DNA、纳米微粒及其相互作用的扫描探针显微学研究

1．采用改进的蒸发液滴中流体毛细流动法，用于展开和固定适于AFM研究的大环状DNA。对长达148.9 kbp的人类基因组3号染色体上一个完整的酵母染色体DNA分子和pB孙22质粒DNA进行了展开固定研究，长度测定显示偏差小于3.5％，结果优于其它展开线性DNA的方法。对其相应的展开机理进行了初步探讨：利用AFM考察了不同长度的DNA分子在云母基底上的分子级分形图案。实验证明DNA分子级的分形图案与DNA的浓度、长度和其它辅助因素相关。我们认为DLA理论或许更适合描述DNA分子在云母基底上形成不同分形图案的体系。2．我们利用阳离子的桥合作用，将质粒DNA固定并展开在云母基底上制得了DNA网络结构。结合实验数据，对质粒DNA形成的机理和可控的参数：离子种类、离子浓度、网孔大小和网孔高度进行了讨论，提出了相应的模型进行解释。我们在半透明的云母基底以及玻璃和蓝宝石等透明基底上构建了不同结构的DNA网络。结合实验数据，讨论了在各种固体基底上形成DNA网络的影响因素，我们认为，固体基底表面的亲水性对于构建DNA网络起重要作用。我们通过控制乙醇的浓度与温度结合原子力显微镜样品定位技术发现，云母基底上形成DNA膜的DNA分子是否移动与处理DNA样品的乙醇浓度有直接关系。对于纯乙醇溶液无论是高温（6O℃）或常温，均未引起DNA分子的移动（无论是吸附在云母基底上的，还是吸附在DNA分子链上的）；如果用混合有水的乙醇溶液（无论其中水的含量多少），不管是高温（60℃）或常温，都会引起DNA膜结构发生变化，即DNA分子发生了移动。热乙醇水溶液对DNA分子的作用比常温情况下更明显1可能是热力学上的因素导致的。3．通过控制银纳米微粒在云母基底上的聚集行为，而非直接通过化学合成的方法，构建了一种新的银结构一纳米银盘。详细阐述了如何得到这种结构的过程，通过原子力显微镜、紫外可见光光谱和X一射线电子能谱技术等工具对其性质也作了相应的表征。这种由纳米粒子组成的银盘与文献报道的单晶纳米银盘相比具有更大的比表面积，在纳米催化等方面有更广阔的应用前景。通过自聚集方式构建纳米银盘结构的方法，对于人们通常认为在溶液中合成的纳米结构与在各种固体基底上表征的纳米结构是一致的观点提出了新的理解。利用戊二醛试剂与发光的纳米微粒萘酰亚胺通过醛胺加成反应形成酰胺键，组装形成二维发光粒子网络。结合原子力显微镜高度形貌图和光谱数据，发现粒子间形成了两种典型的网络结构即，实心六方堆积和空心六方堆积结构。对此我们提出了相应的模型给予解释。4，利用展开的质粒DNA为模板诱导形成了环状的氯化镁纳米结构。原子力显微镜考察表明，这些纳米结构的高度是6.2±1.3-8.2±1.80nm，长度为1.35±0.18到2.93±0.25um。我们以CTAB包裹18nm纳米金和3.5nm纳米银使之形成带正电荷的外壳，利用。NA磷酸骨架带负电荷特性，通过静电自组装方式形成了金属化的纳米网络结构。通过AFM、UV-vis光谱和XPS谱的表征说明，带正电荷外壳的纳米金和纳米银被DNA模板高度地组装形成有序的二维网络结构。5．利用自制的样品定位系统，重复性地对整个基底范围内的样品实行定位，定位的精确度达400nm。这种方法对于样品旋转角度或取出后进行进一步处理都适用。该定位方法依赖于一台个人电脑，一个样品定位仪，一个CCD相机和一套可视光学系统，用于监测透明或半透明基底如，云母、玻璃、蓝宝石、石英和钦酸银等原子力显微镜广泛使用的基底表面或背面特征。作为对这种定位方法的应用，我们用不同的灯M操作模式，不同的针尖对单个的DNA分子、单个的DNA-蛋白质复合物和DNA网络在样品移动或拿出样品台后进行了定位实验。这种方法的精度和分辨率，对于一般的商用或自制SPM（AFM,STM，sNOM）系统都可以适用。

