實驗三　使用原子力顯微鏡（AFM）分析紡織材料形貌

一、實驗原理

1665年，光學顯微鏡首次出現，推動了科學技術的發展，但光的衍射效應限制了光學顯微鏡的分辨率。隨后掃描隧道顯微鏡的發明提高了所觀察物體的分辨率，但因其工作依靠隧道電流，只能用來觀察導電材料。為了解決這一問題，科學家在掃描隧道顯微鏡的基礎上發明了原子力顯微鏡（AFM）。AFM通過裝有針尖的彈性微懸臂的振動檢測樣品的表面形貌。當針尖通過樣品表面時，針尖與樣品面的相互作用力會引起微懸臂的形變。照射在懸臂背面的激光束通過反射鏡反射到對位置敏感的光電探測器中，懸臂會隨樣品表面形貌的起伏而發生彎曲，同時探測器上激光的位置會發生相應移動。最終檢測器通過測量針尖的位移量，并將這些信息輸入計算機，經過處理即可還原樣品表面的形貌像。當前AFM的主要掃描模式為接觸模式（Contact mode）、非接觸模式（Noncontact mode）、輕敲模式（Tapping mode）和自動掃描模式（ScanAsyst mode）。

二、樣品準備

根據樣品種類的不同，各種顯微鏡對其前處理過程有不同的要求。比如對生物樣品進行測定時，電子顯微鏡必須對樣品進行固定、脫水、包埋、切片、染色等一系列處理；激光共聚焦顯微鏡拍攝前須對樣品進行特殊的熒光染色；掃描隧道顯微鏡要求物質具有表面導電性，否則要進行鍍金處理。而利用AFM觀察樣品時無須導電、低溫真空等條件，只需對樣品進行簡單固定處理便可直接觀察，但是其成像載體、基底的處理等對成像質量有很大的影響。

（一）成像載體

AFM的成像載體有很多種，如云母片、玻璃片、石墨、二氧化硅、生物膜等。在空氣中觀察時，云母片是應用最廣泛的基底。云母片、玻璃及氧化硅在中性條件下帶負電，所以中性條件下帶正電的樣品可以通過簡單吸附進行固定。

（二）基底處理

若是云母片作為基底，一般是用膠帶紙將干凈的云母表面剝離，洗耳球吹凈云母表面由于剝離而可能產生的碎片，得到干凈、平坦且不導電的云母片。若是硅片作為基底，一般先用有機溶劑將硅片浸泡，處理干凈。

（三）樣品制備

對于溶液類樣品，先將分散好的溶液類樣品直接滴加到云母上，吸附一定時間后，用濾紙吸干、自然晾干或氮氣吹干的方法去掉多余的水分，就可進行觀察。對于紡織材料中的纖維類樣品，需將表面處理達到測試要求的樣品裁剪至邊長不超過15mm，直接用雙面膠黏附在云母或者硅片基底上，再將云母或者硅片粘貼在儀器配套的尺寸合適的金屬樣品托上進行觀察（注意：樣品尺寸不能超出載物臺大小，粘貼必須平整，避免一端高一端低，且樣品的縱向落差不應超過儀器掃描管的Z軸限定值）。液體環境下觀察時需要將樣品放在專用的液體池中。

（四）樣品放置

將提供的磁性樣品盤固定于樣品臺上適當的位置或將粘好樣品的樣品托吸附在磁性樣品盤上（圖1-3-1）。

三、實驗儀器簡介

本實驗使用儀器為Bruker MultiMode 8原子力顯微鏡（圖1-3-2）。該儀器采用NanoScope V控制器，具有先進的數字架構、高數據帶寬、低噪聲數據采集和良好的數據處理能力，使其具有領先的高分辨率和高性能。同時，MultiMode 8原子力顯微鏡擁有獨特的ScanAsyst模式，采用其先進的自動圖像優化技術，避免了復雜的參數調節步驟，圖像獲得更加簡便。

四、實驗操作步驟

（一）空氣中樣品測試

1.開機　先打開計算機和顯示器，再打開AFM控制器。

2.啟動軟件　雙擊桌面Nanoscope 8.15圖標，進入儀器操作界面。選擇掃描模式（ScanAsyst、Tapping、Contact等），然后點擊“Load”，進入該模式的界面（圖1-3-3）。

3.裝樣　將固定在鐵片上的樣品放入帶有磁性的樣品臺上，使其吸住鐵片和樣品。注意調節樣品臺高度，通常應使樣品的上表面不明顯高于探針頭上的支點頂部，以防止裝探針夾時探針直接壓到樣品上而損壞探針。

