分子共振的像力显微镜的制造方法与工艺

相关专利的相互参照本专利主张2010年8月13日美国申请的专利申请号第61/401,495的利益，这一专利的全部内容作为参考被包含在本说明书中。发明领域本发明是关于显微镜的，特别地，本发明是关于用于纳米尺度光谱分析的原子力显微镜的利用。政府支援本发明是根据在国立卫生研究院授予的认证号HG004431及HG004549的认证下，根据政府支援完成的，美国政府对本发明具有所定权利。

背景技术：
原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy；AFM)已成功适用于表面具有化学(chemical)1磁力(magnetic)2,3及静电(electrostatic)4,5特性的纳米尺度成像。这些显微镜依靠探测端(普遍为硅)适当地改变去检测出所关心的特定特性然后把其转换成一种可检测的力。但是，除了在mK温度下为检测核磁共振而已使用的磁共振力显微镜(MagneticResonanceForceMicroscope)外，AFM的扫描力显微镜(AFMbasedscanningforcemicroscope)已被广泛利用在研究纳米尺度的材料特性上，而没有利用到对检测材料的光谱识别(spectroscopicidentification)。AFM适用于纳米光谱分析的能力，将为材料学及生物学提供新的机会。在生物学领域，AFM可被应用于分子细胞表面相互作用的研究，或应用于下一代DNA碱基序列的测序技术(spectroscopicidentification)。

