原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）作为一种表征测试技术，具有强大的仪器联用功能，可以与拉曼技术、红外分析、以及倒置光学显微镜等仪器联用，突破单个仪器的局限性。在生物类材料的研究中，AFM通常会与光学显微镜联用，考虑到样品的透明度、尺寸等特性，还可以与各种工作站联用，增强AFM的使用效果，从多个角度表征材料的特性，也将AFM的适用范围从科研过渡到企业生产中。

应用介绍

以生活中常见的纸张为例，大都由纤维素等生物成分构成，AFM与光学显微镜的结合可以研究纸张上的印刷和书写过程以及油墨如何与纸张相互作用。由于纸张的半透明特性，AFM可以与立式光学显微镜联用，同时联用便携式穿梭工作站——BioMaterial (BioMAT™)工作站，来进行样品的传输移动，在平台之间运输样品，提高工作效率。

图1:AFM高度图像(5 μ m²)的a)镜头清洁纸和b)标签纸。纸张的种类可以通过影响纸张结构和硬度的纤维素纤维的大小和方向清楚地辨别出来。

传统造纸和打印机行业通过优化油墨消耗来创造好的印刷效果；普通用户则希望减少潜在的有害碳粉颗粒的浓度，并希望节省能源和金钱。为了获得更好的打印效果，调色剂和纸张的表面性能尤为重要。尤其是纸张的孔隙度、孔径、渗透性、附着力和粗糙度都会影响结果。

这些特性都可以通过原子力显微镜来测量，并可以通过AFM联用光学显微镜来研究油墨消耗量。因此，使用AFM联用直立光学显微镜，同时联用BioMaterial (BioMAT™)工作站，这种多维联用技术可以有效识别熔化和非熔化形式的单个碳粉颗粒分布及尺寸，从而达到测试效果。

成像效果

AFM的多维联用可以有效的增强成像效果，可以对光学显微镜进行成像的同时，与BioMAT联用进行选区成像，在AFM高度图像中CMYK(青色，品红，黄色，黑色)颗粒的组合可以打印所有颜色。亮场光学图像显示在纸张表面完整的颗粒和熔融颗粒区域。在AFM高度图像中可以清楚地识别出纸张上有色的碳粉颗粒。

此外，油墨材料和纸张表面之间的结构差异可以相互区分(参见图3)。纸张结构(图3b)与碳粉颗粒表面(图3c)相比，在形貌和粗糙度方面存在显著差异。由于光学和AFM数据的融合，在三维地形和明场光学图像叠加后可以识别出不同的区域。还可以识别熔化和未熔化的颗粒并颜色。

图2:(a)明场垂直光学图像(40x;蔡司AxioImager)在激光打印纸上的打印区域。所有颜色都可以通过AFM扫描识别和定位。使用JPK NanoWizard®AFM和BioMATTM工作站对选定区域进行成像。(b)相应的AFM高度扫描显示了完整的品红和黄色碳粉颗粒的纸张结构

图3光学和AFM数据集成。

联用保持高分辨率

通过AFM和光学显微镜联用，能够测定不同油墨颗粒的体积，而联用后的AFM依然保持高分辨率，可以很容易地研究油墨消耗量。图4给出AFM研究结果，一个碳粉颗粒的三维形貌和相应的截面。碳粉颗粒大小和横向膨胀的碳粉颗粒，体积可以计算出来。如图4所示，颗粒的体积为308 μm³。

图4:(a)所选碳粉颗粒的三维形貌(12.5µm)。(b)对应的横截面显示了碳粉颗粒的高度和宽度，以识别一个碳粉颗粒的体积。

总结

布鲁克作为原子力产品供应商，针对生物型样品可以提供JPK NanoWizard 4 XP生物型原子力显微镜。该设备具有强大的联用能力，可以与包括红外、拉曼、光学显微镜在内的许多仪器联用。通过AFM和其他品牌的光学显微镜及BioMAT™工作站联用，不但可以将光学成像与AFM成像结合，同时可以利用工作站的便捷性对样品进行选区表征成像，具有成像分辨率高、效果好等优点。而且可以从多个维度去了解材料本身的性能，为原子力显微镜在科研领域、企业领域、日常生活中的应用提供了思路。

参考文献：

[1] S. J. Hanleya, J. Giassona, J.-F. Revola and D. G. Gray, Atomic force microscopy of cellulose microfibrils: comparison with transmission electron microscopy, 1992, Polymer 33 (21) , 4639-4642.

[2] P. Eronen, M. Österberg, U. Schmidt, and A.-S.Jääskeläinen, Effect of alkaline treatment on cellulose supramolecular .

[3] structure studied with combined confocal Raman

[4] spectroscopy and atomic force microscopy, 2006, Colloids and Surfaces 291, 197–201.

[5] R. Xu A. Pekarovicova, P. D. Fleming and V. Bliznyuk Physical Properties of LWC Papers and Gravure Ink Mileage, 2005.

数据来源：本文数据来源于布鲁克网站

产品介绍

NanoWizard® 4 XP生物型原子力显微镜在一个系统中可提供原子分辨率，高达150行/秒的快速扫描以及100µm大扫描范围。即使置于倒置光学显微镜上，对从单分子到活细胞和组织的样品进行长期实验，其具有优异的机械和热稳定性。

主要特点

u  具有快速扫描选项，高可达每秒150行，可用于跟踪动态过程

u  现在已经标配Bruker的PeakForce Tapping技术

u  大扫描范围，100 × 100 × 15 µm3，且在倒置显微镜上具有原子晶格分辨率

u  全新的基于工作流程的用户界面，符合人体工程学设计，易于操作

u  新增Tiling拼接功能，可与HybridStage一起自动映射大样品区域

u  增强的DirectOverlay 2模式用于精准与显微镜关联

u  全新的Vortis 2控制器，具有高速低噪音DAC和的位置传感器读取技术

u  高的灵活性和可升级性，拥有广泛的模式和配件