4.安裝探針

（1）選擇合適的探針和探針夾。對于空氣中的ScanAsyst模式，一般選用ScanAsyst in air探針；對于空氣中的Tapping模式，一般選擇RTESP探針；對于空氣中的Contact模式，一般選擇DNP或SNL探針。如果在液體中操作，ScanAsyst模式選用ScanAsyst in fluid探針，而無論Tapping還是Contact模式，都選擇DNP或SNL探針。需要注意的是，實際使用的探針種類應根據測量需求恰當選擇，也可以使用其他合適的探針來代替推薦的探針進行成像。

（2）安裝探針。在空氣中測試時，將探針安裝在tip holder上。安裝時，把holder翻轉放在桌面上，輕輕下壓，使里面凹槽內的金屬片微微上翹，隨后裝入探針，并松手使金屬片壓緊探針（圖1-3-4）。

（3）安裝探針夾。將探針夾對準掃描頭底部的三個觸點輕輕插入，避免撞到下方樣品，并擰緊位于掃描頭卡槽右側中部的螺絲，將探針夾固定住。需要注意的是，操作時務必注意控制探針和樣品臺之間的距離。如果探針和樣品臺距離過近，請執行“Motor”菜單下的“Withdraw”命令多次，向上移動Z軸，使探針和樣品臺保持安全距離。

5.調節激光　掃描頭上部右側有兩個激光調節旋鈕，并有兩個箭頭標明了順時針旋轉激光調節旋鈕時激光光斑位置的移動方向，保證將激光打在懸臂前端。

（1）矩形懸臂探針的調節激光（圖1-3-5）。取一張白紙置于掃描管正下方，紅色的激光光斑將反映在白紙上。若看不到激光光斑，逆時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到看到激光光斑。在通常情況下，逆時針旋轉右后方的激光調節旋鈕可以將激光光斑調出，但若激光光斑遠遠偏離正常位置，可能無論如何旋轉右后方的激光調節旋鈕也無法看到激光光斑。此時請目測激光點打在探針夾上的位置，使用兩個調節旋鈕將激光光斑調節到正常位置。

順時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到激光光斑消失。這時，激光應該打在探針基底的左側邊緣上。逆時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到激光光斑剛好出現（位置1）。

順時針或逆時針旋轉左前方的激光調節旋鈕，直到激光光斑突然變暗，繼續旋轉旋鈕則又變亮。調回光斑突然變暗的位置，此時激光應該打在懸臂的后端（位置2）。

逆時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到看到激光光斑。順時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到激光光斑剛好消失，此時激光應該打在懸臂的最前端（位置3）。

（2）三角形懸臂梁探針的調節激光（圖1-3-6）。取一張白紙置于掃描管正下方，紅色的激光光斑將反映在白紙上。若看不到激光光斑，逆時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到看到激光光斑。在通常情況下，逆時針旋轉右后方的激光調節旋鈕可以將激光光斑調出，但若激光光斑遠遠偏離正常位置，可能無論如何旋轉右后方的激光調節旋鈕也無法看到激光光斑。此時請目測激光點打在探針夾上的位置，使用兩個調節旋鈕將激光光斑調節到正常位置。

順時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到激光光斑消失。這時，激光應該打在探針基底的左側邊緣上。逆時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到激光光斑剛好出現（位置1）。

順時針或逆時針旋轉左前方的激光調節旋鈕，直到看到激光光斑被遮擋兩次。調回兩次相繼遮擋位置的中心位置，此時激光應該打在三角懸臂的鏤空處。勻速旋轉旋鈕，可以根據兩次遮擋出現的間隔來判斷懸臂的大小（位置2）。

逆時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到看到激光光斑被擋住后又再次出現。順時針旋轉右后方的激光調節旋鈕，直到激光光斑剛好消失，此時激光應該打在懸臂的最前端（位置3）。

6.調整檢測器位置　掃描頭左側有兩個檢測器位置調節旋鈕，旋轉這兩個旋鈕調節Vert.Defl.和Hori.Defl.到合適的值。對于ScanAsyst模式，將Vert.Defl.和Hori.Defl.調節到0；對于Tapping模式，將Vert.Defl.和Hori.Defl.調節到0；對于Contact模式，將Hori.Defl.調節到0，Vert.Defl.調節到-2V。正確調節完畢后，對于無金屬反射鍍層的探針（如用于Tapping模式的RTESP探針），SUM值應在1.5～2.5V；對于有金屬反射鍍層的探針（如用于ScanAsyst模式的ScanAsyst in air、Contact模式的DNP或SNL探針），SUM值應在5V以上（圖1-3-7）。

