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Image pro plus 使用指南
热度 4 circler 2011-3-24 11:50
最近实验室的显微镜换了CCD，原装配套的软件功能比较简单不是很好用，于是代理公司给安装了一个ipp，但是是英文版，实验室的同学们多数还都不太会操作。本人在网上下载到一个Image-Pro Plus 6.0 官方简体中文参考指南，希望可以帮到试验时使用这台显微镜拍照的人。 现在也把这个文档拿出来共享，希望对大家有用。 Image-Pro Plus 6.0 官方简体中文参考指南.pdf
个人分类: 试验心得|19586 次阅读|3 个评论
[转载]纳米级光学显微镜问世 能在普通白光照明下直接观测
chaohe 2011-3-3 13:55
纳米级光学显微镜问世 能在普通白光照明下直接观测 英国和新加坡研究人员1日报告说，他们制造出能够观测50纳米大小物体的光学显微镜，这是迄今观测能力最强的光学显微镜，也是世界上第一个能在普通白光照明下直接观测纳米级物体的光学显微镜。 英国曼彻斯特大学研究人员和新加坡同行当天在新一期《自然·通信》杂志上报告了这项成果。由于光的衍射特性的限制，光学显微镜的观测极限通常约为1微米。研究人员通过为光学显微镜添加一种特殊的“透明微米球透镜”，克服了上述障碍，使这一极限达到50纳米，观测能力提高了20倍。 论文第一作者王增波博士告诉新华社记者：“这是目前世界上唯一能在普通白光照明下直接观测纳米级物体的光学显微镜，是一个新的世界纪录。” 据介绍，目前一般使用电子显微镜观测极其微小的物体，但它也有一些缺陷。比如在观测细胞时，电子显微镜只能显示出细胞表面的状况，而不能用于观测细胞内部结构。之前还有研究人员先为细胞染色，然后利用特制光学显微镜观测染色后的细胞内部结构，但这种方法对病毒无效，因为染料无法进入病毒内部。而这种新型光学显微镜首次提供了在普通条件下观测细胞内部结构和病毒活动机理的手段。 领导该项研究的曼彻斯特大学教授李琳说，这可能会为观测细胞和病毒的方式带来革命性变化，有助于研发新的药物和疾病治疗方法。 研究人员还表示，利用类似方法可以进一步制造出观测能力更强的光学显微镜。从理论上说，这种基于“透明微米球透镜”的光学显微镜不存在观测极限。
个人分类: 学术探讨|1863 次阅读|0 个评论
[转载]分析测试仪器相关英文简称
Alisa 2011-1-26 10:32
紫外：UV 原吸：AAS 高效液相色谱：HPLC 气相色谱：GC 薄层色谱：TLC 离子色谱：IC 原子荧光：AFS 电感耦合等离子体扫描光谱仪：ICP 质谱：MS 红外光谱：IR；傅立叶红外光谱：FT-IR； 核磁共振：NMR 近红外 ：NIR 示差扫描量热仪：DSC 动态热机械分析仪：DTMA X射线荧光光谱仪：XRF 透射电子显微镜:TEM 扫描电子显微镜:SEM 场电子显微镜:FEM 场离子显微镜:FIM 低能电子衍射EED 光电子能谱:ESCA 扫描隧道显微镜:STM 原子力显微镜:AFM 横向力显微镜FM 扫描探针显微镜:SPM BOD:生化耗氧量 COD:化学耗氧量 TOC:总有机碳 TIC:总无机碳 AOX:可吸收卤化物 仪器中文名称 仪器英文名称 英文缩写 原子发射光谱仪 Atomic Emission Spectrometer AES 电感偶合等离子体发射光谱仪 Inductive Coupled Plasma Emission SpectrometerICP 直流等离子体发射光谱仪 Direct Current Plasma Emission Spectrometer DCP 紫外-可见光分光光度计 UV-Visible Spectrophotometer UV-Vis 微波等离子体光谱仪 Microwave Inductive Plasma Emission SpectrometerMIP 原子吸收光谱仪 Atomic Absorption Spectroscopy AAS 原子荧光光谱仪 Atomic Fluorescence Spectroscopy AFS 傅里叶变换红外光谱仪 FT-IR Spectrometer FTIR 傅里叶变换拉曼光谱仪 FT-Raman Spectrometer FTIR-Raman 气相色谱仪 Gas Chromatograph GC 高压/效液相色谱仪 High Pressure/Performance Liquid ChromatographyHPLC 离子色谱仪 Ion Chromatograph IC 凝胶渗透色谱仪 Gel Permeation Chromatograph GPC 体积排阻色谱 Size Exclusion Chromatograph SEC X射线荧光光谱仪 X-Ray Fluorescence Spectrometer XRF X射线衍射仪 X-Ray Diffractomer XRD 同位素X荧光光谱仪 Isotope X-Ray Fluorescence Spectrometer 电子能谱仪 Electron Energy Disperse Spectroscopy 能谱仪 Energy Disperse Spectroscopy EDS 质谱仪 Mass Spectrometer MS 核磁共振波谱仪 Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer NMR 电子顺磁共振波谱仪 Electron Paramagnetic Resonance Spectrometer ESR 极谱仪 Polarograph 伏安仪 Voltammerter 自动滴定仪 Automatic Titrator 电导仪 Conductivity Meter pH计 pH Meter 水质分析仪 Water Test Kits 电泳仪 Electrophoresis System 表面科学 Surface Science 电子显微镜 Electro Microscopy 光学显微镜 Optical Microscopy 金相显微镜 Metallurgical Microscopy 扫描探针显微镜 Scanning Probe Microscopy 表面分析仪 Surface Analyzer 无损检测仪 Instrument for Nondestructive Testing 物性分析 Physical Property Analysis 热分析仪 Thermal Analyzer 粘度计 Viscometer 流变仪 Rheometer 粒度分析仪 Particle Size Analyzer 热物理性能测定仪 Thermal Physical Property Tester 电性能测定仪 Electrical Property Tester 光学性能测定仪 Optical Property Tester 机械性能测定仪 Mechanical Property Tester 燃烧性能测定仪 Combustion Property Tester 老化性能测定仪 Aging Property Tester 生物技术分析 Biochemical analysis PCR仪 Instrument for Polymerase Chain Reaction PCR DNA及蛋白质的测序和合成仪 Sequencers and Synthesizers for DNA and Protein 传感器 Sensors 其他 Other/Miscellaneous 流动分析与过程分析 Flow Analytical and Process Analytical Chemistry 气体分析 Gas Analysis 基本物理量测定 Basic Physics 样品处理 Sample Handling 金属/材料元素分析仪 Metal/material elemental analysis 环境成分分析仪 CHN Analysis 发酵罐 Fermenter 生物反应器 Bio-reactor 摇床 Shaker 离心机 Centrifuge 超声破碎仪 Ultrasonic Cell Disruptor 超低温冰箱 Ultra-low Temperature Freezer 恒温循环泵 Constant Temperature Circulator 超滤器 Ultrahigh Purity Filter 冻干机 Freeze Drying Equipment 部分收集器 Fraction Collector 氨基酸测序仪 Protein Sequencer 氨基酸组成分析仪 Amino Acid Analyzer 多肽合成仪 Peptide synthesizer DNA测序仪 DNA Sequencers DNA合成仪 DNA synthesizer 紫外观察灯 Ultraviolet Lamp 分子杂交仪 Hybridization Oven PCR仪 PCR Amplifier 化学发光仪 Chemiluminescence Apparatus 紫外检测仪 Ultraviolet Detector 电泳 Electrophoresis 酶标仪 ELIASA CO2培养箱 CO2 Incubators 倒置显微镜 Inverted Microscope 超净工作台 Bechtop转载请注明出自( 六西格玛品质网 http://www.6sq.net ),本贴地址:http://www.6sq.net/thread-135803-1-1.html
个人分类: 转载材料|3404 次阅读|0 个评论
激光原子探针层析显微镜
热度 2 chihlchen 2011-1-24 21:39
科学网博文： 激光原子探针层析显微镜 1. 发展激光原子探针层析显微镜及其医学显微手术设备 在华中科技大学骆清铭等人发明 显微光学切片层析成像技术（ MOST ） - 的基础上，通过莲花 表面形貌仿生，智造出自洁净、抗静电的玻璃实验室和袖珍实验箱，发展激光原子探针层析成像显微镜（APT） - 科学及其产业，可能是未来的研究热点问题。 目前在显微领域，比较通用的光学干涉轮廓仪、扫描探针显微镜，包括原子力显微镜、静电力显微镜和磁场力显微镜等，以及电子显微镜等贵重设备，基本上只适用于物质、特别是薄膜表面形貌的观测和分析。对于物质内部结构的观测，特别是对于生物医学活体，如鼠脑， 显微光学切片层析成像技术，具有独特的优势。骆清铭等人题为“显微光学切片层析成像获取小鼠全脑高分辨率图谱”的论文，去年 12 月 3 日在美国《科学》杂志全文发表。骆清铭等人完成的“生物功能的飞秒激光光学成像机理研究”，又获得 2010 年度中国自然科学二等奖（《科技日报》 2011 年 1 月 18 日第 7 版）。这些信息给我们一个明晰的答案：前些时候，曾经一度在网上传播的所谓剽窃疑惑问题，应该自行终止了。如果引入激光原子探针，可望获得特征尺寸小于 0.3nm 的样品表面及其内部多层结构图像；发展 激光原子探针层析显微镜和相应的飞秒激光原子探针层析显微手术设备 ，可望解决神经吻合手术难题。 美国西北大学材料科学与工程系在英国《自然》杂志上发表无机－有机界面生物材料的纳米断层扫描技术，为材料科学与生物医学的学科交叉，提供了多学科融合的范例。 牙齿和骨头等生物矿化组织是无机物与有机物的混合物，其性质取决于它们的内部结构。 Lyle他们用脉冲激光原子探针断层扫描（APT）揭示上述生物材料及其人工合成物质的内部结构和化学复杂性。实验材料是一种海洋软体动物的牙齿，实验获得了显示牙齿内部有机纤维及其组成部分的高分辨率三维图像。因此，在控制有机基质与无机矿物质之间的相互作用中，APT方法很可能还有不同的功能。除了揭示自然出现的物质性质外，APT方法的应用，能给设计从生物得到启发的，有医学和工业用途的复合材料提供有用的数据。 2. 自洁净微小实验室 (箱)的智造过程 （1） 采摘具有表面自洁净效应的新鲜莲花，置于恒温恒湿的低真空保鲜透明腔体内保鲜，为后续的科学实验提供原始参照物。 （2） 用光学干涉轮廓仪、扫描探针显微镜或扫描电子显微镜等设备获得莲花的表面形貌图形，包括从毫米尺度、微米尺度、到纳米尺度等多尺度的组合图形。 （3） 用电子束曝光机、离子束刻蚀机等设备智造莲花表面形貌仿生的一次掩模板。（ 4）将一次模板安装在纳米压印机上，模压出不锈钢薄板基材的二次掩模板。（5）二次掩模板再装在激光显微加工设备上，投影加工，即可望获得自洁净玻璃，如：自洁净玻璃幕墙，自洁净眼镜，自洁净光学镜片；这些物件一般不容易污染，即便污染后，只要用激光干法清洗，并用一定压力的电化学反应混合气体喷射，即可达到自洁净的目的。（6）最后在自洁净玻璃表面镀一层抗静电的钝化膜，以此材料作为自洁净微小实验室（箱）的腔体材料。 上述实验室在运行时，先放置样品，然后抽真空，用激光清洗实验室（箱）内壁和样品表面，开始实验 …… 。实验人员在自洁净实验室（箱）的外部机房工作，操控实验过程。人在符合中国国家标准 GB 50073-2001的洁净厂房（实验室）环境下工作，吸进来的空气并非完全新鲜，只是部分新鲜的空气，加上噪声干扰，多种机电设备附带生成的电子云雾，都会对人的健康产生副作用，也会降低人的工作效率。同时，人的呼吸，走动，都会是一个不确定的污染源，干扰洁净厂房的正常运行。以此，我们设计出上述小型自洁净空间，包括必须洁净的设备部件，人放置实验样品和取出样品的人机交互区域，并辅之以透明的袖珍自洁净实验箱放置样品，传送样品，展示样品。如果实验样品是生物医学活体，则必需提供样品呼吸的氧气。上述自洁净实验室（箱），比现有洁净厂房的体积小了很多很多，自然节省材料，降低能量消耗，符合现在低碳、环保的时代潮流。 3． 未来展望 车轮，能源，显微镜，据说是显微科学家和显微工程师业余聊天时，多次提到的话题。显微光学切片层析成像，为我们探索物质的内部结构打开了方便之门，而且比 x射线层析显微镜设备要便宜得多。可与显微光学切片层析成像相结合发展的飞秒脉冲激光原子探针层析显微镜技术，可能是未来的研究热点问题。 主要参考文献： Anan Li,* Hui Gong,* Bin Zhang,* Qingdi Wang, Cheng Yan, Jingpeng Wu, Qian Liu, Shaoqun Zeng, Qingming Luo， Micro-Optical Sectioning Tomography to Obtain a High-Resolution Atlas of the Mouse Brain，SCIENCE, Dec.3, 2010, vol. 330，p.1404-1408. Zeng Shaoqun, Luo Qingming, Zhan Chen, Lv Xiaohua, United States Patent 7,821,698, October 26, 2010, Light pulse positioning with dispersion compensation. Chance Britton, Nioka Shoko, Luo Qingming, United States Patent 5,853,370, Dec.29, 1998,Optical system and method for non-invasive imaging of biological tissue,Assignee: Non-Invasive Technology, Inc. (Philadelphia, PA) 王其超 张行言 编著，《荷花》，中国建筑工业出版社，1982年8月第1版。 Lyle Gordon and Derk Joester, Nanoscale Chemical Tomography Buried Organic-Inorganic Interfaces in the Chiton tooth, Nature, vol. 469, p. 194-197 (Jan. 13, 2011). Keith Thompson , et al. , Imaging of Arsenic Cottrell Atmospheres Around Silicon Defects by Three-Dimensional Atom Probe Tomography, Science , Vol. 317 no. 5843 pp. 1370-1374 ( 7 September 2007). Baptiste Gault , et al., Impact of laser pulsing on the reconstruction in an atom probe tomography, Ultramicroscopy Volume 110, Issue 9 , P. 1215-1222(August 2010). Ralf Schlesiger, et al, Design of a laser-assisted tomographic atom probe in Munster University, Review Scientific Instruments , vol. 81, no. 4, p 3073-1~ 3073-8 (April 2010). M Müller, DW Saxey, A Cerezo and GDW Smith, Nanoscale characterization of compound semiconductors using laser-pulsed atom probe tomography, 16th International Conference on Microscopy of Semiconducting Materials IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 209 (2010) 012026. M. K. Miller （美国橡树岭国家实验室） G. D. W. Smith （英国牛津大学）著，巩运明 沙维 译， 薛增泉 校，《原子探针显微分析――原理和应用》，北京大学出版社 1993 年 11 月第 1 版 . Thomas F. Kelly and Michael K. Miller, Invited Review Article: Atom probe tomography, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 78 , p. 031101-1--031101-20 (March 2007). Miller MK, et al., Atom Probe Field Ion Microscopy, Oxford Science Publications, 1996.
