使用掃描探針顯微鏡分析樣品表面的方法和用于該方法的掃描探針顯微鏡的制作方法
【專利說明】使用掃描探針顯微鏡分析樣品表面的方法和用于該方法的掃 描探針顯微鏡
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請要求2014年12月10日向韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請No. 10-2014-0177823的權(quán)益，其公開內(nèi)容通過提述完整并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本公開涉及使用掃描探針顯微鏡分析樣品表面的方法和用于該方法的掃描探針 顯微鏡。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 原子力顯微術(shù)(AFM)是在工業(yè)和研究領(lǐng)域廣泛使用以在超靈敏測量尖端的幫助下 掃描表面的方法。測量尖端位于微機(jī)械懸臂（cant i lever)的無支持端且對短程力（例如范 德華力（van der Waals force))起反應(yīng)。AFM方法經(jīng)常用于分子生物學(xué)、藥理學(xué)、材料科學(xué) 和納米技術(shù)領(lǐng)域。此外，在小型化的背景和在高度集成電路的使用中，AFM-方面在工業(yè)上 用于過程控制，且在另一方面用于研究起著越來越重要作用的新現(xiàn)象。由于其運(yùn)行原理，已 知的AFM方法不提供關(guān)于表面的化學(xué)或電子信息。
[0006] 因此，盡管存在相關(guān)技術(shù)，但仍需要新的AFM方法。
[0007] 發(fā)明概述
[0008] 一個方面提供使用掃描探針顯微鏡(scanning probe microscope)分析樣品表面 的方法。
[0009] 另一個方面提供掃描探針顯微鏡。
[0010] -個方面提供使用掃描探針顯微鏡分析樣品表面的方法，包括以下步驟:提供具 有表面的樣品；通過掃描器相對于所述樣品表面移動探針(probe)以允許該樣品表面和該 探針之間的相互作用；自偏轉(zhuǎn)傳感器(deflection sensor)測量該探針的偏轉(zhuǎn)距離；自偏轉(zhuǎn) 距離測定該探針和該表面之間的相互作用力；和比較測定的相互作用力和預(yù)確定的相互作 用力，其中所述掃描探針顯微鏡包含用于檢測關(guān)于所述樣品表面的信息的探針，用于相對 于所述樣品移動該探針以允許該探針掃描所述樣品表面的掃描器，和用于檢測該探針的偏 轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)傳感器，且該探針的一端連接于掃描器而其另一端是從掃描器延伸的細(xì)胞附著性 懸臂(cell-attached cantilever)，且所述偏轉(zhuǎn)傳感器包含放置以對該探針照射光的光源 和放置以檢測從該探針反射的光的位置敏感性光檢測器（position-sensitive photodetector)〇
[0011] 在該方法中，所述掃描探針顯微鏡包含用于檢測關(guān)于樣品表面的信息的探針，用 于相對于所述樣品移動該探針以允許該探針掃描所述樣品表面的掃描器，和用于檢測該探 針的偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)傳感器，其中該探針的一端連接于所述掃描器而其另一端是從所述掃描器 延伸的細(xì)胞附著性懸臂，且所述偏轉(zhuǎn)傳感器包含放置以對該探針照射光的光源和放置以檢 測從該探針反射的光的位置敏感性光檢測器。所述掃描探針顯微鏡可以是原子力顯微鏡 (atomic force microscope，AFM)〇
[0012]所述懸臂可以是具有彈性的物質(zhì)。懸臂可以具有0.001N/m至lN/m的彈簧常量。懸 臂可由娃或氮化娃(Si3N4)制備。懸臂可具有l(wèi)nm至lOOnm的厚度。懸臂可具有125μηι的長度。 懸臂可在典型AFM的探針的末端處沒有尖端，即其可具有無尖端末端(tipiess end)。懸臂 可根據(jù)由光源產(chǎn)生的光束排列（The cantilever may be arranged by a light beam produced by the light source)。
[0013] 偏轉(zhuǎn)傳感器可以是懸臂偏轉(zhuǎn)傳感器(cantilever deflection sensor)。在懸臂偏 轉(zhuǎn)傳感器中，光源可以是激光（laser)。位置敏感性光檢測器可以是分裂式光電二極管 (split photodiode)?？蓪膽冶郾巢糠瓷涞募す馐鴮?dǎo)向到檢測懸臂偏轉(zhuǎn)中的小變化的分 裂式光電二極管上。
[0014]掃描器可包含能夠?qū)⑻结樆驑悠繁砻嫦鄬Ρ舜艘苿拥墓ぞ?。掃描器可包含壓電?件(piezo-electric element)。該壓電元件可以是擴(kuò)大型元件（expansion element)。
