项目名称：基于扫描探针技术的纳米表征新方法研
究
首席科学家：白雪冬中国科学院物理研究所起止年限：2012.1至2016.8
依托部门：中国科学院
一、关键科学问题及研究内容
本项目发展和利用扫描探针技术，研制高时空分辨、原位动态的纳米表征仪器，建立纳米表征的新原理和新方法；并利用开发的纳米表征技术，研究前沿科学问题。拟解决的关键表征技术、科学问题和主要研究内容有：
1、发展原子尺度表面电子态表征技术
1）发展AFM 的qPlus 技术，解决qPlus 技术发展中遇到的问题，包括（1）降低qPlus 实验中电流和力信号间的串扰问题；（2）低噪声qPlus 信号的测量；和（3）qPlus 传感器的实验参数标定问题等。运用qPlus 技术实现短程化学的测量，表征表面电荷分布和电子结构特征，定量化研究表面吸附原子分子与AFM 针尖间的物理和化学作用力特征，实现对表面吸附原子分子与基底间电荷转移、以及原子分子吸附物在表面扩散能垒的测量，揭示电荷传输与转移的动力学机制。
2）开发动态谐振调频/调相AFM 技术，实现二次谐波成像，获得AFM 原子像，并利用它进行多体系的纳米力学测量；发展导电AFM 技术，测量表面/
界面局域电输运性质。
2、发展空间分辨表面激发态动力学过程表征技术
发展超低温超快激光耦合STM 技术，结合超快激光的时间分辨与STM 的空间分辨，实现时间和空间上的高分辨探测和操纵手段；研究单个纳米结构受激充放电过程及由此引起的吸附构型和形貌的变化；在皮秒-纳秒时间尺度上探测激发态时间响应过程，研究纳米体系光激发及相关动力学过程。
3、研发单个纳米结构单元性质-结构对应关系表征技术
开发高分辨透射电镜中扫描探针技术，研制透射电镜原位光电测试系统，实现原位微区光学测量（包括阴极发光、电致发光和光致发光）、电学测量、光电转换性质测量和探针操纵功能；研制光-机-电一体化扫描探针，提高信号的收集效率，增加检测信号的强度，在原子结构分辨的条件下实现纳米材料的多物性测量；表征界面离子传输、界面电化学和光电化学的微观过程。
4、发展纳米尺度物性与多场耦合性质测量技术
在纳尺度光电高分辨测量方面，研制低温扫描近场光学显微镜与高分辨光电
流谱的联合系统。一要突破光的衍射极限，二要提高对微弱信号的检测能力。对于利用有孔径探针的SNOM，提高光的透射率和提高探针系统的稳定性。对于无孔径金属探针而言，关键问题是金属探针的表面等离子体共振增强机理、增强型金属探针的设计、以及探针与激发光和探针定位下的纳米结构的相互作用；在纳尺度热、电、声测量方面，建立纳米尺度热学-声学原位定量表征技术，开展纳米材料亚表面结构显微成像及微区弹性、热学特性的高分辨率声学、热学显微成像，研究近场声学、热学显微成像机制，原位实时评价电场、温场等外场下纳米材料电子态所诱导的载流子输运行为，揭示微结构动态演化机制及其相互作用的影响规律，阐明纳米尺度结构变异与纳米尺度功能响应之间的本质关联；在纳米尺度磁、电、力、光耦合性质测量方面，设计制作一套可同时施加磁场、电场、应力、光的变温测量探针台，实现多铁纳米材料光、机、电、磁、应力、温度等多场耦合性质的测量。
5、探索纳米表征的新原理和新方法
结合量子力学和经典理论计算，系统研究纳米材料和纳米结构的表面效应、界面效应、尺寸效应和量子效应等引起的性质、现象和过程，探索适合纳米材料物性测量新原理和新方法。
二、预期目标
本项目的总体目标是，从纳米材料最基本的电子结构和电子态激发态动力学过程的探测数据出发，综合分析原位外场下高时空分辨的性质、现象和过程的表征结果，建立纳米表征原理和方法模型，并自主研发相应的高分辨表征测量技术和仪器设备，做出重要的原始创新性成果，取得有国际影响的重大突破，提升我国在高精尖纳米分析测试仪器设备制造方面的能力和水平，并提升我国自主创新和自主开发核心技术的能力，为我国纳米科技的发展提供可持续的技术支持。同时，希望通过组织这一项目，凝聚在扫描探针技术和纳米研究领域的重要研究力量和技术储备，达成优势互补，互通有无。锻炼出一支高水平且有国际竞争力的研究队伍，培养优秀的且具有国际水准的学术带头人，并培养优秀的研究生和博士后，充实我国纳米科技的研究队伍和纳米科技产业化的专业队伍。
五年预期目标如下：
1、发展先进的纳米表征技术
1）先进原子力显微镜技术
完成动态谐振调相模式AFM 的设计制作，实现多次谐波成像，获得原子分辨像，测量纳尺度下的各种短程力和长程力；发展并运用qPlus 技术，在原子尺度表征表面结构和电子态，测量短程化学力和分子力；发展导电AFM，测量表面/界面局域电输运性质。
2）超快激光耦合扫描隧道显微镜技术
实现具有空间分辨的超快动力学表征技术，通过耦合低温超高真空STM，实现皮秒-纳秒时间分辨、原子级空间分辨、及电子态能量分辨等多维度综合测控技术；实现对纳米系统的电子激发态（涉及单粒子激发态和集体激发态）和动力学过程的时间和空间上的探测与分析，在一些简单原位可以制作的体系上获得基本物理过程的理解。
3）高分辨透射电镜中的扫描探针技术
研制完成高分辨透射电镜与扫描探针光电测试联合系统，实现原子结构与性质一一对应的原位表征，表征结构包括表/界面和体结构，测量功能包括单个纳
米结构单元的电学性质、光学性质和光、电相互转换特性等；开发光机电一体化扫描探针，实现微区操纵和纳尺度光、机、电耦合性质的测量；利用原位外场条件，在原子水平观察界面离子交换和界面电化学、光电化学的微观动态过程。
4）纳尺度物性与多场耦合性质的探针测量技术
发展低温扫描近场光学显微镜及其与光电测试联合系统。寻找提高近场光学成像的分辨率和增加其稳定性的新原理和新方法，利用低温扫描近场光学显微镜测量半导体纳米结构的近场形貌与近场发光特性和金属表面等离激元光学器件的光学特性，探测受限体系中电子输运行为及量子特性；发展和建立基于SPM 的纳尺度弹性与热学特性原位定量表征技术，研究外场下纳米材料电子态诱导的载流子输运行为与微结构演化机制；设计制作可以原位施加磁场、电场、光、应力的变温探针台，原位研究多铁材料纳米结构磁场、电场、光、应力、温度等多场耦合与调控性质。
2、研制六种先进的纳米表征仪器，技术指标分别如下：
1）调频/调相模式原子力显微镜：
结构分辨率：实现二次谐波信号成像，获得Si(111)-7X7 原子像；
力分辨率：～pN。
2）超快激光耦合扫描隧道显微镜：
时间分辨范围：200 fs 至1 ns；
原子级空间分辨：<1?；
温度：15 K；
超高真空：10-10 Torr。
3）透射电镜与扫描探针光电测试联合系统
空间分辨：0.2 nm;
探针移动精度：<1 nm;
光谱检测波长范围：紫外到中红外；
光信号检测强度：检测到单根纳米线发光；
动态观察分辨率：可观察到电场下离子的迁移过程。
4）低温扫描近场光学显微镜光电测试系统
光学分辨率：< 50 nm;
光学照射面积: < 100 nm;
光电流信号: < 0.1 nA;
低温：< 7 K。
5）纳米热学-声学扫描探针显微镜
分辨率：
声学分辨率：10 nm；
热学分辨率：50 nm；
工作参数：
声学调制频率：2 kHz-100 kHz；
热学探针激励电流：2 mA-100 mA；
热学探针激励频率：100 Hz-10 kHz；
样品外场工作范围：
外加电场：150 V 可控脉冲电源及直流偏臵电源；
外加温度：室温 -- 50 o C。
6）磁、电、力多功能纳米物性测量探针台
磁场施加方向：0-360度方向旋转；
温度范围：10-500 K。
3、预期的成果产出
