CZ44796A3 - Method of chemically resolving representation by making use of raster power microscopy - Google Patents

Description

Předložený vynález se týká způsobu chemicky rozlišujícího zobrazení pomocí rastrovací silové mikroskopie, při kterém se používají chemicky modifikované soncy.

Dosavadní stav techniky

Vynálezem rastrovací tunelové mikroskopie Binningem a Rohrerem (viz G.Binning, H.Rohrer, Ch.Gerber a E.Weibel;

Phys.Rev.Lett.49 (1982) se umožnilo získat topografii (relief) vodivých povrchů s atomárním rozlišením za normálních laboratorních podmínek. 0 čtyři roky později (viz. G.Binning, C.F.Quate a Ch.Gerber; Phys.Rev.Lett.56 (1986)930) byl nalezen způsob rastrovací silové mikroskopie, který s podobným výsledkem umožnil použít také nevodivé vzorky.

Při nejvíce používaném způsobu provedení rastrové silové mikroskopie (viz obr. 1) se vede špička z křemíku nebo nitridu křemíku na silovém raménku ve velmi malé vzdálenosti při konstantní odpudivé síle nad sondu. Potřeba vynaložené síly se přenáší nepřímo pres ohyb silovvého raménka, který se měří typem světelného ukazatele. Jestliže špička vstoupí na vyvýšení, je vzdálenost k povrchu sondy menší. Jelikož při tomto přiblížení stoupá van der Walsova odpudivá síla, zpětným působením sondy za pomoci piezopřevaděčem se opět získá původní odpudivá síla. Pídící signál piozopřevadéče slouží k rekonstrukci výškového profilu prohledávané sondy. Modulací silovvého raménka je možné např. také prohledávat měkké nebo lepivé vzorky. Dva možné způsoby se označují jako tappingnebo Non-Contact-Modus. Při tappingu je modulační frakvence blízko rezonanční frekvence silového raménka (typicky 300 až 500 kHz), amplituda činí asi 50 až 200 nm, povrchy sondy jsou dotýkány jen krátce. Typická data pro Non-Contact-Modus jsou: modulační frekvence ÍUO až 200 kHz, amplituda kolem 1 nm. Při tomto způsobu se vzorek nedotýká.

Nevýhodou rastrovací silové mikroskopie je ta skutečnost, že chemická specifikace povrchu, tj. chemický obraz povrchu, dosud nebylo možno získat. Náprava se provádí speciální modulační technikou, která umožňuje stanovit na povrchu tvrdé/měkké-kontrasty (elasticitní způsob) a kontrasty v takzvaném laterálním silovém způsobu) a kontrasty v poměrech tření - v takzvaném laterálním silovém způsobu, při které se měří ohýbání silového raménka (viz L.F.Chi, M.Anders,

H.Fuchs, R.R.Johnston a H.Ringsdorf; Science 259 (1993) 213).

Bylo také krátce referováno o poznatcích o párech 1 igand-receptor (viz E.F.Florin, V.T.Moy a H.E. Gaub; Science 264 (1994) 415).

V oblasti rastrovací silové mikroskopie zůstává nevyřešená úloha rozpoznávání chemicky rozdílných oblastí povrchů. Částečné řešení bylo zveřejněno C.D.Frisbiem,

L.F.Rozsnyaiem, A.Noyem, M.S.Wrightonem a L.M.Lieberem ve Science 265 (1994) 207. V exprimentu, který v uvedené práci popsali, se používá chemicky modifikovaná špička, která se vede nad chemicky strukturovaným modelovým povrchem. Při použití způsobu laterální síly se mohlo rozlišovat mezi oblastmi terminovanými methylovými a kyselinovými skupinami. Kontrastní mechanismus byl dedukován z hydrofobní interakce.

úlohou předloženého vynálezu je poskytnout způsob chemicky rozlišujícího zobrazení pomocí rastrovvací silové mikroskopie, při kterém se používají chemicky modifikované sondy, aniž by byl nutný laterální silový způsob.

Podstata vynálezu

Podstatou předloženého vynálezu je způsob chemicky rozlišujícího 2Cbi‘e£čňí puiíiOCÍ ióáífúVdCÍ aliOVc tli i k i‘u akop i e za použití chemicky modifikovaných sond, vyznačující se tím, že se zobrazení provede v normálním silovém-, eiasticitním-, tapping- nebo non-contact způsobu.

