中国分析测试技术丛书--扫描探针显微分析

《扫描探针显微分析》是“中国分析测试技术丛书”的一个分册。
扫描探针显微分析技术主要用于在纳米乃至原子尺度上观察和分析材料的表面形貌，并同步测量其力学、电学、磁学、光学等多种物理化学性质，广泛应用于从基础科学研究到新材料、微电子和生物医学等产业领域的精密检测与表征。本书编撰的主要目的是为初学者乃至纳米应用专家提供一本深入浅出的工具书，深入系统地阐述扫描探针显微分析的基本原理、仪器系统、分析功能及应用细节。本书主要内容包括扫描探针显微分析的物理原理、仪器系统组成和工作特点、多种工作环境、数据处理和测量标准化，并专篇介绍了基于扫描探针的多种显微分析技术，如力学、电学、光谱学测量及纳米加工等，本书还概述了扫描探针显微分析技术在纳米材料、生物科学和工业中的应用，为初学者提供多学科交叉应用的拓展前景。
本书可供仪器分析，尤其是扫描探针显微分析领域的科技人员，高等院校教师、研究生及高年级本科生阅读；也适用于材料、化学、化工、生物、食品、医药、农业等领域的分析工作者。

孙洁林 上海交通大学转化医学研究院研究员、博士生导师。主要从事扫描探针显微镜方法学、单分子纳米生物物理和纳米检测技术标准化研究。已累计发表学术期刊论文100余篇，先后主持多项国家级和上海市科研项目。现为全国表面化学分析标准化技术委员会委员、扫描探针显微镜工作组副组长，全国纳米技术标准化技术委员会委员，上海市显微学会荣誉理事等。

颜佳伟 厦门大学化学化工学院教授、博士生导师。多年从事本科物理化学理论及实验课教学，科研方向为利用电化学和扫描探针显微术研究电化学界面以及新型超浓电解液。参与编写《物理化学实验》《化学测量学实验》《谱学电化学》《电化学测量原理和方法》等。已发表学术期刊论文百余篇。先后承担国家自然科学基金委员会、科技部及福建省科技厅项目多项。

苏全民 中国科学院沈阳自动化研究所研究员，国家特聘专家。曾担任美国布鲁克公司高级技术总监，领导原子力显微镜技术和系统的研发，为55项美国授权发明专利的发明人，领导开发的产品在纳米研究、磁储存和半导体产业中得到广泛应用，发表 80多篇论文。担任 MRS、M&M、AVS 等国际会议的分会主席。

