专利名称：扫描探针显微镜探针及其制造方法,具有该探针的扫描探针显微镜以及使用其的分子加工法的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用化学反应分析/加工固体表面的“分子间力显微镜”的探针及其制造方法，以及具有这种探针的扫描探针显微镜和使用其的分子加工法。
提出了“分子间力显微镜”，其中将具有化学传感器功能的分子或催化剂分子固定在扫描探针显微镜的探针尖端部，将在探针尖端部的分子和要测定的分子间引起的化学相互作用或催化用于检测或加工要测定的分子的化学信息(特许公报2653597；特许公报2561396；Nakagawa，“Shokubai(催化剂)”，Vol 39，pp.628-635，1997)。将传感器分子固定在原子力显微镜的探针上的分子间力显微镜的原理在以下描述。本文中，“化学传感器功能”指分析有机分子的化学性质的功能。通常，通过分子的三维结构或分子中包含的官能团而测定分子的化学性质。具有化学传感器功能的传感器分子可以特异性地检测这种结构或官能团。
图11阐明原子力显微镜的原理。样品(153)固定于可在X-、Y-和Z-方向上延伸的压电元件(154)上。在样品(153)的上部有尖端曲率半径为数十纳米的的探针(114)。探针(114)固定在杠杆部(152)的尖端。当在样品(153)和探针(114)间施加力时，杠杆部(152)偏斜。这种偏斜可以通过用两个光电二极管(155)测定由杠杆部(152)反射的激光束(151)反射角的变化而得到评价。因此，可以从偏斜量和杠杆部的弹簧常数的积计算样品和探针间引起的力。因此，当用压电元件在X-Y平面上扫描样品的特定区域时，样品和探针间引起的力得以测定，从而可以检测样品的表面信息。
例如，当将反馈应用于在Z-方向上的压电元件移动时，扫描X-Y区域，以使样品和探针间引起的力保持恒定，从而测定压电元件在X-、Y-和Z-方向上移动的关系。通过这种测定，可以评价样品的凹凸。在此，将传感器分子固定在探针的尖端，以测定其上存在其它种类的分子的基材表面，以便可以测定特定分子的位置。也就是说，在传感器分子是仅和分子(分子A)引起强吸力的分子的情况下，分子A的位置可以通过用具有这种传感器分子的探针测定其上存在其它种类的分子的基才表面，以分子水平的分辨率得到测定。此外，如果将催化剂分子固定在探针上，则可以用这种探针加工特定分子。
也可以通过用分子间力显微镜测定DNA的碱基顺序。在将组成DNA的腺嘌呤固定于探针的情况下，测定固定在基材上的单链DNA，可以确定胸腺嘧啶的位置，因为腺嘌呤和DNA中的胸腺嘧啶引起很大的引力。DNA中的碱基顺序可以通过用连接有胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶的探针以相似的方式进行测定而得到检测。
在常规的分子间力显微镜中，将分子固定在探针上以使分子覆盖探针的整个表面。因此，如果没有正确控制探针和样品间的距离，在测定过程中探针上的大量分子与要测定的分子接触，所以测定分辨率差。相似地，在使用分子间力显微镜的分子加工中，很难仅加工一个分子，因为固定在探针上的大量分子与要加工的大量分子引起相互作用。在下文中，详细描述常规的分子间力显微镜的问题。
图12用图解法阐明一个实例，其中用分子间力显微镜测定固定在固体表面上的分子A(163)的位置。当将探针压到固体表面时，固体表面弹性变形，以使两个相邻分子，分子A(163)和分子B(164)引起相互作用，结果这两个分子的位置不能得到鉴定。
图13是阐明通过使用分子间力显微镜测定单链DNA(173)中包含的碱基，腺嘌呤(174)的位置的实例的示意图。将与腺嘌呤引起特异性相互作用的胸腺嘧啶(172)固定于探针(171)。原理上，DNA中腺嘌呤(174)的位置可以通过检测与探针上胸腺嘧啶(172)引起相互作用的腺嘌呤的位置而得到测定。然而，如果探针(171)太接近样品，两个或两个以上胸腺嘧啶分子(172)特异性地与DNA链(173)中的两个或两个以上的腺嘌呤分子(174)相互作用。结果难以鉴定DNA链(173)中腺嘌呤的位置。
图14阐明一个实例，其中用分子间力显微镜加工固定在基材上的蛋白质薄膜。肽酶是降解蛋白质的酶，将肽酶固定于探针(181)。在本例中，如果探针和样品间引起的力太大，则大量肽酶与蛋白质薄膜接触。结果难以以单分子大小的精密度加工蛋白质。
容易理解，上述问题可以通过将传感器分子或催化剂固定在尖端曲率半径在埃数量级的探针上而得到解决。提议的具有最小曲率半径的备选探针为碳纳米管。近几年，已提出将碳纳米管固定于AFM(原子力显微镜)探针和将有机分子固定于碳纳米管的方法(D.Hongjie等，Nature；vol.384，p.147，1996)。然而，即使是碳纳米管，其尖端曲率半径也达2.6nm，因此，在探针尖端部朝向样品的区域(尖端面)形成的分子数目约为几百个。所以，与上述相似，如不严格控制探针和样品间的力，则探针上的大量分子与样品分子间引起相互作用。
优选地，上述尖端面上叠加有多个单分子层，构成该多个单分子层的各单分子层的分子密度从上述尖端面到外侧逐渐减小。
优选地，上述至少一个单分子层通过共价键叠加。
优选地，上述至少一个单分子层由有机分子形成，上述尖端面上的最外层的单分子层中含有的分子数目等于或小于100。
优选地，本发明的探针具有多个单分子层，其中放置在多个单分子层的各层中的具有化学传感器功能或催化功能的分子相互不同。
在本发明的一个方面，本发明涉及扫描探针显微镜的探针，所述探针具有含导电性聚合物的被覆层，该被覆层中含有选自无机催化剂和有机催化剂的催化剂。
优选地，本发明的探针的上述被覆层上进一步叠加有至少一个有机分子膜，在最外层的有机分子膜中或其上放置有具有化学传感器功能或催化功能的分子。
优选地，上述被覆层中的催化剂的功能不同于上述具有化学传感器功能或催化功能的分子的功能。
在本发明的一个方面，本发明涉及上述扫描探针显微镜的探针的制造方法，所述方法包括以下步骤(a)在探针上叠加单分子层；以及(b)在该单分子层叠加其他单分子层，或改变该单分子层中含有的分子的分子结构。
优选地，上述步骤(b)包括，通过置换效率小于1的化学反应，用官能团置换上述单分子层中含有的分子的末端，以及将该官能团与能结合于该官能团的分子结合。
优选地，上述单分子层由有机分子形成，上述步骤(b)包括将探针远位尖端部与具有催化功能的固体表面接触，从而仅反应性改变上述探针的远位尖端部的尖端面上的有机分子。
优选地，上述单分子层由有机分子形成，上述步骤(b)包括用探针扫描存在至少一个具有催化功能的区域的固体表面，以及在上述探针和上述区域接触或接近的时候，仅反应性改变上述探针的远位尖端部的尖端面上的有机分子。
