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碳纳米管扫描探针显微镜探针

供稿人:杨莺歌  供稿时间:2005-8-5   关键字:碳纳米管  针  
扫描探针显微镜包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜等,普遍应用于纳米-微米尺寸的精确三维测量。在扫描探针显微镜的组成部分中,探针最为重要,而探针的关键是形状和材料的性质,它应该具有以下特性:尖端的弧度小,强度大,不易破损,磨耗小,数据的再现性好。现在一般使用硅或氮化硅作探针,探针的形状一般是多棱锥状或圆锥状的,其尖端的曲率半径为5~40nm,不能观察到原子缝隙底部的情况。如果用碳纳米管作扫描探针显微镜的探针针尖,尖端的弧度非常小,就可观察到原子缝隙的底部,可以得到分辨率极高的图像。由于C-C键短而强,结构稳定,没有缺陷的单层碳管具有5TPa的杨氏模量,而重量只有钢材的六分之一,碳纳米管是目前已知质量比强度最高的材料,而且根据直径和螺旋度的不同,单层碳管可以分成金属性和半导体性两类。由此可见碳纳米管是理想的扫描探针显微镜针尖。
 
碳纳米管探针的优点 
碳纳米管探针较传统探针有几个显著优点:(1)纵横比高达10~103,其针尖能更准确地获得样品表面上较深的狭窄缝隙和台阶边缘的形貌图像;(2)机械强度高,扫描时即使撞击到样品表面也不会使针尖损坏;(3)弹性高,这有效地限制了针尖在样品表面上的作用力,减少了对样品的损害;(4)结构稳定,碳纳米管探针是圆柱形,且末端总是封闭的,即使在制备时为调整长度而截掉一段后也是如此;(5)分辨率远远高于普通探针[1]。
 
应用领域
碳纳米管探针是新近发展起来的技术,应用还不够广泛和深入。目前主要应用于生物学和纳米加工领域。
 
生物学中的应用:
  •  蛋白质与核酸
有些蛋白质用传统的显微镜要么看不到,要么只能在低温下看到,用碳纳米管探针可很好地解决这个问题。有些蛋白的结构分析主要依靠显微镜,目前还不能用X-射线衍射进行分析,碳纳米管探针对不能获得衍射分析的蛋白具有独特的应用前景。目前已用碳纳米管探针对以下蛋白质与核酸领域进行了研究。
(1)免疫球蛋白
(2)GroES蛋白
(3)增殖细胞核抗原(PCNA)和复制因子C(RFC)
(4)核小体重构
(5)RecA-DNA复合物
(6)DNA序列分析
(7)鉴定单元型
  •  细胞
美国国家健康研究所[2]首次将碳纳米管探针用于细胞的研究。以疟原虫感染红细胞,用AFM记录到了红细胞、红细胞外游离的疟原虫和红细胞被疟原虫感染的图像。碳纳米管探针比传统探针记录到的图像细节更丰富,分辨率更高。
 
纳米加工方面的应用:
利用碳纳米管探针进行的纳米加工主要有以下几方面:(1)针尖电场诱导局域氧化制备纳米结构; (2)诱导进行局域改性; (3)纳米刻蚀加工利用针尖直接在样品表面刻划形成纳米图案和拨动颗粒至指定的地方均属于纳米刻蚀加工技术;方法得到的图形大小与针曲率半径有关;(4)在探针尖端进行化学反应;(5)操纵单分子和原子;(6)分子操纵控制分子取向和调整分子构型,乃至对分子进行“裁剪”和加工[3]。
 
应用实例
美国哈佛大学用单壁碳纳米管探针发现Aβ蛋白呈5~6nm高,直径19nm的四叠体结构,高度与以往的研究一致,但更清楚地显示了对称的四叠体及一个1nm深的中央陷凹,分析这个陷凹可能是通过分子中央的孔,将此形态命名为环状淀粉样β蛋白结构[4]。他们还用碳纳米管探针从形态学角度进行了探讨,在ATP参与下,将人SWI/SNF与单个核小体反应,AFM观察到了核小体的二聚体。该研究还显示SWI/SNF复合物呈多叶结构[5]
 
清华大学机械工程系[6]将碳纳米管安装到原子力显微镜的标准硅探针上,制备了碳纳米管原子力显微镜针尖,运用其对生物样品进行高分辨率的成像研究,成功地获得了DNA的精细结构和G型免疫球蛋白的Y形结构,这用传统的原子力显微镜针尖是无法获得的。
 
制作方法
世界上第一根碳纳米管探针是美国莱斯大学[7]制作的。他们用丙烯酸粘合剂将多壁碳纳米管(MWNT)粘到硅悬臂的尖端上作为探针。纳米管不仅坚硬而且柔韧性好,当针尖不经意地碰到坚硬的表面时纳米管会弯曲,当针尖收回时纳米管恢复原状。他们使用的纳米管直径5nm,长度250nm,可以很容易地探测到粗糙表面的底部。
 
