CN102183679B - 原位准同步检测微纳结构物化特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对材料表面微纳结构进行物化特性的检测方法，具体涉及在大气环境下采用AFM-IMS或AFM-FAIMS联用技术，原位准同步检测微纳结构物化特性的方法。先在原子力显微镜上对被测样品进行扫描成像得到物理特性数据后，利用电晕放电，使样品的化学物质脱附并离化为带电离子，再利用微型机电接口装置以迁移电场或使用人工气流的方式将带电离子送入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪中进行分离检测，确定化学成分。本发明能够将样品的物理特性和化学成份直接对应起来分析，具有原位（准）同步定点分析微纳结构的功能，整个过程在大气环境下进行，对样品限制低，分析测试效率大为提高，操作方便灵活，体积成本较低，便于在材料分析测试领域中普及推广使用。

Description

原位准同步检测微纳结构物化特性的方法

技术领域

本发明涉及对微纳结构固体材料表面进行物理特性和化学成份的检测方法，具体涉及一种在大气环境下利用原子力显微镜和离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪（AFM-IMS或AFM-FAIMS）联用技术，原位准同步检测微纳结构物理特性和化学成份的方法。

背景技术

实现对材料微纳结构物理特性和化学成份的原位准同步分析，是当今微纳尺度下新材料、新结构、新器件以及新性质研究的关键性科技问题。在原位（准）同步地进行材料物理特性和化学成份的表征就要求材料微纳结构的化学信息必须要与其所在的物理位置精确地一一对应，即在观察物理图像的同时，要能够在原位同步地分析化学信息。

    目前对材料微纳结构的物理特性和化学成份的原位（准）同步分析大多采用扫描探针显微镜（SPM）和质谱（MS）联用的方法。一种在固体材料表面原位检测其化学成份的方法首次报道于《Journal of Vacuum Science & Technology B》1996，Vol.14，No.3，1587-1590页上的“运用飞行时间质谱识别扫描隧道显微镜中的原子种类”(Atomic species identification in scanning tunneling microscopy by time-of-flight spectroscopy)，该实验采用扫描隧道显微镜（STM）与飞行时间质谱仪（TOF-MS）联用技术，利用STM的钨探针在硅材料表面取样，然后送入TOF-MS中分析其成份，并观察被采集到的硅原子蔟质谱图。

近年来基于SPM-MS联用技术在原位（准）同步进行材料物化特性的分析陆续见有报道，《Applied Physics Letters》2004, Vol. 84，No. 9，1558-1560页上的“扫描力显微镜-飞行时间质谱联用技术中的可调悬臂梁”（Switchable cantilever for a time-of-flight scanning force microscope），DongWeon Lee等人报道了一种在自由端能产生较大位移量的硅悬臂梁，并将其用于STM和TOF-MS联用系统中的原位采样与化学分析。在高真空环境下,STM扫描到被测材料表面的某个“兴趣点”位置后，可让悬臂梁尖端与样品接触，因此将有微量的样品分子或原子粘附在硅梁尖端上。随后，在加热电压的作用下，由于双金属效应悬臂梁产生向上的位移变形，硅尖上粘附的样品转移到一个环状的抽取电极附近，在电场作用下样品分子或原子被电离，并加速进入MS中，从而得到相应的质谱峰信号。

《Review of Scientific Instruments》2005, Vol.76，No.10, 1-6报道了“一种可实现扫描探针显微镜和飞行时间质谱原位联用的通用仪器”（A versatile instrument for in situ combination of scanning probe microscopy and time-of-flight mass spectrometry），作者A. Wetzel等人对DongWeon Lee曾经采用的实验系统进行了改造，研制了一种马达驱动的旋转探针台，在它上面既可以安装STM中的钨探针，也可以安装AFM中的硅探针。探针采样后，探针台快速旋转到某个角度，将针尖对准抽取电极，针尖上的样品被电场离化后，进入MS中进行成份分析。在检测实验中与MS联用的仍然是STM，用STM中的钨探针对石墨表面进行了采样，然后通过旋转探针台将样品交由MS分析，检测出碳的质谱峰。

《Journal of the Korean Physical Society》2008, Vol. 52，No. 5，1496-1500页上的“作为新型扫描力显微镜的功能微悬臂梁”(Functional microcantilever for a novel scanning force microscope)一文中，DongWeon Lee对其本人的硅悬臂梁热驱动变形送样方式和A. Wetzel等人的旋转探针台送样方式进行了分析和对比，认为旋转探针台送样方式确实更加方便，但是采用热驱动硅悬臂梁送样方式具有更快的速度。