优选地，上述单分子层由有机分子形成，当有机分子在底物的存在下与固体催化剂接触时，分子结构通过化学反应得到改变，上述步骤(b)包括在该底物不存在的状态下，通过重复探针向上述固体催化剂的表面接近，然后远离的往复运动，调整上述探针和上述固体催化剂之间的接近距离，此后在上述底物的存在下，以该接近距离使上述探针和上述固体催化剂接近，从而改变上述有机分子的分子结构。
优选地，上述方法进一步包括将具有化学传感器功能或催化功能的有机分子结合到上述改变的有机分子上的步骤。
在本发明的一个方面，本发明涉及扫描探针显微镜的探针的制造方法，所述方法包括以下步骤将探针浸渍在可电化学聚合的单体溶液中；以及给上述探针施加电压使上述单体聚合，从而形成被覆层。
优选地，上述单体溶液含有催化剂分子。
优选地，上述方法进一步包括以下步骤将具有被覆层的探针浸渍在含有催化剂分子的溶液或分散液中，以及给上述探针施加电压，从而将上述催化剂分子吸收到被覆层中。
在本发明的一个方面，本发明涉及用具有探针的扫描探针显微镜加工目的分子的方法，该探针具有含导电性聚合物的被覆层，且被覆层中吸收有催化剂分子，所述方法包括以下步骤使上述探针接近目的分子，通过给上述导电性聚合物施加电压，使上述催化剂分子向上述目的分子喷出，引起化学反应。
本发明还涉及扫描探针显微镜，所述显微镜包括上述探针，控制上述探针和上述样品间的相对位置的装置，以及检测上述探针和上述样品间的相互作用的装置。
图2是本发明的扫描探针显微镜的探针的总体示意图。图中的参考数字表示以下内容。1扫描探针显微镜的探针20单分子层；21、21′探针尖端部的单分子层。
图3是本发明的扫描探针显微镜的探针的总体示意图。图中的参考数字表示以下内容。1扫描探针显微镜的探针；30导电性聚合物；31限制在导电性聚合物中的催化剂32有机分子膜33具有传感器功能或催化功能的分子。
图4概略地示意本发明的扫描探针显微镜的制造方法。图中的参考数字表示以下内容。1扫描探针显微镜的探针42单分子层；43置换的分子末端44第二单分子层45置换的分子末端；46具有传感器功能或催化功能的分子。
图5概略地示意本发明的扫描探针显微镜的探针的制造方法。图中的参考数字表示以下内容。1扫描探针显微镜的探针；52单分子层；53固体催化剂(Pt)；54反应部分；55具有传感器功能或催化功能的分子。
图6概略地示意本发明的分子加工法。图中的参考数字表示以下内容。1扫描探针显微镜的探针；62导电性聚合物；63催化剂；64要加工的DNA；65施加有正电压的探针；66扩散入溶液的催化剂，其对反应没有贡献67对反应有贡献的催化剂；68催化剂和特定碱基反应的部分。
图7概略地示意两种类型的单分子膜固定在模型上的基材。图中的参考数字表示以下内容。71COOH(CH2)14SH(面积3×3μm2)；72CH3(CH2)17SH(面积3×3μm2)。
图8表示用本发明的探针测定的力曲线。(A)是显示在固定有氨基的探针和分子末端是羧基的单分子膜间测定的力曲线的图，而(B)是显示在固定有氨基的探针和分子末端是羧基的单分子膜间测定的力曲线的图。图中的参考数字表示以下内容。81探针；82杠杆部。
图9示意铂在其上形成图案的硅钢片(silicon plate)。图中的参考数字表示以下内容。91硅钢片；92铂模型。
图10是本发明的扫描探针显微镜的总体示意图。图中的参考数字表示以下内容。101涂有铂的探针；102样品；103压电元件；104稳压器；105参比电极；106对电极。
图11是原子间力显微镜的总体示意图。图中的参考数字表示以下内容。114探针151激光束；152杠杆部；153样品154压电元件；155两个光电二极管。
图12示意地阐明用常规分子间力显微镜测定分子A和B。图中的参考数字表示以下内容。161扫描探针显微镜的探针；162具有化学传感器功能的分子；163分子A；164分子B。
图13示意地阐明用常规分子间力显微镜测定单链DNA。图中的参考数字表示以下内容。171扫描探针显微镜的探针；172胸腺嘧啶；173要测定的DNA；174腺嘌呤；175胞嘧啶；176鸟嘌呤。
图14示意地阐明用常规分子间力显微镜加工蛋白质薄膜。图中的参考数字表示以下内容。181扫描探针显微镜的探针；182具有催化功能的单分子层；183要加工的分子。
图15是本发明的扫描探针显微镜的总体示意图。图中的参考数字表示以下内容。191探针；192压电元件；193信号控制装置；194信号检测装置；195计算机；196样品；197信号线；198压电元件X轴方向伸缩控制信号；199压电元件Y轴方向伸缩控制信号；200压电元件Z轴方向伸缩控制信号。
图2(B)示意地显示探针尖端面上由两类或两类以上具有不同化学传感器功能或催化功能的分子(21，21′)形成的单分子层的实例。当两类或两类以上具有不同化学传感器功能或催化功能的分子连接到探针尖端面的单分子层上时，可以赋予探针与图2(A)所描述的相同的功能。在这种探针中，各种类型的功能分子具有不同的化学传感器功能或催化功能。通过用该探针扫描样品的单一过程，可以同时进行不同操作。(实施方案3)根据本发明的实施方案3的扫描探针显微镜的探针如图3所示。参照图3(A)，实施方案3的探针的特性在于探针表面覆盖有导电性聚合物(30)，并且选自无机和有机催化剂的催化剂(31)包含在聚合物中。图3(B)显示至少一个有机分子膜(32)在含有导电性聚合物(30)的被覆层上形成，在探针尖端面的最外层有机分子膜上具有具有化学传感器功能或催化功能的分子的实例。在图3(B)所示的实例中，功能分子(33)连接于有机分子膜(32)。由于导电性聚合物中含有的催化剂(31)和探针尖端面的最外层有机分子膜上的功能分子(33)具有不同的功能，因此通过用该探针扫描样品的单一过程，可以同时进行不同操作。(实施方案4)用于生产本发明的扫描探针显微镜的探针的第一种方法包括，如图4所示，在探针(1)上叠加第一单分子层(42)的步骤；通过置换效率小于1化学反应，用其它官能团置换第一单分子层(42)中含有的一些分子的末端基团的步骤；形成连接到置换的官能团(43)上的分子的第二单分子层(44)的步骤；以及在第二单分子层(44)上形成第三单分子层以生产上面叠加有两层或两层以上单分子层的探针。
例如，在曲率半径为20nm的探针尖端面上以100％的覆盖率形成含有烷基链的第一单分子层42的情况下，第一单分子层(42)含有约10000个分子。在第一单分子层(42)上，第二单分子层(44)以0.5的置换效率形成，第三单分子层以0.5的置换效率形成，后面的单分子层以相似的方式以每层0.5的置换效率形成。在所得的叠加的各层中，探针尖端面上第11层中含有的分子数目约为10。
在本说明书中，这样的结构称为“金字塔结构”。
探针表面形成的第一单分子层(42)可以通过自组装方法形成。例如，可能通过将探针浸渍在含有末端具有巯基(-SH)、氯硅基(Si-Cl)或烷氧硅基(Si-OR；R表示烷基如甲基、乙基)的长链分子的溶液中一段时间而形成第一单分子层(42)。
