生物型原子力顯微鏡測定表面電勢的功能拓展

張金娜，李冬梅，趙晟鋅，王 科

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

生物型原子力顯微鏡測定表面電勢的功能拓展

張金娜，李冬梅，趙晟鋅，王 科

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

Bruker公司生物型原子力顯微鏡，主要用于生物及材料樣品的表面形貌觀察. 通過對樣品臺及控制器進(jìn)行改裝，加裝偏壓電源，并對軟件進(jìn)行升級，使系統(tǒng)初步實現(xiàn)表面電勢測定功能，拓展了儀器的應(yīng)用范圍.

原子力顯微鏡；生物型；表面電勢；功能拓展

原子力顯微鏡是探測原子間相互作用力的一種顯微鏡，由于其分辨率高、制樣簡單而備受關(guān)注，并在生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用[1].根據(jù)檢測信號的不同還發(fā)展出許多其類型的顯微鏡，如橫向力顯微鏡，磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡等.通常原子力顯微鏡主要用于微生物及膜等材料的表面二維和三維形貌觀察，同時可測長、寬等尺寸數(shù)據(jù)，并進(jìn)行表面粗糙度、顆粒度等數(shù)據(jù)分析.隨著我院研究方向的拓展，對樣品表面電荷測試的需求逐漸增多，此項測試一般是通過開爾文力顯微鏡完成，生物型原子力顯微鏡并不具備此項功能.通過對開爾文力顯微鏡原理的研究及廠家工程師的咨詢，我們對現(xiàn)有儀器進(jìn)行改造，增配相關(guān)附件，調(diào)整軟件參數(shù)，使現(xiàn)有的生物型原子力顯微鏡初步具備測定表面電勢的功能，拓寬了儀器的應(yīng)用范圍.

1 表面電勢測定原理

表面電勢的測試通常是用開爾文力顯微鏡來完成的.開爾文力顯微鏡是近10年來在原子力顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項微納米表面分析技術(shù).該技術(shù)可以在微納米尺度下同時觀察樣品表面形貌和表面電荷分布[2-3].在測量表面形貌時，探針的針尖與樣品表面發(fā)生接觸；而后針尖從樣品表面抬起一個固定高度，在克服掉表面行形貌影響下導(dǎo)電探針和樣品表面電荷之間的靜電力就會顯示出來.探針的微懸臂梁由于電場力影響產(chǎn)生撓度或振動相位的微小變化，通過對撓度或相位處理信號的采集和處理從而實現(xiàn)表面電勢的測量[4-5].在開爾文力顯微鏡中利用該技術(shù)測試表面電勢時，探針與樣品表面接觸，針尖電勢與針尖-樣品之間的接觸電勢差相等時，針尖與樣品之間的作用力等于零，此時檢測到的針尖電勢為針尖與樣品的實際接觸電勢，扣除針尖電勢即可得到樣品的表面電勢[6].其具體過程如下：首先在平行板電容器假設(shè)下導(dǎo)出探針與樣品間的電場力

(1)

然后將探針和樣品間實際的電勢差代入，包含待測的接觸電勢差、補償電勢Vdc和引起探針振動的電勢Vac

(2)

將上式展開，根據(jù)作用力與頻率的關(guān)系分為三類作用力，

(3)

(4)

(5)

從一倍頻作用力的表達(dá)式可以看出，當(dāng)補償電勢Vdc調(diào)節(jié)至恰好與待測接觸電勢差相等時，該力為0. 根據(jù)力與振幅的關(guān)系

(6)

可知此時一倍頻的振幅為0，所以將令一倍頻振幅為0的那個補償電勢就是要測的電勢，其原理如圖1所示.

圖1 表面電勢模式簡化示意圖[7]

掃描過程使用的是導(dǎo)電探針，在針尖或樣品上施加一定偏壓，利用AFM的表面成像功能，對樣品表面形貌進(jìn)行面掃[8].通過針尖施加直流電場+交流電場，改變直流電場大小直至交流電場所造成的探針同頻率的振幅變化為零，這時的直流電場就是針尖和表面電勢的差.在表面電勢掃描時，按照前面的掃描輪廓抬舉一定高度再掃一遍，表面電勢的變化就是針尖上增加的直流電場+交流電場的變化，如圖2[9].