上述这些基于STM-MS联用的方法为原位（准）同步定点分析材料微纳结构相互“套准”的物理特性和化学成份提供了一种重要手段，但这些研究工作尚还有如下不足：采用需在高真空环境下工作的STM，对被测材料限制要求高；采样方式复杂，容易损坏样品和探针；检测化学成份时使用高分辨率的MS，代价高昂。这些缺点制约了该方法在原位(准)同步分析材料微纳结构物理特性和化学成份方面的普及推广应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种在大气环境下利用原子力显微镜（AFM）和离子迁移谱仪（IMS)或高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）联用技术，原位准同步检测材料微纳结构物理特性和化学成份的方法，从而能满足数据准确、操作方便且成本低、工作应用范围宽的要求。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明的原位准同步检测微纳结构物化特性的方法，包括首先将被测样品固定在原子力显微镜（AFM）样品台上，调整该显微镜成像系统及扫描参数，对被测样品进行扫描成像并得到物理特性数据；其特征在于，然后的步骤是

一．使被测样品的化学物质脱附（或称为解吸附）并离化为带电离子（气态分子或原子）：（1）安装能电晕放电的AFM探针；(2)调整该显微镜的微悬臂梁和探针针尖，使探针针尖对准被测样品，探针针尖与被测样品距离在0-200个微米间；(3)在探针上施加高电压至探针尖端以产生电晕放电，使被测样品的化学物质脱附并离化为带电离子（或称之为解吸附）； 

二．利用微型机电接口装置以迁移电场或使用人工气流的方式将带电离子送入离子迁移谱仪（IMS）或高场不对称波形离子迁移谱仪中：（4）先利用抽取电极抽取被解吸附的带电离子，并加环形电极产生迁移电场引导带电离子进入迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪离化区；或者将离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪入口对准AFM探针针尖的样品处，使用气泵以人工气流吸入带电离子，使带电离子进入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪离化区中； 

（三）利用离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪进行分离检测，以确定化学成分。

在上述检测方法中，所述在探针上施加高压电至探针尖端以产生电晕放电是将探针连接到电压为100-6000v的直流高压电源，其电流为1pA-5mA。所述电晕放电AFM探针可以由市场购得，也可以对原普通AFM探针进行改进，即利用溅射工艺在探针的硅尖所在侧面制作一金属电极，其电极和引线的制作材料可以是钛、铂、金、钨、银、铜、铝，或者是这些金属的双层或多层组合；或者对原AFM探针进行重掺杂使其具有导电功能。

在上述检测方法中，所述使被测样品的化学物质脱附并离化为带电离子，也可以使用高能量激光束(平均功率为1mw-1kw)直接射到被测样品上使其表面物质脱附并离化为带电离子，例如使用半导体激光器 ，飞秒激光器等。

所述利用抽取电极抽取被解吸附的带电离子是将抽取电极置于与AFM探针支架相连的连锁微动台上，使其与探针针尖保持10um左右的距离，然后在抽取电极上施加电脉冲抽取硅尖附近离化的带电离子，其中电脉冲为一系列幅值为正负200v,周期为20ns的方波。所述抽取电极，可以是市场购得的或利用MEMS(微机电系统)工艺在硅上加工的环状空心铝电极（例如内径约为40um、外径约为100um）。

所述环形电极以迁移电场将带电离子送入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪是：在抽取电极后面增设同轴环形迁引电极,并在环形迁引电极上分别施以不同的由高到低的电压（如150v,100v,50v等;）产生迁移电场来引导带电离子进入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪的离化区中；所述以人工气流的方式将带电离子吸入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪是：将离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪的样品入口对准AFM探针针尖处的带电离子所在区域，启动吸入气泵，使带电离子被气流吸入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪离化区中 。

在上述检测方法中，如果需要的话，也还可在AFM-IMS或AFM-FAIMS后再联用质谱仪，组成三级联用系统，可进一步提高整个分析系统的定量检测能力。使用本发明的检测方法能够十分方便地实现纳米尺度下对样品表面微纳结构的物理量和化学量的原位准同步检测。

