原子力显微镜中胶体探针的制备方法

1.本发明属于原子力显微镜制备技术领域，涉及一种原子力显微镜中胶体探针的制备方法。


背景技术：

2.原子力显微镜(afm)主要是利用光学检测法或隧道电流检测法，测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样品表面形貌的信息。此外，afm的另一个应用是通过将颗粒固定在悬臂末端直接测量颗粒与样品表面之间的粘附力，这种技术大力推动了分子间力的测量，且为特定基团间的作用力测量提供了一种有效方法。常规探针是由悬臂和针尖组成，针尖位于悬臂的自由端，用于感知针尖和样品之间的相互作用；悬臂通常是由一个100-500μm长度和500nm-5μm厚的硅片或者氮化硅片制成(pnp-tr-tl-20/hq:nsc36)，其形状和尺寸对于分辨率，测量精度有重要的影响。
3.随着技术的不断发展和成熟，探针的功能化修饰已经成为热点。但是在测量某些微量作用力时，普通的探针修饰往往准确度不够，无法保证测量的可信度。因此需要通过增大探针与样品表面的接触面积，实现微弱作用力的准确测量。胶体探针由于微米尺寸小球的存在，有效增加了探针与样品之间的作用面积，被广泛应用在生物，环境等学科中。在胶体探针修饰的过程中，通常是在光学系统和控制系统操作下，在悬臂前端接触粘附剂，再将附着粘附剂的悬臂接触微球(直径20μm-50μm)，随后将微球修饰过的悬臂再次接触粘附剂，最后再接触待修饰的有机物，完成探针修饰。虽然原理简单，但现有方法往往由于粘附剂(现有方法中采用的粘附剂一般都是环氧树脂胶)以及待修饰的有机物的量难以控制，以及在确定小球位置过程中，胶水容易固化，从而使得胶体探针的成功率以及精度难以得到保障，进一步会影响测量相互作用力的准确度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种原子力显微镜中胶体探针的制备方法，解决了现有胶体探针制备方法难以精准控制粘附剂和待修饰有机物的量，制备的胶体探针精度低，影响测量相互作用力准确度的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种原子力显微镜中胶体探针的制备方法，将有机物粉末和光敏胶分别均匀填充在微孔板两侧的孔隙中，涂平压实，在原子力显微镜光学成像系统下利用控制系统将探针悬臂自由端先浸入光敏胶中，然后退针，此时在悬臂自由端形成胶体微球，再将悬臂自由端浸入有机物粉末中，静置使有机物粉末包裹胶体微球，退针，待光敏胶固化后即获得有机物修饰的胶体探针。
6.具体包括以下步骤：
7.步骤1，制备有机物粉末；
8.步骤2，微孔板预处理，将微孔板进行超声波清洗5min-10min，去除表面残留物质，然后用氮气吹干后备用，微孔板表面孔隙的孔径为3μm-5μm，孔深为2μm；
9.步骤3，制备样品，在超净间内，用针头吸取光敏胶，滴入步骤2预处理后的微孔板一侧孔隙中，均匀抹平，使光敏胶填满微孔板孔隙，然后将步骤1制备的有机物粉末填充在微孔板另一侧孔隙中，均匀涂平，用洁净盖玻片放在微孔板填充有机物粉末的孔隙顶部，压制0.8min-1.5min后移开，压实有机物粉末，最后用洗耳球吹去多余有机物粉末；
10.步骤4，合成胶体探针，在原子力显微镜光学成像系统下，利用控制系统将探针悬臂自由端先伸入微孔板填充光敏胶的孔隙中，随后退针至安全高度，探针悬臂自由端底部形成胶体微球，然后水平调节微孔板的位置，使微孔板上填充有机物粉末的孔隙位于探针悬臂自由端的正下方，再将探针悬臂自由端伸入微孔板填充有机物粉末的孔隙中，静置使有机物粉末包裹胶体微球，随后退针至安全高度，用紫外线固化灯照射探针悬臂自由端，待光敏胶完全固化后即获得有机物修饰的胶体探针。
