灵敏度测试的、免疫组化染色技术，意味着其在精密医学领域的第一步。公司计划将Ambry的技术首先引进日本，然后再引进欧洲。/pp　　柯尼卡美能达总裁兼CEO Shoei Yamana表示，与Ambry在一起，将能集成一个基于基因和生化检测的诊断技术，并将医学界的发现转化为医学应用，提高疾病的预防能力，并有效地降低成本。这不仅将成为公司未来开展医疗保健业务的基础，而且会助力转变全球医疗方式。据悉，Konica Minolta 将先支付8亿美元的预付款，出资比率为柯尼卡美能达六成，日本产业革新集团( Innovation Network Corporation of Japan )四成。/pp　　柯尼卡美能达拥有分析细胞蛋白质的独创解析技术，但其主力的多功能一体机业务停滞不前，通过企业并购(M& A)强化着力发展的医疗相关业务，从而向制药公司和医院提供诊断服务。/pp　　癌症已成为日本人死因第一位，早期发现和特效药开发成为课题。据悉这是柯尼卡美能达历史上最昂贵的收购，这反映了其在打印机业务放缓之际进军医疗保健领域的雄心。/pp　　除了柯尼卡美能达外，日本许多巨头跨界进入医疗相关领域，譬如：尼康于2015年将英国视网膜成像诊断仪器生产商Optos收为全资子公司 佳能2016年以约6600亿日元收购东芝医疗系统 富士胶片控股2017年以约1500亿日元把试剂制造商和光纯药工业收入了旗下。/p

1 引言　　原子力显微术(atomic force microscopy，AFM)是从20 世纪80 年代发展起来的一种表面探测技术，其基本原理是利用带针尖的微悬臂探测针尖与样品间相互作用的大小和性质会随着针尖与样品间距离的变化而变化，从而可以获得样品的不同信息，实现检测目的。AFM 凭借其检测对象广泛，不受导电性能的限制，适用性强(在大气、真空、液体等环境下均可操作)以及超高的分辨率等优势，目前已发展成为基础科学及工业应用研究中获得微纳米尺度物质结构和信息的重要工具，在物理、化学、材料、生命以及工程等许多领域都有重要的应用[1]。本文重点论述AFM 的先进功能化探测模式及其在相关研究领域中的应用，并讨论其最新技术发展和应用等。　　2 原子力显微术功能化探测模式　　传统AFM的基本工作模式主要包括接触模式(contact mode)、振幅调制模式(又称轻敲模式，amplitude modulation 或tapping mode)、频率调制模式(又称非接触模式，frequency modulation 或noncontact mode)。当今，AFM 基于三种基本工作模式并结合特殊微悬臂已衍生发展出了一系列先进功能化探测模式，用于研究微纳米尺度下样品的各种物理性质等。下面从力学、电学、磁学、热学、光学等物性研究以及微纳加工等领域，对AFM技术与方法的最新进展做一简要介绍。　　2.1 力学测量　　在纳米材料和器件的诸多性质中，力学性质不仅面广而且也是评价纳米材料和器件的主要指标，是纳米材料和器件得以真正应用的关键。目前关于AFM的微纳米力学研究，已在纳米材料力学性质、纳米摩擦等领域取得了较大进展。在AFM接触模式下，研究样品材料微纳尺度内的形貌和力学性质(包括杨氏模量、硬度、粘弹性、粘附力等)时，其探测精度可达皮牛顿量级，为避免该模式操作导致的针尖尖端和样品的磨损问题，实验中通常采用弹性常数较小、尖端比较硬的金刚石探针[2]。对于大分子力学性质的研究，采用尖端较钝或平面型(采用化学或生物修饰)的探针，可同时进行横向摩擦力的测量，并可实现针尖样品在微纳米尺度下材料摩擦学性质的研究。最新发展起来的接触共振(contact resonance)等模式，为样品微区力学性质的研究提供了一个更加方便直接、准确的方法，具体将在多频AFM技术部分进行介绍。　　2.2 电学测量　　如果微悬臂是用导电材料制成或外层镀有导电金属层，则探针可作为一个移动电极来施加电压和探测电流，从而来研究材料的微区电学性质，该技术通常称为导电原子力显微术(conductive-AFM，C-AFM)。利用导电原子力显微术可以探测样品的表面电荷、表面电势、表面电阻、微区导电性、微区介电特性、非线性特性等，这对材料与器件的失效分析，探测材料和器件中的局域积累电荷，定量分析器件中界面的静电势分布等有重要的意义。　　在接触模式下，随着光电材料、热电材料等新兴材料的成熟与电子技术的发展，导电原子力显微术可以采用这些新兴材料来提供激励，替代传统的直接在针尖上施加一个交流电压的激励方式，去探测样品的微区电学信号，或者对样品进行可控电荷注入等方式去实现探测功能，大大扩展了原子力显微术的功能性。　　在动态非接触模式下，最具发展潜力的电学测量模式是扫描开尔文探针显微术(scanning Kelvin probe microcopy，SKPM)，其工作原理是当导电针尖接近样品表面时，由于两者功函数的不同，针尖—样品间会产生静电相互作用，即接触电势差(contact potential difference，CPD)，从而实现样品探测，主要有电压调制SKPM和F(V)曲线两种工作模式。一般而言，静电相互作用力与偏压的平方成正比，F(V)曲线的抛物线顶点对应的偏压即为样品与导电探针间的接触电势差，而对应的力F 则为补偿静电力后的针尖—样品间相互作用力。电压调制的SKPM的核心技术是在样品与针尖之间同时施加交流和直流偏压，通过反馈回路调节直流偏压，使得交流偏压引起的微悬臂振动的振幅达到最小，此时的直流偏压就是接触电势差，因此该模式可以结合多频AFM新技术进行单次扫描，实现样品形貌、表面功函数等信号的探测。基于多频AFM技术的SKPM，通常是结合轻敲模式和非接触模式实现的，此时除存在测量样品形貌的微悬臂振动外，还存在交流偏压引起的微悬臂振动。在实际应用中，要仔细考虑两个振动间的相对频率和振幅等参量，避免相互串扰。目前SKPM的空间分辨率和能量分辨率得到了显著提高，可以在原子尺度上以几个meV的能量分辨率对材料表面的接触电势差进行成像测量，具有单电子灵敏度，可以检测量子点的单电子充放电等。