原子力显微镜及其在木材细胞壁研究方面的应用

原子力显微镜（AFM）是我们学校新进的大型仪器设备之一。与光学显微镜及电子显微镜不同，AFM可利用微小探针“摸索”样品表面来获得信息。其成像原理 决定了它具备其他显微技术所不具有的优点：受工作环境限制较少，可以在真空、气相、液相和电化学的环境下操作；可以对导体、半导体、绝缘体等多种样品成 像，样品制备简单，且对样品的破坏性较小；具有原子级高分辨率，可得到观测表面的三维立体图像，并能获得探针与样品相互作用的信息。
AFM可以观察许多不同材料的原子级别的高分辨表面形貌与结构，是一种新型的表面结构分析仪器。它的出现使人类在认识和改造自然方面进入一个新的层次，已被广泛应用于高分子材料、生物学以及生命科学等领域。
近年来，研究人员也开始将这种新型的表面分析技术应用于木材微观结构的研究。这为人们进一步认识和了解木材微观世界，提供了一种有效的分析手段。
目前在木材科学与技术领域内的研究内容主要包括两个方面：一方面是材料表面形貌、相结构的表征，在微米、纳米的范围内获取图像。另一方面是木质材料细胞壁的力学性能，如硬度、弹性模量和屈服强度的测量。
我是实验室参加工程师培训的人员之一，由于课题的需要，我尝试利用AFM技术对杨木木纤维形态尺寸特性进行了测量，具体测量与分析方法如下：
1材料与方法
1. 1 试样制备
试材为速生杨木，切削成横截面尺寸为5 mm×1 mm×5-8mm的木片，再用Spurr树脂进行包埋，然后用超薄切片机（LKB-2188，瑞典）进行表面抛光。
1.2 测试方法
测量时，将用双面胶固定在钢制样品垫上，再放置在原子力显微镜（AFM XE-100型，PSIA公司）的样品台上（磁铁固定）进行扫描。AFM主要参数设定如下：接触模式，扫描速度和扫描力分别为0.5Hz和1.08nN。
2 图像处理
图 像扫描后还需要通过原子力显微镜配套软件（XEI 1.5）进行数据处理与分析。得到原始的形貌像之后，图像处理主要步骤如下：第一步是斜度校正(Slope Correction )，为的是消除样品倾斜或弯曲（极小程度）造成的图像失真。通过软件的拉平（Flatten ）功能可以方便地消除x, y方向的图像倾斜。第二步是消除噪声，保证图像的真实性。第三步根据需要还可以对图像进行滤波、放大、灰度转换、改变像素以及切面、输出3D图像等操作 图。处理图像结束后得到了相对真实的表面形貌图，再直接进行分析。图1是一组木材横切表面斜度校正处理前后的表面形貌图。

杨木细胞壁特征参数测量是通过原子力显微镜配套软件（XEI 1.5）来实现的。测量原理与方法见图所示。其中图2和图3分别为AFM扫描的杨木表面形貌图及细胞壁厚度、长度尺寸测试图。
通过测量可知，所测杨木细胞横截面的壁厚尺寸为1.026-4.082μm；壁长为2.195-21.004μm。这与前人的研究结论相一致。这说明原子力显微镜完全可以在微/纳米尺度下对木材的细胞形态特征进行测量。