如果分子末端是巯基，在浸入溶液前需要用金覆盖探针表面。当末端具有氯硅基的分子用于形成单分子层时，形成的单分子层具有极好的耐久性，因为氯硅基和探针形成很强的化学键。当单分子层中含有的分子的另一分子末端是乙烯基(C＝C)或溴基(-CBr)时，该分子末端可以容易地用具有高反应性的官能团如氨基(-NH2)、羧基(-COOH)、硅醇基(-SiOH)、羟基(-OH)等置换。当置换效率设置为低于1时，第一单分子层中含有的一些分子的末端被具有高反应性的官能团置换。
接着，将与置换的官能团反应并连接的分子用于形成第二单分子层。例如，具有氯硅基或烷氧硅基的分子可以和上述官能团形成化学键。此外，例如，如果第一层中含有的分子的末端被氨基置换，则该分子可以和第二层中具有羧基的分子形成肽键(-NH-CO-)。此后，第二层中含有的分子的末端以相似的方式被具有高反应性的官能团以低于1的反应效率置换，于是，第三单分子层形成。基于这种过程，最外层单分子层具有低分子密度的多层结构可以形成。通过赋予外层单分子层传感器功能或催化功能，原理上，单分子的化学结构可以得到测定或加工。
分子，如DNA的碱基、抗体或蛋白质可以连接于最外层单分子层中含有的分子。在图4中，最外层分子存在于探针尖端面上。然而，分子可以不存在于探针尖端面上。在这种情况下，探针绕探针的纵轴或任何垂直于探针纵轴的轴旋转，以使其上在外层中存在分子的探针的区域定位于要测定的样品附近。探针旋转后，定位于样品附近的探针的区域称为探针尖端面。(实施方案5)生产本发明的扫描探针显微镜的探针的第二种方法包括在探针上形成有机单分子层的步骤；通过将探针尖端面与具催化功能的固体表面接触，而在探针尖端面有机单分子层中引起化学反应的步骤。在此，通过控制探针与固体表面接触的面积，可以仅改变探针尖端面的单分子层的化学结构。将具有化学传感器功能或催化功能的分子固定在改变的部分，从而可以仅将化学传感器功能或催化功能赋予探针尖端面。
这种探针的实例如图5所示。在探针(1)上，以与上述本发明探针的第一种生产方法相似的方式形成自组装单分子层(52)。单分子层中含有的分子的末端是官能团，这样当分子末端与特定固体催化剂(53)接触时引起化学反应。例如，如果分子末端是叠氮基(-CN3)，当它与含有氢气的溶液中的铂(53)接触时，官能团被氨基置换。这样，当将探针尖端置于含氢气的水溶液中的铂板时，和铂板接触的探针尖端面单分子层中含有的分子的末端被氨基置换。如果传感器分子或催化剂分子(55)通过该氨基连接到探针上，传感器分子或催化剂分子55仅存在于探针尖端面。用这种探针，原理上，单分子的化学结构可以得到测定或加工。
第一传感器分子或催化剂分子(55)如上所述连接到探针尖端面上后，探针沿其纵轴或垂直于纵轴的轴旋转或移动，重复以上操作，从而使与第一传感器分子或催化剂分子(55)功能不同的第二传感器分子或催化剂分子可被置于探针尖端面的不同位点上。这样，通过在探针尖端面上放置多种类型的传感器分子或催化剂分子，通过用探针扫描样品的单一过程可以同时进行不同操作。(实施方案6)本发明的第三种生产方法在调整探针与催化剂的接触方面更有用。在第三种方法中，有机单分子层首先在探针表面上形成。接着，用探针扫描至少含一个具有催化功能的区域的固体表面，以使在探针接触或靠近具有催化功能的区域时，存在于探针尖端面的有机分子发生化学反应。在该方法中，可以通过在用探针扫描没有催化功能的区域时，调整探针和固体间的距离，而准确控制与具有催化功能的固体接触的探针的面积。结果，仅改变探针尖端面的特定部分的单分子层化学结构。将具有化学传感器功能或催化功能的分子固定在改变的部分，从而可以仅将化学传感器功能或催化功能赋予探针尖端面。(实施方案7)本发明的第四种生产方法也用于调整探针和催化剂的接触。在第四种方法中，有机单分子层在扫描探针显微镜的探针的表面上形成。当该单分子层在预定底物的存在下与催化剂接触时，引起单分子层和催化剂的反应。接着，将探针移向固体催化剂表面，并接着从那里移开。在这种往复运动的过程中，当探针再次移近固体催化剂时获得的探针和固体催化剂间的距离得到调整。此后，在探针和固体催化剂附近提供底物。当探针再靠近固体催化剂时，探针尖端面的有机单分子层的化学结构得到改变。
通过使用该方法，与具有催化功能的固体接触的探针面积得到准确控制。结果，可以仅改变探针尖端面的单分子层的化学结构。具有化学传感器功能或催化功能的分子固定在改变的部分，从而可以仅将化学传感器功能或催化功能赋予探针尖端面。(实施方案8)本发明的扫描探针显微镜的探针的第五种生产方法的特征在于将导电性探针浸渍在溶解有可电化学聚合的单体和催化剂分子的溶液中，并且给探针施加电压，从而使单体在探针上聚合，以形成被覆层，催化剂分子被吸收在被覆层中。(实施方案9)本发明的扫描探针显微镜的探针的第六种生产方法包括将导电性探针浸渍在可电化学聚合的单体溶液中，给探针施加电压，从而使单体在探针表面聚合，以形成被覆层的步骤；以及将探针浸渍在溶解有催化剂分子的溶液中，给探针施加电压，从而使溶液中含有的催化剂分子通过静电吸引被吸收入被覆层中的步骤。在第五和第六种探针生产方法中，吡咯或苯胺可以用作可电化学聚合的单体。含有溶解其中的电解质的水溶液或有机溶液用作单体溶解的溶液。当催化剂分子是蛋白质时，缓冲溶液比较合适。这是因为，在缓冲溶液中，溶液中含有的盐起电解质的作用，从而抑制蛋白质变性。单体在探针上的聚合通过简单地给浸渍在溶液中的探针施加一定电压来实现。在探针上形成的聚合膜(被覆层)的厚度取决于电压施加的时间或通过电解而流过探针的总电荷。
此外，本发明提供不仅在探针表面的尖端而且在非探针尖端面的探针表面区域包含传感器分子或催化剂分子的探针，原理上，其能够测定或加工单个有机分子。本发明提供使用这种探针的加工方法。这种探针和方法的实例如图6所示。将导电性材料用于探针(1)，这样可以向其施加电压。因此优选使用扫描电化学显微镜或扫描隧道显微镜的探针。探针(1)的表面覆盖有导电性聚合物(62)，如聚吡咯、聚苯胺、聚二乙炔等。催化剂分子(63)被该聚合物吸收。在催化剂分子(63)有电荷的情况下，通过给探针(1)施加电压，从探针(1)释放催化剂分子(63)。对具有电荷的催化剂分子的选择容易地实现。例如，当使用酶时，在pH与酶的等电点不同的水溶液中，酶带正电荷或负电荷。
在催化剂(63)是铂微粒的情况下，可以通过控制水溶液的pH而相似地使微粒带电荷。探针(1)置于要加工的分子附近，给探针(1)施加电压，从而使催化剂分子(63)从聚合物(62)释放。然而，分子(63)的释放方向不稳定。一些分子(63)向靠近要加工的分子的方向释放；其它分子(63)不移向要加工的分子，而是在溶液中扩散。此外，催化剂(63)的释放速率随膜中电场变大而增加。由于探针(1)的尖端曲率半径很小，在探针(1)尖端的电场浓度很高，因此，在探针(1)尖端的催化剂(63)的释放速率增加。因此，在探针(1)尽可能靠近样品分子放置后，给探针(1)施加电压，只有存在于探针尖端面的催化剂分子可以接近要加工的分子，而在存在于探针其它区域的催化剂分子可以在溶液中扩散。因此，通过使用上述探针和加工方法，原理上可以加工单个分子的化学结构。