圖2 針尖和樣品的能帶圖

2 生物型原子力顯微鏡功能拓展—表面電勢測定

實際應(yīng)用中，表面電勢的測定通過在探針和樣品之間施加恒定的電壓來控制電場力.這個電壓既可以加在探針上也可以加在樣品上.若偏壓加在針尖上則實測電勢差V=Vsample-Vtip，若偏壓加到樣品上，則V=Vtip-Vsample.在EFM中一般是將偏壓加在針尖上，現(xiàn)有生物型原子力顯微鏡探針的移動掃描直接通過壓電陶瓷管的壓電效應(yīng)來控制，探針本身不帶電，不能預(yù)先設(shè)定針尖偏壓，因此我們試圖將偏壓加到樣品上，具體操作辦法是從E-box模塊引出電源作為樣品偏壓，電壓在控制器中產(chǎn)生，通過它加到樣品上.在電場力較強的情況下，在掃描時利用鎖相放大器將特定頻率信號的振幅和相位濾出.通過potential的反饋回路，監(jiān)控一倍頻探針振動的振幅與相位符號的乘積，調(diào)節(jié)DC使施加在樣品上的信號中的一次諧波項為零.

2.1 硬件改造

從E-box里面的 sample bias外接電源線一根，將其連接到載物臺上，每次進(jìn)行測定時將原載物臺與顯微鏡底架之間加裝絕緣板，測試完畢后需卸載絕緣板以保證其他模式能夠正常使用.

2.2 軟件設(shè)置

在軟件操作界面中，將操作平臺切換到Surface Potential 模式，在“Inter leave Controls”菜單中，設(shè)置為“Sample Bias”，樣品偏壓的可設(shè)范圍是±10V.我們一般設(shè)定偏壓在±3V以內(nèi)，過大的電壓可能會將樣品表面極化.將數(shù)據(jù)通道1中Data Type設(shè)為“Height”，將數(shù)據(jù)通道2的Data Type設(shè)為“Potential”，Scan Line設(shè)為“Interleave”，Line Direction 設(shè)為“Retrace”，同時需要變更參數(shù)aspect ratio 設(shè)定為1∶1.其他參數(shù)以輕敲模式的步驟設(shè)定并優(yōu)化，并根據(jù)樣品變化隨時調(diào)整，使系統(tǒng)能夠獲得重合良好的形貌圖.

2.3 其他增配附件

導(dǎo)電型探針(型號SCM-PIT)，HOPG-12型石墨載體，絕緣板.

改造后可測量樣品(導(dǎo)體，半導(dǎo)體)表面電荷分布，樣品任意點電勢及不同點之間的電勢差值，任意區(qū)域電勢均值.

3 測量案例

3.1 無機膜表面電勢的測定

首先對準(zhǔn)對稱無機膜(QSTFI)的表面電勢分布進(jìn)行測試.準(zhǔn)對稱無機膜的制備過程為：正硅酸乙酯在致密的不銹鋼網(wǎng)上發(fā)生界面溶膠凝膠反應(yīng)，經(jīng)過高溫處理后得到文中的受試無機膜.該膜能夠在正向滲透模式下實現(xiàn)水中離子和水分子的分離.這主要是由于其內(nèi)部由無定形的無機Si-O網(wǎng)絡(luò)組成，而表面含有大量的硅羥基，SiO2凝膠的等電點為pH=2.5，在常規(guī)測試條件下，pH>6.0，這使得其表面在吸收空氣中的水分后應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)電態(tài).

步驟如下：

1)測試前，將膜樣品固定在AFM載物臺上；將 AFM 的工作模式調(diào)到 surface potential 模式下；

2)對膜表面同一相對光滑的區(qū)域以不同的掃描方向或不同的掃描面積進(jìn)行掃描測量.

3)操作時，針尖與樣品間距一般為10～200 nm，進(jìn)行成像操作時，每條掃描線上都進(jìn)行兩次掃描測量.第二次掃描時，針尖(相對于樣品表面)抬起高度設(shè)定為100 nm左右.

4)獲得信息：可以獲得樣品表面形貌，電勢分布情況等，得到如下結(jié)果(圖3).

圖3 無機正向滲透膜樣品表面電荷測試結(jié)果

由測試結(jié)果可知，膜樣品的表面電勢為負(fù)值，表面電勢范圍是-166～-97.7 mV[10]，整個區(qū)域平均電勢為-131 mV，說明膜樣品和探針間有電場特性存在.

