利用三维快速力映射技术可视化固-液界面溶液结构

摘要

本文介绍了一种利用三维快速力映射技术——一种原子力显微镜技术——通过在固液界面区域内映射针尖与样品间的相互作用，以亚纳米分辨率可视化固液界面溶液结构的实验方案。

摘要

在众多研究领域中，面临的挑战包括固液界面的可视化，以及理解溶液条件（如离子浓度、pH值、配体和痕量添加剂）和潜在的晶体结构与化学性质如何影响这些界面。在此背景下，三维快速力映射（3D FFM）已成为研究界面溶液结构的一种有前景的工具。该技术基于原子力显微镜（AFM），能够以亚纳米分辨率直接在三维空间中可视化界面区域。本文详细描述了获取3D FFM数据的实验方案，讨论了根据样品和应用优化操作参数的主要考虑因素。此外，还介绍了数据处理与分析的基本方法，包括将测得的仪器可观测量转化为针尖-样品作用力图，从而与局部溶液结构相关联。最后，我们探讨了与3D FFM数据解释相关的一些尚未解决的问题，并展望了该技术如何成为表面科学研究工具库中的核心手段。

引言

在固液界面几纳米范围内，会发生许多有趣的现象，而经典的胶体相互作用理论在此处不再适用¹。溶剂分子和离子会形成出人意料的排列结构²，并可能引发多种过程，例如催化³、离子吸附^4,5、电子转移^6,7、生物分子组装⁸、颗粒聚集⁹、附着^10,11以及组装过程^12,13。然而，目前能够表征界面溶液结构的技术十分有限，尤其是具备亚纳米三维分辨率的技术更为稀缺。在此背景下，基于原子力显微镜（AFM）的三维快速力映射技术（3D FFM）已成为研究界面溶液结构^14,15及其对上述现象影响的重要工具。

通常，原子力显微镜（AFM）技术采用带有纳米级针尖的悬臂，通过两大类测量方法来表征表面：一种是形貌成像，用于测量每个xy像素点处基底的高度；另一种是力测量，用于量化功能化针尖与基底之间的机械性能、胶体相互作用^16,17或粘附力。如今，这种多功能仪器的能力已远远超出这些传统应用；熟练的操作者使用现代设备，可通过将力显微技术与光谱学及其他方法结合，测量表面的电学、磁学和化学性质¹⁸。其中最引人注目的进展之一，是能够在原位溶液环境中以纳米级空间分辨率进行实时成像^19,20,21。这一能力推动了三维力映射显微技术（3D FFM）的发展，该技术通过将一维力曲线与形貌成像相结合，将AFM测量拓展至第三空间维度¹⁴。具体而言，针尖在每个xy坐标点连续采集力曲线，从而生成针尖在固-液界面处探测到的力的三维图谱。其创新之处在于，足够快速且灵敏的针尖能够检测到对应于分子局部分布的微弱力梯度，进而描绘出界面溶液的结构。

迄今为止，只有少数研究团队开发了三维力调制显微技术（3D FFM），我们认为这并非由于其技术局限性，而是因为需要在实验室内自行定制仪器以实现此类测量。然而，3D FFM 近期已实现商业化，现可供所有相关学科的研究人员使用。从科学角度来看，该技术具有广泛且跨学科的吸引力。例如，最早的3D FFM实验是在矿物-溶液体系^15,22,23,24上进行的，其中重要的科学问题包括：理解晶体生长与溶解的机制、离子和分子的吸附行为，以及水合层在颗粒聚集和附着过程中的作用。已有成功的实验实现了在白云石晶格中识别钙和镁原子²⁵，可视化方解石点缺陷周围的溶液结构²⁶，以及成像云母^27,28和氟石^24,29表面的离子吸附现象。