个人分类: 激光电化学|9727 次阅读|2 个评论
人生，从马拉松开始（图）
sheep021 2011-1-17 12:15
人生，从马拉松开始（图）
组图：电子显微镜下的生命诞 生过程 人生，从马拉松开始 我们心中的太阳 无名天地之始，有名万物之母。 胜利在望——精子和卵子相遇 1/ 54 2/ 54 3/ 54 4/ 54 5/ 54 6/ 54 7/ 54 8/ 54 9/ 54 10/ 54 11/ 54 12/ 54 13/ 54 14/ 54 15/ 54 16/ 54 17/ 54 18/ 54 19/ 54 20/ 54 21/ 54 22/ 54 23/ 54 24/ 54 25/ 54 26/ 54 27/ 54 28/ 54 29/ 54 30/ 54 31/ 54 32/ 54 33/ 54 34/ 54 35/ 54 36/ 54 37/ 54 38/ 54 39/ 54 40/ 54 41/ 54 42/ 54 43/ 54 44/ 54 45/ 54 46/ 54 47/ 54 48/ 54 49/ 54 50/ 54 51/ 54 52/ 54 53/ 54 54/ 54 进入新闻图片站 通过一台高倍率的电子扫描显微镜，里纳德·尼尔森带领人们进入一个原本无法观看的世界———身体的内部，细胞、各种组织以及我们如何被孕育、如何在母亲的体内生长并最终来到这个世界上。这一切显得如此神奇和美好，它让人们感到与自己的身体从未有过地亲近。 里纳德·尼尔森出生于1922年，瑞典人，最早时作为一名自由摄影师。尼尔森的工作室坐落在斯德哥尔摩北部的卡罗林斯卡研究所内，可以很容易地想见它的与众不同。照相机、摄像机、计算机以及各种各样的显微镜，还有一整面墙的放满玻璃罐子的橱柜。那些曾让世人惊奇的图片，视线所及，随处可见。天棚上是一幅巨大的被灯光打亮的透明胶片———一个在母亲子宫中的胎儿。尽管体内的空间如此狭窄，但当它被逐一细节地陈列眼前时，给你的感觉却像在观看一个正在演变的天体世界。 “一个孩子的诞生”是尼尔森从1965年就开始拍摄的专题，但直到1990年才最终补充完成。今天，我们再看这组照片时已经是从人体受孕的最初直至出生的全过程。大洋图解：卵子经过大约15厘米长的、狭窄的输卵管向子宫内游动，它周围的营养细胞像一串串美丽的光环围绕着它。很快，它将与精子相遇并开始受精的过程。卵子的外层被一层透明的薄膜保护着，这使它看起来像一个悬浮在天体中的漂亮的星球。此时经过种种障碍的精子终于与卵子相遇，卵子外膜成为它们第一道需要攻破的关卡。此时，精子们把头钻到卵子的外壁上，尾巴不断拍打着，卵子则随着精子尾部的运动，缓慢地逆时针转动。随着时间的推移，胎儿逐渐形成，他移动手臂，把手指放在唇边。
个人分类: 生活点滴|73 次阅读|0 个评论
放大风险的显微镜----读几何光学有感
yanghualei 2010-9-28 22:20
当风险处于萌芽时一般不易发觉 一旦发现时则比较显著了，并造成损失 若能设计一个类似显微镜的观察仪器 当其风险微小时能对其放大进而探测到 就能对风险进行跟踪和调控进而减轻损失 而显微镜就是 由一个透镜或几个透镜 组合构成的一种 放大的 光学仪器 能否在社会中寻找到类似透镜的社会仪器？ 是对风险观察的关键。
个人分类: 生活随笔|4052 次阅读|0 个评论
儿子的新“发明”：一种显微针
harmonism 2010-4-19 23:33
儿子的新发明：一种显微针 曾纪晴 儿子所在幼儿园的班主任老师在儿子班上养了蚕。上次老师让我带儿子去帮她采摘桑叶来喂养蚕虫，后来蚕吐丝结茧了，又变成了蚕蛾，产了产卵。周日，儿子和我又去采摘了两塑料袋桑叶，今早由儿子带回幼儿园。 下午接儿子回家的路上，我问儿子有没有把桑叶交给老师。他说有啊，老师还表扬了他。于是，他接着就讲起了他今天对蚕卵的观察。 爸爸，我发现，蚕卵一开始是黄色的，现在却变成了黑色的。为什么蚕卵会变成黑色的呢？看来，儿子对蚕卵的观察还是蛮仔细的啊。 这个我也不是很清楚。我想，蚕卵它就像鸡蛋一样，它要是慢慢孵化的话，它其实就在慢慢地发育，最后就会像小鸡从鸡蛋里孵化出来一样，蚕虫就从蚕卵里面孵化出来。尽管我不清楚，但总不能就说不知道吧，于是就拿小鸡从鸡蛋里孵化的过程进行类比，相信儿子会有兴趣。 哦，原来蚕卵这是在发育啊！我们班上的小朋友们都以为蚕卵死了呢。小家伙一下就抓住了发育这个本质问题。 但小家伙似乎并不满足。他继续问道：那我们怎么样才能看到蚕卵里面呢？想看看蚕卵是怎么发育的。 这回我反过来问他：用显微镜能不能看呢？ 用显微镜不行，看不到里面。儿子居然知道显微镜不能看到蚕卵里面，我告诉你我的新发明 小家伙很兴奋，我一听又有新发明，赶紧问道：什么样的新发明啊？ 我的显微镜可以用一根针穿过蚕卵看到里面的。这根针啊，很细很细的，可以穿过原子。我的这根针叫显微穿透针，穿过蚕卵就可以把里面看得很清楚。小家伙兴奋地讲解着他的新发明。 你的这个显微针比原子还小，那么它是用什么做的呢？我发现了这个破绽。 我的显微针啊，还可以穿过电子呢！小家伙越说越兴奋，越说越离谱了，爸爸，电子是跑得很快的吧，但我的显微针可以用两个夹子把它夹住 就是让它慢慢停下来。这两个夹子是绿色的，这个绿色是它本来就是绿色，不是把颜色涂上去的。它是什么东西，我也不知道。 呵呵，小家伙的胡思乱想，还是有些想象力的啊。他的显微针不会是 X- 射线显微镜，或者是 - 射线显微镜吧？看来只有这些射线兴许能够穿透电子吧？ 2010-4-19
个人分类: 天和之路：一个父亲的育儿日记|5460 次阅读|3 个评论
显微镜发明简史
xbyang 2010-1-14 16:37
1 早在公元前 1世纪，人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时可以使其放大成像。后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。 2 1610年前后，意大利的天文学家伽利略和德国的天文学家开普勒在研究望远镜的同时，改变物镜和目镜之间的距离，得出合理的显微镜光路结构。两人的研究推动了显微镜的发展，当时的光学工匠开始纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。 3 17世纪中叶，英国生物学家胡克和荷兰生物学家列文胡克利用显微镜掀开了显微生物学研究的序幕。1665年前后，英国生物学家胡克发明了比较类似我们现在学校实验室里用的显微镜，并通过这台显微镜发现了生命的基本组成单位细胞，这是人类历史上最伟大的发明之一。 4 1673～1677年期间，荷兰生物学家列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜，其中9台保存至今。列文胡克利用自制的显微镜在动植物的微观结构的研究方面取得了杰出的成就。 5 19世纪，磨玻璃机械的出现使透镜的质量大大提高和光学的发展使显微镜的结构更加符合光学原理。此时，人们制造出了没有色差和像差的高质量显微镜以及分辨率极高的暗视野显微镜，从而带来了生物学和显微科学的革命，为包括巴斯德在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。 6 20世纪初叶以来，人们在物理、数学和材料科学等领域取得了非常大的进展，显微镜的质量大大提高，各种新型的显微镜也应运而生，比如偏振光显微镜、荧光显微镜、电子显微镜和扫描隧道电子显微镜。
个人分类: 未分类|16961 次阅读|3 个评论
镜下细胞的美
liudongyang 2009-9-16 21:06
细胞DIC观察，摄影。前两幅图示成骨细胞突起相互接触。后三幅图示成纤维细胞衰老（淡红色为明视场照片），细胞内脂肪空泡变大增多。
个人分类: 科研记录|1061 次阅读|5 个评论
美国的炉匠铺（想写成系列，目前已有几篇）
lujiangxiao 2009-4-28 01:32
美国的炉匠铺（想写成系列，目前已有几篇） 今天一个在中国的朋友让我和一米国公司接洽买产品，由此想到，为啥在美国的制造业大公司纷纷让位给中国的工厂的时候，很多小公司却活得很好，他们的产品不但在美国照卖，还能高价卖到中国去，顺代着让中国的代理商也赚一笔。 原来这类小公司多是由些身怀绝技的小炉匠们一手创建，亲自打理。他们深知市场需要什么，技术前沿在哪。那些多年积淀下来的技术内涵是不会被别人轻易取代的。而相对来讲，那种对高新技术扑风捉影，吹个泡泡就上市圈钱的公司就立不稳，股票市场一哆嗦就风雨飘摇，经济一衰退就只能关门倒台。 说俩实例来给大伙解个闷儿：国内朋友要买的是一种照明光源，咱就从光学炉匠说起吧。 这个公司的创始人梅尔在1960年还是个毛头小伙，刚进入一个小炉匠铺打工，那小公司由是个技术老头开的，专精按顾客要求打造特殊医疗仪器。那时候显微手术刚刚开始发展，大夫们在显微镜的帮助下能把一毫米粗的血管对头缝起来。人身上小血管多了，断了拿纱布压压就没事了。为啥还要找那麻烦接小血管？君不知，能接通细血管的用处可大了。人们因事故掉下鼻子耳朵，工伤切断手指头，老婆发威剪下小弟弟，只有靠接通血液供应才能重新接回去，这是多么利于社会和谐的好事啊。可有了这种愿望还要有合适的工具，刀剪钳镊缝针细线，显微镜下用的十八般兵器都要有人重新发明。于是乎大夫们大把大把出钱搞那些雕虫小技，各路炉匠也大显身手，发明个小玩艺就赚一笔，还有一群大夫跟着叫好。 话说那专造特殊医学仪器的小公司几年后被一个大公司收买，到如今已经发展成三个楼三万平方尺的大买卖。 炉匠铺被大公司收买，发展方向也变了，梅尔的专长正好用不上。于是他就在那技术老头的鼓励下自己开张，制造显微镜光源。俗话说显微镜好不如光源好，亮度高，色度好，光强稳定的好光源除了能让大夫看清很多细节，还能最大限度地发挥照相机的成象质量。梅尔同学的搞显微镜光源自然有些绝活，所以一直热卖。几十年来，半导体技术不断发展，新器件层出不穷，同样产品，用上一个新器件就有点新进展，不是体积小了重量轻了就是节能高效了。几十年来进展不断，梅尔的炉匠铺也就有滋有味干了一辈子。这不，到了眼花耳聋，狐狸糊涂的高年，中国的同志还要买他的产品。 我再具体点，说个一招鲜吃遍天的例子： 那是个搞生物的教授，平时爱鼓捣个小发明，不是电子机械就是显微镜。搞生物的嘛，你有个高招就能换来个文章。可上帝是公平的，人在科学上聪明就会在人事上就糊涂。那教授人缘不是一般的差，外面拿钱挺多在系里却受压，那些没钱但会讲政治的人霸着宽大明亮的实验室，而有钱有能耐的教授同志却只能挤在一个没窗的小屋里。虽有个铁饭碗捧着却并不舒服。 有一年那学校经费有问题，就鼓励人自愿退休，条件是给上几年工资买断终身教授资格。这政策本来是想让那些人老珠黄，占着茅坑不拉巴巴的老东西腾地方，可教授同志却抖了个机灵，拿上钱跑了，自己回家开个炉匠铺。他当年才50岁，年富力强，本来是拿基金的摇钱树，工资自己完全解决，教学等于给学校白干。可是谁让人家不高兴可以说不呢，生生地让那学校损失了一笔。教训那！ 他拿了买断钱跑回家，在自己在地下室里开个公司。那公司只有一个产品，就是显微镜灯。世界上造显微镜灯的公司多了去了，为啥他能有竞争力？原来他在用显微镜时，发现那弧光灯的亮度不能调整，只能始终开足马力。不但又费灯泡又热，还会缩短滤色镜的寿命。他脑筋一转想出个好点子，竟然让弧光灯能象钨丝灯那样连续改变亮度。就靠这一招，没有哪个公司能和他竞争。他申请了专利，自己造起灯来。我两年后去看他的时候已经盖了新楼，大厅里一排数控机床，一条长桌上一大排半成品。原来是和德国，日本，米国等几个主要显微镜制造商签了供货合同，靠儿子当技术骨干加管理。开足马力干起来。 又一年后再遇见他，正是春风得意时。他滔滔不绝讲起他发明的新显微镜，如何如何世界第一。 可又过了几年，再见到他的时候却是在另一所大学的小实验室里，原来他已经重出江湖。他说公司大了，管理太烦，只好请了董事会CEO。可那些鸟人又钱迷心窍，不肯拿出钱来让他瞎折腾新发明，一气之下就把那公司卖了，自己回实验室。问他折腾几年落下些啥好处？他说赚下个大楼。用卖公司的钱还清了建楼贷款，然后把楼还租给那公司使用。 今天的显微镜里并没有普及他的灯。一位大显微镜公司的工程师说，他们那帮鸟人不会管理，交货不按时期，质量也有问题。加上售后服务不好，谁也不敢要。东西虽然先进，但不可靠却能砸了显微镜赖以生存的质量王牌。由于这个原因，几家显微镜制造商都知难而撤了。 下一篇是机械炉匠铺，在这里 http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=228819