扫描探针显微镜（SPM）诞生于20世纪80年代。与电子显微镜、X射线成像等结构表征技术相比，它是一项相对年轻的技术。经过约40年的发展，扫描探针显微镜已成为物理、化学、材料和生物医学等领域的重要研究与分析方法。在物理领域，扫描探针显微镜广泛用于表面物理与表面力学研究，如表面重构、黏附和摩擦等，为理解物质表面性质与力学行为提供了重要手段。在化学领域，扫描探针显微镜可以用于研究化学反应和化学分子的分布与形貌，为化学分析提供高分辨率和高灵敏度的检测方法。在材料科学中，扫描探针显微镜被用于研究材料微观结构与力学、电学、磁学和热学等性能之间的关系，为新材料设计与性能优化提供关键信息。在生物医学领域，该技术广泛应用于细胞生物学、分子生物学和结构生物学研究，例如细胞骨架与细胞膜的力学与形貌变化、生物分子的结构及相互作用等，为理解生命过程及疾病机制提供了重要工具。未来，随着扫描探针显微镜技术的不断发展和完善，其应用领域也必将不断拓展和创新。例如，扫描探针显微镜应用于环境科学、能源科学、农业科学等领域的研究，将为人类的发展和进步做出更大的贡献。
虽然扫描探针显微技术探测原理相对直接，相关的仪器构造也相对简单，但其核心技术涉及物理、化学、机械、电子、微纳制造等诸多领域，故其设计制造需要综合以上各个领域的技术。同时，也只有对以上领域知识的全面深入理解才能更好地利用扫描探针显微技术进行更加准确的测量与表征。为此，特撰写《扫描探针显微分析》专著。本书的编写不仅着眼于对扫描探针显微镜基本原理的阐释，更强调近年来技术发展带来的实验要点更新、方法改进与应用拓展。本书编著者团队希望通过本书，使读者能够理解扫描探针显微技术在现代科学研究和产业应用中的独特价值，掌握其在多种实验环境中的使用方法，并从跨学科的角度认识其潜在的发展方向。
本书由上海交通大学孙洁林研究员、厦门大学颜佳伟教授与中国科学院沈阳自动化研究所苏全民研究员撰写框架并统稿，邀请了具有多种学科背景、在扫描探针显微技术相关研究领域工作多年的学术界和企业界专家，从基本物理原理、仪器系统组成和工作特点、多种工作环境、数据处理和测量标准化等方面对扫描探针显微技术进行深入浅出的解析与阐述；同时也对扫描探针显微技术在力学、电磁学、光谱学测量分析及纳米加工等领域的发展进行了介绍，并结合实际案例展示了其在纳米材料、生物科学和工业检测中的具体应用。本书分为11章，第一章是绪论，由孙洁林研究员、颜佳伟教授与苏全民研究员撰写，重点论述扫描探针技术的发展历史、特色与局限以及最新应用前沿；第二章为探针/样品间相互作用模式，重点介绍扫描探针显微技术中几种主要的成像工作模式，主要由中国科学院沈阳自动化研究所施佳林副研究员与苏全民研究员撰写；第三章为扫描探针显微镜仪器系统，重点介绍扫描探针显微技术中基本软硬件模块的结构与功能实现原理，主要由中国科学院沈阳自动化研究所施佳林副研究员、苏全民研究员与王凯炫博士撰写；第四章为扫描探针显微分析成像环境，重点介绍在不同环境条件下扫描探针显微技术功能实现与应用的差异与特点，由上海交通大学孙洁林研究员、邵志峰教授、代彬教授、孙嘉伟博士与中国科学院沈阳自动化研究所施佳林副研究员、王凯炫博士以及苏州大学张海明教授撰写；第五章为纳米力学测量，重点介绍基于扫描探针显微力谱技术对于不同性质纳米作用测量的实现方式与应用，由中国科学院沈阳自动化研究所石慧瑶副研究员、苏全民研究员撰写；第六章为数据处理和测量标准化，重点介绍扫描探针显微技术实验数据的结构特点与获取过程的标准化，由上海市计量测试技术研究院蔡潇雨博士、李源教授以及中国计量科学研究院李适博士撰写；第七章为电化学测量，重点介绍电化学扫描探针显微技术，主要由厦门大学颜佳伟教授撰写；第八章为原子力显微镜红外光谱技术，由中国科学院沈阳自动化研究所张奇博士、苏全民研究员撰写；第九章为扫描探针在材料科学研究中的应用，重点介绍扫描探针技术在金属、无机非金属、高分子等材料研究中的应用，由上海交通大学何琳正高级实验师、单齐冀实验师撰写；第十章为扫描探针技术在生物测量中的应用，重点介绍扫描探针显微技术在生命科学领域的测量与应用实例，由上海交通大学孙洁林研究员、沈轶副研究员以及中国科学院沈阳自动化研究所石慧瑶副研究员等撰写；第十一章为微管探针用于生物多维信息测量，重点介绍基于微管探针技术的生物学测量与应用，由中国科学院沈阳自动化研究所石慧瑶副研究员、苏全民研究员撰写。各领域的专家为本书的完稿付出了巨大的努力，在此，向他们致以最诚挚的感谢！全书邀请北京大学朱星教授、中山大学陈建教授和中国科学院重庆绿色智能技术研究院王化斌研究员审稿，在此表示衷心感谢！
本书部分内容所展示的成果是上海交通大学、厦门大学、中国科学院沈阳自动化研究所等单位在国家自然科学基金委员会、科技部、中国科学院、上海市科学技术委员会等的支持下获得的。包括科技部国家重点研发计划“生物活体功能材料的构建及应用”（2020YFA0908100）、“精原干细胞发育的调控机制”（2018YFC1003501），科技部国家重大科学仪器设备开发专项“跨尺度微纳米测量仪的开发和应用”（2014YQ090709），科技部国家重大科学研究计划“人工纳米生物机器构筑与生物医学应用的基础研究”（2007CB936000），科技部纳米研究国家重大科学研究计划“重要纳米检测技术的标准化”（2006CB932500），国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目“应用于生物医学领域的低温调频非接触原子力显微成像系统研制”（81627801）, 国家自然科学基金面上、地区及青年项目（22022304、31971151、81972909、21872115、U1613214、31670722、31501054、21403179、11374207、21303104、21273148、11074168、60575029、10304011）和中国科学院与上海市科委项目（19ZR1476100、18H100000104、18142202100、17JC1400800、CASKL-IPT1702、15142201200、05nm05027、04dz05112）等，在此表示衷心的感谢。本书中部分成果获美国国家航空航天局（NASA）相关奖项、R&D 100 创新奖、Microscopy Today最佳产品奖等。
作为一项相对年轻的技术，扫描探针显微技术已被广泛应用于纳米科学相关的各个领域，因此不管是技术本身还是其应用范围一直保持着日新月异的发展。本书集合各领域的扫描探针显微技术专家，全力以赴地将相关的前沿技术与最新应用成果呈现给读者，然而知识无穷尽、人力终有限，本书难免存在诸多不妥和不足之处，恳请有关专家和读者不吝指正。