除了可视化矿物-溶液界面外，三维力场显微（3D FFM）还能深入揭示表面与胶体物理中的一些基本问题，例如短程胶体相互作用的标度关系、分子尺度下电双层的结构，以及溶剂化力的本质与来源。这些测量对电化学和电池研究具有重要意义，因为三维力场显微能够绘制电极-电解质界面并探测其对外加电场的响应³。在材料科学中的其他应用还包括理解分离膜表面、多相催化剂以及聚合物涂层界面上发生的现象。随着该技术的进一步发展，我们预期它将在生物大分子成像中发挥重要作用，并有助于阐明相互作用、离子和溶剂分子在其自组装过程中的作用。

在3D FFM中推进数据解释的一个关键方面是将其与先前用于研究固-液界面的其他实验和模拟工具进行基准比较。例如，基于X射线反射率或衍射的技术可测量电子密度分布，这些分布可映射为离子和溶剂分子相对于界面高度的分布情况^30,31,32,33。该方法在多种矿物-溶液体系中已取得成功，但其应用仍局限于大尺寸原子级平整表面，且通常无法获得横向分辨的数据。其他技术，如和频生成光谱，可提供矿物表面溶剂结构某些特定方面的证据，例如溶剂分子在表面的取向，但无法直接可视化其结构^34,35。此外，分子动力学模拟已取得显著进展，目前可常规探测晶体表面的溶剂分布剖面^{4,36,37,38,39}。尽管上述每种技术均有其自身的挑战与局限性，它们共同构成了一套互补的研究工具，用于探究界面溶液结构；3D FFM有望在这一领域发挥重要作用，并拓展可研究的固-液体系范围以及可回答的科学问题。

在特定样品上实施三维力调制显微技术（3D FFM）的前提条件是能够获得具有所需空间分辨率的形貌图像。关于高分辨率原子力显微镜（AFM）成像的详细实验方案，读者可参考Miller等人近期发表的一篇论文²⁰。为了实现三维力调制显微技术的最佳操作，强烈建议首先掌握其中所述的高分辨率成像技术。该方案中的大多数建议对于三维力调制显微技术同样适用且必要。在以下方案中，我们将简要概述高分辨率成像的主要步骤，但重点阐述三维力调制显微技术的特定注意事项。

方案

1. 原子力显微镜探针的装载与校准

1. 依次将悬臂针尖浸入水和异丙醇溶剂中数分钟，以去除污染物和有机吸附物，从而清洁针尖。其他常见的清洁方法包括氩等离子体处理或紫外-臭氧表面处理。
   注意：在比较不同数据集时，应保持样品和悬臂制备方法的一致性。清洁步骤的改变可能会影响针尖的表面化学性质、亲水性甚至形状，从而影响所测得的作用力⁴⁰。
2. 同样使用水和异丙醇溶剂清洁悬臂夹持器。
3. 根据所用原子力显微镜（AFM）仪器的常规操作，使用夹具或螺钉将悬臂装入夹持器中，并将夹持器连接至AFM。
4. 利用AFM软件调整激光光斑在针尖上的位置，以最大化响应信号，然后将偏转信号归零。
5. 在空气中测量悬臂的弹簧常数。该步骤在大多数现代显微镜上可自动完成，通过记录悬臂的热涨落，并按照制造商提供的协议，将第一共振峰拟合为简谐振子模型。
   ​注意：在某些AFM应用中，测量弹簧常数常被忽略，但对于正确解读三维力映射（3D FFM）数据至关重要，尤其是在将仪器可观测量转换为实际作用力时，这一点将在后续章节中详细说明。