个人分类: 生活点滴|5820 次阅读|1 个评论
显微镜简史
onexf 2009-3-10 17:01
题图注：体视镜（stereoscope） 无式镜 在从未被文字记录下来的那段历史中的某一天，一个腰上挂着树叶串、头上长发飘飘的人一脚飞起一块石子。他用类似于尖叫的语言说：咦，这是什么东西亮闪闪在地下？他捡起这块大致像颗棋子的透明石头瞅瞅，石子对面的世界放大啦～他的同类还试着用透明圆石头在炎炎烈日下长时间凝视地上一些烂草棍，结果草棍呼的一下烧着了！对大自然打磨的奇妙石头的记忆一直延续到公元1世纪初，在罗马哲学家的笔记中，它们被称为放大器（magnifier）或点火石（burning glasses）；直到13世纪，这些石头终于从脚下一路登鼻子上脸，被赐名透镜（lense），因为它们长得好像一颗小扁豆（lentil）。 随后，小扁豆又被人们粘进一根细长筒里。人们就像看万花筒一样，举着这个小筒偷看跳蚤打架，所以这只筒名叫跳蚤镜（flea glasses）。它就像眼镜的衍生物，然而已从人脸向前迈出一大步，是未来单式显微镜的雏形。谓之单式，因为它不同于你生物课上用过的显微镜，没有目镜、物镜之分，放大多少只由一颗小扁豆决定。 单式镜 现代实验室显微镜即使配以雕梁画栋，也未必可以卖得更贵，因为雕梁画栋违背了现代人讲究目的和实用的原则。因此我们常常难以理解为什么历史上许多划时代的发明刚刚出现的时候，人们想不到用这些发明改变世界，却只把它们当成丰富视觉享受、甚至象征贵族生活的道具。当我看到十七世纪初那做工精美的单式镜，真想搞一个来摆在家里纯装饰。当时，人们却可以用它来观察桔子表皮，具体做法是：取一只桔子，噗地一声扎在针尖一样的载物台上，从直立的单片镜片背后即可观看一只疼痛的桔子。前后移动桔子可以改变放大倍率，只是她挺沉的，晃晃悠悠地不太稳当。（图一） 单式显微镜达到登峰造极的水平是在列文虎克。如果我没有记错，中学的生物是从列文虎克发明显微镜开始的。其实，不论单式还是今天普遍应用的复式（即多个镜片前后排列，如目镜+物镜），发明者都不是他。只是这一点损失对于列文虎克作出的贡献无伤大雅。前边提到，单式显微镜的放大本领只能依靠一颗小扁豆来实现，要想让镜片放大率增大，镜片焦距必须很短，扁豆必须很小，这就需要很高的打磨工艺如果你是用打磨的方法。一般人能磨出放大率几十倍的镜片已经很了不起，于是列文虎克来了。 插曲：人物传 作为一个篮子手工业者的儿子，列文虎克从父亲那里遗传了心灵手巧的基因。只有他才能做出直径为2-4毫米、放大率100-300倍的镜片，能分辨出一丁点桔子皮上1m大的细节。但是手工艺人精神大放光芒，他说：有些秘密手段我得自己留着。他在这一点上非常成功。直到250年后（上世纪五十年代）真正的列文虎克镜片才通过美国人之手再次人间显现。其实，在当年众人都以为列文虎克没日没夜磨镜片时，他只是取了一根细玻璃，把中部在火焰上烤软了，两头一拉拉成两半，再将拉出的细长一端倾斜着放在火上烤化，这个时候在细尖端便会逐渐凝出一小滴小扁豆，如同你把冰棍头朝下凝出一滴水一样，这便是他的镜片了。看到今日的人们一拍脑门恍然大悟，列文虎克倚在天堂的栏杆上得意地笑了。 用这种方法，列文虎克一生一共做了500多架单式镜，可惜他太讲求完美，镜身全是货真价实的金和银（也有人说有黄铜的），在他死后，这些宝贝被卖了好价钱，流落民间再不见踪影。（图二：可以看出这种单式镜有多小，小孔内有镜片。具体用法是将物体扎在小孔一侧，人从小孔另一端观看。） 世界上那么多手工艺人，为什么列文虎克如此出名？这是因为他拥有全地球第一只观察到细菌的人类眼睛。实验初衷本是寻找辣椒中的辣成分，结果不知是成心还是忘记，一小片辣椒竟被他泡了3星期之久。没有持家经验的列文虎克非常单纯地取出一滴进行了观察，却看到一系列在水里忙碌跑动的小动物粒（animalcule）（图三，可见行动轨迹）。通过计算，他说：在一粒沙子这么大的空间能容得下一亿个小动物粒。从这句话，我们不仅知道列文虎克懂得体积的计算以及简单除法，而且能推测出他看到的就是细菌。另一位微生物学家胡克尝试了用水泡其它瓜果蔬菜，证实了以上结果是可重复的。 除了辣椒水，列文虎克还观察了从下水道水到精液，从头发到昆虫脚的几乎所有能找到的东西；人们看到原来竟有这么多不为人知的小世界同我们的生存空间并行不悖，是所谓一花一世界，一沙一天堂。列文虎克尤其对牙垢不离不弃，在以身试法之后，还将牙签对准了妻子和女儿的牙缝。最后一次问候牙齿是在第一次揭示人口腔细菌的14年后，取样对象是自己一颗残存臼齿的中空牙根。又过了10年，七十岁的列文虎克已没有牙缝，于是他坚毅地将关怀对象转向了发烧时舌头上厚厚的白色的发出腐败味道的物质。几十年屡屡探寻，他对人口腔的好奇心是否得到满足了呢？上帝与人类牙垢的比较研究进行得如何了呢？也许对于列文虎克来说，这些都是不存在终极解答的问题吧。 复式显微镜 对于手笨而无法制出2毫米小扁豆的人，也有迂回之计早在列文虎克诞生之前40年，荷兰眼镜制造商已发明出用两片镜片排成一列，逐次放大物体的方法，因为用到多个透镜，所以叫复式。然而列文虎克可以无视这种复式镜的发明，因为联手的双镜片足足花了150年才赶上他单镜片的水准。当然其中仍有佼佼者，那就是前边提到同样泡过蔬菜水的胡克和大名鼎鼎的伽利略（图四：伽利略显微镜）。为了与望远镜那看得更远（tele+scope）的梦想对仗，人们将伽利略的复式镜起名为看得更小（micro+scope）直到今天，看得更远和看得更小仍在向两个极端推广人类视野。 那时的显微镜情趣十足，有金色、银色和实木的镜身，最豪华的有小银人雕像，好像一个八音盒；下边常常自带杂物抽屉，可以装一些小手饰和小零件，有的甚至可以把自身都装进去（图五）。 后来水族馆一族想到把镜片安在水盆里看水下生物；机械能手开发出齿轮调焦；摄影爱好者给小巧的显微镜安上硕大如手风琴风箱一般的相机（图六）大家各设所需。目镜多数仍是单目，这种传统被保留至今在我大学生物课上一项必需的技能就是一只眼观察镜筒，另一只眼盯住桌上的纸，看着铅笔把镜筒中的花花世界画出来。 现代科研中最常用到的显微镜将明视场和荧光显微镜合二为一，简而言之，前者用全色的白光照亮被观察的细胞或组织，看它们本原的颜色，分辨其边界和起伏；后者用单色光照射观察对象内部或表面的荧光蛋白，再看荧光蛋白在细胞何处发光。结果，一个像是打着手电在黑屋子里找一根霓虹灯管，另一个像是把霓虹灯打开，在黑暗里看它（图七，左边为荧光，右边为明视场）。具体图像请见《美的眼睛和显微镜》一文，那里是光学显微镜的天下。 而放大倍数也已达到了理论的极限，因为不论镜片弧度多么精准无误，透镜组合多么完美，显微镜分辨率最多也只能达到光波长的一半自然光的平均波长为0.55m，所以分辨率能达到0.275 m，最好的光学显微镜能把物体放大2000倍，这是细菌的量级。要想继续看小下去，必需质的飞跃。 最后值得一提的一种光学显微镜名叫解剖镜，即体视镜（stereoscope）（题图），通常用它观察有一定厚度的物体；放大率不到100倍，但已经能让你清楚地看清果蝇的眼睛和花药里一粒粒的花粉。不同于一般复式显微镜，它用两套光路分别向人的两只眼睛成像，就像双目的延伸，因此在《美的眼睛和显微镜》一文中出镜的小鸡胚胎和采采蝇头都是立体的。 待续，转自: http://images.google.cn/imgres?imgurl=http://img.blog.163.com/photo/_9rI12_mE6hWlnVE-Bk5CQ%3D%3D/894808950964319341.jpgimgrefurl=http://blog.163.com/qiyunq%40126/blog/static/5413617620081121111221778/usg=__bgRLNGb5aK4SB76EdgAnPQDRuPI=h=296w=400sz=34hl=zh-CNstart=122um=1tbnid=Nx8eGwbQWeJ3NM:tbnh=92tbnw=124prev=/images%3Fq%3D%25E6%2598%25BE%25E5%25BE%25AE%25E9%2595% 259C %2B%25E5% 258F %2591%25E5%25B1%2595%25E5%258E%2586%25E5% 258F %25B2%26start%3D105%26ndsp%3D21%26um%3D1%26hl%3Dzh-CN%26newwindow%3D1%26sa%3DN
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显微镜简史及“突破”衍射极限
luffybear 2008-12-28 23:25
桔子帮小帮主 的系列文章： 一花一世界显微镜简史（一） 一沙一天堂显微镜简史（二） 显微镜简史（三） 提到了各式各样的显微镜。其中，光学显微镜是偶的兴趣方向。开学第一天，老板就跟我们扯了突破衍射极限。摘抄下列字句，希望以后可以有所深入。：（科学家需要考试吗？需要吗？呜～偶不是科学家） 单式显微镜的放大本领只能依靠一颗小扁豆来实现，要想让镜片放大率增大，镜片焦距必须很短，扁豆必须很小， 有他才能做出直径为2-4毫米、放大率100-300倍的镜片，能分辨出一丁点桔子皮上1m大的细节。在当年众人都以为列文虎克没日没夜磨镜片时，他只是取了一根细玻璃，把中部在火焰上烤软了，两头一拉拉成两半，再将拉出的细长一端倾斜着放在火上烤化，这个时候在细尖端便会逐渐凝出一小滴小扁豆，如同你把冰棍头朝下凝出一滴水一样，这便是他的镜片了。 而放大倍数也已达到了理论的极限，因为不论镜片弧度多么精准无误，透镜组合多么完美，显微镜分辨率最多也只能达到光波长的一半自然光的平均波长为0.55m，所以分辨率能达到0.275 m，最好的光学显微镜能把物体放大2000倍，这是细菌的量级。要想继续看小下去，必需质的飞跃。 光学显微镜的分辨率就被套上了极限枷锁。即使透镜组合被制作得无可挑剔，分辨率最多也只能达到光波长的一半。自然光的平均波长为0.55m，这就是为什么光学显微镜最多只能分辨0.275 m的细节。 若想继续用可见光做显微镜的光源，必须缩短它们的波长，唯一的办法是让光跑得更快 电子的速度能被电场加到特别大，以至波长缩到光子的1/100000。这里存在疑问，为何速度快了，波长短？ 今日，一般电镜分辨率已达1纳米，能将物体放大200万倍，如果再让电子疯狂加速，加上软件的帮忙，不到1埃（=0.1纳米）的原子也能分辨清楚； 回复里面的： 人可以分辨到0.2mm，光学显微镜0.2m，电子显微镜0.2nm。 补充一下，现在可见光波段已经可以绕过衍射极限实现十分之一波长，几十nm的分辨率了，比如sted，受激辐射光致漂白荧光显微镜技术。还有好几种方法都可以实现，只是主要还是科研上使用的多，条件比较苛刻：） 而用x射线做显微成像，实验上能达到15nm，不过更困难一点 要看到越小的物体,所需要的放大镜倍数要越大,放大镜本身也越大,要看到质子,中子,就需要加速器,对撞机了,要看到超弦这么小的物体,可能就需要银河系大小的加速器.当然,我们的宇宙本身就是一个巨大的放大镜,它把宇宙极早期的物质形态放大，通过星系结构,微波背景辐射而保留下来。
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显微镜简史（三）
eloa 2008-12-22 13:36
