原子力显微镜新技术的发展及其在大分子体系结构与性能研究中的应用

发布时间：2020-06-06 10:09

【摘要】：在本论文中,作者发展了基于原子力显微镜(AFM)的光刻技术,用于制备功能性聚合物刷以及生物大分子的图案化表面结构;同时,搭建了磁力调制原子力显微镜(MFM-AFM),并以此研究了细菌生物被膜的流变行为。主要内容如下:(1)发展了液相扫描探针纳米雕刻技术(LSPN)。LSPN通过AFM探针在聚合物的良溶剂中“雕刻”聚合物刷表面,即施加较大的作用力将聚合物链从基底上刮除,形成所设计的二维或三维图案化结构。然后,用同一根探针以较小的作用力对图案化结构进行原位成像表征和缺陷修复。LSPN可制备分辨率小于50 nm的、任意复杂的二维或三维图案化结构。(2)发展了液相非接触扫描探针光刻技术(L-NCSPL)。L-NCSPL通过AFM探针在蛋白质溶液中以非接触模式扫描固体基底,振动着的探针会捕获溶液中的蛋白质分子并将其击打到基底上,从而形成所设计的图案化结构。L-NCSPL可制备尺寸小于100 nm的蛋白质点阵列结构、宽度小于50 nm的蛋白质线阵列结构和三维的蛋白质图案化结构。(3)搭建和应用了MFM-AFM。通过一个振荡磁场控制磁性探针对样品施加正弦扰动力,并在5-200 Hz的频率范围研究了在表面附着的大肠杆菌(E.coli)生物被膜从单个细胞到成熟的生物被膜形成过程中的微流变行为。我们的结果表明,E.coli生物被膜的流变行为和软玻璃态材料相似。随着培养时间的增加,E.coli生物被膜有流体化倾向,且其结构变得更为均匀。另外,流体剪切力会影响生物被膜初期的生长状态,而对成熟生物被膜表层的流变性质影响较小。
【图文】：

detector）所检测。依据在探针扫描过程中微悬臂的形变信号，可以获得样品表面的三维形貌图。图1-1 原子力显微镜的示意图。（引自Park systemsAFM用户操作手册）Figure 1-1. Schematic of an atomic force microscope.针尖原子与样品表面原子间存在着多种相互作用力，，这些力的大小与针尖和样品间的距离有关，如图1-2所示。当针尖靠近样品表面到一定的距离时，针尖开始受到表面原子对它的范德华吸引力；当探针继续靠近样品表面时，针尖原子和样品表面原子间开始出现逐渐增大的空间排斥力，直至吸引力与排斥力达到平衡；此时，探针若再进一步靠近样品时，则排斥力会迅速增大。根据这些作用力的信息，可以标记出两块区域：（1）非接触区域，针尖与样品表面间的距离大约在几纳米到几十纳米的范围内，原子间的相互作用力主要以吸引力为主；（2）接触区域

第一章 原子力显微镜的原理及应用3图1-2 针尖与样品表面原子间的相互作用力与距离的关系曲线。Figure 1-2. Interatomic force vs. tip-to-sample distance.作用力主要表现为空间排斥力，对应于图 1-2 所示的接触区域。接触模式 AFM 一般使用弹性常数较小的探针（小于 1 N/m）对样品进行成像表征。弹性常数小的微悬臂可以检测到很小的相互作用力，确保探针与表面间的作用力不会超过样品原子间的团聚力，避免损坏样品。在接触模式 AFM 表征样品的过程中，针尖在样品表面上滑动，它们之间的相互作用力使得微悬臂产生弯曲以适应样品表面形貌的变化。一般情况下，接触模式 AFM 可在大气和液体等环境下进行测试，可产生稳定的、分辨率较高的表面形貌图。接触模式 AFM 的缺点是容易损伤样品，在研究生物样品和其他柔软的样品时要特别注意控制针尖与样品间的相互作用力。1.2.2 非接触模式 AFM在非接触模式 AFM（non-contactAFM）中，AFM 探针在样品上方以一定的振幅和频率振动。此时
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH742;O631;O629.73

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本文编号：2699523