原子尺度的空间分辨率和单电子灵敏度使得SKPM成为了物理、化学和材料等研究领域的重要工具。在动态模式下，还可以通过导电原子力探针将微波或射频信号加载在探针与样品之间，进一步实现对包括电容、阻抗以及微分电容和微分电阻等在内的样品微区电学性质进行研究，这就是最近发展起来的一种功能化AFM技术。　　2.3 磁学测量　　磁性纳米结构和材料在高密度磁存储、自旋电子学等领域有着广泛的应用前景，高空间分辨的磁成像和磁测量技术将有利于推动磁性纳米结构和材料的研究。基于扫描探针及其相关技术，发展出一系列纳米磁性成像与测量的技术和方法，包括磁力显微术、磁交换力显微术、扫描霍尔显微术、扫描超导量子干涉器件显微术、扫描磁共振显微术以及自旋极化扫描隧道显微术等。　　磁力显微术(magnetic force microscopy，MFM)，是实现磁性材料表面微区磁结构测量的重要技术，但在测量中由于磁场势的矢量性以及样品和针尖的磁结构状态会相互影响，因此MFM测量结果的清晰解读是非常困难的。为解决这一问题，将磁场测量微器件，如超导量子干涉器件(SQUID)及霍尔型器件等，集成在微悬臂探针上， 即扫描SQUID 显微术和扫描霍尔显微术(scanning Hall probe microscopy，SHPM)，可用于样品表面微区磁场分布的定量化图像分析，空间分辨率可达几十纳米，并可进行微区磁化性能曲线测量，实时磁现象的动态测量等。这几种磁探测技术获得的图像分辨率一般为几十纳米，可以用来研究铁磁样品的磁畴结构等。如果想进一步研究磁畴结构内部的原子自旋排列，就需要能够在原子尺度下实现畴结构和单个原子的磁成像，可通过自旋极化扫描隧道显微术(spin polarized-STM，SP-STM)、磁交换力显微术(magnetic exchange force microscopy，MExFM)、以及磁共振力显微术(magnetic resonance force microscopy，MRFM)等来实现。2013 年，基于qPlus 型原子力传感器的MExFM，利用强磁各向异性的金属SmCo 针尖，实现了反铁磁绝缘体NiO(001)表面镍原子的自旋有序结构成像，测量得到的针尖—样品原子间交换相互作用强度为~1 meV，衰减常数为~18 pm[3]。磁共振力显微术是具有三维空间分辨能力的磁共振技术与AFM的结合，基本原理如图1(a)所示，可在原子尺度上实现三维样品(如蛋白质等生物大分子)的空间成像，具有单自旋的探测精度[4]，还可以作为量子比特的读出器件，用于量子计算、存储等量子工程学中，但通常需要比较苛刻的低温和真空环境等。　　　　图1 (a)MRFM原理图 (b)基于金刚石NV色心的AFM光探测磁共振技术原理图　　近几年来，基于金刚石氮空位色心(NV center)的光探测磁共振技术(optically detected magnetic resonance，ODMR)发展迅速(基本原理如图1(b)所示)，并通过与AFM技术结合，可以实现纳米级的高空间分辨以及单电子自旋甚至是单个核自旋的超高探测灵敏度[5]。光探测磁共振技术是基于光学检测的电子自旋共振技术，其原理是利用共聚焦显微镜来检测NV色心自旋依赖的荧光强度。在AFM探针尖端嵌入含有NV色心的金刚石纳米晶粒，当探针尖端逼近样品表面时，NV色心的能级会受样品磁场的影响而发生塞曼劈裂。当探针的激励微波频率与NV色心的电子自旋共振(ESR)频率相一致时，NV色心的荧光强度会显著下降。通过监测NV色心荧光强度，并利用锁相环技术控制微波频率，使得其随针尖扫描时始终处于ESR 状态，记录下针尖位置与相应的ESR频率，再利用ESR频率和磁场的相互关系，得到磁场的位置像。基于金刚石NV色心的AFM技术，是发展和研究高密度磁存储、自旋电子学、量子技术应用等的新技术，将在量子工程学，化学与材料科学，以及生物和医疗科学等研究领域有着广泛的应用前景。　　2.4 热学测量　　目前，微纳米尺度下的热物性研究受到了极大的挑战：一方面，许多热物性的基础概念性问题不清楚，如微观尺度下非平衡态的温度如何定义等 另一方面，传统测试系统由于自身精度限制，很多热物性参数都无法直接测量，因此，无论是微纳尺度下热传导等的理论机制研究，还是微纳电子学和能源器件中的热传导、热耗散、热转换以及新型纳米结构热电材料等应用领域的研究，都迫切需要发展出一种能够在微纳米尺度上测量与表征材料热物性的实验手段。　　将原子力显微术与热学功能化(测温、加热等)微悬臂探针技术结合的扫描热显微术(scanning thermal microscopy，SThM)，可以实现微纳米尺度下的热物性测量(包括局域温度、热导、原子尺度热耗散等)。SThM的技术核心是将温度测量元件如热电偶或电阻型温度传感器(如铂电阻)等，通过复杂的微加工技术集成到AFM微悬臂探针上并通过外部电子学部分实现温度测量。通过将加热元件集成在微悬臂探针上，则可制成纳米级的“热源”探针，实现局域加热控温功能，即高温加热型AFM(high temperature AFM，HT-AFM)，如图2 所示。目前，HT-AFM 通常利用的是微悬臂尖端的局域低掺杂技术，其加热升温速率最高可达600000 ℃/min，最高温度可达1000 ℃，为了确定高温热源探针的温度，每个探针都需要仔细校准。HT-AFM 技术还可以用于研究非均匀样品的局域物化性质，例如共聚物或纳米复合材料的局域相变(玻璃化、结晶化等)温度等。进一步将导电探针技术与热学探针技术相结合，可以实现与温度依赖的电学性质研究，如纳米结构材料的热电性质，原子/分子尺度的电热转换等[6]。对微纳米尺度的热效应进行利用，可以为微纳米尺度研究提供新的维度和平台，如利用HT-AFM能够将样品局域加热升华脱附的特点，进一步与质谱(mass spectroscopy，MS)技术相结合， 将可以在大气环境下实现微纳米尺度的样品成分分析，非常值得关注[7]。　　　