编著者
2025年8月

第一章 绪论 001~014
第一节 扫描探针技术的发展概述	002
第二节 扫描探针技术的特色和局限性	008
第三节 扫描探针技术与应用的前沿展望	009
参考文献	010

第二章 探针/样品间相互作用模式 015~030
第一节 传统模式	016
第二节 峰值力模式	017
第三节 峰值力扭转共振模式	019
一、峰值力扭转共振模式原理	019
二、峰值力扭转共振模式优势及应用	023
参考文献	028

第三章 扫描探针显微镜仪器系统 031~048 
第一节 探针分类与制备	032
一、常规硅探针	032
二、电子束诱导沉积探针	032
三、探针弹性系数标定	034
第二节 成像控制系统	035
第三节 反馈控制	039
第四节 挑战与展望	042
参考文献	046

第四章 扫描探针显微分析成像环境 049~076
第一节 气氛（空气、氮气）	050
一、空气环境	050
二、氮气环境	050
三、手套箱系统	051
第二节 溶液 （水、生理溶液、电化学溶液）	052
一、概述	052
二、扫描探针受力分析	054
三、扫描探针显微镜在溶液中成像的影响因素	055
四、扫描探针显微镜在溶液中成像的应用	057
第三节 超高真空	058
一、超高真空扫描探针显微镜特点	058
二、超高真空扫描探针显微镜实验方法	059
三、应用实例	064
四、超高真空扫描探针显微镜的注意事项	066
第四节 低温	067
一、低温扫描探针成像的需求	067
二、低温维持方式	068
三、低温进针方式	072
参考文献	073

第五章 纳米力学测量 077~100
第一节 力谱测量和定量化	078
第二节 高速力谱测量	080
一、概述	080
二、高速力谱探针	081
三、高速力谱系统及应用	085
第三节 接触共振测量	086
一、概述	086
二、接触共振测量原理	088
三、间歇接触共振模式	090
第四节 纳米摩擦力测量	092
一、概述	092
二、纳米摩擦力测量原理	093
三、纳米摩擦力在二维材料测量中的应用	094
参考文献	096

第六章 数据处理和测量标准化 101~124
第一节 扫描探针显微镜的基本数据格式及特点	102
一、扫描探针显微镜的基本测量数据	102
二、扫描探针显微镜的主要工作参数与成像效果	105
第二节 探针表征标定方法与标准	108
一、几何尺寸表征标准	108
二、探针弹性系数测定标准	111
第三节 扫描探针显微镜的校准	114
一、校准的目的和意义	114
二、校准用标准样板	116
三、校准项目与要求	116
第四节 粗糙度测量及其标准化	120
一、表面粗糙度参数	120
二、使用SPM测量表面粗糙度	122
参考文献	123

