《Ultramicroscopy》：Enhancing atomic force microscopy stability through second harmonic optical fibre cavity control
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本研究针对传统原子力显微镜缺乏针尖-样品距离精确控制的问题，开发了一种通过光纤干涉仪监测针尖绝对位移的稳定化原子力显微镜（sAFM）新方法。研究人员通过负反馈回路主动维持探针与光纤间距离恒定，直接测量针尖-样品相互作用力，成功避免了"跳变接触"现象，实现了在空气、液体和真空等多种环境下纳米级相互作用的精确表征，为材料科学和生物力学研究提供了重要技术平台。
在纳米科技领域，原子力显微镜（AFM）自1980年代问世以来，已成为研究材料表面特性和纳米级相互作用的关键工具。然而，传统AFM存在一个根本性局限：由于缺乏对针尖-样品距离的精确控制，仪器无法直接测量原子间相互作用势能，而只能测量悬臂梁的偏转量。这一缺陷导致了一个长期困扰研究人员的难题——"跳变接触"（jump-to-contact）现象，当针尖接近样品表面时，由于吸引力突然增大，针臂会不可控地快速接触样品，使得在临界距离范围内的相互作用无法被准确记录。
更复杂的是，在空气环境中，毛细管凝结、流体相互作用和热效应等因素会显著影响测量结果；而在液体介质中，Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）相互作用等更是决定胶体稳定性的关键因素。尤其在现代机械生物学研究中，样品与针尖接触后产生的粘弹性时间依赖性相互作用，对于表征样品的力学响应至关重要。传统AFM通过测量悬臂偏转来间接计算作用力的方法，不仅需要复杂的光电探测器校准程序，且微小校准误差就可能导致样品力学性能评估的严重失真。
面对这些挑战，来自葡萄牙里斯本大学的研究团队在《Ultramicroscopy》上发表了一项创新性研究，提出了一种名为"稳定化原子力显微镜"（stabilized AFM，sAFM）的新方法。该技术的核心突破在于实现了对针尖位置的主动稳定控制，使研究人员能够直接测量针尖-表面相互作用随距离变化的完整曲线，而非传统意义上的偏转随样品位移的变化关系。
sAFM的技术核心在于其独特的双反馈控制系统。研究团队采用交流干涉仪监测针尖的绝对位移，当针尖受到作用力时，负反馈回路会移动悬臂锚点，使悬臂发生偏转从而保持针尖位置恒定。这种反馈机制主动维持针尖与光学纤维之间的距离处于干涉仪灵敏度最大区域，从根本上避免了跳变接触现象的发生。
为实现这一目标，研究人员开发了一套精密的实验系统。该系统采用基于光纤的干涉位置检测器，通过振动光纤并在其附近形成光学腔来监测针尖位置。关键创新点在于通过控制光纤二阶谐波信号为零，将干涉腔锁定在最大灵敏度区域，不受光学腔强度波动的影响。系统还集成了电容检测装置，用于校正负责稳定针尖位置的压电元件的迟滞效应，从而显著提高了力谱测量中样品性能表征的可靠性。
在技术方法层面，研究团队主要依靠几个关键技术：一是基于光纤干涉的位置检测系统，能够以干涉精度测量针尖位移；二是双反馈控制架构，包括常规的振幅调制（AM）模式PID回路和用于零位检测的力反馈回路；三是通过振动光纤形成光学腔并进行二次谐波检测的技术；四是压电陶瓷迟滞校正的电容检测方法。特别是在活细胞成像研究中，使用了C6胶质细胞在DMEM培养基中进行实验，确保了生物学环境的相关性。
研究团队通过精心设计的实验验证了sAFM系统的性能，相关结果主要体现在以下几个方：
在"针尖稳定性验证"实验中，研究人员对石墨样品施加振幅为20V的方波电信号，产生调制的静电吸引力。结果显示，在1Hz和20Hz两种调制频率下，稳定化信号显示悬臂锚点产生了约12nm的垂直平衡位移（对应65nN的力），而针尖位置保持基本恒定。特别是在20Hz条件下，系统响应时间常数τ为57±3ms，证明了该技术能够有效对抗快速变化的相互作用力。
在"力-距离曲线测量"部分，研究团队分别对橡胶样品和C6胶质细胞进行了测试。使用刚度为5.4 N/m的HQ:NSC35/Pt导电探针在空气中测量橡胶样品，以及刚度为0.01 N/m的SCONT-SiO-A球形探针在DMEM培养基中测量细胞。结果显示，sAFM能够完整记录探针-样品相互作用的全部范围，包括逼近过程中的吸引相互作用。特别重要的是，考虑压电陶瓷迟滞校正后的力-距离曲线形状发生明显变化，说明忽略压电元件迟滞可能导致样品粘附性和粘弹性评估的误差。
在"动态测量应用"示例中，研究人员使用刚度为0.03 N/m的MLCT-D悬臂，在液体介质中以2kHz振荡频率（接近悬臂共振频率）和35nm振动幅度，对活脑细胞（C6胶质细胞）进行成像。这些细胞的杨氏模量极低（小于1kPa），传统振幅调制技术很难实现稳定成像。sAFM成功获得了细胞的形貌、相位、振幅和力信号，为计算细胞力学性能提供了可靠数据。
通过系统实验验证，该研究得出几个重要结论：首先，通过振动光纤并在干涉仪信号中检测二次谐波分量，可以可靠地将光学腔维持在最大灵敏度区域，且设定点固定为零，不受光学腔随时间变化的影响；其次，sAFM能够直接测量针尖-样品相互作用的完整曲线，避免了跳变接触问题；再者，通过电容检测校正压电元件迟滞，显著提高了力谱测量中样品力学性能表征的准确性。
与传统光束偏转AFM相比，sAFM的校准过程更为简捷，无需在硬表面上进行逼近-回缩曲线测量，也不依赖于针尖特性或用于确定检测灵敏度的刚性基底特性。干涉检测技术还提高了力-曲线两个轴的精度：水平轴（压痕）直接由样品位移z给出，而垂直轴通过将悬臂偏转（和振幅）与激光波长进行比较，实现对抗位移的精确检测。
这项技术的意义远不止于方法学改进。在材料科学领域，sAFM为研究纳米材料的机械、物理、化学、光子、电子和生物学行为提供了新工具；在生物医学领域，该方法使得在生理相关条件下研究生物分子（如蛋白质、纳米颗粒）以及细胞力学特性成为可能。特别值得注意的是，机械微环境对细胞生长、分裂、运动和粘附等活动的调控是当前生命科学的前沿领域，sAFM为此类研究提供了前所未有的精度和稳定性。
研究团队指出，虽然当前原型机使用聚酰胺塑料3D打印制作，限制了反馈硬件的时间响应和PID控制器的最大增益，但这一技术路线为未来原子力显微镜的发展指明了方向。尤其是在液体环境中，当悬背反射涂层质量在几小时内可能退化时，sAFM提供的快速校准程序（仅需几秒钟）可有效补偿这种变化，确保长期测量的稳定性。
总之，这项研究不仅解决了原子力显微镜领域长期存在的技术难题，而且通过创新的光学检测和反馈控制策略，为纳米级相互作用的精确表征开辟了新途径。随着进一步优化和推广应用，稳定化原子力显微镜有望成为材料科学、纳米技术和生物医学研究领域的标准工具，推动我们对微观世界力学行为的理解迈向新高度。