11.步骤1包括在室温下，将3mg-5mg的有机物颗粒加入到球磨机中，研磨10min-15min，得到粒径为0.2μm-0.3μm的有机物粉末，放入干燥皿中备用。
12.有机物粉末为多糖、蛋白质或腐殖质粉末。
13.光敏胶的粘度为800mpas-1200mpas。
14.步骤4的具体过程如下：
15.步骤4.1，打开原子力显微镜的控制器和配套软件，将用于胶体探针的悬臂固定在原子力显微镜的悬臂夹上；
16.步骤4.2，将步骤3准备的微孔板固定在实验平台上，随后将装有悬臂的悬臂夹固定在原子力显微镜的实验平台上；
17.步骤4.3，调整原子力显微镜的激光点，使激光点照射在悬臂的自由端，上下调节物镜的距离，使悬臂自由端清晰的呈现在原子力显微镜的光学显示界面中；
18.步骤4.4，向下调节原子力显微镜的光学焦点，在光学显示界面中找出微孔板，水平移动微孔板的位置，使微孔板上填充光敏胶的孔隙位于悬臂自由端正下方；
19.步骤4.5，手动进针，调整悬臂和光敏胶的相对高度，同时实时观察两者的相对位置，使得悬臂自由端完全进入到微孔板的孔隙中，随后退针至安全高度，探针悬臂自由端底部形成胶体微球；
20.步骤4.6，水平调节微孔板在实验平台上的位置，使微孔板上填充有机物粉末的孔隙位于探针悬臂自由端的正下方，然后手动进针，调整悬臂和有机物粉末的相对高度，同时实时观察两者的相对位置，使得悬臂自由端完全进入到微孔板填充有机物粉末的孔隙中，静置使有机物粉末包裹胶体微球，随后退针至安全高度，用紫外线固化灯照射探针悬臂自由端，待光敏胶完全固化后即获得有机物修饰的胶体探针。
21.悬臂为无针尖悬臂梁或带有针尖的微悬臂探针，悬臂梁为矩形梁或v型梁。
22.步骤4.6中，用紫外线固化灯照射探针悬臂自由端30s-60s。
23.本发明的有益效果是，分别将有机物和光敏胶均匀填充在微孔板两侧孔隙中，可以达到定量控制光敏胶和有机物的量，避免悬臂上过多的修饰物而改变悬臂自身的弹性系数和激光反射率，提高了原子力显微镜纳米力学测量的灵敏度和准确性，该方法无需其他辅助操作系统，操作简单，成功率高，可以批量制备。
附图说明
24.图1是本发明一种原子力显微镜中胶体探针制备方法的流程示意图；
25.图2是本发明实施例1制备的原子力显微镜中胶体探针的显微结构图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
27.实施例1
28.制备一种原子力显微镜中胶体探针，参照图1，包括以下步骤：
29.步骤1，制备有机物粉末
30.在室温下，将5mg的海藻酸钠颗粒加入到球磨机中，研磨10min，得到粒径为0.3μm的海藻酸钠粉末，放入干燥皿中备用；
31.步骤2，微孔板预处理，将微孔板进行超声波清洗10min，去除表面残留物质，然后用氮气吹干后备用，微孔板左右两侧孔隙的孔径为5μm，孔深为2μm；
32.步骤3，制备样品，在超净间内，用针头缓慢吸取少量粘度为1200mpas的a332光敏胶，滴入步骤2预处理后的微孔板一侧孔隙中，均匀抹平，使光敏胶填满微孔板孔隙，然后将步骤1制备的海藻酸钠粉末填充在微孔板另一侧孔隙中，均匀涂平，用洁净盖玻片放在微孔板填充海藻酸钠粉末的孔隙顶部，压制1.5min后移开，压实海藻酸钠粉末，最后用洗耳球吹去多余海藻酸钠粉末，如图1(a)所示；
33.步骤4，合成胶体探针，具体过程如下：