2. 加载底物和溶液

1. 从原子力显微镜（AFM）载物台上拆下并取下悬臂支架，然后在悬臂尖端加入约 60 µL 成像溶液。确保尖端完全浸入溶液中。操作过程中注意避免产生气泡。
   注意：成像溶液可根据具体科学研究需求选择。作为测试溶液，可使用 10 mM KCl 溶液，甚至纯水。
2. 在测量前立即对样品（例如云母）进行解理，以获得平整且洁净的表面。用成像溶液冲洗样品，然后在样品表面加入约 100 µL 相同的成像溶液。
   1. 将清洗后的基底放置于样品台上。基底尺寸因实验而异，可能大至 1 × 1 cm² 的晶片，也可能小至沉积在表面上的纳米颗粒。
      ​注意：与其他任何原子力显微镜测量一样，获得洁净表面对于获取可靠的三维数据至关重要，因为界面特别容易受到有机物及其他残留物的污染²⁷。
3. 将悬臂支架放回并固定在载物台上的指定位置。小心降低悬臂位置，直至尖端上的溶液液滴与样品表面接触。样品台可通过仪器软件或仪器本体上的物理旋钮进行控制。
4. 让样品表面与成像溶液进行约 10 分钟的化学平衡及离子交换。
   1. 作为可选步骤，可取出悬臂尖端，更换为新鲜的成像溶液，再将悬臂支架放回，并接近样品，直至尖端再次浸入溶液中。

3. 为振幅调制型原子力显微镜测量设置仪器参数

1. 当探针浸入溶液中时，获取另一幅热图。此时，确保悬臂弹簧常数固定在步骤1.5中计算出的值，同时使用仪器参数（例如 AmpInVOLS 参数）拟合热峰。在大多数现代显微镜上，此步骤可通过仪器软件中“热图”部分的几次点击自动完成。
   注意：该参数用于校准仪器检测到的电子信号与探针-样品距离（以纳米为单位）之间的转换关系，从而使实验人员能够获得可靠的探针位置和偏转数据。
2. 通过将驱动频率（ν_exc）设定为共振频率（ν_e），随后将相移在接近共振频率处居中于90°，来调节悬臂探针。这些是用户在使用仪器的振幅调制模式时，可根据制造商协议控制的仪器参数。
   注意：某些原子力显微镜（AFM）采用光热激发方式，其共振频率与步骤3.1中获得的值相同。这种探针激发方法在三维力映射中具有显著优势，因为它能够在即使驱动振幅非常低的情况下仍维持稳定的成像条件。
3. 定位样品表面的大致高度，并小心地接近探针直至其与表面接触。通过在仪器软件中使用设定点（Set Point）参数，将设定振幅调整为自由振幅的约70%，实现此操作。当探针接近表面时，振幅下降，直到达到设定值，此时即判定探针已与表面接触。
4. 从距离表面约200 nm处开始获取单个力曲线。通常在仪器软件的力（Force）面板中完成此操作。在收回探针之前，按照步骤3.2重新调节并使相移居中于90°。由于探针与表面的相互作用，共振频率会略有降低。
   注意：此步骤可确保在后续的三维力映射测量中，探针回撤位置处的相移约为90度。
5. 将设定振幅更改为自由振幅的约70%。请勿使用过低的设定点值（即施加较大的力），以免过早损坏探针。
6. 获取一幅形貌图像。对于云母等光滑表面，可从约20 × 20 nm²的图像开始。对于较粗糙的表面，应先对较大区域成像，以快速定位一个原子级光滑的20 × 20 nm²区域进行成像。仔细检查所获得的图像。此时，二维成像分辨率应至少达到预期的三维力映射分辨率水平。
   注意：应尽量减少探针对样品造成的损伤。例如，避免采集不必要的图像，在成像较大或较粗糙区域时使用温和的设定点、较大的成像增益和较低的扫描速率。
7. 使用仪器软件将驱动振幅（Drive amplitude）降低至约0.25 nm，条件允许时可进一步降低。相应地降低设定点（Set Point），使其始终小于驱动振幅，并获取测试图像。在合理选择探针和成像条件的情况下，驱动振幅可降至约0.1 nm。然而，在表面形貌较粗糙的区域以如此小的振幅成像时需格外小心，以免损坏探针。
   注意：为获得更好的垂直分辨率，驱动振幅应小于待分辨的溶液结构特征。实际可达到的最小自由振幅受限于悬臂和仪器系统相关的热噪声。可通过分析调谐悬臂时的峰振幅与基线噪声的比值，定性评估信噪比。
8. 从探针-样品距离为200 nm处开始，获取单个力曲线。随后，将力曲线的探针-样品距离依次减小至50 nm、10 nm，最终为5 nm。
   注意：应优化测量条件，使探针回撤位置处的振幅尽可能低（< 0.25 nm）；回撤位置处的相移约为90°；激发频率（ν_exc）等于或非常接近共振频率（ν_e），这有助于在后续步骤中简化仪器可观测量向实际测量力的转换；设定点应足够低，使得在力测量的最后几个纳米范围内，相移（和振幅）显著下降（约40–50%）。可进一步增加施加的力（即降低设定点），但代价是探针在此过程中会更快地损坏。
9. 在完成力曲线采集后，务必收回探针。若探针仍与表面接触并靠近表面，可能会因漂移而撞击表面。
   注意：图1展示了在[NaCl] = 10 mM溶液中获取的白云母-水体系的一维力曲线，具体包括相位（φ）、振幅（A）和偏转（δ）响应。在此阶段，这些曲线应显示出在三维力图中预期观察到的特征，表现为振荡结构，尤其在相位曲线上最为明显。需注意，该原始数据的 高度坐标是任意的。后续部分将提供有关数据处理与分析的更多细节。