图2 (a)集成热电偶和导电层的SThM探针原理图(Δ VTC 为热电势) (b)HT-AFM的“热源”探针的基本原理图　　2.5 光学测量　　突破光学衍射极限实现纳米级的光学成像与探测，一直是光学技术发展的前沿。2014 年诺贝尔化学奖授予了突破光学衍射极限的超分辨光学显微成像技术，包括受激发射损耗显微术、光敏定位显微术、随机光学重建显微术、饱和结构照明显微技术等。将AFM与光学技术结合起来，可以研究微纳米尺度下的光学现象和进行光谱探测，其中最常见的是扫描近场光学显微术(scanning near-field optical microscopy，SNOM)。　　最近发展起来一些基于AFM的超高分辨光学技术，如散射型近场光学显微术(scattering- SNOM，s-SNOM)、纳米红外光谱技术(nanoIR 或AFM-IR)在纳米光学、等离子体光学等方面有重要作用[8]。如图3 所示，s-SNOM 技术是将入射光聚焦到外层镀有光滑金属层的AFM探针尖端，由于探针与样品之间的近场相互作用，在针尖尖端出现纳米聚焦效应，从而影响并改变了背散射光，通过在AFM 扫描样品形貌的同时，收集并分析背散射光可以得到超高分辨率的光学图像。AFM-IR是利用光热诱导共振(photothermal-induced resonance，PTIR)将具有高空间分辨率、纳米级定位和成像功能的AFM与红外光谱技术结合，使红外光谱的空间分辨率提高至100 nm以下，从而突破了光学衍射极限，能够给出样品纳米尺度下的样品化学与结构信息，使得纳米尺度红外光谱测试成为可能[9]。在AFM-IR中，使用连续可调脉冲红外光源照射样品，样品分子吸收特定波长的红外辐射产生热量，从而引发样品快速热膨胀，使接触样品的AFM微悬臂探针产生共振振荡，振荡波以铃流的形式衰减，采用傅里叶变换法对铃流进行分析，即可获得振动的振幅和频率，通过建立微悬臂的振幅与红外光源波长的关系，可得到局部吸收光谱。将红外光源调整为单波长，可以实现特定波长下同步的样品表面形貌和红外光谱吸收成像，提供超高分辨率的样品组分分布。AFM-IR 可以广泛用于软物质研究中，如聚合物共混物、电纺纤维、细胞、细菌、淀粉样聚集体等。　　　　图3 AFM-IR和s-SNOM的基本工作原理　　2.6 微纳加工技术　　随着器件小型化和高集成度的快速发展，微电子工业的芯片制造工艺逐渐向10 nm 甚至单纳米尺度逼近时，传统的电子束曝光(electron beam lithography，EBL)技术和极紫外光刻(extreme ultraviolet lithography，EUV)技术已难以满足未来技术的发展需求，亟需发展一种能在纳米尺度实现高分辨率、高稳定度、高重复性和大吞吐量且价格适宜的曝光技术。　　原子力显微术作为一种具有纳米级甚至原子级空间分辨率的表面探测表征技术，其在微纳加工领域的应用为单纳米尺度的器件制备提供了新的思路和契机，具有广阔的应用前景[10]。在过去的几十年中，基于AFM平台发展出的微纳加工技术得到更广泛的应用，尤其是局域热蒸发刻蚀技术和低能场发射电子的刻蚀技术(如图4 所示)，可以在大气环境下成功实现纳米尺度的图案加工，并可及时对图案进行原位形貌表征，设备简单且使用方便。AFM局域热蒸发刻蚀技术已经在高聚物(PPA)分子表面成功实现了线宽达8 nm 的三维图形刻蚀，且硅基上的转移图案线宽可达20 nm以下[11]。在真空环境下，利用模板在表面直接沉积材料实现微纳米图案加工的模板加工技术，避免了涂胶、除胶以及暴露大气等污染过程。通过将模板集成到AFM 微悬臂上，可以实现基于AFM的纳米刻蚀技术，可以在特定样品区域进行微纳加工图案化，如制备电极等，这将在环境敏感材料的物性研究等领域具有重要应用前景。　　　　图4 低能场发射电子的刻蚀技术　　在微纳米尺度上对微悬臂的激励和检测方式是多种多样的， 可利用如压电效应、电容效应、热双金属片效应、压阻效应等。目前，利用微纳加工手段将微悬臂的激励装置和形变检测装置都直接集成一体，成为自激励、自检测式阵列化探针，它们的应用大大提高了SPL 技术的通量，使得实现高效率大面积的纳米级高分辨率刻蚀成为了可能。　　3 先进AFM 技术发展　　原子力显微术不仅在功能化以及相关技术结合方面的研究有了许多进展，而且AFM本身也在朝着更高精度、更高分辨、更快速度、更多功能等多个方面不断发展。　　3.1 qPlus 型AFM 技术　　qPlus 型AFM技术是使用石英音叉型力传感器代替传统的硅悬臂传感器，其中石英音叉的一个臂固定在基座上，而另一个自由悬臂和固定在其顶端的探针在压电陶瓷激励下以设定的恒定振幅振动，通过压电效应检测悬臂振动信号，具有恒频率偏移和恒针尖高度两种扫描成像模式。qPlus 型AFM技术具有很多传统原子力显微术不可比拟的优势，例如：(1)石英音叉悬臂的高弹性系数使得探针可以在亚埃振幅下工作，从而大幅提高了扫描成像时起主要贡献的化学短程力的探测灵敏度，可获得极高分辨的AFM图像 (2)石英音叉共振频率随温度变化很小，大大降低了热漂移问题 (3)石英音叉传感器体积较大，容易粘上不同材料和性质的针尖或功能微纳器件，使其具有更强的功能拓展性 (4)此AFM技术是基于压电效应来检测信号，不需要引入激光，避免了激光产生的热效应，适用于在极低温下工作。目前已有多个研究组在此技术上取得了成果，如基于qPlus 型AFM技术的SKPM，可以区分单个原子的不同带电状态以及对单个分子内的电荷分布进行成像等[12]。如图5 所示，基于恒针尖高度的qPlus 型AFM技术，利用一氧化碳分子修饰的针尖实现了分子化学结构的超高分辨以及分子内共价键和分子间相互作用的成像等[13]。　　　　