Tento způsob je vhodný také pro zobrazení technických povrchů (technical surfaces) jako např. ke zobrazení drsných nebo lepivých povrchů jakož i substancí s lepivými vlastnostmi, ke shromažďování a výběrům informaci jakož i zobrazení biologických vzorků, např. k sekvencování proteinů a k sekvencování DNA- a RNA-molekul ( nukleotidů).

Výhodné formy provedení způsobu podle vynálezu spočívají v tom, že se jako chemicky modifikovaná sonda použitá špička rastrovacího silového mikroskopu bud přímo nebo po nanesení vrstvy kovu nebo oxidu, povrství jednou nebo více substancemi které vykazují selektivní interakční účinky k prohledávanému povrchu, přičemž se jako špičku modifikující substance může použít thiol s přídavnými kyselými nebo bázickými funkcemi, thiol s přídavnou nukleobázovou funkčností, disulfid s přídavnou kyselou nebo bázickou funkčností, disulfid s přídavnou nukleobázovou funkčností, silan s přídavnou kyselou nebo bázickou funkčností nebo silan s přídavnou nukleobázovou funkčností.

Další výhodnou formou provedení způsobu podle vynálezu h

je, že se špička rastrovacího silového mikroskopu povrství po 1ykati ontem, po 1yaniontem, organickou nebo anorganickou kyselinou, organickou nebo anorganickou bází, Lewisovou kyselinou popř. Lewisovou bází, přičemž kyselina, popř. báze mohou být také ve formě polymeru.

Překvapivé bylo nyní nalezeno, způsobem -tj. registrací topografie že také popsaným normálním * 7Ρ.Λ * « 4 V --T > - ~ r j C a· 'U -j i i v jf* ύ) Λ Jř lnout řešením podle vynálezu chemický obraz za pomoci rastrovací silové mikroskopie. Výhodné u způsobu s normální silou je, že není nutné žádné další přídavné vybavení (prakticky všechny přístroje jsou proto vybaveny) a že obvykle se při tomto způsobu provedení dosáhne nejvyššího laterálního rozlišení.

Pro řešení úlohy chemického zobrazení podle vynálezu přichází také v úvahu potřeba elasticitního-, tapping- nebo noekontaktního způsobu s modifikovanou špičkou.

Předložený vynález bude vysvětlen v následujících příkladech provedení.

Příklady provedení

Je možno postupovat následovně: Špička z nitridu křemíku se v páře pozlatí a podle tzv. Self-Assembly-způsobu (= adsorpce z kapalné fáze; srov. H.Keller, W.Schrepp a H.Fuchs; Thin Solid Films 210/211 (1992) 799) se povrství kyselinou thio 1karboxy1ovou (srov.obr.2). Takto modifikovaná špička se použije jako specifická vzorek. Modelový vzorek se vyrobí například následovně: Maska se povrství buty1-trimethoxysi 1anem. Nalisováním na křemíkovou podložku se vyrobí oblast vzoru šachovnice, která obsahuje methylenskupiny. Oplachováním se odstraní přebytečné molekulové úsady, takže zůstane na povrchu monovrstva silanu. Kovalentní fixace na substrát se provede temperováním. Ponořením takto částečně povrstvené podložky do zředěného roztoku aminopropyltrimethoxysilanu se adsorpcí dosud nepovrstcvné oblasti povrství tak, Že zde vznikne aminoterminovaný povrch; tj. pro prohledávanou sondu je zde šachovnicový vzor amino- a methyl terminovaných silanových monovrstev se zanedbatelnou výškovou diferenciací a proto se žádnými topografickými rozdíly (viz př. 3).

Jestliže se takto vyrobený vzorek zkoumá pomocí normální, nemodifikované špičky ve způsobu s normální silou, získá se v topografickém obrazu vzorku hladný povrch (viz obr.4); vzorek neobsahuje žádné výškové rozdíly, nemá rozeznatelnou strukturu.

Při použití modifikované špičky je zřetelná struktura vzorku i při způsobu rastrovací silové mikroskopie s normální silou (viz obr. 5).