桔子帮小帮主 发表于 2008-12-19 3:10 显微镜（一） ； 显微镜（二） 请见这里 镀金的葬礼扫描电镜 埃及法老死了，可以用裹脚布缠了锁到金字塔里；汉皇帝死了，套上金缕玉衣装进墓室；而一颗精子死了，也可以享受通体喷金的待遇，然后被放到扫描电镜里，为科学进步最后出一把力。 为什么扫描电镜的观测过程需要如此华丽呢？ 让我们仍然拿这颗幸运的精子举例，不同于上一节，这次我们关心的是它的外表问题。同电镜一样，扫描电镜利用高能电子束轰击精子，期望炸得它的表面电子直飞。电子如何飞出、飞出多少，就反映了这颗精子的外表状况：比如是否光滑、通体姿态是否英俊等等。大家知道精子就像人体，都是不良导体，不容易轰出电子；另外，细胞的主要组成元素是碳，原子量小，抵御能力差，电子束容易炸到里边去，这样就不容易精确判断飞出的电子究竟来源于外层还是内部紧贴表面镀上一层金铠甲，由铠甲飞出的电子可以测得铠甲形状，也就知道了内表面形状。这里只给大家看一只新鲜镀金、即将举行电子轰炸仪式的蜜蜂。与它并列的是精子的轰炸成品扫描电镜图。 不同于电镜，扫描电镜扫描物体表面，所以得到的图像是立体的；它的放大率本领也极其多能，从25倍直到250000倍都可灵活掌握。这样一个聪明的技术，却是由一个天才少年纸上谈兵的演算开始的。 von Ardenne，货真价实的贵族少爷，奶奶是《寂寞芳心》这本书的女主角原型。他15岁拿到第一项电子管专利，后来高考也不参加就进了大学，入学才一年又以教学死板为由炒了学校的鱿鱼最后果然成为应用物理界牛人一枚，在电镜、医疗、核技术、膜物理、无线电和电视技术等领域独占600项专利，私人实验室全由专利费养活。二战爆发前两年，他灵感突然迸发，撰文两篇论证想象中的扫描电镜；只是在付诸实施阶段竟对成果的解像度从未满意，于是没有发表任何照片。二战的空袭炸毁了不少电镜，除了上一节提到的西门子实验室，还有von Ardenne的雏形扫描电镜。von Ard enne同电镜的缘分随着钢铁骨架的破碎而灰飞烟灭。有人说，二战只需晚两年，扫描电镜的发明权必然纳入他的囊中。 二战平息，历史将研究的接力棒交给英国绅士Charles Oatley。不像von Ardenne，这个真正的发明者Oatley出生于烤面包行业，严谨低调，观其一生都很难找到什么风流韵事和英雄事迹。他的父亲虽然没有科学知识，却崇拜科学，并把热爱科学的基因遗传给了孩子。Oatley6岁时，父亲就将一辆电动汽车作为生日礼物送给他，后来又添了一个显微镜，这在1910那个年代可不是一些常见的玩具。Oatley就这样走出乡村，走入剑桥，二战后继续执教那里。尽管同时代的许多专家都说研究扫描电镜简直是浪费时间，Oatley还是目光敏锐地率领自己的博士生寒窗十年，敲打出让自己看到希望的扫描电镜；然后又是十年才说服其他显微镜学家接受这个成果。1965年，扫描电镜的生产终于商业化，那具有历史意义的第一台被运往材料大公司杜邦的实验室。 扫描电镜也可以在冰冻的条件下操作，于是我们有幸能够一睹雪花的表面细节。不知北京的冬天有没有飘雪呢？ 拨弄那原初的孩子扫描隧道显微镜 上一节还提到，暮年的电镜鼻祖卢斯卡凭借一项五十岁的发明摘得1986年诺贝尔物理学奖，同他分享奖项的还有两位比他年轻30和40岁的欧洲科学家IBM公司的比尼西和卢勒，前者成长于法兰克福二战后的废墟之上，以组建乐队和玩提琴起家，幸而弃艺从理；后者是泡利的学生，师承的不仅有科学知识，还有收获诺贝尔奖的传统。二位年轻人相会在IBM，异趣相投，却发现世上没有任何工具足以研究自己所感兴趣的物体表面原子构造。干脆自己动手，丰衣足食，仅两年便打造出一台扫描隧道显微镜。和电镜爷爷站在同一领奖台上，扫描隧道显微镜显然只是幼儿，那时它只有五岁大。 顾名思义，扫描隧道显微镜的意思是样品需要通过一个隧道般的仪器，像过火车，黑漆漆的隧道中有一个神秘的探头对其进行扫描，表面图像就自动生成了；由于隧道里没有光，所以图像只能采用很诡异的pseudo-color啊，且慢！请放下你手中的西红柿！ 没错，样品过隧道只是我多年的无稽想象，实际上隧道并不是一个宏观的概念。大家也许还记得中学化学老师说：构成物体的原子由原子核以及周围电子组成，电子老老实实绕核运动。但老师没讲的是，这些电子可能通过秘密隧道逃到你预料不到的周边去玩耍，所以你如果闭上眼睛瞎猜，最好严谨地说，这些电子有10%的可能穿过隧道跑出去了。题外话：崂山道士穿墙而过是同样道理（量子物理，一切皆有可能！），只是你不可能经常看到这样牛的道士因为道士的身体通常由无数微粒组成，哪怕每个粒子穿墙而过的概率都能达到10%，他全身所有粒子同时穿墙的概率也几乎等同于零。 扫描隧道显微镜就是借用了电子可能通过隧道跑到外边玩的性质。这个仪器像个盲人，要依靠一根细针在物体表面抚摸来确定物体形状，但是如何在不接触的前提下判断是否贴近目标了呢？请想象你要研究的表面由许多原子码成，每个原子里边都有电子，所以一个表面并不是齐刷刷的，而是长着一些招摇的电子绒毛，绒毛正是那些穿隧道跑走的调皮电子。仪器的针尖接近这个表面，针尖和表面上的电子绒毛就会接触，针尖就会感到非常痒痒，于是知道自己不能再靠近了；反之，一旦远离平面，针尖的绒毛立刻就感觉不到平面的绒毛，为了继续抚摸平面，就凑近。依据这个原理，扫描隧道显微镜便利用一根细到原子级别的针逐一抚摸表面的每颗原子，然后将它得到的印象告知人类。 请注意，文章进行到这一环节已达原子的精密程度（如果将你中等大小的细胞想象为地球，最大的原子也不过一个鸟巢场馆大小），任何晃动都不能被容忍，因此诺贝尔奖得主当年利用了磁悬浮的技术来避免晃动，今日则多利用弹簧的原理。 在二位IBM工程师拿到诺贝尔奖不多年后，他们的同事不仅远观，而且亵玩，用类似仪器将35颗氙原子拼成IBM三个字。又过几年，居然又进行了更加明目张胆的艺术创作，用一粒粒铁原子写下横平竖直的原子，并这样注脚：这两个汉字的意义是原初的孩子（original child）。 正如光学显微镜的发明定义了微生物学，电子显微镜的出现开始了细胞学；时至今日，扫描隧道显微镜这个当年的幼儿已长成巨人，并撑起了一片硕大的天空那就是纳米技术。 后来，扫描隧道显微镜有了各种衍生产物，由于都用到探针，所以被统称为扫描探针显微镜。其中一个借助声波的帮助，能打探到物体内部去，叫做扫描探针声显微镜。你能猜出图中的泡泡花是什么吗？低头看看你手上璀璨的钻戒，这幅图就是钻石的心灵了（金刚石内部层理）。感谢同济大学的小菊和他的老师将图片同大家分享。 尾声 请看这幅图。你能从中看到几个女人？一眼看出1个？仔细看又有3个？还是8个、9个、11个？ 抱歉，答案我并不知道。 显微镜的诞生唤醒了人们看得更小（micro+scope）的饥渴；它阶梯式地成长，带着人类目光一步步尖锐到更精细的地方。在此过程中，人们获得的愉悦如同欣赏这幅图画时一样来自不可预知；换个角度，前所未见的细节便会优雅地出现，而它所在的层面也将从此清晰无比。 在远古的年代，人们躲在草从里偷窥小动物做窝，它们不论个头大小，都有自己的主意，知道要去向何处；500年前，跳蚤镜对焦昆虫世界，人们惊喜地看到小虫虫张牙舞爪，有自己的表情和舞步；300年前，在列文虎克的精美单式镜下，一滴水中的完整社会突然暴露无遗，各色细菌党同伐异，也有阶级和合作制度；70年前，电子突破细胞壁垒，其中的细节接二连三凌空而至，微小的泡泡爬来爬去，对人类惊讶的注视浑然不顾；今天，原子的行踪不再局限于推测和想象，人们甚至可以在尊重它们个性的前提下劝说其挪动身躯；100年后，原子核和电子被拉到近前，人们清晰地感知量子力学所预测的原子结构，亲手测量电子的大小；500年后，组成在座各位身体的粒子四散在大地和空气，甚至有幸成为另一个生命的一部分，它们将代我们见证彼时的世界；也许那天，生物学早已超越以视觉为基础的描述的局限，而成为像数学和物理一样具有逻辑推理的学科。 不论何时，视野有界，想象无边。 附录：最后这一部分介绍的扫描电镜和扫描隧道显微镜用到的都是光栅扫描（Raster Scan），同电视成像技术中所用到的一样。这幅简笔画清晰地表明了Raster这个名字的来历：是介于耙子、叉子和锄头之间的一种工具。它想要表达的意思是，光栅扫描的结果是形成一幅横条纹图像，如同犁耙垦过的田地。
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一沙一天堂——显微镜简史（二）
eloa 2008-11-28 08:54
桔子帮小帮主 发表于2008-11-26 星期三 20:00 前一篇在 这里 。 超越光的极限电子显微镜 自从镜头下的物体第一次被光线照亮，光学显微镜的分辨率就被套上了极限枷锁。即使透镜组合被制作得无可挑剔，分辨率最多也只能达到光波长的一半。自然光的平均波长为0.55m，这就是为什么光学显微镜最多只能分辨0.275 m的细节。 若想继续用可见光做显微镜的光源，必须缩短它们的波长，唯一的办法是让光跑得更快然而如果有什么速度能超越光速这个定值，相对论则会被推翻，时间机器就会存在，电影《无极》中的情景可能成真，我们的世界里就会飞满了来自未来的观光者大家知道这是不可能的。 这样，光学显微镜的发明使人们的目光从一面墙倏的一下集中到了墙上的一块块砖头；但由于光线无法提速，就无论如何敲不开砖头，看不到它们的内部去。随着时间的推移，天文学家望到越来越多的天体，只是不可触及；对生物学家来说，细胞尽在咫尺，然而从某种意义来讲却同星系一样遥远。 对可见光下不可见的微观世界猜了四百年，那时的人们自然地认为，细胞内部如同一锅稠粥，用专业的话讲，细胞就是一口袋蛋白酶。 质的飞跃发生在1924年。32岁的德布罗意证明电子也和光子一样具有波动性，令人惊喜的是其波长本身就比光子短。这位未来的法国公爵和德国亲王，早年曾毕业于历史专业，却在刚刚萌发科学兴致不久投身第一次世界大战。战中巴黎铁塔上无数个与无线电发射器为伴的夜晚，不知是否启发了德布罗意对波的奇思妙想。上述研究使德布罗意马上博士毕业，5年后，为他赢得了诺贝尔物理学奖，自此开创博士论文获得诺奖的先河；而它对本篇文章最有意义的贡献是：它提供了理论依据，说明电子为何能像光子一样做显微镜的光源；利用德布罗意公式可以算出，电子的速度能被电场加到特别大，以至波长缩到光子的1/100000。如果用电子做光源，那么显微镜分辨率则可以本质性地提高，就可以看到更加细微的物体了。 1931年，一束轻盈的电子在一条一米多高的巨型金属柱中加速（图为一台1933年制作的电镜），继而被汇聚在一些小网格样品上，将小格放大了14.4倍。这台试验品就被定义为世上第一台电子显微镜（电镜），尽管放大本领和一把手持放大镜差不多，但它却标志人类首次以电代光照出了物体的影像。执行这项工程的德国科学家卢斯卡也因此在55年后被颁予诺贝尔奖。电镜诞生后，电子被不断提速，其波长越来越短，能照出的细节也越来越精致10年之内，电镜的理论分辨率已达10纳米（当然那时没有真正实现），是细胞膜的厚度。 然而，正当前途试探性地铺展开，二战的炮声打响，西门子刚刚兴建的实验室毁于空袭；两位重要的科学家失去生命，电镜史中留下辛酸一笔。 镜头跳转至1945，细胞学为这个年头欢欣鼓舞。在纽约一间黑漆漆的屋子里，一个完整细胞第一次在墨色的电镜底片上留下它舒展的身影（图），其内部格局依稀可辨。在发表这幅照片的文献中，作者Porter好奇地对着这个宝贵的模特儿远观近瞧，并对每一条细小的分叉和每一处模糊的颗粒详加论述，留有15幅明星照为证人们借助电镜首次清晰地看到，细胞内部原来不是一锅粥，而是分门别类码好的。Porter在随后的研究中依据无数电镜照片对细胞内部这些高度有序的门类加以命名，其中最著名的如内质网、微管、纤毛和衣被小泡。可惜在若干年后，诺贝尔奖在评选细胞生物学先驱时却略过了这位第一次近距离窥视完整细胞的科学家；不过，他留给当代和后代人那些电镜照片，则确实地见证了细胞生物学随电镜技术日渐完善而发展的脚步，使得Porter作为细胞学之父而被许多人记住。 1945年的这张划时代照片标志人类从此获得进入细胞的门票，而将之记录下来的电镜元老来自美国RCA。