4. 获取三维力图

注意：三维力映射显微镜（3D FFM）测量的最优参数取决于样品表面、悬臂探针和成像溶液。本文提供了一般性指导作为起点，但每种样品的合适参数需通过在不同测量条件下获取并分析数据集来确定。以下步骤展示了如何获取矿泉水体系的三维力图。步骤 4.2 中描述的所有参数均通过仪器软件进行设置。

1. 按照第 2 和第 3 节所述执行所有步骤。
2. 将针尖-样品距离（z）设置为 2–5 nm。此距离足以分辨界面溶液特征，因为针尖靠近表面，同时在针尖回撤至最远位置时，也能使其与体相溶液达到平衡。4.3。
3. 将扫描面积设置为 3 × 3 nm² 或 10 × 10 nm²，分辨率设置为 64 × 64 像素² 至 128 × 128 像素²。
   注：其他应用（如生物分子成像）可能需要在所有三个空间维度上使用更大的扫描尺寸。
4. 将力曲线采集速率设置为 200–800 Hz，对应每组 3D 数据集耗时 15–120 秒。理想情况下，在保持 z 方向足够分辨率的前提下，应尽可能降低该数值，以最小化图像畸变和针尖的热漂移。对于这些扫描速率和尺寸，数据处理后在 z 方向可获得 50–100 像素/nm 的分辨率，通常足以分辨界面溶液结构。
5. 作为起始点，选择一个设定点值，使每条力曲线中的相位偏移通常降至约 50–60°。设定点可低至自由振幅的 50%。然而，这尤其取决于所测样品的类型，需通过反复试验确定。例如，使用低设定点（高压）可能会损坏针尖或使软分子表面发生形变；而高设定点（低压）可能不足以穿透并探测水合层。
6. 验证软件是否正在记录分析振幅调制 AFM 数据所需的四个关键可观测量：针尖高度、振幅、相位和偏转。请注意，根据仪器和软件的不同，可能存在多个数据通道用于追踪针尖高度。由于 3D FFM 需要极高的分辨率，因此必须使用最平滑且来自仪器的电子噪声叠加最少的针尖高度轮廓。除了记录这些关键变量外，还需记录其他操作参数和元数据，以便分析和重构作用在针尖上的力（通常默认保存在数据文件中），相关内容将在后续章节中讨论。
   ​注：3D FFM 已在振幅调制和频率调制两种 AFM 模式下得到验证。就数据质量和分析而言，这两种方法是等效的。因此，首选的操作模式由实验人员根据自身经验和判断决定。振幅调制模式的一个可能优势是针尖在较大 z 距离下的稳定性，使用户能够获得延伸至溶液中超过 >10 nm 的 3D 数据。相比之下，该模式的一个缺点是在成像具有比悬臂运动更慢弛豫时间尺度的软分子时存在局限。后者为 FFM 研究软材料和黏性液体中的界面弛豫提供了机会。在这些情况下，测得的振幅曲线在逼近和回撤循环中可能表现出滞后现象，从而导致针尖实际高度的不确定性。