Dále bylo překvapivě nalezeno, že způsob podle vynálezu je také vhodný pro zkoumání hrubých, technických vzorků. Jako příklad je na obr, 6 uveden vlasový povrch, který byl ošetřen takzvaným kondicionerovým produktem a potom opláchnut. Zůstává na něm mimo jiné tenká polymerová vrstva na vlasu, která působí, že vlasy jsou rozčesávate1 né i ve vlhkém stavu. Při zkoušení s nemodifikovanou špičkou není polymernový potah prakticky prokazatelný, na rozdíl od použití modifikovaných špiček.

Podobným způsobem jako vlasy je možno přirozeně také zkoumat jiná přírodní nebo syntetická vlákna pokud jde o složení povrchu, povrstvení poocnými látkami, předúprava jako h

např. šlichtování v textilní oblasti.

Charakterizace stavu adsorpce polymerního pomocného činidla na technických a anorganických površích má velký průmyslový význam. V této oblasti, je např. velmi zajímavý průkaz velmi tenkých polymerních vrtev u sedimentačních, vločkovacích a pomocných činidel při výrobě papíru ve smyslu chemického rozlišení. -Příklad z této oblasti je uveden na obr. 7. Jedná se zde o modelový systém pro povrstvení polystyrénových latexových kuliček polyelektrolytem, v tomto případě polyethyleniminem. Je dobře rozeznatelný skvrnitý povlak styrenových kuliček.

Způsob podle vynálezu pro rozlišování různých chemických druhů je také použitelný v oblasti uchovávání dat. Jestliže se v předchozím fyzikálním nebo chemickém kroku předpokládá, že došlo k chemické nehomogenitě v povrchu vzorku, může tato být pomocí výše popsaného způsobu prokázána. Zápis informace, tj. v tomto případě chemické změny povrchu může provést např. světelnými, elektronovými nebo iontovými paprsky. Také pomocí samotného rastrovacího sondového způsobu je možný zápis informace, např. vložením napěťových pulzú nebo katalytickými reakcemi.

Tako informace, které pomocí světla byly vepsány do polymerní matrice, např. za použití sulfoniových solí, mohou být načteny způsobem podle vynálezu.

Mnoho problémů s průkazem rozdílných druhů na povrchu je řešitelných pomocí způsobu podle vynálezu, protože se zde jedná o velmi citlivý (i v oblasti submonovrstvy) a vysoce citlivý způsob (až do atomárního měřítka) pro průkaz molekul na površích a pro struktury povrchu. Patří sem obecně povrchy umělých hmot, které např. jsou opatřovány lepivými substancemi pro lepší přilnutí, a pak je jejich rozdělení na povrchu cílem zájmu. Také kluzné činidlo nebo antioxidanty jsou v této souvislosti zajímavé. U polymerů je zajímavé např. rozdělení hlavních složek, tj. morfologie, ale také rozdělení pomocných činidel jako např. činidel zprostředkujících kompatibilitu, startérů atd.

Tyto otázky hrají také velkou roli v polymerních disperzích, kde jde například o výstavbu disperzních částic, o rozdělení různých složek v povrchu a v průřezu (při zkoumání průřezu) nebo opět o rozdělení pomocných činidel jako jsou např. emulgátory.

U pěn je možno mezi jiným zkoumat na vyústění pěny nebo lamelách rozdělení pomocných činidel.

V oblasti katalyzátorů je možno mezi jiným zkoumat rozdělení různých složek katalyzátoru na povrchu. Mezi jiným jsou prokazatelné fenomény otravy.

Povrstvení pigmentových povrchů pomocnými látkami např. pro dosažení ovlivnění krystalového habitu je velmi zajímavé a může být prováděno vhodně modifikovanou špičkou při vysoké místní citlivosti, která zasahuje až do molekulární škály. Stejným způsobem je také možno zkoumat lakové povrchy za účelem prokázání rozložení pomocných činidel, mikrostruktury lakových povrchů, zkoumání vadných míst (např. kráterů), příčiny zvětrání atd. Také rozdělení pomocných činidel, surovin laku atd. na kůži může být zkoušeno. Totéž platí o oblasti tlakových systémů, kde např. může být zkoumáno rozdělení oleofilní oblasti na povrchu tlakových desek. Rovněž je možno zkoumat rozdělení tlakových barev na površích jako je papír. Jsou možné výzkumy fenoménu koroze na organických a anorganických površích, protože koroze vede ke změněnému složení povrchů, které je možno zkoumat pomocí snímání modifikovanou špičkou.

