專利名稱：掃描探針顯微鏡探針及其制造方法,具有該探針的掃描探針顯微鏡以及使用其的分子加工法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用化學(xué)反應(yīng)分析/加工固體表面的“分子間力顯微鏡”的探針及其制造方法，以及具有這種探針的掃描探針顯微鏡和使用其的分子加工法。
提出了“分子間力顯微鏡”，其中將具有化學(xué)傳感器功能的分子或催化劑分子固定在掃描探針顯微鏡的探針尖端部，將在探針尖端部的分子和要測定的分子間引起的化學(xué)相互作用或催化用于檢測或加工要測定的分子的化學(xué)信息(特許公報(bào)2653597；特許公報(bào)2561396；Nakagawa，“Shokubai(催化劑)”，Vol 39，pp.628-635，1997)。將傳感器分子固定在原子力顯微鏡的探針上的分子間力顯微鏡的原理在以下描述。本文中，“化學(xué)傳感器功能”指分析有機(jī)分子的化學(xué)性質(zhì)的功能。通常，通過分子的三維結(jié)構(gòu)或分子中包含的官能團(tuán)而測定分子的化學(xué)性質(zhì)。具有化學(xué)傳感器功能的傳感器分子可以特異性地檢測這種結(jié)構(gòu)或官能團(tuán)。


圖11闡明原子力顯微鏡的原理。樣品(153)固定于可在X-、Y-和Z-方向上延伸的壓電元件(154)上。在樣品(153)的上部有尖端曲率半徑為數(shù)十納米的的探針(114)。探針(114)固定在杠桿部(152)的尖端。當(dāng)在樣品(153)和探針(114)間施加力時(shí)，杠桿部(152)偏斜。這種偏斜可以通過用兩個(gè)光電二極管(155)測定由杠桿部(152)反射的激光束(151)反射角的變化而得到評(píng)價(jià)。因此，可以從偏斜量和杠桿部的彈簧常數(shù)的積計(jì)算樣品和探針間引起的力。因此，當(dāng)用壓電元件在X-Y平面上掃描樣品的特定區(qū)域時(shí)，樣品和探針間引起的力得以測定，從而可以檢測樣品的表面信息。
例如，當(dāng)將反饋應(yīng)用于在Z-方向上的壓電元件移動(dòng)時(shí)，掃描X-Y區(qū)域，以使樣品和探針間引起的力保持恒定，從而測定壓電元件在X-、Y-和Z-方向上移動(dòng)的關(guān)系。通過這種測定，可以評(píng)價(jià)樣品的凹凸。在此，將傳感器分子固定在探針的尖端，以測定其上存在其它種類的分子的基材表面，以便可以測定特定分子的位置。也就是說，在傳感器分子是僅和分子(分子A)引起強(qiáng)吸力的分子的情況下，分子A的位置可以通過用具有這種傳感器分子的探針測定其上存在其它種類的分子的基才表面，以分子水平的分辨率得到測定。此外，如果將催化劑分子固定在探針上，則可以用這種探針加工特定分子。
也可以通過用分子間力顯微鏡測定DNA的堿基順序。在將組成DNA的腺嘌呤固定于探針的情況下，測定固定在基材上的單鏈DNA，可以確定胸腺嘧啶的位置，因?yàn)橄汆堰屎虳NA中的胸腺嘧啶引起很大的引力。DNA中的堿基順序可以通過用連接有胸腺嘧啶、鳥嘌呤和胞嘧啶的探針以相似的方式進(jìn)行測定而得到檢測。
在常規(guī)的分子間力顯微鏡中，將分子固定在探針上以使分子覆蓋探針的整個(gè)表面。因此，如果沒有正確控制探針和樣品間的距離，在測定過程中探針上的大量分子與要測定的分子接觸，所以測定分辨率差。相似地，在使用分子間力顯微鏡的分子加工中，很難僅加工一個(gè)分子，因?yàn)楣潭ㄔ谔结樕系拇罅糠肿优c要加工的大量分子引起相互作用。在下文中，詳細(xì)描述常規(guī)的分子間力顯微鏡的問題。
圖12用圖解法闡明一個(gè)實(shí)例，其中用分子間力顯微鏡測定固定在固體表面上的分子A(163)的位置。當(dāng)將探針壓到固體表面時(shí)，固體表面彈性變形，以使兩個(gè)相鄰分子，分子A(163)和分子B(164)引起相互作用，結(jié)果這兩個(gè)分子的位置不能得到鑒定。
圖13是闡明通過使用分子間力顯微鏡測定單鏈DNA(173)中包含的堿基，腺嘌呤(174)的位置的實(shí)例的示意圖。將與腺嘌呤引起特異性相互作用的胸腺嘧啶(172)固定于探針(171)。原理上，DNA中腺嘌呤(174)的位置可以通過檢測與探針上胸腺嘧啶(172)引起相互作用的腺嘌呤的位置而得到測定。然而，如果探針(171)太接近樣品，兩個(gè)或兩個(gè)以上胸腺嘧啶分子(172)特異性地與DNA鏈(173)中的兩個(gè)或兩個(gè)以上的腺嘌呤分子(174)相互作用。結(jié)果難以鑒定DNA鏈(173)中腺嘌呤的位置。
圖14闡明一個(gè)實(shí)例，其中用分子間力顯微鏡加工固定在基材上的蛋白質(zhì)薄膜。肽酶是降解蛋白質(zhì)的酶，將肽酶固定于探針(181)。在本例中，如果探針和樣品間引起的力太大，則大量肽酶與蛋白質(zhì)薄膜接觸。結(jié)果難以以單分子大小的精密度加工蛋白質(zhì)。
容易理解，上述問題可以通過將傳感器分子或催化劑固定在尖端曲率半徑在埃數(shù)量級(jí)的探針上而得到解決。提議的具有最小曲率半徑的備選探針為碳納米管。近幾年，已提出將碳納米管固定于AFM(原子力顯微鏡)探針和將有機(jī)分子固定于碳納米管的方法(D.Hongjie等，Nature；vol.384，p.147，1996)。然而，即使是碳納米管，其尖端曲率半徑也達(dá)2.6nm，因此，在探針尖端部朝向樣品的區(qū)域(尖端面)形成的分子數(shù)目約為幾百個(gè)。所以，與上述相似，如不嚴(yán)格控制探針和樣品間的力，則探針上的大量分子與樣品分子間引起相互作用。
優(yōu)選地，上述尖端面上疊加有多個(gè)單分子層，構(gòu)成該多個(gè)單分子層的各單分子層的分子密度從上述尖端面到外側(cè)逐漸減小。
優(yōu)選地，上述至少一個(gè)單分子層通過共價(jià)鍵疊加。
優(yōu)選地，上述至少一個(gè)單分子層由有機(jī)分子形成，上述尖端面上的最外層的單分子層中含有的分子數(shù)目等于或小于100。
優(yōu)選地，本發(fā)明的探針具有多個(gè)單分子層，其中放置在多個(gè)單分子層的各層中的具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子相互不同。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明涉及掃描探針顯微鏡的探針，所述探針具有含導(dǎo)電性聚合物的被覆層，該被覆層中含有選自無機(jī)催化劑和有機(jī)催化劑的催化劑。
優(yōu)選地，本發(fā)明的探針的上述被覆層上進(jìn)一步疊加有至少一個(gè)有機(jī)分子膜，在最外層的有機(jī)分子膜中或其上放置有具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子。
優(yōu)選地，上述被覆層中的催化劑的功能不同于上述具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子的功能。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明涉及上述掃描探針顯微鏡的探針的制造方法，所述方法包括以下步驟(a)在探針上疊加單分子層；以及(b)在該單分子層疊加其他單分子層，或改變?cè)搯畏肿訉又泻械姆肿拥姆肿咏Y(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，上述步驟(b)包括，通過置換效率小于1的化學(xué)反應(yīng)，用官能團(tuán)置換上述單分子層中含有的分子的末端，以及將該官能團(tuán)與能結(jié)合于該官能團(tuán)的分子結(jié)合。
優(yōu)選地，上述單分子層由有機(jī)分子形成，上述步驟(b)包括將探針遠(yuǎn)位尖端部與具有催化功能的固體表面接觸，從而僅反應(yīng)性改變上述探針的遠(yuǎn)位尖端部的尖端面上的有機(jī)分子。
優(yōu)選地，上述單分子層由有機(jī)分子形成，上述步驟(b)包括用探針掃描存在至少一個(gè)具有催化功能的區(qū)域的固體表面，以及在上述探針和上述區(qū)域接觸或接近的時(shí)候，僅反應(yīng)性改變上述探針的遠(yuǎn)位尖端部的尖端面上的有機(jī)分子。
