生物納米壓痕儀與原子力顯微鏡

生物納米壓痕儀相對(duì)于原子力顯微鏡(AFM)的優(yōu)點(diǎn)

1. 性能優(yōu)勢(shì)：模量測(cè)試下限更低，可以測(cè)試更軟的樣品。

生物納米壓痕儀的模量測(cè)試范圍下限低至 5 Pa，而AFM在千帕級(jí)別已經(jīng)波動(dòng)很大，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。其原因是多方面的，生物納米壓痕儀和AFM雖然都是懸臂梁式壓頭，但對(duì)于極軟物質(zhì)的測(cè)試，壓痕儀探針進(jìn)行了多重優(yōu)化。

1. 噪聲更低。原子力顯微鏡采用的是激光三角反射式杠桿，光杠桿除了反映探針懸臂梁背景噪音，還把激光的位置噪音耦合到光杠桿上，從而導(dǎo)致四象限傳感器上獲得的信號(hào)背景噪音很大。隨著力學(xué)測(cè)量精度提高，耦合噪音影響不斷增大。生物納米壓痕儀采用的是激光干涉儀垂直檢測(cè)壓頭形變，震動(dòng)對(duì)光程差的影響幾乎不存在，所以整體的背景噪音較小。

2. 球形尺寸更大：原子力顯微鏡探針懸臂梁只有300 μm左右，所以最大只能承載20 μm直徑的球，而生物納米壓痕儀的探頭懸臂梁長(zhǎng)度為毫米級(jí)別，可以承載半徑3-250 μm的頭部。越大的球，針尖壓強(qiáng)越小，對(duì)于軟物質(zhì)力學(xué)測(cè)試而言，可以獲得更穩(wěn)定的彈性形變過(guò)程。

3. 懸臂梁下壓角度更小：原子力顯微鏡探針針尖高度極其有限（不超過(guò)十幾個(gè)微米），為應(yīng)對(duì)潛在的粗糙度問(wèn)題，其裝針一般向下傾斜十余度。而每根針的長(zhǎng)度會(huì)也會(huì)因品牌以及型號(hào)有所變化。激光光斑的原點(diǎn)調(diào)整位置會(huì)隨著每次使用有變動(dòng)，所以探針的具體形變比例與壓電陶瓷位移的比例未知，探針過(guò)軟或者過(guò)硬的狀態(tài)也不得而知。故數(shù)據(jù)波動(dòng)大。某些模量范圍固定的材料，憑借經(jīng)驗(yàn)即可，但其他未知的樣品，范圍難以把握。

   生物納米壓痕儀的探頭是平行于樣品的，所以對(duì)壓痕深度以及壓電陶瓷位移的比例掌握非常準(zhǔn)確。預(yù)估樣品模量，判斷懸臂剛度（出廠時(shí)已經(jīng)過(guò)標(biāo)定）匹配關(guān)系，便可以得到準(zhǔn)確而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：掃描范圍大，粗糙寬容度高，軟件易用

掃描范圍大：高達(dá) 12×12 mm 的掃描范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過(guò)AFM一般80-100 μm的范圍，AFM適合納米尺度，壓痕儀的優(yōu)點(diǎn)在微觀乃至宏觀尺度。

粗糙寬容度高：特別對(duì)于一些無(wú)法拋光處理的生物樣品，壓痕儀探頭中間還有一個(gè)加長(zhǎng)段，所以對(duì)樣品粗糙度要求不高，非常適合很多組織樣品等，大大降低了制樣要求。

軟件更便捷：不同于AFM的復(fù)雜操作，生物納米壓痕儀因其專業(yè)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單的操作。內(nèi)置多種擬合計(jì)算模型，直接獲得數(shù)據(jù)。

力學(xué)測(cè)試功能更多：不僅可以控制探針下壓的位移(displacement)，也可以控制加載(load)以及壓痕深度(indentation)。可以實(shí)現(xiàn)蠕變(creep)以及松弛(relaxation)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上還加入了動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)模式：在樣品上施加不同頻率的震蕩激勵(lì)，以區(qū)分材料彈性以及粘彈性，獲得儲(chǔ)能模量以及損耗模量。這些功能都是AFM所不具備的。