5. 处理三维力图数据

注意：以下步骤可使用内部编写的代码在首选的数据分析软件中完成，也可使用《支持信息》中提供的数据处理文件进行操作。

1. 将原始数据载入首选的分析软件中进行计算和可视化。
   注意：分析所需的可观测量包括振幅（A）、相位偏移（φ）以及作为高度位移（z）函数的探针偏转（δ），还包括探针特性，如共振频率（ν_e）、弹簧常数（k）和品质因子（Q）。其他操作参数包括扫描尺寸、扫描速率、探针激励频率（ν_exc）和驱动振幅（A₀）。后一个值通常以电压单位记录，但可根据步骤3.1中获得的校准值转换为纳米。
2. 通过记录探针在每个xy坐标处的最大高度位移，从三维数据集中提取等效的形貌图像。利用该数据，通过拟合x和y扫描方向上的平均高度轮廓线来计算样品倾斜度。即使表面为原子级光滑（如云母），也预期存在几度的样品倾斜，在数据分析前应校正相应的高度斜率。
   注意：在大多数现代仪器上，此步骤在常规形貌成像中已实现自动化，但对于三维FFM数据应手动完成。显然，若用户测量的是具有多台阶边缘的晶体等更复杂表面，该方法需稍作调整。
3. 线性化高度位移轮廓。需注意，在三维FFM中，探针在每次逼近和回撤循环中遵循类似的正弦轨迹。然而，探针运动的最大范围取决于其着陆的晶体学位点，所记录的探针高度显然在最后一位有效数字上并不完全相同。因此，将所有探针轨迹中测得的高度值离散化，以获得所有力曲线共用的一条线性z轮廓。
   注意：分箱尺寸取决于测量参数和感兴趣特征的长度尺度。对于大多数应用，0.2 Å 的高度分辨率已足够。该值比一个水分子的尺寸小十倍以上；使用更小的分箱尺寸并无优势，实际上已处于仪器的机械和电子噪声范围内。
4. 计算每个独立力曲线对应高度分箱的平均可观测量值。该方法生成一个三维的相位/振幅数据体，可沿任意方向切片并可视化。
   注意：原则上，探针逼近和回撤阶段的力曲线应相似。用户可根据具体样品判断使用逼近、回撤或两者数据更为合适。特别是生物分子和较软的大分子可能在逼近/回撤循环中表现出滞后效应。此时，建议用户按上述方法调整成像条件。
5. 根据探针偏转校正高度轮廓。此步骤为可选，由用户自行决定。例如，对于弹簧常数较大（>200 N/m）的悬臂梁，在稀释盐溶液中探针偏转通常小于<0.08 Å，对数据影响不显著。
   注意：根据具体样品，用户可选择以下方式之一：1）在确认其影响可忽略后，对刚性很强的悬臂梁忽略探针偏转；2）使用整个数据集平均得到的偏转轮廓校正探针高度；3）利用每条力曲线对应的探针偏转数据，对每条力曲线单独校正探针高度。最后一种方法直观上最为"准确"，应尽可能采用，但该方法常引入更多噪声，其负面影响可能超过校正带来的益处。
6. 使用三维中值滤波器对数据集进行平滑处理。在大多数情况下，此可选步骤可在不降低分辨率的前提下降低噪声。建议同时保留一份未滤波的数据版本，以便在后续分析步骤中进行一致性检查。此外，用户可尝试更高级的滤波方法，如基于主成分分析的方法，这些方法在大多数数据处理软件中均可直接使用。
7. 将处理后的结果以及有用元数据（对将AFM可观测量转换为针尖-样品作用力至关重要的测量参数）保存为可用于后续分析的数据文件。
   注意：在支持信息中提供的三个数据处理文件可用于执行本节列出的功能。第一个文件加载原始三维FFM数据，并生成包含相关数据和元数据的hdf5文件；这仅是将数据转换为更用户友好的格式，便于后续处理访问。第二个文件根据上述步骤处理原始数据，包括提取等效高度图像、线性化高度位移轮廓、将数据值归类至对应的高度分箱、使用滤波器平滑数据集，并将处理结果保存至输出数据文件。用户还可启用某些功能以绘制示例力曲线（原始和处理后）、xz/xy切片、基底倾斜校正图，以及执行其他后处理一致性检查。这些数据处理脚本具有良好的用户友好性和注释，明确展示了用户调整参数并从原始仪器文件中提取数据的具体步骤。