图5 (a)基于qPlus 型AFM技术的探针实现分子化学结构成像的原理图 (b)并五苯分子的化学结构模型与对应的AFM图像 (c)国家纳米科学中心研制的qPlus 型原子力传感器的光学显微镜照片　　3.2 光热激励技术　　在AFM轻敲模式中，通常采用压电陶瓷的机械激励方法，使微悬臂探针在其共振频率或其附近振动。此方式简单易行，但并不能提供一个干净、稳定且不依赖于频率的激励，而是依赖于压电陶瓷与微悬臂探针的机械耦合以及整个AFM探头部分的复杂机械共振行为，尤其对于液体环境下的AFM影响更为严重，很容易产生假象等。因此，引入了光热激励技术，利用另一束聚焦激光束的热形变效应来激励微悬臂，并通过调节激光功率(大小和频率)来控制微悬臂探针的振幅和频率，很好地克服了传统压电陶瓷激励的困扰，探测振幅可以降到几个埃的量级，从而能够探测短程力，实现原子分辨，具有重要而广泛的应用[14]。　　3.3 快速AFM 技术　　通常的AFM扫描速度较慢，不能满足许多动态现象的研究需求，快速AFM 技术(high speed AFM，HS-AFM)的核心限制因素是微悬臂探针的自然带宽，其在真空、大气及液体环境下分别是几赫兹，几千赫兹和几万赫兹。因此，在液体环境下更容易实现HS-AFM，但还需要具有高带宽(兆赫兹级)的低噪音、跨阻型放大器，需要更快的锁相解调时间来降低单个扫描中单个像素点的停留时间，需要光热激励技术和快速扫描器以及信号处理系统等。目前，HS-AFM 的扫描速度已可达到视频速度， Kodera 等人利用HS-AFM以前所未有的时间分辨率对沿肌动蛋白细丝运动的肌浆球蛋白-V直接进行了观察[15]。　　3.4 多频AFM 技术　　多频AFM(multifrequency AFM，MF-AFM)技术，简单来说就是微悬臂在多个频率下振动，并用来探测样品性质的一大类AFM技术，包括频带激励(band excitation)、双频追踪(dual resonance frequency tracking，DRFT)、边频带探测(sideband detection)、双模式(bimodal) 以及微分法(dip-df method)等[16]。下面以研究样品力学性质中用到的接触共振技术为具体例子，对多频AFM技术进行简单介绍。　　接触共振(contact resonance) 技术的基本原理，是当微悬臂探针与样品接触时，微悬臂探针的共振频率会发生变化，在接触模式下进行样品形貌扫描的同时，通过压电陶瓷激励微悬臂探针或样品实现小振幅高频共振，采用锁相环共振频率追踪(PLL frequency tracking)、扫频(frequency sweep)以及频带激励和双频追踪技术，测量其共振频率和品质因子，与传统的接触模式相比，可以减小扫描过程中的针尖和样品磨损，增加导电原子力探针与样品的电学接触等。针尖—样品接触可以用Kelvin—Voigt 力学模型来描述，如图6所示，其中弹簧和阻尼器分别代表样品的硬度(弹性)和能量耗散(粘性)，样品硬度越高则接触共振的频率越高，样品粘性越大则能量耗散越大，对应的品质因子则越小，并可以进一步根据标准力学模型计算出样品的弹性模量(elastic modulus)和损耗模量(loss modulus)。在调幅-调频模式(AMFM mode)下，也可以研究样品的粘弹性等性质，利用两个不同频率的激励信号来激励微悬臂振动，其中低频的振动信号采用振幅调制模式来得到样品形貌，而高频的振动信号采用频率调制模式来获得共振频率和振幅，分别反映了样品的硬度(弹性)和能量耗散(粘性)。此外，DRFT技术还可以解决由于多铁材料中存在反平行畴区，使得PFM的锁相环回路不稳定的问题等。MF-AFM技术是AFM技术发展的前沿核心，在材料、生物、纳米力学等许多领域具有重大应用前景，如实现材料亚表面甚至是细胞内部纳米颗粒的成像等[17]。　　　　图6 (a)AFM探针—样品接触的Kelvin—Voigt力学模型 (b)频带激励模式的原理示意图　　4 结束语　　原子力显微技术作为微纳米尺度下的“眼和手”，原则上说任何宏观表征与测量手段都可以与之相结合，实现微纳米级的空间分辨率。因此，原子力显微术在物理学、化学、材料科学、生命科学以及工程技术等许多领域都具有非常广阔的发展和应用空间。国内在先进原子力显微技术及其应用方面的研究还相对比较薄弱，这需要我们付出更多努力，在相关技术方法探索、仪器发展以及理论完善等方面做出自己的贡献。通过本文介绍的原子力显微术最新技术及其在功能化探测方面的新进展，也可以为相关领域的研究者基于先进原子力显微技术开展前沿研究工作提供线索和思路。参考文献　　[1] Bhushan B. Springer Handbook of Nanotechnology：Scanning Probe Microscopy. Third edition，2010　　[2] López-polín G，Gómez-Navarro C，ParenteV et al. Nature Physics，2015，11：26　　[3] Pielmeier F，Giessibl F J. Phys. Rev. Lett.，2013，110：266101　　[4] Rugar D，Budakian R，Mamin H J et al. Nature，2004，430：329　　[5] Balasubramanian G，Chan I Y，Kolesov R et al. Nature，2008，455：648　　[6] LeeW，Kim K，JeongWet al. Nature，2013，498：209　　[7] Ovchinnikova O S，Kjoller K，Hurst G B et al. Analytical Chemistry，2014，86：1083　　[8] Chen J N，Badioli M，González PA et al. Nature，2012，487：77　　[9] Katzenmeyer A M，Chae J，Kasica R et al. Advanced