Další možnosti použití jsou možné v biologické a farmaceutické oblasti, kde je možno pomýšlet na nalezení receptorových míst na.biologických strukturách pomocí účinnoi látkou značených špiček. Ve smyslu předloženého vynálezu je také možné pomocí specifické interakce rozpoznat biologicky relevantní oblast a v biologických strukturách např. buňky a chromozomy. K detegovatelné interakci se počítají např. interakce gen/antigen nebo obecně interakce mezi proteiny a nízkomolekulárními účinnými látkami, oligonebo polysacharidy, lipidy, DNA, RNA jakož i samotnými proteiny. Také chování interakce lektinů může být zejména v rostlinné oblasti důležití pro důkazní a zobrazovací účely.

Obecně je způsob podle vynálezu použitelný vzhledem k detekci interakcí pro screening nebo pro hmotový screening v oblasti účinné látky. K tomu je nezbytná imobilizace vhodných receptorových struktur nebo obecných cílů, které jsou přejížděny účinnou látkou značenou špičkou. Tímto způsobem se získá obraz interakce. Tako je možný opačný případ, kdy jsou receptory naneseny na špičku a např. jsou imobi1 izovány účinné látky. V oblasti ochrany rostlin by také mohl být proveden průkaz činidel pro ochranu rostlin z listů jako i z rostlin nebo částí rostlin.

Pomocí odpovídajících bází je také představitelné např. provádění sekvencování řetězců DNA nebo RNA.

Popřípadě je také možné zobrazení v rozpouštědlech, ve vodě nebo za fyziologických podmínek.

Povrstvení špičky nemusí nezbytně být provedeno popsaným způsobem. Cílemje toliko definované nanesení jednoho nebo více druhů. Je například možno povrstvovat špičku z nitridu křemíku, oxidu křemičitého nebo křemíku, tj. bez kovové mezivrstvy. K tomu by byl např. vhodné silany. Je také myslitelné povrstvovat špičku vakuovým způsobem (jednoduché odpařování jakož i Chemical nebo Physical Vapour Deposition (CVD nebo PVD) atd. Také povrstvování pomocí

Langmiur-Blodgett- způsobu by bylo možné. Přitom mohou být vytvořeny zejména směsné vrstvy z více druhů. Také je možná fixace jiných zkušebních tělísek jako jsou např. latexové kuličky. Vrstvy s lepivé oblasti by mohly být fixovány a tak zkoumány vlastnosti v této oblasti použití.

Tloušťka povrstvení může zasahovat až do oblasti monovrstvy. Pro výrobu modifikovaných špiček platí také široká^ paleta možností.

Pro hydrofobní interakce jmenované ve Science 265 (1994) 207 jsou prakticky vhodné všechny představitelné interakční síly, které poskytují chemické, místně rozlišitelné robrazení. Jak ukazuje na obr. 5 uvedený příklad, může být využita interakce kyše 1ina/báze. Stejným způsobem mohou být využity elektrostatické, kovalentní, disperzní atd. interakční síly při vhodné modifikaci špičky jakož i interakce, které např. způsobují přechod náboje. Také zobrazení vazeb vodíkových můstků jakož i interakcí donor/akceptor je možné vbyužít ve smyslu tohoto vynálezu pro zobrazovací účely.

Jako příklad pro použití způsobu podle vynálezu pro uložení a načtení informací je uveden zápis informace světlem.

Proto může např. být směs matrixového polymeru na bázi kysele labilními skupinami modifikovaného poly-p-hydroxystyrenu (např. s terč.butoxykarbonylovými skupinami nebo terc.butoxyacetylovými skupinami modifikované viny1feno1ové jednotky) a sulfoniové soli osvětlena UV-zářením pro tvorbu obrazu. Podle uvedených reakčních schémat (a) a popř. (b) vznikají na osvětlených místech kyselé skupiny, které pak způsobem podle vynálezu mohou být přečteny.

I 1

Popis obrázků na připojených výkresech

Obr. 1: Schéma principu rastrovací silové mikroskopie

Topografii sloužící vychýlení silového ramena se měří přes světelný ukazatel.