優(yōu)選地，上述單分子層由有機(jī)分子形成，當(dāng)有機(jī)分子在底物的存在下與固體催化劑接觸時(shí)，分子結(jié)構(gòu)通過化學(xué)反應(yīng)得到改變，上述步驟(b)包括在該底物不存在的狀態(tài)下，通過重復(fù)探針向上述固體催化劑的表面接近，然后遠(yuǎn)離的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整上述探針和上述固體催化劑之間的接近距離，此后在上述底物的存在下，以該接近距離使上述探針和上述固體催化劑接近，從而改變上述有機(jī)分子的分子結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，上述方法進(jìn)一步包括將具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的有機(jī)分子結(jié)合到上述改變的有機(jī)分子上的步驟。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明涉及掃描探針顯微鏡的探針的制造方法，所述方法包括以下步驟將探針浸漬在可電化學(xué)聚合的單體溶液中；以及給上述探針施加電壓使上述單體聚合，從而形成被覆層。
優(yōu)選地，上述單體溶液含有催化劑分子。
優(yōu)選地，上述方法進(jìn)一步包括以下步驟將具有被覆層的探針浸漬在含有催化劑分子的溶液或分散液中，以及給上述探針施加電壓，從而將上述催化劑分子吸收到被覆層中。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明涉及用具有探針的掃描探針顯微鏡加工目的分子的方法，該探針具有含導(dǎo)電性聚合物的被覆層，且被覆層中吸收有催化劑分子，所述方法包括以下步驟使上述探針接近目的分子，通過給上述導(dǎo)電性聚合物施加電壓，使上述催化劑分子向上述目的分子噴出，引起化學(xué)反應(yīng)。
本發(fā)明還涉及掃描探針顯微鏡，所述顯微鏡包括上述探針，控制上述探針和上述樣品間的相對(duì)位置的裝置，以及檢測上述探針和上述樣品間的相互作用的裝置。
圖2是本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的探針的總體示意圖。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。1掃描探針顯微鏡的探針20單分子層；21、21′探針尖端部的單分子層。
圖3是本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的探針的總體示意圖。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。1掃描探針顯微鏡的探針；30導(dǎo)電性聚合物；31限制在導(dǎo)電性聚合物中的催化劑32有機(jī)分子膜33具有傳感器功能或催化功能的分子。
圖4概略地示意本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的制造方法。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。1掃描探針顯微鏡的探針42單分子層；43置換的分子末端44第二單分子層45置換的分子末端；46具有傳感器功能或催化功能的分子。
圖5概略地示意本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的探針的制造方法。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。1掃描探針顯微鏡的探針；52單分子層；53固體催化劑(Pt)；54反應(yīng)部分；55具有傳感器功能或催化功能的分子。
圖6概略地示意本發(fā)明的分子加工法。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。1掃描探針顯微鏡的探針；62導(dǎo)電性聚合物；63催化劑；64要加工的DNA；65施加有正電壓的探針；66擴(kuò)散入溶液的催化劑，其對(duì)反應(yīng)沒有貢獻(xiàn)67對(duì)反應(yīng)有貢獻(xiàn)的催化劑；68催化劑和特定堿基反應(yīng)的部分。
圖7概略地示意兩種類型的單分子膜固定在模型上的基材。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。71COOH(CH2)14SH(面積3×3μm2)；72CH3(CH2)17SH(面積3×3μm2)。
圖8表示用本發(fā)明的探針測定的力曲線。(A)是顯示在固定有氨基的探針和分子末端是羧基的單分子膜間測定的力曲線的圖，而(B)是顯示在固定有氨基的探針和分子末端是羧基的單分子膜間測定的力曲線的圖。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。81探針；82杠桿部。
圖9示意鉑在其上形成圖案的硅鋼片(silicon plate)。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。91硅鋼片；92鉑模型。
圖10是本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的總體示意圖。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。101涂有鉑的探針；102樣品；103壓電元件；104穩(wěn)壓器；105參比電極；106對(duì)電極。
圖11是原子間力顯微鏡的總體示意圖。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。114探針151激光束；152杠桿部；153樣品154壓電元件；155兩個(gè)光電二極管。
圖12示意地闡明用常規(guī)分子間力顯微鏡測定分子A和B。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。161掃描探針顯微鏡的探針；162具有化學(xué)傳感器功能的分子；163分子A；164分子B。
圖13示意地闡明用常規(guī)分子間力顯微鏡測定單鏈DNA。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。171掃描探針顯微鏡的探針；172胸腺嘧啶；173要測定的DNA；174腺嘌呤；175胞嘧啶；176鳥嘌呤。
圖14示意地闡明用常規(guī)分子間力顯微鏡加工蛋白質(zhì)薄膜。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。181掃描探針顯微鏡的探針；182具有催化功能的單分子層；183要加工的分子。
圖15是本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的總體示意圖。圖中的參考數(shù)字表示以下內(nèi)容。191探針；192壓電元件；193信號(hào)控制裝置；194信號(hào)檢測裝置；195計(jì)算機(jī)；196樣品；197信號(hào)線；198壓電元件X軸方向伸縮控制信號(hào)；199壓電元件Y軸方向伸縮控制信號(hào)；200壓電元件Z軸方向伸縮控制信號(hào)。
圖2(B)示意地顯示探針尖端面上由兩類或兩類以上具有不同化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子(21，21′)形成的單分子層的實(shí)例。當(dāng)兩類或兩類以上具有不同化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子連接到探針尖端面的單分子層上時(shí)，可以賦予探針與圖2(A)所描述的相同的功能。在這種探針中，各種類型的功能分子具有不同的化學(xué)傳感器功能或催化功能。通過用該探針掃描樣品的單一過程，可以同時(shí)進(jìn)行不同操作。(實(shí)施方案3)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案3的掃描探針顯微鏡的探針如圖3所示。參照?qǐng)D3(A)，實(shí)施方案3的探針的特性在于探針表面覆蓋有導(dǎo)電性聚合物(30)，并且選自無機(jī)和有機(jī)催化劑的催化劑(31)包含在聚合物中。圖3(B)顯示至少一個(gè)有機(jī)分子膜(32)在含有導(dǎo)電性聚合物(30)的被覆層上形成，在探針尖端面的最外層有機(jī)分子膜上具有具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子的實(shí)例。在圖3(B)所示的實(shí)例中，功能分子(33)連接于有機(jī)分子膜(32)。由于導(dǎo)電性聚合物中含有的催化劑(31)和探針尖端面的最外層有機(jī)分子膜上的功能分子(33)具有不同的功能，因此通過用該探針掃描樣品的單一過程，可以同時(shí)進(jìn)行不同操作。(實(shí)施方案4)用于生產(chǎn)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的探針的第一種方法包括，如圖4所示，在探針(1)上疊加第一單分子層(42)的步驟；通過置換效率小于1化學(xué)反應(yīng)，用其它官能團(tuán)置換第一單分子層(42)中含有的一些分子的末端基團(tuán)的步驟；形成連接到置換的官能團(tuán)(43)上的分子的第二單分子層(44)的步驟；以及在第二單分子層(44)上形成第三單分子層以生產(chǎn)上面疊加有兩層或兩層以上單分子層的探針。