Optical Materials，2014，2：718　　[10] Pires D，Hedrick J L，Silva A D et al. Science，2010，238：732　　[11] Garcia R，Knoll AW，Riedo E. Nature Nanotechnology，2014，9：577　　[12] Mohn F，Gross L，Moll N et al. Nature Nanotechnology，2012，7：227　　[13] Gross L，Mohn F，Moll N et al. Science，2009，325：1110　　[14] Labuda A，Cleveland J，Geisse N A et al. Microscopy and Analysis，2014，28(3)：21　　[15] Kodera N，Yamamoto D，Ishikawa R et al. Nature，2010，468：72　　[16] Garcia R，Elena T，Herruzo E T. Nature Nanotechnology，2012，7：217　　[17] Tetard L，Passian A，Venmar K T et al. Nature Nanotechnology，2008，3：501　　本文选自《物理》2016年第3期

section style="margin-right: auto margin-left: auto background-image: url(" wx_fmt="jpeg") background-repeat:"随着扫描探针显微镜（SPM）在二十世纪八十年代的出现，大气环境中的纳米尺度成像成为了可能。该技术使材料表面各种物理特性的表征得以快速持续的发展，然而如何实现纳米尺度的的化学结构表征仍是一项挑战。拉曼光谱为分子结构和化学组分分析提供了有效的解决方案，广泛应用于材料科学和生命科学领域。但是这种方法的空间分辨率在很大程度上受限于光学衍射极限。因此，将这两种技术结合是极富吸引力和挑战性的，引领我们进入纳米光学的世界。在该领域，HORIBA Scientific 通过几十年的经验积累和努力，开发了一套 HORIBA NANO Raman 的整体解决方案，使其成为一个通用且功能强大、使用简便、快速可靠的分析工具。HORIBA NANO Raman1重要特征1多种样品分析平台高分辨样品扫描器，扫描样品面积从纳米尺寸至样品台极限2简便易操作全自动操作，极大缩短了测试时间3真共聚焦高空间分辨率，自动成像平台，多种显微镜可视观察系统4高灵敏度最多只有三面反射镜，灵敏度和光通量得到极大提高，提高设备稳定性5高光谱分辨率多光栅自动切换，宽的光谱范围用于拉曼和 PL 测试6纳米尺度空间分辨率通过针尖增加拉曼光谱 (TERS) 成像，实现 10nm 的空间分辨率7多种测试模式 / 多种环境多种 SPM 模式，包括 AFM、导电 AFM、开尔文、STM 模式，可以子在液体和电化学环境下测试，通过 TERS 和 TEPL 技术，可同时获得化学信息成像通过一台电脑即可控制及使所有功能。另外，SPM和光谱仪也可以单独控制使用8稳定性采用新一代 50 KHz 高频调制 SPM 扫描器，远离生活噪声，具有高信噪比和稳定性9灵活性具有顶部、底部、侧向等多个方向拉曼探测能力，满足各方面应用研究需求2强有力的的物理、化学结构表征工具1功能强大 可同时进行 SPM 和拉曼光谱测试 顶部和侧向均可使用高数值孔径 ×100 物镜，使得同区域测量能获得更高的空间分辨率，针尖增强拉曼 (TERS) 具有高的信号收集效率 通过 SWIFT XS 和 EMCCD 探测器可以实现高通量信号收集能力和快速扫描速度 宽光谱范围：从深紫外到近红外 可选配 HORIBA 拉曼光谱仪系统以获得高光谱性能2操作简单、快速！ 一键完成“悬臂梁 - 参考激光”对准及调谐频率优化，无需手动调整 换针尖时无需移动样品，换完针尖后还能很容易回到原来样品位置 通过物镜扫描器自动完成拉曼激光与 TERS 针尖耦合 通过一台电脑即可完全控制3操作简单的TERS系统01稳定的 AFM-TERS 针尖拉曼和扫描探针显微镜可以偶联成为一套系统，同Omni TM 型号的 TERS 探针，可同时获取样品表面形貌和 TERS 光谱。HORIBA 的 HORIBA NANO Raman 系统结合 Omni TM 的 TERS 针尖提供了理想的增强方案。 适用不同方向的 TERS 耦合 : 顶部、侧向和底部 多层结构：针尖优化最小化的减少硅衬底中光谱干扰 惰性气体包装延长针尖的使用寿命 具有特殊保护层的 Ag 针尖能够防止大气环境下氧化02如何实现 TERS在 TERS 系统，拉曼激光1聚焦到镀有金或银的针尖尖头2，选择合适的激发波长，在针尖十几纳米附近产生局域等离子体共振效应3，拉曼信号强度和局域电场成正比，增强的热点和样品接近就会极大地增强样品的拉曼信号，达到 105 或者 106 4。03什么是同区域成像拉曼和扫描探针显微镜可以偶联成为一套系统，同区域成像测试是在同一个区域内同时或者连续获得 AFM 图和拉曼成像图。AFM 和其他的 SPM 技术如 STM, 音叉模式（正交力和剪切力）可以提供表面形貌，力学性能，热学性能，电学和磁学性能以及分子分辨率测试，另一方面共焦拉曼光谱和成像提供材料的化学信息，受到空间分辨率的限制。04可验证的 TERS 样品HORIBA 提供一系列的测试样品包括单壁碳纳米管和氧化石墨烯，适当的分散可以做 TERS 成像。样品用来展示 AFM 的分子分辨率，通过 TERS成像展示 20 nm 的空间分辨率。