本项目将发挥各个课题组的特色和优势，重点在上述先进仪器的研发和应用方面取得研究成果，预期开发 4 种尚无商业化的仪器，每一种仪器的研发都是纳米表征技术研究领域的突破。该项目研究在国际上具有竞争力，开展本项目研究对提高我国基础研究的原始创新和未来纳米研究的可持续发展具有重要的意义。本项目还将获得一系列具有自主知识产权、有重要应用价值的纳米表征新技术和新方法，将申请发明专利30 项左右。计划培养博士研究生50 名左右，在项目骨干成员中培养3 名左右国家杰出青年基金获得者，发表影响因子>6 的论文20 篇以上，其它文章80 篇以上。本项目也将积极参与国家实验室和创新基地建设。
三、研究方案
本项目研究的学术思路是，发展利用扫描探针技术，从表面电子态及其激发动力学过程的探测到单个纳米单元原子结构-性质的表征，再到纳尺度物性与多场耦合性质测量这样三个不同层面上开展表征技术研究，即电子结构→原子结构→纳米结构三个层面，它们在尺度上依次递进放大，前者为后者提供物理基础和设计指导，后者在建立模型时向前者提出探测要求，每个层面又各有自己的技术要求和关注的问题。各个层面在探针技术上相互合作，在科学问题上相互提供数据支持。通过高时空分辨和多尺度、多维度的综合表征结果，结合量子力学和经典理论分析，系统研究表面效应、界面效应、尺寸效应和量子效应等，探究纳米尺度的物性测量原理、方法及其适用判据，开发国际上尚无商业化的仪器。总体研究思路和技术途径如下图所示：
总体研究思路和技术途径示意图
本项目具体的技术方案是：
1、发展先进原子力显微镜技术
研发石英音叉的动态AFM，具有多种成像模式，如振幅、位相虚部、位相实部、间距等成像模式。利用Δf(z)谱研究原子分子与针尖化学键力，识别表面
元素的化学特征，测量基底表面不同点位与针尖力相互作用的空间分布。发展导电针尖AFM，测量表面局域接触电势差，研究局域电学性质。
2、研发超快激光耦合扫描隧道显微镜技术
在超快时间分辨光耦合STM 的技术方案中，我们将STM 的原子级空间分辨与超快激光的飞秒级时间分辨两个尖端的实验手段有机地结合起来，同时也是光学调控手段和电学调控手段的有机结合，在国际上都属于最新尝试。为获得高度稳定性，除了设计最佳的地面机械减振系统外，在STM 设计上采用在振动稳定性方面性能优异的Besocke 设计。这种设计的优点表现在压电陶瓷管的对称分布上，这样可以尽量减少温差引起的漂移。而且，这种开放式扫描探头的设计可兼容多种光收集方案。为减少震动耦合，激光器系统与STM超高真空腔将处于不同的减震平台。利用超快激光泵浦-探测技术，调制脉冲对延时，探测遂穿电流或者荧光光谱的变化。通过该变化曲线，可以在皮秒甚至亚皮秒级精度得到激发态的寿命。对于其他一些激发态过程，如电荷转移等，相应的时间常数可能达纳秒量级。为提高测量信号灵敏度，实验中将使用锁相放大技术，通过延时信号与探测信号的关联测量提高信噪比。
3、研制原位透射电镜扫描探针光电测试系统
研制仪器的系统主要由透射电镜样品台及其内置的光学测量、光电测量和探针驱动四部分组成。
4、发展低温扫描近场光学显微镜与高分辨光电测试系统
扫描近场光学显微镜设计在超高真空和液氦杜瓦中，制作连接样品的电极装臵，可检测电流和加电压。光通过光纤针尖以100 纳米区域照射扫描样品，此装臵可获得样品的光电流变化。探头既可是光纤针尖，又可以是ITO 导电针尖，同时可获得发光样品的电子态和光信号。
5、发展高分辨扫描探针热电显微镜技术
建立了基于SPM 的高分辨率三倍频双探针扫描热电显微术，实现热电材料微区热导的定性评价和原位定量测量，研究高性能能源转换材料中有关与热物理特性密切相关的载流子输运等关键科学问题。
6、设计制作磁电力多功能探针台
可以原位施加磁场（磁场可以360度转角）、电场、光、应力的可变温探针
台（温度范围10-500K），原位研究磁场、电场、光、应力、温度对纳米材料磁性和电性的调控。
与国内外同类研究相比，本项目的创新点是，将扫描探针技术的优势应用于纳米表征研究中，在原子级空间分辨、飞秒级时间分辨水平探测表面电子态和激发态动力学过程，在单个纳米结构单元的层次表征原子结构与性质的一一对应关系，实现原位多尺度多维度的动态表征，开发几种国际上尚无商业化的仪器，在国内外同类研究中处于先进水平。本项目组很多成员在扫描探针技术上有特长，如qPlus 技术、光耦合超快STM 技术、低温STM 高分辨能谱技术、原位TEM 技术、SNOM 技术、扫描探针压电-热学-声学显微技术等等。所有成员均是国内纳米研究的中青年骨干力量。
综上所述，本项目建立在项目组前期研究的坚实基础与创新性成果之上，项目组成员在扫描探针技术和纳米研究中做出过开创性研究工作。本项目跨学科研究队伍比较集中，对国内外扫描探针技术研究动态与现状有清楚的了解和深入的认识，成员之间已形成了很好的默契和相互合作。有些骨干成员之间已经合作发表了有国际影响的论文或合作申请发明专利，非常有利于本项目的管理和组织。因此，本项目基于扫描探针技术发展纳米表征新方法研究是先进可行的，如能得到资助，项目将会顺利实施，能够取得一系列出色的创新性成果，以该项目为起点平台，在我国打造一支纳米表征技术研究的稳定队伍。
课题设置
课题一：先进原子力显微镜技术与应用研究
预期目标：
本课题将研制一台仪器：动态谐振调频/调相模式原子力显微镜。申请6 项以上专利，在影响因子大于6 的学术刊物上发表5 篇以上论文，其它论文20 篇以上，力争在1～2 个重大科学问题研究上取得创新性成果。
主要研究内容：
1、发展AFM 的qPlus 技术，在原子尺度测量表面电子态，实现高分辨力/电相关的测量技术。包括：1）降低qPlus 实验中电流和力信号间的串扰问题；2）低噪声qPlus 信号的测量问题；3）qPlus 传感器的实验参数标定问题等。
2、应用qPlus 技术测量纳尺度下表面原子/分子与针尖间化学键作用力、表面电荷分布和局域功函数等。
3、研制动态谐振调频/调相AFM：设计具有石英音叉、Al2O3 和导电针尖的AFM 结构，开发动态谐振调相AFM 技术，实现二次谐波成像，获得AFM 原子像，并利用它进行多体系的纳米力学测量。
4、发展导电AFM 技术，测量表面/界面局域电输运性质。
经费比例： 24%
承担单位：国家纳米科学中心、中国科学院物理研究所
课题负责人：裘晓辉
学术骨干：邓珂、郭延军、梁学锦、王晶
课题二：超快激光耦合扫描隧道显微镜技术与应用研究
预期目标：
本课题将研发一台仪器：超快激光耦合扫描隧道显微镜系统。申请6 项以上专利，在影响因子大于6 的学术刊物上发表5 篇以上论文，其它论文20 篇以上，力争在1～2 个重大科学问题研究上取得创新性成果。
主要研究内容：
1、发展超快激光耦合STM 技术
研发超高真空低温光耦合STM 系统，完善低温和超高真空设计，优化信号采集和数据处理，完善纳米结构激发态超快时间分辨技术。研究超快脉冲激光对纳米体系隧穿电流激发过程的影响。
2、纳米体系光激发及相关动力学过程研究
1）利用超快激光激发单个纳米体系，研究激光脉冲对纳米结构表面扩散、吸附构型及形貌变化、表面化学键重构等的影响。在皮秒-纳秒时间尺度上探测激发态时间响应动力学过程。研究单个纳米结构受激充放电过程及由此引起的吸附构型和形貌的变化，以及诱导的荧光光谱等。
2）研究NiAl，Cu 或者Au 等金属衬底上制备超薄的氧化物和氯化物绝缘层的生长技术和条件优化，及纳米结构的可控生长方法。超薄绝缘层可以调制纳米结构与金属衬底间的耦合，同时还能保证电子能够遂穿。拟研究的纳米结构包括金属
纳米颗粒（Au，Ag 等）、半导体纳米颗粒（如TiO2 等）、及卟啉类光敏分子。经费比例： 24%
承担单位：中国科学院物理研究所
课题负责人：陆兴华
学术骨干：郭阳、单欣岩、纪爱玲、江南
课题三：透射电镜中的扫描探针技术与应用研究
预期目标：
本课题将研制一台仪器：原位透射电镜扫描探针纳米表征系统。申请6 项以上专利，在影响因子大于6 的学术刊物上发表5 篇以上论文，其它论文20 篇以上，力争在1～2 个重大科学问题研究上取得创新性成果。