例如，在曲率半徑為20nm的探針尖端面上以100％的覆蓋率形成含有烷基鏈的第一單分子層42的情況下，第一單分子層(42)含有約10000個(gè)分子。在第一單分子層(42)上，第二單分子層(44)以0.5的置換效率形成，第三單分子層以0.5的置換效率形成，后面的單分子層以相似的方式以每層0.5的置換效率形成。在所得的疊加的各層中，探針尖端面上第11層中含有的分子數(shù)目約為10。
在本說明書中，這樣的結(jié)構(gòu)稱為“金字塔結(jié)構(gòu)”。
探針表面形成的第一單分子層(42)可以通過自組裝方法形成。例如，可能通過將探針浸漬在含有末端具有巰基(-SH)、氯硅基(Si-Cl)或烷氧硅基(Si-OR；R表示烷基如甲基、乙基)的長鏈分子的溶液中一段時(shí)間而形成第一單分子層(42)。
如果分子末端是巰基，在浸入溶液前需要用金覆蓋探針表面。當(dāng)末端具有氯硅基的分子用于形成單分子層時(shí)，形成的單分子層具有極好的耐久性，因?yàn)槁裙杌吞结樞纬珊軓?qiáng)的化學(xué)鍵。當(dāng)單分子層中含有的分子的另一分子末端是乙烯基(C＝C)或溴基(-CBr)時(shí)，該分子末端可以容易地用具有高反應(yīng)性的官能團(tuán)如氨基(-NH2)、羧基(-COOH)、硅醇基(-SiOH)、羥基(-OH)等置換。當(dāng)置換效率設(shè)置為低于1時(shí)，第一單分子層中含有的一些分子的末端被具有高反應(yīng)性的官能團(tuán)置換。
接著，將與置換的官能團(tuán)反應(yīng)并連接的分子用于形成第二單分子層。例如，具有氯硅基或烷氧硅基的分子可以和上述官能團(tuán)形成化學(xué)鍵。此外，例如，如果第一層中含有的分子的末端被氨基置換，則該分子可以和第二層中具有羧基的分子形成肽鍵(-NH-CO-)。此后，第二層中含有的分子的末端以相似的方式被具有高反應(yīng)性的官能團(tuán)以低于1的反應(yīng)效率置換，于是，第三單分子層形成。基于這種過程，最外層單分子層具有低分子密度的多層結(jié)構(gòu)可以形成。通過賦予外層單分子層傳感器功能或催化功能，原理上，單分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以得到測定或加工。
分子，如DNA的堿基、抗體或蛋白質(zhì)可以連接于最外層單分子層中含有的分子。在圖4中，最外層分子存在于探針尖端面上。然而，分子可以不存在于探針尖端面上。在這種情況下，探針繞探針的縱軸或任何垂直于探針縱軸的軸旋轉(zhuǎn)，以使其上在外層中存在分子的探針的區(qū)域定位于要測定的樣品附近。探針旋轉(zhuǎn)后，定位于樣品附近的探針的區(qū)域稱為探針尖端面。(實(shí)施方案5)生產(chǎn)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的探針的第二種方法包括在探針上形成有機(jī)單分子層的步驟；通過將探針尖端面與具催化功能的固體表面接觸，而在探針尖端面有機(jī)單分子層中引起化學(xué)反應(yīng)的步驟。在此，通過控制探針與固體表面接觸的面積，可以僅改變探針尖端面的單分子層的化學(xué)結(jié)構(gòu)。將具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子固定在改變的部分，從而可以僅將化學(xué)傳感器功能或催化功能賦予探針尖端面。
這種探針的實(shí)例如圖5所示。在探針(1)上，以與上述本發(fā)明探針的第一種生產(chǎn)方法相似的方式形成自組裝單分子層(52)。單分子層中含有的分子的末端是官能團(tuán)，這樣當(dāng)分子末端與特定固體催化劑(53)接觸時(shí)引起化學(xué)反應(yīng)。例如，如果分子末端是疊氮基(-CN3)，當(dāng)它與含有氫氣的溶液中的鉑(53)接觸時(shí)，官能團(tuán)被氨基置換。這樣，當(dāng)將探針尖端置于含氫氣的水溶液中的鉑板時(shí)，和鉑板接觸的探針尖端面單分子層中含有的分子的末端被氨基置換。如果傳感器分子或催化劑分子(55)通過該氨基連接到探針上，傳感器分子或催化劑分子55僅存在于探針尖端面。用這種探針，原理上，單分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以得到測定或加工。
第一傳感器分子或催化劑分子(55)如上所述連接到探針尖端面上后，探針沿其縱軸或垂直于縱軸的軸旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，重復(fù)以上操作，從而使與第一傳感器分子或催化劑分子(55)功能不同的第二傳感器分子或催化劑分子可被置于探針尖端面的不同位點(diǎn)上。這樣，通過在探針尖端面上放置多種類型的傳感器分子或催化劑分子，通過用探針掃描樣品的單一過程可以同時(shí)進(jìn)行不同操作。(實(shí)施方案6)本發(fā)明的第三種生產(chǎn)方法在調(diào)整探針與催化劑的接觸方面更有用。在第三種方法中，有機(jī)單分子層首先在探針表面上形成。接著，用探針掃描至少含一個(gè)具有催化功能的區(qū)域的固體表面，以使在探針接觸或靠近具有催化功能的區(qū)域時(shí)，存在于探針尖端面的有機(jī)分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在該方法中，可以通過在用探針掃描沒有催化功能的區(qū)域時(shí)，調(diào)整探針和固體間的距離，而準(zhǔn)確控制與具有催化功能的固體接觸的探針的面積。結(jié)果，僅改變探針尖端面的特定部分的單分子層化學(xué)結(jié)構(gòu)。將具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子固定在改變的部分，從而可以僅將化學(xué)傳感器功能或催化功能賦予探針尖端面。(實(shí)施方案7)本發(fā)明的第四種生產(chǎn)方法也用于調(diào)整探針和催化劑的接觸。在第四種方法中，有機(jī)單分子層在掃描探針顯微鏡的探針的表面上形成。當(dāng)該單分子層在預(yù)定底物的存在下與催化劑接觸時(shí)，引起單分子層和催化劑的反應(yīng)。接著，將探針移向固體催化劑表面，并接著從那里移開。在這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，當(dāng)探針再次移近固體催化劑時(shí)獲得的探針和固體催化劑間的距離得到調(diào)整。此后，在探針和固體催化劑附近提供底物。當(dāng)探針再靠近固體催化劑時(shí)，探針尖端面的有機(jī)單分子層的化學(xué)結(jié)構(gòu)得到改變。
通過使用該方法，與具有催化功能的固體接觸的探針面積得到準(zhǔn)確控制。結(jié)果，可以僅改變探針尖端面的單分子層的化學(xué)結(jié)構(gòu)。具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子固定在改變的部分，從而可以僅將化學(xué)傳感器功能或催化功能賦予探針尖端面。(實(shí)施方案8)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的探針的第五種生產(chǎn)方法的特征在于將導(dǎo)電性探針浸漬在溶解有可電化學(xué)聚合的單體和催化劑分子的溶液中，并且給探針施加電壓，從而使單體在探針上聚合，以形成被覆層，催化劑分子被吸收在被覆層中。(實(shí)施方案9)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的探針的第六種生產(chǎn)方法包括將導(dǎo)電性探針浸漬在可電化學(xué)聚合的單體溶液中，給探針施加電壓，從而使單體在探針表面聚合，以形成被覆層的步驟；以及將探針浸漬在溶解有催化劑分子的溶液中，給探針施加電壓，從而使溶液中含有的催化劑分子通過靜電吸引被吸收入被覆層中的步驟。在第五和第六種探針生產(chǎn)方法中，吡咯或苯胺可以用作可電化學(xué)聚合的單體。含有溶解其中的電解質(zhì)的水溶液或有機(jī)溶液用作單體溶解的溶液。當(dāng)催化劑分子是蛋白質(zhì)時(shí)，緩沖溶液比較合適。這是因?yàn)?，在緩沖溶液中，溶液中含有的鹽起電解質(zhì)的作用，從而抑制蛋白質(zhì)變性。單體在探針上的聚合通過簡單地給浸漬在溶液中的探針施加一定電壓來實(shí)現(xiàn)。在探針上形成的聚合膜(被覆層)的厚度取決于電壓施加的時(shí)間或通過電解而流過探針的總電荷。