4集成化软件——一个软件控制 HORIBA NANO Raman的数据采集 集成化软件：一个软件即可控制HORIBA NANO Raman整个平台（包括单独AFM、拉曼、光致发光、同区域成像测试和 TERS） 强大的 Labspec6 软件：集成多变量分析模块，一键完成PCA,MCR,HCA,DCA 分析 独有的 Spec-top 成像模式：Spec-top为特有的轻敲模式，根据设置的步进轻敲样品，这样既保留了针尖的尖锐度，也提高了 TERS 信号的放大倍数。 Dual-spec 模式：Dual-spec 可以同时获得近场增强信号和远场拉曼信号，基于差谱的方法扣除远场拉曼信号，获得高空间分辨率的 TERS 成像图多变量分析：全矩形扫描区域会消耗大量时间，可以在 AFM 图上选择不规则区域来做成像 曲线图：力曲线测试反映材料的硬度或者吸附力分布，力学常数创新点：高分辨样品扫描器，扫描样品面积从纳米尺寸至样品台极限高空间分辨率，自动成像平台，多种显微镜可视观察系统多光栅自动切换，宽的光谱范围用于拉曼和 PL 测试通过针尖增加拉曼光谱 (TERS) 成像，实现纳米级空间分辨率多种 SPM 模式，包括 AFM、导电 AFM、开尔文、STM 模式，可以子在液体和电化学环境下测试，通过 TERS 和 TEPL 技术，可同时获得化学信息成像通过一台电脑即可控制及使所有功能。另外，SPM和光谱仪也可以单独控制使用HORIBA NANO Raman系统

在个性化医疗的需求中，便捷安全的微针给药技术在近些年快速发展，其能够极大提升医疗体验，降低成本，已经被广泛应用实践。而不同场景往往需要不同的给药配置，特别是对于急性疾病，快速响应的给药具有重要意义，这也对传统基于溶解释放等被动式微针提出了挑战。近日厦门大学陈鹭剑教授与胡学佳助理教授提出一种新型的主动药物递送机制，团队在声学与微结构相互作用机理研究基础上，提出利用PZT在微针针尖诱导涡流，产生微泵效应，并通过贴片的集成设计，实现智能的按需药物释放。相关研究以题为：“On-demand transdermal drug delivery platform based on wearable acoustic microneedle array”发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。该研究提出的智能的声响应药物释放微针如图1所示，该可穿戴器件包括一个PZT驱动电路，PZT贴片和空心微针，并通过蓝牙与手机交互，通过预先设定程序或者实时调控，能够控制PZT产生声波信号，并驱动特殊设计的针尖尖端产生高频振动。这种振动在针尖产生了能量耗散并制造涡流效应，其能够将针内药物主动向外泵送。而通过程序控制的声波信号强度与持续时间调制，能够实现较为精准的药物递送。其中如图2所示，该空心微针使用了摩方精密公司的nanoArchS130高精度3D打印机制造，该阵列由10×10个微针单元组成，每个单元高1000微米。SEM图表明，打印的器件具有较高的精度，保证了针尖的锐度以及均一性（图2a），从而针尖可在声学驱动下产生较强涡流效应。此外，对该打印的微针的性能测试也表明，该光敏树脂材料具有较高的强度，从而保证良好的刺入性能，且能避免体内折断风险。图1.声学响应智能微针示意图。图2. 3D打印的空心微针阵列。（a）微针阵列SEM图。（b）微针力学性能测试示意图。（c-d）微针单个针尖力学测试数据，及对应微针形变图。在图3中展示了通过有限元模拟以及染料模拟实验论证该针尖涡流的微泵效应，模拟结果中箭头展示了流场分布，颜色图绘制了声场能量梯度，实验中声学信号设置为34KHz，幅度为40Vpp， 实验与模拟结果能较好吻合。而为了更好模拟在皮下的泵送效果，在图3h中，研究人员使用组织模拟凝胶验证药物注入效果，当声信号幅度设置在40Vpp左右时，可以看到荧光药物能够快速在凝胶中释放并累积。图3.声学响应的微针涡流效应模拟与实验结果。（a-c）有限元模拟针尖涡流微泵效应，在34Khz声波激励下，针尖结构附近产生两个涡流区域，并产生自内向外的相反涡流场，引导内部流体向外抽注。（d-e）使用模拟药物验证声学激励的涡流与泵送效应。（h）在凝胶中验证微针泵送能力。最后，研究团队论证了该器件应用于小鼠进行主动药物递送的潜力，微针中装载10%荧光素钠，通过预先设定的程序释放，并实时进行眼底荧光成像。荧光素钠作为眼底荧光素血管造影技术中常用的药物，当循环至眼底血管中时，能够发出被观察到的荧光，从而通过记录眼底荧光强度方便实时计算反应体内药物浓度。在图4a-c中展示了该微针贴片在声信号下作用的热效应以及撤去微针后皮肤的恢复情况。而在图4d-f则展示了在主动声波信号施加后眼底荧光变化，通过控制声波信号的时间与强度，能够较为精准的控制药物释放的时间以及药物注射量，从而满足不同的给药需求。图4.（a）小鼠体内的声学主动药物递送。（b）微针贴片区域在声场信号施加情况下温度变化。（c）小鼠腹部微针针孔随着时间推移快速愈合。（d）使用微针注入荧光素钠药物，并记录的小鼠眼底荧光图。（e-f）基于微针的单次与多次药物注入情况下，眼底荧光随时间变化，其中I.P.组为手动皮下注射组。该智能微针通过声波耦合驱动技术，提供一种精准而有效的药物递送策略，声波相比于其他响应技术具有易于集成、低成本且生物亲和的优势，方便进行可穿戴设计和智能化控制。此外针尖的声波空化以及声热效应具有促进药物在组织内吸收的潜力。这些独特优势也让该技术在个性化医疗场景下展现出较大的应用前景。论文信息：Qian Wu, Chen Pan, Puhuan Shi, Lei Zou, Shiya Huang, Ningning Zhang, Sen-Sen Li, Qian Chen, Yi Yang, Lu-Jian Chen, * Xuejia Hu*. On-demand transdermal drug delivery platform based on wearable acoustic microneedle array. Chemical Engineering Journal. 2023, 477,147124.

