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CARS+AFM多模态显微镜技术解析
资料介绍
一、技术基本概念
CARS（相干反斯托克斯拉曼散射）是一种非线性光学成像技术，基于非线性拉曼散射效应，能够通过相干增强的方式获取分子特有的振动信号，无需对样品进行荧光标记即可实现化学组分特异性成像。AFM（原子力显微镜）是扫描探针显微镜的一种，能够通过检测探针与样品表面原子间的相互作用力，获取样品表面的纳米级形貌结构与力学性质信息。
CARS+AFM多模态显微镜就是将相干反斯托克斯拉曼散射成像技术与原子力显微镜技术整合，同时获取样品的化学组分分布信息、纳米级形貌结构信息以及力学性能信息的复合显微系统，突破了单一成像技术的信息局限性，能够在多维度层面表征样品的结构与性质。
二、核心工作原理
（一）CARS成像原理
CARS成像需要两束同步的激光：频率为ωp的泵浦光和频率为ωs的斯托克斯光，当两束光同时聚焦到样品上，且两束光的频率差Ω=ωp-ωs与样品分子某一化学键的振动频率Ωvib相等时，就会产生共振增强的相干反斯托克斯拉曼散射信号，信号频率为ωas=2ωp-ωs。
由于不同分子的化学键振动频率不同，因此可以通过调节泵浦光与斯托克斯光的频率差，匹配目标分子的特征振动频率，选择性地获取目标分子的空间分布，实现无标记的化学特异性成像。相较于普通自发拉曼散射，CARS信号强度高出几个数量级，成像速度更快，适合对活样品进行动态成像。
（二）AFM成像原理
AFM系统主要由探针、压电扫描装置、力检测装置和反馈控制系统组成。针尖安装在弹性悬臂的末端，当针尖靠近样品表面时，针尖与样品表面原子之间会产生相互作用力，作用力的大小会使弹性悬臂发生偏转。通过检测悬臂的偏转量，结合压电扫描装置对样品（或探针）的逐点扫描，就可以重构出样品表面的三维形貌；同时通过测量力-距离曲线，还可以定量获取样品表面不同位置的力学性质，比如杨氏模量、粘附力等，空间分辨率可以达到纳米级，能够分辨单分子尺度的结构与力学信号。
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