纳米技术在生物医学领域的快速发展,迫切需要利用无损检测方法在单分子层面上对生物细胞以及细胞微环境中的生理现象进行纳米尺度的成像和表征。传统的基于超声成像和光学成像的无损检测技术,由于衍射的限制无法实现纳米尺度上的内部成像。扫描探针声学显微镜(Scanning Probe Acoustic Microscope,SPAM)是一种将原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)与超声无损检测技术相结合的技术,不仅可以实现超高分辨率的样品表面及亚表面的无损检测,同时还可以对纳米力学特性进行分析和表征,其应用前景极为广泛。本文围绕扫描探针声学显微技术的理论分析、系统搭建及其在细胞和细胞—基底的成像与表征开展研究工作,主要完成的工作和结果如下:1.基于扫描探针声学显微技术的工作原理,结合悬臂动力学特性,分析其工作特点、信号产生和成像机制。根据针尖—样品相互作用的动力学模型,模拟针尖在弹性、粘弹性表面的动态受力过程,求解接触状态下悬臂系统的特征方程以及针尖—样品的接触刚度,研究声学图像对比度与材料刚度的关系,建立基体及基体内部嵌入材料的力学性能差异与悬臂振动信号之间的联系,并分析由此产生的声波振幅和相位变化。2.设计和搭建生物细胞的扫描探针声学显微镜系统。分析扫描探针声学显微技术气相及液相成像特点,研制特殊的气/液相扫描探头。设计SPAM的光路跟踪新方法,可实现检测光在全液相以及气相环境下对探针运动的跟踪和检测。探针架上设计的聚焦透镜组和玻璃视窗,可消除液面波动和折射对探针的影响。结合生物细胞的成像特点,进行系统结构设计、硬件搭建及软件控制,并利用该系统进行液相下活细胞成像。同时开展SPAM气相下的缺陷检测以及肝癌细胞表面结构上的研究。此外,分析并探讨影响SPAM成像的因素(针尖磨损、相位和灵敏度)。3.基于SPAM研究图案化基底刚度和形貌对细胞行为的影响。通过电子束曝光技术在SU-8薄膜上制备纳米图案化刚度和形貌结构。利用SPAM对改性后的SU-8基底表面形态和弹性分布进行成像与表征,声学图像显示出形貌图像上没有的结构。利用荧光显微镜和SPAM研究不同基底上培养的小鼠成纤维细胞(L929)行为,相比荧光图像和形貌图像,声学图像能直接观察到L929细胞与基底的关系。结果显示,纳米图案化基底,形貌比刚度对细胞行为的影响更为显著。4.基于SPAM研究小鼠成纤维细胞(L929)在仿生纳米阵列上的亚表面结构。利用激光干涉光刻和金属辅助化学刻蚀技术,在硅基底上制备了硅纳米线和硅纳米孔混合阵列作为具有仿生结构的细胞培养基底。在混合纳米阵列基底上培养L929细胞后,采用SPAM和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)进行观测与分析,比较两种成像技术的结果,评价SPAM在细胞—基底的表面和亚表面成像能力。结果显示,SPAM不仅能探测到L929细胞下面的混合纳米阵列结构,而且可以通过信号强度来判断被测物的结构变化。此外,分析L929细胞在混合纳米阵列表面的形态,发现L929细胞能感知混合纳米阵列形貌。这项研究可以指导生物界面的设计,为不同生物领域细胞亚表面的研究提供有效的技术手段。