HORIBA已经成功将AFM和Raman这两种技术耦合起来，两者的功能模式在升级后的AFM-Raman系统中均能使用。我们为您提供了高影响因子AFM/TERS/TEPL相关论文，您可点击左下角“阅读原文”查看论文列表，包括：针尖增强拉曼光谱的纳米化学成像单碱基分辨率的TRES成像......您还可点击下方二维码，查看《Nature》论文原文——纳米尺度下捕获羧基氧化石墨烯的原位化学和电位成像。升级AFM-Raman系统后，您将能够全面应用拉曼、光致发光、原子力显微镜、针尖增强拉曼光谱(TERS)、针尖增强光致发光（TEPL）以及许多其他与光谱测量相关的原子力显微镜模式。这也为分子表征、一维和二维材料表征以及半导体纳米结构和生物材料的表征提供了一种全新的技术。无论您现在使用的是XploRA、LabRAM HR Evolution拉曼光谱仪，还是iHR光谱仪，都可以通过我们的AFM及其光学平台Omegascope，将您的仪器升级到纳米拉曼NanoRaman™ 。升级后的HORIBA NanoRaman™ 系统，能够在同一系统中全面应用拉曼、AFM、TERS、TEPL和许多其他相关技术，对于科学研究来说无疑是一大助力。您可以在HORIBA的NanoRaman™ 系统产品手册中更深入地了解到关于AFM升级后的产品及其应用。（扫描下方二维码下载产品手册）如果您购买过HORIBA拉曼光谱仪，您可扫描下方二维码提交升级需求，我们会安排专业的工程师联系您，为您解答系统升级的相关疑惑。HORIBA科学仪器事业部HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案，如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术，旗下Jobin Yvon光谱技术品牌创立于1819年，距今已有200年历史。如今，HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选，之后我们也将持续专注科研领域，致力于为全球用户提供更好的服务。

利用原子力显微镜进行的自动缺陷复检可以以纳米级的分辨率在三维空间中可视化缺陷，因此纳米级成像设备是制造过程的一个重要组成部分，它被视为半导体行业中的理想技术。结合原子力显微镜的三维无创成像，使用自动缺陷复查对缺陷进行检测和分类。伴随光刻工艺的不断进步，使生产更小的半导体器件成为可能。 随着器件尺寸的减小，晶圆衬底上的纳米级缺陷已经对器件的性能产生了限制。 因此对于这些缺陷的检测和分类需要具有纳米级分辨率的表征方法。 由于可见光的衍射极限，传统的自动光学检测（AOI）无法在该范围内达到足够的分辨率，这会损害定量成像和随后的缺陷分类。 另一方面，使用原子力显微镜 (AFM) 的自动缺陷复检 (ADR)技术以 AFM 常用的纳米分辨率能够在三维空间中可视化缺陷。 因此，ADR-AFM 减少了缺陷分类的不确定性，是半导体行业缺陷复检的理想技术。 缺陷检查和复检 随着半导体器件依靠摩尔定律变得越来越小，感兴趣的缺陷（DOI）的大小也在减小。DOI是可能降低半导体器件性能的缺陷，因此对工艺良率管理非常重要。DOI尺寸的减小对缺陷分析来说是一个挑战：合适的表征方法必须能够在两位数或一位数纳米范围内以高横向和垂直分辨率对缺陷进行无创成像。 传统上，半导体行业的缺陷分析包括两个步骤。第一步称为缺陷检测，利用高吞吐量但低分辨率的快速成像方法，如扫描表面检测系统（SSIS）或AOI。这些方法可以提供晶圆表面缺陷位置的坐标图。然而，由于分辨率较低，AOI和SSIS在表征纳米尺寸的DOI时提供的信息不足，因此，在第二步中依赖高分辨率技术进行缺陷复检。对于第二步，高分辨率显微镜方法，如透射或扫描电子显微镜（TEM和SEM）或原子力显微镜（AFM），通过使用缺陷检测的缺陷坐标图，对晶圆表面的较小区域进行成像，以解析DOI。利用AOI或SSIS的坐标图可以最大限度地减少感兴趣的扫描区域，从而缩短缺陷复检的测量时间。 众所周知，SEM和TEM的电子束可能会对晶圆造成损伤，所以更佳的技术选择应不能对晶圆产生影响。那么选择采用非接触测量模式的AFM可以无创地扫描表面。不仅有高横向分辨率，AFM还能够以高垂直分辨率对缺陷进行成像。因此，原子力显微镜提供了可靠的缺陷定量所需的三维信息。 原子力显微镜 通过在悬臂末端使用纳米尺寸的针尖对表面进行机械扫描，AFM在传统成像方法中实现了最高的垂直分辨率。