在实施方案8和9中描述的聚合膜(被覆层)中，官能团如氨基，存在于膜表面。用于本发明的探针的上述第一种生产方法中的材料，即一端具有氯硅基或烷氧硅基的有机分子与官能团反应，从而在被覆层表面可以形成有机分子膜。此外，当有机分子的另一分子末端具有当与特定固体催化剂接触时引起化学反应的官能团如叠氮基时，使用上述本发明的第二种探针生产方法，可以将传感器分子或催化剂分子仅连接到探针尖端面上。在这种情况下，如果导电性聚合物含有的无机或有机催化剂与具有与有机分子膜上的传感器分子或催化剂分子不同的功能，在用置于探针尖端面的传感器分子或催化剂分子的探针扫描样品的单一扫描操作后，给探针施加电压，以使导电性聚合物中含有的无机或有机催化剂释放，从而在用探针扫描样品的单一过程中可以同时进行不同操作。应该注意，由于在导电性聚合物层上形成的有机分子膜具有非常稀疏的结构(即低密度)，通过给探针施加电压，有机分子膜并不阻止催化剂分子释放。
在上文中，对本发明的实施方案进行了描述。在下面的实施例中，对本发明进行更详细的描述。应该注意，本发明并不局限于下面的实施例。
在下文中，参照实施例对本发明进行具体的描述。本发明并不局限于这些实施例。(实施例1)用氮化硅制成的原子力显微镜的探针在臭氧存在下用紫外线照射，从而使净化探针表面。接着，为了形成第一单分子层，将探针在在溶解有1％(体积)18-二甲基甲硅烷基十八烷基三氯硅烷(H(CH3)2Si(CH2)18SiCl3)的正十六烷和氯仿(体积比4∶1)混合液中浸渍1小时。接着，从溶液中移出探针并用氯仿净化。以上操作在充满干燥氮气的手套箱中进行。结果，在探针表面上形成H(CH3)2Si(CH2)18Si-O第一单分子层。接着，将所得探针在氢氧化四甲铵(TMAH)和甲醇的混合溶液中浸渍约10分钟，并用水洗涤。结果，第一单分子层的分子末端是硅醇基(SiOH)。
接着，将所得探针在溶解有1％(体积)19-乙烯基十六烷基三氯硅烷(CH2＝CH(CH2)16SiCl3)的正十六烷和氯仿(体积比4∶1)混合液中浸渍1小时。接着，从溶液中移出探针，并用氯仿洗涤。以上操作在充满干燥氮气的手套箱中进行。结果，在探针上形成层CH2＝CH(CH2)16Si-O第二单分子层，第二单分子层的膜密度，也就是第二单分子层中含有的分子的密度低于第一单分子层的分子密度。接着，将所得探针和溶解有浓度为1mol/L的乙硼烷的四氢呋喃溶液反应约10秒钟。该操作在氩气氛中进行。接着，将所得探针和充氧水(H2O2，30％(体积))和氢氧化钠(NaOH，0.1mol/L)的混合溶液反应1分钟。结果，第二单分子层中含有的一些分子的末端被醇基(COH)置换。接着，将所得探针在溶解有1％(体积)10-溴癸烷基三氯硅烷(BrCH2(CH2)9SiCl3)的正十六烷和氯仿(体积比4∶1)混合液中浸渍1小时。
接着，从溶液中移出探针，并用氯仿洗涤。以上操作在充满干燥氮气的手套箱中进行。结果，探针上形成BrCH2(CH2)9Si-O的第三单分子层，第三单分子层的膜密度低于第二单分子层。接着，将所得探针在溶解有200mg NaN3的25mL二甲基甲酰胺中浸渍约1小时，此后，将探针用二甲基甲酰胺洗涤。通过该操作，一部分第三单分子层中含有的分子的末端的Br被N3置换。接着，将探针过夜浸渍在1L含有10g LiAlH4的乙醚溶液中。此后，探针用乙醚溶液洗涤，并且浸渍在10％(体积)盐酸溶液中。然后，将所得探针在(C2H5)3N溶液中浸渍2小时，并用氯仿洗涤。结果，被N3置换的分子末端被NH2置换。
在与探针材料相同的氮化硅基材表面进行与上述相同的加工，通过FT-IR方法分析在氮化硅基材表面上形成的有机分子膜。结果，发现第二单分子层中含有的分子数目约为第一层中的1/1000，第三单分子层中含有的分子数目约为第一层的1/10000。因此，这间接证明在探针的第一到第三有机层中，有机分子膜中含有的分子的密度在较高层中较低。(实施例2)使用与实施例1中描述的相同方法在探针上形成多层结构，以使最外层单分子层中含有的分子的末端是氨基。接着，将该探针在含有2.5％(重量)戊二醛的水溶液中浸渍30分钟，接着用水洗涤。此后，及探针在含有10％(重量)葡糖氧化酶(来自酵母的酶)的pH＝7.0的磷酸盐缓冲溶液中浸渍1小时。结果，多层结构最外层单分子层中含有的分子的末端的氨基与酶共价连接。(实施例3)由氮化硅制成的原子力显微镜的探针在臭氧存在下用紫外线照射，从而使探针表面得到净化。接着，为了形成第一单分子层，将探针在溶解有1％(体积)10-溴癸烷基三氯硅烷(BrCH2(CH2)9SiCl3)的正十六烷和氯仿(体积比4∶1)混合液中浸渍1小时。接着，从溶液中移出探针，并用氯仿洗涤。以上操作在充满干燥氮气的手套箱中进行。结果，探针上形成具有10-溴癸基的单分子层。接着，将探针在溶解有200mg NaN3的25mL二甲基甲酰胺溶液中浸渍12小时，并接着用二甲基甲酰胺洗涤。通过该操作，单分子层中含有的分子的末端的Br被N3置换。接着，将所得探针安装在AFM装置中，然后使用压电元件使探针靠近沉积有铂的硅钢片。该操作使探针和硅钢片都与含有氢气的2-丙醇接触。结果，探针尖端面单分子层中含有的分子的末端由于铂的催化功能而被氨基(-NH2)置换。
为了确证探针尖端面的单分子层的一部分被氨基置换，进行以下测定。如图7所示，十八烷基硫醇(CH3(CH2)17SH)(72)和14-羧基十六烷基硫醇(COOH(CH2)14SH)(71)的模型在涂金硅钢片上形成。通过使用上述方法用所制造的探针测定模型上摩擦力的分布。为了区别含有甲基的单分子层和含有羧基的单分子层，含有甲基的单分子层的碳数目比含有羧基的单分子层的大4。
根据在乙醇中的测定结果，含有羧基的单分子层上的摩擦力大于含有甲基的单分子层上的摩擦力。另一方面，使用未处理的探针和具有分子末端未被氨基置换的单分子层的探针进行相同的测定。在这些测定中，在两种类型的单分子层中没有测到摩擦力的差别。含有羧基的单分子层上摩擦力很大的原因被认为是由于氨基和羧基间的范德华力大于氨基和甲基间的。因此，认为探针尖端面的单分子层中存在氨基。
此外，测定根据上述方法制造的探针和含有14-羧基十六烷基硫醇的单分子层间的力曲线。在力曲线测定方法中，样品以1Hz的频率沿z-轴方向往复运动，以使样品重复与探针接触或远离探针，从而测定施加在探针上的力和样品沿z-方向的移动距离(与探针和样品间的距离有关)之间的关系。