本发明方法直接在AFM工作台上将被测样品化学物质脱附并离化为带电离子，然后送入IMS进行化学分析，可在短时间内先利用AFM记录样品的物理图像，然后采用非接触式解吸附采样并在常压下工作的IMS上检测其化学成份，因而能够将样品的物理特性和化学成份直接对应起来分析，具有原位（准）同步定点分析微纳结构的功能。与现有的SPM-MS方法相比较，本方法具有如下优点和效果：现有技术中的STM-MS方法需在高真空环境下工作，而本发明的AFM-IMS或AFM-FAIMS联用是在大气环境下进行，对样品的限制低，分析测试效率大为提高，也能大大扩大其应用范围；另一方面，本发明方法的实验操作方便灵活，体积成本也都较低，便于在材料分析测试领域中的普及推广使用。

具体实施方式    

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1   检测肺癌细胞的表面物理特性和化学特性

1.    对原子力显微镜普通AFM探针作出改进，使其具有电晕放电功能：

选用原子力显微镜V形氮化硅探针，其微悬臂梁长约200um,宽约30um,厚约0.6um,半开角为36度，探针针尖直径在10nm左右，微悬臂梁和探针针尖构成AFM探针。在AFM探针的硅尖一侧安置铂金电极和引线得到具有导电功能的AFM探针，AFM探针支架上的引线经两个阻值为100千欧和1千欧的整流电阻连接至直流高压电源的正极，样品及样品台接地，直流高压电源电压范围为0-6kv。

2. 将生物样品肺癌细胞（有药物作用过的）置于原子力显微镜的工作台上，利用AFM探针对癌细胞进行扫描观测和分析，得到形貌、黏度、硬度、弹性等物理特性参数，通过对各项参数的分析发现癌细胞的某些物理参数与周围的正常细胞不同，例如癌细胞的弹性模量一般比正常细胞的小。

3. 利用AFM探针对样品癌细胞进行穿刺取样，然后在AFM探针尖端施加1200v的高电压，使其产生电晕放电，则针尖上粘附的来自细胞中的化学物质脱附并离化成为带电的气态分子；

4. 将离子迁移谱仪的样品入口对准AFM探针针尖和样品之间的带电离子所在区域，启动吸入气泵，带电离子被气流带入到离子迁移谱仪中进行化学特性测量 。

本实施例利用AFM和IMS的相结合，实现了纳米尺度下对癌细胞物理量和化学量的原位同步检测，能更加全面地了解癌细胞在药物作用下的物理和化学特性变化，有助于揭示药物对癌细胞的作用机理。

实施例2  检测太阳能电池材料CIGS（铜铟镓硒）的物理化学性能

1.利用重掺杂工艺对Budget Sensors公司提供的商用AFM探针作出改进，使其具有电晕放电功能，其微悬臂梁长125um宽25um厚4um；使用金丝球焊从AFM探针支架上引引线经两个阻值为100千欧和1千欧的整流电阻连接至直流高压电源的正极，样品及样品台接地，直流高压电源电压范围为0-6000v；

2. 将太阳能电池材料CIGS 样品置于AFM工作台上，利用原子力显微镜对纳米材料样品进行在线的表面物理形貌观察；

3. 将AFM探针对准样品上需分析化学特性的点，调整微动台和样品台使探针针尖和样品两者距离为200微米，然后在AFM探针尖端施加2000v的高电压，使其产生电晕放电，则样品点上的化学物质脱附并离化成带电的气态分子或原子； 

4. 以探针针尖和抽取电极的中心为轴，从距离抽取电极后约1mm的地方起安装三个由厚膜陶瓷工艺加工而成的同轴铝环形迁引电极，将其固定在样品台和微动台间，间距分别约为1mm和5mm,内径和外径分别约为100um、200um;300um,800um;1mm,2mm,其中陶瓷作为基体和绝缘物质。先启动抽取电极近距离收集AFM探针针尖附近解吸附的样品离子，然后启动铝环形迁引电极，即在环形迁引电极上分别施以不同的系列电压(如120v,80v,30v)产生迁移电场，将样品离子以迁移电场的方式送入高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）中进行化学性能的测试。

本实施例利用AFM和FAIMS的相结合，实现了纳米尺度下对新型化合物太阳能电池材料CIGS的物理特性和化学成份的原位(准)同步检测，如果需要的话，可在AFM-FAIMS后再联用质谱仪，可进一步提高整个检测系统的定量分析能力，能更加全面地对CIGS材料纳米尺度下的微观结构及化学组成分布对比进行研究，有助于找出CIGS材料性能差异背后的原因。