34.步骤4.1，打开原子力显微镜的控制器和配套软件，将用于胶体探针的悬臂固定在原子力显微镜的悬臂夹上；
35.步骤4.2，将步骤3准备的微孔板固定在实验平台上，随后将装有悬臂的悬臂夹固定在原子力显微镜的实验平台上；
36.步骤4.3，调整原子力显微镜的激光点，使激光点照射在悬臂的自由端，上下调节物镜的距离，使悬臂自由端清晰的呈现在原子力显微镜的光学显示界面中；
37.步骤4.4，向下调节原子力显微镜的光学焦点，在光学显示界面中找出微孔板，水平移动微孔板的位置，使微孔板上填充光敏胶的孔隙位于悬臂自由端正下方，如图1(b)所示；
38.步骤4.5，手动进针，调整悬臂和光敏胶的相对高度，同时实时观察两者的相对位置，使得悬臂自由端完全进入到微孔板的孔隙中，随后退针至安全高度，探针悬臂自由端底部形成胶体微球，如图1(c)所示；
39.步骤4.6，水平调节微孔板在实验平台上的位置，使微孔板上填充海藻酸钠粉末的孔隙位于探针悬臂自由端正下方，然后手动进针，调整悬臂和海藻酸钠粉末的相对高度，同时实时观察两者的相对位置，如图1(d)所示，使得悬臂自由端完全进入到微孔板填充海藻酸钠粉末的孔隙中，静置20s，使海藻酸钠粉末包裹胶体微球，随后退针至安全高度，如图1(e)所示，用紫外线固化灯照射探针悬臂自由端30s，待光敏胶完全固化后即获得海藻酸钠修饰的胶体探针，如图1(f)所示。
40.对实施例1制备的胶体探针进行微观组织观测，其显微结构如图2所示。
41.基于已修饰海藻酸钠的原子力显微镜胶体探针进行污染物-聚偏二氟乙烯膜的相
互作用力实验，其步骤如下：
42.将已修饰的探针固定在原子力显微镜的探针夹上，随后将聚偏二氟乙烯膜干燥后固定在样品台上，缓慢注入超纯水，选择接触模式进行测试，选取至少六个位置每个位置至少50条力曲线进行测试，实验误差小于等于10％，处理数据后即可得到力-距离曲线。
43.实施例2
44.制备一种原子力显微镜中胶体探针，参照图1，包括以下步骤：
45.步骤1，制备有机物粉末
46.在室温下，将3mg的腐殖酸颗粒加入到球磨机中，研磨12min，得到粒径为0.25μm的腐殖酸粉末，放入干燥皿中备用；
47.步骤2，微孔板预处理，将微孔板进行超声波清洗8min，去除表面残留物质，然后用氮气吹干后备用，微孔板左右两侧孔隙的孔径为4μm，孔深为2μm；
48.步骤3，制备样品，在超净间内，用针头缓慢吸取少量粘度为1000mpas的a331光敏胶，滴入步骤2预处理后的微孔板一侧孔隙中，均匀抹平，使光敏胶填满微孔板孔隙，然后将步骤1制备的腐殖酸粉末填充在微孔板另一侧孔隙中，均匀涂平，用洁净盖玻片放在微孔板填充腐殖酸粉末的孔隙顶部，压制1.2min后移开，压实腐殖酸粉末，最后用洗耳球吹去多余腐殖酸粉末；
49.步骤4，合成胶体探针，具体过程如下：
50.步骤4.1，打开原子力显微镜的控制器和配套软件，将用于胶体探针的悬臂固定在原子力显微镜的悬臂夹上；
51.步骤4.2，将步骤3准备的微孔板固定在实验平台上，随后将装有悬臂的悬臂夹固定在原子力显微镜的实验平台上；
52.步骤4.3，调整原子力显微镜的激光点，使激光点照射在悬臂的自由端，上下调节物镜的距离，使悬臂自由端清晰的呈现在原子力显微镜的光学显示界面中；
53.步骤4.4，向下调节原子力显微镜的光学焦点，在光学显示界面中找出微孔板，水平移动微孔板的位置，使微孔板上填充光敏胶的孔隙位于悬臂自由端正下方；
54.步骤4.5，手动进针，调整悬臂和光敏胶的相对高度，同时实时观察两者的相对位置，使得悬臂自由端完全进入到微孔板的孔隙中，随后退针至安全高度，探针悬臂自由端底部形成胶体微球；