主要研究内容：
1、透射电镜内置三维扫描电学探针的设计制作。三维扫描探针驱动功能由两部分构造实现，一部分是压电陶瓷片驱动，实现在纵向方向的移动；另一部分是由压电陶瓷管驱动，利用振动模式驱动针尖在两个横向方向的移动，利用压电陶瓷管的弯曲和伸缩实现三维方向的细调。
2、透射电镜内置三维扫描光学探针的设计制作。为提高光纤对透射电镜样品收集信号的效率，增加光纤接受光的立体角或光纤透镜；同时，制作光纤探针代替原有的扫描探针，使光纤直接与样品接触，从而提高收集信号的效率。
3、应用研发的仪器，测量纳米材料界面电学和光学性质，原位表征界面高分辨结构，实现界面光电性质与结构的一一对应，在原子尺度揭示界面光电性质的机理。研究界面光电耦合性质，揭示纳米结构光、电转换特性和光电调控的机理。
4、应用研发的仪器，开展氧离子传输过程的原位直接观察及其对相关物理和化学性质重要影响的研究；研究氧化物界面氧离子和电子的混合传输特性，探索新型器件的原理基础。
经费比例： 28%
承担单位：中国科学院物理研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、武汉理工大学
课题负责人：白雪冬
学术骨干：许智、麦立强、曹鸿涛、汪爱英
课题四：纳尺度物性与多场耦合性质的探针测量技术研究
预期目标：
本课题将研发两台仪器：低温扫描近场光学显微镜和纳米热学-声学扫描探
针显微镜。申请6 项以上专利，在影响因子大于6 的学术刊物上发表5 篇以上论文，其它论文20 篇以上，力争在1～2 个重大科学问题研究上取得创新性成果。主要研究内容：
1、发展低温扫描探针近场光学显微镜技术
完善液氦温区的近场光学显微镜系统，主要包括：a) 制备高分辨、高通光量的光纤探针及金属化，提高系统的响应能力；b) 完善近场荧光系统，光的激发、接收、微弱信号的检测、数字图像处理；c) 建立非线性光学信号(二次谐波或高次谐波)检测系统；d)解决在较长时间内对微弱信号成像过程中图像的漂移问题。
2、高分辨纳米热学-声学扫描探针显微术的开发
建立纳米尺度热学-声学原位定量表征技术，开展纳米材料亚表面结构显微成像及微区弹性、热学特性的高分辨率声学、热学显微成像，研究近场声学、热学显微成像机制，原位实时评价电场、温场等外场下纳米材料电子态所诱导的载流子输运行为，揭示微结构动态演化机制及其相互作用的影响规律，阐明纳米尺度结构变异与纳米尺度功能响应之间的本质关联。
3、纳尺度磁、电、力多场耦合性质的测量技术研究
设计制作可以施加磁场、电场、光、应力的变温探针台，原位研究多铁材料纳米结构磁场、电场、光、应力、温度等多场耦合与调控性质。以多铁材料作为研究实例，研究纳米尺度下铁磁-铁电-铁弹的耦合特性。
经费比例： 24%
承担单位：北京大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所
课题负责人：林峰
学术骨干：曾华荣、万青、李润伟、陈斌
课题间关系
围绕项目的总体目标，发展基于扫描探针技术的几个关键技术，从表面电子态及其激发动力学过程的探测到单个纳米功能单元性质-结构关系表征，再到纳米尺度物性与多场耦合性质测量这样三个不同层面上开展表征技术研究。通过综合的高时空分辨和多尺度、多自由度的表征结果，结合理论分析，建立适合纳米尺度材料表征的新技术、新方法及其适用判据，开发国际上尚无商业化的仪器。按上述思路，设臵以下四个课题：（1）先进原子力显微镜技术与应用研究；（2）超快激光耦合扫描隧道显微镜技术与应用研究；（3）透射电镜中的扫描探针技术与应用研究；（4）纳尺度物性与多场耦合性质的探针测量技术研究。
四个课题形成从电子结构→原子结构→纳米结构三个层面开展表征技术研究这样一条主线，前者为后者提供物理基础和设计指导，后者在建立模型时向前者提出探测要求，每个层面又各有自己的技术要求和关注的问题。各个层面在探针技术上相互合作，在科学问题上相互提供数据支持。基于三个层面的表征结果，实现高时空分辨和多场条件下的性质、现象和过程的综合表征。课题三在界面和体结构分辨的环境下开展单个纳米结构的物性测量研究，可起到联系前后课题的桥梁纽带作用。
四个课题间关系密切，彼此相互补充，相互支持，形成一个多尺度、多维度、高时空分辨表征技术研究的有机整体，用图示概括如下：
四个课题间的关系简图
四、年度计划
SPM 6
6.2. 表面态 表面态就是表面局部的电子能级。如前所述，表面上附着电荷是一个普遍现象，也就是说表面上存在着使电子局限于表面的量子态，因为只有这样才能容纳来自内部的电子或将电子转移到内部去，从而使表面带电荷。表面态中电子数目增减造成表面附着电荷的变化。
1. 表面态的种类 (1) 本征态 量子力学证明一个固体，在其表面因为体相周期性被破坏，会导致表面局部能级的出现，它们可以分为两类，即Shockley态和Tamm态。Schockley态指，主要对共价物质，表面原子上的某些电子，它们所在的轨道指向表面外不与相邻轨道重叠，即所谓悬空键。因而这些电子占据和体相不同的能级。Tamm态则涉及到表面原子具有和体相原子不同的电子亲合力，因而在这些表面原子上的电子将占据与体相不同的能态。 (2) 其他表面态 更普遍的情况下，局部的表面态能级是由于在表面上有杂质或吸附物。气体分子或原子被表面吸附，可以以正离子、负离子或中性分子或原子的状态存在, 这取决于它和固体的电子交换。这种可以与固体能带进行电子交换的吸附物能级也是一种表面量子态。
2. 表面态能级 从理论上看，表面能级在能量上可以集中为一个或几个能量值，也可以形成一个连续的分布。以吸附原子为例，如果它们都是同一种原子而且在表面上是分散开的，互不影响，那它们对应于一个表面能级。然而如果它们彼此接近，电子可以由一个吸附原子到另一个，那么，表面能态并不局限于一个原子而是对应于电子运动于各原子之间的状态，这样表面态为一个连续的能级分布。
Figure1.Simplified one-dimensional model of a periodic crystal potential terminating at an ideal surface.At the surface,the model potential jumps abruptly to the vacuum level(solid line). The dashed line represents a more realistic picture,where the potential reaches the vacuum level over some distance.Figure2.Real part of the type of solution to the one-dimensional Schr?dinger equation,which correspond to the bulk states.These states have Bloch character in the bulk,while decaying exponentially into the vacuum.Figure3.Real part of the type of solution to the one-dimensional Schr?dinger equation,which correspond to surface states.These states decay into both the vacuum and the bulk crystal and thus represent states localized at the crystal surface.
