[发明专利]利用扫描原子力显微镜的化学鉴别成象

说明书

本发明涉及利用化学改性的探针借助扫描原子力显微镜的化学鉴别成象的方法。

由于Binning和Rohrer发明了扫描调谐显微镜(参考G.Binning，H.Rohrer，C.Gerber and E Weibel，Phys.Rev.Lett.49(1982)57]，使人们有可能在标准实验室条件下以原子分辨率获得导电表面的外貌(凹凸)像。过了四年以后(参考G.Binning，C.F.Quate andC.Gerber，Pbys.Rev.Lett.56(1986)930)发现了一个新的方法，该方法可以利用扫描原子力显微镜以类似的分辨率分析非电导样品。

按照扫描原子力显示镜的正规模式(见图1)在恒定的斥力下使一个接合到一个悬臂上的硅或氮化硅尖头紧靠整个样品上面移动。所加的负荷力通过在悬臂上偏转间接设定，该偏转借助一种光指示器测量。如果该尖端碰到一个升起的点，则距样品表面的距离减少。可是，因为在这种接近过程中范德华斥力增加，所以借助压电晶体调节器向后移动样品可以使原来的斥力恢复。利用来自压电调节器的控制信号再现处在分析状态下的样品的外貌像。通过调制悬臂甚至可以有效地研究软的或粘的样品。两种可能的方法分别称为搭接和非接触模式。在搭接模式下，调制频率是在悬臂的共振频率范围(通常为300至500KHZ)，振幅为从约50至约200nm，简单地说就是使样品表面与尖头接触。对于非接触模式的操作数据为：调制频率100至200KHZ，振幅1nm左右，在这个方法中根本不与样品接触。

扫描原子力显微镜的缺点在于：至今仍不能获得与表面的化学性质有关的图像。通过特殊的调制技术使该扫描原力显微镜的性能获得某种程度的改进，可以使在表面上的硬/软的差异(弹性模式)和在摩擦行为下的对比度的差异(在测量悬臂偏转的使用的横向力模式下，)显示出来(参阅L.F.Chi，M Anders，H.Fuchs，R.R.Johnston和H.Ringsdorf.Science 259(1993)213)。

目前配位基一受体对之间的识别也有报导(参阅E.F.Tlorin，V.T.Moy和H.E.Gaub，Sciencl264(1994)415)。

利用扫描原子力显微镜仍不能检测在表面上的化学性质有差别的区。最近由C.D.Frisbie，L.F.Rozsnyai，A.Noy，M.S.Wrighton和Lieber在Science 265(1994)207上发表了一个局部解决方案。其中所描述的试验采用一个在一整个化学构成型表面上移动的化学改性的尖头。利用横向力模式把以甲基和以酸为端基的部分区分开，该对比机理起因于疏水作用。

本发明的目的在于提供一种利用化学改性的探针并且不必利用横向力模式借助扫描原子力显微镜的化学鉴别成象方法。

我们已经发现，这个目的可以借助于利用化学改性探针借助扫描原子力显微镜的化学鉴别成象法达到。该方法包括按照法向力模式、弹性模式、搭接模或非接触模式进行成像。

这种方法还适合用于对工艺表面(例如粗糙的或粘的表面，具有粘性的物质表面)成像，适合存储和读出信息，还适合用于对生物样品成象，例如定序蛋白质分子，DNA和RNA分子(核甙酸)。

在这种新方法的有益实施例中，是在用作化学改性探针的扫描原子力显微镜尖头上直接地或者在涂上一层金属或氧化物层以后涂上一种或几种与待分析表面具有选择性相互作用的物质。该尖头改性物质可以是一种具有附加酸或碱官能团的硫醇，具有附加核酸的碱基官能团的硫醇、具有附加酸或碱官能团的二硫化物，具有附加核酸的碱基官能团的二硫化物，具有附加酸或碱官能团的硅烷或具有附加核酸的碱基官能团的硅烷。

在该新颖方法的另一个有益的实施例中，用聚阳离子、聚阴离子、有机或无机酸、有机或无机碱、路易斯(Lewis)酸或路易斯(Lewis)碱涂敷该扫描原子力显微镜的尖头，其中酸或碱还可以是聚合形式的。

令人预想不到的是业已发现即使按照上述的法向模式(即在记录外貌期间)也可以达到借助扫描原子力显微镜完成化学成象的目的。法向力模式的优点在于不需要附加的设备(实际上为了该模或安装了所有的设备)和通常在该模式下达到最大的横向分辨率。

化学成象的自动也可以在弹性，搭接或非接触方式下利用改性尖头达到。

图1是本发明的扫描原子力显微镜的原理示意图；通过光指示器测量由外貌引起的摇臂的偏转；

在图1中，不同的数字表示不同的器件1.检测器，2.激光源，3.压电晶体调解器，4.尖头和摇臂，5.待分析样品。