此外，本發(fā)明提供不僅在探針表面的尖端而且在非探針尖端面的探針表面區(qū)域包含傳感器分子或催化劑分子的探針，原理上，其能夠測定或加工單個(gè)有機(jī)分子。本發(fā)明提供使用這種探針的加工方法。這種探針和方法的實(shí)例如圖6所示。將導(dǎo)電性材料用于探針(1)，這樣可以向其施加電壓。因此優(yōu)選使用掃描電化學(xué)顯微鏡或掃描隧道顯微鏡的探針。探針(1)的表面覆蓋有導(dǎo)電性聚合物(62)，如聚吡咯、聚苯胺、聚二乙炔等。催化劑分子(63)被該聚合物吸收。在催化劑分子(63)有電荷的情況下，通過給探針(1)施加電壓，從探針(1)釋放催化劑分子(63)。對(duì)具有電荷的催化劑分子的選擇容易地實(shí)現(xiàn)。例如，當(dāng)使用酶時(shí)，在pH與酶的等電點(diǎn)不同的水溶液中，酶帶正電荷或負(fù)電荷。
在催化劑(63)是鉑微粒的情況下，可以通過控制水溶液的pH而相似地使微粒帶電荷。探針(1)置于要加工的分子附近，給探針(1)施加電壓，從而使催化劑分子(63)從聚合物(62)釋放。然而，分子(63)的釋放方向不穩(wěn)定。一些分子(63)向靠近要加工的分子的方向釋放；其它分子(63)不移向要加工的分子，而是在溶液中擴(kuò)散。此外，催化劑(63)的釋放速率隨膜中電場變大而增加。由于探針(1)的尖端曲率半徑很小，在探針(1)尖端的電場濃度很高，因此，在探針(1)尖端的催化劑(63)的釋放速率增加。因此，在探針(1)盡可能靠近樣品分子放置后，給探針(1)施加電壓，只有存在于探針尖端面的催化劑分子可以接近要加工的分子，而在存在于探針其它區(qū)域的催化劑分子可以在溶液中擴(kuò)散。因此，通過使用上述探針和加工方法，原理上可以加工單個(gè)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
在實(shí)施方案8和9中描述的聚合膜(被覆層)中，官能團(tuán)如氨基，存在于膜表面。用于本發(fā)明的探針的上述第一種生產(chǎn)方法中的材料，即一端具有氯硅基或烷氧硅基的有機(jī)分子與官能團(tuán)反應(yīng)，從而在被覆層表面可以形成有機(jī)分子膜。此外，當(dāng)有機(jī)分子的另一分子末端具有當(dāng)與特定固體催化劑接觸時(shí)引起化學(xué)反應(yīng)的官能團(tuán)如疊氮基時(shí)，使用上述本發(fā)明的第二種探針生產(chǎn)方法，可以將傳感器分子或催化劑分子僅連接到探針尖端面上。在這種情況下，如果導(dǎo)電性聚合物含有的無機(jī)或有機(jī)催化劑與具有與有機(jī)分子膜上的傳感器分子或催化劑分子不同的功能，在用置于探針尖端面的傳感器分子或催化劑分子的探針掃描樣品的單一掃描操作后，給探針施加電壓，以使導(dǎo)電性聚合物中含有的無機(jī)或有機(jī)催化劑釋放，從而在用探針掃描樣品的單一過程中可以同時(shí)進(jìn)行不同操作。應(yīng)該注意，由于在導(dǎo)電性聚合物層上形成的有機(jī)分子膜具有非常稀疏的結(jié)構(gòu)(即低密度)，通過給探針施加電壓，有機(jī)分子膜并不阻止催化劑分子釋放。
在上文中，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行了描述。在下面的實(shí)施例中，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。應(yīng)該注意，本發(fā)明并不局限于下面的實(shí)施例。
在下文中，參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述。本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。(實(shí)施例1)用氮化硅制成的原子力顯微鏡的探針在臭氧存在下用紫外線照射，從而使凈化探針表面。接著，為了形成第一單分子層，將探針在在溶解有1％(體積)18-二甲基甲硅烷基十八烷基三氯硅烷(H(CH3)2Si(CH2)18SiCl3)的正十六烷和氯仿(體積比4∶1)混合液中浸漬1小時(shí)。接著，從溶液中移出探針并用氯仿凈化。以上操作在充滿干燥氮?dú)獾氖痔紫渲羞M(jìn)行。結(jié)果，在探針表面上形成H(CH3)2Si(CH2)18Si-O第一單分子層。接著，將所得探針在氫氧化四甲銨(TMAH)和甲醇的混合溶液中浸漬約10分鐘，并用水洗滌。結(jié)果，第一單分子層的分子末端是硅醇基(SiOH)。
接著，將所得探針在溶解有1％(體積)19-乙烯基十六烷基三氯硅烷(CH2＝CH(CH2)16SiCl3)的正十六烷和氯仿(體積比4∶1)混合液中浸漬1小時(shí)。接著，從溶液中移出探針，并用氯仿洗滌。以上操作在充滿干燥氮?dú)獾氖痔紫渲羞M(jìn)行。結(jié)果，在探針上形成層CH2＝CH(CH2)16Si-O第二單分子層，第二單分子層的膜密度，也就是第二單分子層中含有的分子的密度低于第一單分子層的分子密度。接著，將所得探針和溶解有濃度為1mol/L的乙硼烷的四氫呋喃溶液反應(yīng)約10秒鐘。該操作在氬氣氛中進(jìn)行。接著，將所得探針和充氧水(H2O2，30％(體積))和氫氧化鈉(NaOH，0.1mol/L)的混合溶液反應(yīng)1分鐘。結(jié)果，第二單分子層中含有的一些分子的末端被醇基(COH)置換。接著，將所得探針在溶解有1％(體積)10-溴癸烷基三氯硅烷(BrCH2(CH2)9SiCl3)的正十六烷和氯仿(體積比4∶1)混合液中浸漬1小時(shí)。
接著，從溶液中移出探針，并用氯仿洗滌。以上操作在充滿干燥氮?dú)獾氖痔紫渲羞M(jìn)行。結(jié)果，探針上形成BrCH2(CH2)9Si-O的第三單分子層，第三單分子層的膜密度低于第二單分子層。接著，將所得探針在溶解有200mg NaN3的25mL二甲基甲酰胺中浸漬約1小時(shí)，此后，將探針用二甲基甲酰胺洗滌。通過該操作，一部分第三單分子層中含有的分子的末端的Br被N3置換。接著，將探針過夜浸漬在1L含有10g LiAlH4的乙醚溶液中。此后，探針用乙醚溶液洗滌，并且浸漬在10％(體積)鹽酸溶液中。然后，將所得探針在(C2H5)3N溶液中浸漬2小時(shí)，并用氯仿洗滌。結(jié)果，被N3置換的分子末端被NH2置換。
在與探針材料相同的氮化硅基材表面進(jìn)行與上述相同的加工，通過FT-IR方法分析在氮化硅基材表面上形成的有機(jī)分子膜。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)第二單分子層中含有的分子數(shù)目約為第一層中的1/1000，第三單分子層中含有的分子數(shù)目約為第一層的1/10000。因此，這間接證明在探針的第一到第三有機(jī)層中，有機(jī)分子膜中含有的分子的密度在較高層中較低。(實(shí)施例2)使用與實(shí)施例1中描述的相同方法在探針上形成多層結(jié)構(gòu)，以使最外層單分子層中含有的分子的末端是氨基。接著，將該探針在含有2.5％(重量)戊二醛的水溶液中浸漬30分鐘，接著用水洗滌。此后，及探針在含有10％(重量)葡糖氧化酶(來自酵母的酶)的pH＝7.0的磷酸鹽緩沖溶液中浸漬1小時(shí)。結(jié)果，多層結(jié)構(gòu)最外層單分子層中含有的分子的末端的氨基與酶共價(jià)連接。(實(shí)施例3)由氮化硅制成的原子力顯微鏡的探針在臭氧存在下用紫外線照射，從而使探針表面得到凈化。接著，為了形成第一單分子層，將探針在溶解有1％(體積)10-溴癸烷基三氯硅烷(BrCH2(CH2)9SiCl3)的正十六烷和氯仿(體積比4∶1)混合液中浸漬1小時(shí)。接著，從溶液中移出探針，并用氯仿洗滌。以上操作在充滿干燥氮?dú)獾氖痔紫渲羞M(jìn)行。結(jié)果，探針上形成具有10-溴癸基的單分子層。接著，將探針在溶解有200mg NaN3的25mL二甲基甲酰胺溶液中浸漬12小時(shí)，并接著用二甲基甲酰胺洗滌。通過該操作，單分子層中含有的分子的末端的Br被N3置換。接著，將所得探針安裝在AFM裝置中，然后使用壓電元件使探針靠近沉積有鉑的硅鋼片。該操作使探針和硅鋼片都與含有氫氣的2-丙醇接觸。結(jié)果，探針尖端面單分子層中含有的分子的末端由于鉑的催化功能而被氨基(-NH2)置換。
為了確證探針尖端面的單分子層的一部分被氨基置換，進(jìn)行以下測定。如圖7所示，十八烷基硫醇(CH3(CH2)17SH)(72)和14-羧基十六烷基硫醇(COOH(CH2)14SH)(71)的模型在涂金硅鋼片上形成。通過使用上述方法用所制造的探針測定模型上摩擦力的分布。為了區(qū)別含有甲基的單分子層和含有羧基的單分子層，含有甲基的單分子層的碳數(shù)目比含有羧基的單分子層的大4。
根據(jù)在乙醇中的測定結(jié)果，含有羧基的單分子層上的摩擦力大于含有甲基的單分子層上的摩擦力。另一方面，使用未處理的探針和具有分子末端未被氨基置換的單分子層的探針進(jìn)行相同的測定。在這些測定中，在兩種類型的單分子層中沒有測到摩擦力的差別。含有羧基的單分子層上摩擦力很大的原因被認(rèn)為是由于氨基和羧基間的范德華力大于氨基和甲基間的。因此，認(rèn)為探針尖端面的單分子層中存在氨基。