PMMA/SAN共混物薄膜表面相分离动力学的原位AFM研究

本论文主要借助原子力显微镜（AFM）、X-射线光电子能谱（XPS）等实验手段，纳米尺度上在线原位地研究了高温临界组成PMMMA/SAN（50／50，w／w）共混薄膜体系，分析并探讨了此共混薄膜表面相分离及其超薄膜体系的润湿／去润湿和相分离行为。首先，从敲击式AFM中相位图的成像原理出发，建立了一个高温下用原位AFM定性鉴别不同聚合物的纳米尺寸微区的方法，即：先在基底（硅）上铺展一层非常平坦的单一组分（SAN）薄膜，再在此千膜上，通过旋涂由选择性溶剂（冰醋酸）配制的另一组分（PMMA）的极稀溶液，使之不能形成一层连续的完整膜，最后在高温（175℃）下用敲击模式的原子力显微镜（TM-AFM）检测相位图随退火时间的变化。得到在175℃的相位图中，PMMA富相比SAN的富相显得更暗，这为后续工作提供了定性鉴别相区的方法。其次，高温下用原位AFM研究了PMMA/SAN薄膜表面相分离过程，在线观察了相分离的归并过程，定量地得到了临界相分离温度，并给出了特征波矢对时间依赖关系的标度指数，划分了相分离动力学演变的不同阶段。对于膜厚约为130nm的体系，表面相分离的临界温度大约为165℃，其表面相分离的特征波矢与时间的标度关系q+（t）-t-n，在整个实验时间内，随时间的演变过程中，显示了两个不同的指数变化区，即前期很慢的n=0.13和后期的n＝1／3。0.13的指数关系可能是由于表面聚合物链的几何受限及表面富集相把部分新生成的另一相覆盖所致，1／3的指数关系可以认为是由普遍的Brownian扩散所致。而对于膜厚为50曲的此组成共混薄膜，得到的标度关系与C汕n线性理论吻合得非常好的Spinodal Deposition（SD）表面相分离的初期，即n＝0，这是由于降低膜厚 增加了共混物的相容性，提高了临界温度，从而减缓了相分离过程，使得在我 们观测的时间范围内更易观察到表面相分离的初期。再次，用阶梯式降温的好M和XPS，发现了PMMA/SAN体系原位和离位实验结果存在巨大差别的主要原因之一—润湿温度的存在。对PMMA/SAN（50／50，w／w，-130nm）共混薄膜体系，原位AFM的退火和准淬火实验表明， 虽然在高温和室温、真空和常态、原位和离位，相分离的聚合物共混薄膜表面 形貌变化不大，但是表面物理性质却有很大的区别。原位XPS实验表明，未经 任何处理的样品在185℃退火时，很快在离表面很薄的下面形成一层PMMA含 量远低于本体值的薄层，之后最表面的PMMA也往本体迁移，直至表面SAN 的含量远高于它的本体值。对已在175℃退火20hr的此样品，逐渐降温退火过 程的原位XPS表明，当退火温度降至145oC时，样品表面几乎完全被PMMA覆盖，很好地验证了Conlposto等提出的润湿温度的假设，即对此体系，润湿温 度是原位和离位存在巨大的差异的主要因素之一，这与原位AFM的实验结果也，存在很好的一致性。最后，高温下原位观察了硅基底上PMMA/SAN超薄膜（膜厚-Rg）的去润湿、相分离过程和PMMA在基底上的润湿过程，以及云母基底上的该体系高温下的稳定润湿行为。以硅为基底的PMM刀sAN共混超薄膜在155”c下发生了类 似sPinodal dewetting的去润湿，其原因可能是在垂直于基底的浓度梯度引起的表面组成的涨落，对这种去润湿的动力学还进行了探讨。以硅为基底的PMMA/SAN共混超薄膜在175℃下不仅发生了类似spinodal dewetting的去润 湿，而且还发生了去润湿液滴内部的相分离以及相分离析出的PMMA润湿硅基底的过程，提出了一个简单的模型描述了这种复杂的过程。此外，还研究了不同基底对此共混超薄膜体系的润湿行为进行了研究，以云母为基底的此共混体系在175℃下长时间内是稳定的，其原因可能是云母与PMMA和SAN均有很强的作用力，足于补偿聚合物链在构象嫡上的损失。

生物膜的电化学研究

简要评述了生物膜研究的发展过程、目前状况及发展方向，介绍了生物膜的一些基本性质和理论。采用电化学方法对平板双层磷脂膜（BLMs），支撑磷脂膜（SPM）以及磷脂泡囊（liposom）等不同模拟膜系统进行了研究，并结合AFM、STM以及CD等谱学手段对蛋白质与生物膜之间的相互作用和蛋白质的结构变化进行了初步探索。在研究离子通道短杆菌肽D对一价离子的转移过程中发现短杆菌肽D的通道行为依赖于其在膜中的浓度，并且短杆菌肽D在膜中有形成聚集体的趋势。细胞色素c与中性磷脂没有作用，带负电荷的磷脂却可使细胞色素的三级结构松散，导致其电化学行为发生改变。多巴胺很容易嵌入浇铸在玻碳电极上的磷脂膜，并对NADH有很好的催化作用，使NADH的氧化电流增加了10倍，过电位降低了100mV。用原子力显微镜了DMPC在烷基化的疏水基底上成膜的动力学过程，自组装过程受吸附控制，其生长的一级反应速率常数大约22.15 ± 3.28S~(-1)M~(-1)。

