CN108398579A - 一种化学力显微镜技术探针及其制备方法 - Google Patents

一种化学力显微镜技术探针及其制备方法 Download PDF

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刘芳慧
陈婷
王淑娟
张明辉
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    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Abstract

本发明公开了一种化学力显微镜技术探针及其制备方法。该探针包括镀金的原子力显微镜探针和单分子吸附层组成；所述镀金的原子力显微镜探针为原子力显微镜探针表面包覆镀金基底层；所述单分子吸附层为修饰分子与所述镀金基底层通过金‑硫化学键形成。本发明采用单分子自组装的方法探针表面的化学修饰，该方法可在镀金表面，利用金硫键形成不同的单分子吸附层；可根据需要对所修饰的分子的特征官能团进行调节；利用本发明用来定量测量特殊基底与特定功能化针尖之间的粘附力作用；实现针对特征官能团分子间相互作用力的直接原位测定。该方法操作简单，成本低，绿色环保，能满足一般工业生产要求。

Description

一种化学力显微镜技术探针及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种化学力显微镜技术探针及其制备方法，属于原子力显微镜力学应用领域。
背景技术
单分子自组装技术((self-assembled monolayers，简称SAMs技术)是通过分子特殊端基与基底之间产生化学吸附，在界面上自发形成有序的分子组装层。它具有原位自发形成、较高的有序性和取向性、高密度堆积、缺陷少以及结构稳定等优点。在科学研究和生产、生活等诸多领域有极为广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种化学力显微镜技术探针及其制备方法，本发明方法操作简单，成本低，绿色环保，能满足一般工业生产要求。
本发明提供的一种化学力显微镜技术探针，该探针包括原子力显微镜探针、镀金基底层和单分子吸附层组成；
所述原子力显微镜探针表面包覆所述镀金基底层；
所述单分子吸附层为修饰分子与所述镀金基底层通过金-硫化学键形成。
上述的探针中，所述修饰分子为结构式中一端含有巯基，另一端含有特征官能团的特征分子。
上述的探针中，所述修饰分子的结构简式为下式Ⅰ所示，
HS-(CH2)n-R式Ⅰ；
式Ⅰ中，R为氨基、羧基、甲基和苯基中的至少一种；
n为1～18的自然数。
上述的探针中，所述镀金基底层的厚度为50～70nm。
本发明中，所述镀金基底层的基底材料为本领公知的材料，所述镀金基底层具体可为金镀层。
本发明化学力显微镜技术探针可根据需要对所修饰的分子的特征官能团进行调节；利用本发明能用来定量测量特殊基底与特定功能化针尖之间的粘附力作用；实现针对特征官能团分子间相互作用力的直接原位测定。
本发明还提供了一种化学力显微镜技术探针的制备方法，包括如下步骤：将镀金的原子力显微镜探针在所述修饰分子的溶液中浸泡，然后取出干燥，即得到化学力显微镜技术探针。
上述的制备方法中，所述修饰分子的溶液的溶剂乙醇、甲苯和丙酮中的至少一种。
上述的制备方法中，所述待修饰分子的溶液的浓度可为2～5mM。
上述的制备方法中，所述浸泡的时间可为18～36h，具体可为24h。
本发明具有以下优点：
本发明采用单分子自组装的方法实现原子力显微镜(简称AFM)探针表面的化学修饰，该方法可在镀金表面，利用金硫键形成不同的单分子吸附层。本发明所采用的化学力显微镜技术(简称CFM)的可根据需要对所修饰的分子的特征官能团进行调节；利用本发明能用来定量测量特殊基底与特定功能化针尖之间的粘附力作用；实现针对特征官能团分子间相互作用力的直接原位测定。该方法操作简单，成本低，绿色环保，能满足一般工业生产要求。
附图说明
图1是本发明实施例1中所用的一端是巯基，另一端为氨基的修饰用特殊分子结构式。
图2是本发明实施制得的CFM探针示意图，其中图2(a)为本发明实施例1制备得到的，图2(b)为本发明实施例2制备得到的，图2(c)为本发明实施例3制备得到的，图2(d)为本发明实施例4制备得到的。