此外，測定根據(jù)上述方法制造的探針和含有14-羧基十六烷基硫醇的單分子層間的力曲線。在力曲線測定方法中，樣品以1Hz的頻率沿z-軸方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以使樣品重復(fù)與探針接觸或遠(yuǎn)離探針，從而測定施加在探針上的力和樣品沿z-方向的移動(dòng)距離(與探針和樣品間的距離有關(guān))之間的關(guān)系。
圖8(A)顯示在以上測定方法中測定的代表性的力曲線。力曲線在乙醇中測定。水平軸代表壓電元件沿z-方向的移動(dòng)距離。在該實(shí)施例中，水平軸代表樣品(83)的移動(dòng)距離，因?yàn)闃悠?83)固定在壓電元件上。此外，縱軸代表杠桿部(82)中的偏轉(zhuǎn)。在“零線”以上的區(qū)域中，給探針(81)施加斥力，以使杠桿部(82)在背離樣品的方向上偏轉(zhuǎn)。在“零線”以下的區(qū)域中，給探針(81)施加引力，以使杠桿部(82)朝向樣品偏轉(zhuǎn)。在樣品(83)足夠遠(yuǎn)離探針(81)的狀態(tài)(a)下，在探針(81)和樣品(83)間基本上沒有施加力，以使杠桿部(82)不偏轉(zhuǎn)。當(dāng)壓電元件逐漸延伸，樣品(83)移近探針(81)時(shí)，由于范德華引力，探針(81)在某點(diǎn)突然與樣品(83)接觸，導(dǎo)致狀態(tài)(b)。這樣的現(xiàn)象發(fā)生是因?yàn)楦軛U部(82)的彈簧常數(shù)小于探針(81)和樣品(83)間施加在探針(81)上的范德華的差值。
壓電元件進(jìn)一步延伸，以使樣品(83)被壓在探針(81)上。結(jié)果，在探針(81)中發(fā)生斥力，導(dǎo)致杠桿部(82)偏轉(zhuǎn)以至于杠桿部(82)的中心部背離樣品(83)的狀態(tài)(c)。接著，縮回壓電元件。即使當(dāng)壓電元件縮回到樣品(83)首次與探針(81)接觸的位置時(shí)，探針(81)也不從樣品(83)脫落。隨著進(jìn)一步縮回，探針(81)從樣品(83)脫落。探針(81)從樣品(83)脫落的時(shí)刻顯示在狀態(tài)(d)中。探針(81)從樣品(83)脫落所需的力在本文中得定義為吸附力。吸附力基本上等于探針(81)和樣品(83)間引起的范德華力。認(rèn)為在該實(shí)施例中產(chǎn)生的范德華力來自氨基和羧基間引起的力。
圖8(B)顯示了另一條力曲線，其與上述力曲線的不同之處在于在樣品(83)和探針(81)接觸后引起的探針(81)對(duì)樣品(83)的壓力的量。在該力曲線中，壓力的量小于上述力曲線的。當(dāng)壓力的量變化時(shí)，與樣品(83)接觸的探針(81)的面積相應(yīng)變化。由于當(dāng)探針(81)壓到樣品(83)上時(shí)，樣品(83)彈性變形，因此與樣品(83)接觸的探針(81)的面積隨著壓力的量增加而變大。然而，在該力曲線中，即使壓力的量變化，吸附力基本上相同。這意味著只有存在于探針尖端面的氨基對(duì)范德華力有貢獻(xiàn)，而探針其它部分對(duì)范德華力沒有貢獻(xiàn)。因此，證明氨基在探針尖端面上形成。
作為參考，根據(jù)與實(shí)施例1中描述的相同方法，在整個(gè)探針上形成分子末端具有氨基的單分子層。使用該探針，測定探針和分子末端具有羧基的單分子層間的力曲線。隨探針壓到樣品單分子膜上的力增加，吸附力變大。這意味著探針整個(gè)表面覆蓋有分子末端具有氨基的單分子層。(實(shí)施例4)使用與實(shí)施例3中描述的相同方法，在探針上形成單分子層，以使單分子層中含有的分子的末端為NH2。將所得探針在含有2.5％(重量)戊二醛的水溶液中浸漬30分鐘，接著用水洗滌。此后，將探針在含有10％(重量)氨肽酶(來自牛腎小管的酶)的pH＝7.0的磷酸鹽緩沖溶液中浸漬1小時(shí)。結(jié)果，酶連接到含有分子末端為氨基的分子的單分子層上。接著，將所得探針用于加工蛋白質(zhì)薄膜。為了該過程，將牛血清白蛋白的單分子層用Langmuir-Blodgett方法固定到硅鋼片上，從而形成樣品片。由于白蛋白易于吸附于水/空氣界面上，因此通過使用常規(guī)方法可以在硅鋼片上形成白蛋白單分子層。
接著，將其上固定有白蛋白單分子層的硅鋼片和其上固定有氨肽酶的探針一起浸漬在緩沖溶液中。在此所用的緩沖溶液含有多肽酶抑制劑。氨肽酶具有水解蛋白質(zhì)肽鍵的功能。接著，測定力曲線，調(diào)整與樣品接觸的探針面積，使其約為0.1×0.1nm2。只要探針和樣品在該狀態(tài)下，即使當(dāng)探針與白蛋白薄膜接觸，由于抑制劑的作用，探針也不水解白蛋白。接著，連續(xù)更新緩沖溶液，從而從溶液中除去抑制劑。接著，用含有抑制劑的緩沖溶液連續(xù)代替緩沖溶液。此后，以測定力曲線的點(diǎn)中心，當(dāng)探針和樣品間引起的力保持不變時(shí)，測定20×20nm2的范圍。
結(jié)果，發(fā)現(xiàn)白蛋白從0.1×0.1nm2的區(qū)域中除去而形成孔。作為參考，使用其上沒有固定酶的探針進(jìn)行相同的過程，但是在蛋白膜上沒有形成孔。該結(jié)果顯示，當(dāng)其上固定有氨肽酶的探針尖端面與白蛋白單分子層接觸時(shí)，白蛋白的多肽鍵被水解，水解的化合物溶解在溶液中，從而形成孔。(實(shí)施例5)使用與實(shí)施例3中描述的相同方法，在由氮化硅制成的原子力顯微鏡探針上形成單分子層，以使單分子層中含有的分子的末端為N3。在另一方面，在硅鋼片上形成制成模型的鉑薄膜。如圖9所示，在硅鋼片(91)上形成3×3μm2的鉑模型(92)。接著，將探針和硅鋼片浸漬在2-丙醇溶液中，當(dāng)探針和硅鋼片間引起的力保持不變時(shí)，用探針測定硅鋼片上30×30μm2的區(qū)域。結(jié)果，觀察到鉑模型(92)。在該測定條件下，即使當(dāng)探針與鉑接觸時(shí)，探針尖端面的N3也沒有被NH2置換，因?yàn)?-丙醇中不含氫。接著，當(dāng)用探針掃描基材表面時(shí)，調(diào)整壓電元件的反饋，以使探針和硅鋼片間的斥力為1.5nN。此后，將氫氣作為底物引入2-丙醇中。結(jié)果，當(dāng)探針與鉑接觸時(shí)，探針尖端面的單分子層中的N3被NH2置換。
以與實(shí)施例4中描述的相同方式，在含有分子末端是羧基的分子的單分子層上測定力曲線。由于探針和樣品接觸后探針壓到樣品上的壓力提高，因此吸附力增加。然而，當(dāng)壓力超過1.5nN后，吸附力不再增加。這間接地證明了只有探針尖端面單分子層中含有的分子的末端被氨基置換。當(dāng)探針以1.5nN的壓力壓到樣品上時(shí)，與樣品接觸的探針面積可以通過Hertzian接觸方程式，方程式(1)計(jì)算S＝k×(P)2/3(1)其中S表示接觸面積(nm2)；P表示探針和樣品間的斥力(nN)；k表示通過探針和樣品的彈性常數(shù)，以及探針尖端面曲率半徑測定的常數(shù)。
在該實(shí)施例中，探針由氮化硅制成，樣品板由硅制成，探針尖端曲率半徑為50nm。因此，k約為2.3。所以，當(dāng)斥力為1.5nN時(shí)，S為3(S＝3)。因此，可以說氨基存在于探針尖端面的3nm2區(qū)域內(nèi)?？紤]到單分子層中含有的單個(gè)分子面積為0.25nm2，估計(jì)探針尖端面存在的12個(gè)分子的末端為氨基。(實(shí)施例6)使用與實(shí)施例5中描述的相同方法在探針上形成單分子層，使單分子層中含有的分子的末端為NH2。將所得探針在含有2.5％(重量)戊二醛的水溶液中浸漬30分鐘，并接著用水洗滌。此后，將探針在含有10％(重量)氨肽酶的pH＝7.0的磷酸鹽緩沖溶液中浸漬1小時(shí)。結(jié)果，酶連接到含有分子末端為氨基的分子的單分子層上。此外，以與實(shí)施例4中描述的相同方式加工蛋白膜。然而，在該實(shí)施例中進(jìn)行的力曲線方法中，與樣品蛋白膜接觸的探針面積等于或大于10×10nm2。如果氨肽酶連接到探針的整個(gè)表面上，與探針接觸的蛋白膜表面區(qū)域上將形成孔。然而，膜中實(shí)際形成的孔的大小等于或小于1nm2。這意味著氨肽酶僅固定在探針尖端面。(實(shí)施例7)使用與實(shí)施例3中描述的相同方法，在由氮化硅制成的原子力顯微鏡的探針上形成單分子層，以使單分子層中含有的分子的末端為N3。在另一方面，鉑薄膜在硅鋼片上形成。接著，將探針和硅鋼片浸漬在2-丙醇中，并且測定力曲線。力曲線測定是檢測施加在探針的力和當(dāng)樣品僅沿z-方向而不沿x-或y-方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的樣品移動(dòng)距離之間的關(guān)系的方法。在測定力曲線時(shí)，調(diào)整樣品沿著z-方向的移動(dòng)方向，從而使與樣品接觸的探針面積可以得到調(diào)整。在該實(shí)施例中，調(diào)整力曲線使與鉑接觸的探針面積為1nm2。