实施例3   检测大肠杆菌抗原抗体结合物的表面物理特性和化学特性

1.利用MEMS工艺对原子力显微镜普通轻敲模式的AFM探针作出改进，使其具有电晕放电功能；

2.使用AFM对O157:H7抗体样品的表面形态进行观察，再涂覆一层包含有大肠杆菌（如O157:H7）的沉积物至O157:H7抗体等目标物质样品表面，由于抗原抗体间的特异性结合，目标菌同抗体相互作用在表面形成抗原抗体复合物，用AFM来扫描表面通过检测分子间的相互作用以确定表面抗原抗体复合物的位置，并得到复合物的表面物理特性；

3．调整样品台，使探针针尖和样品两者距离为50微米，在AFM探针尖端施加900v的高电压，产生电晕放电，使抗原抗体复合物从表面解吸附，离化成为带电的气态分子。

4.启动抽取电极近距离收集AFM探针针尖附近解吸附的样品离子，并启动铝环形迁引电极，即在环形迁引电极上分别施以不同的系列电压(如150v,100v,50v)产生迁移电场，同时开启IMS气泵进行吸入进样，以人工气流配合迁移电场的方式将硅尖附近解吸附的样品离子带入IMS进行分离检测

本实施例实现了纳米尺度下对样品表面抗原抗体复合物的物理量和化学量的原位同步检测。如果需要的话，可在AFM-IMS后再联用质谱仪，可进一步提高整个分析系统的定量检测能力，以更加全面地了解抗体物质在抗原物质作用下的物理和化学特性变化，有助于揭示抗体物质对抗原物质的作用机理。

以上实施例中，所使用的原子力显微镜AFM(NanoFirst2000型号)、离子迁移谱仪(德国施耐普IMS FZK-90型号)均为市售产品,高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）为市售产品（美国Sionex公司的MicroAnalyzer）或实验室研制仪器；肺癌细胞样品来自有药物作用过的培养并染色好的A549肺癌细胞 ；太阳能电池材料CIGS 来自商用CIGS太阳能电池材料公司；被检测大肠杆菌O157:H7抗体等目标物质来自于市售产品。

Claims (5)

1.一种原位准同步检测微纳结构物化特性的方法，包括首先将被测样品固定在原子力显微镜样品台上，调整该显微镜成像系统及扫描参数，对被测样品进行扫描成像并得到物理特性数据；其特征在于，然后的步骤是

一．使被测样品的化学物质脱附并离化为带电离子：（1）安装能电晕放电的AFM探针；(2)调整该显微镜的微悬臂梁和探针针尖，使探针针尖对准被测样品，探针针尖与被测样品距离在10-200个微米间；(3)在探针上施加高电压至探针尖端以产生电晕放电，使被测样品的化学物质脱附并离化为带电离子； 

二．利用微型机电接口装置以迁移电场或使用人工气流的方式将带电离子送入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪的离化区中：（4）先利用抽取电极抽取被解吸附的带电离子，并加环形电极产生迁移电场引导带电离子进入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪离化区；或者将迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪入口对准AFM探针针尖的样品处，使用气泵以人工气流吸入带电离子，使带电离子进入离子迁移谱仪离化区中； 

三．利用离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪进行分离检测，以确定化学成分。

2.如权利要求1所述的原位准同步检测微纳结构物化特性的方法，其特征在于，所述在探针上施加高电压至探针尖端以产生电晕放电是在探针上施加电压为100-6000v、电流为1pA-5mA的电源。

3.如权利要求1所述的原位准同步检测微纳结构物化特性的方法，其特征在于，所述利用抽取电极抽取被解吸附的带电离子是在抽取电极上施加脉冲电压，即一系列幅值为正负200v、周期为20ns的方波。

4.如权利要求1所述的原位准同步检测微纳结构物化特性的方法，其特征在于，所述采用人工气流的方式将带电离子吸入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪是：将离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪的样品入口对准AFM探针针尖处的带电离子所在区域，启动吸入气泵，使带电离子被气流吸入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪离化区中。

5.如权利要求1所述的原位准同步检测微纳结构物化特性的方法，其特征在于，所述加环形电极产生迁移电场引导带电离子进入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪离化区是：在抽取电极后面增设同轴环形迁引电极,并在环形迁引电极上分别施以不同的由高到低的电压产生迁移电场来引导带电离子进入离子迁移谱仪或高场不对称波形离子迁移谱仪的离化区中。