图8(A)显示在以上测定方法中测定的代表性的力曲线。力曲线在乙醇中测定。水平轴代表压电元件沿z-方向的移动距离。在该实施例中，水平轴代表样品(83)的移动距离，因为样品(83)固定在压电元件上。此外，纵轴代表杠杆部(82)中的偏转。在“零线”以上的区域中，给探针(81)施加斥力，以使杠杆部(82)在背离样品的方向上偏转。在“零线”以下的区域中，给探针(81)施加引力，以使杠杆部(82)朝向样品偏转。在样品(83)足够远离探针(81)的状态(a)下，在探针(81)和样品(83)间基本上没有施加力，以使杠杆部(82)不偏转。当压电元件逐渐延伸，样品(83)移近探针(81)时，由于范德华引力，探针(81)在某点突然与样品(83)接触，导致状态(b)。这样的现象发生是因为杠杆部(82)的弹簧常数小于探针(81)和样品(83)间施加在探针(81)上的范德华的差值。
压电元件进一步延伸，以使样品(83)被压在探针(81)上。结果，在探针(81)中发生斥力，导致杠杆部(82)偏转以至于杠杆部(82)的中心部背离样品(83)的状态(c)。接着，缩回压电元件。即使当压电元件缩回到样品(83)首次与探针(81)接触的位置时，探针(81)也不从样品(83)脱落。随着进一步缩回，探针(81)从样品(83)脱落。探针(81)从样品(83)脱落的时刻显示在状态(d)中。探针(81)从样品(83)脱落所需的力在本文中得定义为吸附力。吸附力基本上等于探针(81)和样品(83)间引起的范德华力。认为在该实施例中产生的范德华力来自氨基和羧基间引起的力。
图8(B)显示了另一条力曲线，其与上述力曲线的不同之处在于在样品(83)和探针(81)接触后引起的探针(81)对样品(83)的压力的量。在该力曲线中，压力的量小于上述力曲线的。当压力的量变化时，与样品(83)接触的探针(81)的面积相应变化。由于当探针(81)压到样品(83)上时，样品(83)弹性变形，因此与样品(83)接触的探针(81)的面积随着压力的量增加而变大。然而，在该力曲线中，即使压力的量变化，吸附力基本上相同。这意味着只有存在于探针尖端面的氨基对范德华力有贡献，而探针其它部分对范德华力没有贡献。因此，证明氨基在探针尖端面上形成。
作为参考，根据与实施例1中描述的相同方法，在整个探针上形成分子末端具有氨基的单分子层。使用该探针，测定探针和分子末端具有羧基的单分子层间的力曲线。随探针压到样品单分子膜上的力增加，吸附力变大。这意味着探针整个表面覆盖有分子末端具有氨基的单分子层。(实施例4)使用与实施例3中描述的相同方法，在探针上形成单分子层，以使单分子层中含有的分子的末端为NH2。将所得探针在含有2.5％(重量)戊二醛的水溶液中浸渍30分钟，接着用水洗涤。此后，将探针在含有10％(重量)氨肽酶(来自牛肾小管的酶)的pH＝7.0的磷酸盐缓冲溶液中浸渍1小时。结果，酶连接到含有分子末端为氨基的分子的单分子层上。接着，将所得探针用于加工蛋白质薄膜。为了该过程，将牛血清白蛋白的单分子层用Langmuir-Blodgett方法固定到硅钢片上，从而形成样品片。由于白蛋白易于吸附于水/空气界面上，因此通过使用常规方法可以在硅钢片上形成白蛋白单分子层。
接着，将其上固定有白蛋白单分子层的硅钢片和其上固定有氨肽酶的探针一起浸渍在缓冲溶液中。在此所用的缓冲溶液含有多肽酶抑制剂。氨肽酶具有水解蛋白质肽键的功能。接着，测定力曲线，调整与样品接触的探针面积，使其约为0.1×0.1nm2。只要探针和样品在该状态下，即使当探针与白蛋白薄膜接触，由于抑制剂的作用，探针也不水解白蛋白。接着，连续更新缓冲溶液，从而从溶液中除去抑制剂。接着，用含有抑制剂的缓冲溶液连续代替缓冲溶液。此后，以测定力曲线的点中心，当探针和样品间引起的力保持不变时，测定20×20nm2的范围。
结果，发现白蛋白从0.1×0.1nm2的区域中除去而形成孔。作为参考，使用其上没有固定酶的探针进行相同的过程，但是在蛋白膜上没有形成孔。该结果显示，当其上固定有氨肽酶的探针尖端面与白蛋白单分子层接触时，白蛋白的多肽键被水解，水解的化合物溶解在溶液中，从而形成孔。(实施例5)使用与实施例3中描述的相同方法，在由氮化硅制成的原子力显微镜探针上形成单分子层，以使单分子层中含有的分子的末端为N3。在另一方面，在硅钢片上形成制成模型的铂薄膜。如图9所示，在硅钢片(91)上形成3×3μm2的铂模型(92)。接着，将探针和硅钢片浸渍在2-丙醇溶液中，当探针和硅钢片间引起的力保持不变时，用探针测定硅钢片上30×30μm2的区域。结果，观察到铂模型(92)。在该测定条件下，即使当探针与铂接触时，探针尖端面的N3也没有被NH2置换，因为2-丙醇中不含氢。接着，当用探针扫描基材表面时，调整压电元件的反馈，以使探针和硅钢片间的斥力为1.5nN。此后，将氢气作为底物引入2-丙醇中。结果，当探针与铂接触时，探针尖端面的单分子层中的N3被NH2置换。
以与实施例4中描述的相同方式，在含有分子末端是羧基的分子的单分子层上测定力曲线。由于探针和样品接触后探针压到样品上的压力提高，因此吸附力增加。然而，当压力超过1.5nN后，吸附力不再增加。这间接地证明了只有探针尖端面单分子层中含有的分子的末端被氨基置换。当探针以1.5nN的压力压到样品上时，与样品接触的探针面积可以通过Hertzian接触方程式，方程式(1)计算S＝k×(P)2/3(1)其中S表示接触面积(nm2)；P表示探针和样品间的斥力(nN)；k表示通过探针和样品的弹性常数，以及探针尖端面曲率半径测定的常数。
在该实施例中，探针由氮化硅制成，样品板由硅制成，探针尖端曲率半径为50nm。因此，k约为2.3。所以，当斥力为1.5nN时，S为3(S＝3)。因此，可以说氨基存在于探针尖端面的3nm2区域内。考虑到单分子层中含有的单个分子面积为0.25nm2，估计探针尖端面存在的12个分子的末端为氨基。(实施例6)使用与实施例5中描述的相同方法在探针上形成单分子层，使单分子层中含有的分子的末端为NH2。将所得探针在含有2.5％(重量)戊二醛的水溶液中浸渍30分钟，并接着用水洗涤。此后，将探针在含有10％(重量)氨肽酶的pH＝7.0的磷酸盐缓冲溶液中浸渍1小时。结果，酶连接到含有分子末端为氨基的分子的单分子层上。此外，以与实施例4中描述的相同方式加工蛋白膜。然而，在该实施例中进行的力曲线方法中，与样品蛋白膜接触的探针面积等于或大于10×10nm2。如果氨肽酶连接到探针的整个表面上，与探针接触的蛋白膜表面区域上将形成孔。然而，膜中实际形成的孔的大小等于或小于1nm2。这意味着氨肽酶仅固定在探针尖端面。(实施例7)使用与实施例3中描述的相同方法，在由氮化硅制成的原子力显微镜的探针上形成单分子层，以使单分子层中含有的分子的末端为N3。在另一方面，铂薄膜在硅钢片上形成。接着，将探针和硅钢片浸渍在2-丙醇中，并且测定力曲线。力曲线测定是检测施加在探针的力和当样品仅沿z-方向而不沿x-或y-方向往复运动时的样品移动距离之间的关系的方法。在测定力曲线时，调整样品沿着z-方向的移动方向，从而使与样品接触的探针面积可以得到调整。在该实施例中，调整力曲线使与铂接触的探针面积为1nm2。在这些条件下，即使当探针与铂接触时，N3也不被NH2置换。通过在2-丙醇中引入氢气，在探针与铂接触的1nm2区域内，单分子层中含有的分子的末端的N3被NH2置换。