可惜的是，这家独霸北美电镜市场的公司却在三十年打拼之后郑重决定：卖唱片将是一个更有钱途的买卖它也确实做得很成功，自此RCA被每个古典音乐爱好者所铭记，而美国也再无电镜制造的后起之秀。 今日，一般电镜分辨率已达1纳米，能将物体放大200万倍，细胞、细胞里的膜、膜上的分子世界豁然开朗；如果再让电子疯狂加速，加上软件的帮忙，不到1埃（=0.1纳米）的原子也能分辨清楚；全世界一共分布了10000台电子显微镜，想想在它发明之初人们做出的预测只要10台便已足够不禁慨叹在科学领域，做预言真需要有夸海口的胆识。 插图：为精子画一幅素描 精子：Sperm，来自希腊语，取种子之义，一颗种子就是一个细胞。在温和无害的玻璃皿中，每小时大约毙命5-10%；橡胶避孕套中这一数字达到60-80%。在他们自然死亡之前，我们就可以给他们画肖像画了。 先复习一下 简史（一） 的内容。下图左所示为普通光学显微镜下的精子；右边是荧光照片，在这张照片中，蓝色是他们的头，显示里边塞满了遗传的全部家当DNA；红色是不停扭动的长尾巴，因为这个颜色染出了尾巴中为精子提供长跑比赛巨大能量的结构线粒体（下文图中会看到线粒体如何塞满了精子尾巴）。 用电镜画画需要更复杂的过程。 首先要杀死他们。原因是精子在电镜内部电子的轰炸下会死得非常惨烈，因此先将它们安乐死是一种仁慈的做法这当然是谎话（生物学家和心慈手软毫不沾边）。正解是，在电镜系统内，这颗可怜的小精子正如一个摊开的鸡蛋，软塌塌地禁不起蹂躏，为了让生物学家能够长时间观察它，它必须坚毅地挺住。让鸡蛋变硬，我们可以煎炒烹炸，对精子，只能用化学物质让它内部的结构原地不动。 然后是细胞脱水。因为电镜内部几乎为真空，如果细胞里的水分持续不断地挥发到这个系统中，真空就会被打破。 下边还得让精子变得更结实，方法是将它们泡进液态的树脂中，然后放在烤箱里烤，加速自然界树脂的硬化过程，最后一颗亮晶晶的精子琥珀就出炉了。到这一步，两天至少已经过去。但这颗琥珀对于电镜观察实在太厚，于是需要用极其精细的手段将之切成几十纳米薄的切片；琥珀很硬，因此用的武器是世间最硬的钻石制成的刀，刀尖锋利无比，价值上千美元。 把切好的精子切片放到电镜里，用电子轰炸、成像，一张如铅笔素描一般的精子电镜照片就炼成了。这张照片所显示的是长长的精子的尾巴，相当于上图荧光照片中红色的部分，那一个个整齐排列的圆球便是前边提到的能量工厂线粒体了。精子头脑简单，四肢发达（指头部内容物精简，尾巴力量无穷），头部没什么东西好看，就不给大家展示了。 人最关心人的精子，实际上植物的精子一样美丽它们被包裹在花粉之中。图示为天竺葵花粉，右下和左上分别为两颗细胞。其中右下的那个（被红笔框出）会在花粉落到柱头（雌性生殖器官）上之后一分为二，每一半都是一颗精子。和人的不同，天竺葵花的精子没有尾巴，不会游泳。 在大学那个眼不花手不抖的年纪，我曾带着自己最绚烂的热情和最纯真的眼睛做过几年电镜工作。前所未有的精度揭示出超乎预期的生物细节，细胞内曲线之完美和布局之平衡也随之向我袭来，这些都让我只有接招的份儿。满眼和满脑充斥着惊喜和感动，我相信自己看到的微观世界就是宏观的生命之美的本源。 但是电镜操作复杂；更重要的是此项技术不能看活的细胞，这作为它致命的弱点，自六十年前细胞学之父首次描述细胞之时就承受起种种指摘，人们有理由怀疑，不管具有多少美学意义，电镜制样所必须的致死步骤或许改变了真实的细胞世界。现在，有些从前只能靠电镜来完成的工作已经能被其它手段取代；而电镜自己所配备的软件也使上边所描述的精密制样过程和那些精致的图片结果一再简化。有人说：电镜学家是世界上最相信眼见为实的人；还有人说，电镜是一门正在死去的艺术。 但至少现在，我仍然相信做科学就是做艺术，电镜研究是这句话最直观的体现。而电镜学家就如同舞台上正襟危坐的演奏家，握着自己的提琴，心里执着一个艺术的和精准的世界，不会被台下观众的喧嚣或冷漠而撼动。 扫描显微镜 精子还有另一种死法它们可以被镀上金，变成一颗金精子，再拿到扫描电镜下边照相。下图一团乱麻就是扫描电镜下的精子。要知道为何镀金，如何照相，请听下回分解。 致谢：感谢 田萌 提供动物精子的电镜和光镜照片。 转载原创文章请注明，转载自： 科学松鼠会 本文链接: http://songshuhui.net/archives/4959.html
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显微镜拍摄迷人的微观世界【转】
luohuiqian 2008-11-22 22:45
北京时间5月15日消息，据美国广播公司报道，尼康国际微观世界大赛开始于1974年，目的在于对科学家通过显微镜拍摄的最优秀的照片进行奖励。今年，这个赛事接到1000多件参赛作品。 胚胎斑马鱼大脑 1.新加坡国立大学淡马锡生命科学研究院的迈克尔韩德里克斯拍摄的这张斑马鱼胚胎中脑和间脑图片获得了第二名。它看上去像肺脏，实际显示的是一个3天大的胚胎斑马鱼大脑。（迈克尔韩德里克斯/淡马锡生命科学研究院） 肥皂水 2.东京都立大学的清宫山崎博士因为拍摄了这张流淌的肥皂水图片而得到表扬，这张照片是他利用一种简易显微镜拍摄的。（清宫山崎博士/东京都立大学） 蚊子照片 3.伦敦帝国理工学院光学显微镜机构和免疫基因组学实验室的马丁斯皮塔勒以及安娜斯科尼格拍摄了这张蚊子照片。（马丁斯皮塔勒和安娜斯科尼格/伦敦帝国理工学院） 隔膜照片 4.南丹麦大学的乔治伯纳德诺拉瑟尔纳博士因拍摄的各种隔膜照片得到表扬。（乔治伯纳德诺拉瑟尔纳博士/南丹麦大学） 电子气体 5.这张电子气体照片是由加拿大微结构科学研究所的彼得罗巴里奥斯比莱兹博士拍摄的。（彼得罗巴里奥斯比莱兹博士/微结构科学研究所） 用于DNA研究照片 6.美国麻省理工学院的丹尼尔普雷盖本拍摄的用于他的DNA研究的这张照片，受到尼康国际微观世界大赛的表扬。（丹尼尔普雷盖本/麻省理工学院） 雪花放大10倍 7.丹麦希尔克堡的杰瑟贝尔格罗恩利用一种工具，将雪花放大10倍，并借助偏振光加工成这些雪花照片。（杰瑟贝尔格罗恩/丹麦） 蜻蜓kaleidoflies系列 8.州立布兰奇沃特学院的杰弗莱布朗博士拍摄了这张图片，他先利用工具将蜻蜓放大，然后再利用电脑软件进行处理。他将这一系列图片称为kaleidoflies。（杰弗莱布朗博士/州立布兰奇沃特学院） 雪松叶子横切面 9.法国阿维尼翁的克里斯廷盖蒂尔的这张照片显示了雪松叶子的横切面。（克里斯廷盖蒂尔/电话照片局（PHONE Photo Agency）） 海蜗牛触角 10.阿尔斯特大学的斯蒂芬劳拉博士拍摄的这张海蜗牛触角照片，让他在大赛中荣获第十三名。（斯蒂芬劳拉博士/阿尔斯特大学） 非洲爪蟾晶胚 11.迈克尔克莱库斯奇拍摄的这些非洲爪蟾晶胚图片，让他在尼康国际微观世界大赛中获得第七名。（迈克尔克莱库斯奇/MCD生物学） 多管藻生长活标本 12.查尔斯克莱比斯是华盛顿的野生动植物摄影师，他拍摄的这张照片为他赢得了第四名。该照片显示了贴着一根多管藻生长的活标本。（查尔斯克莱比斯/查尔斯克莱比斯摄影） 作者：杨孝文 来源：新浪科技 发布时间：2008-5-15 14:18:25 更多相关博文请访问 【 若水阁 】（参赛科学博客） , 欢迎 投票 支持我的博客！ http://www.penrosent.cn/
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一花一世界——显微镜简史（一）
eloa 2008-11-5 09:56
桔子帮小帮主 发表于2008-11-4 星期二 17:21 无式镜 在从未被文字记录下来的那段历史中的某一天，一个腰上挂着树叶串、头上长发飘飘的人一脚飞起一块石子。他用类似于尖叫的语言说：咦，这是什么东西亮闪闪在地下？他捡起这块大致像颗棋子的透明石头瞅瞅，石子对面的世界放大啦～他的同类还试着用透明圆石头在炎炎烈日下长时间凝视地上一些烂草棍，结果草棍呼的一下烧着了！对大自然打磨的奇妙石头的记忆一直延续到公元1世纪初，在罗马哲学家的笔记中，它们被称为放大器（magnifier）或点火石（burning glasses）；直到13世纪，这些石头终于从脚下一路登鼻子上脸，被赐名透镜（lense），因为它们长得好像一颗小扁豆（lentil）。 题图注：体视镜（stereoscope） 随后，小扁豆又被人们粘进一根细长筒里。人们就像看万花筒一样，举着这个小筒偷看跳蚤打架，所以这只筒名叫跳蚤镜（flea glasses）。它就像眼镜的衍生物，然而已从人脸向前迈出一大步，是未来单式显微镜的雏形。谓之单式，因为它不同于你生物课上用过的显微镜，没有目镜、物镜之分，放大多少只由一颗小扁豆决定。 单式镜 现代实验室显微镜即使配以雕梁画栋，也未必可以卖得更贵，因为雕梁画栋违背了现代人讲究目的和实用的原则。因此我们常常难以理解为什么历史上许多划时代的发明刚刚出现的时候，人们想不到用这些发明改变世界，却只把它们当成丰富视觉享受、甚至象征贵族生活的道具。当我看到十七世纪初那做工精美的单式镜，真想搞一个来摆在家里纯装饰。当时，人们却可以用它来观察桔子表皮，具体做法是：取一只桔子，噗地一声扎在针尖一样的载物台上，从直立的单片镜片背后即可观看一只疼痛的桔子。前后移动桔子可以改变放大倍率，只是她挺沉的，晃晃悠悠地不太稳当。（图一） 单式显微镜达到登峰造极的水平是在列文虎克。如果我没有记错，中学的生物是从列文虎克发明显微镜开始的。其实，不论单式还是今天普遍应用的复式（即多个镜片前后排列，如目镜+物镜），发明者都不是他。只是这一点损失对于列文虎克作出的贡献无伤大雅。前边提到，单式显微镜的放大本领只能依靠一颗小扁豆来实现，要想让镜片放大率增大，镜片焦距必须很短，扁豆必须很小，这就需要很高的打磨工艺如果你是用打磨的方法。一般人能磨出放大率几十倍的镜片已经很了不起，于是列文虎克来了。 插曲：人物传 作为一个篮子手工业者的儿子，列文虎克从父亲那里遗传了心灵手巧的基因。只有他才能做出直径为2-4毫米、放大率100-300倍的镜片，能分辨出一丁点桔子皮上1m大的细节。但是手工艺人精神大放光芒，他说：有些秘密手段我得自己留着。他在这一点上非常成功。直到250年后（上世纪五十年代）真正的列文虎克镜片才通过美国人之手再次人间显现。其实，在当年众人都以为列文虎克没日没夜磨镜片时，他只是取了一根细玻璃，把中部在火焰上烤软了，两头一拉拉成两半，再将拉出的细长一端倾斜着放在火上烤化，这个时候在细尖端便会逐渐凝出一小滴小扁豆，如同你把冰棍头朝下凝出一滴水一样，这便是他的镜片了。看到今日的人们一拍脑门恍然大悟，列文虎克倚在天堂的栏杆上得意地笑了。 用这种方法，列文虎克一生一共做了500多架单式镜，可惜他太讲求完美，镜身全是货真价实的金和银（也有人说有黄铜的），在他死后，这些宝贝被卖了好价钱，流落民间再不见踪影。（图二：可以看出这种单式镜有多小，小孔内有镜片。具体用法是将物体扎在小孔一侧，人从小孔另一端观看。） 世界上那么多手工艺人，为什么列文虎克如此出名？这是因为他拥有全地球第一只观察到细菌的人类眼睛。实验初衷本是寻找辣椒中的辣成分，结果不知是成心还是忘记，一小片辣椒竟被他泡了3星期之久。没有持家经验的列文虎克非常单纯地取出一滴进行了观察，却看到一系列在水里忙碌跑动的小动物粒（animalcule）（图三，可见行动轨迹）。通过计算，他说：在一粒沙子这么大的空间能容得下一亿个小动物粒。从这句话，我们不仅知道列文虎克懂得体积的计算以及简单除法，而且能推测出他看到的就是细菌。另一位微生物学家胡克尝试了用水泡其它瓜果蔬菜，证实了以上结果是可重复的。 除了辣椒水，列文虎克还观察了从下水道水到精液，从头发到昆虫脚的几乎所有能找到的东西；人们看到原来竟有这么多不为人知的小世界同我们的生存空间并行不悖，是所谓一花一世界，一沙一天堂。列文虎克尤其对牙垢不离不弃，在以身试法之后，还将牙签对准了妻子和女儿的牙缝。最后一次问候牙齿是在第一次揭示人口腔细菌的14年后，取样对象是自己一颗残存臼齿的中空牙根。又过了10年，七十岁的列文虎克已没有牙缝，于是他坚毅地将关怀对象转向了发烧时舌头上厚厚的白色的发出腐败味道的物质。