日本Osaka Prefecture大学[8]也创造了一种用碳纳米管作探针的方法。他们首先用直流电弧放电法制备碳纳米管,然后用电泳法提纯和排列,在SEM下将一根碳管置于普通的硅探针尖上,通过淀积碳把碳管粘到硅探针上。
 
美国斯坦福大学[9]提出了一种简单的图形方法,可大量制作用作原子力显微镜探针尖的单壁碳纳米管。首先在晶片上预先制作375个硅针尖,然后将催化剂放置于其上,用化学气相淀积技术生长碳纳米管。
 
专利:
目前国内还没有相关专利,国外的相关专利有二十余项,专利权人以美国和日本公司为多,见下表(部分)。
 
专利号
申请日
专利权人
题目
JP2005062006
2005-03-10
NAT INST OF ADV IND & TECHNOL
Method and Apparatus for Controlling Adhesion Directivity of Carbon Nanotube
JP2005049186
2005-02-24
KIN KISHUN
Probe of Scanning Tunneling Microscope and its Manufacturing Method
WO2005017977
2005-02-24
UNIV WARWICK (GB)
PROBE
TW593976
2004-06-21
IND TECH RES INST (TW)
Manufacturing system for bonding a carbon nanotube and a probe
WO2004102582
2004-11-25
UNIV FLORIDA (US)
Carbon Nanotube-based Probes,Related Devices and Methods of Forming the Same
WO2005034206
2005-04-14
ALIFORNIA INST OF TECHN (US)
Selective Functionalization of Carbon Nanotube Tips Allowing Fabrication of New Classes of Nanoscale Sensing and Manipulation Tools
US2004173744
2004-09-09
TOYOTA MOTOR CO LTD (JP)
Method of production, method of inspection, and method of use of scanning probe microscope probe
US2004134265
2004-07-15
MANCEVSKI VLADIMIR
Multi-dimensional force sensing for scanning probe microscopy using carbon nanotube tips and carbon nanotube oscillators
US2003233871
2003-12-25
ELORET CORP (US)
Multi-walled carbon nanotube scanning probe apparatus having a sharpened tip and method of sharpening for high resolution, high aspect ratio imaging
JP2004243490
2004-09-02
TANJI TAKAYOSHI;; TOYOTA CENTRAL RES & DEV
CNT Chip and Fabricating Method For IT, Electron Gun, and Stylet for Scan Type Probe Microscoopes
US2003122073
2003-07-03
YOSHIKAZU NAKAYAMA AND DAIKEN
Coated nanotube surface signal probe and method of attaching nanotube to probe holder
US6780664
2004-08-24
ADVANCED MICRO DEVICES INC
Nanotube tip for atomic force microscope
US2004211271
2004-10-28
HAN CHANG SOO (KR)
Method for attaching rod-shaped nano structure to probe holder
US2003094035
2003-05-22
MITCHELL THOMAS OWEN
Carbon nanotube probe tip grown on a small probe
WO03027011
2003-04-03
UT BATTELLE LLC
Catalyst-Induced Growth of Carbon Nanotubes on Tips of Cantilevers and Nanowires
US6455847
2002-09-24
ADVANCED MICRO DEVICES INC
Carbon nanotube probes in atomic force microscope to detect partially open/closed contacts
 
 
从第一根碳纳米管探针诞生到现在已经十年了,碳纳米管以其固有的优良性质成为扫描探针显微镜的理想探针,大大提高了显微镜的性能。相信随着进一步深入而广泛的研究,它必将给生物学和纳米加工研究领域带来更大的突破。但是,我们也要看到,我国在这方面的研究还很不够,没有一项专利,在此领域发表的论文数量和质量都不够理想,还需进一步努力,争取更大的突破。
 
参考文献
[1] 原子力显微镜碳纳米管探针的制备及其生物学应用
生物医学工程杂志 20(2003)352-365
[2] The cell biological application of carbon nanotube probes for atomic force microscopy: comparative studies of malaria-infectederythro-cytes
J. Electron Microsc 49(2000)453-458
[3] 利用碳纳米管探针进行纳米加工的研究进展
仪器仪表学报 24(2003)559-562
[4] Structural andfunctional imaging with carbon nanotube AFM probes
Prog Biophys Mol Biol. 77(2001) 73-110
[5]Direct Imaging of Human SWI/SNF-Remodeled Mono- and Polynucleosomes by Atomic Force Microscopy Employing Carbon Nanotube Tips
Molecular & Cellular Biology 21(2001)8504–8511
[6]碳纳米管原子力显微镜探针对生物样品高分辨率成像的研究
中国生物医学工程学报 23(2004)243-246
[7]Nanotubes as nanoprobes in scanning probe microscopy
Nature 384(1996) 147 - 150
[8]Carbon nanotube tips for a scanning probe microscope: their fabrication and properties
Appl. Phys. 32 (1999) 1044–1048
[9]Wafer scale production of carbon nanotube scanning probe tips for atomicforce microscopy
Appl. Phys. Lett. 80(2002)2225-2227

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