通过相似于实施例5中进行的力曲线测定，证实单分子层中含有的分子的末端在探针尖端面上的区域内被NH2置换。(实施例8)使用与实施例7中描述的相同方法在探针上形成单分子层，以使单分子层中含有的分子的末端为NH2。将所得探针在含有2.5％(重量)戊二醛的水溶液中浸渍30分钟，并接着用水洗涤。此后，将探针在含有10％(重量)氨肽酶的pH＝7.0的磷酸盐缓冲溶液中浸渍1小时。结果，酶连接到含有分子末端为氨基的分子的单分子层上。此外，以与实施例4中描述的相同方式加工蛋白膜。然而，在该实施例中进行的力曲线方法中，与样品蛋白膜接触的探针面积等于或大于10×10nm2。如果氨肽酶固定在探针的整个表面，与探针接触的蛋白膜的表面区域中将形成孔。然而，膜中实际形成的孔的大小等于或小于1nm2。这意味着氨肽酶仅固定在探针尖端面上。(实施例9)使用与实施例7中描述的相同方法在探针上形成单分子层，以使单分子层中含有的分子的末端为NH2。此后，脱氧核糖核酸酶(来自牛胰脏)连接到用与实施例8中描述的相同方法所得的探针上。脱氧核糖核酸酶是水解DNA磷酸酯键从而切断DNA的酶。
接着，将由100个碱基组成的单链DNA固定在云母片上。在下文中，描述固定DNA的方法。将劈开的白云母暴露于水蒸气等离子体，从而将羟基引入白云母表面。此后，将白云母片浸渍在含有1％(体积)3-氨基丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中。接着，用乙醇和水依次洗涤云母片，在100℃下干燥10分钟。通过该操作，含有分子末端是氨基的分子的单分子层在云母上形成。此后，将云母在含有1％(体积)由100个碱基对组成的单链DNA的纯水中浸渍10分钟。接着，用水轻微洗涤云母，并在室温下干燥。浸渍在中性水溶液中的云母上的单分子层中，氨基被电离以获得正电荷，DNA获得负电荷。因此，通过上述方法将DNA固定在云母片上。
接着，将云母片和探针浸渍在pH＝7的磷酸盐缓冲溶液中，并进行测定。测定在脱氧核糖核酸酶抑制剂的存在下进行。在抑制剂的存在下，脱氧核糖核酸酶不产生酶活性，即使当脱氧核糖核酸酶与DNA接触时也不切断DNA。通过该测定，基底上DNA存在的位置得到鉴定。然后，将探针移到DNA上面的位置，在DNA上测定力曲线。在力曲线测定中，将与DNA接触的探针面积调整到等于或大于1nm2。在这种条件下，连续更新缓冲溶液，从而将抑制剂从溶液中除去。在这种条件下，当探针与DNA接触时，由于脱氧核糖核酸酶的作用，DNA被水解，从而切断DNA。此后用含有抑制剂的缓冲溶液连续替换缓冲溶液，然后测定DNA。结果，在DNA中发现切断的部分。切断部分的大小等于或小于0.1nm。如果脱氧核糖核酸酶固定在探针的整个表面上，与探针接触的DNA部分将被水解，这样，切断部分一定具有更大的大小。该实施例的上述结果意味着脱氧核糖核酸酶仅固定在探针尖端面上。(实施例10)将由铂制成的STM(扫描隧道显微镜)的探针浸渍在含有10mM吡咯和1％(重量)氨肽酶(来自牛肾小管；等电点pH＝5.0)的pH＝7的磷酸盐缓冲溶液中。给探针施加0.7V电压(相对于Ag/AgCl标准参比电极)1ms，从而使含有多肽酶的聚吡咯膜在探针表面形成。(实施例11)将由铂制成的STM的探针浸渍在含有10mM吡咯的pH＝7的磷酸盐缓冲溶液中。给探针施加0.7V电压(相对于Ag/AgCl标准参比电极)1ms，从而使聚吡咯膜在探针表面形成。接着，将探针浸渍在含有10％(重量)氨肽酶(来自牛肾小管；等电点pH＝5.0)的pH＝7的磷酸盐缓冲溶液中。给探针施加1.0V电压(相对于Ag/AgCl标准参比电极)。由于氨肽酶在pH＝7的溶液中带负电荷，因此氨肽酶在电场吸引下被吸收入聚吡咯中。(实施例12)制备AFM的导电性探针。该探针可以通过常规用于AFM的在探针上沉积铂而生产。用于本实施例的扫描探针显微镜的基本结构与AMF的相似，除了该实施例的探针具有附加功能。参照图10描述附加功能。在图10中，省略了AMF的基本控制功能。对电极(106)和参比电极(105)经稳压器装置(104)连接到探针(101)上。对电极(106)也起样品平板的作用。参比电极(105)相对于溶液通常具有稳定的电压值。由于稳压器装置(104)可以给探针(101)施加相对于参比电极(105)的恒压，因此可以给探针(101)施加相对溶液恒定的电压。此外，在稳压器装置(104)中，探针和参比电极间的电阻无穷，在探针表面上产生的电化学电流只在探针和对电极之间流动。
将AFM的导电性探针(101)浸渍在含有10mM吡咯和1％(重量)脱氧核糖核酸酶(来自牛胰脏；等电点pH＝5.0)的pH＝7的磷酸盐缓冲溶液中。给探针(101)施加0.7V电压(相对于Ag/AgCl标准参比电极)1ms，从而使含有脱氧核糖核酸酶的聚吡咯膜在探针(101)表面形成。
接着，将由100个碱基组成的单链DNA固定在云母片上。在下文中，描述固定DNA的方法。将劈开的白云母暴露于水蒸气等离子体，从而将羟基引入白云母表面。此后，将白云母片在含有1％(体积)的3-氨基丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中浸渍1小时。接着用乙醇和水依次洗涤云母片，在100℃下干燥10分钟。通过该操作，含有分子末端是氨基的分子的单分子层在云母上形成。此后，将云母在含有1％(体积)由100个碱基对组成的单链DNA的纯水中浸渍10分钟。接着，用水轻微洗涤云母，并在室温下干燥。在浸渍在中性水溶液中的云母上的单分子层中，氨基电离以获得正电荷，DNA获得负电荷。因此，通过上述方法将DNA固定在云母片上。
将固定有DNA的云母片和AFM的探针浸渍在pH＝7的磷酸盐缓冲溶液中，并测定单链DNA。在调整压电元件(103)以保持探针(101)和样品(102)间的斥力恒定时进行测定。然后，鉴定DNA存在的位置。接着，在探针(101)存在于DNA上的时刻，给探针(101)施加相对于参比电极(105)的1.0V电压1ns(与此同时，探针(101)和对电极(106)电耦合)。此后，再次观察DNA，观察到DNA在其一个位置被切断。推测这种现象发生是由于给探针(101)施加电压引起吡咯中的脱氧核糖核酸酶扩散入溶液中，探针尖端面的脱氧核糖核酸酶与DNA接触，由于其催化功能而使磷酸酯键水解。DNA仅在一个位点被切断意味着只有从探针尖端面释放的脱氧核糖核酸酶与DNA接触，而其它脱氧核糖核酸酶无效。这是因为，如果许多脱氧核糖核酸酶对DNA有作用，那么DNA将在许多位置上被切断。鉴于此，根据本发明，可以在分子水平实现精细的分子加工。(实施例13)使用与实施例3中描述的相同方法，将探针尖端单分子层中含有的分子的末端用氨基置换，此后，使用与实施例9中描述的相同方法，将脱氧核糖核酸酶固定在探针尖端面上。接着，使探针绕其纵轴旋转一次，使用与实施例3中描述的相同方法，与脱氧核糖核酸酶固定的位点不同的位点上单分子层中含有的分子的末端被氨基置换。接着，含有10mM包括引入了羧基的腺嘌呤的核苷酸的pH＝7.4的磷酸盐缓冲溶液和10mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺反应1小时。结果，包括腺嘌呤的核苷酸共价连接到与脱氧核糖核酸酶固定的位点不同的探针尖端面的位点上。