InAlAs量子点材料的AFM和拉曼散射研究

对分子束外延（MBE）自组织生长的InAlAs量子点材料进行了拉曼散射实验。结合原子力显微镜（AnD对量子点形貌观察的结果，分析了InAlAs量子点生长过程中尺寸、密度和均匀性的改变，并研究了三维岛的结构对拉曼谱线的影响。对InAlAs淀积厚度不同样品的拉曼谱分析表明，岛状结构的尺寸横纵比与类GaAsLO模和类AlAs LO模的半高全宽有密切关系。不同偏振下的拉曼实验证实了该结构中的光学声子在Z（X,X）Z偏振条件下为非拉曼活性。

气相和溶液多硫化物钝化InP表面的XPS和AFM研究

国家自然科学基金

AFM轻敲模式测量中由悬臂梁振幅反推针尖与样品相互作用力的方法

<正>原子力显微镜AFM的轻敲模式是测量软物体表面形貌的常用模式。但在测量过程中针尖与样品间的相互作用会使得测量形貌与真实形貌产生差异,包括样品变形的效应,不同轻敲振幅设置导致的不同形貌测量结果,样品与悬臂梁的耦合振动对测量信号产生的影响等。本文首先验证了伯努利梁模型在AFM轻敲模式下的适用性,

原子力显微镜(AFM)接触模式中非局域效应的分析及处理

<正>原子力显微镜(AFM)接触模式是让探针按设定的扫描力扫过试样表面,通过记录悬臂梁的变形来获得表面形貌的工作模式,其中占主导的是原子间的斥力。AFM接触模式测量中的非局域效应,是指试样表面距探针最近点附近有限区域内的形貌对测量结果都有贡献,导致测量结果是这些区域贡献的加权平均,而并不仅仅代表针尖正下方试样的局部信息。它包括有限分子力程导致

GIUSAXS and AFM Studies on Surface Reconstruction of Latex Thin Films during Thermal Treatment

The structural evolution of a single-layer latex film during annealing was studied via grazing incidence ultrasmall-angle X-ray scattering (GIUSAXS) and atomic force microscopy (AFM). The latex particles were composed of a low-T-g (-54 degrees C) core (n-butylacrylate, 30 wt %) and a high-T-g (41 degrees C) shell (t-butylacrylate, 70 wt %) and had an overall diameter of about 500 nm. GIUSAXS data indicate that the q(y) scan at q(z) = 0.27 nm(-1) (out-of-plane scan) contains information about both the structure factor and the form factor. The GIUSAXS data on latex films annealed at various temperatures ranging from room temperature to 140 degrees C indicate that the structure of the latex thin film beneath the surface changed significantly. The evolution of the out-of-plane scan plot reveals the surface reconstruction of the film. Furthermore, we also followed the time-dependent behavior of structural evolution when the latex film was annealed at a relatively low temperature (60 degrees C) where restructuring within the film can be followed that cannot be detected by AFM, which detects only surface morphology.

Probing structural changes of spin-coated polystyrene film after swelling and precipitation by synchrotron GIUSAXS and AFM

Polystyrenc film of about 50 nm in thickness on silicon wafer was obtained by spin-coating in tetrahydrofuran solution.The film exhibits a rough surface as shown by atomic force microscopy images and ellipsometry data.

Phase Behavior and dewetting for polymer blend films studied by in situ AFM and XPS: From thin to ultrathin films

In this work, the film thickness (l(0)) effect on the phase and dewetting behaviors of the blend film of poly(methyl methacrylate)/poly (styrene-ran-acrylonitrile) (PMMA/SAN) has been studied by in situ atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The thinner film shows the more compatibility of the blend, and the phase separation of the film occurs at l(0) > 5R(g) (radius of gyration). An initially time-independent q*, the characteristic wavenumber of the phase image, which is in good agreement of Cahn's linearized theory for the early stage of spinodal decomposition, has been obtained in real space and discussed in detail. For 5R(g) > l(0) > 3R(g), a "pseudo-dewetting/(phase separation + wetting)" behavior occurs, where the pseudo-wetting is driven by the concentration fluctuation mechanism. For 10 < 3R(g), a "real dewetting/(phase separation + wetting)" behavior occurs.

Manipulations of atoms and molecules by scanning probe microscopyk

Scanning probe microscopy (SPM), including scanning tunneling microscopy (STM) and atomic force microscopy (AFM), has become a powerful tool in building nanoscale structures required by modern industry. In this article, the use of SPM for the manipulation of atoms and molecules for patterning nanostructures for opt-electronic and biomedical applications is reviewed. The principles and procedures of manipulation using STM and AFM-based technologies are presented with an emphasis on their ability to create a wide variety of nanostructures for different applications. The interaction among the atoms/molecules, surface, and tip are discussed. The approaches for positioning the atom/molecule from and to the desired locations and for precisely controlling its movement are elaborated for each specific manipulation technique. As an AFM-based technique, the dip-pen nanolithography is also included. Finally, concluding remarks on technological improvement and future research is provided.