图3是本发明实施例1制得的镀金表面修饰-NH2后的XPS谱图。
图4是镀金表面的水的静态接触角和本发明实施例1制得功能化表面接触角对比，其中图4(a)为镀金表面的水的静态接触角，图4(b)为本发明实施例1制得功能化表面接触角。
图5是普通AFM针尖与基底间粘附力与本发明实施例1制得功能化的CFM针尖粘附力的对比，其中图5(a)普通AFM针尖与基底间粘附力，图5(b)为本发明实施例1制得功能化的CFM针尖粘附力的对比。
图6是本发明实施例2中所用的一端是巯基，另一端为羧基的修饰用特殊分子结构式。
图7是镀金表面的水的静态接触角和本发明实施例2制得功能化表面接触角对比，其中图7(a)为镀金表面的水的静态接触角，图7(b)为本发明实施例2制得功能化表面接触角。
图8是普通AFM针尖与基底间粘附力与本发明实施例2制得功能化的CFM针尖粘附力的对比，其中图8(a)普通AFM针尖与基底间粘附力，图8(b)为本发明实施例2制得功能化的CFM针尖粘附力的对比。
图9是本发明实施例3中所用的一端是巯基，另一端为烷基的修饰用特殊分子结构式。
图10是镀金表面的水的静态接触角和本发明实施例3制得功能化表面接触角对比，其中图10(a)为镀金表面的水的静态接触角，图10(b)为本发明实施例3制得功能化表面接触角。
图11是普通AFM针尖与基底间粘附力与本发明实施例3制得功能化的CFM针尖粘附力的对比，其中图11(a)普通AFM针尖与基底间粘附力，图11(b)为本发明实施例3制得功能化的CFM针尖粘附力的对比。
图12是本发明实施例4中所用的一端是巯基，另一端为苯基的修饰用特殊分子结构式。
图13是镀金表面的水的静态接触角和本发明实施例4制得功能化表面接触角对比，其中图13(a)为镀金表面的水的静态接触角，图13(b)为本发明实施例4制得功能化表面接触角。
图14是普通AFM针尖与基底间粘附力与本发明实施例4制得功能化的CFM针尖粘附力的对比，其中图14(a)普通AFM针尖与基底间粘附力，图14(b)为本发明实施例4制得功能化的CFM针尖粘附力的对比。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中，镀金的原子力显微镜(AFM)探针商购于布鲁克公司(镀金的厚度为50～70nm)。
实施例1、
特殊分子溶液的制备：
将2.39mg的一端是巯基，另一端为氨基的特殊分子溶解在10mL乙醇，搅拌溶解，配制成1mM的乙醇溶液。特殊分子结构式如图1所示。
CFM探针的制备：
将镀金的原子力显微镜(AFM)探针浸泡在结构如图1所示的特殊分子乙醇溶液中，浸泡时间为24小时，制得带氨基的CFM功能化探针，如图2(a)所示。
如图3所示，由于无法直接探测CFM针尖上的元素含量，故采用镀金基底作为针尖模拟物进行X射线光电子能谱(XPS)表征。本发明实施例制得的镀金表面修饰氨基(-NH2)后的XPS谱图，从图中可以看到N元素出峰较为明显，表明镀金基底已经被特征官能团所覆盖。
如图4所示，镀金表面的水的静态接触角为72.0°，而修饰了氨基(-NH2)后的表面的水的静态接触角为50.4°，表明本方法可以成功实现利用金-硫化学键对表面进行修饰。同理可知，在镀金针尖表面采用本方法同样可以实现对AFM针尖的修饰，从而制备修饰了氨基(-NH2)的CFM功能化探针。
如图5(a)所示，为经功能化修饰的普通AFM针尖与基底间的粘附力较弱，而本发明功能化修饰了氨基(-NH2)的CFM针尖与基底间的粘附力(如图5(b))在相同条件下明显更强，这也再次证实了本发明修饰方法的可行性，本发明方法能成功实现利用金-硫化学键对表面进行修饰。
实施例2、
特殊分子溶液的制备：
将2.18mg的一端是巯基，另一端为羧基的特殊分子溶解在10mL乙醇，搅拌溶解，配制成1mM的乙醇溶液。特殊分子的结构式如图6所示。
CFM探针的制备
将原子力显微镜(AFM)探针浸泡在图6中特殊分子乙醇溶液中，浸泡时间为24小时，制得带羧基的CFM功能化探针，如图2(b)所示。
