生物纳米压痕仪与原子力显微镜

生物纳米压痕仪相对于原子力显微镜(AFM)的优点

1. 性能优势：模量测试下限更低，可以测试更软的样品。

生物纳米压痕仪的模量测试范围下限低至 5 Pa，而AFM在千帕级别已经波动很大，数据质量较差。其原因是多方面的，生物纳米压痕仪和AFM虽然都是悬臂梁式压头，但对于极软物质的测试，压痕仪探针进行了多重优化。

1. 噪声更低。原子力显微镜采用的是激光三角反射式杠杆，光杠杆除了反映探针悬臂梁背景噪音，还把激光的位置噪音耦合到光杠杆上，从而导致四象限传感器上获得的信号背景噪音很大。随着力学测量精度提高，耦合噪音影响不断增大。生物纳米压痕仪采用的是激光干涉仪垂直检测压头形变，震动对光程差的影响几乎不存在，所以整体的背景噪音较小。

2. 球形尺寸更大：原子力显微镜探针悬臂梁只有300 μm左右，所以最大只能承载20 μm直径的球，而生物纳米压痕仪的探头悬臂梁长度为毫米级别，可以承载半径3-250 μm的头部。越大的球，针尖压强越小，对于软物质力学测试而言，可以获得更稳定的弹性形变过程。

3. 悬臂梁下压角度更小：原子力显微镜探针针尖高度极其有限（不超过十几个微米），为应对潜在的粗糙度问题，其装针一般向下倾斜十余度。而每根针的长度会也会因品牌以及型号有所变化。激光光斑的原点调整位置会随着每次使用有变动，所以探针的具体形变比例与压电陶瓷位移的比例未知，探针过软或者过硬的状态也不得而知。故数据波动大。某些模量范围固定的材料，凭借经验即可，但其他未知的样品，范围难以把握。

   生物纳米压痕仪的探头是平行于样品的，所以对压痕深度以及压电陶瓷位移的比例掌握非常准确。预估样品模量，判断悬臂刚度（出厂时已经过标定）匹配关系，便可以得到准确而稳定的数据。

应用优势：扫描范围大，粗糙宽容度高，软件易用

扫描范围大：高达 12×12 mm 的扫描范围，远远大过AFM一般80-100 μm的范围，AFM适合纳米尺度，压痕仪的优点在微观乃至宏观尺度。

粗糙宽容度高：特别对于一些无法抛光处理的生物样品，压痕仪探头中间还有一个加长段，所以对样品粗糙度要求不高，非常适合很多组织样品等，大大降低了制样要求。

软件更便捷：不同于AFM的复杂操作，生物纳米压痕仪因其专业化设计，可以实现很简单的操作。内置多种拟合计算模型，直接获得数据。

力学测试功能更多：不仅可以控制探针下压的位移(displacement)，也可以控制加载(load)以及压痕深度(indentation)。可以实现蠕变(creep)以及松弛(relaxation)实验。在此基础上还加入了动态力学分析(DMA)模式：在样品上施加不同频率的震荡激励，以区分材料弹性以及粘弹性，获得储能模量以及损耗模量。这些功能都是AFM所不具备的。