3.2 污泥表面電荷的測定

在生物絮體表面特性中，微生物絮體的表面電荷是關(guān)系到活性污泥絮體穩(wěn)定性及沉淀性能的關(guān)鍵參數(shù).當(dāng)絮體表面負(fù)電荷增加，則靜電斥力增加，絮體難以聚集，降低微生物絮體穩(wěn)定性；當(dāng)表面負(fù)電荷減少，靜電斥力隨之降低，增加了微生物絮體的穩(wěn)定性[11].利用改造后的AFM對活性污泥微生物樣品的表面電勢進(jìn)行測定，測試樣品固定在石墨片上，其他步驟同上，選取掃描區(qū)域后進(jìn)行掃描，得到掃描區(qū)形貌圖如圖4(A)所示，整個掃描區(qū)域電荷分布如圖4(B)所示，由軟件計算得到整個掃描區(qū)域表面電勢平均值為-43.5mV.其中不同顏色顯示代表表面電勢的高低區(qū)分，由下至上電勢值逐漸降低，說明樣品表面各點與探針間的電場力是有變化的，樣品表面帶負(fù)電荷，此結(jié)果已得到國際權(quán)威雜志認(rèn)可[11].

圖4 活性污泥樣品表面電荷測試結(jié)果

4 結(jié) 語

通過對現(xiàn)有生物型原子力顯微鏡進(jìn)行硬件改造，外接偏壓到樣品臺，使樣品帶電，從而可以檢測樣品的表面電勢變化，對膜和生物樣品進(jìn)行測試，得到了較好的實驗結(jié)果，拓寬了儀器的應(yīng)用領(lǐng)域.

[1] 陳科球, 謝偉廣. 原子力顯微鏡探針選擇及常見故障解決方法[J]. 實驗室研究與探索, 2014, 33(7): 19-22.

[2] LEITNER M, FANTNER G E, FANTNER E J. Increased imaging speed and force sensitivity for bio-applications with small cantilevers using a conventional AFM?setup[J]. Microscopy, 2012, 43(12): 1399-1407.

[3] MIRONOV V L. Fundamentals of scanning probe microscopy [M]. Russia: 2004. 18-20.

[4] GULNIHAL O Y, MEHMET P. Determination of electrostatic potential distribution by atomic force microscopy (AFM) on model silica and alumina surfaces in aqueous electrolyte solutions [J]. Applied Surface Science, 2014(301): 149-155.

[5] SIKORA A, WOSZCZYNA M, FRIEDEMANN M. AFM diagnostics of graphene-based quantum hall devices [J] . Microscopy, 2012, 43(2): 479-486.

[6] BHUSHAN B, KASAI T. A surface topography-independent friction measurement technique using torsional resonance mode in an AFM [J]. Nanotechnology, 2004, 15: 923.

[7] 楊曉南. 水中納米TiO2特性及對SBR活性污泥系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013. 25.

[8] OHLER B. Experience the future of atomic force microscopy [J]. Veeco Webinar, 2010.

[9] DA L, HAO S, YAN L. Kelvin probe force Microscopy in nanoscience and nanotechnology [M]. Berlin: Springer Berlin Heidelberg,2015: 117-158.

[10] 鐘溢健, 張金娜, 王秀蘅, 等. 聚乙烯醇修飾準(zhǔn)對稱無機膜的正向滲透效能[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2015, 47(8): 7-11.

[11] YANG X N, CUI F Y, GUO X C,etal. Effects of nanosized titanium dioxide on the physicochemical stability of activated sludge flocs by thermodynamic approach and Kelvin probe force microscopy[J]. Water Research, 2013, 47(12): 3947-3958.

Measurement of surface potential using biotype AFM

ZHANG Jin-na, LI Dong-mei, ZHAO Sheng-xin, WANG Ke

(School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

The Bioscope AFM (Bruker, US) is used for observing the microscopic morphology of the biological samples. The function of AFM can be extended to measure the surface electric potential by modifying the sample platform and controller, adding bias and updating the software. The AFM after modification can realize the measurement of the electric potential and force for the material surface.

AFM; biotype; surface electric potential; function expansion

2016-12-20.

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(51208142)

張金娜(1982-)，女，博士，工程師，研究方向：原子力顯微鏡分析測試.

TH 742.9

A

1672-0946(2017)02-0180-04