纳米材料的表征及其催化效果评价方式纳米材料的表征主要目的是确定纳米材料的一些物理化学特性如形貌、尺寸、粒径、等电点、化学组成、晶型结构、禁带宽度和吸光特性等。 纳米材料催化效果评价方式主要是在光照（紫外、可见光、红外光或者太阳光）条件下纳米材料对一些污染物质（甲基橙、罗丹明B、亚甲基蓝和Cr6+等）的降解或者对一些物质的转化（用于选择性的合成过程）。评价指标为污染物质的去除效率、物质的转化效率以及反应的一级动力学常数k的大小。
1 、结构表征 XRD，ED，FT-IR, Raman，DLS 2 、成份分析 AAS，ICP-AES，XPS，EDS 3 、形貌表征 TEM，SEM，AFM 4 、性质表征-光、电、磁、热、力等 … UV-Vis，PL，Photocurrent
1. TEM TEM为透射电子显微镜，分辨率为～，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于微米、光学显微镜下无法看清的结构。TEM是一种对纳米材料形貌、粒径和尺寸进行表征的常规仪器，一般纳米材料的文献中都会用到。 The morphologies of the samples were studied by a Shimadzu SSX-550 field-emission scanning electron microscopy (SEM) system, and a JEOL JEM-2010 transmission electron microscopy (TEM)[1]. 一般情况下，TEM还会装配High-Resolution TEM（高分辨率透射电子显微镜）、EDX（能量弥散X射线谱）和SAED（选区电子衍射）。High-Resolution TEM用于观察纳米材料的晶面参数，推断出纳米材料的晶型；EDX一般用于分析样品里面含有的元素，以及元素所占的比率；SAED用于实现晶体样品的形貌特征与晶体学性质的原位分析。
2003年1月第5卷第1期 中国工程科学Engineering Science Jan.2003Vol 15No 11 院士论坛 [收稿日期] 2002-07-18;修回日期 2002-07-29 [作者简介] 姚骏恩(1932-),男,上海市人,中国工程院院士,中国科学院北京科学仪器研制中心研究员 纳米测量仪器和纳米加工技术 姚骏恩 (中国科学院北京科学仪器研制中心,北京 100080) [摘要] 纳米科技是当今国际上的一个热点。文章对纳米科技作了简要介绍,纳米测量和加工是纳米科技中 的一个不可缺少的重要组成部分。叙述了发展纳米测量和纳米加工技术的两个主要途径:一是发展传统技术,主要是电子显微术以及最近发展起来的聚焦离子束(FIB )-电子束数控加工中心;二是创造新的测量仪器,建立新原理和新方法,介绍了国内外电子显微镜和扫描探针显微镜这两类纳米测量分析仪器的发展、应用和生产现状。指出我国电子显微仪器和扫描探针显微镜的开发和生产面临困境,应尽快建立和加强自己的电子显微仪器和扫描探针显微镜等纳米测量和纳米加工设备制造产业,并列入国家科技发展规划。 [关键词] 纳米科技;纳米测量;电子显微镜;扫描探针显微镜;聚焦离子束-电子束装置;仪器生产[中图分类号]TN16;TN405;T B838 [文献标识码]A [文章编号]1009-1742(2003)01-0033-05 1 纳米科技是当今国际上的一个热点 纳米科技是20世纪80年代发展起来的一门新 兴科学技术。一个纳米是十亿分之一米,已接近原子尺度(012～013nm )。纳米科技涉及的尺度通常是100nm 以下,直到原子尺寸。在这种尺度上对物质和材料进行研究和处理的科学技术称为纳米科技。纳米科技实质上就是一种从原子、分子开始制造材料和产品的科学技术;也可以说是在1～100nm 范围内认识和改造自然的科学技术,是一个交叉综合学科,是一个前沿基础学科和高技术融为一体的完整体系。钱学森早在1991年就指出,纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的一个重点,会是一次技术革命,从而将是21世纪又一次产业革命。目前所有的发达国家都对纳米科技的研究、开发投入大量人力物力,试图抢占这一21世纪战略制高点,它可给包括生物技术在内的几乎所有工业领域带来一场革命性变化。 2 当今高技术的核心乃是半导体芯片 技术 当今高技术的核心乃是半导体芯片技术,发展的关键是进一步微型化。元件的尺寸由毫米到微米仍可用传统的科学和技术;从微米到纳米功能元件,尺寸缩小到纳米级,即由有限个原子构成基本功能元件,再由这类新元件组成更复杂的器件,表征这种纳米功能元件的参量具有显著的量子效应和统计涨落特性,就必须发展新理论、新技术和新材料。于是纳米电子学就应运而生。芯片的集成度以每18个月硅片上功能元件数增加1倍的速度增加。元件的尺寸越小,芯片的功能越强。商用芯片的线宽在2001年达到0113～0110μm ,现已开始0110μm 的竞争,估计2004年大部分半导体制造企业都会采用0110μm 以下的制造工艺[1]。 3 21世纪将是生命科学的世纪 现今生命科学已经从描述性、实验性科学向定量科学过渡,研究的焦点是生物大分子,尤其是蛋
这是很多人比较关心的问题。纳米探针由信号组件与亲和组件构成，前者指分子或纳米粒子等成像对比剂或标记物，后者指配体或抗体等特异性分子，使其与成像靶点特异性结合，利用高成像技术获得分子信息，纳米探针结合治疗还可以实现靶向治疗一体化。先丰纳米作为专业的生物纳米探针构建厂家，下面就简单的介绍生物纳米探针构建服务。 一、纳米探针组成 纳米颗粒（信号组件）+分子探针（识别组件） 二、用于构建纳米探针的材料如下： 1.磁性纳米颗粒作为磁共振造影剂 2.半导体量子点作为光学造影剂 3.金纳米颗粒作为CT造影剂/拉曼探针/光声探针 4.微气泡作为超声造影剂等 三、案例： 1. 纳米颗粒表面修饰DNA探针的制备与表征。 2.金纳米笼的多模态靶向分子探针的制备与表征。 3.PEG化磁性纳米颗粒的诊疗一体化分子探针的制备与表征。 4.蛋白载体的多模态分子探针制备及肿瘤靶向成像研究。
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【摘要】由于金纳米粒子（AuNPs）具有与大小、形状和聚集程度相关的物理和化学特性，被广泛应用于各种生物分析和生物医学检测技术中，并发展成具有高选择性、高灵敏度的生物分析检测手段。以AuNPs为探针的分析方法通常具有简单、快速、灵敏度高的优点，并能应用于实际样品检测. 【关键词】金纳米粒子；探针；合成与修饰； 1 引言 纳米技术与化学、生物学、物理学和医学等领域的结合，对分析科学和生命科学领域的超灵敏检测和成像方法的发展起着越来越重要的 作用。由于AuNPs具有独特的光学性质（表面等离子体吸收和共振光散射）、易进行表面修饰以及良好的生物相容性（通常认为裸AuNPs 是无生物毒性的，而修饰后的AuNPs的生物毒性由其配体决定），因此功能化AuNPs的应用领域不断被拓宽，特别是其在生物分析和生物医药等领域的应用引起了人们广泛关注[2，3]。本文综述了生物分子修饰的AuNPs探针的合成及其在检测金属离子、小分子、DNA、蛋白质和细胞内分析等方面的新进展，以若干应用实例突显一些技术突破及发展趋势。 2 金纳米粒子的合成、稳定性和功能化 2.1 金纳米粒子的合成方法 金纳米粒子的制备方法可分为化学法和物理法。化学法是以金的化合物为原料，在还原反应生成金纳米粒子时控制粒子的生长，使其维持纳米尺度。化学合成法包括氧化还原法、电化学法、晶种法、模板法、
微乳液法、微波合成法和光化学法等，其中最具代表性并被广泛应用的有：（1）Turkevich-Frens法，即在100 ℃下，通过改变还原剂（柠檬酸钠）和三价金的化合物（氯金酸或氯金酸钠）的比例来控制AuNPs 粒径的大小，从而获得粒径在10~60 nm范围内且分散性较好的AuNPs。该方法制备程序简单，且包裹在AuNPs表面的柠檬酸根容易被其它配体置换（如巯基修饰的DNA等）；（2）Brust-Schiffrin 法，即在两相（液/液）体系或单相体系中，以四正辛基溴化铵（TOAB）为相转移剂，将三价金的化合物（氯金酸或氯金酸钠）转移到有机相中，以烷基硫醇为稳定剂，NaBH4为还原剂，制备粒径为1~8 nm的AuNPs；硫醇/金盐的比例越大、加入还原剂速度越快，冷却溶液可以制得尺寸更小和单分散性更好的粒子，进一步通过配体交换反应改变AuNPs表面的配体而实现其功能化；（3）聚合物保护法：通常以含有聚乙二醇、硫醇或硫醚基团的聚合物为配体，以NaBH4为还原剂，制备水溶性或具有疏水性的粒径小于10 nm的AuNPs。聚合物稳定剂决定纳米粒子的溶解性；例如，采用硫醚或硫醇修饰的聚合物配体（烷基硫醚终端修饰的聚甲基丙烯酸等）一步法合成了具有高分散性的粒径小于5 nm的AuNPs，粒子的大小和分散性可以通过改变聚合物的结构、浓度和配体上能与金属结合的基团个数来控制，并且可以将粒径为1.1~1.7 nm的无荧光纳米粒子转变为荧光纳米粒子。物理法是利用各种技术将块状固体金分散为金纳米粒子，包括真空沉积法、电分散法、激光消融法等[12]。物理法容易控制AuNPs的形状并能获得图案化的AuNPs的阵列，但通常需要特殊的设备和技术，