7.進針　執行Motor菜單下的Engage命令，或點擊Engage圖標。如果需要更換掃描位置，先執行Motor菜單下的Withdraw命令或點擊Withdraw圖標，使探針遠離樣品表面，用軌跡球找到待掃描的位置后，再執行Engage命令進針。

8.掃描圖片　儀器完成自動進針后，即開始掃描圖片。在ScanAsyst模式下，儀器會全程自動實時優化參數；在Tapping及Contact模式下，需要根據圖像情況實時手動調整Setpoint、Integral Gain和Proportional Gain，優化圖像質量。

9.存圖　執行Capture菜單下Capture Filename命令給需要保存的圖像命名。調整好掃描參數后，執行Capture菜單下的Capture命令保存圖像。

10.退針　將Scan Size、X Offset、Y Offset和Scan Angle均設置為0。多次執行Motor菜單下的Withdraw命令或者點擊Withdraw圖標。該命令可以多次執行。待探針遠離樣品表面后，取下樣品。

11.關機　依次關閉軟件、控制器及計算機和顯示器。注意嚴格按照順序關閉儀器。

（二）液態樣品測試

液態樣品測試中，裝針、裝樣方式與空氣樣品測試有區別，其他步驟相同。

1.安裝探針

（1）探針選擇。推薦使用V型氮化硅懸臂梁的探針，如NP、SNL等。實際使用的探針種類應根據測量需求恰當選擇，也可以使用其他合適的探針來代替推薦的探針進行成像。

（2）液體池。液相操作下，探針安裝在液體池內。液體池底部有一凹槽，用于放置探針；凹槽處有一鍍金的不銹鋼絲夾，與頂面的小彈簧相連，用于固定探針。

（3）安裝探針。一手拿穩液體池，用手指通過從底部輕輕按壓彈簧將鋼絲夾頂起（圖1-3-8）。用力不要太大而將彈簧完全壓縮，不要將探針夾置于桌面等硬物上壓按。用鑷子輕輕將探針裝入槽內，松開頂起的鋼絲夾使探針固定。確認探針位置放正，側部及底部分別與凹槽的兩邊平齊。

2.裝樣品

（1）方法一：開放體系（不使用O圈）。將樣品固定在樣品托（不銹鋼小圓片）上，并將樣品托放入樣品臺上通過磁性吸穩。

通過電動機開關升高Head，使得Head底部平面基本與樣品表面持平。液體池結構與普通探針夾有所不同，因此在放上液體池之前，Head要升得比在空氣中測試時更高。

探針所在的液體池面向上，用注射器在探針位置處滴加1～2滴液體，再將液體池探針面轉為向下，這時可以看到液滴懸于探針所在位置。該操作可防止探針直接接觸樣品表面的液體時產生氣泡而影響測試。

將懸著液滴的液體池放在Head里，擰緊Head背部的旋鈕。這時，原來已經調好的SUM值由于液體環境引起的光路偏折，會明顯減小。這時只需調節Head背后的反光鏡，將SUM值重新調為正常值。然后調整左側旋鈕，將Vert和Horz值調為0。

（2）方法二：封閉體系（使用O圈）。將O圈裝入液體池下部的凹槽上，將樣品固定在樣品托（不銹鋼小圓片）上，并將樣品托放入樣品臺上通過磁性吸穩。

通過電動機開關升高Head，使得Head底部平面基本與樣品表面持平。液體池結構與普通探針夾有所不同，因此，在放上液體池之前，Head要升得比空氣中實驗時更高。

將液體池放在Head里，擰緊Head背部的螺母。確保O圈穩定地扣在樣品上，而沒有覆蓋任何樣品的邊緣。

用Base上的Up/Down開關降低Head，使O圈能與樣品之間形成一個封閉空間。

用注射器向液體池的管口注液。注液以后激光的SUM值會明顯減小。這時調節Head背后的反光鏡，將SUM值重新調為正常值。然后調整左側螺母，將Vert和Horz值調為0。

（三）離線圖像處理

1.Flatten　對于高度圖來說，由于掃描管Z電壓的漂移，樣品本身的傾斜，以及掃描管Bow等原因，掃描獲得的原始高度數據實際上偏離了樣品的實際形貌。所以必須對這種情況進行糾正。Flatten采用X方向逐條處理掃描線的方式對圖像進行糾正。