技术实现要素：
课题的解决手段第1实施例提供了包括可在物体内生成分子偶极子/多极子(dipole/multipole)，在上述检测尖端上使多重像力及力梯度发生的能量资源的具备了检测尖端的以原子力显微镜为基础的设备。在另一实施例中，上述原子力显微镜具有一种能量资源可放射出在频率fm中调制出的能量束。第1实施例的另一具体形态中，上述能量资源是固定波长激光器(fixedwavelengthlaser)、可调谐激光器、磁发射器(magneticemitter)及电磁(electromagnetic)发射器。在第1实施例的另一具体形态中，上述检测尖端是从悬臂及音叉组成的组合中选择的机械谐振器。在第1实施例的另一具体形态中，提供的装置还包含了在上述物体上使从上述能量资源中放射出的能量集束的能量集束装置。另一实施例中，提供了包括可在物体内生成分子偶极子/多极子，在上述检测尖端上使多重像力及力梯度发生的能量资源的具备了检测尖端的以原子力显微镜为基础的设备。上述装置可从RF乃至可视光线及红外线波长中提供纳米尺度光谱分析。附图说明图1图示的是像力显微镜试验的简略图。图2图示的是在543nm附近具有最大吸收的玻璃上的6-tamra染色分子像；(a)至(e)图示的是具有475nm的激光线的地形及像力梯度；(a)中的插图图示的是地形线扫描横穿虚线；(b)及(f)图示的是具有543nm激光线的地形及像力梯度；(c)及(g)图示的是具有594nm激光线的地形及像力梯度；(d)及(h)图示的是具有633nm激光线的地形及像力梯度。图3图示的是AFM像力梯度信号及铂金埃尔默6-Tamra染色吸收光谱。图4图示的是在594nm附近具有最大吸收的玻璃上的YOYO-3染色分子。(a)及(d)图示的是具有543nm激光线的地形及像力梯度；(b)及(e)图示的是具有594nm激光线的地形及像力梯度；(c)及(f)图示的是具有633nm激光线的地形及像力梯度。图5图示的是简化的镜像偶极子表现及关于实验与理论的比较；(a)实验装置图示的是一个在玻璃衬底上位于粒子上方的Pt尖端；(b)中的玻璃衬底可被玻璃衬底上尖端的镜像并玻璃衬底上粒子的镜像所代替；(c)图示的是由尖端-衬底的间隔形成的在Pt尖端上的力梯度(衬底上没有粒子)；试验曲线-虚线；有限元电磁模拟曲线-实线；(d)总的相互作用近似于(b)通过在玻璃衬底上把多重(强)像与Pt尖端及(弱)像结合起来；(e)类似的情况在(d)通过忽视弱像；(f)图示的是为了与Pt尖端相互作用的玻璃衬底上的1nm的粒子做模型像力梯度对有限元电磁模拟。图6图示的是粒子在衬底上部时，尖端附近的电场(E)/入射电场(E0)的比的分布。图7图示的是接近粒子时扩张的E/E0分布。图8图示的是在接触到玻璃表面时，Pt尖端中的模拟电阻加热分布。图9中图示的是从玻璃衬底中撤回0.5nm时，Pt尖端中的模拟电阻加热分布。图10图示的是计算光热位移时对尖端几何学构造的利用。图11图示的是在尖端中模拟的瞬态温度分布。图12图示的(a)是偶极子及其隔着距离(d)的领域(field)，(b)图示的是与尖端偶极子(μt)连接的粒子偶极子(μp)。图13图示的是根据尖端-粒子相互作用计算的力梯度与电磁模拟比较。具体实施方式提供了围绕引力模式原子力显微镜(AFM)构建的显微镜，其中所述悬臂以其第1机械共振f0振动(图1)。频率f0的振幅的变化用于检测尖端与物体之间的范德华引力，并用于获得地形反馈信号且在常规轻敲模式原子力显微镜中的物体上稳固原子力显微镜探针。我们使用了具有k＝3n/m的刚度常数和第1机械共振f0＝65KHz的悬臂。我们选择了fm＝360KHz的激光调制频率，并且检测出f0+fm的上边带的频率为425KHz。与常规的方法不同，我们还以频率fm调制了激发/激光束(能量资源)，其在尖端内还以fm调制物体特征和它们的镜像之间的像力梯度。通过像力梯度调制来调制悬臂的机械共振频率以生成f0+fm和f0-fm频率的边带。所述的f0+fm频率的边带配置为在悬臂的第2机械共振的顶部，当物体被光栅扫描以记录二维的光学图像时使用锁定放大器检测所述的f0+fm频率的边带。用于锁定的参考通过在双平衡混频器中混合f0和fm驱动信号来获得，双平衡混频器的后方为中心频率为f0+fm的带通滤波器。试验中，半径为10nm的白金涂层硅尖通过经过玻璃显微镜滑盖利用油浸物镜(oilimmersionobjective)(NA＝1.45)被聚集的激光束被照明。根据是否利用激光器，电磁或其他能量资源，悬臂尖端可由当事人知道的其他适合的金属涂层。这种金属包括，并不仅限于此，白金等贵金属及镍等强磁性金属。另外的实施例中，悬臂尖端没有被涂层。聚集的激光在物体内生成(激发)光学偶极子力矩。尖端越接近玻璃表面上的物体，这一激发的偶极子检测/确认尖端内的镜像，其结果是在检测尖端上引起引力及力梯度。大致如[0023]中言及的一样，检测尖端上的这一力及力梯度，能够在悬臂的第2机械共振上部放置而排列的fo+fm侧边带中通过测定悬臂响应而被检测。试验在使fo+fm侧边带放置在第2机械共振上部的设备(setup)中施行，为了提高这些偶极子-偶极子的相互作用，在物镜的入射光瞳(entrancepupil)中使用径向偏振片(radialpolarizer)(ARCoptix)。这一光学仪器为了使4个激光器(λ＝633nm、594nm、543nm、475nm)能够独立地与物镜结合而被安置。物镜的入射光瞳中的光能已被调节至约100μW。其他实施例中，在不知道样品吸收波长的情况下，可调谐激光器/激发装置可被使用。在另一实施例中，电磁器或是磁力激发设备用来激发物体。在更为普遍的实施例中，可使用能够激发物体的能量资源。第一个实验是利用6-tamra染料(dye)实施的。100μL溶解在水中的4x10-7mM的6-tamra染料水滴收集在干净的玻璃显微镜滑盖上使其干燥。染料是由平均尺数为50nm的小岛(islands)凝聚而成的，最小的特征(图2中由箭头指明)是大约10nm。543nm的光学共振最高点附近的一系列波长中的地形(图2中的第一列)及光学像力梯度同时被记录。按照预想，图像中除了微小的热漂移，地形信号没有随着波长出现对比变化。另一方面，像力信号，在观察到最大对比的543nm中通过光学共振进行扫描时，出现了明显的对比变化。在475nm及633nm的光学像力显微镜照片中实际上看不到对比。光学像力显微镜照片，为了使背景信号在所有波长中变得统一已经达到正规化。展现光谱对比的已经记录的最小的光学像力特征曾是侧面尺数10纳米，6-tamra分子的高度所对应的具有0.5nm的特征高度。由于尖端直径大概10nm，得出最小的物体特征与10nm相比必须具有明显的小侧面尺数的结论。为了更集中于镜像概念，给玻璃显微镜滑盖上涂抹一层厚厚的6-tamra染料，利用铂金埃尔默Lambda40分光光度计(Perkin-ElmerLambda40spectrophotomet...