物理在纳米材料测试表征中的应用 摘要：介绍了纳米材料的特性及一般的测试表征技术，主要从纳米材料的形貌分析，成分分析以及结构分析入手，介绍了扫描电子显微镜，透射电子显微镜，X 射线衍射，X射线荧光光谱分析，能谱分析等分析测试技术的工作原理及其在纳米粒子结构和性能分析上的应用和进展。 关键词：纳米材料；测试技术；表征方法 Abstract：The characterization and testing of nano-materials was described. Depend on the morphology, component and structure of nano-materials, the mechanism and applications of scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence spectroscopy, energy dispersive x-ray spectroscope (EDS) technology was presented. Further, the application and development of those technologies were described. Keyword: nano-materials; testing technology; characterization 0. 前言 分析科学是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一，它不仅是研究的对象，而且又是观察和探索世界特别是微观世界的重要手段[ 1 ]。随着纳米材料科学技术的发展，要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念，提高其灵敏度、准确度和可靠性，从中提取更多信息，提高测试质量、效率和经济性[ 2 ]。纳米科学和技术是在纳米尺度上（0. 1～100nm）研究物质（包括原子、分子）的特性及其相互作用, 并且对这些特性加以利用的多学科的高科技。纳米科技是未来高技的基础，而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。因此，纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用[ 3 ]。 1. 纳米材料的形貌分析 1.1 形貌分析的重要性
扫描探针显微镜（scanning probe microscope,SPM） 一、 设备简介： 该仪器集成原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(LFM)、扫描隧道显微镜(STM)、磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) 于一体，具有接触、轻敲、相移成像、抬起等多种工作模式，能够提供全部的原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道 (STM) 显微镜成像技术，可以测量样品的表面特性，如形貌、粘弹性、摩擦力、吸附力和磁/电场分布等等。 ●分辨率 原子力显微镜(AFM)：横向 0.26nm, 垂直 1nm（以云母晶体标定） 扫描隧道显微镜(STM)：横向 0.13nm, 垂直 0.1nm（以石墨晶体标定）●机械性能 样品尺寸：最大可达直径12mm，厚度8mm 扫描范围：125X125μm，垂向1μm ●型号： Veeco NanoScope MultiMode扫描探针显微镜 本次培训着重介绍该设备常用模式：Contact Mode AFM 二、AFM独特的优点归纳如下: (l)具有原子级的超高分辨率。理论横向分辨率可达0.1nm，而纵向分辨率更高达0.01nm。，从而可获得物质表面的原子晶格图像。 (2)可实时获得样品表面的实空间三维图像。既适用于具有周期性结
构的表面，又适用于非周期性表面结构的检测。 (3)可以观察到单个原子层的局部表面性质。直接检测表面缺陷、表面重构、表面吸附形态和位置。 (4)可在真空、大气、常温、常压等条件下工作，甚至可将样品浸在液体中，不需要特殊的样品制备技术。 三、AFM的基本原理: AFM基于微探针与样品之间的原子力作用机制。以带有金字塔形微探针的“V”字形微悬臂(Cantilever)代替STM的针尖，当微探针在z向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，原子力的大小约在10-8~10-12N之间。与隧道电流类似，原子力的大小与探针一样品间距成一定的对应关系，这种关系可以由原子力曲线来表征一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力;当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。原子力变化的梯度约为10-13N/nm。原子力虽然很微弱，但是足以推动极为灵敏的微悬臂并使之偏转一定的角度。因此，微悬臂的偏转量与探针一样品间距成对应关系，在对样品进行XY扫描时，检测这一偏转量，即可获得样品表面的微观形貌。
扫描探针显微镜Scanning Probe Microscopy, SPM 孔毅 2010年5月6日
扫描探针显微镜 ?SPM：探测表面性质仪器的一个大家族 ?扫描隧道显微镜（STM） ?原子力显微镜（AFM） ?揭示表面形貌，也可以测量许多表面的其它性质
扫描隧道显微镜(STM) Scanning Tunneling Microscope 1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）
1986年诺贝尔物理学奖 ?The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the 1986 Nobel Prize in Physics by one half to Professor.Ernst Ruska, Fritz-Haber-Institut der Max- Planck-Gesellschaft, Berlin, Federal Republic of Germany,for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope and the other half, jointly to Dr Gerd Binnig(39岁) and Dr Heinrich Rohrer (53岁), IBM Research Laboratory, Zurich, Switzerland,for their design of the scanning tunnelling microscope