（1）打開相應的圖像文件。

（2）點擊“Flatten”按鈕。

（3）選擇相應的Flatten Order。

0th：去除Z方向的漂移，將Z中心調整到零點附近。

1st：糾正樣品和探針之間的傾斜。

2nd：糾正掃描管造成的大范圍掃描的曲面。

3rd：更復雜的曲面糾正可能會造成圖像假象，請不要輕易使用。

高階的Flatten包含了低階的Flatten，例如：階處理時就包含了1階和0階Flatten。

（4）Mask。如有必要可在圖像上選擇相應Mask（按住鼠標左鍵拖拽），這是為了避免非基線位置干擾基線的確定。如圖像上有大坑或者十分突出的地方需要用Mask。

（5）完成。點擊“Execute”完成Flatten。

2.Plane Fit　對于構成比較簡單的圖，如玻璃片上的細胞等，也可以采用Plane Fit對圖像X、Y方向同時進行糾正。Plane Fit的作用跟Flatten類似，但擬合使用的多項式更復雜。Plane Fit的基本步驟如下。

（1）打開相應的圖像文件。

（2）點擊“Plant Fit”按鈕。

（3）選擇相應的Plane Fit Order。

（4）在圖像上選擇相應的區域定義Plane Fit的區域（按住鼠標左鍵拖拽，處理時認為該區域是一個平面，然后進行糾正）。

（5）點擊“Execute”完成Plane Fit。

只有高度圖才需要進行Flatten或Plane Fit處理。其他的性質圖，直接保存原始數據，除非只想看表面上某性質的相對差別。

3.3　D圖像

（1）點擊3D圖像分析按鈕。

（2）在圖像上按住鼠標左鍵拖拽圖像，獲得理想的瀏覽3D視角。

（3）點擊“Export”，設置相應的路徑保存即可。

4.截面分析　點擊截面分析按鈕。在右邊Section數據上拖拽兩條垂直虛線選擇分析的位置，在下面可以得到相應的結果。

5.粗糙度分析　點擊粗糙度分析按鈕，從結果中讀出對應的粗糙度。Image Rq和Image Ra即為整幅圖片的粗糙度數據。如果在圖像中選擇相應的區域（按住鼠標左鍵拖拽），也可以讀出相應區域內的值。其中，Rq表示均方根粗糙度，Ra表示平均粗糙度。

6.Depth分析　點擊“Depth”分析按鈕，按住鼠標左鍵拖拽選取分析的區域，讀取Peak to Peak Distance值即可。

五、實例分析

（一）纖維與紗線表面形貌的觀測

利用AFM可以對紡織品的微觀形貌進行分析，且不需要對樣品做復雜前處理，有利于對樣品真實微觀形貌的保護。本實例分析主要以靜電紡絲纖維膜為拍攝對象，討論不同參數下的圖片效果（圖1-3-9）。圖1-3-9（a）顯示了靜電紡纖維膜，當認為樣品表面清晰度欠佳時，為了使增益與樣品表面的狀態相符，一般的調節方法是在Contact模式中增大Deflection Setpoint，或在Tapping模式下減小Amplitude Setpoint，直到兩條掃描線基本反映同樣的形貌特征，圖像清晰度會有所增加[圖1-3-9（b）]。隨著掃描范圍的增大，掃描速率必須相應降低。對于大范圍的、起伏較大的表面，掃描速率調為0.7～2 Hz較為合適。大的掃描速率會減少漂移現象，但一般只用于掃描小范圍的、很平的表面[圖1-3-9（c）]。當掃描速率、Setpoint等都合適的狀態下，圖像清晰度明顯提高，微觀形貌更加清楚[圖1-3-9（d）]。

（二）纖維與織物物理性能的檢測

利用AFM研究纖維與織物的表面粗糙度、模量等相關物理性能，能夠幫助研究人員從微觀角度了解纖維與織物的物理性能，進而有助于對宏觀性能的調控。圖1-3-10測量了納米絲素纖維膜的表面形貌及整個圖片粗糙度（Image Rq和Image Ra），同時測量了所選區域的粗糙度（Rq為多選區域的均方根粗糙度，Ra表示平均粗糙度）。

（三）醫用紡織材料組裝與降解機理研究

近年來，隨著科技發展，紡織材料日益豐富，應用范圍不斷擴大，人們對醫用紡織品的需求也持續增加，對生物醫用紡織品的機理研究日漸深入。將0.003%的家蠶絲素溶液置于60℃進行濃縮[圖1-3-11（a）]，濃縮過程中的形貌變化如圖1-3-11所示，隨著絲蛋白濃度增加，絲蛋白單分子纖維逐漸轉變成尺寸不同的納米顆粒，進而形成相應的納米纖維。當濃度增加到0.009%時，溶液中出現大量直徑在45nm和79nm左右的顆粒[圖1-3-11（b）]。繼續濃縮至0.03%，溶液中顆粒減少，同時出現了納米纖維[圖1-3-11（c）]。對絲素溶液結構轉變的研究，有助于從微觀領域研究模擬蠶絲吐絲過程。