结果

图2A 展示了三维力映射的示意图。与其它在振幅调制模式下运行的原子力显微镜（AFM）技术类似，将一个振荡的微悬臂在样品表面进行扫描。除了记录每个坐标位置的针尖高度外，仪器还会采集针尖接近和 retract（回撤）表面时的相位偏移和振幅等可观测量。结果得到一个三维可观测量数据集，主要包括振荡振幅、相位偏移和针尖偏转，这些数据可直接转换为作用在针尖上的力的测量值。这种针尖调制方法适用于高速采集，并能在数十秒的合理时间尺度内获得可靠的三维数据。

作为一个代表性示例，提供了云母表面在与水接触时的三维力图（图2B，C）。以原子力显微镜探针所受力梯度表示的数据（下文将详细说明）显示了在三个空间维度上具有横向和纵向亚纳米级特征。这些特征归因于界面溶液结构，并在距离表面超过一纳米的高度处，随着进入体相溶液而逐渐消散。关于三维力调制显微技术（3D FFM）的科学意义及最新研究成果的详细描述，读者可参考Fukuma和Garcia撰写的一篇综述文章

讨论

选择原子力显微镜探针
与任何原子力显微镜（AFM）应用一样，探针的关键特性包括共振频率、悬臂梁尺寸、针尖半径、针尖材料和弹簧常数。迄今为止，几乎所有三维摩擦力显微术（3D FFM）文献均报道使用刚性强、高频的探针。最常见的例子是基于硅的探针（例如 AC55TS、PPP-NCH、Tap300-G 等），这些探针可用于其较高的共振模式¹⁴。其他研究团队则选择了 USC-F5-k30-10 碳探针。以下讨论一些重要的考虑因素。

悬臂应具有较高的刚度，其弹簧常数 k > 1 N/m。否则，在每次逼近和回撤循环过程中，针尖将产生较大的偏转，甚至可能粘附于表面，而无法遵循预期的正弦轨迹。除了因与表面相互作用引起的针尖偏转外，溶液本身的结构也可能影响低弹簧常数针尖的稳定性，因为所测得的力梯度可能超过 0.1 N/m，具体取决于样品性质。在这种情况下，即使针尖能够检测到力曲线中的振荡特征，所得数据也不可靠。另一方面，若针尖过于刚硬，则可能无法检测到力曲线中的微小特征。后一问题在一定程度上可通过在高共振频...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
AC55TS 原子力显微镜探针	Olympus
Cypher VRS 原子力显微镜	Asylum Research
PPP-NCH 原子力显微镜探针	Nanosensors
Tap300-G 原子力显微镜探针	Budget Sensors
USC-F5-k30-10 原子力显微镜探针	Nanoworld
（注意：仅需选择其中一种原子力显微镜探针）