[0015] 圖1是顯示掃描探針顯微鏡的例示性實施方案的圖。如圖1中顯示的，掃描探針顯 微鏡10可以具有一系列組件，其對應(yīng)于AFM的那些。將具有表面42的樣品放置并支持在基底 40上?；?0可以是光學(xué)透明或半透明的物質(zhì)，如玻璃或塑料。掃描探針顯微鏡10包含懸臂 12，其具有連接于懸臂體（cantilever body)22的一端16，懸臂體22連接于懸臂支持物 (cantilever support)24。懸臂支持物24繼而連接于擴(kuò)大型元件26,如壓電元件。開動該壓 電元件以擴(kuò)大或收縮以便沿z軸，例如垂直地移動懸臂支持物24或其他連接的組件。懸臂12 的另一端14附著有細(xì)胞，如此充當(dāng)探針。在掃描探針顯微鏡中，掃描器可包含懸臂體22、懸 臂支持物24、和擴(kuò)大型元件26。探針可包含懸臂12及其兩端14、16。
[0016] 在掃描探針顯微鏡的運(yùn)行期間，作為開動擴(kuò)大型元件26的結(jié)果，向下移動懸臂支 持物24。最終，使得懸臂的末端14接近樣品并與樣品的表面相互作用。當(dāng)排斥力或粘附力起 作用時，末端14以相對于水平面的特定角度α傾斜。懸臂的偏轉(zhuǎn)程度使用光源32和光檢測器 36檢測。光源32作為激光執(zhí)行，其發(fā)射光束34,使該光束聚焦于懸臂12的上表面上。光束34 向光檢測器36反射并以激光光斑（laser spot)沖擊光檢測器36。懸臂12的偏轉(zhuǎn)移動光檢測 器36上激光光斑的位置。光檢測器36可以連接于數(shù)據(jù)處理器54、存儲器52和顯示設(shè)備50。還 涵蓋用于檢測懸臂12的偏轉(zhuǎn)的其他機(jī)械裝置(mechanism)。例如，可以使用干擾檢測器元件 (interference-detector element)檢測懸臂12的彎曲，所述干擾檢測器元件檢測反射的 光束和原始光束之間的干擾程度。再舉一例，可將壓阻元件(piezo-resistive element)或 壓電元件納入懸臂12內(nèi)或連接于懸臂12以檢測懸臂12的彎曲程度。
[0017] 如圖1中例示的，掃描探針顯微鏡10可以包含控制器和數(shù)據(jù)處理器54,其連接于掃 描探針顯微鏡10的多個組件且用來指導(dǎo)那些組件的運(yùn)行?？刂破骱蛿?shù)據(jù)處理器54連接于顯 示設(shè)備50,其為掃描探針顯微鏡10的用戶產(chǎn)生視覺指示。控制器和數(shù)據(jù)處理器54還可以連 接于存儲器44,其存儲計算機(jī)代碼或可執(zhí)行指令，用于實施多種數(shù)據(jù)檢索和操作運(yùn)行。存儲 器44還可以存儲與樣品的失敗或通過基礎(chǔ)有關(guān)的數(shù)據(jù)。
[0018] 圖2是懸臂偏轉(zhuǎn)傳感器的放大圖。如圖2中例示的，懸臂偏轉(zhuǎn)傳感器包括光源32和 光檢測器36。使從光源32發(fā)射的光束聚焦于懸臂14的末端，其被懸臂14的末端和樣品表面 之間的相互作用偏轉(zhuǎn)。該偏轉(zhuǎn)通過光檢測器上的激光光斑A或B檢測。激光光斑的差異或總 和代表懸臂的偏轉(zhuǎn)程度。
[0019] 在所述方法中，細(xì)胞可通過靜電結(jié)合固定化在探針的表面上，該探針用陽離子聚 電解質(zhì)例如聚（二稀丙基二甲基氯化銨）（poly(diallyldimethylammonium chloride)) (polyDADMAC)包被。細(xì)胞可以是細(xì)菌或哺乳動物細(xì)胞。細(xì)菌可以是革蘭氏陽性或革蘭氏陰 性的。細(xì)菌可以是例如大腸桿菌（E . c ο 1 i )、沙門氏菌（s a 1 mon e 11 a )或假單胞菌 (pseudomonas)。細(xì)胞可以以活細(xì)胞或生理學(xué)活性細(xì)胞固定化在探針上。
[0020] 在所述方法中，掃描探針顯微鏡包含檢測關(guān)于彼此不同的樣品表面的信息的多個 探針和檢測多個探針中每個的偏轉(zhuǎn)的一組偏轉(zhuǎn)傳感器，且上述步驟可以對于樣品表面上的 多個位置同時進(jìn)行。將多個可以彼此不同的探針固定在掃描器的同一基底的表面上，如此 允許同時從樣品表面的不同位置移動。在該情況下，對樣品表面的分析可以是具有時效性 的（time-efficient)。偏轉(zhuǎn)傳感器可以包含一個或多個光源，其可以布置為或調(diào)整以布置 為將光照射到懸臂14上。光源的數(shù)目可以是復(fù)數(shù)個，例如2個或更多、3個或更多或4個或更 多。
[0021] 在所述方法中，掃描探針顯微鏡中的多個探針可以預(yù)確定間隔排列在基底上。樣 品表面可通過以預(yù)確定間隔排列各個探針而統(tǒng)一分析。
[0022] 所述方法包括提供具有表面的樣品的步驟。樣品包括任意物質(zhì)，只要其具有表面。 樣品