掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope, SPM）技術

掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope, STM）和原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）

（scanning probe microscope, SPM）是二十世紀八十年代發展起來的一類新型的顯微鏡，它們都是基於近場掃描原理，利用帶有超細針尖的探針在樣品表面掃描，獲得樣品的微觀信息如表面形貌、電特性、磁特性和柔韌性等，具有原子尺度的高分辨本領，其側分辨率為0.1～0.2nm，縱分辨率可達0.01nm。有很多種，主要包括掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope, STM）和（atomic force microscope, AFM）等。

（一）掃描隧道顯微鏡

家族中的第一個成員，是由G Binnig 和H Rohrer在1981年發明的，他們因此而獲得諾貝爾物理學獎。STM的主要原理是利用量子力學中的隧道貫穿效應，其核心部件是一個能在樣品表面進行掃描、與樣品之間保持一定偏壓、其直徑為原子尺度的探針。在通常的低電壓下，分離的針尖與樣品之間（相當於兩個電極）具有很大的阻抗，阻止電流通過，稱為勢疊。當針尖與樣品非常靠近時，其間的勢疊變得很薄，電子云相互重迭，在針尖與樣品之間施加一電壓，電子就可以通過隧道效應由針尖轉移到樣品或從樣品轉移到針尖，形成隧道電流。通過記錄隧道電流的變化就可以獲得樣品表面的微觀信息。STM要求樣品表面與針尖具有導電性。

STM有兩種成像模式：恆流模式和恒高模式。在恆流模式中，STM通過反饋系統不斷調節針尖與樣品表面每個檢測點上的距離，使隧道電流保持一個不變的恆值，測定掃描頭上針尖與樣品表面的高度變化就可獲得樣品表面形貌等微觀信息。在恒高模式中，針尖始終保持在樣品上方一個恆定的高度上，隧道電流隨著樣品表面形貌等微觀特性的改變而變化，通過檢測每個測量點上的電流變化來獲得樣品表面微觀信息。在恒高模式中，掃描頭不需要上下移動，從而加快了掃描速度。

（二）原子力顯微鏡

是1986年設計完成的，它主要通過檢測針尖與樣品之間的原子間作用力來獲得樣品表面的微觀信息，因此不要求樣品具有導電性。AFM的工作原理是將一個對微弱力非常敏感的微懸臂一端固定，另一端裝上探針，針尖與樣品表面輕輕接觸，針尖尖端原子與樣品表面原子間極微弱的排斥力使微懸臂向上彎曲。通過檢測微懸臂背面反射出的激光光點在光學檢測器上的位置變化，可以轉換成力的變化，因為反射光點的位置變化或微懸臂彎曲變化與力的變化成正比。微懸臂的彎曲是多種力的共同作用結果，其中最普遍的是范得瓦爾力，針尖與樣品表面微小的距離變化就能產生不同大小的範得瓦爾力。通過控製針尖在掃描中這種力的恆定，測量針尖縱向的位移量，就可獲得樣品表面的微觀信息。

AFM也有兩種工作模式：恆力模式和恒高模式。在恆力模式中，通過精確控制掃描頭隨樣品表面形貌變化在縱向上下移動，微持微懸臂所受作用力的恆定，從掃描頭的縱向移動值得出樣品表面的形貌像。在恒高模式中，掃描頭高度固定不變，從微懸臂在空間的偏轉信息中直接獲取樣品表面信息。

SPM具有分辨本領高、可連續動態地在各種環境中（真空、氣體和液體）檢測物體微觀信息等特點，很快被應用於生命科學研究。SPM最早應用於研究生物大分子（DNA和蛋白質等）的結構與功能，這方面已積累了豐富的資料。近年來，在其他方面也展開了積極的才探索，如將AFM用於研究生物大分子之間的相互作用、研究生物結構的納米操作、研究活細胞的結構與功能以及用於醫學和藥物學研究等。