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(cè)定表面電勢(shì)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(duì)樣品臺(tái)及控制器進(jìn)行改裝，加裝偏壓電源，并對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)，使系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)表面電勢(shì)測(cè)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(shì)；功能拓展

原子力顯微鏡是探測(cè)原子間相互作用力的一種顯微鏡，由于其分辨率高、制樣簡(jiǎn)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(cè)信號(hào)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(shí)可測(cè)長(zhǎng)、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(duì)樣品表面電荷測(cè)試的需求逐漸增多，此項(xiàng)測(cè)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(xiàng)功能.通過對(duì)開爾文力顯微鏡原理的研究及廠家工程師的咨詢，我們對(duì)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(cè)定表面電勢(shì)的功能，拓寬了儀器的應(yīng)用范圍.

1 表面電勢(shì)測(cè)定原理

表面電勢(shì)的測(cè)試通常是用開爾文力顯微鏡來(lái)完成的.開爾文力顯微鏡是近10年來(lái)在原子力顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)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(shí)觀察樣品表面形貌和表面電荷分布[2-3].在測(cè)量表面形貌時(shí)，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(gè)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(huì)顯示出來(lái).探針的微懸臂梁由于電場(chǎng)力影響產(chǎn)生撓度或振動(dòng)相位的微小變化，通過對(duì)撓度或相位處理信號(hào)的采集和處理從而實(shí)現(xiàn)表面電勢(shì)的測(cè)量[4-5].在開爾文力顯微鏡中利用該技術(shù)測(cè)試表面電勢(shì)時(shí)，探針與樣品表面接觸，針尖電勢(shì)與針尖-樣品之間的接觸電勢(shì)差相等時(shí)，針尖與樣品之間的作用力等于零，此時(shí)檢測(cè)到的針尖電勢(shì)為針尖與樣品的實(shí)際接觸電勢(shì)，扣除針尖電勢(shì)即可得到樣品的表面電勢(shì)[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(chǎng)力

(1)

然后將探針和樣品間實(shí)際的電勢(shì)差代入，包含待測(cè)的接觸電勢(shì)差、補(bǔ)償電勢(shì)Vdc和引起探針振動(dòng)的電勢(shì)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(bǔ)償電勢(shì)Vdc調(diào)節(jié)至恰好與待測(cè)接觸電勢(shì)差相等時(shí)，該力為0. 根據(jù)力與振幅的關(guān)系

(6)

可知此時(shí)一倍頻的振幅為0，所以將令一倍頻振幅為0的那個(gè)補(bǔ)償電勢(shì)就是要測(cè)的電勢(shì)，其原理如圖1所示.

圖1 表面電勢(shì)模式簡(jiǎn)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(duì)樣品表面形貌進(jìn)行面掃[8].通過針尖施加直流電場(chǎng)+交流電場(chǎng)，改變直流電場(chǎng)大小直至交流電場(chǎng)所造成的探針同頻率的振幅變化為零，這時(shí)的直流電場(chǎng)就是針尖和表面電勢(shì)的差.在表面電勢(shì)掃描時(shí)，按照前面的掃描輪廓抬舉一定高度再掃一遍，表面電勢(shì)的變化就是針尖上增加的直流電場(chǎng)+交流電場(chǎng)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(shì)測(cè)定

實(shí)際應(yīng)用中，表面電勢(shì)的測(cè)定通過在探針和樣品之間施加恒定的電壓來(lái)控制電場(chǎng)力.這個(gè)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(shí)測(cè)電勢(shì)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(dòng)掃描直接通過壓電陶瓷管的壓電效應(yīng)來(lái)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?cè)噲D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(chǎng)力較強(qiáng)的情況下，在掃描時(shí)利用鎖相放大器將特定頻率信號(hào)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(dòng)的振幅與相位符號(hào)的乘積，調(diào)節(jié)DC使施加在樣品上的信號(hào)中的一次諧波項(xiàng)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(tái)上，每次進(jìn)行測(cè)定時(shí)將原載物臺(tái)與顯微鏡底架之間加裝絕緣板，測(cè)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(tái)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(huì)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(shí)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(shí)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(hào)SCM-PIT)，HOPG-12型石墨載體，絕緣板.

改造后可測(cè)量樣品(導(dǎo)體，半導(dǎo)體)表面電荷分布，樣品任意點(diǎn)電勢(shì)及不同點(diǎn)之間的電勢(shì)差值，任意區(qū)域電勢(shì)均值.

3 測(cè)量案例

3.1 無(wú)機(jī)膜表面電勢(shì)的測(cè)定

首先對(duì)準(zhǔn)對(duì)稱無(wú)機(jī)膜(QSTFI)的表面電勢(shì)分布進(jìn)行測(cè)試.準(zhǔn)對(duì)稱無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)膜.該膜能夠在正向滲透模式下實(shí)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(wú)定形的無(wú)機(jī)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(diǎn)為pH=2.5，在常規(guī)測(cè)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(cè)試前，將膜樣品固定在AFM載物臺(tái)上；將 AFM 的工作模式調(diào)到 surface potential 模式下；

2)對(duì)膜表面同一相對(duì)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(cè)量.

3)操作時(shí)，針尖與樣品間距一般為10～200 nm，進(jìn)行成像操作時(shí)，每條掃描線上都進(jìn)行兩次掃描測(cè)量.第二次掃描時(shí)，針尖(相對(duì)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(shì)分布情況等，得到如下結(jié)果(圖3).

圖3 無(wú)機(jī)正向滲透膜樣品表面電荷測(cè)試結(jié)果

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

3.2 污泥表面電荷的測(cè)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(duì)活性污泥微生物樣品的表面電勢(shì)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)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(gè)掃描區(qū)域電荷分布如圖4(B)所示，由軟件計(jì)算得到整個(gè)掃描區(qū)域表面電勢(shì)平均值為-43.5mV.其中不同顏色顯示代表表面電勢(shì)的高低區(qū)分，由下至上電勢(shì)值逐漸降低，說明樣品表面各點(diǎn)與探針間的電場(chǎng)力是有變化的，樣品表面帶負(fù)電荷，此結(jié)果已得到國(guó)際權(quán)威雜志認(rèn)可[11].

圖4 活性污泥樣品表面電荷測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)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(tái)，使樣品帶電，從而可以檢測(cè)樣品的表面電勢(shì)變化，對(duì)膜和生物樣品進(jìn)行測(cè)試，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，拓寬了儀器的應(yīng)用領(lǐng)域.

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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(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)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(cè)試.

TH 742.9

A

1672-0946(2017)02-0180-04