接着，使用与实施例9中描述的相同方法，将由30个碱基组成的单链DNA固定在云母片上。接着，将探针和云母片浸渍在pH＝7的缓冲溶液中。当给压电元件提供反馈以使探针和云母片间引起的力保持不变时，在脱氧核糖核酸酶抑制剂存在下扫描云母片表面。结果，鉴定了DNA存在的云母片的位置。接着，探针移到DNA上面的位置，用探针以原子级的精度(0.1埃的精度)扫描DNA，而调整探针和云母片间的距离以使探针尖端面包括腺嘌呤的核苷酸紧靠云母片，并且使探针和云母片间引起的力保持不变。测定结果显示，在七个位置发现突出。这些解释如下。在固定在探针上的腺嘌呤和DNA中的胸腺嘧啶间，发生氢键力。该力足够大于探针和另一碱基或云母片表面引起的力。因此，当探针位于DNA中的胸腺嘧啶上面时，探针大距离远离DNA，以保持原子间力稳定。因此，在DNA上观察到在常规AFM中不产生的突出。因此，确定胸腺嘧啶存在于这些突出的位置上。由上述分析，DNA上胸腺嘧啶的位置通过测量而得以测定。
接着，将相同的探针以与上述相同的方式用于扫描DNA，扫描在第三个突出停止，也就是认为存在第三胸腺嘧啶。在该位点，探针尖端面绕探针纵轴旋转一次，从而使脱氧核糖核酸酶靠近云母片上的DNA，接着测定力曲线。在力曲线测定过程中，将与DNA接触的探针面积调整到等于或大于1nm2。在这种情况下，连续更新缓冲溶液，从而将抑制剂从溶液中除去。结果，由于脱氧核糖核酸酶的作用，DNA被切断。就是说，该实施例的结果证明通过使用本实施例的探针，可以自由地在目的位置将DNA切断。
由于在本实施例中将具有未鉴定序列的DNA固定在云母片上，通过扫描DNA测定胸腺嘧啶的位置后，为了切断，在DNA上进行另一扫描操作。然而，在将具有已知序列的DNA固定在云母片上的情况下，不需要进行两次扫描。DNA切断可以仅通过一次扫描操作完成。在该实施例中，将包括腺嘌呤的核苷酸固定在探针上，因此，胸腺嘧啶的位置得以鉴定。或者，在含有胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶的核苷酸固定在云母片上的情况下，腺嘌呤、胞嘧啶和鸟嘌呤可以分别得到鉴定。(实施例14)使用实施例12中描述的相同方法，在AFM的导电性探针表面形成含有脱氧核糖核酸酶的聚吡咯膜。接着，将探针在溶解有1％(体积)10-溴癸基三氯硅烷的正十六烷和氯仿(体积比4∶1)的混合溶液中浸渍1小时。接着，从溶液中移出探针，并用氯仿洗涤。上述操作在充满干燥氮气的手套箱中进行。结果，在探针表面的聚吡咯膜上形成具有10-溴癸基的有机分子膜。接着，将探针在溶解有200mgNaN3的25mL二甲基甲酰胺溶液中浸渍12小时，并接着用二甲基甲酰胺洗涤。通过该操作，有机分子膜中含有的分子的末端的Br被N3置换。接着，将所得探针安装在AFM装置中，然后使用压电元件，使探针靠近其上沉积有铂的硅钢片。该操作使探针和硅钢片与含有氢气的2-丙醇接触。结果，由于铂的催化功能，探针尖端面聚吡咯膜上形成的有机分子膜中含有的分子的末端被氨基置换。然后，使含有10mM包括引入羧基的腺嘌呤的核苷酸的pH＝7.4的磷酸盐缓冲溶液和10mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺反应1小时。结果，包括腺嘌呤的核苷酸共价连接到探针尖端面聚吡咯膜上形成的有机分子膜上。
接着，使用实施例9中描述的相同方法，将由30个碱基组成的单链DNA固定在云母片上。接着，将探针和云母片浸渍在pH＝7.0的缓冲溶液中。当给压电元件提供反馈，以使探针和云母片间引起的力保持不变时，扫描测定云母片表面。结果，DNA存在的云母片的位置得到鉴定。接着，进行与实施例13描述的相同操作，结果鉴定了8个胞嘧啶位点。
接着，将相同的探针以上面描述的相同方式用于扫描DNA，扫描停止在第四个胞嘧啶存在的位点。在该位点，给探针施加相对于参比电极1.0V的电压1ns。结果，吡咯膜中含有的脱氧核糖核酸酶扩散入溶液，探针尖端面的脱氧核糖核酸酶与DNA接触，以切断DNA。就是说，该实施例的结果证明，通过使用本实施例的探针，可以自由地在目的位置切断DNA。
由于在本实施例中具有未鉴定的序列的DNA固定在基板上，通过扫描DNA确定胞嘧啶的位置后，为了切断，在DNA上进行另一扫描操作。然而，在将具有已知序列的DNA固定在基板上的情况下，不需要扫描两次。DNA切断可以仅通过一次扫描操作完成。在该实施例中，将包括鸟嘌呤的核苷酸固定在探针上，因此，鉴定了胞嘧啶的位置。或者，在将含有腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶的核苷酸固定在基板上的情况下，可以分别鉴定胸腺嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤。(实施例15)图15是本发明的扫描探针显微镜的总体示意图。该装置包括探针(191)、在三维方向上移动探针(191)并控制探针(191)和样品间的相对位置的装置(例如压电元件)(192)；调整位置控制装置(192)的运动的信号控制装置(193)；用于检测探针和样品间相互作用的信号检测装置(194)；以及加工和控制位置控制装置(192)的运动和探针与样品间相互作用的数据的计算机(195)。探针(191)具有上述的传感器分子或催化剂分子。虽然还需要用以检测探针和样品间相互作用的其他未知装置，但在此将这种装置省略。要测定的相互作用的实例包括探针和样品间引起的力(原子间力、分子间力、静电力、磁力等)、流过探针和样品间的隧道电流、在探针和样品间产生的隐失场等。在这些实施例中，在一般情况下测定探针和样品间引起的力。此外，该实施力的结构中，当探针被压电元件移动时，样品被固定。相反地，也可以将装置构建成当探针被固定时，样品被压电元件移动。
在探针(191)靠近样品的状态下测定X-Y平面上某区域时，通过测定探针和样品间引起的相互作用，可以测定样品表面信息。此外，探针(191)运动到样品(196)表面上的任何区域，可以用探针(191)加工样品(196)的表面。例如，将仅和特定分子强烈相互作用的传感器分子固定在探针(191)上，测定探针(191)和样品(196)间引起的力，从而可以鉴定样品(196)表面上的特定分子的位置。或者，将具有催化功能的分子连接到探针(191)上，将探针(191)置于样品表面附近，从而可以加工存在于样品表面的特定分子。或者，例如，在探针(191)表面上形成含有催化剂分子的导电性聚合物层，将探针(191)置于样品表面附近。然后，给探针(191)施加预定电压，以使催化剂分子释放到样品表面上，从而可以加工样品表面。