= detektor, 2 = zdroj světla, 3 = piezopřepínač, 4 = špička a silové rameno, 5 = zkoumaný vzorek.

Obr.2: Špička povrstvená adsorpcí z kapalné fáze

Na základě afinity thiolskupiny ke zlatu se na vnější straně nacházejí kyselé skupiny, tj. je získána kyselá špička, která je vhodná pro průkaz bázických skupin nebo vazeb vodíkových můstků.

a 5 mají stejný význam jako na obr. 1. Dále 6 = odpařená vrstva zlata, 7 = kyselina thiolkarboxylová jako selektivní vrstva, 8 = znázornění selektivní interakce.

Obr. 3: Šachovnicový modelový povrch s oblastmi, které obsahují amino- a methylskupiny má stejný význam jako na obr. 1. Dále znamená 9 = hydrofilní vrstva (v tomto případě trimethoxypropy1aminos i lan), 10 = hydrofobní vrstva (trimethoxybutylsilan), 11 = křemíková maska.

Obr.4: Zobrazení vzorku v normálním způsobu rastrovací silové mikroskopie s nemodifikovanou špičkou

Protože vzorek nevykazuje prakticky žádné výškové t 2 rozdíly, ale jen rozdíly v chemickém složení, nezíská se v čistém topografickém obrazu žádný kontrast. Povrch se jeví až na několik chybných míst jako hladký, chemické rozdíly nemohou být zobrazeny.

Obr.5: Zobrazení vzorku s povrstvenou špičkou tomto případě je možné ve způsobu s normální silou ne základě specifické interakce zobrazení různých oblastí vzorku.Kontrast se získá na základě chemického složení vzorku, takže je možné zobrazení chemické struktury povrchu.

Obr. 6: Zobrazení povrchu vlasu, který je potažen velmi tenkou vrstvou polymerů.

Uložení polymeru je rozeznatelné ve středu obrazu. Bez povrstvené špičky není možno polymery přímo prokázat.

Obr.7: Pokrytí latexových kuliček s polystyrenu polyelektrolytem, kterým je polyethylenimin

Povrstvená špička umožňuje průkaz uložení polymeru.

Po 1yethy1eniminové polymery jsou na povrchu latexové kuličky viditelné jako vyvýšeniny.

Claims (10)

1. Způsob chemicky rozlišujícího zobrazení pomocí rastrovací i ' f· 3 silové mikroskopie za použití chemicky modifikovaných sond-r·---'-Uč.

vyznačuj í c í s e t í m, že se zobrazení provede způsobem s normální silou, elastickým, tapping- nebo nekontaktním způsobem.

2. Způsob podle nároku 1,vyznačující se t í m,že se jako chemicky modifikovaná sonda používaná špička rastrovacího silového mikroskopu bud přímo nebo po nanesení vrstvy kovu nebo oxidu kovu povrství jednou nebo více substancemi, které vykazují selektivní interakce ke zkoumanému povrchu.

3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se t í m, že se jako špičku modifikující substance použije thiol s přídavnými kyselými nebo bázickými funkčnostmi, thiol s přídavnou funkčností nukleové báze, disulfid s přídavnou kyselou nebo bázickou funkčností nebo disulfid s přídavnou funkčností nukleové báze.

4. Způsob podle nároku 2, vyznačující se t í m, že se jako špičku modifikující substance použije silan s přídavnou kyselou nebo bázickou funkčností nebo silan s přídavkou funkčností nukleové báze.

5. Způsob podle nároku 2,vyznačující se t í m, že se špička rastrovacího silového mikroskopu povrství polykationtem, polyaniontem, organickou nebo anorganickou bází nebo Lewisovoukyse1 inou, přičemž kyselina nebo báze může také být v polymerní formě.

6. Způsob podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že se zobrazení provádí v organickém rozpouštědle, ve vodě nebo za fyziologických podmínek.

7. Použití způsobu podle některého z předchozích nároků pro zobrazení technického povrchu.

8. Použití způsobu podle některého z nároků 1 až 6 pro zobrazení substancí s lepivými vlastnostmi.

9. Použití způsobu podle některého nároků 1 až 6 pro zobrazení biologických vzorků.

10. Použití způsobu podle některého z nároků 1 Až 6 pro účel screeningu nebo hmotového screeningu v oblasti účinné látky.