几十年屡屡探寻，他对人口腔的好奇心是否得到满足了呢？上帝与人类牙垢的比较研究进行得如何了呢？也许对于列文虎克来说，这些都是不存在终极解答的问题吧。 复式显微镜 对于手笨而无法制出2毫米小扁豆的人，也有迂回之计早在列文虎克诞生之前40年，荷兰眼镜制造商已发明出用两片镜片排成一列，逐次放大物体的方法，因为用到多个透镜，所以叫复式。然而列文虎克可以无视这种复式镜的发明，因为联手的双镜片足足花了150年才赶上他单镜片的水准。当然其中仍有佼佼者，那就是前边提到同样泡过蔬菜水的胡克和大名鼎鼎的伽利略（图四：伽利略显微镜）。为了与望远镜那看得更远（tele+scope）的梦想对仗，人们将伽利略的复式镜起名为看得更小（micro+scope）直到今天，看得更远和看得更小仍在向两个极端推广人类视野。 那时的显微镜情趣十足，有金色、银色和实木的镜身，最豪华的有小银人雕像，好像一个八音盒；下边常常自带杂物抽屉，可以装一些小手饰和小零件，有的甚至可以把自身都装进去（图五）。 后来水族馆一族想到把镜片安在水盆里看水下生物；机械能手开发出齿轮调焦；摄影爱好者给小巧的显微镜安上硕大如手风琴风箱一般的相机（图六）大家各设所需。目镜多数仍是单目，这种传统被保留至今在我大学生物课上一项必需的技能就是一只眼观察镜筒，另一只眼盯住桌上的纸，看着铅笔把镜筒中的花花世界画出来。 现代科研中最常用到的显微镜将明视场和荧光显微镜合二为一，简而言之，前者用全色的白光照亮被观察的细胞或组织，看它们本原的颜色，分辨其边界和起伏；后者用单色光照射观察对象内部或表面的荧光蛋白，再看荧光蛋白在细胞何处发光。结果，一个像是打着手电在黑屋子里找一根霓虹灯管，另一个像是把霓虹灯打开，在黑暗里看它（图七，左边为荧光，右边为明视场）。具体图像请见《 美的眼睛和显微镜 》一文，那里是光学显微镜的天下。 而放大倍数也已达到了理论的极限，因为不论镜片弧度多么精准无误，透镜组合多么完美，显微镜分辨率最多也只能达到光波长的一半自然光的平均波长为0.55m，所以分辨率能达到0.275 m，最好的光学显微镜能把物体放大2000倍，这是细菌的量级。要想继续看小下去，必需质的飞跃。 最后值得一提的一种光学显微镜名叫解剖镜，即体视镜（stereoscope）（题图），通常用它观察有一定厚度的物体；放大率不到100倍，但已经能让你清楚地看清果蝇的眼睛和花药里一粒粒的花粉。不同于一般复式显微镜，它用两套光路分别向人的两只眼睛成像，就像双目的延伸，因此在《 美的眼睛和显微镜 》一文中出镜的小鸡胚胎和采采蝇头都是立体的。 敬请期待第二部分：超越光的极限电子显微镜 转载原创文章请注明，转载自： 科学松鼠会 本文链接: http://songshuhui.net/archives/3730.html
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[转载]原子力显微镜/AFM各种成像模式的原理
kxj5639245 2008-7-18 09:52
原子力显微镜/AFM各种成像模式的原理 1 ． 原子力显微镜/AFM的基本原理 原子力显微镜/AFM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。下面，我们以激光检测原子力显微镜/AFM（ Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM ）扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。 图 1. 激光检测原子力显微镜/AFM/AFM探针工作示意图 如图 1 所示，二极管激光器（ Laser Diode ）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（ Cantilever ）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（ Detector ）。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，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。 在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（ 10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路(Feedback) 的作用就是在工作过程中，由探针得到探针 - 样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针 - 样品相互作用的强度，实现反馈控制。因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。 本系统采用数字反馈控制回路，用户在控制软件的参数工具栏通过以参考电流、积分增益和比例增益几个参数的设置来对该反馈回路的特性进行控制。 2 ． 原子力显微镜/AFM的硬件结构 在原子力显微镜/AFM（ Atomic Force Microscopy ， AFM ）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。 图 2 、原子力显微镜/AFM (AFM) 系统结构 2.1 力检测部分 在原子力显微镜/AFM的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（ cantilever ）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般 100～500 m 长和大约 500nm～5 m 厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。 以下是一种典型的 AFM 悬臂和针尖： 2.2 位置检测部分 在原子力显微镜/AFM的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂 cantilever 摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供 SPM 控制器作信号处理。 上图是激光位置检测器的示意图。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。 2.3 反馈系统 在原子力显微镜/AFM的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。 AFM 系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表 X ， Y ， Z 方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制 X ， Y 方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。 原子力显微镜/AFM便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜/AFM的系统中，使用微小悬臂（ cantilever ）来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。 3 ．原子力显微镜/AFM的工作模式 原子力显微镜/AFM的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的。主要有以下几种： 3.1 接触模式 将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，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（ 10e-8 ～ 10e-6N ），由于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值（A +B ） - （C +D ）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号反馈至电子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描器在垂直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距离，使微悬臂弯曲的形变量在水平方向扫描过程中维持一定，也就是使探针－样品间的作用力保持一定。在此反馈机制下，记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表面扫描得到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。 3.2 横向力（摩擦力）显微镜（ LFM ） 横向力显微镜（ LFM ）是在原子力显微镜/AFM表面形貌成像基础上发展的新技术之一。工作原理与接触模式的原子力显微镜/AFM相似。 当微悬臂在样品上方扫描时，由于针尖与样品表面的相互作用，导致悬臂摆动，其摆动的方向大致有两个：垂直与水平方向。一般来说，激光位置探测器所探测到的垂直方向的变化，反映的是样品表面的形态，而在水平方向上所探测到的信号的变化，由于物质表面材料特性的不同，其摩擦系数也不同，所以在扫描的过程中，导致微悬臂左右扭曲的程度也不同，检测器根据激光束在四个象限中，（A +C ） - （B +D ）这个强度差值来检测微悬臂的扭转弯曲程度。而微悬臂的扭转弯曲程度随表面摩擦特性变化而增减（增加摩擦力导致更大的扭转）。激光检测器的四个象限可以实时分别测量并记录形貌和横向力数据。 3.3 轻敲模式 用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂振动，其振动频率恰好高于探针的最低机械共振频率（～ 50kHz ）。由于探针的振动频率接近其共振频率，因此它能对驱动信号起放大作用。当把这种受迫振动的探针调节到样品表面时（通常 2 ～ 20nm ），探针与样品表面之间会产生微弱的吸引力。在半导体和绝缘体材料上的这一吸引力，主要是凝聚在探针尖端与样品间水的表面张力和范德华吸引力。虽然这种吸引力比在接触模式下记录到的原子之间的斥力要小一千倍，但是这种吸引力也会使探针的共振频率降低，驱动频率和共振频率的差距增大，探针尖端的振幅减少。这种振幅的变化可以用激光检测法探测出来，据此可推出样品表面的起伏变化。 当探针经过表面隆起的部位时，这些地方吸引力最强，其振幅便变小；而经过表面凹陷处时，其振幅便增大，反馈装置根据探针尖端振动情况的变化而改变加在 Z 轴压电扫描器上的电压，从而使振幅（也就是使探针与样品表面的间距 ）保持恒定。同 STM 和接触模式 AFM 一样，用 Z 驱动电压的变化来表征样品表面的起伏图像。 在该模式下，扫描成像时针尖对样品进行敲击，两者间只有瞬间接触，克服了传统接触模式下因针尖被拖过样品而受到摩擦力、粘附力、静电力等的影响 ，并有效的克服了扫描过程中针尖划伤样品的缺点，适合于柔软或吸附样品的检测，特别适合检测有生命的生物样品。 3.4 相移模式(相位移模式) 作为轻敲模式的一项重要的扩展技术，相移模式(相位移模式)是通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。 引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质等。因此利用相移模式(相位移模式)，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。迄今相移模式(相位移模式)已成为原子力显微镜/AFM的一种重要检测技术。 