CN102033171A - 一种单分子介电性质的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单分子介电性质的测量方法，其特征在于使用振动模式扫描极化力显微镜，采用非接触的方法来定性的表征单个分子的介电性质，利用云母与带电针尖产生的电场作用极化，被测分子对针尖的极化力根据被测分子的介电性能而变化，通过检测针尖相位的变化来表征被测分子的介电性质。该方法测试结果准确、且操作简单方便。

Description

一种单分子介电性质的测量方法

技术领域

本发明涉及电化学测量方法领域，具体涉及一种单分子介电性质的测量方法。

背景技术

单个分子的导电性的研究具有重要的基础理论意义，同时也具有重要的实际应用价值。目前大部分实验室采用伏安法，也就是通过在分子的两端外加一定的电压(V)来测量流经分子的相应电流(I)，利用I-V曲线来表征分子的介电性质。这个方法很直接而且相对比较简单，但是在外加电压的时候需要制备电极和被测分子进行连接，这样就存在一个接触电阻问题。在微观尺度上这个接触电阻往往对测量结果造成很大的影响，以致影响测量的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为针对现有的技术背景提供一种单分子介电性质的测量方法，能够非接触式地、比较准确地测试单分子介电性质。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种单分子介电性质的测量方法，其特征在于采用振动模式扫描极化力显微镜，采用非接触的方法来定性地表征单个分子的介电性质，测量步骤为：将轻敲模式(Tapping-mode)原子力显微镜的针尖用函数发生器加上交流电压(即转变为振动模式扫描极化力显微镜)，将被测分子置于云母衬底上，由于云母表面被带电针尖极化，针尖和云母衬底表面之间就会形成电场，这个电场力我们称为极化力，与范德华力相比，这个极化力更大，其作用力程也更远，被测分子对针尖的极化力根据被测分子的介电性能而变化，根据检测针尖振动的相位变化来表征被测分子的介电性质。

所述的振动模式扫描极化力显微镜就是改造了的原子力显微镜，原子力显微镜在轻敲模式(Tapping mode)工作时在导电针尖上加上交流电压。

所述的交流电压为1-10KHz、振幅为6-8V。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明使用振动模式扫描极化力显微镜，采用非接触的方法来定性的表征单个分子的介电性质，不存在接触电阻影响测量结果的问题，而且测试方法简单、准确。

附图说明

图1.A为针尖和样品相互作用示意图；

带电针尖在云母上方，云母表面局域区域产生极化电荷；

图1.B为针尖和样品相互作用示意图；

针尖在样品(被测分子)上方，由于被测分子介电性的不同，由此引发其对针尖的作用力不同，这个作用力会影响针尖振动的相位，检测针尖相位的变化可以表征被测分子的介电性质；

图2，制备在Mica衬底表面的DNA和CdSe半导体量子点的表面形貌图；

图3.1、3.2是针尖不加偏压情况下针尖在扫过DNA分子与量子点时振动振幅的变化图；

图3.3、3.4是针尖加5V偏压情况下针尖在扫过DNA分子与量子点时振动振幅的变化图。

具体实施方式

如图1所示意，一种单分子介电性质的测量方法，其步骤依次为：

1.首先把样品(被测分子)制备在云母衬底上。

2.采用导电的原子力显微镜针尖，此时针尖上不加电压，在原子力显微镜的轻敲模式下(Tapping Mode)得到单个分子的形貌图像。

3.然后把针尖抬起，用函数发生器在针尖上加上频率为1-10KHz、振幅为6-8V的交流电压，使用高频交流电压的原因是要尽量的避免云母表面的离子对测量的影响。针尖加上电压之后再一次进针，这时针尖和云母间的极化力可以用来维持***的反馈，针尖在不接触云母(可以间隔10纳米)的情况下也可以稳定成像。

4.当针尖扫描到云母上方(不在样品上面)如图1.A所示，针尖只和云母表面的感应电荷有相互作用，和样品(被测分子)没有相互作用力。当针尖扫描到样品上方时(如图1.B所示)，如果分子是导电的，那么分子在外电场(带电针尖产生的)的作用下就会产生大量的感应电荷，反过来，这个感应电荷会影响针尖振动，使它振动的相位发生很大的变化。如果分子是半导体，其在外电场的作用下会产生极化电荷，但是这个极化电荷的数量非常少，因此在被测分子是半导体的情况下分子产生的极化电荷对针尖的运动相位影响比较小。当样品是绝缘体时，被测分子产生的极化电荷极少，几乎不会对针尖运动的相位产生影响。原子力显微镜的相位成像(Phase Image)模式可以记录带电针尖在整个区域进行扫描时针尖振动的相位信号(相位大小)，这样针尖在样品上方振动的相位(图1.B)和在云母上方(图1.A)振动的相位之差(Δφ_被测分子)就可以用来表征单个分子介电性质。

5.为了半定量的表征单个分子的介电性质，我们可以用已知电性质的标准样品(如金属镍纳米颗粒和半导体CdSe量子点)，当带有偏压的导电针尖扫描到这些标准样品的时候，针尖的振动相位有相应的变化(Δφ_金属，Δφ_半导体)。把针尖在被测样品上振动的相位差Δφ_被测分子和在标准样品上振动的相位差做比较，就可以得到被测分子相对的介电性质。

应用例

我们在云母表面制备了DNA和CdSe半导体量子点，用原子力显微镜的轻巧模式获得样品的表面形貌图，如图2所示，图片大小是5微米×5微米；图3.1、3.2是我们在导电针尖上不加偏压，针尖在扫过DNA和量子点时没有出现相位变化，可见相位变化几乎都为零；从图3.3、3.4可见，当针尖上加上5V偏压，在半导体量子点上面出现了相位变化，而在DNA上边没有出现明显的相位变化，说明量子点的导电性要远远好于DNA分子。

Claims (3)

1.一种单分子介电性质的测量方法，其特征在于使用振动模式扫描极化力显微镜，采用非接触的方法来定性地表征单个分子的介电性质，测量步骤为：将振动模式扫描极化力显微镜的针尖加上交流电压，将被测分子置于云母上，利用云母与带电针尖产生的电场作用极化，被测分子对针尖的极化力根据被测分子的介电性能而变化，根据检测针尖相位的变化来表征被测分子的介电性质。

2.根据权利要求1所述的一种单分子介电性质的测量方法，其特征在于所述的振动模式扫描极化力显微镜为改造的原子力显微镜，就是原子力显微镜在轻敲模式工作时在导电针尖上加上交流电压。

3.根据权利要求1或2所述的一种单分子介电性质的测量方法，其特征在于所述的交流电压为频率1-10KHz、振幅为6-8V。

Images