在這些條件下，即使當(dāng)探針與鉑接觸時(shí)，N3也不被NH2置換。通過在2-丙醇中引入氫氣，在探針與鉑接觸的1nm2區(qū)域內(nèi)，單分子層中含有的分子的末端的N3被NH2置換。通過相似于實(shí)施例5中進(jìn)行的力曲線測定，證實(shí)單分子層中含有的分子的末端在探針尖端面上的區(qū)域內(nèi)被NH2置換。(實(shí)施例8)使用與實(shí)施例7中描述的相同方法在探針上形成單分子層，以使單分子層中含有的分子的末端為NH2。將所得探針在含有2.5％(重量)戊二醛的水溶液中浸漬30分鐘，并接著用水洗滌。此后，將探針在含有10％(重量)氨肽酶的pH＝7.0的磷酸鹽緩沖溶液中浸漬1小時(shí)。結(jié)果，酶連接到含有分子末端為氨基的分子的單分子層上。此外，以與實(shí)施例4中描述的相同方式加工蛋白膜。然而，在該實(shí)施例中進(jìn)行的力曲線方法中，與樣品蛋白膜接觸的探針面積等于或大于10×10nm2。如果氨肽酶固定在探針的整個(gè)表面，與探針接觸的蛋白膜的表面區(qū)域中將形成孔。然而，膜中實(shí)際形成的孔的大小等于或小于1nm2。這意味著氨肽酶僅固定在探針尖端面上。(實(shí)施例9)使用與實(shí)施例7中描述的相同方法在探針上形成單分子層，以使單分子層中含有的分子的末端為NH2。此后，脫氧核糖核酸酶(來自牛胰臟)連接到用與實(shí)施例8中描述的相同方法所得的探針上。脫氧核糖核酸酶是水解DNA磷酸酯鍵從而切斷DNA的酶。
接著，將由100個(gè)堿基組成的單鏈DNA固定在云母片上。在下文中，描述固定DNA的方法。將劈開的白云母暴露于水蒸氣等離子體，從而將羥基引入白云母表面。此后，將白云母片浸漬在含有1％(體積)3-氨基丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中。接著，用乙醇和水依次洗滌云母片，在100℃下干燥10分鐘。通過該操作，含有分子末端是氨基的分子的單分子層在云母上形成。此后，將云母在含有1％(體積)由100個(gè)堿基對(duì)組成的單鏈DNA的純水中浸漬10分鐘。接著，用水輕微洗滌云母，并在室溫下干燥。浸漬在中性水溶液中的云母上的單分子層中，氨基被電離以獲得正電荷，DNA獲得負(fù)電荷。因此，通過上述方法將DNA固定在云母片上。
接著，將云母片和探針浸漬在pH＝7的磷酸鹽緩沖溶液中，并進(jìn)行測定。測定在脫氧核糖核酸酶抑制劑的存在下進(jìn)行。在抑制劑的存在下，脫氧核糖核酸酶不產(chǎn)生酶活性，即使當(dāng)脫氧核糖核酸酶與DNA接觸時(shí)也不切斷DNA。通過該測定，基底上DNA存在的位置得到鑒定。然后，將探針移到DNA上面的位置，在DNA上測定力曲線。在力曲線測定中，將與DNA接觸的探針面積調(diào)整到等于或大于1nm2。在這種條件下，連續(xù)更新緩沖溶液，從而將抑制劑從溶液中除去。在這種條件下，當(dāng)探針與DNA接觸時(shí)，由于脫氧核糖核酸酶的作用，DNA被水解，從而切斷DNA。此后用含有抑制劑的緩沖溶液連續(xù)替換緩沖溶液，然后測定DNA。結(jié)果，在DNA中發(fā)現(xiàn)切斷的部分。切斷部分的大小等于或小于0.1nm。如果脫氧核糖核酸酶固定在探針的整個(gè)表面上，與探針接觸的DNA部分將被水解，這樣，切斷部分一定具有更大的大小。該實(shí)施例的上述結(jié)果意味著脫氧核糖核酸酶僅固定在探針尖端面上。(實(shí)施例10)將由鉑制成的STM(掃描隧道顯微鏡)的探針浸漬在含有10mM吡咯和1％(重量)氨肽酶(來自牛腎小管；等電點(diǎn)pH＝5.0)的pH＝7的磷酸鹽緩沖溶液中。給探針施加0.7V電壓(相對(duì)于Ag/AgCl標(biāo)準(zhǔn)參比電極)1ms，從而使含有多肽酶的聚吡咯膜在探針表面形成。(實(shí)施例11)將由鉑制成的STM的探針浸漬在含有10mM吡咯的pH＝7的磷酸鹽緩沖溶液中。給探針施加0.7V電壓(相對(duì)于Ag/AgCl標(biāo)準(zhǔn)參比電極)1ms，從而使聚吡咯膜在探針表面形成。接著，將探針浸漬在含有10％(重量)氨肽酶(來自牛腎小管；等電點(diǎn)pH＝5.0)的pH＝7的磷酸鹽緩沖溶液中。給探針施加1.0V電壓(相對(duì)于Ag/AgCl標(biāo)準(zhǔn)參比電極)。由于氨肽酶在pH＝7的溶液中帶負(fù)電荷，因此氨肽酶在電場吸引下被吸收入聚吡咯中。(實(shí)施例12)制備AFM的導(dǎo)電性探針。該探針可以通過常規(guī)用于AFM的在探針上沉積鉑而生產(chǎn)。用于本實(shí)施例的掃描探針顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)與AMF的相似，除了該實(shí)施例的探針具有附加功能。參照?qǐng)D10描述附加功能。在圖10中，省略了AMF的基本控制功能。對(duì)電極(106)和參比電極(105)經(jīng)穩(wěn)壓器裝置(104)連接到探針(101)上。對(duì)電極(106)也起樣品平板的作用。參比電極(105)相對(duì)于溶液通常具有穩(wěn)定的電壓值。由于穩(wěn)壓器裝置(104)可以給探針(101)施加相對(duì)于參比電極(105)的恒壓，因此可以給探針(101)施加相對(duì)溶液恒定的電壓。此外，在穩(wěn)壓器裝置(104)中，探針和參比電極間的電阻無窮，在探針表面上產(chǎn)生的電化學(xué)電流只在探針和對(duì)電極之間流動(dòng)。
將AFM的導(dǎo)電性探針(101)浸漬在含有10mM吡咯和1％(重量)脫氧核糖核酸酶(來自牛胰臟；等電點(diǎn)pH＝5.0)的pH＝7的磷酸鹽緩沖溶液中。給探針(101)施加0.7V電壓(相對(duì)于Ag/AgCl標(biāo)準(zhǔn)參比電極)1ms，從而使含有脫氧核糖核酸酶的聚吡咯膜在探針(101)表面形成。
接著，將由100個(gè)堿基組成的單鏈DNA固定在云母片上。在下文中，描述固定DNA的方法。將劈開的白云母暴露于水蒸氣等離子體，從而將羥基引入白云母表面。此后，將白云母片在含有1％(體積)的3-氨基丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中浸漬1小時(shí)。接著用乙醇和水依次洗滌云母片，在100℃下干燥10分鐘。通過該操作，含有分子末端是氨基的分子的單分子層在云母上形成。此后，將云母在含有1％(體積)由100個(gè)堿基對(duì)組成的單鏈DNA的純水中浸漬10分鐘。接著，用水輕微洗滌云母，并在室溫下干燥。在浸漬在中性水溶液中的云母上的單分子層中，氨基電離以獲得正電荷，DNA獲得負(fù)電荷。因此，通過上述方法將DNA固定在云母片上。
將固定有DNA的云母片和AFM的探針浸漬在pH＝7的磷酸鹽緩沖溶液中，并測定單鏈DNA。在調(diào)整壓電元件(103)以保持探針(101)和樣品(102)間的斥力恒定時(shí)進(jìn)行測定。然后，鑒定DNA存在的位置。接著，在探針(101)存在于DNA上的時(shí)刻，給探針(101)施加相對(duì)于參比電極(105)的1.0V電壓1ns(與此同時(shí)，探針(101)和對(duì)電極(106)電耦合)。此后，再次觀察DNA，觀察到DNA在其一個(gè)位置被切斷。推測這種現(xiàn)象發(fā)生是由于給探針(101)施加電壓引起吡咯中的脫氧核糖核酸酶擴(kuò)散入溶液中，探針尖端面的脫氧核糖核酸酶與DNA接觸，由于其催化功能而使磷酸酯鍵水解。DNA僅在一個(gè)位點(diǎn)被切斷意味著只有從探針尖端面釋放的脫氧核糖核酸酶與DNA接觸，而其它脫氧核糖核酸酶無效。這是因?yàn)?，如果許多脫氧核糖核酸酶對(duì)DNA有作用，那么DNA將在許多位置上被切斷。鑒于此，根據(jù)本發(fā)明，可以在分子水平實(shí)現(xiàn)精細(xì)的分子加工。(實(shí)施例13)使用與實(shí)施例3中描述的相同方法，將探針尖端單分子層中含有的分子的末端用氨基置換，此后，使用與實(shí)施例9中描述的相同方法，將脫氧核糖核酸酶固定在探針尖端面上。接著，使探針繞其縱軸旋轉(zhuǎn)一次，使用與實(shí)施例3中描述的相同方法，與脫氧核糖核酸酶固定的位點(diǎn)不同的位點(diǎn)上單分子層中含有的分子的末端被氨基置換。接著，含有10mM包括引入了羧基的腺嘌呤的核苷酸的pH＝7.4的磷酸鹽緩沖溶液和10mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺反應(yīng)1小時(shí)。結(jié)果，包括腺嘌呤的核苷酸共價(jià)連接到與脫氧核糖核酸酶固定的位點(diǎn)不同的探針尖端面的位點(diǎn)上。