金纳米颗粒聚集以及金纳米探针-微阵列技术研究进展 逄键涛 文思远 王升启# （军事医学科学院放射与辐射医学研究所，北京100850） 摘 要 金纳米颗粒 （GNP ）探针正引起科学家们越来越多的兴趣。本文主要综述了基于GNP 自组装聚集反应的生物检测和微阵列-金标银染检测的最新进展，对GNP 在电化学等其他领域的研究前沿也进行了探讨。引用文献41篇。 关键词 金纳米颗粒，微阵列，生物检测，评述 2005-08-10收稿；2005-12-03接受 本文系国家863资助项目（No.2004BA519A46） 1 引 言 金纳米颗粒（GNP ）是直径为0.8～250nm ［1］的缔合胶体，具有纳米表面效应、量子效应、宏观量子 隧道效应。按粒子尺寸和聚集情况，GNP 可显示不同的颜色，已被广泛用于光学、电学、电子显微镜检 测的生物分子标记［2］。单个纳米颗粒的尺寸和颗粒间的组装形式，使胶体Au 溶液表现出不同的整体 特征。生物分子可参与到GNP 的聚集和组装过程中， 从而干扰GNP 的原始组装方式。通过胶体Au 溶液最终的物理状态（如颜色、吸光度等）可得到参与组装的生物分子的“质、量”特征，达到检测的目的。另外，GNP 逐渐在生物芯片检测中显现出应用前景。生物芯片技术本身是纳米尺度的分子操作和组装技术，芯片诊断、纳米检测等技术可以在此得到良好的融合。本文着重就GNP 自组装以及GNP 探针-微阵列技术进展作一综述。 2 生物分子辅助的GNP 聚集和组装 2.1 DNA-GNP 探针 灵敏度高、特异性强、快速简单、低成本是生物检测的重要指标。基于GNP 聚集反应的分子诊断方法能满足这些要求。Mirkin 发现DNA 特异杂交可使DNA-Au 颗粒自组装为复合结构，开创了GNP 用 于生物检测的新领域［3］。GNP 经巯基修饰的短链DNA 修饰成为编码探针［4］，溶液中加入目标互补 DNA 后，纳米颗粒发生有序、可逆的聚集反应［5］。聚集后溶液颜色发生红7桃红7紫色变化，几小时出 现桃灰色沉淀（DNA-胶体金沉淀）。该现象是DNA 介导的胶体-胶体键合，其过程是可逆的。系统在没有优化的情况下能检测10fmol 的寡核苷酸。 DNA 修饰的GNP 以非交联结构聚集，对于颗粒表面结合的杂交体末端错配有很好的选择性［6］，可 对单核苷酸多态性（SNP ）进行检测。5个人瘤细胞系的基因组DNA 的检测结果与传统方法（质谱、直接测序）一致。这种方法不需要复杂的设备，为SNP 医护现场诊断、个性化医疗提供了可能。Storhoff 等［7］研究了GNP 距离和光学性质的关系，开发出“杂交-读出”的比色检测方法，鉴别核酸序列。DNA 修饰的金纳米探针识别核酸目标分子后发生颜色变化，可检测到zmol （10-21mol ）级的核酸，不需要目 标分子的扩增或信号放大。S?nnichsen 等［8］采用等离子体耦合对金银纳米颗粒间距进行测量，研究了 金银纳米颗粒二聚体的实时组装以及单个DNA 分子杂交的动力学。 “等离子体标尺”可连续监控分子间距离上限达到70nm ，时间超过50min 。 2.2 非标记DNA 检测 双链DNA （dsDNA ）比单链DNA （ssDNA ）表面负电荷堆积程度高，并且dsDNA 的双螺旋结构使氮（N ）、硫（S ）等对GNP 亲和性高的原子包埋更深，所以ssDNA 和dsDNA 对GNP 有不同吸附力。 Li 等［9，10］据此设计了基于Au 颗粒聚集反应的核酸杂交比色检测方法。ssDNA 可吸附负电荷纳米金颗第34卷 2006年6月 分析化学（FENXI HUAXUE ） 评述与进展 Chinese Journal of Analytical Chemistry 第6期 884～888
近代物理实验报告 实验题目：扫描探针显微镜 指导老师：杨晓梅 学院：物理电气信息学院 班级：09级物理师范二班 姓名：马林（12009243956） 孟小龙（12009243945）
扫描探针显微镜 【目的要求】 1.学习和了解扫描探针显微镜的结构和原理； 2.掌握扫描探针显微镜的模式之一---扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌； 3.学习用计算机软件来处理原始数据图像。 【仪器用具】 扫描探针显微镜、针尖、计算机、光栅样品 【原理】 1. 扫描探针显微镜的基本结构 (1) 减振系统 是仪器有效得到原子图像的必要保证。有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件，STM原子图像的典型起伏是0.1埃，所以外来振动的干扰必须小于0.05埃。有两类振动是必须隔离的：振动和冲击。振动一般是重复性和连续性的，而冲击则是瞬态变化的，在两者之中，振动隔离是最主要。通常采用悬吊来隔离振动。 (2)头部探测系统 由支架、针尖驱动机构（扫描器）、针尖和样品组成，是仪器的工作执行部分。 ①.扫描系统 扫描系统包括扫描器和针尖块。 扫描器使用4象限压电陶瓷管，采用样品扫描方式。 针尖块中密闭着前置放大器，通过引线将放大后的信号送至电子学控制箱。 针尖块的设计使用了专利技术—智能针尖连接结构。在进行不同工作模式之间的转化时，用户只需将我们提供的安装不同种类探针的针尖块插入针尖架中即可。系统会自动识别当前针尖的种类，并将软件切换到相应的工作模式。 ②.驱进系统 驱进调节机构主要用于粗调和精细调节针尖和样品之间的距离。利用两个精密螺杆手动粗调，配合步进马达（可以手控也可计算机控制调节），先调节针尖和样品距离至一较小间距（毫米级，），然后用计算机控制步进马达，使间距从毫米级缓慢降至纳米级（在有反馈的情形下），进入扫描状态。退出时反之。 ③.支架：支架主要用于固定驱进系统以及与减震系统的连接。
金纳米粒子探针的合成及应用(一) 作者：马立娜刘殿骏王振新 【摘要】由于金纳米粒子（AuNPs）具有与大小、形状和聚集程度相关的物理和化学特性，被广泛应用于各种生物分析和生物医学检测技术中，并发展成具有高选择性、高灵敏度的生物分析检测手段。以AuNPs为探针的分析方法通常具有简单、快速、灵敏度高的优点，并能应用于实际样品检测。本文综述了目前生物分子修饰的AuNPs探针的合成及其在检测金属离子、小分子、DNA、蛋白质和细胞内分析等方面的应用。 【关键词】金纳米粒子；探针；合成与修饰；评述 AbstractDuringlastdecade，goldnanoparticled(AuNPs)-basedassayshavebeenwell-developedandwidelyusedinbiologicalanalys isandbiomedicaldetectionbecauseAuNPshaveuniquephysicalandchemicalpropertieswhichdepend onthesize，shapeanddegreeofaggregation.TheAuNPs-basedassayshavealreadybeenemployedfordetectingpra cticalsampleswithhighsimplicityandselectivity.Thisreviewdiscussestherecentlydevelopmentofthes ynthesisandbiologicalmolecularfunctionalisationofAuNPsandtheirapplicationsontheheavymetallic cations，smallorganiccompounds，nucleicacidsandproteinsdetectionandcellularanalysis. KeywordsGoldnanoparticles；Probe；Synthesisandfunctionalization；Chemicalsensing；Review 1引言 纳米技术与化学、生物学、物理学和医学等领域的结合，对分析科学和生命科学领域的超灵敏检测和成像方法的发展起着越来越重要的作用1~5]。由于AuNPs具有独特的光学性质（表面等离子体吸收和共振光散射）、易进行表面修饰以及良好的生物相容性（通常认为裸AuNPs 是无生物毒性的，而修饰后的AuNPs的生物毒性由其配体决定），因此功能化AuNPs的应用领域不断被拓宽，特别是其在生物分析和生物医药等领域的应用引起了人们广泛关注2，3]。本文综述了生物分子修饰的AuNPs探针的合成及其在检测金属离子、小分子、DNA、蛋白质和细胞内分析等方面的新进展，以若干应用实例突显一些技术突破及发展趋势。 2金纳米粒子的合成、稳定性和功能化 2.1金纳米粒子的合成方法 金纳米粒子的制备方法可分为化学法和物理法。化学法是以金的化合物为原料，在还原反应生成金纳米粒子时控制粒子的生长，使其维持纳米尺度。化学合成法包括氧化还原法、电化学法、晶种法、模板法、微乳液法、微波合成法和光化学法等2]，其中最具代表性并被广泛应用的有：（1）Turkevich-Frens法6，7]，即在100℃下，通过改变还原剂（柠檬酸钠）和三价金的化合物（氯金酸或氯金酸钠）的比例来控制AuNPs粒径的大小，从而获得粒径在10~60nm范围内且分散性较好的AuNPs。该方法制备程序简单，且包裹在AuNPs表面的柠檬酸根容易被其它配体置换（如巯基修饰的DNA等）2，4]；（2）Brust-Schiffrin法8，9]，即在两相（液/液）体系或单相体系中，以四正辛基溴化铵（TOAB）为相转移剂，将三价金的化合物（氯金酸或氯金酸钠）转移到有机相中，以烷基硫醇为稳定剂，NaBH4为还原剂，制备粒径为1~8nm的AuNPs；硫醇/金盐的比例越大、加入还原剂速度越快，冷却溶液可以制得尺寸更小和单分散性更好的粒子，进一步通过配体交换反应改变AuNPs表面的配体而实现其功能化；（3）聚合物保护法：通常以含有聚乙二醇、硫醇或硫醚基团的聚合物为配体，以NaBH4为还原剂，制备水溶性或具有疏水性的粒径小于10nm的AuNPs。聚合物稳定剂决定纳米粒子的溶解性；例如，文献10，11]采用硫醚或硫醇修饰的聚合物配体（烷基硫醚终端修饰的聚甲基丙烯酸等）一步法合成了具有高分散性的粒径小于5nm的AuNPs，粒子的大小和分散性可以通过改变聚合物的结构、浓度和配体上能与金属结合的基团个数来控制，并且可以将粒径为1.1~1.7nm的无荧光纳米粒子转变为荧光纳米粒子。