3.5 曲线测量 SFM 除了形貌测量之外，还能测量力对探针 - 样品间距离的关系曲线 Z t （ Z s ）。它几乎包含了所有关于样品和针尖间相互作用的必要信息。当微悬臂固定端被垂直接近，然后离开样品表面时，微悬臂和样品间产生了相对移动。而在这个过程中微悬臂自由端的探针也在接近、甚至压入样品表面，然后脱离，此时原子力显微镜/AFM测量并记录了探针所感受的力，从而得到力曲线。 Z s 是样品的移动， Z t 是微悬臂的移动。这两个移动近似于垂直于样品表面。用悬臂弹性系数 c 乘以 Z t ，可以得到力 F=c Z t 。如果忽略样品和针尖弹性变形，可以通过 s=Zt-Zs 给出针尖和样品间相互作用距离 s 。这样能从 Z t （ Z s ）曲线决定出力 - 距离关系 F （ s ）。这个技术可以用来测量探针尖和样品表面间的排斥力或长程吸引力，揭示定域的化学和机械性质，像粘附力和弹力，甚至吸附分子层的厚度。如果将探针用特定分子或基团修饰，利用力曲线分析技术就能够给出特异结合分子间的力或键的强度，其中也包括特定分子间的胶体力以及疏水力、长程引力等。 3.6 纳米加工 扫描探针纳米加工技术是纳米科技的核心技术之一，其基本的原理是利用 SPM 的探针－样品纳米可控定位和运动及其相互作用对样品进行纳米加工操纵，常用的纳米加工技术包括：机械刻蚀、电致 / 场致刻蚀、浸润笔（ Dip-Pen Nano-lithography ， D PN ）等。 我公司的图形化纳米加工系统采用的是纳米加工中的电致刻蚀方法，电致刻蚀主要由施加在探针与样品表面间的一个短的偏压脉冲引起，当所加电压超过阈值时，暴露在电场下的样品表面会发生化学或物理变化。这些变化或者可逆或者不可逆，其机理可以直接归因于电场效应，高度局域化的强电场可以诱导原子的场蒸发，也可以由电流焦耳热或原子电迁移引起样品表面的变化。通过控制脉冲宽度和脉幅可以限制刻蚀表面的横向分辨率，这些变化通常并不引起很明显的表面形貌变化，然而检测其导电性、 dI/dS 、 dI/dV 、摩擦力可以清晰地分辨出衬底的修饰情况。 图形刻蚀模式：通过加载图图案或者图形文件，设定相应的加工参数，系统自动控制探针按对应的图案进行纳米刻蚀。 矢量扫描模式：系统提供一个向量脚本编译器，允许用户任意指定扫描方向、距离、速度及加工参数（如作用力、电流、电压等），直接操纵探针运动，同时灵活测定各种信号和数据。 　 http://www.spm.com.cn/afm_mode.shtml
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[转载]扫描隧道显微镜原理（STM）
kxj5639245 2008-7-18 09:43
1 扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用量子理论中的隧道效应 。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极 。这种现象即是隧道效应。隧道电流 I 是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离 S 和平均功函数 有关： V b 是加在针尖和样品之间的偏置电压 ， 平均功函数 ， 分别为针尖和样品的功函数， A 为常数，在真空条件下约等于1。扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂―铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。 由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离 S 减小0.1nm，隧道电流 I 将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏 ，见图1(a)。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在 z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布。这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。 （a） （ b） 图 1 扫描模式示意图 （ a ）恒电流模式；（ b ）恒高度模式 S 为针尖与样品间距， I 、 V b 为隧道电流和偏置电压， V z 为控制针尖在 z 方向高度的反馈电压。 从式可知，在 V b 和 I 保持不变的扫描过程中，如果功函数随样品表面的位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距 S 的变化，因而也引起控制针尖高度的电压 V z 的变化。如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数，此时 扫描隧道显微镜(STM) 给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果。 扫描隧道显微镜(STM) 不能区分这两个因素，但用扫描隧道谱（STS）方法却能区分。利用表面功函数、偏置电压与隧道电流之间的关系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。 如前所述， 扫描隧道显微镜(STM) 仪器本身具有的诸多优点，使它在研究物质表面结构、生物样品及微电子技术等领域中成为很有效的实验工具。例如生物学家们研究单个的蛋白质分子或DNA分子；材料学家们考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个原子的电路图等，都可利用 扫描隧道显微镜(STM) 仪器。在 扫描隧道显微镜(STM) 问世之前，这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法来进行观测。而 扫描隧道显微镜(STM) 则是对样品表面进行无损探测，避免了使样品发生变化，也无需使样品受破坏性的高能辐射作用。另外，任何借助透镜来对光或其它辐射进行聚焦的显微镜都不可避免的受到一条根本限制：光的衍射现象。由于光的衍射，尺寸小于光波长一半的细节在显微镜下将变得模糊。而 扫描隧道显微镜(STM) 则能够轻而易举地克服这种限制，因而可获得原子级的高分辨率。表1列出了 扫描隧道显微镜(STM) 与EM、FIM的几项综合性能指标，读者从这些性能指标对比中可体会到 扫描隧道显微镜(STM) 仪器的优点和特点。 分辨率 工作环境 样品环境温度 对样品破坏程度 检测深度 STM 原子级 （垂直 0.01nm ） （横向0.1nm ） 实环境、 大气、溶液、真空 室温 或低温 无 1~2 原子层 TEM 点分辨 （0.3~0.5nm ） 晶格分辨 （0.1~0.2nm） 高 真 空 室温 小 接近扫描电镜，但实际上为样品厚度所限，一般小于 100nm SEM 6~10nm 高 真 空 室温 小 10mm （10 倍时） 1 m （ 10000 倍时） FIM 原子级 超高 真 空 30-80K 有 原子厚度 表1 STM与EM、FIM的各项性能指标比较 从扫描隧道显微镜(STM)的工作原理可知，在扫描隧道显微镜(STM)观测样品表面的过程中，扫描探针的结构所起的作用是很重要的。如针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素；针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响到STM图象的分辨率，而且还关系到电子结构的测量。因此，精确地观测描述针尖的几何形状与电子特性对于实验质量的评估有重要的参考价值。 扫描隧道显微镜(STM)的研究者们曾采用了一些其它技术手段来观察扫描隧道显微镜(STM)针尖的微观形貌，如SEM、TEM、FIM等。SEM一般只能提供微米或亚微米级的形貌信息，显然对于原子级的微观结构观察是远远不够的。虽然用高分辨TEM可以得到原子级的样品图象，但用于观察扫描隧道显微镜(STM)针尖则较为困难，而且它的原子级分辨率也只是勉强可以达到。只有FIM能在原子级分辨率下观察扫描隧道显微镜(STM)金属针尖的顶端形貌，因而成为扫描隧道显微镜(STM)针尖的有效观测工具。日本Tohoku大学的樱井利夫等人利用了FIM的这一优势制成了FIM-STM联用装置(研究者称之为FI-STM) ，可以通过FIM在原子级水平上观测扫描隧道显微镜(STM)扫描针尖的几何形状，这使得人们能够在确知扫描隧道显微镜(STM)针尖状态的情况下进行实验，从而提高了使用扫描隧道显微镜(STM)仪器的有效率。 扫描隧道显微镜(STM) 在化学中的应用研究虽然只进行了几年，但涉及的范围已极为广泛。因为 扫描隧道显微镜(STM) 的最早期研究工作是在超高真空中进行的，因此最直接的化学应用是观察和记录超高真空条件下金属原子在固体表面的吸附结构。在化学各学科的研究方向中，电化学可算是很活跃的领域，可能是因为电解池与 扫描隧道显微镜(STM) 装置的相似性所致。同时对相界面结构的再认识也是电化学家们长期关注的课题。专用于电化学研究的 扫描隧道显微镜(STM) 装置已研制成功。 在有机分子结构的研究中，高分辨率的 扫描隧道显微镜(STM) 三维直观图象是一种极为有用的工具。此法已成功地观察到苯在Rh(111)表面的单层吸附，并显示清晰的Kekule环状结构。在生物学领域， 扫描隧道显微镜(STM) 已用来直接观察DNA、重组DNA及HPI-蛋白质等在载体表面吸附后的外形结构。 可以预测，对于许多溶液相的化学反应机理研究，如能移置到载体表面进行， 扫描隧道显微镜(STM) 也不失为一个可以尝试的测试手段，通过它可观察到原子间转移的直接过程。对于膜表面的吸附和渗透过程， 扫描隧道显微镜(STM) 方法可能描绘出较为详细的机理。这一方法在操作上和理解上简单直观，获得数据后无需作任何繁琐的后续数据处理就可直接显示或绘图，而且适用于很多介质，因此将会在其应用研究领域展现出广阔的前景。 继扫描隧道显微镜(STM)之后，各国科技工作者在扫描隧道显微镜(STM)原理基础上又发明了一系列新型显微镜 。它们包括：原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描隧道电位仪（STP）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描近场光学显微镜（SNOM，在1956年设想基础上的改进）和光子扫描隧道显微镜（PSTM）等。这些新型显微镜的发明为探索物质表面或界面的特性，如表面不同部位的磁场、静电场、热量散失、离子流量、表面摩擦力以及在扩大可测样品范围方面提供了有力的工具。近几年来，在把STM与EM、FIM以及AFM、LEED等其它表面分析手段联用方面，也取得了可喜的进展。目前最小的扫描隧道显微镜(STM)尺寸仅为125 m，而最大的扫描范围可达100 m。 　 2 STM的局限性与发展 尽管 扫描隧道显微镜(STM) 有着EM、FIM等仪器所不能比拟的诸多优点，但由于仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下两个方面： 1.在 扫描隧道显微镜(STM) 的恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。图2摘自对铂超细粉末的一个研究实例 。它形象地显示了 扫描隧道显微镜(STM) 在这种探测方式上的缺陷。铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所盖，在形貌图上表现得很窄，而铂粒子的粒径却因此而被增大了。