除了接触模式外，AFM还可以在动态测量模式下工作，即悬臂在样品表面上方振荡。在这里，振幅或频率的变化提供了有关样品形貌的信息。这种非接触AFM模式确保了以高横向和垂直分辨率对晶圆表面进行无创成像。由于自动化原子力显微镜的最新发展，原子力显微镜的应用从学术研究扩展到了如硬盘制造和半导体技术等工业领域。该行业开始关注AFM的多功能性及其在三维无创表征纳米结构的能力。因此，AFM正在发展成为用于缺陷分析的下一代在线测量解决方案。 使用原子力显微镜自动缺陷复检 基于 AFM 的缺陷复检技术的最大挑战之一是将缺陷坐标从 AOI 转移到 AFM。最初，用户在 AOI 和 AFM 之间的附加步骤中在光学显微镜上手动标记缺陷位置，然后在 AFM 中搜索这些位置。然而，这个额外的步骤非常耗时并且显着降低了吞吐量。另一方面，使用 AFM 的自动缺陷复检从 AOI 数据中导入缺陷坐标。缺陷坐标的导入需要准确对准晶圆以及补偿 AOI 和 AFM 之间的载物台误差。具有比 AOI 更高位置精度的光学分析工具（例如Candela）,可以减少快速中间校准步骤中的载物台误差。以下 ADR-AFM 测量包括在给定缺陷坐标处的大范围调查扫描、缺陷的高分辨率成像和缺陷分类。由于自动化，测量过程中用户不必在场，吞吐量增加了一个数量级。为了保持纳米级的针尖半径，使多次后续扫描依旧保持高分辨率，ADR-AFM 采用非接触式动态成像模式。因此，ADR-AFM 可防止探针针尖磨损并确保对缺陷进行精确地定量复检。图1：用AOI和ADR-AFM测定的缺陷尺寸的直接比较，见左侧表格。右侧显示了所有六种缺陷的相应AFM形貌扫描。突出的缺陷称为Bump，凹陷的缺陷称为Pit。 AOI和ADR-AFM的比较 图1比较了 AOI 和 ADR-AFM 对相同纳米级缺陷的缺陷复检结果。AOI 根据散射光的强度估计缺陷的大小，而 ADR-AFM 通过机械扫描直接缺陷表面进行成像：除了横向尺寸外，ADR-AFM 还测量缺陷的高度或深度，从而可以区分凸出的“bump”和凹陷的“pit”缺陷。 缺陷三维形状的可视化确保了可靠的缺陷分类，这是通过 AOI 无法实现的。当比较利用 AOI 和 ADR-AFM 确定缺陷的大小时，发现通过 AOI 估计的值与通过 ADR-AFM 测量的缺陷大小存在很大差异。对于凸出的缺陷，AOI 始终将缺陷大小低估了一半以上。 这种低估对于缺陷 4 尤其明显。在这里，AOI 给出的尺寸为 28 nm ，大约是 ADR-AFM 确定的尺寸为 91 nm 的三分之一。 然而，在测量“pit”缺陷 5 和 6 时,观察到了 AOI 和 ADR-AFM 之间的最大偏差。 AOI将尺寸在微米范围内的缺陷低估了两个数量级以上。 用 AOI 和 ADR-AFM 确定的缺陷大小的比较清楚地表明，仅 AOI不足以进行缺陷的成像和分类。图 2：ADR-AFM 和 ADR-SEM 之间的比较，a) ADR-SEM 之前遗漏的凸出缺陷的 AFM 图像。 ADR-SEM 扫描区域在 AFM 形貌扫描中显示为矩形。 b) 低高度 (0.5 nm) 缺陷的成像，ADR-SEM 无法解析该缺陷。 c) ADR-SEM 测量后晶圆表面上的电子束损伤示例，可见为缺陷周围的矩形区域。 ADR-SEM和ADR-AFM的比较 除了ADR-AFM，还可以使用 ADR-SEM 进行高分辨率缺陷复查。ADR-SEM根据AOI数据中的DOI坐标，通过SEM测量进行自动缺陷复检，在此期间，高能电子束扫描晶圆表面。虽然SEM提供了很高的横向分辨率，但它通常无法提供有关缺陷的定量高度信息。为了比较ADR-SEM和ADR-AFM的性能，首先通过ADR-SEM对晶圆的相同区域进行成像，然后进行ADR-AFM测量（图2）。AFM图像显示，ADR-SEM扫描位置的晶圆表面发生了变化，在图2a中，AFM形貌显示为矩形。由于ADR-AFM中ADR-SEM扫描区域的可见性，图2a说明ADR-SEM遗漏了一个突出的缺陷，该缺陷位于SEM扫描区域正上方。此外，ADR-AFM具有较高的垂直分辨率，其灵敏度足以检测高度低至0.5nm的表面缺陷。由于缺乏垂直分辨率，这些缺陷无法通过ADR-SEM成像（图2b）。此外，图2c通过总结高能电子束对样品表面造成的变化示例，突出了电子束对晶片造成损坏的风险。ADR-SEM扫描区域可以在ADR-AFM图像中识别为缺陷周围的矩形。相比之下，无创成像和高垂直分辨率使ADR-AFM非常适合作为缺陷复检的表征技术。