扫描探针与近场显微技术
Karl Wang
上海迈培光电技术有限公司
技术背景
? 自从1982年Binning与Robher等人共同发明扫描 穿隧显微镜(scanning tunneling microscope, STM)之后，人类在探讨原子尺度上向前跨出了一 大步，对于材料表面现象的研究也能更加的深入 了解。在此之前，能直接看到原子尺寸的仪器只 有场离子显微镜(Field ion microscopy, FIM)与电 子显微镜(Electron microscope, EM)。 ? STM其原理主要是利用电子穿隧的效应来得到原 子影像，材料须具备导电性，应用上有所限制。
技术背景
? 1986年Binning等人利用探针的观念又发展出原子力 显微镜(Atomic force microscope, AFM) ，AFM不但 具有原子尺寸解析的能力，亦解决了STM在导体上的 限制，应用上更为方便。 ? 自扫描式穿隧显微镜问世以来，许多类型的探针显微 镜不断被开发出来。如：扫描式穿隧显微镜(STM)， 近场光学显微镜(NSOM)，磁力显微镜(MFM)，化学 力显微镜(CFM)，扫描式热电探针显微镜(SThM)， 相位式探针显微镜(PDM)，静电力显微镜(EFM)，侧 向摩擦力显微镜(LFM)，原子力显微镜(AFM)等。
SPM家族
**其中，AFM、SNOM/NSOM是最为常用的扫描探针显微镜。
原子力显微镜（AFM）
? AFM是以针尖与样品之间的属于原子级力场作用 力作为探测手段获取表面形貌的显微工具。 ? AFM可适用于各种的物品，如金属材料、高分子 聚合物、生物细胞等，并可以操作在大气、真空、 电性及液相等环境，进行不同物性分析，所以它 可以用于获得包括绝缘体在内的各种材料表面上 原子级的分辨率，其应用范围无疑比其它显微分 析技术更加广阔。
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。 扫描探针显微镜是指一类通过微小探针在样品表面扫描，将探针与样品表面间的相互作用转换为表面形貌和特性图像的显微镜。它提供了表面的三维高空间分辨的图像。 扫描探针显微镜(SPM)主要包括扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)两种功能。完整的扫描探针显微镜由控制系统和显微镜系统组成。 扫描隧道显微镜的工作原理是利用电子隧道现象，将样品本身作为一具电极，另一个电极是一根非常尖锐的探针。把探针移近样品，并在两者之间加上电压，当探针和样品表面相距只有数十埃时，由于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧穿电流，并保持不变。若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也将使穿电流发生成千上万倍的变化。这些信息输入电子计算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定。 原子力显微镜主要包括接触模式、非接触模式和轻敲模式。一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触、接近或轻敲样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。这些信息输入电子计算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。 SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势：首先，SPM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。 其次，SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说，SPM是真正看到了原子。 再次，SPM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因此SPM适用于各种工作环境下的科学实验。 SPM的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。 SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。 同其它表面分析技术相比，SPM 有着诸多优势，不仅可以得到高分辨率的表面成像，与其他类型的显微镜相比（光学显微镜，电子显微镜）相比，SPM扫描成像的一个巨大的优点是可以成三维的样品表面图像，还可对材料的各种不同性质进行研究。同时，SPM 正在向着更高的目标发展，即它不仅作为一种测量分析工具，而且还要成为一种加工工具，也将使人们有能力在极小的尺度上对物质进行改性、重组、再造．SPM 对人们认识世界和改造世界的能力将起着极大的促进作用。同时受制其定量化分析的不足，因此SPM 的计量化也是人们正在致力于研究的另一重要方向，这对于半导体工业和超精密加工技术来说有着非同一般的意义
摘要：纳米荧光探针(fluorescent probe)在化学传感、光学材料及生物检测和识别等领域得到了广泛的应用，并成为实现上述功能的一种主要的技术手段。但以传统的有机荧光染料为主的荧光探针在应用中也存在一些难以克服的缺陷。最近，无机发光量子点、荧光聚合物纳米微球、复合荧光二氧化硅纳米粒子等荧光纳米探针的相继出现，在一定程度上克服了传统有机荧光试剂的缺陷，为生物分析提供了新的发展领域，成为了近年来研究的热点。 关键字：纳米荧光探针、生物检测和识别、无机发光量子点 Abstract：Nano fluorescence probe is widely used in chemical sensing, optical materials and biological detection and identification field , and to realize the above functions as a primary technology. But in a traditional fluorescent primarily organic fluorescent probes in the application of some are difficult to overcome defects. Recently, inorganic light quantum dots, fluorescence polymer microspheres, nano composite fluorescence silica nanoparticles and fluorescence nanoprober have appeared in a certain extent, g served the defects of conventional organic fluorescence reagent, biological analysis to provide the new development area, become the focus of research in recent years. Key words: Nano fluorescence probe, Biological detection and recognition, Inorganic glowing dots 1、Classification of fluorescent nano probe 荧光纳米粒子是指与蛋白质或其他大分子结构非共价相互作用而使一种或几种荧光性质发生改变的小分子物质。