第七章 电化学测量 125~138
第一节 电化学扫描探针显微术特点	126
一、电化学扫描隧道显微术特点	126
二、电化学原子力显微术特点	126
第二节 电化学扫描探针显微术实验方法	127
一、电化学扫描隧道显微术实验方法	127
二、电化学原子力显微术实验方法	132
三、电化学扫描探针显微术实验注意事项	133
第三节 电化学过程研究	134
参考文献	136

第八章 原子力显微镜红外光谱技术 139~182
第一节 概述	140
一、AFM-IR的基本原理与优势	140
二、多学科应用前景	141
第二节 原子力显微镜红外光谱技术概要	142
一、核心原理	142
二、测量流程	142
三、历史发展	143
四、技术挑战	144
第三节 纳米红外测量技术	145
一、纳米尺度的红外光谱测量	145
二、AFM-IR	145
三、s-SNOM	149
四、基于力控制的纳米红外测量方法	152
五、典型纳米红外技术对比与应用分析	162
第四节 纳米红外技术的应用	163
一、高分子材料	163
二、二维材料	168
三、生物材料	171
参考文献	176

第九章 扫描探针显微技术在材料科学研究中的应用 183~226 
第一节 金属材料	184
一、表面形貌与腐蚀性能	184
二、腐蚀、钝化与界面电化学反应成像	186
三、SPM在金属材料中的应用展望	187
第二节 无机非金属材料	188
一、陶瓷材料的微观结构与晶界表征	188
二、压电与铁电性能研究	190
三、SPM在无机非金属材料中的应用展望	193
第三节 高分子材料	193
一、聚合物相分离与纳米尺度形貌研究	194
二、力学性能研究	195
三、SPM在高分子材料领域中的研究展望	197
第四节 复合材料	198
一、复合结构界面表征	198
二、纳米填料分布分析	199
三、SPM在复合材料中的应用展望	202
第五节 半导体与光电材料	203
一、有机半导体材料	203
二、无机半导体材料	205
三、SPM在半导体与光电材料领域的应用展望	206
第六节 能源材料	207
一、电池正负极材料	207
二、钙钛矿光伏材料	209
三、能源材料领域的SPM应用展望 	213
第七节 碳材料与二维材料	213
一、石墨烯的高分辨成像	214
二、二维材料的光电特性研究	215
三、极化激元与局域光学响应探测	216
四、SPM在碳基材料与二维材料中的研究展望	218
第八节 扫描探针在材料科学研究中的应用展望	219
参考文献	219

第十章 扫描探针技术在生物测量中的应用 227~264
第一节 原子力显微镜在生物测量中的优势	228
第二节 生物样本制备技术	228
第三节 生物大分子的原子力显微镜研究	231
一、核酸	231
二、蛋白质与多肽分子	237
三、其他生物大分子复合体	245
第四节 细胞的原子力显微镜研究	247
一、细胞表面的原子力显微镜成像	248
二、细胞表面力学性质研究	249
三、细胞表面分子分布与性质研究	251
四、生物组织的原子力显微镜研究	251
第五节 原子力显微镜结合其他技术应用于生物测量	253
第六节 其他扫描探针技术在生物测量中的应用	254
一、近场扫描光学显微镜	254
二、扫描离子电导显微镜	255
第七节 原子力显微镜在生物测量中的应用展望	256
参考文献	257

第十一章 微管探针用于生物多维信息测量 265~304
第一节 扫描微管探针技术发展与原理	266
第二节 微管探针的制造与标定	272
一、概述	272
二、高灵敏度力电测量探针设计	273
三、探针的设计、仿真与制造	274
四、探针力学特征测量与标定	279
第三节 微管探针用于显微注射研究	281
一、概述	281
二、微管探针在单细胞显微注射中的应用	282
三、微管探针在胚胎显微注射中的应用	284
第四节 微管探针用于生物力学电学独立测量	285
一、概述	285
二、定量力学测量实验研究	286
三、细胞定量力学实验研究	290
四、细胞离子通道电流特性研究	293
第五节 微管探针用于生物力电同步测量	296
一、概述	296
二、单探针力电刺激与测量实验	297
三、心肌细胞力电信号同步测量	299
参考文献	302

索引 305~309