如图7所示，镀金表面的水的静态接触角为72.0°，而修饰了羧基(-COOH)后的表面的水的静态接触角为41.5°，表明本方法可以成功实现利用金-硫化学键对表面进行修饰。同理可知，在镀金针尖表面采用本方法同样可以实现对AFM针尖的修饰，从而制备修饰了羧基(-COOH)的CFM功能化探针。
如图8(a)所示，为经功能化修饰的普通AFM针尖与基底间的粘附力较弱，而功能化修饰了羧基(-COOH)的CFM针尖与基底间的粘附力(如图8(b))在相同条件下明显更强，这也再次证实了本发明修饰方法的可行性，本发明方法能成功实现利用金-硫化学键对表面进行修饰。
实施例3、
特殊分子溶液的制备：
将2.86mg的一端是巯基，另一端为烷基的特殊分子溶解在10mL乙醇，搅拌溶解，配制成1mM的乙醇溶液。特殊分子结构式如图9所示。
CFM探针的制备：
将原子力显微镜(AFM)探针浸泡在图9中的特殊分子乙醇溶液中，浸泡时间为24小时，制得带烷基的CFM功能化探针，如图2(c)所示。
如图10所示，镀金表面的水的静态接触角为72.0°，而修饰了烷基(-CH3)后的表面的水的静态接触角为102.2°，表明本方法可以成功实现利用金-硫化学键对表面进行修饰。同理可知，在镀金针尖表面采用本方法同样可以实现对AFM针尖的修饰，从而制备修饰了烷基(-CH3)的CFM功能化探针。
如图11(a)所示，为经功能化修饰的普通AFM针尖与基底间的粘附力较弱，而功能化修饰了烷基(-CH3)的CFM针尖与基底间的粘附力(如图11(b))在相同条件下明显更强，这也再次证实了修饰方法的可行性，本发明方法能成功实现利用金-硫化学键对表面进行修饰。
实施例4、
特殊分子溶液的制备：
将2.50mg的一端是巯基，另一端为苯基的特殊分子溶解在10mL乙醇，搅拌溶解，配制成1mM的乙醇溶液。特殊分子结构式如图12所示。
CFM探针的制备：
将原子力显微镜(AFM)探针浸泡在图12中特殊分子乙醇溶液中，浸泡时间为24小时，制得带苯基(-C6H5)的CFM功能化探针，如图2所示。
如图13所示，镀金表面的水的静态接触角为72.0°，而修饰了苯基(-C6H5)后的表面的水的静态接触角为50.4°，表明本方法可以成功实现利用金-硫化学键对表面进行修饰。同理可知，在镀金针尖表面采用本方法同样可以实现对AFM针尖的修饰，从而制备修饰了苯基(-C6H5)的CFM功能化探针。
如图14(a)所示，为经功能化修饰的普通AFM针尖与基底间的粘附力较弱，而本发明功能化修饰了苯基(-C6H5)的CFM针尖与基底间的粘附力(如图14(b))在相同条件下明显更强，这也再次证实了修饰方法的可行性，本发明方法能成功实现利用金-硫化学键对表面进行修饰。

Claims (8)

1.一种化学力显微镜技术探针，其特征在于：该探针包括镀金的原子力显微镜探针和单分子吸附层组成；
所述镀金的原子力显微镜探针为原子力显微镜探针表面包覆镀金基底层；
所述单分子吸附层为修饰分子与所述镀金基底层通过金-硫化学键形成。
2.根据权利要求1所述的探针，其特征在于：所述修饰分子为结构式中一端含有巯基，另一端含有特征官能团的特征分子。
3.根据权利要求1或2所述的探针，其特征在于：所述修饰分子的结构简式为下式Ⅰ所示，
HS-(CH2)n-R式Ⅰ；
式Ⅰ中，R为氨基、羧基、烷基和苯基中的至少一种；
n为1～18的自然数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的探针，其特征在于：所述镀金基底层的厚度为50～70nm。
5.一种化学力显微镜技术探针的制备方法，包括如下步骤：将镀金的原子力显微镜探针在所述修饰分子的溶液中浸泡，然后取出干燥，即得到化学力显微镜技术探针。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述修饰分子的溶液的溶剂乙醇、甲苯和丙酮中的至少一种。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：所述待修饰分子的溶液的浓度为2～5mM。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述浸泡的时间为18～36h。
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