原子力显微镜
AFM配件
应用
联系我们
牛津仪器集团成员
2013年，牛津仪器Asylum Research公司推出blueDrive，率先在商用原子力显微镜（AFM）中应用了光热激发技术。目前已有数百台blueDrive AFM系统投入使用，在光热激发技术的优势理解上，没有人比牛津仪器Asylum Research和我们的客户更有发言权。
无论您身处哪个研究领域或行业，blueDrive 都能让所有轻敲模式技术的操作变得更简单、运行更稳定、结果更精准。本页面将详细介绍 blueDrive 光热激发技术的功能特点及应用价值。
向AFM专家咨询轻敲模式是目前应用最广泛的原子力显微镜（AFM）成像模式。这是因为它不仅能提供最高的分辨率、最快的成像速度，而且对样品损伤小；最重要的是，它既能表征样品的表面形貌，还能同步测量样品的力学、电学和磁学性能。然而，并非所有轻敲模式的实现方式都能达到同样的水平。牛津仪器的blueDrive激励技术利用激光直接激发悬臂梁的共振，使轻敲模式操作更简单、更稳定、更具定量性。
blueDrive激光器（蓝色）和检测激光器（红色）在悬臂梁上的位置示意图。
本动画演示了 blueDrive 激光的调制过程如何引发悬臂梁偏转。
大多数原子力显微镜（AFM）会在微悬臂附近安装一个压电陶瓷，通过机械方式驱动微悬臂产生敲击模式所需的振动，这种技术被称为压电声学激励。虽然这种方法因设计简单而被广泛采用，但其产生的响应远非理想。压电陶瓷在工作时会使整个AFM产生振动，从而激发出与悬臂梁响应耦合的杂散机械共振，导致出现“峰林”（forest of peaks）现象。其后果远不止是微悬臂谱线杂乱难看那么简单：压电激励不仅使敲击模式的设置难度，也让高分辨率的成像难以维持稳定，同时还干扰了微悬臂振荡的定量分析，这正是纳米力学和纳米电学成像模式不可或缺的。
牛津仪器公司的blueDrive光热激励技术用一束聚焦于悬臂梁根部的激光取代了传统的轻敲压电陶瓷。系统在目标驱动频率下调制激光功率，从而以光热方式激发悬臂梁振荡。由于激光仅与悬臂梁本身相互作用，因此不会激发其他共振。最终获得的悬臂梁响应异常干净且稳定，无论在空气中还是液体环境下，几乎与理论预测响应完美吻合。其他任何敲击模式实现方案都无法与之媲美。
将 DOPC 与 DPPC 按 50:50 比例混合制备的脂质双层沉积在云母基底上，并使用Cypher S原子力显微镜（AFM）的blueDrive光热激励和轻敲模式在水中进行成像。图像尺寸为3 µm。
原子力显微镜的一大优势在于，它能在多种多样的环境中对样品和动态过程进行可视化观测。对于生物样品而言，这通常意味着在水中或水性缓冲溶液中进行成像。然而长期以来，液体中的成像一直是轻敲模式原子力显微镜最具挑战性的应用场景之一。不仅“峰林”现象会使悬臂梁的调谐变得复杂，而且要实现并维持稳定的高分辨率成像也颇具难度。
在液体环境中使用 blueDrive 光热激发技术具有显著的优势。blueDrive 仅直接激发悬臂梁本身，因此悬臂梁在液体中的共振峰与在空气中一样干净、清晰且易于调谐。不仅如此，即使在液体持续灌注或温度变化的情况下，其响应也能保持数小时的稳定。这使得维持稳定的高分辨率成像变得轻而易举。
缓冲液中云母基底上的DNA分子。使用Jupiter显微镜配合blueDrive软件，以轻敲模式采集。图像尺寸：500 nm。
缓冲液中云母基底上的DNA分子。红色箭头显示DNA双螺旋三圈之间的间距；绿色和金色箭头分别指示大沟和小沟。使用Cypher ES显微镜配合blueDrive软件，以轻敲模式采集。图像尺寸：65 nm。
捕捉纳米尺度的动态过程往往颇具挑战，因为成像需要在较长时间内保持稳定，有时还需在温度变化和流体灌注等严苛条件下进行。与压电声激励产生的不断漂移的“峰林”不同，光热驱动响应不随时间变化，且不受流体体积和温度变化的影响。这使得在整个实验过程中都能实现不间断成像，即使在持续流体灌注的情况下也是如此，如下文的方解石螺旋位错实验所示。
