扫描隧道显微镜、扫描电镜与原子力显微镜的前世今生

1953年，英国剑桥大学的麦哲马伦等人研制成功第一台实用型扫描电镜，分辨率达到50nm。

1965年，英国剑桥科学仪器公司研制成功第一台商用扫描电镜MarkI，其分辨率为10nm，从此揭开了扫描电镜研发、制造和应用的开端。

原子力显微镜是在1986年由扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)的发明者之一的葛宾尼(GerdBinnig)博士在美国斯坦福大学与C.FQuate和C.Gerber等人研制成功的。

扫描隧道显微镜的工作原理非常简单。一个小电荷被放在探头上，电流从探头流出，穿过材料，到达下表面。当探针通过单个原子时，通过探针的电流发生变化，这些变化被记录下来。

电流在流经一个原子时涨落，从而非常详细地描绘出它的轮廓。经过多次流动后，人们可以通过绘制电流的波动得到构成网格的单个原子的美丽图画。

原子力显微镜简称AFM，是扫描探针显微镜SPM家族中最重要的一种。

因为扫描电镜的发明比原子力显微镜早了将近30年，所以人们对扫描电镜的了解与熟悉比原子力显微镜更胜一筹。

从上图可以看出，相对于扫描电镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电镜只能提供二维图像，原子力显微镜提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品作任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电镜需要运行在高真空条件下，而原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用AFM来研究生物样品，甚至活的生物组织。而原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。和扫描电镜(SEM）相比，AFM的不足在于成像范围小，速度慢，受探头的影响太大。

可以说，原子力显微镜是盲人摸像，利用一根探针以光栅线方式扫描样品表面，通过检测探针与样品间相互作用力来表征样品表面三维形貌特征并获得图像。这根探针就好比盲人手中的盲杖，探索着路面的高高低低，盲人用盲杖探索出来的路面高低起伏的信息，汇聚在大脑中，因为探索而得知了马路表面的三维形貌，盲杖代替了双眼，让盲人心中有路，脚下无忧。随着科学技术的发展，生命科学开始向定量科学方向发展。大部分实验的研究重点已经变成生物大分子，特别是核酸和蛋白质的结构及其相关功能的关系。因为原子力显微镜的工作范围很宽，可以在自然状态（空气或者液体）下对生物医学样品直接进行成像，分辨率也很高。因此，原子力显微镜已成为研究生物医学样品和生物大分子的重要工具之一。

最新进展：2021年6月16日，来自美国纽约威尔康奈尔医学院的SimonScheuring教授带领团队在Nature发表论文，报道了他们所开发的一种新型显微技术，文章的标题就正是该显微技术的名称：Localizationatomicforcemicroscopy「定位原子力显微术（LAFM）」。该研究通过优化算法，将原子力显微镜（AFM）的分辨率带到一个全新的高度。