可用于研究大分子物质的性质和行为。可以发荧光的半导体纳米微晶体（量子点）或将荧光团通过包埋、共价键连接以及超分子组装等方式引入有机或无机纳米粒子中，并让纳米粒子承担有机小分子荧光染料的检测、标记等功能。与传统的荧光染料相比，荧光纳米粒子具有更高的亮度和光稳定性，也能更加容易地实现水分散性和生物相容性。另外，随着纳米制备技术的进一步提高，对纳米粒子的尺度的精确控制及对粒子功能化手段的日臻完善，这在很大程度上使荧光纳米粒子满足了化学传感器、生物探针等领域的要求。目前荧光纳米粒子主要有无机发光量子点、荧光高分子纳米微球、复合荧光二氧化硅纳米粒子三大类。 1.1Quantum dots 通常是一种由n一Vl族或m一V族元素组成的纳米颗粒，直径在1一100nm之间，能够接受激发光产生荧光的半导体纳米颗粒。量子点在生物标记、太阳能电池和发光器件等领域具有广泛的应用前景。量子点粒径很小，它们的电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构，因此光学行为与一些大分子很相似，可以发射荧光。量子点的体积大小严格控制着它的光谱特征。量子点的晶体颗粒越小，比表面积越大，分布于表面的原子就越多，而表面的光激发的正电子或负电子受钝化表面的束缚作用就越大，其表面束缚能就越高，吸收的光能也越高，即存在量子尺寸效应，从而使其吸收带蓝移，荧光发射峰也相应蓝移。可见，相对于其他传统的荧光染料而言，量子点由于其量子尺寸效应，粒径不同或组成材料不同即可发射不同颜色的荧光。 1.2 Application of quantum dots in life science
扫描探针显微镜的应用 根据扫描探针显微镜的种类及特性,可以了解到它的应用范围十分广泛。可以研究材料表而的硬度、摩擦力、粘滞力、弹性等力学性能;研究原子与分子形貌,材料表面的形貌、粗糙度以及各种缺陷;可以测量材料的电、磁特性以及热传导性特性;可应用在生命科学方面,还可以进行纳米测量、纳米刻蚀与加工。1：在有机薄膜材料方面的应用 扫描随道显微镜与原子力显微镜都可以对样品的形貌进行表征,可以观察到有机薄膜分子的排列情况,但是扫描隧道显微镜需要样品制备在导电越底匕而有机薄膜自身并不导电,当薄膜比较厚时,会阻碍系统对隧道电流的探测。对于原子力显微镜则不存在这一限制,有机薄膜可以制备在比较平的云母或硅片上,而且同样可以获得较高分辨率的图像,图1中所示的是在银基底上制备的苝四甲酸二酐单分子膜的原子力形貌图,扫描时工作在非接触区域,采用的是调频模式,图像分辨率达到了分子级别。从分子尺寸的AFM形貌图上我们可以很清楚的观测到分子间距,依此判断出有机薄膜的致密性。在大范围(微米量级)从整体上观察薄膜均匀性时,原子力显微镜也比较方便。 图1 苝四甲酸二酐单分子膜的原子力形貌图,扫描范围30nmX30nm 由于有机薄膜的质地比较软,因此在用接触模式扫描时,会因侧向力过大对薄膜造成划伤,因此常常采用轻敲模式进行扫描。但是我们常常需要通过接触模式
下的力曲线测试,对有机薄膜自身的一些力学特性先有一定的了解,比如弹性、粘滞力等,因为这些有机薄膜自身固有的特性也会影响到扫描成像,之后在通过扫描过程中合理化相应的参数,获得高质量的图像。 2：DPN 纳米加工技术 Mirkin小组发明了一种成为“dip-pen”的纳米加工技术(图2),AFM针尖被当作“笔”,硫醇分子被当作“墨水”,而基底被当作“纸”,吸附在针尖上的硫醇分子借助于针尖和基底之间的水层被转移到基底上的特定区域。然而,这种DPN存在一个明显的缺点就是只能把有机分子“写”在基底上,而且保持所生成结构的长期稳定性是一个重要问题。 图 2 DPN 操作示意图(A)和 DPN 所形成的 ODT 阵列的侧向力图(B)
Information Briefing I业界动态 2019年2月7日，Nano Letters发布了清 华大学刘泽文教授和北京交通大学邓涛副教 授联合团队的研究论文----Three-Dimensional Graphene Field-Effect Transistors as High Performance Photodetectors.(DOI:10.1021/acs. nanolett.8b04099),介绍了-种自卷曲方法,可 以将2D埋栅式GFET转化为3D微管式GFET, 町用作光电传感器实现从紫外光(325nm)到太赫兹(119pm)区域超高灵敏度、超快探测。其高光响应率、宽光谱范围和高速度的结合将为3D石墨烯光电器件和系统带来新的机遇，对整个二维材料研究领域，包括二硫化钮、黑磷等其他类石墨烯2D晶体材料都具有重要意义。 研究人员利用氮化硅应力层驱动2D GFET自卷曲为微管式3DGFET结构，首次制造出了卷曲层数(1?5)和半径(30pm?65pm)精确可控的3D GFET 器件阵列。由于管状谐振微腔内的光场增强和光-石墨烯相互作用面积增大，所得到的3D场效应管的光响应率得到显著提高，工作波长范围从紫外光到太赫兹，在紫外光至可见光区域的响应度可达1A/W以上，在太赫兹区域高达 2019年2月5日，PNAS在线发表了华中师范大学孙耀、李海兵和杨光富团队与美国犹他大学Peter J. Stang合作研发的-种新纳米探针(Rhomboidal Pt(II)metallacycle-based NIR-II theranostic nanoprobe for tumor diagnosis and image-guided therapy, DOI:10.1073/pnas.l817021116),用于肿瘤诊疗与抗肿瘤药物效果评估。 研究设计合成了一种组织穿透能力强的新型近红外二区荧光分子SY1100(发射波长为1100nm),同时还设计合成了一种具有显著抗肿瘤活性和高度体内稳定性的大环钳化合物，进而采用基于DSPE-mPEG5000的脂质体包覆技术，制备得到了首例基于大环Pt结构的近红外二区诊疗-体化纳米探针。 0.23A/W,响应时间快至265ns。 价格昂贵、灵敏度低、可集成性差一直是红外成像的应用受到限制的重要原因，基于新原理来实现价格低廉、灵敏度高、性能优异的红外探测器一直是研究重点。 2019年1月21日，Nature Nanotechnology'发布了南京大学王肖沐、施毅团队和缪峰团队的研究成果-------种基于全新工作机制的红外探测器件(Observation of ballistic avalanche phenomena in nano s cale vertical InSe/BP heterostructures),首次在二维材料垂直异质结中提岀和实现了-种全新的探测机制：弹道雪崩。这种物理机制将量子弹道输运与雪崩击穿过程结合，将弹道输运中电荷几乎无散射、保持相位相干的量子特性与纳米尺度下可控的雪崩效应相结合，在实现载流子倍增放大的同时保持低功耗、低噪声，有望解决传统雪崩光电器件所遇到的瓶颈。基于这种机制，研究人员制作出了性能优异的中红外弹道雪崩光电探测器和弹道雪崩场效应晶体管。 该项成果不仅促进了中红外低至单光子的高灵敏探测技术的发展，而且为后摩尔时代纳米电子学的发展提供了新的可能，对未来研制新一代光电子和微电子器件具有重要价值。 实验表明，该纳米探针具有良好的光稳定性、被动靶向能力和高分辨率，不仅可以实现癌症的精准诊断，而且可以选择性地在肿瘤组织释放出抗肿瘤活性的大环钳化合物，从而实现肿瘤的诊疗一体化。活体动物实验证实，该探针不仅克服了ICG(FDA批准在临床应用的诊疗-体化荧光探针)光稳定性差和组织穿透能力低的缺点，而且比临床广泛应用的顺钳药物具有更高的抗肿瘤效果和更低的毒副作用。此外，由于该纳米探针具有高度的体内稳定性，借助近红外二区荧光成像技术，该探针还可以对肿瘤发生发展进行长期监测，并评估抗肿瘤药物的治疗效果。 该探针的设计策略还可以为靶向抗肿瘤药物的精准可控释放、药代动力学研究以及肿瘤发生发展精准监测技术开发提供借鉴，为靶向抗肿瘤药物从实验室走向临床应用提供了一种更精准的活体检测分 析手段。 传感器世界2019.02 Vol.25NO.02Total 284