研究电池材料及其他电化学过程时，实验同样需要在液体体积变化等苛刻条件下进行。将blueDrive与电化学池相结合，使原子力显微镜（AFM）成为实时监测电化学驱动过程的有力工具。下图展示了在Cypher ES AFM上原位监测铜晶体生长一个实例。首先从硫酸铜酸性水溶液中沉积出晶体，随后通过改变金电极的电位将晶体剥离。
微型悬臂梁是高速原子力显微镜的核心要素。但正是使其能够实现更快扫描速度和更低噪声的特性——即极高的共振频率——也使得它们更难以通过压电激励来驱动。振荡信号更容易出现严重失真，且随时间漂移剧烈，从而使设备设置和稳定运行变得更为困难。
相比之下，blueDrive光热激励技术在高频下能提供干净、稳定的响应，使视频速率成像变得更加简单。在液体环境中，即使在持续灌注实验期间，其响应随时间变化也保持恒定。这有助于开展各种视频速率AFM实验，例如下文展示的：生物分子反应、分子自组装以及表面活性剂薄膜的动力学研究。
近年来，已开发出多种涉及动态模态的技术，用于成像弹性和粘弹性特性。尽管压电激励在空气中进行基础成像时通常足够使用，但在纳米力学成像中却存在更多问题。即使在空气中，压电激励下的悬臂梁响应也同时包含共振和非共振畸变。驱动响应平坦度不足，使得难以判断悬臂梁响应的变化究竟是源于样品特性，还是驱动引入的伪影。这可能会导致基于模型的定量分析结果出现误差，并引发跟踪不稳定。而采用光热激励时，悬臂梁响应具有近乎完美的共振峰，且在其他频率范围内十分平坦。因此，测量结果与理论预测更为吻合，从而降低了模量计算的不确定性，并提高了测量精度。
多层聚合物复合材料的横截面纳米力学图。弹性模量测量结果叠加在形貌上显示：聚对苯二甲酸乙二酯（绿色）、聚乙烯（蓝色）和乙烯-乙烯醇共聚物（黄色）。使用blueDrive在Cypher S上以AM-FM粘弹性成像模式采集。图像尺寸：9 μm。
聚合物共混样品的弹性模量叠加形貌图。由聚乙烯（最暗）、聚丙烯（基体）和聚苯乙烯（最亮）组成的聚合物共混物样品。该图像使用blueDrive在Jupiter上以AM-FM Viscoelastic Mapping Mode*采集。图像尺寸：25 μm。
使用压电驱动（红色）和blueDrive（蓝色）时，悬臂振幅随时间变化的稳定性对比。实验在Cypher AFM 上进行，持续2小时。
稳定的成像不仅对视频速率的 AFM 及其他动态过程的观察至关重要。如果悬臂梁的振幅随时间漂移，则极可能导致探针、样品或两者同时受损。更棘手的是，这种漂移可能会被成像反馈回路掩盖，直到损坏已经发生才暴露出来。许多成像分辨率差或结果不一致的情况，归根结底可能源于采用压电激励的轻敲模式稳定性不足。
如图所示，blueDrive 提供的直接激励对悬臂梁响应的漂移具有极强的抗干扰能力。在使用压电激励时，轻微的温度波动或流体体积的变化会导致振幅响应随时间变化。而 blueDrive 即使在液体加热和持续灌注过程中也能保持振幅稳定，从而无需用户进行任何调整即可维持高质量成像。
由于整个实验过程中悬臂梁的振幅保持稳定，成像力也保持恒定，从而确保了探针尖端的锋利度和样品的完整性。如下方云母和硅片表面粗糙度的原子分辨率数据所示，长时间成像始终保持稳定，无需重新调整振幅设定值。
本应用通过实例重点介绍了 blueDrive 光热激励的核心优势，包括操控更简便、运行更稳定且对针尖与样品温和，以及纳米力学 AFM 定量测试结果的显著提升。
下载本应用说明，您将了解：
了解 blueDrive 如何助力您的研究
blueDrive 同时适用于 Cypher AFM 系列和 Jupiter AFM 平台。该功能已预装在所有 Jupiter 和 Cypher VRS1250 系统中，并可作为选配功能应用于 Cypher S 和 Cypher ES 系统（包括新购和现有系统）。
欢迎联系我们，探讨 blueDrive 如何助力您的研究取得进展，并咨询配备 blueDrive 的新款原子力显微镜或 blueDrive 升级方案的报价。
© 牛津仪器 2026
公安机关备案号31010402003473