接著，使用與實(shí)施例9中描述的相同方法，將由30個(gè)堿基組成的單鏈DNA固定在云母片上。接著，將探針和云母片浸漬在pH＝7的緩沖溶液中。當(dāng)給壓電元件提供反饋以使探針和云母片間引起的力保持不變時(shí)，在脫氧核糖核酸酶抑制劑存在下掃描云母片表面。結(jié)果，鑒定了DNA存在的云母片的位置。接著，探針移到DNA上面的位置，用探針以原子級(jí)的精度(0.1埃的精度)掃描DNA，而調(diào)整探針和云母片間的距離以使探針尖端面包括腺嘌呤的核苷酸緊靠云母片，并且使探針和云母片間引起的力保持不變。測定結(jié)果顯示，在七個(gè)位置發(fā)現(xiàn)突出。這些解釋如下。在固定在探針上的腺嘌呤和DNA中的胸腺嘧啶間，發(fā)生氫鍵力。該力足夠大于探針和另一堿基或云母片表面引起的力。因此，當(dāng)探針位于DNA中的胸腺嘧啶上面時(shí)，探針大距離遠(yuǎn)離DNA，以保持原子間力穩(wěn)定。因此，在DNA上觀察到在常規(guī)AFM中不產(chǎn)生的突出。因此，確定胸腺嘧啶存在于這些突出的位置上。由上述分析，DNA上胸腺嘧啶的位置通過測量而得以測定。
接著，將相同的探針以與上述相同的方式用于掃描DNA，掃描在第三個(gè)突出停止，也就是認(rèn)為存在第三胸腺嘧啶。在該位點(diǎn)，探針尖端面繞探針縱軸旋轉(zhuǎn)一次，從而使脫氧核糖核酸酶靠近云母片上的DNA，接著測定力曲線。在力曲線測定過程中，將與DNA接觸的探針面積調(diào)整到等于或大于1nm2。在這種情況下，連續(xù)更新緩沖溶液，從而將抑制劑從溶液中除去。結(jié)果，由于脫氧核糖核酸酶的作用，DNA被切斷。就是說，該實(shí)施例的結(jié)果證明通過使用本實(shí)施例的探針，可以自由地在目的位置將DNA切斷。
由于在本實(shí)施例中將具有未鑒定序列的DNA固定在云母片上，通過掃描DNA測定胸腺嘧啶的位置后，為了切斷，在DNA上進(jìn)行另一掃描操作。然而，在將具有已知序列的DNA固定在云母片上的情況下，不需要進(jìn)行兩次掃描。DNA切斷可以僅通過一次掃描操作完成。在該實(shí)施例中，將包括腺嘌呤的核苷酸固定在探針上，因此，胸腺嘧啶的位置得以鑒定?；蛘?，在含有胸腺嘧啶、鳥嘌呤和胞嘧啶的核苷酸固定在云母片上的情況下，腺嘌呤、胞嘧啶和鳥嘌呤可以分別得到鑒定。(實(shí)施例14)使用實(shí)施例12中描述的相同方法，在AFM的導(dǎo)電性探針表面形成含有脫氧核糖核酸酶的聚吡咯膜。接著，將探針在溶解有1％(體積)10-溴癸基三氯硅烷的正十六烷和氯仿(體積比4∶1)的混合溶液中浸漬1小時(shí)。接著，從溶液中移出探針，并用氯仿洗滌。上述操作在充滿干燥氮?dú)獾氖痔紫渲羞M(jìn)行。結(jié)果，在探針表面的聚吡咯膜上形成具有10-溴癸基的有機(jī)分子膜。接著，將探針在溶解有200mgNaN3的25mL二甲基甲酰胺溶液中浸漬12小時(shí)，并接著用二甲基甲酰胺洗滌。通過該操作，有機(jī)分子膜中含有的分子的末端的Br被N3置換。接著，將所得探針安裝在AFM裝置中，然后使用壓電元件，使探針靠近其上沉積有鉑的硅鋼片。該操作使探針和硅鋼片與含有氫氣的2-丙醇接觸。結(jié)果，由于鉑的催化功能，探針尖端面聚吡咯膜上形成的有機(jī)分子膜中含有的分子的末端被氨基置換。然后，使含有10mM包括引入羧基的腺嘌呤的核苷酸的pH＝7.4的磷酸鹽緩沖溶液和10mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺反應(yīng)1小時(shí)。結(jié)果，包括腺嘌呤的核苷酸共價(jià)連接到探針尖端面聚吡咯膜上形成的有機(jī)分子膜上。
接著，使用實(shí)施例9中描述的相同方法，將由30個(gè)堿基組成的單鏈DNA固定在云母片上。接著，將探針和云母片浸漬在pH＝7.0的緩沖溶液中。當(dāng)給壓電元件提供反饋，以使探針和云母片間引起的力保持不變時(shí)，掃描測定云母片表面。結(jié)果，DNA存在的云母片的位置得到鑒定。接著，進(jìn)行與實(shí)施例13描述的相同操作，結(jié)果鑒定了8個(gè)胞嘧啶位點(diǎn)。
接著，將相同的探針以上面描述的相同方式用于掃描DNA，掃描停止在第四個(gè)胞嘧啶存在的位點(diǎn)。在該位點(diǎn)，給探針施加相對(duì)于參比電極1.0V的電壓1ns。結(jié)果，吡咯膜中含有的脫氧核糖核酸酶擴(kuò)散入溶液，探針尖端面的脫氧核糖核酸酶與DNA接觸，以切斷DNA。就是說，該實(shí)施例的結(jié)果證明，通過使用本實(shí)施例的探針，可以自由地在目的位置切斷DNA。
由于在本實(shí)施例中具有未鑒定的序列的DNA固定在基板上，通過掃描DNA確定胞嘧啶的位置后，為了切斷，在DNA上進(jìn)行另一掃描操作。然而，在將具有已知序列的DNA固定在基板上的情況下，不需要掃描兩次。DNA切斷可以僅通過一次掃描操作完成。在該實(shí)施例中，將包括鳥嘌呤的核苷酸固定在探針上，因此，鑒定了胞嘧啶的位置?；蛘?，在將含有腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶的核苷酸固定在基板上的情況下，可以分別鑒定胸腺嘧啶、腺嘌呤和鳥嘌呤。(實(shí)施例15)圖15是本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的總體示意圖。該裝置包括探針(191)、在三維方向上移動(dòng)探針(191)并控制探針(191)和樣品間的相對(duì)位置的裝置(例如壓電元件)(192)；調(diào)整位置控制裝置(192)的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)控制裝置(193)；用于檢測探針和樣品間相互作用的信號(hào)檢測裝置(194)；以及加工和控制位置控制裝置(192)的運(yùn)動(dòng)和探針與樣品間相互作用的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)(195)。探針(191)具有上述的傳感器分子或催化劑分子。雖然還需要用以檢測探針和樣品間相互作用的其他未知裝置，但在此將這種裝置省略。要測定的相互作用的實(shí)例包括探針和樣品間引起的力(原子間力、分子間力、靜電力、磁力等)、流過探針和樣品間的隧道電流、在探針和樣品間產(chǎn)生的隱失場等。在這些實(shí)施例中，在一般情況下測定探針和樣品間引起的力。此外，該實(shí)施力的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)探針被壓電元件移動(dòng)時(shí)，樣品被固定。相反地，也可以將裝置構(gòu)建成當(dāng)探針被固定時(shí)，樣品被壓電元件移動(dòng)。
在探針(191)靠近樣品的狀態(tài)下測定X-Y平面上某區(qū)域時(shí)，通過測定探針和樣品間引起的相互作用，可以測定樣品表面信息。此外，探針(191)運(yùn)動(dòng)到樣品(196)表面上的任何區(qū)域，可以用探針(191)加工樣品(196)的表面。例如，將僅和特定分子強(qiáng)烈相互作用的傳感器分子固定在探針(191)上，測定探針(191)和樣品(196)間引起的力，從而可以鑒定樣品(196)表面上的特定分子的位置?；蛘撸瑢⒕哂写呋δ艿姆肿舆B接到探針(191)上，將探針(191)置于樣品表面附近，從而可以加工存在于樣品表面的特定分子?；蛘撸?，在探針(191)表面上形成含有催化劑分子的導(dǎo)電性聚合物層，將探針(191)置于樣品表面附近。然后，給探針(191)施加預(yù)定電壓，以使催化劑分子釋放到樣品表面上，從而可以加工樣品表面。
在本發(fā)明的上述實(shí)施方案中，將氯硅烷基單分子層用作有機(jī)單分子層。然而，本發(fā)明并不局限于此。當(dāng)然，也可以使用包含分子末端是烷氧基或巰基的分子的單分子層。此外，酶主要固定在有機(jī)單分子層上，但是本發(fā)明并不局限于此。當(dāng)然，可以將用于測定DNA堿基序列的堿基、用于測定分子的特定官能團(tuán)的分子和用于測定抗原和抗體位置的抗原和抗體等固定在探針上。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，本發(fā)明提供僅在探針尖端面固定有具有傳感器功能或催化功能的分子的探針，以及這種探針的生產(chǎn)方法。此外，本發(fā)明提供一種探針，即使探針尖端面沒有尖到原子水平，原理上，其也能夠加工單個(gè)分子，以及這種探針的生產(chǎn)方法。本發(fā)明的探針的用途并不局限于分析或加工分子。本發(fā)明的探針可以用于分析/加工有機(jī)體的各種細(xì)胞或組織；例如，鑒定蛋白質(zhì)在細(xì)胞膜內(nèi)的位置，鑒定離子通道，將特定DNA注射入細(xì)胞中，等等。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.掃描探針顯微鏡的探針，所述探針具有近位端和遠(yuǎn)位尖端部，該遠(yuǎn)位尖端部具有朝向固定的樣品的尖端面，并且至少在尖端面上疊加有至少一個(gè)單分子層，在該尖端面上的最外層的單分子層中或該最外層的單分子層上的一部分，放置有具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中所述尖端面上疊加有多個(gè)單分子層，構(gòu)成該多個(gè)單分子層的各單分子層的分子密度從該尖端面到外側(cè)逐漸減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中所述至少一個(gè)單分子層通過共價(jià)鍵疊加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中所述至少一個(gè)單分子層由有機(jī)分子形成，所述尖端面上的最外層的單分子層中含有的分子數(shù)目等于或小于100。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中探針具有多個(gè)單分子層，具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的多個(gè)分子放置在不同的單分子層中；且該多個(gè)分子具有不同的化學(xué)傳感器功能或催化功能。