55.步骤4.6，水平调节微孔板在实验平台上的位置，使微孔板上填充腐殖酸粉末的孔隙位于探针悬臂自由端正下方，然后手动进针，调整悬臂和腐殖酸粉末的相对高度，同时实时观察两者的相对位置，使得悬臂自由端完全进入到微孔板填充腐殖酸粉末的孔隙中，静置22s，使腐殖酸粉末包裹胶体微球，随后退针至安全高度，用紫外线固化灯照射探针悬臂自由端50s，待光敏胶完全固化后即获得腐殖酸修饰的胶体探针。
56.基于已修饰腐殖酸的原子力显微镜胶体探针进行污染物-聚偏二氟乙烯膜的相互作用力实验，其步骤如下：
57.将已修饰的探针固定在原子力显微镜的探针夹上，随后将聚偏二氟乙烯膜干燥后固定在样品台上，缓慢注入超纯水，选择接触模式进行测试，选取至少六个位置每个位置至少50条力曲线进行测试，实验误差小于等于10％，处理数据后即可得到力-距离曲线。
58.实施例3
59.制备一种原子力显微镜中胶体探针，参照图1，包括以下步骤：
60.步骤1，制备有机物粉末
61.在室温下，将4mg的牛血清蛋白颗粒加入到球磨机中，研磨15min，得到粒径为0.2μm的牛血清蛋白粉末，放入干燥皿中备用；
62.步骤2，微孔板预处理，将微孔板进行超声波清洗5min，去除表面残留物质，然后用氮气吹干后备用，微孔板左右两侧孔隙的孔径为3μm，孔深为2μm；
63.步骤3，制备样品，在超净间内，用针头缓慢吸取少量粘度为800mpas的a330光敏胶，滴入步骤2预处理后的微孔板一侧孔隙中，均匀抹平，使光敏胶填满微孔板孔隙，然后将步骤1制备的牛血清蛋白粉末填充在微孔板另一侧孔隙中，均匀涂平，用洁净盖玻片放在微孔板填充牛血清蛋白粉末的孔隙顶部，压制0.8min后移开，压实牛血清蛋白粉末，最后用洗耳球吹去多余牛血清蛋白粉末；
64.步骤4，合成胶体探针，具体过程如下：
65.步骤4.1，打开原子力显微镜的控制器和配套软件，将用于胶体探针的悬臂固定在原子力显微镜的悬臂夹上；
66.步骤4.2，将步骤3准备的微孔板固定在实验平台上，随后将装有悬臂的悬臂夹固定在原子力显微镜的实验平台上；
67.步骤4.3，调整原子力显微镜的激光点，使激光点照射在悬臂的自由端，上下调节物镜的距离，使悬臂自由端清晰的呈现在原子力显微镜的光学显示界面中；
68.步骤4.4，向下调节原子力显微镜的光学焦点，在光学显示界面中找出微孔板，水平移动微孔板的位置，使微孔板上填充光敏胶的孔隙位于悬臂自由端正下方；
69.步骤4.5，手动进针，调整悬臂和光敏胶的相对高度，同时实时观察两者的相对位置，使得悬臂自由端完全进入到微孔板的孔隙中，随后退针至安全高度，探针悬臂自由端底部形成胶体微球；
70.步骤4.6，水平调节微孔板在实验平台上的位置，使微孔板上填充牛血清蛋白粉末的孔隙位于探针悬臂自由端正下方，然后手动进针，调整悬臂和牛血清蛋白粉末的相对高度，同时实时观察两者的相对位置，使得悬臂自由端完全进入到微孔板填充牛血清蛋白粉末的孔隙中，静置20s，使牛血清蛋白粉末包裹胶体微球，随后退针至安全高度，用紫外线固化灯照射探针悬臂自由端60s，待光敏胶完全固化后即获得牛血清蛋白修饰的胶体探针。
71.基于已修饰牛血清蛋白的原子力显微镜胶体探针进行污染物-聚偏二氟乙烯膜的相互作用力实验，其步骤如下：
72.将已修饰的探针固定在原子力显微镜的探针夹上，随后将聚偏二氟乙烯膜干燥后固定在样品台上，缓慢注入超纯水，选择接触模式进行测试，选取至少六个位置每个位置至少50条力曲线进行测试，实验误差小于等于10％，处理数据后即可得到力-距离曲线。