在本发明的上述实施方案中，将氯硅烷基单分子层用作有机单分子层。然而，本发明并不局限于此。当然，也可以使用包含分子末端是烷氧基或巯基的分子的单分子层。此外，酶主要固定在有机单分子层上，但是本发明并不局限于此。当然，可以将用于测定DNA碱基序列的碱基、用于测定分子的特定官能团的分子和用于测定抗原和抗体位置的抗原和抗体等固定在探针上。
工业实用性如上所述，本发明提供仅在探针尖端面固定有具有传感器功能或催化功能的分子的探针，以及这种探针的生产方法。此外，本发明提供一种探针，即使探针尖端面没有尖到原子水平，原理上，其也能够加工单个分子，以及这种探针的生产方法。本发明的探针的用途并不局限于分析或加工分子。本发明的探针可以用于分析/加工有机体的各种细胞或组织；例如，鉴定蛋白质在细胞膜内的位置，鉴定离子通道，将特定DNA注射入细胞中，等等。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.扫描探针显微镜的探针，所述探针具有近位端和远位尖端部，该远位尖端部具有朝向固定的样品的尖端面，并且至少在尖端面上叠加有至少一个单分子层，在该尖端面上的最外层的单分子层中或该最外层的单分子层上的一部分，放置有具有化学传感器功能或催化功能的分子。
2.根据权利要求1的探针，其中所述尖端面上叠加有多个单分子层，构成该多个单分子层的各单分子层的分子密度从该尖端面到外侧逐渐减小。
3.根据权利要求1的探针，其中所述至少一个单分子层通过共价键叠加。
4.根据权利要求1的探针，其中所述至少一个单分子层由有机分子形成，所述尖端面上的最外层的单分子层中含有的分子数目等于或小于100。
5.根据权利要求1的探针，其中探针具有多个单分子层，具有化学传感器功能或催化功能的多个分子放置在不同的单分子层中；且该多个分子具有不同的化学传感器功能或催化功能。
6.扫描探针显微镜的探针，所述探针具有含有导电性聚合物的被覆层，该被覆层中含有选自无机催化剂和有机催化剂的催化剂。
7.根据权利要求6的探针，在该被覆层上进一步叠加有至少一个有机分子膜，在最外层的有机分子膜中或其上放置有具有化学传感器功能或催化功能的分子。
8.根据权利要求7的探针，其中所述被覆层中的催化剂的功能不同于所述具有化学传感器功能或催化功能的分子的功能。
9.权利要求1的扫描探针显微镜的探针的制造方法，所述方法包括以下步骤
权利要求
1.扫描探针显微镜的探针，所述探针具有近位端和远位尖端部，该远位尖端部具有朝向固定的样品的尖端面，并且至少在尖端面上叠加有一个单分子层，在该尖端面上的最外层的单分子层中或该最外层的单分子层上，放置有具有化学传感器功能或催化功能的分子。
2.根据权利要求1的探针，其中所述尖端面上叠加有多个单分子层，构成该多个单分子层的各单分子层的分子密度从该尖端面到外侧逐渐减小。
3.根据权利要求1的探针，其中所述至少一个单分子层通过共价键叠加。
4.根据权利要求1的探针，其中所述至少一个单分子层由有机分子形成，所述尖端面上的最外层的单分子层中含有的分子数目等于或小于100。
5.根据权利要求1的探针，其中探针具有多个单分子层，具有化学传感器功能或催化功能的多个分子放置在不同的单分子层中；且该多个分子具有不同的化学传感器功能或催化功能。
6.扫描探针显微镜的探针，所述探针具有含有导电性聚合物的被覆层，该被覆层中含有选自无机催化剂和有机催化剂的催化剂。
7.根据权利要求6的探针，在该被覆层上进一步叠加有至少一个有机分子膜，在最外层的有机分子膜中或其上放置有具有化学传感器功能或催化功能的分子。
8.根据权利要求7的探针，其中所述被覆层中的催化剂的功能不同于所述具有化学传感器功能或催化功能的分子的功能。
9.权利要求1的扫描探针显微镜的探针的制造方法，所述方法包括以下步骤(a) 在探针上叠加单分子层；以及(b) 在该单分子层上叠加其他单分子层，或改变该单分子层中含有的分子的分子结构。
10.根据权利要求9的方法，其中步骤(b)包括，通过置换效率小于1的化学反应，用官能团置换所述单分子层中含有的分子的末端，以及将该官能团与能结合于该官能团的分子结合。
11.根据权利要求9的方法，其中所述单分子层由有机分子形成，所述步骤(b)包括，将探针远位尖端部与具有催化功能的固体表面接触，从而仅反应性改变该探针的远位尖端部的尖端面上的有机分子。
12.根据权利要求9的方法，其中所述单分子层由有机分子形成，所述步骤(b)包括，用探针扫描存在至少一个具有催化功能的区域的固体表面，以及在该探针和该区域接触或接近的时候，仅反应性改变探针的远位尖端部的尖端面上的有机分子。
13.根据权利要求9的方法，其中单分子层由有机分子形成，当有机分子在底物的存在下与固体催化剂接触时，其分子结构通过化学反应得到改变，步骤(b)包括，在该底物不存在的状态下，通过重复探针向该固体催化剂的表面接近，然后远离的往复运动，调整探针和固体催化剂之间的接近距离，此后在该底物的存在下，以该接近距离使该探针和该固体催化剂接近，从而改变该有机分子的分子结构。
14.根据权利要求11至13之一的方法，所述方法进一步包括将所述具有化学传感器功能或催化功能的有机分子结合到所述改变的有机分子上的步骤。
15.权利要求8的扫描探针显微镜的探针的制造方法，所述方法包括以下步骤将探针浸渍在可电化学聚合的单体溶液中；以及给探针施加电压使单体聚合，从而形成被覆层。
16.根据权利要求15的方法，其中所述单体溶液含有催化剂分子。
17.根据权利要求15的方法，所述方法进一步包括以下步骤将具有被覆层的探针浸渍在含有催化剂分子的溶液或分散液中，以及给该探针施加电压，从而将催化剂分子吸收到被覆层中。
18.用具有探针的扫描探针显微镜加工目的分子的方法，该探针具有含有导电性聚合物的被覆层，且被覆层中吸收有催化剂分子，所述方法包括以下步骤使该探针接近目的分子，通过给导电性聚合物施加电压，使催化剂分子向目的分子释放，从而引起化学反应。
19.扫描探针显微镜，所述显微镜包括权利要求1或8的探针，控制所述探针和所述样品间的相对位置的装置；以及检测该探针和该样品间的相互作用的装置。
全文摘要
本发明提供扫描探针显微镜的探针，所述探针具有近位端和远位尖端部，该远位尖端部具有朝向固定的样品的尖端面，其中在至少尖端面上叠加有一个单分子层，在该尖端面上的最外层的单分子层中或最外层的单分子层上，放置有具有化学传感器功能或催化功能的分子。本发明还提供扫描探针显微镜的探针，所述探针具有含有导电性聚合物的被覆层，该被覆层中含有选自无机催化剂和有机催化剂的催化剂。本发明还提供具有上述探针的扫描探针显微镜，以及使用这种扫描探针显微镜的分子加工法。
文档编号G01N33/566GK1395681SQ01803884
公开日2003年2月5日 申请日期2001年9月20日 优先权日2000年9月21日
发明者中川徹, 行政哲男 申请人:松下电器产业株式会社