原子力显微镜的工作原理基于原子与原子之间的相互作用力。其使用一端固定而另一端装有十分尖锐的微探针的弹性微悬臂作为力传感器, 当微探针针尖在纵向充分逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时, 微探针针尖的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力^[2]。原子力会引起微悬臂形变, 从而使照射到微悬臂尖端的激光束在检测器中的反射位置发生改变, 检测器中不同象限间所接收到的激光强度差对应着微悬臂形变量的大小, 在反馈电路的作用下, 样品表面起伏引起的微悬臂形变通过压电管对z方向的伸缩进行补偿, 计算机采集每个坐标点对应的反馈输出值, 再转化为灰度级, 在显示屏上表示出样品的表面形貌^[3]。原子力显微镜的基本工作原理如图1^[4]所示。

图1

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	图1 原子力显微镜的工作原理图

原子力显微镜有多种工作模式, 常用的有接触模式( contact mode) 、非接触模式(noncontact mode)和轻敲模式(Tapping Mode)^{[ 5]}。接触模式在扫描过程中, 针尖与样品始终相互接触, 由于样品表面的高低起伏使得针尖与样品之间的作用力发生变化, 这种方式对于较硬的材料有好的分辨率, 但对软样品则由于针尖在样品表面的直接作用会导致对样品的破坏, 样品的碎片有可能污染针尖^[6]; 在非接触模式扫描过程中, 针尖始终不与样品表面接触, 微悬臂以略高于其共振频率的某一频率在样品上方一定高度振动, 由于针尖与样品距离较远, 与接触模式相比, 非接触模式横向分辨率较低, 但对样品造成破坏和发生移动的可能性较小; 轻敲模式是一种介于接触式与非接触式之间的工作模式, 轻敲模式采用高频振动的探针扫描样品表面实现高分辨率成像, 轻敲模式下, 微悬臂以接近其共振频率的频率振动, 针尖轻轻敲击样品表面, 间断性地接触样品, 轻敲模式成像分辨率和工作效率都高于非接触式, 缺点是其扫描速率较接触模式小。

与传统的电子显微镜, 特别是扫描电子显微镜相比, 原子力显微镜具有非常高的横向分辨率和纵向分辨率, 横向分辨率可达到0.1~0.2 纳米, 纵向分辨率高达0.01纳米, 同时还具有直观的三维表面信息, 这是其它显微镜难以达到的。

原子力显微镜不仅可以分析导体, 还可以分析绝缘体和半导体, 如金属、陶瓷、半导体材料; 原子力显微镜能对物理材料和化学材料进行测量, 如矿物、纸张、涂料、无机物、有机高分子等^[7]; 原子力显微镜可以对不同状态的物质进行测量, 如固态、液态、薄膜、颗粒物质等等。

原子力显微镜中的样品不需要进行脱水、干燥和喷镀金属导电层等处理, 只需稍加固定即可在原子力显微镜下观察, 对样品破坏小。

原子力显微镜的工作环境十分丰富, 不仅可以在真空环境中工作, 也可以在大气和液体环境中工作, 研究者还可根据试验需要对样品加热或冷却。

由字迹交叉区域确定字迹形成的先后顺序是当前文件检验需要解决的问题, 目前广泛使用的检验方法是利用光学显微镜和电子显微镜, 光学显微镜和电子显微镜可用于绝大多数样本的检验。近年来原子力显微镜的发展使其成为传统检验仪器的补充。Kasas^[8]等人对原子力显微镜在确定交叉字迹的书写先后顺序方面的应用进行了探索, 检材为白纸上由装有新旧色带的点阵打印机和不同黑色油墨的圆珠笔形成的交叉线条。原子力显微镜的观察结果表明其可以用于字迹交叉部位形成先后顺序的检验, 并且可以给出与扫描电子显微镜相同的定性图像信息(见图2、图3), 与扫描电子显微镜相比, 利用原子力显微镜进行检验不需要在真空环境下进行, 样本也不需要喷镀导电涂层。

图2

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	图2 圆珠笔油墨(左)和色带颜料(右)的交叉区域, 圆珠笔油墨覆盖于色带颜料之上

图3

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	图3 圆珠笔油墨和色带颜料的交叉区域, 色带颜料颗粒在油墨之上。所以, 结论为打印字迹在上圆珠笔书写字迹在下。