6.掃描探針顯微鏡的探針，所述探針具有含有導(dǎo)電性聚合物的被覆層，該被覆層中含有選自無機(jī)催化劑和有機(jī)催化劑的催化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的探針，在該被覆層上進(jìn)一步疊加有至少一個(gè)有機(jī)分子膜，在最外層的有機(jī)分子膜中或其上放置有具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的探針，其中所述被覆層中的催化劑的功能不同于所述具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子的功能。
9.權(quán)利要求1的掃描探針顯微鏡的探針的制造方法，所述方法包括以下步驟
權(quán)利要求
1.掃描探針顯微鏡的探針，所述探針具有近位端和遠(yuǎn)位尖端部，該遠(yuǎn)位尖端部具有朝向固定的樣品的尖端面，并且至少在尖端面上疊加有一個(gè)單分子層，在該尖端面上的最外層的單分子層中或該最外層的單分子層上，放置有具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中所述尖端面上疊加有多個(gè)單分子層，構(gòu)成該多個(gè)單分子層的各單分子層的分子密度從該尖端面到外側(cè)逐漸減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中所述至少一個(gè)單分子層通過共價(jià)鍵疊加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中所述至少一個(gè)單分子層由有機(jī)分子形成，所述尖端面上的最外層的單分子層中含有的分子數(shù)目等于或小于100。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中探針具有多個(gè)單分子層，具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的多個(gè)分子放置在不同的單分子層中；且該多個(gè)分子具有不同的化學(xué)傳感器功能或催化功能。
6.掃描探針顯微鏡的探針，所述探針具有含有導(dǎo)電性聚合物的被覆層，該被覆層中含有選自無機(jī)催化劑和有機(jī)催化劑的催化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的探針，在該被覆層上進(jìn)一步疊加有至少一個(gè)有機(jī)分子膜，在最外層的有機(jī)分子膜中或其上放置有具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的探針，其中所述被覆層中的催化劑的功能不同于所述具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子的功能。
9.權(quán)利要求1的掃描探針顯微鏡的探針的制造方法，所述方法包括以下步驟(a) 在探針上疊加單分子層；以及(b) 在該單分子層上疊加其他單分子層，或改變?cè)搯畏肿訉又泻械姆肿拥姆肿咏Y(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中步驟(b)包括，通過置換效率小于1的化學(xué)反應(yīng)，用官能團(tuán)置換所述單分子層中含有的分子的末端，以及將該官能團(tuán)與能結(jié)合于該官能團(tuán)的分子結(jié)合。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述單分子層由有機(jī)分子形成，所述步驟(b)包括，將探針遠(yuǎn)位尖端部與具有催化功能的固體表面接觸，從而僅反應(yīng)性改變?cè)撎结樀倪h(yuǎn)位尖端部的尖端面上的有機(jī)分子。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述單分子層由有機(jī)分子形成，所述步驟(b)包括，用探針掃描存在至少一個(gè)具有催化功能的區(qū)域的固體表面，以及在該探針和該區(qū)域接觸或接近的時(shí)候，僅反應(yīng)性改變探針的遠(yuǎn)位尖端部的尖端面上的有機(jī)分子。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中單分子層由有機(jī)分子形成，當(dāng)有機(jī)分子在底物的存在下與固體催化劑接觸時(shí)，其分子結(jié)構(gòu)通過化學(xué)反應(yīng)得到改變，步驟(b)包括，在該底物不存在的狀態(tài)下，通過重復(fù)探針向該固體催化劑的表面接近，然后遠(yuǎn)離的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整探針和固體催化劑之間的接近距離，此后在該底物的存在下，以該接近距離使該探針和該固體催化劑接近，從而改變?cè)撚袡C(jī)分子的分子結(jié)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13之一的方法，所述方法進(jìn)一步包括將所述具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的有機(jī)分子結(jié)合到所述改變的有機(jī)分子上的步驟。
15.權(quán)利要求8的掃描探針顯微鏡的探針的制造方法，所述方法包括以下步驟將探針浸漬在可電化學(xué)聚合的單體溶液中；以及給探針施加電壓使單體聚合，從而形成被覆層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述單體溶液含有催化劑分子。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟將具有被覆層的探針浸漬在含有催化劑分子的溶液或分散液中，以及給該探針施加電壓，從而將催化劑分子吸收到被覆層中。
18.用具有探針的掃描探針顯微鏡加工目的分子的方法，該探針具有含有導(dǎo)電性聚合物的被覆層，且被覆層中吸收有催化劑分子，所述方法包括以下步驟使該探針接近目的分子，通過給導(dǎo)電性聚合物施加電壓，使催化劑分子向目的分子釋放，從而引起化學(xué)反應(yīng)。
19.掃描探針顯微鏡，所述顯微鏡包括權(quán)利要求1或8的探針，控制所述探針和所述樣品間的相對(duì)位置的裝置；以及檢測該探針和該樣品間的相互作用的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供掃描探針顯微鏡的探針，所述探針具有近位端和遠(yuǎn)位尖端部，該遠(yuǎn)位尖端部具有朝向固定的樣品的尖端面，其中在至少尖端面上疊加有一個(gè)單分子層，在該尖端面上的最外層的單分子層中或最外層的單分子層上，放置有具有化學(xué)傳感器功能或催化功能的分子。本發(fā)明還提供掃描探針顯微鏡的探針，所述探針具有含有導(dǎo)電性聚合物的被覆層，該被覆層中含有選自無機(jī)催化劑和有機(jī)催化劑的催化劑。本發(fā)明還提供具有上述探針的掃描探針顯微鏡，以及使用這種掃描探針顯微鏡的分子加工法。
文檔編號(hào)G01N33/566GK1395681SQ01803884
公開日2003年2月5日 申請(qǐng)日期2001年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月21日
發(fā)明者中川徹, 行政哲男 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社