在TEM的观测中则不会出现这种问题。 图2 STM恒电流工作方式观测超细金属微粒（Pt/C样品） 在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要。 2. 扫描隧道显微镜(STM) 所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补 扫描隧道显微镜(STM) 这方面的不足。 此外，在目前常用的（包括商品） 扫描隧道显微镜(STM) 仪器中，一般都没有配备FIM，因而针尖形状的不确定性往往会对仪器的分辨率和图象的认证与解释带来许多不确定因素。 尽管 扫描隧道显微镜(STM) 问世的时间很短，但经过各国科学家的努力， 扫描隧道显微镜(STM) 技术已得到了迅速的发展，在许多方面显示出其独特的优点。相信随着 扫描隧道显微镜(STM) 理论与技术的日臻完善， 扫描隧道显微镜(STM) 及其相关技术必将在人类认识微观世界的进程中发挥越来越大的作用。 其他类似的检测仪器 继1982年发明在真空条件下工作的STM以来，扫描隧道显微技术及其应用得到了迅猛发展。1984年STM先后用于在大气、蒸馏水、盐水和电解液环境下研究不同物质的表面结构。后来，在STM的原理的基础上又发明了一系列新型的显微镜。这些显微镜包括： 原子力显微镜（Atomic Force Micro-scope）简称AFM。它可以直接观察原子和分子，而且用途更为广泛，对导电和非导电样品均适用。AFM也可以作为纳米制造的手段，目前，已有一些成功的例子。 原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、摩擦力显微镜、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描隧道电位仪（STP）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）和扫描超声显微镜等。 这些新型显微镜的发明为探索物质表面或界面的特性，如表面不同部位的磁场、静电场、热量损失、离子流量、表面摩擦力以及在扩大可测量样品的范围等方面提供了有力的工具。近几年来在把STM与AFM、FIM、LEED等其他表面分析手段联用方面，也取得了可喜的进展。目前，最小的STM仅为1000mm200mm8mm，最大的扫描范围可达100m。已召开了十几次STM国际会议，1993年8月在北京召开了第七届STM国际会议，有中国科学院化学所、清华大学等单位参加。 中国科学院化学所白春礼课题组于1988年初研制成功计算机控制的STM，该仪器由STM主体、控制电路、计算机、高分辨图形显示终端等部分组成。具有恒定高度、恒定电流两种扫描模式，提供有STM形貌图、I-V曲线、局域势垒高度测量等功能。仪器水平分辨率1，垂直分辨率0.1，扫描范围1nm1nm~4.5m4.5m。 原子力显微镜（AFM） 上一节已经简述了STM发明之后，纳米结构测试技术的发展。本节将进行略为详细的讨论。1986年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明了AFM。这种新型的表面分析仪器是靠探测针尖与样品表面微弱的原子间作用力的变化来观察表面结构的。它不仅可以观察导体和半导体的表面形貌，而且可以观察非导体的表面形貌，弥补了STM只能直接观察导体和半导体之不足。由于许多实用的材料或感光的样品是不导电的，因此AFM的出现也引起了科学界的普遍重视。当时宾尼研制的第一台AFM的横向分辨率仅为30 ，1987年斯坦福大学的Quate等人报道他们的AFM达到了原子级分辨率。中国科学院化学所研制的隧道电流法检测、微悬臂运动的AFM于1988年底首次达到原子级分辨率。运用该仪器对金红石、有机铁磁体、非线性光学材料的表面结构进行了研究，均获得了较好的结果。 激光检测原子力显微镜（AFM） 在力学结构上，可以把探针看成是微悬臂。激光检测AFM利用激光束的偏转来检测微悬臂的运动。因为激光束能量高，且具有单色性，因此能够提高仪器的可靠性和稳定性，避免因隧道污染所产生的噪声。同时，还能提高原子间作用力检测的灵敏度，大大减小微悬臂对样品的影响，扩大仪器的适用范围，使其更加适合于有机分子的研究。另外激光检测AFM经过适当改进后，可用来检测样品表面的磁力、静电力等。中国科学院化学所于1992年9月研制成功了国内第一台激光检测AFM，分辨率达原子级水平，已用它对石墨、云母、激光唱盘沟模等进行了研究，达到了原子级分辨率。 低温扫描隧道显微镜（STM） 许多材料的某些物理特性只有在低温下（如液氮，液氦温区）才能表现出来，在室温下很难观测到或者根本观察不到。例如目前获得极大关注的高Tc超导材料，其超导性质一般要在液氮温区才能表现出来，欲观察其超导能隙，则必须使STM在低温下工作。因此，为了开展对材料的低温性质的研究，首先要研究低温下工作的STM（简称低温STM）。中国科学院化学所研制成功了国内第一台低温STM，已使用该仪器获得了低温下（液氮温区）高定向石墨的原子级分辨图像，对于超导样品等的研究工作也取得了一定的进展。 真空扫描隧道显微镜（STM） STM技术获得的信息来自表面单层原子，因而该技术对表面清洁度非常敏感。有些样品表面易被杂质吸附，有些还呈氧化态，因此有必要建立一套加工工艺，能够获得清洁而真实的样品表面；并且在实验过程能保持样品的这种状态，以便在超高真空环境下进行STM的工作。这种STM简称真空STM。另外根据研究需要， 一般要求能够对样品进行加热退火、解理等多种处理，并使STM手段能与其他表面分析手段联用，只有真空STM能提供这种可能。为此开展了真空STM的研制工作，中科院化学所已完成使用无油无震真空系统的STM，并进行了鉴定。在超高真空下用STM对石墨表面的研究已获得原子级分辨的图像，对Si（111）77重构表面的研究正在进行之中。 弹道电子发射显微镜（BEEM） 半导体材料的发现和使用导致人们需要对其表面和界面性质进行全面了解。常规的表面分析技术不能用来研究表面下界面的结构和电子性质，而肖特基势垒法，包括光电发射法、光电响应法、伏安曲线法等可以用来间接地表达界面的有关性质，但它们并不具备在整个界面上探测肖特基势垒性质变化的空间分辨能力。为此，一种直接对表面下界面电子性质进行谱学研究，并能以高分辨率成像的实验技术BEEM应运而生。中国科学院化学所1992年开始从事有关BEEM的研制工作，目前已取得了很大的进展。并且使用该仪器进行了材料的表面和界面性质的研究。 参考文献 白春礼，大学化学， 1989,3,1. Binnig, G. and Rohrer, H., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1987,26,606. Sakurai, T. et al., Prog. Surf. Sci., 1990,33,3. Wickramasinghe, H.K. et al., Scientific American, 1989,10,74. 白春礼，郭军，石油化工， 1992,1. Masaharu, K. et al., J. Microscopy, 1988,152910,197. 《纳米技术与纳米材料》（张志焜、崔作林著） http://www.spm.com.cn/stm_tech.shtml
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[转载]原子力显微镜的原理
kxj5639245 2008-7-18 09:36
原子力显微镜的原理 一、原理 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM 公司的Binnig与史丹佛大学的Quate 于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。 图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而不同，其之间的能量表示也会不同。 原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如图1 所示，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard Jones 的公式中到另一种印证。 为原子的直径 为原子之间的距离 从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为-E 同时也说明了空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力式显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。 在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM ），探针与试片的距离约数个?。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM ），探针与试片的距离约数十个? 到数百个?。 二、原子力显微镜的硬件架构： 在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。 图2、原子力显微镜(AFM)系统结构 2.1 力检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。 2.2 位置检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。 2.3 反馈系统： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。 原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照射在cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。 激光检测原子力显微镜 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。下面，我们以激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM）扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。 图3. 激光检测原子力显微镜探针工作示意图 如图3所示，二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（Detector）。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，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。 在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10 -9 米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路(Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反馈控制。因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。 本系统采用数字反馈控制回路，用户在控制软件的参数工具栏通过以参考电流、积分增益和比例增益几个参数的设置来对该反馈回路的特性进行控制。 http://www.caikon.com/optical.htm
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