纺织物纤维、胶带, 油漆碎片、花粉、射击残留物等是刑事案件现场中的常见物证。由于纤维检验对象多是发现于室外环境中的纤维, Canetta^[9]等人首次利用原子力显微镜对暴露于自然条件下的纺织物纤维在纳米尺度上的形态变化进行了检验。实验中以暴露于不同自然条件和时间长度的二种天然纤维(棉花和羊毛)和一种再生纤维(纤维胶)为研究对象, 通过对原子力显微镜图像(见图4)的分析, 不仅可以以暴露时间为函数定量地测出自然条件作用下纺织物表面纹理参数, 还可以显现3种风化纤维表面纳米级的精细细节, 并且可以清楚的区别在外加自然条件下不同不利因素的影响。压敏胶带经常在诸如抢劫和人身侵害案件中用于限制受害人的人身自由, 或者用于隐藏和封装毒品或爆炸物。压敏胶带化学成分的常规实验室检验方法是傅里叶变换红外光谱法和裂解气相色谱质谱法, 由于可以对压敏黏合剂的表面形貌和机械性能成像, 原子力显微镜可以提供关于压敏胶带的有益分析数据, 并且由于压敏黏合剂与聚合物的结合力和粘性有关, 而这两个性质当长度从微米变化到纳米级时也相应改变, 原子力显微镜可以给出相应的纳米级信息。Canetta^[10]等人首次利用原子力显微镜在成像和力图方面的优势得到了压敏粘合剂的分析信息, 利用原子力显微镜显示3种在外观上可以直接分辨的压敏粘合剂在超微结构(见图5)和纳米机械性能方面的差异, 从而证实了原子力显微镜在检验压敏粘合剂方面的应用潜力, 随后又对3种压敏粘合剂在纳米尺度上的差异进行了观察(见图6)。通过观察遗留在交通肇事现场上的油漆碎片的结构特征可以推断犯罪嫌疑人驾驶的交通工具, 黄洁^[11]等人利用原子力显微镜研究了黑色金属漆漆膜表面在打磨抛光处理过程中漆膜表面形貌在纳米尺度上的变化图像, 并跟踪了抛光过程中漆膜表面微观缺陷的变化, 该研究结果为利用金属漆膜表面形貌推断肇事车辆提供了可能。根据从犯罪现场提取的花粉可以确定远处抛尸、顺河流漂浮等不明来源的尸体生前所在地区, 从而认定犯罪嫌疑人。邢树平^[12]等人用原子力显微镜研究了雪松和水杉花粉外壁的亚结构。研究发现, 虽然两种花粉外壁中由孢粉素构成的亚结构单位形态相似, 均呈颗粒状, 但大小略有不同, 并且在雪松和水杉花粉外壁的亚单位排列形状也不同。由于原子力显微镜是一种可以在纳米尺度上描述射击残留物粒子的形状和尺寸分布的无损检验技术, Mou^[13]等人将原子力显微镜和FTIR/ATR技术结合起来对射击残留物进行分析从而确定射击距离和火药生产者。

图4

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	图4 分别暴露于粘土、河边土壤、池塘水和海水2周和6周时间的棉纤维AFM高度图像。以没有暴露于任何环境条件下(0周)的棉纤维作为对照。

图5

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	图5 外观上可直接分辨的胶带的AFM相位图像(扫描面积 5μ m× 5μ m)及方框区域的放大高分辨率AFM相位图像(扫描面积2μ m× 2μ m)。

图6

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	图6 3种无色透明聚丙烯胶带的AFM相位图像(扫描面积 5× 5μ m)及方框区域的放大高分辨率AFM相位图像(扫描面积2× 2μ m)。

判断死亡时间一直是法医学中的一个难题, 血细胞的细胞变化对定量估测死亡时间很有用处。利用原子力显微镜纳米级高分辨率, Chen^[14]、Strasser^[15]和Wu^[16]等人分别对血液中的红细胞进行了观察和测量。结果表明, 根据红细胞在纳米尺度上形态、细胞弹性和表面粘附力的变化可以定量的判断死亡时间(见图7)。刑事案件中, 经常需要对人的毛发检验鉴定, 而角质层的阶跃梯度是定量评价人毛发的一个重要参数, Smith^[17]提出了一种利用大量毛发样本的原子力显微图像快速计算阶跃梯度的新方法。法医学中, 骨骼和牙齿常用于种属、性别、年龄等鉴定, 陈斌^[18]等人利用原子力显微镜观察分析人管状骨组织的微观结构, 以了解骨组织的超微结构以及胶原和矿物质的构成和形态, 使用原子力显微镜可分析胶原蛋白和基质中钙-磷晶体的三维结构形态、骨小管和骨陷窝的三维构成及大小。马淑媛^[19]和王晓广^[20]利用原子力显微镜分别对牙体硬组织和牙齿填充材料在纳米尺度上进行了结构分析和观测。从Lindsay等人首次用原子力显微镜获得DNA分子的图像以来, 原子力显微镜便成为研究DNA分子的重要工具。与传统的X射线衍射、核磁共振、旋光色散等方法相比, 原子力显微镜具有分辨率高、制样简单以及在保持生物活性条件下成像等优势。

图7

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	图7 人工控制温度环境下玻璃上红细胞的细胞形态(a-d)、细胞体积(e)和粘滞力(f)与时间(以天为单位)关系的AFM图像。

指印物证与DNA物证被公认为物证之首, 指印物证的发现提取对物证鉴定和案件侦破起着至关重要的作用。汗液中的离子盐成分可以蚀刻金属, 因此金属客体上的潜在汗液指印会在金属表面形成蚀刻指印。原子力显微镜可以以前所未有的清晰程度显现金属客体表面上的蚀刻指印, Goddard^[21]利用原子力显微镜显现和研究铜客体上的汗液蚀刻指印, 发现水、空气中的氧气和高温三者共同作用能够加强蚀刻作用。火灾现场中的金属客体或发射后的弹壳由于高温, 其表面可能存在高温作用之前潜在汗液指印形成的蚀刻指印。原子力显微镜为金属客体上潜在汗液指印的显现提供了一种新技术^[22]。钢丝经常作为捆绑工具发现于犯罪现场, 通常对钢丝的检验鉴定局限于对其断面形貌和组成成分的分析研究, Delrue^[23]等人利用原子力显微镜, 对钢丝的力学性能进行了观察和测量, 为钢丝的检验鉴定提供了一种非常有用的手段。